渦流檢測技術在天然氣平臺海水冷卻器傳熱管中的應用

吳建武 劉向陽(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海水冷卻器作為海上天然氣平臺的一個重要換熱設備，其狀態影響著平臺外輸天然氣的露點。所在平臺天然氣冷卻器已經服役超過10年，由于部分氣井出砂，近幾年曾經發生多次海水冷卻器傳熱管腐蝕穿孔事件。利用核電在役檢查領域已成熟運用和得到驗證的傳熱管渦流檢測技術，開發出合適天然氣冷卻器換熱管電渦流檢查工藝，掌握盤管的磨損、裂紋及其他缺陷情況。本文中提到的海水冷卻器管側的流體為壓縮天然氣，殼側的流體為海水，傳熱管型式為U形管，規格Φ19×1.5mm，材質為TA2/GB/T 3625—1995。

1 失效模式

運行過程中海水冷卻器傳熱管可能產生海水腐蝕導致的應力腐蝕開裂、流體沖刷導致的減薄和材料缺損、運行時振動和碰撞摩擦導致的凹坑和損傷、壓力和溫度交變導致的裂紋和天然氣雜質導致的損傷等。此外，制造和安裝期間產生的缺陷也會在使用階段繼續擴展。在2008年至2019年期間12臺冷卻器總共發生7次傳熱管穿孔導致天然氣泄漏事件。因此，對冷卻器及其他換熱器進行預防性的定期檢查，提前發現問題，采取預防性處理措施，進行封堵或更換，保證設備安全穩定運行很有必要。

2 技術原理

渦流檢測技術作為工業無損檢測的常用檢測方法，目前在核電、火電和軍工行業多有應用，已成為傳熱管服役階段的首選無損檢測方法。其原理是當載有交變電流的檢測線圈靠近導電被檢物時，由于電磁感應會在被檢物中會產生渦流，而渦流的大小、相位及流動形式受到被檢物導電性能的影響，同時產生的渦流也會形成一個磁場，這個磁場反過來又會使檢測線圈的阻抗發生變化，通過測定檢測線圈阻抗的變化就可以判斷被檢物的性能及有無缺陷。

3 檢測設備

實際檢測中使用的設備主要有：遠控多頻渦流儀、渦流探頭、試樣管和推拔器。

3.1 遠控多頻渦流儀

檢驗時使用美國生產的OMNI-200R遠控多頻渦流儀，能夠在線圈中產生頻率范圍為1～2000kHz的諧波電流，可同時激發4個或4個以上檢測頻率，能夠以差分和絕對兩種模式工作，并可在0～360°范圍內調整相位角。儀器12個月需校準一次，在維護或維修后也需校準。

3.2 渦流探頭

使用內穿過式自比差動線圈的渦流檢測探頭，即Bobbin探頭。自比式線圈有利于抑制由于環境溫度、工件外形尺寸等緩慢變化引起的線圈阻抗的變化。直管段和彎曲半徑比較大的彎管段選擇填充系數大于80%的探頭，彎曲半徑比較小的彎管段選擇填充系數大于70%的特質柔性探頭。

3.3 試樣管

本例中參照ASME標準加工了兩種對比試樣管。ASME標準的試樣管設計目前被業界廣泛認可和采用。對比試樣管一用于制作相位-傷深曲線，用以判定缺陷是內傷還是外傷。對比試樣管二，即磨損試樣管，用于更加精確地判定管壁磨損量。加工完成后計量圖紙如圖1。

圖1a ASME試樣管一

圖1b ASME試樣管二

3.4 推拔器

渦流探頭安裝在推拔器上，通過推拔器的作用保證探頭推拔是在勻速狀態下進行，這樣可以保證采集信號的質量，排除人工手拉探頭情況下人員因素對結果的干擾。推拔器拉探頭的速率可以設定，通常設定為1m/s。該速度下既可保證檢測速度，又可保證信號質量。

4 檢測

4.1 檢測前的工作

根據渦流深度滲透公式計算出基本頻率。再使用標定管進行工藝試驗確定檢測頻率、相位等最佳參數。最佳參數下，4個20%壁厚平底孔的信號相位角與單通孔信號之間的夾角應是順時針方向50～120°之間，信號圖見下圖2。

圖2 最佳頻率下的信號響應圖

4.2 檢測前的準備

對由于管側流體為天然氣，管內清潔度較好，只進行簡單的吹掃即可保證探頭的通過性。

4.3 實施檢測

先采集一根傳熱管信號，找出支撐板信號，用真實的支撐板信號進行“混頻”。所謂“混頻”，是用于消除支撐板信號對于缺陷信號的影響。采集計劃逐根進行采集，保證數據記錄完整，信號編號唯一且與傳熱管一一對應。對于大彎曲半徑傳熱管，可用常規Bobbin探頭一次性采集全管的信號。對于小彎曲半徑傳熱管，一根傳熱管的采集要分三次進行，先用常規Bobbin探頭分別采集U形管兩個直管段，再換定制柔性探頭采集彎管段。通過支撐板信號確定全管都被采集，無遺漏。

4.4 標定

每次開始、結束采集工作和工作連續不超過四小時，進行一次標定，以確保檢測系統性能滿足要求。兩次標定之間通孔信號的相位角應在40±5°，幅值偏差不得超過±10%，如果偏差超出上述范圍，則應找出偏差的原因并進行改正，必須對整套檢測系統重新進行調整直至標定合格，而且必須將上次標定或標定校驗以后所檢測的傳熱管進行重新檢測。

4.5 記錄

達到記錄標準的顯示，都需正確記錄，記錄應包含以下參數：位置；幅值；相位角；顯示的類型或壁厚損失的百分比；顯示的通道。出現以下情況的數據認定為無效數據，需重新檢測：檢測系統的標定不符合檢驗程序要求，即錯誤的頻率、采樣率等；任何可能影響檢測結果的因檢測系統故障引起的通道損壞；由于探頭或延長電纜等原因引起的過高的噪聲信號；探頭斷線、產生嚴重電火花或短路等；任何通道在飽和情況下運行，即未適當平衡或對中；傳熱管的標識不正確；傳熱管的檢測范圍不完整。

4.6 缺陷評定

本例中既要檢測缺陷，又要測量壁厚。對分析人員的要求較高。達到記錄標準的信號顯示都需要經過兩名分析人員的分析，如果兩名分析人員結論一致，則作為最終結論。如果兩名分析人員結論不一致，則需經過第三名人員分析，第三名人員需持有渦流三級證書。

5 檢測結果

完成了一臺海水后冷卻器盤管渦流檢測，共計689根 U 型管(1379 根直管)，共計發現27根傳熱管傷深超過 40%(剩余壁厚小于設計壁厚的60%，即剩余壁厚小于0.9mm)，缺陷率較高，主要表現為流質沖刷缺陷。數據記錄如表1。

表1 減薄傳熱管的測量數據

傳熱管減薄情況分布如圖3：(1) 7根傷深在40%～59%(藍色標注，0.6mm＜管壁厚度≤0.9mm)；(2) 8根傷深在60%～79%(黃色標注，0.3mm＜管壁厚度≤0.6mm)；(3) 12根傷深在80%以上(紅色標注，管壁厚度≤0.3mm)；(4) 其余662根U型管合格。(一根傳熱管上存在多處缺陷的按照最大缺陷統計)。

從圖3減薄傳熱管分布可以看出，傳熱管的減薄是比較隨機，沒有分布規律可循。

圖3 減薄傳熱管分布

6 結果處理及維保策略調整

根據核電標準，壁厚減薄大于等于40%(即剩余管壁厚度小于0.9mm)的就需要進行堵管。該冷卻器的管程設計壓力：8.8MPa，實際操作壓力4.2MPa。換熱管材質：TA2，U型管，規格：Φ19×1.5mm。根據設計壓力8.8MPa利用下面公式進行換熱管強度校核。

設計壓力P：8.8MPa；鋼管外徑D：19mm；屈服強度σ：373MPa；屈服安全系數n：2NA；許用應力[σ]：186.5MPa。

計算得出最小管壁厚度t：0.428mm，乘以1.4的安全放大系數，管壁厚度小于0.6mm才需堵管，相對核電堵管標準管壁厚度小于0.9mm就堵管還是有一定余量。為了拉長檢驗間隔周期，按照核電的標準傷深大于等于40%的進行堵管，即壁厚小于等于0.9mm的就堵管，需要堵管27根，換熱效率約下降3.6%。

在維修費用允許的情況下，其他服役超過10年的天然氣冷卻器進行電渦流檢測摸底排查，根據檢測結果調整維修策略做到提前維修。

7 結語

(1)本次應用證明在其他行業已經成熟應用的渦流檢測，在天然氣海水冷卻器等其他石化行業換熱器傳熱管檢測上同樣適用，并且存在較大應用前景。考慮到傳熱管失效后的事故后果和經濟損失，預防性的定期檢測是有必要的。

(2)現使用的Bobbin探頭可以檢測出裂紋、減薄、損傷、腐蝕等，但針對極端情況下的針孔狀穿孔，由于Bobbin探頭的技術原理存在一定的漏檢風險。需配合陣列探頭檢測，可顯著降低針孔狀缺陷的漏檢概率。但需要注意的是，由于制造工藝限制，陣列探頭為硬質探頭，無法通過彎管段。

(3)通過天然氣冷卻器盤管缺陷檢測新技術應用掌握傳熱管的磨損、裂紋及其他缺陷情況。及時調整冷卻器維修策略，由被動維修轉為主動維修，達到減少產量損失和減少傳熱管穿孔泄漏帶來的安全隱患。