渦流、旋轉超聲和聲脈沖檢測在換熱器管束腐蝕檢測應用中的對比

李志峰，吳建平，劉建軍，曾凡梁，李 偉

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100013；2. 中韓(武漢)石油化工有限公司， 武漢 430000)

換熱器是化工廠的主要設備之一，其中換熱器管子的失效會造成換熱器管殼程介質混合、換熱效果受影響、介質污染、腐蝕加劇等后果。換熱器管子的失效形式主要是壁厚損失，檢測的時機主要為停車檢修或切出修理時。目前,現場應用的檢測方法主要為內窺鏡檢測和渦流檢測[1-7]，其他應用的檢測方法有聲發射檢測[8]、導波檢測[9]、內置式旋轉超聲檢測(IRIS)[10]等。

為了在檢修前選擇合適的無損檢測方法對換熱管進行檢測，對全廠的換熱器管束材料和規格進行了統計，根據統計結果，按照標準NB/T 47013.6-2015 《承壓設備無損檢測 第6部分：渦流檢測》的要求制作了一批樣管，利用渦流、IRIS和聲脈沖(DUET)等3種無損檢測方法對樣管進行檢測。從檢測過程和檢測結果進行分析，對比了3種方法的差異和適用范圍。

1 信息統計和樣管制作

統計了全廠換熱管的材料情況，采集到有效數據509個，占全廠換熱器管束總數的86.56%，材料統計結果如圖1所示。從圖1可以看出，全廠換熱管材料主要是10號鋼、20號鋼、304、0Cr18Ni9不銹鋼。統計了全廠換熱器管束規格情況，采集到有效數據477個，占全廠換熱器總數的81.12%，統計結果顯示全廠換熱器管束規格(外徑×壁厚)主要有25 mm×2.5 mm、19 mm×2 mm、25 mm×2 mm和19 mm×1.5 mm等4種。

根據以上統計結果，共制作了23根樣管，長1～1.35 m，材料分別為0Cr18Ni9不銹鋼、10號鋼、20號鋼、12Cr1MoVG合金鋼和316L不銹鋼等5種，規格(外徑×壁厚)分別為57 mm×2.5 mm、25 mm×2.5 mm、25 mm×2 mm、19 mm×2 mm和19 mm×1.5 mm。樣管的材料和規格都可以代表整個工廠大部分換熱器管束。在樣管上加工的模擬缺陷分為腐蝕穿孔，局部坑蝕、小孔腐蝕、局部溝槽狀腐蝕，這4種腐蝕形貌是換熱器損傷中的典型形貌。

圖1 換熱器管束材料統計結果

2 檢測結果

此次檢測的樣管較多，為了說明3種檢測方法的檢測結果及結果顯示方式，以樣管901195-a為示例進行分析介紹。樣管901195-a的缺陷信息如表1所示。

表1 樣管901195-a的缺陷信息

2.1 渦流檢測

渦流檢測是目前換熱管無損檢測最常用的一種檢測方法，對于非鐵磁性材料的換熱管,一般采用的是常規渦流檢測技術，對于鐵磁性材料的換熱管采用的是遠場渦流檢測技術。試驗采用的渦流檢測儀器生產廠家為EDDYSUN公司，機器型號為EEC-39RFT。共檢測23根樣管、預制缺陷102個，檢測結果顯示有19個缺陷信號弱，其他缺陷全部可以檢出，檢出率可以達到81.37%。

圖2 樣管901195-a的渦流檢測圖譜

按照標準NB/T47013.6-2015 《承壓設備無損檢測 第6部分：渦流檢測》 對樣管901195-a實施了渦流檢測，渦流檢測儀采用的頻率為24 kHz，渦流探頭直徑為23 mm，檢測結果如圖2所示。其中左側為長度方向缺陷的顯示圖，右側4張圖為每個缺陷的渦流信號阻抗平面圖。與標準中采用絕對式探頭經過正確調整的典型渦流信號阻抗平面圖對比可以得到缺陷的長度、內外位置信息和深度信息。

2.2 內置式旋轉超聲檢測

內置式旋轉超聲檢測(IRIS)是一種從管子內部進行脈沖回波式超聲水浸檢測的方法。檢測過程中管子內部充滿水，探頭在管子內部移動，通過超聲波穿過內壁進行定量檢測。該次檢測采用的設備型號為IRIS 9000，共檢測20根樣管，93處預制缺陷，能夠清晰地得到缺陷檢測信息的有92處，其中有一處預制缺陷為通孔，檢測得出結論為外部減薄。

按照儀器供應商提供的操作手冊對樣管901195-a實施檢測。檢測時，在探頭推進過程中，機器自帶水泵會將水壓入移動探頭裝置并從其頭部噴出，保證超聲探頭在旋轉測量時探頭和換熱管壁是耦合的，探頭的移動速度一般為2.5 m·min-1，檢測得到的匯總結果如表2所示。表中的匯總結果包括在檢測前輸入的管子的基本信息，例如檢測地點、檢測單位、管子規格、材料等，也包含了管子的缺陷類型、缺陷位置、壁厚損失量等信息。

樣管901195-a IRIS檢測圖譜如圖3所示，在IRIS檢測過程中可以得到直觀的缺陷形狀圖。在圖中可以清楚地看到缺陷在管子橫截面上的位置，可以和截面展開圖的缺陷位置一一對應。

表2 樣管901195-a IRIS檢測缺陷匯總

圖3 樣管901195-a IRIS檢測圖譜

2.3 聲脈沖檢測

試驗采用的聲脈沖檢測(DUET)是一種將聲脈沖(APR)和超聲脈沖(UPR)相結合的檢測方法，儀器的多探頭陣列發射兩種類型脈沖波，同時記錄和分析缺陷產生的反射波，通過專業軟件的分析運算，能夠自動識別和報告缺陷的位置、類型和尺寸。采用以色列Acoustic eye公司研發的DUET檢測設備，共檢測樣管12根、預制缺陷54個，檢測結果顯示，檢出缺陷22個，圖譜有標識但軟件未自動識別的缺陷21個，未檢出缺陷11個。

按照儀器供應商提供的使用手冊對樣管901195-a實施檢測。在檢測過程中，探頭不斷發出聲脈沖，同時接收反射波，形成檢測圖譜，從圖譜上很容易分辨出樣管的邊界，其DUET檢測圖譜如圖4所示。從圖中可分辨出編號為A的通孔缺陷，也可以看到儀器通過波形判斷出來的缺陷類型、位置和壁厚損失量等信息，如圖4所示通孔缺陷A的位置在距樣管編號鋼0.23 m處，缺陷性質為壁厚損失，損失量為90%。但其他3種缺陷無明顯波形顯示。

2.4 示例樣管檢測結果匯總

匯總3種方法對樣管901195-a的檢測結果得到表3。從表3可以看出，樣管901195-a的IRIS檢測效果最為理想，渦流檢測效果次之，DUET檢測效果較差。從缺陷圖譜中可以看出，IRIS的檢測結果最直觀，可以直接看到缺陷的形狀，軟件通過對比可以得到缺陷的性質，通過超聲回波的時間差可以得到管子的剩余壁厚；DUET檢測的缺陷圖譜較容易識別，且自帶軟件具有典型圖譜識別的功能，可以分辨出減薄、通孔等壁厚損失情況；渦流檢測方法的缺陷圖譜識別較困難，需要檢測人員具有豐富的經驗。

圖4 樣管901195-a DUET檢測圖譜

表3 樣管901195-a的檢測結論匯總

3 檢測結果的對比分析

3.1 檢測靈敏度

IRIS的檢測靈敏度最高，在該項目中共檢測20根樣管，93處預制缺陷，能夠清晰地得到缺陷檢測信息的有92處，其中有一處預制缺陷為通孔，檢測得出結論為外部減?。粶u流檢測的檢測靈敏度較高，共檢測樣管23根，預制缺陷102個，檢測結果顯示有19個缺陷信號弱，其他全部可以檢出；DUET的檢測靈敏度較差，檢測樣管12根，預制缺陷54個，檢測結果顯示檢出缺陷22個，圖譜有標識但軟件未自動識別的缺陷21個，未檢出缺陷11個。

3.2 檢測缺陷的性質

這3種方法主要針對的缺陷類型都是壁厚減薄，DUET的UPR模式可以檢測到內外部軸向和圓周裂紋，但該試驗并未對其進行驗證，由于換熱管的壁厚較薄，如果產生裂紋，很可能短時間內就會發生裂穿。

3.3 檢測過程的記錄和缺陷的顯示與判定

(1) 這3種方法操作人員都可以在屏幕上對檢測數據進行實時觀察，數據可以存儲到計算機硬盤上。

(2) 渦流檢測和DUET檢測都是以特定缺陷圖形顯示缺陷，IRIS是以更直觀的方式顯示缺陷，能夠對管壁上的壁厚減薄進行實時成像。

(3) 渦流檢測在性質判斷和尺寸測量上沒有DUET檢測和IRIS檢測直觀，DUET從軟件上解決了缺陷性質判斷和尺寸測量的問題，IRIS檢測因原理與二者不同，不存在上述問題。

3.4 實施檢測前的準備工作

(1) 樣管的缺陷標定。IRIS檢測不需要依賴樣管對缺陷進行標定；DUET檢測進行過標定后，相同類型的缺陷不需要再次標定；渦流檢測按照標準需要在每次檢測前使用樣管進行缺陷標定工作。

(2) 管子的清洗。IRIS和渦流檢測在檢測前要求將管子內部清洗干凈，DUET檢測僅需對換熱管管頭處進行清理即可。

(3) 耦合。DUET檢測采用的是干耦合，無需耦合劑；渦流檢測無需耦合；IRIS檢測采用的是水耦合，在檢測時，換熱管檢測部位需要充滿水或采用水泵系統保證檢測部位耦合良好。

3.5 檢測的范圍

(1) U型管式換熱器彎管處：渦流檢測可以采用特殊的探頭或軟管探頭對U型管式換熱器彎管處進行檢測，DUET可以檢測到U型管式換熱器彎管處，IRIS只能對直管進行檢測。

(2) 換熱器結構的影響：IRIS檢測不受換熱器擋板、加強筋、管板、散熱片等結構的影響，DUET和渦流檢測可能會受上述部位的影響從而降低檢測的有效性。

3.6 檢測效率

在清洗干凈的前提下，IRIS的檢測效率接近渦流檢測的，一般略高于遠場渦流，略低于常規渦流；DUET的檢測效率最高。

4 結語

(1) 對于壁厚減薄較嚴重的換熱管，可優先選用IRIS方法進行檢測，但是由于該方法需要徹底清洗管子，所以檢測前的清洗配合工作必須做好。

(2) 一般而言，可以選用渦流檢測方法檢測鐵磁性和非鐵磁性管子，但檢測效果會受到人員的檢測水平限制。

(3) 檢修初判腐蝕情況較輕微或無損傷的換熱器管，無法進行清洗的，內部有非致密雜質的可采用DUET方法進行檢測。以上結論明確了3種檢測方法的適用情況，可為后期換熱器管束的現場檢測提供技術支撐。