多頻渦流檢測技術在熱網加熱器性能評價中的應用

王守運， 張 洋， 于 達， 李 輝

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司， 天津 300384）

熱網加熱器是熱網系統的主要設備之一， 其主要功能是利用汽輪機的抽汽或從鍋爐引來的蒸汽來加熱熱水供應系統中的循環水以滿足供熱要求， 從而實現熱電聯產。 熱網加熱器換熱管束在運行過程中管壁減薄、 凹坑等缺陷易造成泄漏，換熱管束的泄漏、 雜質淤積、 堵塞、 管壁結垢等減少了換熱面積， 降低了換熱管束的換熱效率， 影響供熱總量的穩定輸出[1-2,5]。 當換熱管束泄漏時，需要進行封堵處理， 依據《產品設計使用說明書》規定， 堵管數量不得大于總管數量的10%。 如何有效發現換熱管束的薄弱部位， 及時處理， 并分析產生的原因， 提出預防措施， 尤為關鍵[3-4,9]。 只有掌握熱網加熱器的狀態才能為下一步的檢修方案及防護措施提供技術支撐， 以便有效降低經濟損失。本研究采用多頻渦流檢測技術， 對某熱電廠熱網加熱器進行檢測， 為熱網加熱器換熱管束堵管提供預防和解決方案。

1 熱網加熱器運行情況

某熱電廠裝機（一拖一） 容量為466.2 MW，燃氣輪機采用通用公司F 級燃機， 余熱鍋爐和蒸汽輪機發電機組由哈爾濱電氣制造。 于2012 年12 月開工， 2014 年12 月30 日投產， 運行5 年內未對熱網加熱器進行檢測。

應熱電廠要求， 在熱網檢修期間， 對供熱首站1 臺熱網加熱器進行渦流檢測。 該熱網加熱器為臥式加熱器， 加熱器型號為JR2000， 換熱管束4 200 根， 管束材質為TP316L， 規格為Φ19 mm×1 mm×7 630 mm， 支撐板材質為Q235A， 具體運行參數見表1。 經統計， 該熱網加熱器已封堵104 根， 占管束總量的2.48%。

表1 熱網加熱器運行參數

2 多頻渦流檢測技術及應用

2.1 多頻渦流檢測原理

多頻渦流檢測是指渦流儀具有多個工作通道，并能同時以兩個或兩個以上工作頻率進行檢測的技術。 通過調整不同激勵頻率的渦流對支撐板產生相應信號， 再經過混頻通道進行信號疊加， 達到消除支撐板相應信號， 提取缺陷信號的目的[6]。

多頻渦流檢測技術能夠消除支撐板、 隔板、防震條等結構信號； 可提供多個通道信息， 便于區分結構信號、 干擾信號和缺陷信號； 低頻通道可用于辨識鋼管的軸向位置等[7-8]。

2.2 儀器調整及參數選擇

2.2.1 探頭的選擇

渦流檢測的探頭應根據換熱管束的尺寸及實際運行情況進行確定。 為保證檢測靈敏度， 需選擇較大填充系數的探頭， 換熱管束內徑為17 mm，選擇的探頭外徑為16 mm， 填充系數為88.6%，滿足標準要求。

2.2.2 工作頻率選擇

根據檢測對象的厚度、 期望透入的深度、 相位拉開角等選擇主檢測頻率。 一般對于非鐵磁性管材的內穿過式渦流檢測， 采用1.09 倍標準透入深度等于被檢測管材壁厚， 工作頻率表示為

式中： σ——電導率， S/m；

t——管壁厚度， mm。

試驗證明， 該頻率通孔和20%外壁平底孔的夾角約為90°， 渦流密度為表面電流密度的34%。

公式 （1） 經推導， 可以得到較為簡單的表達式：

式中： ρ——電阻率， μΩ·cm。

查表可知， 換熱管束電阻率為7.3×102μΩ·cm，壁厚1 mm， 代入上式可得主檢測頻率為219 kHz。

多頻渦流檢測技術一般選擇4 個或更多頻率進行檢測。 通常f90作為主頻， 用于發現缺陷和評定缺陷； f90/2 作為輔頻， 輔助判傷以及混頻消除支撐板等結構信號的影響； f90/8 作為低頻，用于觀察管外結構信號和定位； f180作為高頻，用于查找管內壁缺陷。

2.2.3 對比試樣制作

選擇與待檢換熱管束相同的管子， 依據標準NB/T 47013.6—2015 《承壓設備無損檢測第六部分： 渦流檢測》 要求制作Ⅰ型試樣和Ⅱ型試樣。Ⅰ型對比試樣用來調整檢測系統和靈敏度， Ⅱ型試樣用來繪制缺陷深度與相位關系的曲線[10]。

可根據檢測目的， 按照有關規范標準要求并與業主協商確定， 選擇一種或幾種缺陷類型制作缺陷對比試樣， 用于缺陷特征分析。

2.2.4 儀器調整

在Ⅰ型對比試樣上， 調整儀器使各通道通孔信號相位為40°±5°， 通孔信號幅值相當于滿刻度的40%。 選擇換熱管束支撐板處信號進行混頻處理，混頻通道支撐板信號消失， 缺陷信號正常顯示。 在Ⅱ型試樣上制作缺陷深度與相位曲線， 測量缺陷減薄量。

2.3 多頻渦流檢測方法

2.3.1 檢測要求

檢測前對熱網加熱器換熱管束內外表面進行清洗， 滿足檢測要求。 按靈敏度調試時設置的參數對被檢管束進行檢測。 檢測時的速度應與調試靈敏度時的檢測速度相同或相近， 且檢測過程中保證探頭移動速度穩定。

2.3.2 檢測標準與質量評定

檢測標準采用NB/T 47013.6—2015 《承壓設備無損檢測第六部分： 渦流檢測》， 質量評定按照甲方要求如下： ①缺陷信號超過20%壁厚的作為記錄依據， 而不考慮其信號幅值大小； ②缺陷信號超過45%壁厚的， 管束嚴重腐蝕， 必須堵管處理； ③缺陷信號反映為貫穿性缺陷的， 堵管處理； ④檢測人員判定為危害性缺陷時， 不受上述條文限制， 可直接判廢； ⑤在檢驗過程中，不能確定是否為缺陷信號時， 不作為堵管依據。

3 檢測結果及原因分析

3.1 熱網加熱器檢測結果

采用多頻渦流檢測技術對熱網加熱器換熱管束進行檢測， 管束共4 200 根， 已封堵104 根，探頭不能穿過管束455 根， 不合格管束29 根，管束外壁損傷426 根。 探頭無法穿過的管束大多由于水垢、 鐵銹等附著于管束內壁， 阻礙探頭移動。 采用高壓水槍對455 根不能穿過的管束重新進行清洗， 清洗后重新檢測， 仍有74 根無法穿過， 不合格管束40 根， 如圖1 所示。 圖1 中，黑色標記為原始封堵管束104 根， 黃色標記為外壁損傷管束共426 根， 綠色標記為不可穿過管束74 根， 紅色標記為不合格管束40 根。

圖1 熱網加熱器換熱管束檢測結果示意圖

3.2 原因分析

3.2.1 探頭不可穿過管束

由圖1 可見， 探頭無法穿過的管束主要位于上水室右側和上側， 借助內窺鏡觀察， 管束內部如圖2 所示。 由圖2 可見， 不可穿過管束內部多為水垢和污垢， 嚴重的情況已將管束完全堵塞。 由于水質不良， 造成管束內壁產生水垢， 同時水室外側管束內循環水流速低， 不利于水垢疏通。 水中的雜質也在管束中淤積， 進而將管束完全堵塞。 該電廠運行至今， 熱網加熱器未進行渦流檢測， 停機時也沒有對管束內部進行清理， 導致水垢和污垢嚴重。

圖2 不可穿過管束內部形貌

水垢或污垢不僅會使管束局部過熱， 影響換熱效率， 還會使管束堵塞， 無法對缺陷進行有效檢測， 造成泄漏。 對上述不可通過的管束進行酸洗和高壓沖洗， 去除水垢和污垢， 對于無法疏通的管束建議封堵。 熱網加熱器進水水質應保證合格， 及時排污， 定時清洗濾網， 防止雜質進入加熱器換熱管束內。 停機時須對換熱管束徹底清洗后充氮保養。

3.2.2 原始封堵管束

由圖1 可見， 原始封堵管束主要集中在上水室頂部， 共104 根， 在以往運行過程中發生泄漏后采用堵管處理。 原有封堵管束位于換熱管束進汽側， 進汽側與管側中間隔著遮流板， 該處遮流板發生過損壞。 遮流板損壞導致蒸汽直接沖刷換熱管束， 形成氣阻， 受熱不均勻而發生泄漏。 對于損壞的遮流板應及時更換， 并加固處理。

圖3 外壁損傷的管束內部形貌

3.2.3 外壁損傷管束

由圖1 可見， 上水室黃色標記為管束外壁損傷共426 根。 經多頻渦流檢測后顯示為外壁減薄信號， 借助內窺鏡從管束內部觀察， 如圖3 所示。

由圖3 可見， 外壁損傷的管束內部多存在點凸缺陷， 該外壁損傷的管束位于原有封堵管束下方， 遮流板損壞不僅造成緊靠其管束的泄漏， 也給下方管束造成不同程度的損傷。 該凸點或減薄是由于遮流板損壞、 蒸汽沖刷， 原有封堵管束泄漏出水， 甚至蒸汽帶有顆粒夾雜物沖擊等原因造成的。 外壁損傷的管束數量較多， 雖為不超標信號， 但潛在威脅極大， 一旦有泄漏會威脅附近管束的安全。 若外壁損傷的管束全部進行堵管處理，則熱網加熱器換熱效率滿足不了供熱要求， 最終按照業主要求打壓試驗， 沒有發現泄露， 因此采取監督運行。 由此可見， 遮流板損壞或破裂會給換熱管束造成大面積損傷， 需要及時發現、 加固處理。

圖4 管束內部腐蝕形貌

3.2.4 不合格管束

經多頻渦流技術檢測， 按照質量評定要求，對于超標缺陷信號進行堵管處理。 圖4 所示為管束內部腐蝕形貌， 可見大量腐蝕坑， 使管束變薄而發生泄漏。 應嚴格控制水質， 防止腐蝕和結垢。

4 結 論

（1） 對熱網加熱器換熱管束外壁有損傷的管束進行監督運行。

（2） 熱網加熱器停運期間， 應對換熱管束進行徹底疏通清掃， 吹干管內存水， 充氮保護， 做好防腐工作。

（3） 確保循環水質的pH 值及含氧量， 循環水及時排污， 定期清洗濾網， 防止雜質進入加熱器換熱管束內。

（4） 杜絕熱網加熱器超溫、 超壓運行。

（5） 遮流板進行加固處理， 遮流板損壞應及時更換， 避免對換熱管束的損傷。

（6） 改善熱網加熱器的運行環境， 才能有效提高熱網加熱器的換熱效率和使用壽命。