電站鍋爐受熱面管內壁腐蝕缺陷檢測技術研究

朱國斌，賈少威，王警衛，江野，劉文生，王東

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

0 引言

電站鍋爐本體中的省煤器管、水冷壁管、過熱器管、再熱器管簡稱受熱面四管，是電站鍋爐的重要組成部件，主要承擔著加熱給水，蒸發給水和加熱蒸汽的重要任務。發電機組正常運行過程中，受熱面四管一旦出現泄漏，將導致機組非計劃性停機搶修，給發電企業帶來重大經濟損失[1]。

鍋爐受熱面鋼管內壁腐蝕缺陷是引起泄漏的主要原因之一，據現場統計，鋼管內壁腐蝕缺陷[2]主要有點狀氫腐蝕、垢下腐蝕及停爐處理不當產生的腐蝕。

現階段，檢測受熱面鋼管缺陷的方法主要有超聲波測厚、超聲波探傷、磁飽和渦流法、漏磁渦流法和遠場渦流法等。超聲波測厚和超聲波探傷法對鋼管表面光潔度有較高的要求，檢測前需對鋼管表面進行打磨，檢測效率較低；磁飽和渦流法對受熱面鋼管采取穿過式方法進行檢測，但不適宜檢測在役鍋爐受熱面管；漏磁渦流法存在剩磁問題，對恢復運行后的系統安全性能會造成不良影響，并且操作使用過程需要施加強磁場，不適于高空作業和大面積掃查檢測；遠場渦流法的探頭體積龐大，較笨重，工作效率低且強度大，也不適于高空作業和大面積掃查檢測[3]。

本文以火電廠在役鍋爐受熱面管為研究對象，針對目前受熱面管檢測方法中存在的缺陷漏檢率較高、工作效率低的問題，研制了鍋爐受熱面管檢測專用陣列低頻渦流探頭，以實現火電廠在役鍋爐受熱面管的無損檢測。

1 陣列低頻渦流檢測技術

1.1 陣列低頻渦流檢測技術原理

陣列低頻渦流檢測技術采用了電磁和電渦流復合的雙機理系統，檢測缺陷對磁通和渦流場的擾動會使空間散射的漏磁通出現非對稱分布，激勵線圈和檢測線圈之間不再是簡單的相互垂直的電磁場傳遞方式。該技術采用平均分布于鍋爐受熱面管上的陣列式接收傳感器線圈進行檢測，激勵線圈在極低的頻率(≤10 Hz)下激發產生交變電磁場并穿透被測材料，從其一側傳導到另一側。在沒有壁厚減薄和缺陷的地方，電磁場的信號強度變化平滑，當探頭移動到有壁厚減薄和缺陷的地方時，可以檢測到一個更強的電磁場信號，信號放大后經模數轉換成數字信號送入控制器，并在顯示器上顯示，即可獲得反映管道缺陷的圖形。

1.2 陣列低頻渦流檢測探頭

經過研究，中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司設計了一種馬鞍形多重高磁導率鐵淦氧磁芯屏蔽低頻陣列掃查探頭。探頭設計中，采用靜磁屏蔽技術消除空間散射漏磁通的干擾，即利用磁路分流原理對低頻電磁場進行屏蔽。

用磁路的概念可以解釋靜磁屏蔽的原理。將鐵磁材料放在圖1所示的回路中，在外磁場中，絕大部分磁場集中在鐵磁回路中，可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，外磁場磁感應線的絕大部分將沿著鐵磁材料壁內通過，即均勻磁聚焦，而進入空腔的磁通量極少。被鐵磁材料屏蔽的空腔基本沒有外磁場，從而達到靜磁屏蔽的目的。

圖1 磁屏蔽原理

圖2 陣列低頻渦流探頭示意

馬鞍形掃查探頭殼體為中空結構，殼體的底板截面呈上凸的弧形，底板的兩側設置有導向膠輪。殼體內，在底板上沿同一徑向截面周向均布8個檢測線圈，檢測線圈的外部套裝有用于消除空間散射漏磁通的磁罐，磁罐外側的殼體內設置有勵磁線圈，勵磁線圈與檢測線圈之間設置有用于聚焦磁路的屏蔽線圈。殼體內設置有放大器，殼體外部設置有探頭插座，每個檢測線圈輸出端分別與放大器的輸入端相連，放大器的輸出端和勵磁線圈的輸入端均與探頭插座相連，探頭形狀如圖2所示。

探頭底板的弧度為2π/3，均勻布置了8個檢測線圈，每個檢測線圈檢測靈敏度均相同，8個檢測線圈沿底板的圓周方向可有效覆蓋被檢受熱面管125°的圓周面積，并通過覆蓋檢測線圈的磁罐進行磁屏蔽。鐵淦氧具有高磁導率，利用磁路分流原理對低頻電磁場進行屏蔽，消除空間散射的漏磁通的干擾，提高了缺陷分辨力。檢測過程中，8個檢測線圈均可獨立成像且檢測靈敏度始終保持一致，避免了缺陷漏檢。

探頭有4個導向膠輪，分別兩兩設置在殼體底板的兩側，導向膠輪的底部伸出殼體的下端面，且均向下、向內傾斜設置，可與待測鋼管的管壁完全貼合，也可增加伸縮調節的功能，便于提高系統穩定性。

探頭殼體上設置有與探頭插座相連的凍結調零開關，當儀器出現異常信號時，凍結調零開關可以鎖定屏幕圖像，以便進一步觀察判定。以往操作儀器時需先擱置探頭，然后再按下儀器凍結開關，由于儀器相移掃描曲線是隨時間滾動的，因而將產生時間差，難以及時捕捉到檢測信號；另外，掃查檢測過程中現場會出現各種干擾，導致基線偏離零點，需及時調整歸零。將儀器調零開關前置，在低頻陣列掃查探頭外殼上設置調零開關，調零操作便得心應手。

為保證使用效果，殼體一端設置有用于同步記錄檢測數據的編碼器，編碼器安裝在殼體的尾部并安裝扭簧，利用扭簧彈力壓緊，確保殼體行走過程中始終與待測鋼管的管壁接觸，以實時采集陣列掃查探頭軸向掃查的距離，同步記錄檢測數據，便于數據的后期處理、存檔。

1.3 陣列低頻渦流檢測系統

低頻振蕩器經計算機控制激勵線圈，所產生的磁通覆蓋了8個接收線圈。若被測管在探頭的有效區域內完好無損，空間散射的漏磁通均衡對稱，各檢測線圈輸出為零。當探頭掃查檢測到被測管上的垢下腐蝕等缺陷時，缺陷對磁通和渦流場的擾動使漏磁通出現非對稱分布，缺陷上的各檢測線圈產生失衡信號，即檢測信號。

探頭的檢測信號經前置低噪放大器放大后，再經濾波和自動數字式電子平衡處理，濾波器和自動平衡的時間常數均可由計算機設置。濾波和平衡后的缺陷信號進入可調相位放大器放大，然后經模數轉換成數字信號送入計算機，再由專用軟件對數字信號進行特殊處理，如圖3所示。

圖3 陣列低頻渦流檢測系統

為形象描繪缺陷的形狀、大小，軟件特別設計了三維C掃描繪圖功能，在有效掃描區內，各相位-時間(P-T)掃描曲線可以合成三維C掃描立體圖像，如圖4所示。

1.4 受熱面內壁腐蝕缺陷評定過程

(1)確定判廢標準并進行標定。判廢標準為DL/T 939—2016《火力發電廠鍋爐受熱面管監督技術導則》中的規定：水冷壁、省煤器、低溫段過熱器和再熱器管，壁厚減薄量不宜超過設計壁厚的30%。對于高溫段過熱器管，壁厚減薄量不應超過設計壁厚的20%[4]。設計制作軸向和周向人工缺陷對比樣管，樣管的最小人工缺陷槽深度均取管壁的20%，并對人工缺陷信號進行標定，大于最小人工缺陷槽深度的缺陷信號判定為不合格鋼管。

(2)缺陷定位。確認存儲缺陷的具體位置，可以選擇外觸發，即探頭上編碼器的脈沖信號觸發。此時P-T掃描曲線與低頻探頭掃查檢測同步，探頭向前掃查檢測，P-T掃描曲線同步向前滾動顯示，屏幕上同時顯示探頭掃查檢測走過的距離。當遇到疑義需要復查時，探頭往回掃查檢測，則屏幕上實時擦除與探頭后退走過的距離相等的P-T掃描曲線，從而確定缺陷的軸向距離。

陣列低頻渦流探頭中的各檢測線圈等間距均勻布置，均可獨立工作，并與顯示屏上的P-T掃描曲線一一對應。實施檢測時，探頭附著于管壁，當探頭經過有缺陷的管壁時，陣列檢測線圈中的相應線圈就會切割漏到管壁外的磁力線而感應出一個最大的電壓信號，該線圈的阻抗也會發生變化并呈現在P-T掃描曲線上，從而確定缺陷的周向位置，并對周向或軸向缺陷進行記錄。

圖4 三維C掃描立體圖像

(3)缺陷復核。將定位的缺陷表面清除干凈，涂上耦合劑，用超聲波測厚儀復測，檢測結果應與陣列低頻渦流法一致，否則需要重新對檢測系統進行標定后復檢。

(4)每隔2 h用靈敏度對比試管校驗1次，若靈敏度對比試管上人工缺陷難以辨別，則之前檢測無效。

2 鍋爐受熱面鋼管檢測研究

2.1 陣列低頻渦流檢測實驗室研究

為保證缺陷深度為管壁20%的缺陷具有較高的檢出能力，設計制作了軸向和周向人工缺陷對比樣管，樣管的最小人工缺陷槽深度均取樣管壁厚的20%，調整檢測參數，確保此類缺陷在陣列低頻渦流檢測中具有較高的缺陷分辨力，達到現場檢測目的。實施現場檢測時，以缺陷信號幅度大于壁厚20%的人工缺陷幅度為判廢標準，通過合理更換不合格受熱面管，避免鍋爐運行中受熱面管因壁厚減薄而發生脹粗或泄漏事故。

2.1.1 陣列低頻渦流軸向檢測研究

圖5 陣列低頻渦流檢測驗證試管

圖7 陣列低頻渦流檢測軸向靈敏度驗證P-T曲線

采用電廠?60 mm×5 mm的備用圓管，軸向加工4個不同深度的人工缺陷，在圓管上掃查檢測，研究陣列低頻渦流檢測的軸向靈敏度。備用圓管總長800 mm，從端部沿軸向方向加工3個直徑為6 mm，深1.00,2.50,3.75,5.00 mm的人工盲孔及1 個直徑為6 mm的通孔，各孔之間的距離為120 mm，如圖5所示。

用陣列渦流探頭沿著試管軸向進行掃查，得到的P-T曲線如圖6所示。

對P-T曲線進行數據分析，截取人工缺陷信號進行展寬、放大，分別計算其相位偏差值、缺陷的深度以及缺陷深度占管壁厚度的百分比，檢驗結果如圖7所示。

將上述檢測數據進行統計后得到表1，從表中數據可見：缺陷深度>壁厚的20%時，測量數據與缺陷實際深度相差無幾，誤差可以忽略不計；缺陷深度≤壁厚的20%時，測量數據偏大了4%，但誤差仍然小于5%：因此，不影響檢測判廢。

2.1.2 陣列低頻渦流周向檢測研究

圖6 軸向靈敏度對比試樣P-T曲線

表1 對比試樣人工缺陷檢測信號數據統計

圖8 陣列低頻渦流檢測驗證試管

圖10 陣列低頻渦流檢測周向靈敏度驗證P-T曲線

采用電廠?60 mm×5 mm的備用圓管加工4個同深度人工缺陷，在圓管上掃查檢測，研究陣列低頻渦流檢測的周向靈敏度。備用圓管總長800 mm，從端部沿周向加工4個同深度人工盲孔(另一側由于鏡像關系，檢測效果一樣)，盲孔孔徑為?6 mm，深1.0 mm，偏轉角度分別為10.0°，27.5°，45.0°，62.5°，盲孔之間的距離為120 mm，如圖8所示。

用陣列渦流探頭沿著試管周向進行掃查，得到P-T曲線，如圖9所示。

圖9 周向靈敏度對比試樣P-T曲線

對P-T曲線進行數據分析，截取人工缺陷信號進行展寬、放大，分別計算顯示其相位偏差值，缺陷深度以及缺陷深度占管壁厚度的百分比，檢驗結果如圖10所示。

從圖10可以看出，不同方位的同等體積損失的人工缺陷，其P-T曲線的幅度基本一致。由此可見，采用陣列低頻渦流檢測探頭進行現場檢測時，可確保探頭覆蓋的管壁下各檢測線圈具有相同的檢測靈敏度，降低缺陷漏檢率。

2.2 鍋爐受熱面管陣列低頻渦流現場檢測

對某火電廠WGZ-410/9.8-16鍋爐水冷壁內腐蝕坑進行現場檢測。水冷壁為膜式，規格為?60 mm×5 mm，材質為20G。對水冷壁管進行陣列低頻渦流檢測，檢測頻率為18 Hz，當出現管壁腐蝕缺陷時，信號相位向上偏移，腐蝕越深偏移量越大。

掃描到缺陷后，配合超聲波測厚的方法進行缺陷復核，以獲取準確的管壁腐蝕深度值。檢查全爐膛1200m2水冷壁管后，共發現420處缺陷，管壁厚度測量值為1.9～5.0mm。

隨后，對掃查到的缺陷部位進行割管觀察，發現在探傷檢測缺陷處管內壁向火側均存在潰瘍狀腐蝕坑缺陷(如圖11所示)，表明采取陣列低頻渦流方法檢測管內壁腐蝕缺陷具有相當高的準確性。

圖11 陣列低頻渦流探傷檢測出的管內壁腐蝕缺陷

3 結束語

采用陣列低頻渦流檢測在役受熱面管內壁缺陷時，信號幅度隨著缺陷深度的增加而增加，缺陷深度為壁厚的20%時也具有較高的檢測靈敏度；各個陣列檢測探頭周向靈敏度一致，檢測準確度高、速度快、省時省工且易于實施，可以有效實現鍋爐受熱面鋼管內壁腐蝕缺陷實現的無損檢測。