嚴重腐蝕減薄的低碳鋼管壁厚測量

    針對在役換熱器使用的時間較短，生產運行中出現嚴重腐蝕減薄甚至爆管，用遠場渦流檢測技術可對列管壁厚進行較準確的測量,并依此估算列管的殘余壽命。

1  遠場渦流檢測原理

    在激勵線圈附近的檢測線圈與其直接耦合產生的渦流效應稱為近場區耦合，這是常規渦流檢測。研究發現，激勵線圈除了大部分能量消耗在近場外，還有很小一部分能量（約1%）穿透管壁向外擴散并沿管壁軸向傳播，若在遠處（一般大于2.5倍管徑）放置檢測線圈，則可接收到微弱的渦流信號，此時渦流兩次穿透管壁，這個區域稱為遠場區。

在近場區隨著距離的增加磁場急劇衰減，但到了遠場區后其衰減程度變得很平緩。一般在遠場區，此時直接耦合的影響已基本消失，若在此處放置檢測線圈，則可檢測到微弱的電磁場信號，對該信號進行幅值和相位的分析,這就是遠場渦流檢測。檢測到的信號與傳播路徑上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相關。

下圖為渦流信號的幅值與相位隨著檢測線圈與激勵線圈距離而變化的情況。可見在近場區

和過渡區，渦流變化劇烈；到了遠場區則變化較為平緩，當線圈位置固定后，則信號只與管材特性有關。

1.1遠場渦流的傳播規律如下：

1）為了得到一定強度的遠場渦流，激勵線圈的激勵頻率必須比較低，一般從幾十到幾百赫茲。

2）激勵線圈產生的渦流絕大部分在近場區消耗，只有很小一部分穿出管壁傳播到達遠場區（大約1%的能量），因此遠場信號十分微弱，必須加大輸出功率并采用高靈敏度的放大器進行檢波。

3）遠場渦流因為穿透管壁向外傳播，基本不受到磁導率的影響，因而可以對鐵磁性管壁進行檢測，這一點與常規渦流檢測不同。

4）研究表明在檢測線圈處得到的磁感應強度是隨管壁厚度呈指數衰減的，而相位是隨管壁厚度呈線性滯后。如下式：

令       于是

    式中B為檢測線圈處的磁感應強度

  θ為檢測信號對比激勵信號的相位滯后角

  μ、σ 為管壁材料特性   

  t為管壁厚度

1.2螺旋線曲線

根據遠場渦流檢測原理可知，檢測信號的幅值與壁厚成指數關系，信號相位的變化與管壁厚度成線性關系，因此可以將信號幅值取自然對數后即可代表壁厚值，也可將信號的相位變化量取出，來確定壁厚值。但實際上現有的檢測儀器不具備對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能，因此只能近似處理。儀器顯示的是探頭拉動時渦流信號的實時阻抗變化，即壁厚缺損的變化可以由光點的移動來表示，其幅值是隨壁厚減薄成螺旋線變化的，如下圖：

上圖的螺旋線是一條理想曲線，是從管壁無限厚逐步減薄為零的渦流信號電壓變化曲線。若能將上述壁厚變化的參考螺旋線做出，當實測到某一壁厚減薄信號時，直接與上面的曲線相對照，即可得出壁厚值。但這樣做實際上仍有困難，理想的曲線難以做出。

2  實驗測試

2.1 實驗儀器設備

1）渦流檢測儀：ET-556H 全數字電腦遠場多頻渦流檢測儀

2）對比樣管：低碳鋼；φ25×2.5；外減薄 ； 壁厚臺階2.5-2.0-1.5

3）探頭：φ19遠場檢測探頭，內插式、環形、雙激勵、絕對式（AB型）線圈

2.2 實驗參數

頻率=0.3K，增益=約30， 相位=203

2.3實驗測試

選擇了對比樣管進行測試，在壁厚變化只有兩個減薄臺階的情況下得到信號曲線與理想的螺旋線是有差異的，但對應三個壁厚值的光點位置是準確的，如下圖。

由于選用的對比樣管只有兩個減薄臺階，3個壁厚值，而且每個臺階壁厚是突變的，因此改變檢測頻率，通過在對比樣管中的反復測試，對渦流信號選擇恰當的相位旋轉和增益調節，可得到需要的檢測曲線。

進行現場管壁測厚時，其中三個壁厚點數值是準確的，在標準點之間的壁厚值，誤差值也不會太大，經過多次測試及驗證，現場檢測時綜合誤差在0.1mm之內，這已足夠滿足檢測效果要求。

2.4進一步實驗測試

加工了一段3.3-0.3的外壁緩慢減薄的對比樣管，如下圖示:

調節頻率、相位、增益，探頭從對比樣管最大值處緩慢拉出，可以得到下圖曲線，這條曲線和理論分析的理想狀態下的螺旋線曲線大致相同，驗證了理論分析情況。

為了看出各段的線性關系，分別在對比樣管和探頭上做上標記，然后探頭由對比樣管的最大值處緩慢拉動，在各標記處停頓一下，各壁厚值在上面的曲線上都有一個對應點；壁厚值較大時，相鄰兩個壁厚值間曲線長度較短，壁厚值越小，相鄰兩個壁厚值間曲線長度越長。驗證了遠場渦流測厚檢測的螺旋線曲線是非線性的。

3  現場檢測案例

2012年5月對某廠合成車間的預塔再沸器（E2101）檢測情況如下：

3.1 設備的基本情況

1) 列管材質：低碳鋼

列管規格：φ25×2×3000

2）管程介質：甲醇

       殼程介質：水  

    3）設備使用改造情況

    使用時間：2008年5月開始投產使用。

    設備在運行一段時間后發現上管板的部分列管角焊縫開裂泄露，后在進液管處加了一擋板，上管板的列管角焊縫開裂減少。又運行一段時間后發現列管泄露，進行拔管，結果在距下管口400mm左右的位置被拉斷，抽出的列管被拉斷的斷面非常薄。

3.2 檢測儀器設備

1）渦流檢測儀：ET-556H全數字電腦遠場多頻渦流檢測儀

2）對比樣管：低碳鋼；φ25×2.5；外減薄 ； 壁厚臺階2.5-2.0-1.5

3）探頭：φ19遠場檢測探頭，內插式、環形、雙激勵、絕對式（AB型）線圈

3.3 檢測參數

頻率=0.3K，增益=約30， 相位=22

3.4 現場檢測

    1)調節頻率、相位、增益，按2.0-1.5標定測量。

檢測了幾根列管，發現有的列管壁厚值小于

1.50，甚至超出屏幕，見下圖。

由上面檢測圖可以看出：從管口開始，壁厚急劇減薄，然后回轉到A點，然后再向左，實際上A點應該是這根管子的最薄點。

2）調節頻率、相位、增益，按2.0-1.5-0標定測量。

在對對比樣管標定時，2.0和1.5的管壁厚值是準確的，在2.0-1.5標定范圍內檢測得到的壁厚值有近似的線性關系，所測得的壁厚值誤差也較小。小于1.5-0標定范圍內的數值沒有線性關系，且曲線有回轉，所以測得的壁厚值有一定的誤差，具體誤差無法準確給出數值。

檢測得到部分壁厚值≤1.50的列管管號見下表：

壁厚   管排號

0.40   19-03  21-03  30-02   

0.50   12-02  14-02  15-02   

0.70   05-03  15-07

0.90   22-02

1.00   24-04  29-06

1.10   24-10

1.20   08-02  12-04  13-07  21-02  21-06

1.30   09-03  11-01  17-05  17-08  18-02

       18-04   

1.40   07-01  07-02  10-04  11-02  12-09  

1.50   07-03  21-01   

檢測得到壁厚值小于1.50的結果分析：

a.發現部分列管測得的壁厚值太小，不知道真實性（誤差大小）。

b.由于檢測曲線有回轉特性，且小于1.5的壁厚值對比2.0-1.5不線性。

c.為了減小誤差，得到更精確些的壁厚值，所以采用其它方法進行修正測量。

3）調節頻率、相位、增益，以2.0-1.5-0.75

標定測量。

假借臨界點，定義為0.75，讓其在屏幕的最左邊，這樣曲線在這一點上還沒有回轉。通過標準校正后，檢測時屏幕上顯示的最小值也是0.75左右。其曲線也有一個近似的線性關系，那么就可以按2.0-1.5-0.75標定測量，減小實測中的誤差值。

對上表中的列管進行重新檢測得到壁厚值如下表：

壁厚   管排號

0.70  15-07

0.75  05-03  12-02  14-02  15-02  19-03

21-03  22-02  30-02

0.80  29-06   

0.85  24-04   

1.00  24-10   

1.05  21-02  21-06   

1.10  17-08

1.15  08-02  17-05  18-02

1.20  12-04  13-07  18-04   

1.30  09-03  11-01  

1.40  07-02  11-02   

1.45  07-01  10-04  12-09

1.50  07-03  21-01

檢測得到壁厚值小于1.50的結果分析：

a.在0.75至1.5間的壁厚值，按2.0-1.5-0標定測量得到的數值比按2.0-1.5-0.75標定測量得到的數值，有的不變，有的差值在0.05～0.15之間，越接近1.5的誤差值越小，壁厚值越小的誤差值越大。可以判定壁厚值在此之間的列管可根據生產工藝條件進行監測使用或選擇性堵管處理。

b.而≤0.75的，由于其壁厚值本身就較小，

考慮到還可能存在偏心腐蝕，就需要進行堵管處理。

c.從壁厚分布圖也可以看出在管板上有一定的分布規律，可以給設備的修復處理、繼續使用及改造提供依據。

4）現場檢測與拔出的列管所測得的壁厚值基本對應，誤差在0.1mm左右。

局部異常減薄剖開、拔管時被拉斷的照片及檢測信號圖如下：

4 現場檢測難點

    1）由于低碳鋼管所處的工藝狀態一般較差，管內通常會有結晶物、污垢等雜物，且難于清洗，只能選用較小的檢測探頭，造成填充系數較小，檢測靈敏度下降。這些雜物還可能含有鐵磁性雜質，也對檢測信號造成干擾。

2）國產低碳鋼管在軋制過程中，由于工藝控制不是很嚴格，造成整根管子也可能存在材質、熱處理狀態不均，造成整根管子壁厚不均，整批管子壁厚分布也不均。

3）由于所測得的壁厚值為管子最薄截面各方位壁厚的平均值，若存在單邊（偏心）減薄，則最薄處的壁厚值要小于實測值。
    4）由于螺旋線曲線是非線性關系，現有軟件是取其水平投影，按線性方程進行讀數，所以有一定的誤差。根本解決的辦法是在軟件設計上改進，實現對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能。

5 結語

1）驗證了遠場渦流檢測用于低碳鋼的厚度測量時，厚度與幅值呈螺旋線關系，且在水平方向有二次讀數（回轉性）。

2）嚴重腐蝕減薄時，在沒有合適對比樣管的情況下，利用上述方法減小非線性帶來的測量誤差值。

3）檢測前，要盡量查清楚換熱器的列管規格、工藝介質、腐蝕、管內污物等狀況，選擇合適的對比樣管、檢測探頭、檢測參數。

4）遠場渦流檢測應用于在役換熱器低碳鋼管檢測，遠場渦流測厚（絕對式，即AB型探頭）對緩變的壁厚變化（即體積型）較為靈敏，而遠場渦流探傷（差動式，即DP型探頭）對緩慢壁厚變化腐蝕類型缺陷卻不靈敏。因此對鐵磁性管管壁腐蝕減薄進行遠場渦流測厚更準確、可靠。

5）為在役換熱器列管的使用提供較為直觀的數據，為設備管理人員判定設備使用壽命提供參考依據。

很好!寫的很詳細啊!

阿黃 發表于 2015-10-29 12:02
很好!寫的很詳細啊!

這是一次從試驗到實際檢測和分析的全過程。

謝謝分享，加上圖片就更好了

謝謝，加上圖片就更好了

ff99998888 發表于 2016-1-6 11:05
謝謝，加上圖片就更好了

我也試圖加上圖片，但圖片加不上。

版主，您論文中提到的“現有檢測儀器不具備對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能”，這個是現有的商業檢測設備還達不到這樣的要求么？我看了有關的遠場渦流檢測的學術論文，他們后面的實驗驗證中采用鎖相放大器能檢測到幅值信號和相位信號。

NDTXTU 發表于 2016-3-10 11:30
版主，您論文中提到的“現有檢測儀器不具備對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能”，這個是現有的商業檢測 ...

目前的渦流檢測儀器，對于遠場檢測都是取幅值信號處理的。

汪冬兵 發表于 2016-3-11 08:27
目前的渦流檢測儀器，對于遠場檢測都是取幅值信號處理的。

嗯，知道了，謝謝

對于鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的渦流檢測，目前一般都采用遠場渦流檢測方法。對比樣管最好用設備中取出的管段。