在役高溫蒸汽管道的交流電磁場檢測

朱金朝，宋軍昌，丁春曉，劉正存

(1.臨沂市特種設備檢驗研究院，臨沂 276000；2.濟寧魯科檢測器材有限公司，濟寧272000)

電站蒸汽管道系統長期處于高溫、高壓環境下，易產生裂紋等缺陷而，甚至引發破壞性事故，直接影響鍋爐的安全運行和整個熱力發電系統的正常運轉。目前系統的檢測方法仍以停機檢測為主，為提高效率，節約成本，高溫狀態下的在線檢測成為電站蒸汽管道系統無損檢測技術的又一發展方向。

目前高溫下蒸汽管道系統的無損檢測方法有機器視覺檢測法、磁粉檢測法、渦流檢測法、超聲檢測法、數字射線法等。機器視覺檢測法設備復雜昂貴，通常為生產過程中的自動檢測線，復雜工況下應用不便[1-2]；高溫磁粉檢測技術自21世紀初就開始用于壓力容器制造過程中的焊縫檢測[3]，在壓力容器、核電等領域應用較多，但與常規磁粉方法相比，靈敏度有所降低；渦流檢測在無損檢測領域應用廣泛，但是目前的渦流傳感器感應探頭在高溫下存在變形大、電磁特性易失效以及靈敏度低的問題，高溫下應用局限性較大[4-5]；超聲波檢測技術是高溫狀態下缺陷檢測應用最廣的方法之一，但受聲能衰減、耦合劑耐熱性能、探頭壽命等因素影響，僅僅在測厚及縱波探傷領域應用較多[6-7]。

通過仿真研究了溫度對交流電磁場檢測結果的影響，設計了一種適用于高溫環境的探頭，通過對模擬試塊進行檢測，進一步分析了交流電磁場檢測技術在高溫環境下的檢測效果。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測(ACFM)技術基于電磁感應原理，激勵線圈在工件中感應出均勻的交變電場，電場在缺陷位置外會出現擾動，引起此處感應磁場強度變化，通過檢測感應磁場的變化強度及規律，可以實現缺陷的檢測[8]。

交流電磁場檢測原理如圖1所示。

圖1 交流電磁場檢測原理示意

2 仿真模型的建立

許多學者對ACFM技術常溫下的檢測原理，傳感器選用，檢測數據處理及檢測設備的研發方面進行了大量研究[9]，但在高溫下對金屬結構進行ACFM檢測的研究較少。金屬材料，尤其是鐵磁性材料，隨著溫度的升高，磁導率及電導率會發生變化，并對檢測結果造成影響，但溫度變化對材料性質的影響是有一定規律性的，即高溫下的ACFM檢測存在可行性。

2.1 幾何模型的建立

為了研究高溫蒸汽管道在線ACFM檢測的可行性，利用COMSOL軟件建立高溫ACFM檢測的有限元三維模型并進行仿真分析，模型包括感應線圈、被測金屬和求解域3個部分(見圖2)。被檢工件尺寸為300 mm×200 mm×150 mm(長×寬×高)，裂紋為長方體，尺寸為5 mm×3 mm×0.2 mm(長×寬×高)，磁芯為U型，求解域設置為500 mm×400 mm×100 mm(長×寬×高)的長方體。感應線圈材料設置為銅，被測物材料設置為碳鋼，求解域部分為空氣 。

圖2 幾何模型示意

對網格進行細化，幾何模型的網格劃分結果如圖3所示，完整網格包括24 056個域單元，3 414 個邊界元和 500 個邊單元。

圖3 幾何模型的網格劃分結果

2.2 物理場選擇及參數設定

在COMSOL軟件中AC/DC(交流/直流)模塊選用磁場作為物理場，求解器設置為頻域，頻率設置為 1 kHz。將空氣求解域的所有外邊界設置為磁絕緣，矢量磁勢A為零。感應線圈選擇多匝線圈(匝數設置為200),激勵方式為電流激勵，選擇電流流通方向的橫截面為輸入面，電流大小設置為 200 mA。

2.3 求解及結果分析

設置溫度及線圈距離工件高度(以下稱提離高度)為變量，進行參數化掃描。

設置溫度變化范圍為20 ℃～820 ℃(掃描步進為20 ℃)，進行仿真計算。得到溫度對Bx/Bz的影響曲線如圖4所示，證明溫度變化對缺陷位置磁場Bx及Bz信號的影響較小。通過對現場環境進行調研，結合設備能力，決定選取20 ℃～400 ℃的檢測結果變化規律作為研究對象。

圖4 溫度對Bx/Bz的影響曲線

圖5 提離高度對Bx/Bz的影響曲線

設置提離高度為1～10 mm(掃描步進為0.5 mm)，進行仿真計算。提離高度對Bx/Bz的影響曲線如圖5所示，可見，隨提離高度的增加，缺陷處電流密度減小，磁通密度也隨之降低。結合提離高度仿真結果及實際加工能力，確定探頭外殼厚度為1 mm。

3 ACFM缺陷檢測試驗

3.1 檢測裝置及試塊制備

根據在役蒸汽管道的形式，以材料為20鋼，規格為φ159 mm×5 mm(直徑×壁厚)的鋼管為試驗對象，制作人工刻槽作為模擬缺陷，缺陷位于焊縫根部熱影響區，缺陷尺寸及分布位置如圖6所示，缺陷參數如表1所示。

圖6 蒸汽管道模擬缺陷尺寸及分布位置示意

表1 蒸汽管道模擬缺陷參數 mm

檢測設備采用濟寧魯科檢測器材公司生產的LKACFM-X1型交流電磁場檢測系統。由于高溫檢測時探頭外部溫度較高，為防止內部線圈及傳感器受熱嚴重，選用氣凝膠作為內部隔熱介質。選用peek(聚醚醚酮樹脂)材料作為探頭外殼材料，完成高溫探頭制作。

3.2 檢測數據及分析

采用卡式爐對試塊進行加熱，使用紅外測溫槍測量溫度，加熱到所需溫度后，將探頭放置于工件需探測部位，雙手扶持探頭，在工件上進行勻速掃查，掃查速度控制在 35 mm·s-1左右，提離高度即為探頭外殼厚度(1 mm)，檢測完成后記錄相關數據。

使用常溫探頭對缺陷進行檢測，管體溫度從20 ℃上升到200 ℃，常溫下檢測信號變化明顯，隨著溫度升高，受到探頭本身性能限制，信號峰值及變化量逐漸降低，但仍可作為缺陷判定依據，常溫探頭檢測結果如圖7所示，常溫探頭Bz信號變化量隨溫度升高變化趨勢如圖8所示。

圖7 常溫探頭檢測結果

圖8 常溫探頭Bz信號變化量隨溫度升高變化趨勢

圖9 高溫探頭檢測結果

使用高溫探頭對缺陷進行檢測，管體溫度從20 ℃上升到400 ℃，隨著溫度變化，信號峰值及變量無明顯變化，缺陷檢測效果較好。高溫探頭檢測結果如圖9所示，高溫探頭Bz信號變化量隨溫度升高的變化趨勢如圖10所示。

圖10 高溫探頭Bz信號變化量隨溫度升高的變化趨勢

分析上述結果可知，溫度升高會對金屬材料的電磁特性產生影響，但對裂紋缺陷的檢出影響不大。常溫探頭及高溫探頭的檢測結果說明，高溫對探頭的影響大于對金屬電磁特性的影響，改善探頭高溫性能可以作為解決ACFM高溫檢測問題的一個發展方向。

4 現場應用

對日照某電廠在役余熱發電鍋爐的高溫蒸汽管道閥門進行了ACFM檢測。閥門規格為DN175，材料為20G，服役溫度為340 ℃。其中兩處(一處疑似缺陷，一處無缺陷)的ACFM檢測圖譜如圖11,12所示。

圖11 某處缺陷的ACFM檢測圖譜

圖12 無缺陷的ACFM檢測圖譜

圖13 打磨前后缺陷形貌

對疑似缺陷位置進行打磨，確定此處存在缺陷，缺陷類型為砂孔，直徑約為3 mm，打磨前后缺陷形貌如圖13所示。

5 結論

(1) 在400 ℃溫度范圍內，溫度變化對材料電磁特性及交流電磁場檢測效果影響較小，提離高度的變化對交流電磁場檢測效果影響較大。

(2) 使用交流電磁場常溫探頭及高溫探頭對高溫試塊缺陷進行檢測，均能獲得清晰的缺陷信號，說明在400 ℃以下，交流電磁場檢測技術可以進行缺陷檢測。

(3) 常溫探頭在高溫下檢測時，溫度對探頭影響很大，檢測效果不穩定。高溫探頭的溫度特性好，對高溫下的缺陷檢測更有優勢。