5通道鐵磁探測儀的研發與鍋爐管堵塞檢測*

王璽潤, 張雙楠, 蔡桂喜, 李建奎, 張 博, 楊 亮, 武玉鵬,2

(1.中國科學院金屬研究所 沈陽，110016) (2.中國科學技術大學材料科學與工程學院 合肥，230026)

引 言

發電廠鍋爐熱管失效不僅給發電企業帶來了極大的經濟損失，還給企業員工的生命造成嚴重的威脅[1]。超臨界/超超臨界火電機組鍋爐的過熱器管和再熱器管，在鍋爐熱管中工作溫度最高，工作壓力最大，爆管事故最多。絕大多數爆管事故是由于管的內表面受到強烈的水蒸氣氧化作用，管道內壁發生銹蝕，銹蝕薄膜剝落堆積，導致了管壁局部高溫蠕變，由此引發爆管事故[2]。因此，及時檢測與評估管道內鐵銹碎屑堵塞的程度，對維護管道的安全運行具有重要意義[3-6]。

鍋爐管內鐵銹碎屑堵塞的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、渦流檢測和磁學檢測，其中超聲檢測受到管壁厚度、超聲波入射角及鐵銹碎屑的離散狀態等因素的影響，難以保證檢測的準確性[7]。射線檢測雖能夠顯示出管內鐵銹碎屑堆積狀態，但檢測工藝較復雜，檢測時間長，對檢測條件和射線防護要求高，只能用于過熱器管和再熱器管的小比例抽檢[8]。渦流檢測容易受到工作頻率、管的電導率、磁導率、管徑、壁厚以及鐵銹碎屑的電導率、磁導率、厚度、分布等因素的影響，不易確定具體參數[9]。Ohtomo[10]提出用磁學技術進行鐵銹碎屑檢測，此后國內學者將磁學檢測技術進一步發展[11]。磁學檢測技術通過在奧氏體不銹鋼管外壁放置磁化器，施加磁場將堆積的鐵銹碎屑磁化，利用磁敏傳感器測量管外的磁場，實現對奧氏體鋼受熱面管內鐵銹碎屑堵塞程度的測量。當管內鐵銹碎屑堆積厚度較大時，單通道檢測的檢測信號很容易趨于飽和，難以實現管內鐵銹碎屑堵塞的定量檢測[12]。

筆者介紹了5通道鐵磁探測儀的研發以及在檢測過熱器管和再熱器管鐵銹碎屑堵塞方面的應用。現場檢測結果表明，該儀器能夠定量地評估堵塞程度，從而防止爆管事故。

1 儀器的原理、硬件和軟件

圖1為5通道鐵磁探測儀和探頭的照片。探頭由外殼、手柄和5個鐵磁探測器組成。探測器是用來探測鐵磁性物體的敏感器件，由磁化器和磁場測量元件組成。2個條狀釹鐵硼永久磁鐵和1個條狀磁軛組成“П”字形磁化器，在2個磁鐵的中間，放置1個SHJ5型霍爾元件作為磁場測量元件，如圖2所示。當“П”形磁化器開口的正前方不遠處有鐵磁性物體時，霍爾元件測得的磁通密度減小，這是由于一部分磁力線不再經過霍爾元件，而是經過鐵磁性物體由N極到達S極，即鐵磁物體的介入改變了無鐵磁體條件下的磁場分布，使霍爾元件所在處的磁場強度減小。鐵銹碎屑的堆積形狀見圖3，起始于垂直管向水平過渡的轉彎處，向水平方向延伸，表面比較平坦，這可能與蒸汽流沖刷有關，截面呈弓形。

圖1 鐵磁探測儀及探頭的照片Fig.1 Pictures of the tester detecting ferromagnetic objects and the probe

圖2 探測器圖(單位：mm)Fig.2 Diagram of the detector(unit:mm)

圖3 彎管中加入鐵銹碎屑的方法示意圖Fig.3 The process of adding rust fragments into the bended tube

單通道鐵磁探測儀因測量值飽和不能定量檢測鐵銹碎屑堵塞程度，如果鐵銹碎屑堵塞面積與管內孔面積之比(簡稱堵塞面積比)達到10%，單通道鐵磁探測儀的指示值便趨于飽和。筆者采用5通道檢測克服測量值飽和的困難，5個探測器位于同一個圓周上，相鄰探測器的中心(霍爾元件)之間的周向距離為30°，如圖4所示。一般來說檢測點越多、越密集則檢測精度越高；但是檢測點距離太近，相鄰探測器之間容易發生互相干擾。實驗結果表明，相距30°檢測效果較好。

下面定性地說明多通道檢測克服測量值飽和的原理。單通道測量值飽和的原因是鐵磁探測器的有效探測距離比較小，實驗結果表明，筆者制作的探測器探測鐵銹碎屑的有效距離是14mm。如圖4所示，當鐵銹堆積厚度超過堵塞面積比10%，處于高位置的鐵銹堆積(圖4中用藍顏色表示的鐵銹堆積)因為距離遠，對位于0°的探測器的作用極其微弱，0°探頭的輸出信號趨于飽和。另一方面，這部分鐵銹處在30°和-30°探測器的探測范圍之內，這2個探測器有輸出信號，全部5個探測器的輸出信號之和在增加。0°探測器的作用主要是測量堵塞面積比為0～10%的鐵銹堆積(圖4中用紫顏色表示的鐵銹堆積)；30°和-30°探測器的作用主要是測量堵塞面積比為10%～30%的中層鐵銹堆積(圖4中用藍顏色表示的鐵銹堆積)；60°和-60°探測器的作用主要是測量堵塞面積比為30%～50%的高層鐵銹堆積(圖4中用紅顏色表示的鐵銹堆積)。總之，以5個探測器輸出信號之和為基礎的5通道檢測，擴大了儀器的測量范圍，堵塞面積比從10%提高到50%。

圖4 5個探測器圍繞被檢測管的分布圖Fig.4 The five detectors around the tested tube

假定在管內有鐵銹碎屑的情況下，設在5個測量點上霍爾元件測得的磁通密度分別用B1(a%)，B2(a%)，…，B5(a%)來表示。其中：B為磁通密度；下標1，2，…，5為各通道的編號。對應于霍爾元件的位置-60°，-30°，0°，30°和60°，a%表示堵塞面積與πr2之比，r為管的內徑。筆者將a%稱為鐵銹堵塞面積比，將ΔBn(a%)和Q分別稱為各通道磁通密度差與5通道磁通密度差之和

測量ΔBn(a%)的電子電路如圖5所示，霍爾元件和電阻R1設在探頭殼內，霍爾元件為SHJ5型砷化鎵霍爾元件。由于霍爾元件的靈敏度變化范圍較大(4～20 mV/mA100mT), 為了達到各通道性能一致，使用的霍爾元件要經過挑選，選擇靈敏度在10mV/mA100mT左右的元件，并且對控制電流IC稍加調節，即調節電阻R1，使霍爾元件的控制電流IC在2 mA左右，從而可獲得一致的轉換系數20 mV/100mT。IC1，IC2和IC3是3個普通運放，IC1、數字電位器P1和電阻等連接成放大倍數為1.5的平衡放大器。P1由計算機控制，用觸摸屏操作。P1用于平衡霍爾元件的不等位電勢和管道內無鐵銹碎屑時的霍爾電勢，此時的霍爾電勢正比于Bn(0)，調節P1保持管道內無鐵銹碎屑時IC1的輸出電壓是零，P1只是在更換探頭時需要調節。用IC2和IC3組裝兩級放大器，總放大倍數為100倍。由上述電路設計不難看出，放大器的輸出電壓Vn正比于ΔBn(a%)

圖5 鐵磁探測儀中的放大器電路圖Fig.5 Electronic circuit diagram of the amplifier in the tester detecting ferromagnetic objects

Vn=KΔBn(a%)=30ΔBn(a%)

(3)

這里K=30是總放大倍數150倍與霍爾元件轉換系數20 mV/100mT之積。放大器的輸出信號輸送到計算機的A/D轉換器的輸入端，A/D轉換器的分辨率為8 bits，采樣速度為500 kHz。

圖6 回放與報告界面Fig.6 Interface for replay of the data and for formation and output of reports

由磁化器和霍爾元件組成的探測器，它們的性能不可能完全一致，需用標準試樣測試每一個探測器，選擇性能相近的5個探測器組成5通道探頭。對于每只5通道探頭都要給予編號，要用標準試樣測量各通道的輸出信號，反復調節R1和P1使各通道的測量值盡量靠近相應的標定曲線。

2 有限元模擬與標定曲線計算

采用商業有限元軟件Comsol Multiphysics 5.3a，對單通道和5通道鐵磁探測儀檢測管道內鐵銹碎屑堵塞進行有限元數值模擬，在此基礎上計算標定曲線。假定待檢測管的外徑和壁厚分別為54和8 mm，待檢測管的材料為TP347奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼的相對磁導率為1。有限元模型如圖4所示，圖中顯示了管、鐵銹碎屑及探測器的位置。永磁鐵的材料為釹鐵硼，相對磁導率為1.05，剩余磁通密度為1.38T。管內鐵銹碎屑主要成分為Fe3O4，用MPMS磁學測量系統測得鐵銹碎屑的相對磁導率為10.19。假定鐵銹碎屑堵塞面積比分別為0%，10%，20%，30%，40%和50%。有限元模擬設定的探測器的幾何尺寸如圖2所示。有限元計算模型的網格劃分如下：用自由四面體對管、鐵銹碎屑和探頭進行網格劃分，最大尺寸為2mm，最小尺寸為1.44mm，共有407 830個單元。計算了單通道檢測和5通道檢測2種情況，單通道檢測時只有1個探測器，位于0°的位置，其余計算參數與5通道的計算參數相同。

上面說明了有限元計算的原始參數，即有限元計算的條件。計算的目的是得到磁通密度的分布，特別是霍爾元件中心處的磁通密度差ΔBn(a%)及其隨鐵銹碎屑堵塞面積比a%的變化。

圖7是根據有限元計算結果繪制的各通道磁通密度差與鐵銹碎屑堵塞面積比的關系曲線，管材規格為?54 mm×8 mm。由于對稱的原因，-60°通道和60°通道的曲線相同，-30°通道和30°通道的曲線也相同。圖上的點代表用鐵磁探測儀和標準樣件進行測量得到的ΔBn(a%)的數值。

1--60°和60°通道計算值曲線；2--60°通道測量值；3-60°通道測量值；4--30°和30°通道計算值曲線；5--30°通道測量值；6-30°通道測量值；7-0°通道計算值曲線；8-0°通道測量值圖7 各通道磁通密度差與鐵銹碎屑堵塞面積比的關系Fig.7 The relation of the magnetic flux density difference of each channel with the percentage of area blocked by rust

1-直管單通道計算值曲線；2-直管5通道計算值曲線；3-彎管5通道測量值；4-直管單通道測量值；5-直管5通道測量值圖8 單通道檢測和5通道檢測堵塞面積百分比的標定曲線Fig.8 Calibration curves of single channel and five channel determinations of blocked area percentage a%

表1 計算與測試得到的標定曲線的數據

3 計算結果的實驗驗證

圖9 標準樣件圖Fig.9 Schematic diagram of standard sample

第2項實驗是檢測和評估彎管中的鐵銹碎屑堵塞面積比。電廠鍋爐系統常見的管道轉彎是從垂直方向轉向水平方向。如圖10所示，從X光檢測拍攝的照片可以看出，鐵銹碎屑堆積起始于管的轉彎處，在水平管段上延伸較長，表面平坦，隨著延伸向下傾斜，但是坡很小，這種形狀與管內流體沖刷有關。為了進行實驗，筆者制作了具有相似鐵銹碎屑堆積的彎管樣件。彎管樣件用TP347奧氏體不銹鋼管制作，鋼管規格為54 mm×8 mm(外徑×壁厚)，直管段長度為50 mm，彎曲角度為90°，內彎半徑為63 mm，外彎半徑為117 mm。在管表面上開一個長條形窗口，周向(橫向)寬度為90°。窗口的周向位置、軸向(縱向)位置和長度見圖3。和直管樣件一樣，將1根用有機玻璃制作的異形棒插入管內，棒與管內表面之間的間隙填入鐵銹碎屑。樣件的鐵銹碎屑堵塞面積比為10%，20%，30%，40%和50%。異形棒分為2段，即頭段和尾段。尾段形狀和直管樣件的異形棒形狀相同；頭段的形狀比較復雜，按幾何學原理用計算機計算和繪圖，用手工制作或用數控銑床制作。

圖10 彎管1鐵銹堵塞的X射線照片Fig.10 X ray photograph of the bended pipe 1 blocked by rust fragments

4 現場檢測實驗與檢測服務

用5通道鐵磁探測儀共檢測了15根管的轉彎部位，以堵塞面積比a%≥30%為報廢標準，發現堵塞超標彎管4處。對其中的3根管進行了X射線檢測，這3根管的堵塞檢測結果列于表2。圖10是1號管轉彎處的X射線照片。根據表2中的數據計算，以X射線法為基準，5通道鐵磁探測儀測量堵塞面積比的標準誤差是3.9%(絕對誤差)。

表2 用5通道鐵磁探測儀與X射線攝影法測得的堵塞面積比

由于種種原因，X射線檢測電廠管道堵塞的機會較少，這次現場檢測只拍攝了3張X射線照片，數量顯然不夠，為此用稱重法加以補充。堵塞超標的管道必須將鐵銹碎屑清除，清除的方法是在彎管的上部大約1 m處將管道切開，用軟繩將1塊釹鐵硼永久磁鐵吊入管內，將鐵銹碎屑吸住提上來。這種清除并不徹底，還有少量殘余，對于經過5通道鐵磁探測儀檢測和X射線檢測的3條管道，稱重結果列于表3。從表3的數據可以看出，清除前后用5通道鐵磁探測儀測得的堵塞面積比之差近似地和清除取出的鐵銹碎屑的質量成正比。稱重法從另一個角度證明了5通道鐵磁探測儀檢測的有效性，但是不能用于評定5通道鐵磁探測儀的誤差大小。

表3 用5通道鐵磁探測儀測得的再熱器管道堵塞面積比和取出的鐵銹碎屑質量

筆者為5家發電廠的大修進行了過熱器和再熱器管的堵塞檢測，共發現超標堵塞(堵塞面積比a%≥30%)30多處。經過解剖驗證，無一誤報，由此可見，儀器在防止過熱器管和再熱器管爆裂事故檢測方面發揮了重要的作用。

5 結 論

1) 有限元模擬與標定曲線計算結果為5通道鐵磁探測儀的開發與應用奠定了理論基礎。用標準樣件進行檢測實驗，對標定曲線進行實驗驗證，測量值與計算值相比，其標準誤差(相對誤差)為5.2%。

2) 在5家發電廠進行了現場檢測實驗和檢測服務，共發現超標堵塞30多處，解剖驗證無一誤報。5通道鐵磁探測儀檢測出的堵塞面積比與X射線攝影檢測結果相比，標準誤差(絕對誤差)為3.9%。

3) 研發的5通道鐵磁探測儀達到了預期的目標，在防止過熱器管和再熱器管爆管事故方面發揮了重要的作用。