非磁性換熱管管板處壁厚的渦流檢測實踐

龔昌文

（云南云天化無損檢測有限公司，云南 昆明 650233）

1 換熱管管板處壁厚檢測的重要性

目前，由于結構限制，換熱管只能采用內穿式探頭渦流檢測方法進行探傷和壁厚測量。根據渦流檢測原理，在被檢材料內部，渦流密度隨著滲透深度增加，而成指數衰減[1]。換熱管渦流測厚正是利用指數衰減曲線的相對線性段，從而保證測厚數據的準確性。正常情況下，壁厚檢測中渦流的滲透深度都會大于換熱管的實際厚度，以保證良好的檢測線性。但這樣就會使換熱管外管板對該處管子壁厚檢測產生較大影響，即檢測值往往比實際大很多[2]。通常情況下，換熱管壁厚檢測所得到的數據是管板和折流板段以外管子的某一小段圓周平均壁厚的最小值。

換熱管渦流檢測發現，隨著設備投運年限的增加，部分換熱管管板處壁厚較其它腐蝕更為嚴重，壁厚更薄。這種情況，在尿素裝置的高壓換熱器中，表現尤為突出。主要是:由于管板處換熱管結構導致溫度、介質等分布差異，而使得壁厚減薄相對嚴重。管板處換熱管到一定程度時，容易形成渦流檢測不到的針孔缺陷，加之，該處換熱管又是應力腐蝕開裂的集中高發區，壁厚變薄后，如果檢測不到，后果是可想而知的。有的新換熱器，即使在投用初期，管板處換熱管由于特殊原因，也會發生泄漏。例如，貴州某公司合成氨裝置中的一臺換熱器，投用1年后，由于間隙腐蝕導致管板某一區域換熱管外壁嚴重非均勻減薄[3]。

2 可行性及適用性分析

2.1 改變檢測參數法

渦流檢測中最關鍵的因素是檢測頻率的選擇，它直接決定著渦流在被檢材料內部的滲透深度，即被檢材料的厚度范圍。檢測頻率越高，趨膚效應越強，渦流在被檢材料中的滲透深度就越低[1]。因此，采用適當提高檢測頻率的方式,可以檢測換熱管管板處的壁厚。此時頻率的選擇，以最大滲透深度稍大于管子壁厚為宜[2]。

這種方法對鐵磁性的管板有較好的效果，因為鐵磁性材料磁導率較大，而且不是常數（非磁性材料的磁導率為1）。相對于非磁性材料來說，鐵磁性材料趨膚效應更強，滲透深度更小，同時在渦流信號大小和方向的分布上差異更大。如果渦流滲透深度選擇適當，管板響應信號對管壁信號的干擾就會非常小，但此時檢測線性會比正常檢測參數稍差。這種方法也可用于碳鋼折流板處換熱管的壁厚檢測。如果管板也為非鐵磁性材料（多為換熱管同種材料），兩種材料的渦流響應信號在大小和方向的分布上存在一致性，相互影響就比較大，會帶來較大的檢測誤差。

2.2 數據修正法

由換熱器的設計參數可知，換熱管之間多為對稱排列、管橋等距，同時管橋或換熱管外管板構件厚度均大于正常檢測參數下的標準渦流滲透深度。也就是說，渦流檢測時每根管子周圍的構件所產生的干擾信號基本是一致的。只要減去這種干擾，就可以得到相對真實的管板處的換熱管壁厚數據。所以，可以采用數據修正的方法來檢測換熱管管板處壁厚。對于折流板處的換熱管壁厚，由于折流板整體形狀差異（有的為圓形，有的為半圓形或其它形狀），導致部分換熱管（主要是折流板外圈）臨近構件不一致，致使該部分換熱管壁厚數據存在較大誤差。

這種方法，理論上對任何材料的管板都適用，也不存在檢測線性變壞的情況。但對于使用年限較長的換熱器，由于腐蝕、沖刷等原因，會導致換熱管外臨近構件形狀不規則，即干擾信號的一致性較差。此時，數據修正法相對誤差較大。

2.3 適用性分析

從檢測原理上分析，改變檢測參數法和數據修正法都是可行的，只是存在檢測誤差大小的問題。但在實際應用中，通常多為運行于中、晚期的設備才要求檢測換熱管管板處的壁厚，所以，如果管板為碳鋼材料，一般采用改變檢測參數法進行。只有當管板與換熱管為同種材料，或管板為非磁性材料時，才考慮采用數據修正法。因為非磁性材料的管板，通常情況下，基本不存在腐蝕，或均勻腐蝕量很小，即使是在設備運行的中、晚期。

對于投用初期的換熱器，必要時，也可有針對性地檢測換熱管管板處的壁厚。由于設備運行時間較短，管板干擾信號，對每根換熱管來說，差異不大，且與模擬管板信號也較為一致。此時，即使管板為碳鋼材料，數據修正法也適用。

3 試驗

不同的管板材質、結構，以及不同的換熱管材質、規格，檢測參數存在較大差異。以MIZ-27SI渦流儀及配件，測試尿素高壓洗滌器換熱管管板處的壁厚。

以該設備管板管橋厚度（7mm）為基準，使用20MnMo的碳鋼材料加工管狀模擬碳鋼管板，其內徑與管板孔徑一致。使用尿素級316L、φ25×2.5管子，加工渦流檢測壁厚對比樣管。

3.1 改變檢測參數法

對尿素高壓洗滌器換熱管的渦流檢測，正常情況下的檢測頻率為1kHz。此時，管外碳鋼管板將對壁厚響應曲線產生較大影響，結果是使響應曲線往壁厚增大的方向移動。改變渦流檢測參數（檢測頻率，其它參數相應調整），碳鋼管板的影響程度隨之改變。表1為在不同檢測頻率下標準壁厚管的試驗數據（部分）。

表1 不同頻率下的壁厚實測值 [2]

由表1看出，隨著檢測頻率的增加，模擬碳鋼管板的影響逐漸減小；當檢測頻率增加到22kHz以上時，基本消除了模擬碳鋼管板對管子壁厚檢測的影響。此時，誤差為+0.05mm，可以基本滿足換熱管壁厚檢測要求。

試驗中也發現，檢測頻率增加后，壁厚標樣臺階響應線性稍差，這與管子壁厚檢測原理是穩合的。

3.2 數據修正法

在正常檢測參數下，假設檢測頻率為1kHz，從表1看出，模擬碳鋼管板的存在，使換熱管壁厚數據增加了0.30mm。如果管板基本無腐蝕、沖刷，也就是每根換熱管所對應的附加電磁特性即干擾信號不變，則將所有壁厚數據減去0.30mm即可。該數據基本反映出管板處換熱管的最小壁厚。

4 現場應用

4.1 高壓洗滌器檢測

4.1.1 高壓洗滌器基本情況

設備為CO2汽提工藝年產52萬噸尿素的關鍵換熱器之一，基本情況如表2所示。

4.1.2 檢測方法選擇

該設備管板為碳鋼材料，已運行10年以上，因此選擇改變檢測參數法進行檢測。

4.1.3 頻率選擇

根據試驗結果，并考慮壁厚標樣臺階響應信號的線性誤差，選用22kHz作為檢測頻率。

表2 高壓洗滌器基本情況

4.1.4 檢測結果及驗證

投用11年、76萬t/a某尿素裝置，大修時高壓洗滌器，在兩種檢測參數下，管子壁厚的檢測統計見表3[4]。

表3 兩種檢測參數下的壁厚統計

注:表中數據為換熱管除開端部效應（一般為距離管口30mm左右）后的最小壁厚。

比較兩種檢測參數下每根換熱管的最小壁厚，其偏差（前者-后著）統計結果如表4所示。

表4 兩種檢測參數下的壁厚偏差統計

從表4看出，改變檢測參數后，多數換熱管最小壁厚稍有減少，說明壁厚最薄處主要是在管板處。兩次壁厚差異在0～0.15 mm，表明壁厚數據可靠，基本能夠滿足技術要求。

表5為海南某公司80萬噸尿素裝置已投運14年的高壓洗滌器2017年9月檢修部分換熱管拔管前、后（檢測頻率分別為22kHz和1kHz）的渦流檢測壁厚數據[5]。該設備換熱管為316L材料，管板為碳鋼材料。

表5 拔管前、后換熱管壁厚數據

拔管后，管子的壁厚檢測不存在結構性干擾因素。從表5看出，壁厚最薄處主要在管板處。兩次檢測壁厚差異在0～0.15 mm，因此，改變檢測參數后獲得的壁厚數據，基本能夠滿足技術要求。

4.2 CO2再生塔再沸器檢測

4.2.1 設備基本情況

設備為貴州某公司年產45萬噸合成氨裝置臥式換熱設備，U型換熱管，2管程由左右管板分隔。中部換熱管各3列為φ19×2.25mm，其余為φ19×1.80mm，投用1年多。由于舊設備換熱管右上管板部分以前多次泄漏過，所以委托我們對右管板上面13排換熱管直管段進行100%檢測，其余部分直管段進行抽測。設備基本情況如表6所示。

表6 CO2再生塔再沸器基本情況

4.2.2 檢測方法選擇

對原設備和同類型設備運行工藝及檢修情況進行了解，設備運行時換熱管右上部為沸騰區。換熱管缺陷主要集中在右管板上部，且位置在管板段附近。所以檢測時，除對所有換熱管進行正常的探傷和壁厚檢測外，還專門對右管板最上面13排換熱管管板處進行了有針對性的壁厚檢測。鑒于管板、管子為同種材料，運行時間也不長，選擇數據修正法進行壁厚數據處理。

4.2.3 修正值確定

經過304材料的模擬管板，在正常檢測頻率下，304材料φ19×2.25的修正值為-0.45 mm，φ19×1.80的修正值為-0.50 mm（樣管為該設備換熱管預留管子）。

4.2.4 檢測結果

右管板最上面13排共有管子389根，其中φ19×2.25管子 52根，φ19×1.80管子 337根。表7為管板處換熱管壁厚實際檢測數據和修正數據統計結果[3]。

從表7看出，被檢測換熱管管板處管壁存在明顯的腐蝕減薄。結合渦流探傷發現，該管板處部分換熱管外壁存在典型大缺陷信號，可以判斷出管子外壁為局部非均勻腐蝕減薄。

4.3.5 拔管驗證情況

1)由于設備才投用1年多，抽芯后管子殼程看起來非常新，也很完好。對1.15 mm和1.20 mm的3根換熱管右管口段50 mm進行拔管驗證，對應管號分別為01-05和01-11、03-23。圖1所示為01-05、01-11號換熱管管板處外壁腐蝕缺陷。

表7 換熱管管板處壁厚（數量）修正前后統計

圖1 01-05、01-11號換熱管管板處外壁腐蝕情況

2）由于是非均勻腐蝕減薄，即使剖開，也無法用游標卡尺準確測量出減薄處的壁厚。所以仍然用正常檢測參數進行厚度測量，結果見表8[3]。

表8 換熱管拔出前、后管板處壁厚及偏差

由表8看出，在相同檢測參數下，修正后的壁厚數據存在+0.05～+0.10mm的偏差，但屬于正常現象，基本能夠滿足技術要求。

5 結語

換熱管壁厚渦流檢測是一種比較式檢測方法，獲得的壁厚數據是某一小段平均壁厚的最小值，平均范圍相對較大，儀器本身也存在零點漂移，但目前無可替代。在正常檢測參數下，渦流檢測通常都存在±0.05mm的檢測誤差。檢測頻率提高后，渦流密度在材質中的衰減線性會明顯變差，也會導致檢測誤差的增加。

數據修正法雖然檢測線性不會改變，但換熱管在管板孔中的工裝同心度無法保證每根管外干擾信號絕對一致，且這種干擾也存在方向上的不確定性，可能使修正后的壁厚數據稍有增加或減小。對于非均勻腐蝕減薄的缺陷，如果缺陷邊緣比較平滑，沒有明顯的突變，渦流探傷信號也不明顯，容易造成漏檢。對于這種腐蝕缺陷，只有結合渦流探傷信號和壁厚數據進行綜合分析，才能得出相對準確的判定結果。因此，改變檢測參數和數據修正法檢測換熱管管板處壁厚，雖然檢測誤差相對較大，但作為一種局部的有針對性的檢測，還是十分有用的。目前為止，我們已經在國內10多家合成氨、尿素裝置上應用過，總體效果較好。