非磁性換熱管管板處壁厚的渦流檢測(cè)實(shí)踐

龔昌文

（云南云天化無(wú)損檢測(cè)有限公司，云南 昆明 650233）

1 換熱管管板處壁厚檢測(cè)的重要性

目前，由于結(jié)構(gòu)限制，換熱管只能采用內(nèi)穿式探頭渦流檢測(cè)方法進(jìn)行探傷和壁厚測(cè)量。根據(jù)渦流檢測(cè)原理，在被檢材料內(nèi)部，渦流密度隨著滲透深度增加，而成指數(shù)衰減[1]。換熱管渦流測(cè)厚正是利用指數(shù)衰減曲線的相對(duì)線性段，從而保證測(cè)厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。正常情況下，壁厚檢測(cè)中渦流的滲透深度都會(huì)大于換熱管的實(shí)際厚度，以保證良好的檢測(cè)線性。但這樣就會(huì)使換熱管外管板對(duì)該處管子壁厚檢測(cè)產(chǎn)生較大影響，即檢測(cè)值往往比實(shí)際大很多[2]。通常情況下，換熱管壁厚檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)是管板和折流板段以外管子的某一小段圓周平均壁厚的最小值。

換熱管渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)備投運(yùn)年限的增加，部分換熱管管板處壁厚較其它腐蝕更為嚴(yán)重，壁厚更薄。這種情況，在尿素裝置的高壓換熱器中，表現(xiàn)尤為突出。主要是:由于管板處換熱管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致溫度、介質(zhì)等分布差異，而使得壁厚減薄相對(duì)嚴(yán)重。管板處換熱管到一定程度時(shí)，容易形成渦流檢測(cè)不到的針孔缺陷，加之，該處換熱管又是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的集中高發(fā)區(qū)，壁厚變薄后，如果檢測(cè)不到，后果是可想而知的。有的新?lián)Q熱器，即使在投用初期，管板處換熱管由于特殊原因，也會(huì)發(fā)生泄漏。例如，貴州某公司合成氨裝置中的一臺(tái)換熱器，投用1年后，由于間隙腐蝕導(dǎo)致管板某一區(qū)域換熱管外壁嚴(yán)重非均勻減薄[3]。

2 可行性及適用性分析

2.1 改變檢測(cè)參數(shù)法

渦流檢測(cè)中最關(guān)鍵的因素是檢測(cè)頻率的選擇，它直接決定著渦流在被檢材料內(nèi)部的滲透深度，即被檢材料的厚度范圍。檢測(cè)頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，渦流在被檢材料中的滲透深度就越低[1]。因此，采用適當(dāng)提高檢測(cè)頻率的方式,可以檢測(cè)換熱管管板處的壁厚。此時(shí)頻率的選擇，以最大滲透深度稍大于管子壁厚為宜[2]。

這種方法對(duì)鐵磁性的管板有較好的效果，因?yàn)殍F磁性材料磁導(dǎo)率較大，而且不是常數(shù)（非磁性材料的磁導(dǎo)率為1）。相對(duì)于非磁性材料來(lái)說(shuō)，鐵磁性材料趨膚效應(yīng)更強(qiáng)，滲透深度更小，同時(shí)在渦流信號(hào)大小和方向的分布上差異更大。如果渦流滲透深度選擇適當(dāng)，管板響應(yīng)信號(hào)對(duì)管壁信號(hào)的干擾就會(huì)非常小，但此時(shí)檢測(cè)線性會(huì)比正常檢測(cè)參數(shù)稍差。這種方法也可用于碳鋼折流板處換熱管的壁厚檢測(cè)。如果管板也為非鐵磁性材料（多為換熱管同種材料），兩種材料的渦流響應(yīng)信號(hào)在大小和方向的分布上存在一致性，相互影響就比較大，會(huì)帶來(lái)較大的檢測(cè)誤差。

2.2 數(shù)據(jù)修正法

由換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，換熱管之間多為對(duì)稱(chēng)排列、管橋等距，同時(shí)管橋或換熱管外管板構(gòu)件厚度均大于正常檢測(cè)參數(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)渦流滲透深度。也就是說(shuō)，渦流檢測(cè)時(shí)每根管子周?chē)臉?gòu)件所產(chǎn)生的干擾信號(hào)基本是一致的。只要減去這種干擾，就可以得到相對(duì)真實(shí)的管板處的換熱管壁厚數(shù)據(jù)。所以，可以采用數(shù)據(jù)修正的方法來(lái)檢測(cè)換熱管管板處壁厚。對(duì)于折流板處的換熱管壁厚，由于折流板整體形狀差異（有的為圓形，有的為半圓形或其它形狀），導(dǎo)致部分換熱管（主要是折流板外圈）臨近構(gòu)件不一致，致使該部分換熱管壁厚數(shù)據(jù)存在較大誤差。

這種方法，理論上對(duì)任何材料的管板都適用，也不存在檢測(cè)線性變壞的情況。但對(duì)于使用年限較長(zhǎng)的換熱器，由于腐蝕、沖刷等原因，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管外臨近構(gòu)件形狀不規(guī)則，即干擾信號(hào)的一致性較差。此時(shí)，數(shù)據(jù)修正法相對(duì)誤差較大。

2.3 適用性分析

從檢測(cè)原理上分析，改變檢測(cè)參數(shù)法和數(shù)據(jù)修正法都是可行的，只是存在檢測(cè)誤差大小的問(wèn)題。但在實(shí)際應(yīng)用中，通常多為運(yùn)行于中、晚期的設(shè)備才要求檢測(cè)換熱管管板處的壁厚，所以，如果管板為碳鋼材料，一般采用改變檢測(cè)參數(shù)法進(jìn)行。只有當(dāng)管板與換熱管為同種材料，或管板為非磁性材料時(shí)，才考慮采用數(shù)據(jù)修正法。因?yàn)榉谴判圆牧系墓馨澹ǔＧ闆r下，基本不存在腐蝕，或均勻腐蝕量很小，即使是在設(shè)備運(yùn)行的中、晚期。

對(duì)于投用初期的換熱器，必要時(shí)，也可有針對(duì)性地檢測(cè)換熱管管板處的壁厚。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較短，管板干擾信號(hào)，對(duì)每根換熱管來(lái)說(shuō)，差異不大，且與模擬管板信號(hào)也較為一致。此時(shí)，即使管板為碳鋼材料，數(shù)據(jù)修正法也適用。

3 試驗(yàn)

不同的管板材質(zhì)、結(jié)構(gòu)，以及不同的換熱管材質(zhì)、規(guī)格，檢測(cè)參數(shù)存在較大差異。以MIZ-27SI渦流儀及配件，測(cè)試尿素高壓洗滌器換熱管管板處的壁厚。

以該設(shè)備管板管橋厚度（7mm）為基準(zhǔn)，使用20MnMo的碳鋼材料加工管狀模擬碳鋼管板，其內(nèi)徑與管板孔徑一致。使用尿素級(jí)316L、φ25×2.5管子，加工渦流檢測(cè)壁厚對(duì)比樣管。

3.1 改變檢測(cè)參數(shù)法

對(duì)尿素高壓洗滌器換熱管的渦流檢測(cè)，正常情況下的檢測(cè)頻率為1kHz。此時(shí)，管外碳鋼管板將對(duì)壁厚響應(yīng)曲線產(chǎn)生較大影響，結(jié)果是使響應(yīng)曲線往壁厚增大的方向移動(dòng)。改變渦流檢測(cè)參數(shù)（檢測(cè)頻率，其它參數(shù)相應(yīng)調(diào)整），碳鋼管板的影響程度隨之改變。表1為在不同檢測(cè)頻率下標(biāo)準(zhǔn)壁厚管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（部分）。

表1 不同頻率下的壁厚實(shí)測(cè)值 [2]

由表1看出，隨著檢測(cè)頻率的增加，模擬碳鋼管板的影響逐漸減小；當(dāng)檢測(cè)頻率增加到22kHz以上時(shí)，基本消除了模擬碳鋼管板對(duì)管子壁厚檢測(cè)的影響。此時(shí)，誤差為+0.05mm，可以基本滿(mǎn)足換熱管壁厚檢測(cè)要求。

試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)頻率增加后，壁厚標(biāo)樣臺(tái)階響應(yīng)線性稍差，這與管子壁厚檢測(cè)原理是穩(wěn)合的。

3.2 數(shù)據(jù)修正法

在正常檢測(cè)參數(shù)下，假設(shè)檢測(cè)頻率為1kHz，從表1看出，模擬碳鋼管板的存在，使換熱管壁厚數(shù)據(jù)增加了0.30mm。如果管板基本無(wú)腐蝕、沖刷，也就是每根換熱管所對(duì)應(yīng)的附加電磁特性即干擾信號(hào)不變，則將所有壁厚數(shù)據(jù)減去0.30mm即可。該數(shù)據(jù)基本反映出管板處換熱管的最小壁厚。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 高壓洗滌器檢測(cè)

4.1.1 高壓洗滌器基本情況

設(shè)備為CO2汽提工藝年產(chǎn)52萬(wàn)噸尿素的關(guān)鍵換熱器之一，基本情況如表2所示。

4.1.2 檢測(cè)方法選擇

該設(shè)備管板為碳鋼材料，已運(yùn)行10年以上，因此選擇改變檢測(cè)參數(shù)法進(jìn)行檢測(cè)。

4.1.3 頻率選擇

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮壁厚標(biāo)樣臺(tái)階響應(yīng)信號(hào)的線性誤差，選用22kHz作為檢測(cè)頻率。

表2 高壓洗滌器基本情況

4.1.4 檢測(cè)結(jié)果及驗(yàn)證

投用11年、76萬(wàn)t/a某尿素裝置，大修時(shí)高壓洗滌器，在兩種檢測(cè)參數(shù)下，管子壁厚的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3[4]。

表3 兩種檢測(cè)參數(shù)下的壁厚統(tǒng)計(jì)

注:表中數(shù)據(jù)為換熱管除開(kāi)端部效應(yīng)（一般為距離管口30mm左右）后的最小壁厚。

比較兩種檢測(cè)參數(shù)下每根換熱管的最小壁厚，其偏差（前者-后著）統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 兩種檢測(cè)參數(shù)下的壁厚偏差統(tǒng)計(jì)

從表4看出，改變檢測(cè)參數(shù)后，多數(shù)換熱管最小壁厚稍有減少，說(shuō)明壁厚最薄處主要是在管板處。兩次壁厚差異在0～0.15 mm，表明壁厚數(shù)據(jù)可靠，基本能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表5為海南某公司80萬(wàn)噸尿素裝置已投運(yùn)14年的高壓洗滌器2017年9月檢修部分換熱管拔管前、后（檢測(cè)頻率分別為22kHz和1kHz）的渦流檢測(cè)壁厚數(shù)據(jù)[5]。該設(shè)備換熱管為316L材料，管板為碳鋼材料。

表5 拔管前、后換熱管壁厚數(shù)據(jù)

拔管后，管子的壁厚檢測(cè)不存在結(jié)構(gòu)性干擾因素。從表5看出，壁厚最薄處主要在管板處。兩次檢測(cè)壁厚差異在0～0.15 mm，因此，改變檢測(cè)參數(shù)后獲得的壁厚數(shù)據(jù)，基本能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求。

4.2 CO2再生塔再沸器檢測(cè)

4.2.1 設(shè)備基本情況

設(shè)備為貴州某公司年產(chǎn)45萬(wàn)噸合成氨裝置臥式換熱設(shè)備，U型換熱管，2管程由左右管板分隔。中部換熱管各3列為φ19×2.25mm，其余為φ19×1.80mm，投用1年多。由于舊設(shè)備換熱管右上管板部分以前多次泄漏過(guò)，所以委托我們對(duì)右管板上面13排換熱管直管段進(jìn)行100%檢測(cè)，其余部分直管段進(jìn)行抽測(cè)。設(shè)備基本情況如表6所示。

表6 CO2再生塔再沸器基本情況

4.2.2 檢測(cè)方法選擇

對(duì)原設(shè)備和同類(lèi)型設(shè)備運(yùn)行工藝及檢修情況進(jìn)行了解，設(shè)備運(yùn)行時(shí)換熱管右上部為沸騰區(qū)。換熱管缺陷主要集中在右管板上部，且位置在管板段附近。所以檢測(cè)時(shí)，除對(duì)所有換熱管進(jìn)行正常的探傷和壁厚檢測(cè)外，還專(zhuān)門(mén)對(duì)右管板最上面13排換熱管管板處進(jìn)行了有針對(duì)性的壁厚檢測(cè)。鑒于管板、管子為同種材料，運(yùn)行時(shí)間也不長(zhǎng)，選擇數(shù)據(jù)修正法進(jìn)行壁厚數(shù)據(jù)處理。

4.2.3 修正值確定

經(jīng)過(guò)304材料的模擬管板，在正常檢測(cè)頻率下，304材料φ19×2.25的修正值為-0.45 mm，φ19×1.80的修正值為-0.50 mm（樣管為該設(shè)備換熱管預(yù)留管子）。

4.2.4 檢測(cè)結(jié)果

右管板最上面13排共有管子389根，其中φ19×2.25管子 52根，φ19×1.80管子 337根。表7為管板處換熱管壁厚實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)和修正數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[3]。

從表7看出，被檢測(cè)換熱管管板處管壁存在明顯的腐蝕減薄。結(jié)合渦流探傷發(fā)現(xiàn)，該管板處部分換熱管外壁存在典型大缺陷信號(hào)，可以判斷出管子外壁為局部非均勻腐蝕減薄。

4.3.5 拔管驗(yàn)證情況

1)由于設(shè)備才投用1年多，抽芯后管子殼程看起來(lái)非常新，也很完好。對(duì)1.15 mm和1.20 mm的3根換熱管右管口段50 mm進(jìn)行拔管驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)管號(hào)分別為01-05和01-11、03-23。圖1所示為01-05、01-11號(hào)換熱管管板處外壁腐蝕缺陷。

表7 換熱管管板處壁厚（數(shù)量）修正前后統(tǒng)計(jì)

圖1 01-05、01-11號(hào)換熱管管板處外壁腐蝕情況

2）由于是非均勻腐蝕減薄，即使剖開(kāi)，也無(wú)法用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測(cè)量出減薄處的壁厚。所以仍然用正常檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行厚度測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表8[3]。

表8 換熱管拔出前、后管板處壁厚及偏差

由表8看出，在相同檢測(cè)參數(shù)下，修正后的壁厚數(shù)據(jù)存在+0.05～+0.10mm的偏差，但屬于正常現(xiàn)象，基本能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

換熱管壁厚渦流檢測(cè)是一種比較式檢測(cè)方法，獲得的壁厚數(shù)據(jù)是某一小段平均壁厚的最小值，平均范圍相對(duì)較大，儀器本身也存在零點(diǎn)漂移，但目前無(wú)可替代。在正常檢測(cè)參數(shù)下，渦流檢測(cè)通常都存在±0.05mm的檢測(cè)誤差。檢測(cè)頻率提高后，渦流密度在材質(zhì)中的衰減線性會(huì)明顯變差，也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)誤差的增加。

數(shù)據(jù)修正法雖然檢測(cè)線性不會(huì)改變，但換熱管在管板孔中的工裝同心度無(wú)法保證每根管外干擾信號(hào)絕對(duì)一致，且這種干擾也存在方向上的不確定性，可能使修正后的壁厚數(shù)據(jù)稍有增加或減小。對(duì)于非均勻腐蝕減薄的缺陷，如果缺陷邊緣比較平滑，沒(méi)有明顯的突變，渦流探傷信號(hào)也不明顯，容易造成漏檢。對(duì)于這種腐蝕缺陷，只有結(jié)合渦流探傷信號(hào)和壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，才能得出相對(duì)準(zhǔn)確的判定結(jié)果。因此，改變檢測(cè)參數(shù)和數(shù)據(jù)修正法檢測(cè)換熱管管板處壁厚，雖然檢測(cè)誤差相對(duì)較大，但作為一種局部的有針對(duì)性的檢測(cè)，還是十分有用的。目前為止，我們已經(jīng)在國(guó)內(nèi)10多家合成氨、尿素裝置上應(yīng)用過(guò)，總體效果較好。