鎳基合金換熱管多頻渦流檢測技術試驗研究

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鎳基合金換熱管多頻渦流檢測技術試驗研究

廖兵兵，張玉福，田利，李軍，王強，楊棟，孟滄海
(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

針對鎳基合金換熱管在運行過程中可能產生的腐蝕失效模式，設計并制作了相應的Incoloy 825鎳基合金渦流對比樣管，選擇了合適的自比差動內穿過式探頭。經分析與研究，確定了高效、準確的多頻渦流檢測技術，利用多頻渦流探傷儀中的差動和絕對通道分別對換熱管局部腐蝕和均勻腐蝕缺陷進行檢測。通過不同缺陷特征試驗研究，確定了最佳的多頻渦流檢測參數，確保了檢測過程中對鎳基合金換熱管局部腐蝕及均勻腐蝕缺陷有足夠的分辨率及信噪比，檢測精度達到±5%，檢測結果更加可靠。

換熱管； 鎳基合金； 多頻渦流檢測技術； 腐蝕缺陷； 試驗研究

隨著我國油氣田的不斷開發，大多數油氣田面臨著含水量及腐蝕性氣體不斷增加的局面[1]。在油氣田開發過程中，H2S、CO2等酸性氣體作為伴隨氣體不斷增加，其溶于水后不僅會對輸油、輸氣管線及油氣處理設備產生全面腐蝕，濕H2S環境中還會導致氫致開裂和應力腐蝕開裂，在高Cl-的腐蝕環境下局部腐蝕嚴重[2]。碳鋼或低合金鋼暴露于含有H2S的環境介質中，因腐蝕而產生的氫侵入鋼中會在鋼表面產生氫鼓泡，在應力作用下還會發生硫化氫應力腐蝕開裂[3-5]。熱交換器是在石油、石化、化工、制冷、制藥及城市供暖等行業中應用廣泛的設備之一，主要用于兩種不同溫度介質的熱交換。熱交換器按結構主要分為管殼式和無殼體式兩大類，其中管殼式熱交換器應用較為廣泛[6，7]。對于油氣開采過程中產生的復雜強腐蝕性介質，國內很多油氣處理站都使用由耐蝕性較強的不銹鋼制造的熱交換器，常用的不銹鋼主要有鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼及鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。但在實際使用過程中，這些不銹鋼耐腐蝕性并不理想，因此有些油氣處理站在一些風險較高的熱交換器中使用了耐腐蝕性強的鎳基合金鋼。為了保證此類熱交換器的長周期安全運行，對熱交換器換熱管束進行定期在役缺陷檢測非常必要。

目前用于鎳基合金鋼管檢測的最好方法是多頻渦流檢測，而國內對于鎳基合金換熱管束渦流檢測的研究較少，文中簡要介紹了多頻渦流檢測技術的原理及特點，并進行了鎳基合金換熱管多頻渦流檢測技術的試驗研究。

1 多頻渦流檢測技術原理及特點

1.1 技術原理

渦流檢測的基本原理是電磁感應。被檢試件有無缺陷可通過導電試件中渦流的反作用磁場對線圈阻抗的影響來進行判斷。

被檢試件有缺陷時，導電試件中渦流的反作用磁場會使線圈的阻抗發生變化[8]。一個信號所傳輸的信息量與信號的頻帶寬度及信噪比的對數成正比(香農-哈特萊原理)[9]：

(1)

式中，C為信息的傳輸速率，bit/s；W為頻帶寬度，Hz；S/N為信噪比。

式(1)表明，在信息傳輸過程中，使用頻率越多(頻帶寬度越大)，所得信息量就越大。因此，可根據所需檢測參數(缺陷、壁厚等)和需要排除的干擾因素(折流板、支撐板等)有針對性地選擇多個頻率的電流激勵線圈，然后對受作用的參數調制的輸出信號按多個檢測通道加以放大，按頻譜濾波并解調，再把調制信號的各個分量以指定的方式組合起來，組合后的信號經信息處理系統的轉化電路處理后就可以將各參數分離到各通道中，即可將待檢信息的一個參數(缺陷)和干擾信號分離出來。

使用多頻渦流檢測時，儀器中的每個檢測通道都受所有影響參數(即工件作用參數)，如缺陷、壁厚、折流板等的綜合作用。若有n個作用參數，則需要n個或者2n個獨立的檢測通道，以便將所有的作用參數分離，使每一個通道代表一個作用參數。參數分離的方法一般有多元一次方程組消元法、多維空間矢量轉換法和矩陣代數法，文中以多維空間矢量轉換法為例。

使用多維空間矢量轉換法對試件作用參數進行分離主要包括2個轉換：①試件參數對探頭激勵信號的調制，即試件參數合成矢量P轉換成信號矢量D。在多維矢量空間中，試件參數矢量P由p1、p2···pn組合而成，P經調制后轉換成信號的多維空間矢量D，D由d1、d2···dn組合而成。②信息矢量D經計算轉換成估算參數矢量Q。

1.2 技術特點

單頻渦流檢測雖應用較廣，但有應用局限性，對許多復雜應用的構件，如熱交換器換熱管束進行在役檢測時，折流板、管板等部件會在渦流檢測儀器上產生很強的干擾信號，極大影響對缺陷的判斷[10]。采用多頻渦流檢測技術，通過混頻技術手段，可在常規渦流檢測時有效抑制上述干擾因素，實現缺陷信號的清晰顯示。

單頻和多頻渦流檢測的支撐板和外管壁缺陷信號比較見圖1。從圖1看出，在支撐板和外管壁缺陷信號同時存在的情況下，多頻渦流檢測技術明顯抑制了支撐板信號，可準確辨別出外管壁缺陷信號。

圖1 單頻和多頻渦流檢測缺陷信號比較

2 多頻渦流檢測試驗

2.1 檢測儀器選擇

試驗中選用了奧林巴斯公司生產的Olympus MS 5800渦流探傷儀，該儀器是具有常規渦流檢測、遠場渦流檢測、近場渦流檢測、漏磁檢測及旋轉超聲檢測五合一功能的一體機，能通過阻抗圖譜分析全面反映缺陷信號幅值大小、相位、波形走向等特征。該渦流探傷儀具有多個工作通道，能同時以2個或者2個以上工作頻率進行檢測，可將缺陷信號和干擾信號分開，提高信噪比，準確定性和定量缺陷的大小及位置。

2.2 對比樣管制作

試驗中使用的是尺寸為?25 mm×2.5 mm的Incoloy825鎳基合金鋼管，通過分析對比樣管和實際檢測缺陷的渦流檢測圖譜對缺陷的大小和位置進行定性和定量。檢測之前需制作對比樣管，根據NB/T 47013.6—2015《承壓設備無損檢測 第6部分：渦流檢測》[11]，樣管材質應與被檢材質相同或相似，使用對比樣管調整儀器檢測系統及檢測靈敏度。對比樣管加工缺陷位置見圖2，不同人工缺陷及其加工參數見表1。

圖2 對比樣管缺陷位置

表1 對比樣管人工缺陷及加工參數

對比樣管上不同深度的切槽和較大通孔H主要用于調試儀器檢測換熱管內外壁均勻腐蝕缺陷(較大腐蝕缺陷)的靈敏度以及其準確性，對比樣管上不同深度的平底孔和較小通孔C主要用于調試儀器檢測換熱管內外壁點蝕缺陷(局部腐蝕缺陷)的靈敏度及準確性。

2.3 探頭選擇

選擇檢測探頭時，要求探頭必須具有檢測靈敏度高、抗干擾性能優、周向檢測靈敏度差小和檢測重復性好的特點，本試驗中選擇性能優良的自比差動穿過式檢測探頭[12]。同時考慮提離效應的影響，選擇渦流探頭時被檢管束與探頭必須滿足一定的填充系數，常規渦流檢測一般要求探頭的填充系數在0.85～0.9。對?25 mm×2.5 mm的鎳基合金換熱管束，選擇了型號為TEA-188-050-N20的自比差動穿過式探頭。

2.4 檢測頻率選擇

檢測頻率直接影響探傷靈敏度及滲透深度[13]，選擇合適的檢測頻率既能保證足夠的缺陷分辨力，又能保證足夠的信噪比。隨著檢測頻率的增加，缺陷的分辨力增加，但噪聲信號會增強，信噪比減小。

一般情況下，為保證管束內外壁渦流信號有一定的相位差，檢測頻率可按式(2)計算：

(2)

式中，f為檢測頻率，Hz；ρ為材料電阻率，μΩ·cm；t為管材壁厚，mm。

選擇檢測頻率后，渦流的趨膚深度δ與管材的壁厚t相當，管材內外壁渦流信號的相位角相差90°。檢測過程中，產生噪聲信號的因素很多，比如支撐扳、管板、凹痕、磁性沉積物、探頭擺動以及管子內徑不勻等引起的檢測噪聲等。為了從干擾信號中分離出缺陷信號，可采用多頻渦流技術提高信噪比。同一缺陷或干擾源在不同檢測頻率下會產生不同的渦流反應，渦流信號是矢量信號，多個矢量信號疊加可以使用矢量運算加減法，即可以通過設置加法器、減法器、衰減器等放大缺陷信號，減小或消除干擾信號[14]，基本原理如下。

設A1、A2分別為在f1、f2檢測頻率下得到的渦流阻抗平面信號，B1、B2分別為在f1、f2檢測頻率下得到的缺陷渦流阻抗平面信號，C1、C2分別為在f1、f2檢測頻率下得到的干擾源渦流阻抗平面信號，則有：

A1=B1+C1

A2=B2+C2

即某一頻率下得到的渦流阻抗平面信號是在同一頻率下得到的缺陷渦流阻抗平面信號與干擾源渦流阻抗平面信號的矢量和。

令τ為調節因子(調節增益及相位系數)，使得τC1=C2，則有：

τA1=τB1+τC1

τA1-A2=τB1-B2

此時只得到缺陷信號，而干擾源信號被消除，且缺陷信號只與檢測頻率有關。通過該原理，使用多頻渦流檢測可以消除干擾信號，提高信噪比。

一般情況下，檢測頻率f越大，標準趨膚深度(或滲透深度)越小，故檢測小徑薄壁管束的內表面缺陷時，應選取較低的頻率；檢測外表面時，應選擇較高的頻率[15]。根據本次試驗被檢管束壁厚，選定檢測頻率分別為53.8 kHz和108 kHz，可分別保證被檢管束內、外壁有足夠的檢測靈敏度。經過在對比樣管上反復測試，最終確定f1=56 kHz、f2=112 kHz，此時檢測效果最佳。

2.5 采樣率及增益選擇

檢測時，采樣率及增益是影響缺陷信號分辨率及信噪比的重要因素。采樣率及增益較大，噪聲信號較多，信噪比較低，導致缺陷的分辨率較低；采樣率及增益較小，檢測缺陷的靈敏度較低，檢測能力下降。為了達到最好的檢測效果，試驗中選取采樣率為3 500點/s，增益為40dB。

3 多頻渦流檢測結果分析

根據上述計算的2個檢測頻率，將探頭放置于樣管沒有缺陷的部位平衡探頭，之后將探頭從樣管的一端穿過到另一端，檢測時勻速拉出探頭。在差動通道和絕對通道中顯示對比樣管上所有人工缺陷的信號，為了達到足夠的缺陷分辨率及信噪比，反復在對比樣管上調試儀器，最終選用上述計算確定的f1和f2。

在f1和f2檢測頻率下得到的對比樣管上的人工缺陷渦流信號波形圖見圖3，各缺陷波對應的人工缺陷見表2。

圖3 對比樣管上人工缺陷渦流信號波形圖

表2 不同缺陷渦流信號波對應的對比樣管人工缺陷

使用差動通道時，調節儀器的相位，使差動信號中通孔信號相位角在40°±5°，對比樣管上4個深度為20%壁厚的評定孔的渦流信號相位角與穿透壁厚的通孔渦流信號相位角沿順時針方向差為50°～120°。調試之后不同深度平底孔的八字形基準阻抗信號圖見圖4。

圖4 不同深度平底孔八字形基準阻抗圖

選擇絕對通道時，調節儀器的相位，使內壁切槽渦流信號的相位角與顯示屏水平線之間成±5°，使原點到通孔信號頂點連線和水平之間的相位角大約為40°。

調試后通孔和不同深度切槽的渦流基準信號圖見圖5。

圖5 通孔和不同深度切槽渦流信號圖

從圖4和圖5可以看出，經過對比樣管的調試后，儀器已經具備了檢測腐蝕深度大于20%壁厚的局部腐蝕缺陷及腐蝕深度大于10%壁厚的均勻腐蝕缺陷的能力，且檢測精度為±5%。

4 結語

針對鎳基合金換熱管運行中存在的失效模式，通過分析與研究，確定了高效、準確的多頻渦流檢測方法。通過對不同缺陷的試驗研究，確定了精準的檢測參數，保證了鎳基合金換熱管檢測過程中有足夠的缺陷分辨率及信噪比，使檢測結果更加可靠。檢測過程中缺陷評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的差別，需積累豐富的現場經驗對缺陷進行精準評定。

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ExperimentalStudyonMulti-frequencyEddyCurrentTestingTechnologyofNickel-basedAlloyHeatExchangerTubes

LIAOBing-bing，ZHANGYu-fu，TIANLi，LIJun，WANGQiang，YANGDong，MENGCang-hai
(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

Incoloy 825 nickel-based alloy contrast sample tubes are designed and fabricated, and appropriate self-contrast differential internal probe is selected according to possible failure modes of nickel-based alloy heat exchanger tubes during operation. Through analysis and research, an efficient and accurate multi-frequency eddy current testing technology is determined. The local corrosion and uniform corrosion defect of the heat exchanger tubes are detected by the differential and absolute channels in the multi-frequency eddy current flaw detector. With experimental study on different defect characteristics, the optimal detection parameters are determined and the local corrosion and uniform corrosion defect are further ensured and as a result more reliable test results proved by a detection accurate of ±5%.

heat exchanger tube； nickel-based alloy； multi-frequency eddy current testing technology； corrosion defect； experimental study

1000-7466(2017)06-0008-06

2017-06-10

甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司基金項目(16JCJ005)：換熱管束渦流檢測與應用

廖兵兵(1989-)，男，江西撫州人，助理工程師，學士，從事無損檢測、壓力容器及管道檢驗等工作。

TQ051.503； TE965.03

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.002

(張編)