換熱器管束的無損檢測

黃震 陳華林

摘 要： 換熱器是用于熱量交換的壓力容器之一，在石油化工、化學工業、能源工業及其它許多工業生產中應用廣泛。本文綜述了管殼式換熱器管的幾種無損檢測技術，包括渦流檢測技術、內旋轉超聲檢測技術、聲脈沖反射技術，分別介紹了這些無損檢測方法的原理和優缺點。

關鍵詞：換熱器 渦流檢測 內旋轉超聲檢測 聲脈沖反射技術

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）05-0316-01

換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在石油化工、化學工業、能源工業及其它許多工業生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用非常廣泛。據統計，在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數量的40%左右，占總投資的30%-45%[1]。

目前，在換熱器設備中，使用量最大的是管殼式換熱器，約占換熱器設備量的70%[2]，由于換熱器設備工作環境復雜，腐蝕介質種類不斷增加，致使換熱器設備壽命往往只有幾個月或一兩年，造成了設備的破壞事故。同時，導致換熱器失效的原因又是多樣復雜的。據國內外化工設備損壞情況介紹，換熱器管束失效主要表現在縫隙腐蝕、沖蝕、垢下腐蝕等[3-5]。

管殼式換熱器是一種結構特殊的壓力容器，為保證其在使用過程中的安全性和可靠性，必須對其進行定期檢驗。以下綜述幾種常用換熱器管無損檢測（NDT）技術。

一、渦流檢測技術（ET）

渦流檢測的基本原理為：當載有交變電流的檢測線圈靠近導電試件（相當于次級線圈）時，由于線圈磁場的作用，試件中將會感生出渦流，與渦流伴生的感應磁場與原磁場疊加，使得檢測線圈的阻抗發生變化。導電體內感生渦流的幅值大小、相位、流動形式及伴生磁場受到導電體的物理及制造工藝性能的影響。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以非破壞性地判斷出被測試件的物理或工藝性能及有無缺陷等，此即為渦流檢測的基本原理。渦流檢測主要是檢查管壁內外表面的蝕坑、裂紋及冶金缺陷等[7]。

渦流檢測適用于各種導電材料制成的管件的表面檢測，不論管件是鐵磁性的，還是非鐵磁性的，也不論是金屬或者是非金屬，只要材料是導電的，且外徑和壁厚滿足一定條件均可用渦流法檢測。渦流檢測時，線圈不需要接觸工件，也無需耦合介質，所以檢測速度快；對工件表面或近表面的缺陷，有很高的檢出靈敏度，且在一定的范圍內具有良好的線性指示；可用在高溫狀態、工件的狹窄區域、深孔壁（包括管壁）進行檢測；能測量金屬覆蓋層或非金屬涂層的厚度。

換熱器管束主要為具有鐵磁性的鋼管和不具有鐵磁性的不銹鋼管、銅及銅合金管、鈦及鈦合金管、鋁及鋁合金管等。正式檢測前必須利用標準樣管對儀器進行參數選擇和設定，可根據渦流滲透深度公式進行檢測頻率預選，再對標樣管進行測試，進一步修正參數，最后找出頻率、相位及增益等參數的最佳值。對檢測發現的缺陷信號進行評定是檢測中最關鍵的技術，由于現場的情況十分復雜，檢測信號受管子材質差異、缺陷形狀、尺寸和位置等因素影響較大，尤其對多信號疊加形成的復合信號更加難于分辨，因此，渦流檢測技術較依賴于檢測人員，由于檢測人員的專業素質和經驗不同，缺陷識別率也不相同。

二、內旋轉超聲檢測系統（IRIS）

內旋轉超聲檢測系統（IRIS）是一種以超聲測厚技術為基礎從管子內部進行脈沖回波式超聲水浸檢測的技術。其主要用途是對在役的換熱器管束進行壁厚測量，超聲波探頭通過對中裝置在充滿水的管子內部以螺旋的方式檢測，通過計算機軟件的相關處理，能實時顯示管子管壁的橫截面圖（B掃描） 、管壁展開圖（C掃描），以及管子縱向截面圖（D掃描），通過分析便可以檢測到一些壁厚減薄類的缺陷，包括表面的腐蝕、介質沖刷造成的沖蝕、管子振動造成的表面損傷等。

IRIS用于換熱器管子的檢測時，可以檢測鐵磁性、非鐵磁性、非金屬材料制成的管件，不受材料電導率或磁導率的影響，能精確測量管子的內徑及壁厚，能提供管子腐蝕和裂紋的準確位置。在IRIS檢測前，需要采用相同規格和材質的樣管來加工一些人工缺陷，通過軟件的調節和校準，以滿足對檢測靈敏度的要求。

IRIS檢測精度高，但對管道清潔度要求也高，要求管束內表面干凈幾乎是裸露金屬，而且需要對管子充滿水進行耦合，檢測速度比較慢，操作相對復雜。受內表面清潔度影響，檢測數據會有丟失現象，一般對外壁腐蝕檢測效果好于內壁腐蝕，此檢測方法存在一定的盲區。另外，在一些特殊形狀的管子檢測方面，如彎曲、螺旋或翅片狀，此方法適用性也很低[8]。

三、聲脈沖反射技術（APR）

聲脈沖反射技術（APR）基本原理：當聲脈沖射入管內的空氣中，會沿管內部傳播，一旦遇到橫截面變化，脈沖將會分為兩束，一束回波，沿管道返回，一束繼續沿管傳播，反射回波可以被接收器接收并進行測量。反射波的振幅與類型由反射處的特性決定：橫截面收縮產生正弦反射，橫截面擴展產生負弦反射。不同缺陷產生不同特征的信號，通過對信號進行分析可以判斷缺陷的類型。

APR作為一種新的針對換熱器管束的無損檢測技術，可以檢測管子堵塞、穿孔和內壁壁損，該技術可以實現以較快的速度和較高的效率實現缺陷的檢測。由于聲脈沖是在管內空氣中傳播，不受管子材質的影響，所以，理論上APR技術適用于所有材質的管子，對U形管和其他形狀管（蛇形管、螺旋管）均能檢測。APR是否能正確識別判斷反射信號特性，受背景噪音大小，反射點與管口的距離，信號處理方法，參考管的選擇等因素影響。在現場進行校驗檢測是非常重要的，對無缺陷管的檢測是作校驗參考用的，檢測得到的信號會與校驗參考管的數據進行對比扣除背景噪音，降低干擾，提高缺陷的識別率。然而，實際檢驗中，換熱器管束可長達幾十米，材質也各異，隨時隨地攜帶一根校驗管不太現實。目前，解決這問題的辦法是從大量的管束檢測值中選用一個檢驗結果最好的管子的數據作為校驗值；或利用統計學的方法，結合大量的管子檢測值進行平均，創建一個校驗值。

造成換熱管失效的缺陷最主要的是各種腐蝕，而常用的渦流檢測對一些裂紋、單個的點狀缺陷檢測效果較好，對許多腐蝕類缺陷檢測效果和檢測精度相對較差，在這方面，IRIS檢測則能顯示其技術上的優勢，其圖像顯示和基于超聲測厚技術的絕對精度都遠遠領先于渦流檢測。APR作為一種新型的針對換熱器管束的無損檢測技術，能以較快的速度和較高的效率實現缺陷的檢測，對換熱器快速全面掃查是很方便的。

參考文獻

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[9]Noam Amir. Acoustic Pulse Reflectometry Brings an End to Tube Inspection Sampling， Singapore International NDT Conference & Exhibition ， 3-4 November 2011.

[10]Noam Amir， Oded Barzelay， Amir Yefet， Tal Pechter. Inspecting U-Tube Bundles Using Acoustic Pulse Reflectometry， POWER 2009-81018， pp. 141-145.