涉酸環(huán)境熱交換器的多頻渦流檢測(cè)技術(shù)

廖兵兵，田 利，孟滄海，趙 昕，王 強(qiáng)

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)

涉酸環(huán)境熱交換器的多頻渦流檢測(cè)技術(shù)

廖兵兵，田 利，孟滄海，趙 昕，王 強(qiáng)

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)

針對(duì)含酸環(huán)境下的熱交換器更易產(chǎn)生均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等缺陷的問(wèn)題，采用多頻渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)中石油某天然氣處理站中壓氣冷卻器進(jìn)行在役渦流檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管束腐蝕嚴(yán)重，其中70%以上管子的壁厚損失量均大于60%。同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解剖管束驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

熱交換器；點(diǎn)蝕；多頻渦流檢測(cè)技術(shù)

換熱器的主要作用是用于兩種不同溫度介質(zhì)的熱交換，在石油、石化、化工、制冷、制藥及城市供暖等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。換熱器按結(jié)構(gòu)分主要有管殼式和無(wú)殼體式兩大類(lèi)，其中，管殼式換熱器的應(yīng)用較為廣泛。中石油某天然氣處理站原料氣中含水量高，同時(shí)又含有CO2、H2S和溶解氧等腐蝕性氣體[3-5]，這些腐蝕性介質(zhì)會(huì)對(duì)換熱器管程鋼管造成嚴(yán)重腐蝕。文中檢測(cè)的換熱器管程材料為S31603不銹鋼，介質(zhì)為原料氣和含油污水，其中原料氣中含有H2S和CO2，H2S分壓為0.180.36 MPa，CO2分壓為0.25 MPa，含油污水中的pH大約為4，且含有Cl離子，殼程介質(zhì)為脫硫脫水后的凈化氣，S31603不銹鋼在這種介質(zhì)腐蝕環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕、均勻腐蝕等問(wèn)題，因此對(duì)中壓氣冷卻器的不銹鋼管進(jìn)行缺陷檢測(cè)非常重要，目前對(duì)不銹鋼管最好的檢測(cè)方法就是多頻渦流檢測(cè)。

1 多頻渦流檢測(cè)技術(shù)原理及應(yīng)用

1.1多頻渦流檢測(cè)技術(shù)原理

一個(gè)信號(hào)所傳輸?shù)男畔⒘客盘?hào)的頻帶寬度以及信噪比的對(duì)數(shù)成正比[6](香農(nóng)-哈特萊原理)，用公示表示為

式中：C為信息的傳輸速率；W為頻帶寬度；S/N為信噪比。

上式表明，信息傳輸過(guò)程中，使用頻率越多(頻寬越大)，所得信息量就越大，所以，可以根據(jù)所需檢測(cè)參數(shù)(缺陷、壁厚等)和需要排除的干擾因素(折流板、支撐板等)適當(dāng)選擇多個(gè)頻率組合去激勵(lì)線圈，然后對(duì)輸出信號(hào)按多個(gè)檢測(cè)通道加以放大，分別進(jìn)行解調(diào)，并把調(diào)制信號(hào)的各個(gè)分量以指定的方式組合起來(lái)，組合后的信號(hào)經(jīng)過(guò)信息處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化電路處理后，各個(gè)參數(shù)就可被分離到各個(gè)通道中去，這樣，就可以將待檢信息的一個(gè)參數(shù)(缺陷)和干擾信號(hào)分離出來(lái)。

對(duì)于n個(gè)作用參數(shù)，就得有n個(gè)或2n個(gè)獨(dú)立檢測(cè)通道，以便將所有的參數(shù)分離，使每一個(gè)通道表示一個(gè)參數(shù)。參數(shù)分離的方法一般有3種，分別為多元一次方程組消元法、多維空間矢量轉(zhuǎn)換法和矩陣代數(shù)法，下面以多元一次方程組消元法為例。

對(duì)于信號(hào)通道Ci(i=1,2,3,4,…,n)和作用參數(shù)Pi(i=1,2,3,4,…,n)來(lái)說(shuō)[7-8]，Ci為：

用矩陣表示為[C]=[a][P]，通過(guò)計(jì)算可以得出[P]，即Pi(工件的每個(gè)作用參數(shù))，工件的作用參數(shù)為渦流檢測(cè)中影響被檢工件線圈阻抗的因素，包括工件的材料、缺陷的形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及在役檢測(cè)中的工況(折流板、支撐板等)，檢測(cè)探頭的晃動(dòng)、提離效應(yīng)等。

1.2多頻渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

在役換熱器換熱管的多頻渦流檢測(cè)技術(shù)可以抑制影響圖譜分析的干擾信號(hào)(支撐扳、管板、凹痕、磁性沉積物等強(qiáng)電磁信號(hào)，探頭擺動(dòng)以及管子內(nèi)徑不勻等引起的檢測(cè)噪聲)。

采用多頻渦流檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)“混頻”技術(shù)手段，可在常規(guī)渦流檢測(cè)時(shí)有效抑制上述干擾因素，實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的清晰顯示。圖1為在單頻和多頻渦流檢測(cè)技術(shù)下支撐板和管外壁缺陷信號(hào)的比較，從圖中可以明顯看出，在支撐板和管外壁缺陷信號(hào)同時(shí)存在的情況下，多頻渦流檢測(cè)技術(shù)明顯抑制了支撐板信號(hào)，可準(zhǔn)確地辨別出管外壁缺陷信號(hào)。

圖1 單頻和多頻渦流檢測(cè)技術(shù)下支撐板和管外壁缺陷信號(hào)的比較

2 多頻渦流檢測(cè)的應(yīng)用

在2016年9月的中石油某天然氣處理站大檢修期間，根據(jù)用戶(hù)要求對(duì)中壓氣冷卻器換熱管束進(jìn)行100%檢驗(yàn)。該冷卻器的管束規(guī)格(外徑×壁厚)為φ25 mm×2 mm，材料為S31603不銹鋼，因?yàn)榇瞬讳P鋼為非鐵磁性材料，所以只能使用多頻常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)技術(shù)能很好地檢測(cè)出各種缺陷，如穿透性缺陷、點(diǎn)蝕缺陷、均勻腐蝕缺陷等。

2.1檢測(cè)儀器

采用奧林巴斯公司生產(chǎn)的Olympus MS 5800渦流探傷儀，為具有常規(guī)渦流檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)、近場(chǎng)渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)及旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)五合一功能的一體機(jī)。該儀器可以用阻抗平面顯示，能通過(guò)阻抗圖譜分析全面反映出缺陷信號(hào)的幅值大小、相位、波形走向等特征。同時(shí)，其具有多個(gè)工作通道，并能夠同時(shí)以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的工作頻率進(jìn)行檢測(cè)，可以將缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)分開(kāi)，提高信噪比，能夠準(zhǔn)確定性和定量缺陷的大小及位置。

2.2對(duì)比樣管制作

圖2 對(duì)比樣管缺陷位置及大小示意

圖3 加工后的樣管實(shí)物外觀

渦流檢測(cè)通過(guò)對(duì)比樣管和實(shí)際檢測(cè)缺陷的圖譜對(duì)該缺陷進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，所以檢測(cè)前需制作對(duì)比樣管，使用對(duì)比樣管對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)試。圖2為對(duì)比樣管缺陷位置及大小示意，圖3為加工后的樣管實(shí)物外觀，該樣管材料與中壓氣冷卻器管材相同。

2.3探頭的選擇選擇常規(guī)渦流探頭時(shí)，受提離效應(yīng)的影響，必須滿(mǎn)足一定的填充系數(shù)，常規(guī)渦流檢測(cè)時(shí)要求探頭的填充系數(shù)在0.85～0.9之間。針對(duì)規(guī)格(外徑×壁厚)為φ25 mm×2 mm的換熱管管束，選擇了TEA-194-050-N20型號(hào)的探頭，該探頭為差分內(nèi)插式探頭。

2.4樣管的標(biāo)定

檢測(cè)前需要使用對(duì)比樣管對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)的選擇和設(shè)定，檢測(cè)參數(shù)主要包括檢測(cè)頻率、相位、采樣率、增益等，通過(guò)反復(fù)在對(duì)比樣管上進(jìn)行試驗(yàn)，得到最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。選擇最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.6-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》調(diào)試儀器及標(biāo)定對(duì)比樣管。

2.4.1 檢測(cè)頻率

檢測(cè)頻率的選擇直接影響檢測(cè)靈敏度及滲透深度[9]，所以一般情況下，檢測(cè)頻率為

式中：f為檢測(cè)頻率；ρ為管材的電阻率；t為管材的壁厚。

一般情況下，檢測(cè)頻率f越高，則標(biāo)準(zhǔn)趨膚深度(或滲透深度)越小，故檢測(cè)小徑薄壁管束的內(nèi)表面缺陷時(shí)，應(yīng)選取較低的頻率；檢測(cè)小徑薄壁管束的外表面時(shí)，應(yīng)選擇較高的頻率[10]。根據(jù)被檢管束的尺寸，可選定檢測(cè)頻率分別為54，110 kHz，已分別保證被檢管束內(nèi)外壁有足夠的檢測(cè)靈敏度。經(jīng)反復(fù)在對(duì)比樣管及被檢管束上進(jìn)行測(cè)試，最終確定f1為58 kHz，f2為119 kHz時(shí)，檢測(cè)效果最佳。

2.4.2 相位

相位的選擇有兩個(gè)目的：一是為了提高缺陷信號(hào)的分辨率，從而提高信噪比；二是利用不同缺陷的不同相位來(lái)設(shè)定儀器相位，在差動(dòng)通道中，顯示對(duì)比樣管上所有人工缺陷的信號(hào)，調(diào)節(jié)儀器的相位，使差動(dòng)信號(hào)中通孔信號(hào)相位角在(40±5)°，對(duì)比樣管上4個(gè)深度為20%壁厚平底孔的渦流信號(hào)相位角與穿透壁厚的通孔渦流信號(hào)相位角沿順時(shí)針?lè)较虿顬?0°～120°，圖4為不同深度平底孔的八字形阻抗信號(hào)。

圖4 不同深度平底孔的八字形阻抗信號(hào)

2.4.3 采樣率及增益

檢測(cè)時(shí)，采樣率及增益是影響缺陷信號(hào)分辨率及信噪比的重要因素。采樣率及增益較大，噪聲信號(hào)較多，信噪比較低，導(dǎo)致缺陷的分辨率較低；采樣率及增益較小，檢測(cè)缺陷的靈敏度較低，檢測(cè)能力下降。因此，選擇一個(gè)合適的采樣率及增益顯得非常重要，為了達(dá)到最好的檢測(cè)效果，采樣率選為3 000 點(diǎn)·s-1，增益為40 dB。

2.5檢測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)前必須按照相關(guān)規(guī)定對(duì)中壓氣冷卻器管束進(jìn)行清洗，保證檢測(cè)探頭能順利穿過(guò)整根管子，檢測(cè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)使用樣管對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)試，確定正確的檢測(cè)參數(shù)。

對(duì)該冷卻器管束進(jìn)行100%檢測(cè)，管束總共467根，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)127根換熱管內(nèi)外壁存在局部腐蝕，壁厚損失小于30%，其余340根換熱管壁厚損失均大于60%。

圖5為管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)波形圖譜，從圖譜中可以看出很多缺陷波，說(shuō)明該管束已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，圖6為管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)缺陷波放大圖譜，圖7為管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)缺陷波的八字形阻抗信號(hào)，結(jié)合圖7可知，該管束內(nèi)壁損失已超過(guò)60%。為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)壁厚損失超過(guò)60%的管束現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了解剖，圖8為管板上編號(hào)為8-1管束在與缺陷圖譜相對(duì)應(yīng)的缺陷位置解剖后的外觀，從圖8可以看出，管子內(nèi)壁出現(xiàn)了密集嚴(yán)重的腐蝕缺陷。

圖5 管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)波形圖譜

圖6 管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)缺陷波放大圖譜

圖7 管板上編號(hào)為8-1管束的渦流檢測(cè)缺陷波的八字形阻抗信號(hào)

圖8 管板上編號(hào)為8-1管束在與缺陷圖譜相對(duì)應(yīng)的缺陷位置解剖后外觀

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 針對(duì)中壓氣冷卻器管束進(jìn)行100%檢測(cè)，通過(guò)多頻圖譜分析發(fā)現(xiàn)該管束70%以上管子壁厚損失量均大于60%。

(2) 多頻渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)涉酸腐蝕環(huán)境下的在役換熱器管束腐蝕檢測(cè)，具有很高的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性，具有良好的應(yīng)用前景。

(3) 檢測(cè)過(guò)程中的缺陷評(píng)定受到很多因素的影響，且換熱管中的自然缺陷與樣管上的人工缺陷得到的圖譜有一定差別，故對(duì)于缺陷的評(píng)定需要檢測(cè)人員有豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

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Multi-frequencyEddyCurrentTestingTechnologyofHeatExchangersinAcidEnvironment

LIAO Bingbing, TIAN Li, MENG Canghai, ZHAO Xin, WANG Qiang

(Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

The heat exchanger in the acid environment is more prone to the problems of uniform corrosion, pitting corrosion, stress corrosion cracking and so on. In this paper, a multi-frequency eddy current testing technique is used to detect the middle pressure gas cooler in a natural gas processing station of China National Petroleum Corporation. The tube bundle corrosion is serious. It was found that the tube bundle was corroded seriously, and the proportion of tubes with wall thickness loss being greater than sixty percent accounts for more than seventy percent. At the same time, the veracity and reliability of the test results were verified by dissecting the pipes in the field.

heat exchanger;pitting corrosion;multi-frequency eddy current testing technique

TG115.28

： B

：1000-6656(2017)09-0069-04

2016-12-08

廖兵兵(1989-)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)、壓力容器及管道檢驗(yàn)等工作

廖兵兵,liaobingbing@lanpec.com

10.11973/wsjc201709017