铁磁性材料热交换管的远场涡流检测探讨

摘 要:介绍铁磁性热交换管的远场涡流检测技术 ,指出了采用远场涡流技术检测铁磁性热交 换管时存在的问题。沧州欧谱结论得出 ,远场涡流技术的缺陷检出灵敏度很大程度上取决于缺陷的性质 ,由 于热交换管支撑板信号的影响 ,很容易导致支撑板下或附近小缺陷的漏检。

关键词:远场涡流检测;铁磁性材料;管 ;热交换器;灵敏度

中图分类号: TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656 (2005) 0120006203 Discussion on the Inspection of Ferro2Magnetic Heat Exchanger Tubes by Remote Field Eddy Current Testing LI Ming (Material Institute , Xipan Jiaotong University , Xipan 710000 , China) REN Ai , XUE Fei (Suzhou Nuclear Power Research Institute , Suzhou 215004 , China) Abstract : The inspection of ferro2magnetic heat exchanger tubes with remote field eddy current testing was introduced. It was pointed out that the application of this technique should be very careful in some filed. Testing results showed that the detecting sensitivity of flaws depended greatly on the orientation , width , depth , and extent of the flaw. It was possible that the inspector would miss the defect entirely that lay underneath support plate because of the effect of support plate signals. Keywords :Remote field eddy current testing ; Ferro2magnetic material ; Tube ; Heat exchanger ; Sensitivity

为提高生产效率 ,降低热能损失 ,各类热交换器 广泛应用于工业领域。由于换热器管泄露造成的非 计划停运对企业将造成巨大的损失 ,因此在役检测 热交换器热交换管的意义十分重大。由于热交换器 中热交换管的管束密度较大 ,采用普通检验方法难 以进行有效检查 ,而实施状态检验的高经济性、高效 率是必不可少的。目前国内外普遍采用的是涡流检 验 ,但由于该技术的自身局限性 ,在热交换管的检验 技术准确性上存在一些值得商榷的问题。

1 铁磁性热交换管检验方法 热交换管材料主要有碳钢(低合金钢) 、不锈钢、 铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金五类。除碳钢 属于铁磁性材料外 ,其余均为非磁性材料。

非磁性热交换管可采用涡流方法进行检验。使 用多频涡流仪 ,通过检测线圈测得的阻抗变化量就 能间接地鉴别金属有无缺陷 ;同时根据涡流的集肤 效应及相位滞后效应 ,可明确区分缺陷的性质及类 型(如是否为贯穿性缺陷 ,位于管内壁还是外壁以及 大小等) ,并且在一定程度上可对缺陷进行半定量。 涡流检测铁磁性热交换管的主要问题是

①铁 磁性材料的磁导率μr 非常大 ,且随外加磁场的大小 而变化。μr 增大将阻止涡流场对管壁的渗透 ,其可 探深度为非磁性金属的 1/ 100～1/ 1 000 ,难以发现 钢管内部的缺陷。

②铁磁性管材的磁导率在管子 长度方向上的不均匀性所引起的磁噪声干扰可将缺 陷信号完全湮没 ,以致无法检测。目前 ,在技术上能 减弱铁磁性材料磁导率影响的方法有饱和磁化法和 远场涡流法(RFECT) 。 饱和磁化法是利用铁磁性材料的磁特性 ,在检 测探头的两端或检测区段施加强磁场 H ,使钢管上 检测区域达到近饱和状态(因为在采用内穿式探头 检验时,如采用电磁磁化方式,线圈的发热问题目前 无法解决;采用永磁铁磁化,理论上不可能达到磁饱 和状态) 。

由铁磁性材料磁化特性曲线(图 1) 可知, 此时该区域材质的磁导率μr 趋于常数且很小 ,即减 弱了磁导率的影响(图 1 中μi 为初始磁导率 ,μm 为 最大磁导率) 。这样 ,铁磁性钢管就可以近似作为非 磁性金属材料来对待 ,采用常规涡流法进行检验 ,可 达到较高的灵敏度。磁饱和探头是在探头内部安装 高强度稀土永久磁铁 ,从而将要检测的局部管壁磁 化到近饱和状态 ,此时 ,磁噪声被有效抑制。信号的 幅值将取决于缺陷的体积大小 ,而信号的相位主要 由缺陷的深度决定。 图 1 外加磁场与磁导率关系曲线图 远场涡流检测技术是一种铁磁性管道在役检测 的有效方法。它是一种能穿透金属管壁的低频电磁 检测技术 ,检验用探头有单激励与双激励两种方式。

单激励探头由一个激励线圈和一个设置在与激励线 圈相距约 2～3 d (管内径) 的测量线圈构成 (图 2) 。沧州欧谱 激励线圈通以低频交流电 ,能量两次穿过管壁并沿 管壁传播;测量线圈能测得来自激励线圈的穿过管 壁后返回管内的磁场 ,因而能以相同的灵敏度检测 管子内、外壁缺陷及壁厚减薄 ,不受集肤深度的限 制 ,可对碳钢或其它铁磁性管实施有效检测。 图 2 远场涡流探头 2 铁磁性热交换管远场涡流检测频率 铁磁性管远场涡流检测频率由热交换管壁厚与 合金的磁性决定。由于不同合金的磁特性差异很 大 ,在此只能提出选用频率时的考虑因素。首先检 验人员应该选择在标样管上测试合格的频率作为最 后检验用频率。

其次由于交流电信号的电激励可能 产生噪声 ,因此 ,最好避免选用工频整数倍的频率 , 如 50 ,100 ,150 , …,同时选择的频率最好介于这些 频率范围的中间。检验中尝试选用一些不同的频 率 ,以尽可能地减少或降低电磁信号的干扰(表 1) 。 表 1 铁磁性热交换管的推荐检测频率 管壁厚度 mm 推荐检测频率 Hz 管壁厚度 mm 推荐检测频率 Hz 1. 225 450～570 2. 075 150～210 1. 625 210～270 2. 725 90～150 3 铁磁性热交换管重点检测区域 热交换管在热交换器中被支撑板和折流板支 撑。统计显示 ,90 %的外壁缺陷发生在支撑板附近 , 因此热交换管的状态检验主要是了解支撑板附近的 管子状态。 热交换管支撑板附近易发生缺陷的主要原因在 于热交换器壳侧流体诱发的振动。在管壳式热交换 器的壳程中 ,流体横向流过管束时诱发振动的主要 原因是卡门旋涡、紊流抖动和流体弹性的不稳定。

当壳程流体为蒸汽或气体时 ,将在与流动方向和热 交换管轴线都垂直的方向上形成声学驻波。当声学 驻波频率与卡门旋涡频率或紊流抖动频率满足一定 条件时 ,便可能发生共振。虽然在设计时可尽量避 免发生正常工况管束的共振 ,但由于热交换器工作 状态的改变(如启、停和事故等多种情况的存在) ,在 某些情况下仍可能出现管束振动现象 ,造成热交换 器在壳侧进、出口处及折流板、支撑板等位置产生因 管束振动导致的失效。 4 远场涡流检测技术的应用 4. 1 支撑板下及附近缺陷的检验 由于热交换管缺陷主要发生在折流板和支撑板 等位置 ,而折流板和支撑板对远场涡流的影响非常 大。

为了解支撑板对缺陷检出率的影响 , 采用 10mm 厚碳钢板模拟支撑板 ,人工缺陷为管外壁 20 %壁厚的 3mm 环形槽或 <3mm 通孔。 当模拟支撑板远离深为 20 %壁厚的 3mm 环形 槽人工缺陷时 ,支撑板信号与人工缺陷均能检出 ,在 阻抗图上能清晰分辨(图 3a 和 b) 。在图 3a 和 b 中 上述人工缺陷信号相位约为 90°～95°,模拟支撑板 (a) 相距 20mm (b) 相距 40mm (c) 相距 10mm (d) 相距 0mm 图 3 支撑板对缺陷检出影响的远场涡流检测阻抗图 信号相位约为 120°～135°。

当模拟支撑板距离上述人工缺陷 10mm 时 ,支 撑板信号与人工缺陷信号发生矢量迭加 ,阻抗图上 不能清晰分辨缺陷信号与支撑板信号(图 3c) ,此时 要求检验人员能在支撑板发生变形的阻抗图中 ,正 确判断非正常支撑板信号的出现是由于在支撑板信 号与附近存在的缺陷信号发生矢量迭加的结果。 当模拟支撑板正好位于该人工缺陷之上时 ,由 于支撑板信号对检测系统的影响 ,在阻抗图上仅能 看到支撑板信号 ,检验人员已很难识别出在支撑板 下还有缺陷存在(图 3d) 。 4. 2 轴向缺陷的检验 远场涡流检验轴向缺陷时 ,由于激励线圈产生 的电磁场沿管子轴向平行传播。对于同样深度的 V 型槽缺陷(如 20 %壁厚) ,轴向分布的 V 型槽对于电 磁场的阻滞作用远小于环向分布的 V 型槽对于电 磁场的阻滞作用(图 4) 。因此对由于冶金或其它因 素导致的管子轴向裂纹 ,当采用远场涡流技术检验 时 ,一方面其总的金属体积损失量较小 ,另一方面缺 陷切割场流较小 ,轴向裂纹在探头上激励的相对电 压变化较低 ,其漏检的可能性很大。

图 4 远场涡流检测时不同方向缺陷对场流向的阻滞图 4. 3 缺陷的定位与定量 常规涡流检验由于存在集肤效应及深度方向的 相位滞后 ,因此用对比试样对检测系统进行合理的 调试后 ,检测人员依据缺陷信号的相位及幅度大小 , 即可明确地区分缺陷的性质及类型 ,即缺陷是否为 贯穿性 ,是位于管子的内壁还是外壁及其大小等。 远场涡流检测技术由于不存在常规涡流检测的 集肤效应及深度方向的相位滞后 ,因此不能区别缺 陷位于管子内壁或外壁。但当缺陷信号的相位角和 缺陷深度之间有非常好的相互关系的时候 ,采用远 场方法测量缺陷深度是可行的。这是因为在现场检 测时 ,依据缺陷阻抗图中的相位角及信号幅度所判 断的缺陷深度 ,实际上是检验人员将实际缺陷的阻 抗图对照参考试样上的参考缺陷阻抗图后得出的一 个相当于参考试样某一深度缺陷的参考值。因此参 系统可以为更好地利用 LOCAN 320 采集到的声发 射数据进行分析提供便利。

4 结论 通过比较图 1～8 数据处理结果可以看出 :

(1) 该数据处理系统所得处理结果与 LOCAN 320 自带软件所得处理结果基本没有区别。

(2) 经该数据处理系统对数据格式识别和处理 后 ,可以得到 LOCAN 320 自带软件无法生成的参数 关系曲线图 ,数字超声波探伤仪http://www.shuzichaoshengbotanshangyi.com给分析数据提供极大的便利。

(3) 改变数据的存储格式后可用 EXCEL 等应 用软件对 LOCAN 320 声发射仪所得数据进行处理 , 增加了分析的灵活性。 参考文献: [1 ] LOCAN 320 Userps Manual(Rev 1. 0) , Physical Acous2 tics Corporation [ M ]. USA : Princeton , New J ersey , 1990. [2 ] 沈功田 ,戴 光 ,刘时风.中国声发射检测技术进展 ——— 学会成立 25 周年纪念[J ].

无损检测 ,2003 ,25 (6) :302 - 307. [3 ] Robert Helsel. HP V EE可视化编程[M].北京:清华大 学出版社 ,1999. [ 4 ] Robert Helsel. Visual Programming with HP V EE [M]. USA : New J ersey ,1996. [5 ] Hewlett2Packard Company. HP V EE Advanced Pro2 gramming Techniques[M]. USA : Palo Alto ,1995.

考超声波探伤中当量的概念 ,在远场涡流检测中引 入当量深度比照实际缺陷的深度。同理 ,在检验人 员选用不同缺陷形式的标准样管时(如环行槽或平 底槽) ,由于加工的人工缺陷有不同类型 ,即使加工 的缺陷有相同的深度 ,但其绝对损伤量一定不同 ,故 检测时应同时说明该缺陷形式的当量深度。 综上所述 ,远场检测的局限性在于: (1) 由于场效应的影响 ,远场涡流检测中缺陷 的有效检出及正确识别受其位置的影响(如缺陷是 否靠近支撑板和折流板等) 。 (2) 由于远场涡流场分布的特点 ,即使管子上 体积损伤量相同的缺陷 ,由于在分布方向和表现类 型上的不同 ,也会影响缺陷的检出率。 (3) 远场涡流检测对缺陷位于管子的内壁还是 外壁不能进行判定 ,对缺陷在厚度方向上对管子的 危害 ,应引入当量的概念予以准确描述。

5 结论 各种无损检测方法理论基础不同 ,因此在应用 上各有侧重。远场涡流检测技术一方面存在对某些 特定缺陷的局限性 ,另一方面检验灵敏度受多种因 素的影响。尽管远场涡流检测技术应用于铁磁性材 料的热交换管存在一些技术难点 ,但综合比较目前 各种成熟的无损检测方法 ,远场涡流检测是唯一可 行的方法。本文述及的远场检测技术的局限性 ,只 是促进检验人员和仪器开发人员在了解目前存在问 题的基础上 ,采用更科学的方法、更严谨的态度去努 力解决存在的问题。