5通道鐵磁探測(cè)儀的研發(fā)與鍋爐管堵塞檢測(cè)*

王璽潤(rùn), 張雙楠, 蔡桂喜, 李建奎, 張 博, 楊 亮, 武玉鵬,2

(1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 沈陽(yáng)，110016) (2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 合肥，230026)

引 言

發(fā)電廠鍋爐熱管失效不僅給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)損失，還給企業(yè)員工的生命造成嚴(yán)重的威脅[1]。超臨界/超超臨界火電機(jī)組鍋爐的過(guò)熱器管和再熱器管，在鍋爐熱管中工作溫度最高，工作壓力最大，爆管事故最多。絕大多數(shù)爆管事故是由于管的內(nèi)表面受到強(qiáng)烈的水蒸氣氧化作用，管道內(nèi)壁發(fā)生銹蝕，銹蝕薄膜剝落堆積，導(dǎo)致了管壁局部高溫蠕變，由此引發(fā)爆管事故[2]。因此，及時(shí)檢測(cè)與評(píng)估管道內(nèi)鐵銹碎屑堵塞的程度，對(duì)維護(hù)管道的安全運(yùn)行具有重要意義[3-6]。

鍋爐管內(nèi)鐵銹碎屑堵塞的無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)和磁學(xué)檢測(cè)，其中超聲檢測(cè)受到管壁厚度、超聲波入射角及鐵銹碎屑的離散狀態(tài)等因素的影響，難以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性[7]。射線檢測(cè)雖能夠顯示出管內(nèi)鐵銹碎屑堆積狀態(tài)，但檢測(cè)工藝較復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)條件和射線防護(hù)要求高，只能用于過(guò)熱器管和再熱器管的小比例抽檢[8]。渦流檢測(cè)容易受到工作頻率、管的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、管徑、壁厚以及鐵銹碎屑的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、分布等因素的影響，不易確定具體參數(shù)[9]。Ohtomo[10]提出用磁學(xué)技術(shù)進(jìn)行鐵銹碎屑檢測(cè)，此后國(guó)內(nèi)學(xué)者將磁學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展[11]。磁學(xué)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)在奧氏體不銹鋼管外壁放置磁化器，施加磁場(chǎng)將堆積的鐵銹碎屑磁化，利用磁敏傳感器測(cè)量管外的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)奧氏體鋼受熱面管內(nèi)鐵銹碎屑堵塞程度的測(cè)量。當(dāng)管內(nèi)鐵銹碎屑堆積厚度較大時(shí)，單通道檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)很容易趨于飽和，難以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)鐵銹碎屑堵塞的定量檢測(cè)[12]。

筆者介紹了5通道鐵磁探測(cè)儀的研發(fā)以及在檢測(cè)過(guò)熱器管和再熱器管鐵銹碎屑堵塞方面的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，該儀器能夠定量地評(píng)估堵塞程度，從而防止爆管事故。

1 儀器的原理、硬件和軟件

圖1為5通道鐵磁探測(cè)儀和探頭的照片。探頭由外殼、手柄和5個(gè)鐵磁探測(cè)器組成。探測(cè)器是用來(lái)探測(cè)鐵磁性物體的敏感器件，由磁化器和磁場(chǎng)測(cè)量元件組成。2個(gè)條狀釹鐵硼永久磁鐵和1個(gè)條狀磁軛組成“П”字形磁化器，在2個(gè)磁鐵的中間，放置1個(gè)SHJ5型霍爾元件作為磁場(chǎng)測(cè)量元件，如圖2所示。當(dāng)“П”形磁化器開口的正前方不遠(yuǎn)處有鐵磁性物體時(shí)，霍爾元件測(cè)得的磁通密度減小，這是由于一部分磁力線不再經(jīng)過(guò)霍爾元件，而是經(jīng)過(guò)鐵磁性物體由N極到達(dá)S極，即鐵磁物體的介入改變了無(wú)鐵磁體條件下的磁場(chǎng)分布，使霍爾元件所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。鐵銹碎屑的堆積形狀見圖3，起始于垂直管向水平過(guò)渡的轉(zhuǎn)彎處，向水平方向延伸，表面比較平坦，這可能與蒸汽流沖刷有關(guān)，截面呈弓形。

圖1 鐵磁探測(cè)儀及探頭的照片F(xiàn)ig.1 Pictures of the tester detecting ferromagnetic objects and the probe

圖2 探測(cè)器圖(單位：mm)Fig.2 Diagram of the detector(unit:mm)

圖3 彎管中加入鐵銹碎屑的方法示意圖Fig.3 The process of adding rust fragments into the bended tube

單通道鐵磁探測(cè)儀因測(cè)量值飽和不能定量檢測(cè)鐵銹碎屑堵塞程度，如果鐵銹碎屑堵塞面積與管內(nèi)孔面積之比(簡(jiǎn)稱堵塞面積比)達(dá)到10%，單通道鐵磁探測(cè)儀的指示值便趨于飽和。筆者采用5通道檢測(cè)克服測(cè)量值飽和的困難，5個(gè)探測(cè)器位于同一個(gè)圓周上，相鄰探測(cè)器的中心(霍爾元件)之間的周向距離為30°，如圖4所示。一般來(lái)說(shuō)檢測(cè)點(diǎn)越多、越密集則檢測(cè)精度越高；但是檢測(cè)點(diǎn)距離太近，相鄰探測(cè)器之間容易發(fā)生互相干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相距30°檢測(cè)效果較好。

下面定性地說(shuō)明多通道檢測(cè)克服測(cè)量值飽和的原理。單通道測(cè)量值飽和的原因是鐵磁探測(cè)器的有效探測(cè)距離比較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，筆者制作的探測(cè)器探測(cè)鐵銹碎屑的有效距離是14mm。如圖4所示，當(dāng)鐵銹堆積厚度超過(guò)堵塞面積比10%，處于高位置的鐵銹堆積(圖4中用藍(lán)顏色表示的鐵銹堆積)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)，對(duì)位于0°的探測(cè)器的作用極其微弱，0°探頭的輸出信號(hào)趨于飽和。另一方面，這部分鐵銹處在30°和-30°探測(cè)器的探測(cè)范圍之內(nèi)，這2個(gè)探測(cè)器有輸出信號(hào)，全部5個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)之和在增加。0°探測(cè)器的作用主要是測(cè)量堵塞面積比為0～10%的鐵銹堆積(圖4中用紫顏色表示的鐵銹堆積)；30°和-30°探測(cè)器的作用主要是測(cè)量堵塞面積比為10%～30%的中層鐵銹堆積(圖4中用藍(lán)顏色表示的鐵銹堆積)；60°和-60°探測(cè)器的作用主要是測(cè)量堵塞面積比為30%～50%的高層鐵銹堆積(圖4中用紅顏色表示的鐵銹堆積)?？傊?個(gè)探測(cè)器輸出信號(hào)之和為基礎(chǔ)的5通道檢測(cè)，擴(kuò)大了儀器的測(cè)量范圍，堵塞面積比從10%提高到50%。

圖4 5個(gè)探測(cè)器圍繞被檢測(cè)管的分布圖Fig.4 The five detectors around the tested tube

假定在管內(nèi)有鐵銹碎屑的情況下，設(shè)在5個(gè)測(cè)量點(diǎn)上霍爾元件測(cè)得的磁通密度分別用B1(a%)，B2(a%)，…，B5(a%)來(lái)表示。其中：B為磁通密度；下標(biāo)1，2，…，5為各通道的編號(hào)。對(duì)應(yīng)于霍爾元件的位置-60°，-30°，0°，30°和60°，a%表示堵塞面積與πr2之比，r為管的內(nèi)徑。筆者將a%稱為鐵銹堵塞面積比，將ΔBn(a%)和Q分別稱為各通道磁通密度差與5通道磁通密度差之和

測(cè)量ΔBn(a%)的電子電路如圖5所示，霍爾元件和電阻R1設(shè)在探頭殼內(nèi)，霍爾元件為SHJ5型砷化鎵霍爾元件。由于霍爾元件的靈敏度變化范圍較大(4～20 mV/mA100mT), 為了達(dá)到各通道性能一致，使用的霍爾元件要經(jīng)過(guò)挑選，選擇靈敏度在10mV/mA100mT左右的元件，并且對(duì)控制電流IC稍加調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)電阻R1，使霍爾元件的控制電流IC在2 mA左右，從而可獲得一致的轉(zhuǎn)換系數(shù)20 mV/100mT。IC1，IC2和IC3是3個(gè)普通運(yùn)放，IC1、數(shù)字電位器P1和電阻等連接成放大倍數(shù)為1.5的平衡放大器。P1由計(jì)算機(jī)控制，用觸摸屏操作。P1用于平衡霍爾元件的不等位電勢(shì)和管道內(nèi)無(wú)鐵銹碎屑時(shí)的霍爾電勢(shì)，此時(shí)的霍爾電勢(shì)正比于Bn(0)，調(diào)節(jié)P1保持管道內(nèi)無(wú)鐵銹碎屑時(shí)IC1的輸出電壓是零，P1只是在更換探頭時(shí)需要調(diào)節(jié)。用IC2和IC3組裝兩級(jí)放大器，總放大倍數(shù)為100倍。由上述電路設(shè)計(jì)不難看出，放大器的輸出電壓Vn正比于ΔBn(a%)

圖5 鐵磁探測(cè)儀中的放大器電路圖Fig.5 Electronic circuit diagram of the amplifier in the tester detecting ferromagnetic objects

Vn=KΔBn(a%)=30ΔBn(a%)

(3)

這里K=30是總放大倍數(shù)150倍與霍爾元件轉(zhuǎn)換系數(shù)20 mV/100mT之積。放大器的輸出信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8 bits，采樣速度為500 kHz。

圖6 回放與報(bào)告界面Fig.6 Interface for replay of the data and for formation and output of reports

由磁化器和霍爾元件組成的探測(cè)器，它們的性能不可能完全一致，需用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)試每一個(gè)探測(cè)器，選擇性能相近的5個(gè)探測(cè)器組成5通道探頭。對(duì)于每只5通道探頭都要給予編號(hào)，要用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)量各通道的輸出信號(hào)，反復(fù)調(diào)節(jié)R1和P1使各通道的測(cè)量值盡量靠近相應(yīng)的標(biāo)定曲線。

2 有限元模擬與標(biāo)定曲線計(jì)算

采用商業(yè)有限元軟件Comsol Multiphysics 5.3a，對(duì)單通道和5通道鐵磁探測(cè)儀檢測(cè)管道內(nèi)鐵銹碎屑堵塞進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上計(jì)算標(biāo)定曲線。假定待檢測(cè)管的外徑和壁厚分別為54和8 mm，待檢測(cè)管的材料為TP347奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。有限元模型如圖4所示，圖中顯示了管、鐵銹碎屑及探測(cè)器的位置。永磁鐵的材料為釹鐵硼，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.05，剩余磁通密度為1.38T。管內(nèi)鐵銹碎屑主要成分為Fe3O4，用MPMS磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得鐵銹碎屑的相對(duì)磁導(dǎo)率為10.19。假定鐵銹碎屑堵塞面積比分別為0%，10%，20%，30%，40%和50%。有限元模擬設(shè)定的探測(cè)器的幾何尺寸如圖2所示。有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如下：用自由四面體對(duì)管、鐵銹碎屑和探頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大尺寸為2mm，最小尺寸為1.44mm，共有407 830個(gè)單元。計(jì)算了單通道檢測(cè)和5通道檢測(cè)2種情況，單通道檢測(cè)時(shí)只有1個(gè)探測(cè)器，位于0°的位置，其余計(jì)算參數(shù)與5通道的計(jì)算參數(shù)相同。

上面說(shuō)明了有限元計(jì)算的原始參數(shù)，即有限元計(jì)算的條件。計(jì)算的目的是得到磁通密度的分布，特別是霍爾元件中心處的磁通密度差ΔBn(a%)及其隨鐵銹碎屑堵塞面積比a%的變化。

圖7是根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果繪制的各通道磁通密度差與鐵銹碎屑堵塞面積比的關(guān)系曲線，管材規(guī)格為?54 mm×8 mm。由于對(duì)稱的原因，-60°通道和60°通道的曲線相同，-30°通道和30°通道的曲線也相同。圖上的點(diǎn)代表用鐵磁探測(cè)儀和標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行測(cè)量得到的ΔBn(a%)的數(shù)值。

1--60°和60°通道計(jì)算值曲線；2--60°通道測(cè)量值；3-60°通道測(cè)量值；4--30°和30°通道計(jì)算值曲線；5--30°通道測(cè)量值；6-30°通道測(cè)量值；7-0°通道計(jì)算值曲線；8-0°通道測(cè)量值圖7 各通道磁通密度差與鐵銹碎屑堵塞面積比的關(guān)系Fig.7 The relation of the magnetic flux density difference of each channel with the percentage of area blocked by rust

1-直管單通道計(jì)算值曲線；2-直管5通道計(jì)算值曲線；3-彎管5通道測(cè)量值；4-直管單通道測(cè)量值；5-直管5通道測(cè)量值圖8 單通道檢測(cè)和5通道檢測(cè)堵塞面積百分比的標(biāo)定曲線Fig.8 Calibration curves of single channel and five channel determinations of blocked area percentage a%

表1 計(jì)算與測(cè)試得到的標(biāo)定曲線的數(shù)據(jù)

3 計(jì)算結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 標(biāo)準(zhǔn)樣件圖Fig.9 Schematic diagram of standard sample

第2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是檢測(cè)和評(píng)估彎管中的鐵銹碎屑堵塞面積比。電廠鍋爐系統(tǒng)常見的管道轉(zhuǎn)彎是從垂直方向轉(zhuǎn)向水平方向。如圖10所示，從X光檢測(cè)拍攝的照片可以看出，鐵銹碎屑堆積起始于管的轉(zhuǎn)彎處，在水平管段上延伸較長(zhǎng)，表面平坦，隨著延伸向下傾斜，但是坡很小，這種形狀與管內(nèi)流體沖刷有關(guān)。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，筆者制作了具有相似鐵銹碎屑堆積的彎管樣件。彎管樣件用TP347奧氏體不銹鋼管制作，鋼管規(guī)格為54 mm×8 mm(外徑×壁厚)，直管段長(zhǎng)度為50 mm，彎曲角度為90°，內(nèi)彎半徑為63 mm，外彎半徑為117 mm。在管表面上開一個(gè)長(zhǎng)條形窗口，周向(橫向)寬度為90°。窗口的周向位置、軸向(縱向)位置和長(zhǎng)度見圖3。和直管樣件一樣，將1根用有機(jī)玻璃制作的異形棒插入管內(nèi)，棒與管內(nèi)表面之間的間隙填入鐵銹碎屑。樣件的鐵銹碎屑堵塞面積比為10%，20%，30%，40%和50%。異形棒分為2段，即頭段和尾段。尾段形狀和直管樣件的異形棒形狀相同；頭段的形狀比較復(fù)雜，按幾何學(xué)原理用計(jì)算機(jī)計(jì)算和繪圖，用手工制作或用數(shù)控銑床制作。

圖10 彎管1鐵銹堵塞的X射線照片F(xiàn)ig.10 X ray photograph of the bended pipe 1 blocked by rust fragments

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)服務(wù)

用5通道鐵磁探測(cè)儀共檢測(cè)了15根管的轉(zhuǎn)彎部位，以堵塞面積比a%≥30%為報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)堵塞超標(biāo)彎管4處。對(duì)其中的3根管進(jìn)行了X射線檢測(cè)，這3根管的堵塞檢測(cè)結(jié)果列于表2。圖10是1號(hào)管轉(zhuǎn)彎處的X射線照片。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算，以X射線法為基準(zhǔn)，5通道鐵磁探測(cè)儀測(cè)量堵塞面積比的標(biāo)準(zhǔn)誤差是3.9%(絕對(duì)誤差)。

表2 用5通道鐵磁探測(cè)儀與X射線攝影法測(cè)得的堵塞面積比

由于種種原因，X射線檢測(cè)電廠管道堵塞的機(jī)會(huì)較少，這次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)只拍攝了3張X射線照片，數(shù)量顯然不夠，為此用稱重法加以補(bǔ)充。堵塞超標(biāo)的管道必須將鐵銹碎屑清除，清除的方法是在彎管的上部大約1 m處將管道切開，用軟繩將1塊釹鐵硼永久磁鐵吊入管內(nèi)，將鐵銹碎屑吸住提上來(lái)。這種清除并不徹底，還有少量殘余，對(duì)于經(jīng)過(guò)5通道鐵磁探測(cè)儀檢測(cè)和X射線檢測(cè)的3條管道，稱重結(jié)果列于表3。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，清除前后用5通道鐵磁探測(cè)儀測(cè)得的堵塞面積比之差近似地和清除取出的鐵銹碎屑的質(zhì)量成正比。稱重法從另一個(gè)角度證明了5通道鐵磁探測(cè)儀檢測(cè)的有效性，但是不能用于評(píng)定5通道鐵磁探測(cè)儀的誤差大小。

表3 用5通道鐵磁探測(cè)儀測(cè)得的再熱器管道堵塞面積比和取出的鐵銹碎屑質(zhì)量

筆者為5家發(fā)電廠的大修進(jìn)行了過(guò)熱器和再熱器管的堵塞檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)超標(biāo)堵塞(堵塞面積比a%≥30%)30多處。經(jīng)過(guò)解剖驗(yàn)證，無(wú)一誤報(bào)，由此可見，儀器在防止過(guò)熱器管和再熱器管爆裂事故檢測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用。

5 結(jié) 論

1) 有限元模擬與標(biāo)定曲線計(jì)算結(jié)果為5通道鐵磁探測(cè)儀的開發(fā)與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。用標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量值與計(jì)算值相比，其標(biāo)準(zhǔn)誤差(相對(duì)誤差)為5.2%。

2) 在5家發(fā)電廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)服務(wù)，共發(fā)現(xiàn)超標(biāo)堵塞30多處，解剖驗(yàn)證無(wú)一誤報(bào)。5通道鐵磁探測(cè)儀檢測(cè)出的堵塞面積比與X射線攝影檢測(cè)結(jié)果相比，標(biāo)準(zhǔn)誤差(絕對(duì)誤差)為3.9%。

3) 研發(fā)的5通道鐵磁探測(cè)儀達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，在防止過(guò)熱器管和再熱器管爆管事故方面發(fā)揮了重要的作用。