奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度脈沖渦流檢測

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(1.湘潭大學(xué) 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心, 湘潭 411105；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院岳陽分院, 岳陽 414000)

奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度脈沖渦流檢測

徐志遠(yuǎn)1，朱競哲1，袁湘民2，林穩(wěn)2

(1.湘潭大學(xué)復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心,湘潭411105；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院岳陽分院,岳陽414000)

針對(duì)奧氏體鍋爐管內(nèi)氧化皮堆積帶來的機(jī)組安全隱患問題，應(yīng)用脈沖渦流技術(shù)對(duì)氧化皮堆積厚度進(jìn)行定量檢測。設(shè)計(jì)并制作了開合式傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、通用性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。構(gòu)建了脈沖渦流檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，并將其用于TP347H管樣內(nèi)氧化皮堆積厚度的檢測，試驗(yàn)研究了傳感器信號(hào)特征、提離影響及陣列接收效果。結(jié)果表明：檢測信號(hào)峰值與氧化皮堆積厚度存在線性關(guān)系，可用于堆積厚度的準(zhǔn)確定量；信號(hào)峰值隨傳感器提離增加而線性減小；以陣列接收信號(hào)差分峰值為特征量，可消除服役鍋爐管電磁屬性轉(zhuǎn)變帶來的影響。研究成果可為奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度檢測提供應(yīng)用參考價(jià)值。

無損檢測；脈沖渦流；奧氏體鍋爐管；氧化皮

近年來，為了提高發(fā)電效率以及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，我國新投產(chǎn)的電站機(jī)組逐步向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，超臨界、超超臨界機(jī)組已成為火力發(fā)電的主力機(jī)組。作為火力發(fā)電廠鍋爐的關(guān)鍵承壓部件，過熱管和再熱管廣泛采用了具有高熱強(qiáng)度和高蠕變強(qiáng)度的TP304H、TP347H、TP321H等奧氏體不銹鋼[1]。但是，這類不銹鋼抗蒸汽氧化性能較差，在長期高溫高壓下鍋爐管會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的蒸汽側(cè)氧化行為[2-4]。氧化產(chǎn)物與奧氏體不銹鋼的晶格結(jié)構(gòu)存在較大差異，導(dǎo)致氧化皮與基體結(jié)合不緊密。在鍋爐的啟停或者熱應(yīng)力的誘導(dǎo)下，氧化皮易發(fā)生脫落并堆積在鍋爐管內(nèi)，減小蒸汽流通面積，堆積厚度過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道超溫和堵塞，從而引發(fā)機(jī)組事故[2-5]。因此，使用無損檢測技術(shù)對(duì)氧化皮堆積厚度進(jìn)行檢測，及時(shí)找出并更換問題管道，對(duì)保障超(超)臨界機(jī)組長期安全運(yùn)行非常重要。

自20世紀(jì)70年代至今，人們一直在探索奧氏體鍋爐管氧化皮堆積的檢測方法，文獻(xiàn)中已報(bào)道的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁性檢測、聲振檢測、渦流檢測等。超聲檢測法是最早用于鍋爐管內(nèi)壁氧化皮厚度檢測的方法，該方法將氧化皮中儲(chǔ)存的應(yīng)變能與氧化皮厚度和溫度、時(shí)間等聯(lián)系起來，可以預(yù)測氧化皮的生長和脫落[2-3]。但由于超聲測厚法主要利用界面回波，要求氧化皮尚未剝離管壁時(shí)進(jìn)行檢測，所以對(duì)已脫落的氧化皮在管道中的堆積情況的檢測效果差。射線檢測法基于管壁和氧化皮對(duì)射線吸收程度的差異，通過獲得的射線底片來判斷管內(nèi)氧化皮的堆積狀態(tài)，直觀可靠。但是，該方法受管排狹小空間的限制，不能進(jìn)行全面檢測，同時(shí)亦存在輻射、工期長等弊端，因此未在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用[6]。磁性檢測法最早由日本IHI株式會(huì)社的OHTOMO等[7]提出，近年來在國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員的廣泛研究下得到了深入發(fā)展，并開始在電站應(yīng)用[8-9]。該方法基于氧化皮(主要成分為亞鐵磁性Fe3O4)和奧氏體不銹鋼(順磁性)的磁特性差異，利用磁鐵對(duì)管內(nèi)堆積的氧化皮進(jìn)行激磁，再通過獲取被磁化氧化物的磁感應(yīng)強(qiáng)度來判斷氧化皮堆積量。這種方法工藝簡單、檢測速度快，但存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)[8,10]：第一，氧化皮堆積量較少時(shí)靈敏度低，堆積量較多時(shí)檢測信號(hào)趨于飽和，難以精確定量；第二，鍋爐管管壁高溫服役后會(huì)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)較高磁性，從而疊加在氧化物引起的磁場信號(hào)中，引起誤判。聲振檢測法通過敲擊管壁產(chǎn)生自由振動(dòng)，同時(shí)誘發(fā)氧化皮之間以及氧化皮和管壁之間的碰撞和摩擦，再根據(jù)提取的聲振動(dòng)信號(hào)的衰減系數(shù)來判別氧化皮堆積程度[11]。該方法雖然不受鋼材材質(zhì)和磁性因素的影響，但衰減特征是所有氧化皮對(duì)彎管振動(dòng)阻尼作用的共同結(jié)果，從而難以判斷氧化皮堆積的具體分布情況。

渦流檢測法基于電磁感應(yīng)原理，可用于被測構(gòu)件形狀尺寸、電磁屬性、缺陷存在等信息的檢測。由于氧化皮在管內(nèi)堆積會(huì)引起該部位磁導(dǎo)率的變化，近年來，一些研究人員嘗試用渦流檢測法來檢測氧化皮的堆積厚度。林俊明[12]提出采用多頻渦流檢測和傳感器陣列技術(shù)，將各傳感器信號(hào)處理成彎頭不同周向位置所對(duì)應(yīng)的氧化皮厚度數(shù)據(jù)。劉金秋[13]用超低頻渦流檢測對(duì)奧氏體鍋爐管的氧化皮堆積物進(jìn)行了定性和定量檢測，證明了超低頻電磁場的相位變化與氧化皮堆積厚度成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。他們的研究初步證明了渦流檢測用于氧化皮堆積厚度檢測的可行性，但均存在一定的局限性：第一，常規(guī)單頻或多頻渦流由于趨膚效應(yīng)的存在，難以穿透較厚的管壁和堆積的氧化皮;采用超低頻渦流可提高穿透深度，但檢測信號(hào)易受周圍環(huán)境的電磁干擾；第二，尚未考慮奧氏體鍋爐管高溫服役后磁性轉(zhuǎn)變對(duì)定量檢測結(jié)果的影響。

奧氏體鍋爐管的外徑一般為φ30～φ60 mm，壁厚3～10 mm，發(fā)生嚴(yán)重堵塞時(shí)氧化皮幾乎充滿管子。較大的管壁厚度和堆積厚度是制約常規(guī)渦流用于奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度檢測的主要原因?；诖耍P者采用脈沖渦流(Pulsed Eddy Current,PEC)技術(shù)開展奧氏體鍋爐管氧化皮堆積厚度檢測的試驗(yàn)，構(gòu)建了脈沖渦流檢測試驗(yàn)系統(tǒng)和試樣，設(shè)計(jì)并制作了具有較好易用性和通用性的開合式傳感器，初步研究了傳感器信號(hào)與堆積厚度的定量關(guān)系、傳感器提離的影響及傳感器陣列的可行性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試樣

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

在試驗(yàn)室內(nèi)，建立脈沖渦流檢測試驗(yàn)系統(tǒng)[14]，其外觀如圖1所示。系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、脈沖渦流傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)和鍋爐管試樣。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)傳感器的激勵(lì)線圈，在試樣中激發(fā)出瞬態(tài)渦流；傳感器接收線圈測量渦流感應(yīng)磁場所引起的電壓變化，經(jīng)前置放大、濾波后，送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后發(fā)送給上位機(jī)，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行信號(hào)分析、處理、顯示及存儲(chǔ)，完成對(duì)試樣中氧化皮堆積狀態(tài)的檢測。

圖1 脈沖渦流檢測試驗(yàn)系統(tǒng)與試樣檢測示意

系統(tǒng)上位機(jī)由NI公司的PXIe-1082機(jī)箱和PXIe-8840控制器組成，其內(nèi)部搭載了i5-4400E處理器、4 GB內(nèi)存，系統(tǒng)帶寬7 GB/s，可滿足瞬變信號(hào)采集時(shí)的快速數(shù)據(jù)吞吐要求。上位機(jī)上用LABVIEW構(gòu)建系統(tǒng)軟件，具有采集控制、信號(hào)處理與顯示、數(shù)據(jù)保存與回放等功能。采用Tektronix AFG2021-SC信號(hào)發(fā)生器，其基于DDS技術(shù)，可創(chuàng)建頻率范圍1 μHz～10 MHz、上升/下降時(shí)間不大于18 ns的高保真方波信號(hào)。采用博聯(lián)眾科公司的PA100恒流功率放大器，將激勵(lì)方波信號(hào)進(jìn)行功率放大，并轉(zhuǎn)換為恒流方波。前置放大器采用新超仁達(dá)公司的小信號(hào)調(diào)理板P-710B，其放大倍數(shù)從5～1000可調(diào)，內(nèi)含二階低通濾波電路，輸出電壓范圍±5 V。信號(hào)采集卡采用NI PXIe-4497采集卡，該卡具有24位分辨率，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)114 dB，最大電壓范圍±10 V，靈敏度14 μVrms，非常適合用于前期存在過沖、中后期快速衰減的脈沖渦流信號(hào)的高精度采集。

脈沖渦流傳感器由扁平電纜線、印制電路板(PCB)和牛角插座組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。扁平電纜線扣入牛角插座，牛角插座的針腳焊在PCB上，通過PCB內(nèi)部走線將彼此孤立的多股線連接成多匝線圈。利用40P和64P扁平電纜線制作了兩種規(guī)格的傳感器，傳感器的激勵(lì)線圈和接收線圈分開，同時(shí)，可通過在PCB上設(shè)置插針來調(diào)節(jié)接收線圈的個(gè)數(shù)，形成陣列式接收線圈。采用這種開合式線圈結(jié)構(gòu)，傳感器能方便地套在管道上進(jìn)行檢測，檢測完畢后也很容易拆卸，易用性較好。另外，對(duì)不同直徑管道，只需相應(yīng)地改變扁平電纜線長度，而不必重新設(shè)計(jì)傳感器，通用性較強(qiáng)。

圖2 脈沖渦流檢測傳感器組成

1.2試樣制作

文章所涉及的管樣取自湖南省某電廠600 MW機(jī)組鍋爐停機(jī)檢修時(shí)現(xiàn)場所割的一段TP347H管，氧化皮樣品為蒸汽吹掃前所割管樣內(nèi)清理出的氧化皮剝落物，管樣及氧化皮樣品如圖3所示。管樣規(guī)格(外徑×壁厚)為φ57 mm×4.5 mm，通過掃描電鏡的能譜分析得到其化學(xué)成分見表1。經(jīng)觀察和測量，氧化皮樣品均為薄片狀碎屑，大部分碎片直徑為φ1～φ5 mm，厚度在0.04～0.12 mm之間；其表面顏色一面灰而另一面黑，灰色面主要是Fe2O3類氧化物，而黑色面主要是Fe3O4類氧化物，F(xiàn)e3O4含量占80%左右[5]。

圖3 試驗(yàn)用管樣和氧化皮樣品外觀

表1 TP347H管樣化學(xué)成分 %

為模擬氧化皮在管樣內(nèi)的堆積，根據(jù)管內(nèi)腔尺寸用3D打印制作了一個(gè)帶刻度的塑料容器。試驗(yàn)過程中，先在容器內(nèi)放入一定量氧化皮樣品并記錄樣品堆積厚度，再將容器放入管內(nèi)，最后在放有氧化皮的管段進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1堆積厚度變化

在系統(tǒng)軟件界面進(jìn)行操作，設(shè)置激勵(lì)方波頻率2 Hz，占空比50%，觸發(fā)方式選為下降沿觸發(fā)，采樣頻率設(shè)為10 kHz。選用單激勵(lì)-單接收傳感器，對(duì)無氧化皮和氧化皮堆積厚度從5～40 mm(每次間隔5 mm)的管樣進(jìn)行檢測，得到傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的曲線，如圖4所示。由圖4可見，檢測信號(hào)在早期出現(xiàn)單峰值，然后隨著時(shí)間的推移逐漸下降；峰值電壓隨著堆積厚度的增加而逐漸增大，無堆積時(shí)峰值最小，堆積40 mm時(shí)峰值最大。進(jìn)一步地，提取不同堆積厚度時(shí)傳感器檢測信號(hào)的峰值，得出信號(hào)峰值隨堆積厚度變化的曲線如圖5所示。由圖5可見，隨著堆積厚度的增加，檢測信號(hào)峰值近似線性地增大。用MATLAB對(duì)兩者的線性關(guān)系進(jìn)行直線擬合，擬合優(yōu)度(R-Square)的數(shù)值為0.997 9，這表明用直線作為信號(hào)峰值關(guān)于堆積厚度的定量曲線，具有較高的精度。

圖4 不同堆積厚度時(shí)，檢測信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線

圖5 信號(hào)峰值隨堆積厚度變化的曲線

2.2傳感器提離影響

給管樣纏繞不同厚度的塑料帶，再在外層安裝傳感器，以模擬傳感器的提離變化。圖6為傳感器檢測信號(hào)峰值關(guān)于提離距離變化的曲線。由圖6可見，隨著傳感器提離距離的增加，檢測信號(hào)峰值近似線性減小。直線擬合的R-Square數(shù)值為0.995 2。因此，若已知或可測量出管外覆蓋層厚度值，根據(jù)簡單的線性關(guān)系對(duì)檢測信號(hào)峰值進(jìn)行提離補(bǔ)償，可以準(zhǔn)確地評(píng)估出管內(nèi)氧化皮堆積厚度。

圖6 信號(hào)峰值隨傳感器提離距離變化的曲線

2.3接收線圈陣列

單激勵(lì)-單接收傳感器檢測的是堆積區(qū)域的平均厚度。然而，實(shí)際應(yīng)用中存在氧化皮在管內(nèi)堆積不均勻的情況。在塑料容器中將氧化皮堆積成如圖7所示的斜坡形，通過改變坡高h(yuǎn)來模擬堆積的不均勻程度。采用單激勵(lì)-雙接收傳感器，兩個(gè)接收線圈沿管軸向陣列，進(jìn)行氧化皮不均勻堆積檢測試驗(yàn)，得到如圖8所示的檢測信號(hào)。從圖8可看出，傳感器的兩路輸出信號(hào)區(qū)別明顯，靠近坡頂?shù)男盘?hào)幅值大；坡高h(yuǎn)由大變小時(shí)，檢測信號(hào)的幅值也相應(yīng)減小，表明利用陣列接收的方式來檢測不均勻堆積是可行的。

圖7 氧化皮不均勻堆積圖示

圖8 氧化皮不均勻堆積時(shí)的檢測信號(hào)

考慮到服役鍋爐管管壁的磁性轉(zhuǎn)變問題，對(duì)陣列接收的兩個(gè)檢測信號(hào)進(jìn)行差分，可提取與管壁電磁屬性無關(guān)的信號(hào)特征量。其原因?yàn)椋河捎谑峭还艿?，通過差分可消除管壁的影響；而氧化皮為亞鐵磁性，堆積越厚則對(duì)激勵(lì)線圈電感的增強(qiáng)作用越大，厚度差異引起的信號(hào)幅值差也越大。圖9為不同坡高h(yuǎn)時(shí)靠近坡頂和靠近坡底接收線圈信號(hào)的差分結(jié)果，可見差分信號(hào)幅值隨著h的增加而逐漸增大，且信號(hào)曲線區(qū)分很明顯。進(jìn)一步地，提取不同坡高下差分信號(hào)的峰值繪于圖10，可見，差分信號(hào)峰值隨坡高增加也是近似線性增大，直線擬合的R-Square數(shù)值為0.985 8。差分信號(hào)反映的是兩個(gè)位置的堆積厚度之差，因此，圖10和圖5一樣，也表現(xiàn)出線性變化的規(guī)律，在一定程度上也驗(yàn)證了用傳感器陣列和信號(hào)差分方法消除管壁影響的可行性。

圖9 氧化皮不均勻堆積時(shí)的差分檢測信號(hào)

圖10 差分信號(hào)峰值隨坡高變化的曲線

3 結(jié)論

(1) 采用扁平電纜線制作的開合式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能適應(yīng)不同直徑管道。

(2) 檢測信號(hào)峰值與氧化皮堆積厚度存在線性關(guān)系，可用于堆積厚度的準(zhǔn)確定量。

(3) 信號(hào)峰值隨傳感器提離增加而線性減小，有利于對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行提離補(bǔ)償。

(4) 在傳感器中應(yīng)用陣列接收可區(qū)分堆積區(qū)的厚度不均勻。

(5) 在陣列接收信號(hào)之間進(jìn)行差分處理，可消除服役鍋爐管電磁屬性轉(zhuǎn)變帶來的影響。

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PulsedEddyCurrentTestingforThicknessMeasurementofOxideScalesAccumulatedinAusteniticBoilerTubes

XUZhiyuan1,ZHUJingzhe1,YUANXiangmin2,LINWen2

(1.EngineeringResearchCenterforComplexPathProcessingTechnologyandEquipment,MinistryofEducation,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China;2.YueyangBranchofHunanSpecialEquipmentInspection&TestingResearchInstitute,Yueyang414000,China)

Austenitic boiler tubes used in power units often suffer from security problems due to accumulation of oxide scales exfoliated from the inside tube wall. In this paper, the pulsed eddy current (PEC) testing technique was presented to quantitatively measure the accumulated oxide-scale thickness. First, an open-close sensor was designed and developed. It was simple in structure and easy to use with good feasibility. Then, a PEC experimental system was established and was applied to measure the accumulated oxide-scale thickness in TP347H tube sample. Finally, experiments were conducted to study the sensor signal characteristics, influence of sensor lift-off and the effect of receiver array. Results show that: the peak value of test signals varies linearly with the accumulated oxide-scale thickness and thus it can be used to accurately quantify the accumulation thickness; the peak value decreases linearly as the sensor lift-off increases; the influence of magnetic transformation of tube wall on measurements can be eliminated by using the peak value of differential signals between array receivers. The results may provide some guidance for the thickness measurement of oxide scales accumulated in austenitic boiler tubes.

nondestructive testing; pulsed eddy current; austenitic boiler tube; oxide scale

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0012-05

2017-06-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505406); 湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JJ3116); 湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(15C1323)

徐志遠(yuǎn)(1984-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測技術(shù)

徐志遠(yuǎn)，xuzhiyuan@xtu.edu.cn

10.11973/wsjc201710003