换热管缺损检测新技术

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1、在役换热器管缺损检测新技术摘要：远场涡流检测是一种新兴的管道检测技术，并颇有潜在发展前途，它可以解决电力石化行业大量使用的钢管在役快速探伤、测厚难题。本文论述远场涡流检测原理并举例在石化工业热交换管道的缺损检查。4在电力和石化工业中大量采用热交换器作为介质传递能量，其内部由大量管束构成，由于长期处在腐蚀介质和交变应力作用下，经常产生腐蚀和磨蚀，因此对内部换热管的定期检验是保证设备安全运行的重要措施。通常换热管从材质上可分为两大类，一类是非铁磁性材料，如奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金和铜合金等，常规涡流检测技术以其检测速度快、灵敏度高、缺陷信号分析方法成熟，已广泛应用于火电、石

2、化等部门的非铁磁性金属管道的缺陷检测。然而在电力石化行业上大量使用另一类碳素钢和低合金钢等铁磁性材料的换热管，其特点是金属的磁导率μr>>1,用常规涡流检测方法存在很强的集肤效应，如以下公式确定导体中涡流的标准渗透深度δ：δ=5.033×(ƒμrσ)-1/2式中ƒ---检测频率μr---材料相对磁导率σ---材料电导率对于非铁磁性材料，μr=1，对于强铁磁性材料，μr=100～1000，按公式计算可知，强铁磁性材料的涡流渗透深度只有非铁磁性材料的1/10～1/30，涡流由管内壁穿透到管外壁就非常困难，如检测频率为10kHz时，钢铁中涡流的标准渗透深度δ=0.051mm，如果

3、用内插式探头测壁厚为2mm钢管，涡流幅值由内表面的100%渗透到外表面只剩下：Jx=2/Jx=o=J2/J0=e-2/δ=9.3×10-18如此低的数值普通的涡流探伤仪无法测出，也就是说，常规涡流方法无法检查钢管外壁缺陷。另一方面，管径尺寸的微小变化，管材成分的不均匀及运行一段间之后管壁表面生锈（铁磁性Fe3O4）都会引起电磁噪声。这些因素是造成检测信噪比降低的主要原因。在无外磁场作用时，铁磁性物质中各个磁畴的自发磁化强度矢量的取向是不同的，但是对外效果互相抵消，因而整个物体对外不显磁性。在外加磁场不足时，铁磁性物质中部分磁畴的磁矩转向外磁场，它是变化的，涡流检查时将产生磁

4、噪声。所以常规涡流检测技术无法满足铁磁性换热管探伤要求。在现有换热管的定期检查方法大都是将热交换器芯抽出清洗后，采用人工肉眼观察，主观评价来取弃，然而这种方法最多只能看到管束的外层分布管的状况，对内部管束情况一无所知，而且肉眼评价存在很大的随意性。进一步的方法是采用内窥镜检查方法，但这是一种非常慢且麻烦的方法，并只能观察到内壁腐蚀情况，不能适应大量管束的检查。所以在电力石化行业长期存在在役铁磁性材料换热管检测难题。本文介绍的远场涡流技术(Remotefieldeddycurrenttechnique)是基于远场涡流效应的一种管道检测新技术，它除了具有一般常规涡流的优点外，对

5、铁磁性管道无需采用磁饱和等辅助方法，即可直接用内插式探头来检测管壁上的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺损，被认为是一种最有发展前景的管道检测技术。1.远场涡流效应与机理远场涡流技术是基于一种特殊物理现象----远场涡流效应的管道检测技术。原始的远场涡流检测探头示于图1，它由两个同轴螺管线圈----激励和检测线圈组成，激励线圈通以低频交流电，检测线圈必须置于远离激励线圈2～3倍管内径处的“远场区”。图2所示为检测线圈中感应电势值以及该电势与激励电流之间的相位差随两线圈之间距离Ded（以管内径4Di的倍数表示）变化关系曲线称信号-距离特性。特性可定性分为以下三个区域。图1原始的远场

6、涡流检测探头图2检测线圈信号—距离特性（1）当Ded<1.8Di区域，感应电势是随距离增大而剧减，相位变化不大，这是因为检测线圈与激励线圈直接耦合剧减所致，符合一般的涡流检测理论，称近场区或直接耦合区。（2）当Ded增大到(2～3)Di以远，幅值与相位均以较小速率下降，且管内外相同，其相位滞后大致正比于穿过的管壁厚，可以近似用一维集肤效应相位公式计算：θ=2δ√πƒμσ式中θ---感应电势的相位滞后δ---管壁厚ƒ---激励频率μ---管壁材料的磁导率σ---管壁材料的电导率这个区域称远场区，对这个区域的规律，传统的涡流概念已无法解释，出现于远场区的特殊现象，称之为远场涡流

7、效应。（3）近场与远场之间的区域称为过渡区，在过渡区感应电势下降速率减小，有时甚至出现微弱增加现象，同时相位差发生急剧变化。著名美国研究学者SchmidtTR在1984年指出，远场涡流现象取决于管中发生的两个主要效应，一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应；二是存在能量两次穿过管壁的非直接耦合路径。它源于激励线圈附近区域管壁中感应周向涡流，周向涡流迅速扩散到管外壁，同时幅值衰减、相位滞后，到达管外壁的电磁场又向管外扩散，管外场强的衰减较管内直接耦合区衰减速度慢得多，因此管外场又在管外壁感应产生涡流，穿过管壁