在役高溫蒸汽管道的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)

朱金朝，宋軍昌，丁春曉，劉正存

(1.臨沂市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，臨沂 276000；2.濟(jì)寧魯科檢測(cè)器材有限公司，濟(jì)寧272000)

電站蒸汽管道系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高溫、高壓環(huán)境下，易產(chǎn)生裂紋等缺陷而，甚至引發(fā)破壞性事故，直接影響鍋爐的安全運(yùn)行和整個(gè)熱力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前系統(tǒng)的檢測(cè)方法仍以停機(jī)檢測(cè)為主，為提高效率，節(jié)約成本，高溫狀態(tài)下的在線檢測(cè)成為電站蒸汽管道系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的又一發(fā)展方向。

目前高溫下蒸汽管道系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法有機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、超聲檢測(cè)法、數(shù)字射線法等。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法設(shè)備復(fù)雜昂貴，通常為生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)檢測(cè)線，復(fù)雜工況下應(yīng)用不便[1-2]；高溫磁粉檢測(cè)技術(shù)自21世紀(jì)初就開(kāi)始用于壓力容器制造過(guò)程中的焊縫檢測(cè)[3]，在壓力容器、核電等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但與常規(guī)磁粉方法相比，靈敏度有所降低；渦流檢測(cè)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是目前的渦流傳感器感應(yīng)探頭在高溫下存在變形大、電磁特性易失效以及靈敏度低的問(wèn)題，高溫下應(yīng)用局限性較大[4-5]；超聲波檢測(cè)技術(shù)是高溫狀態(tài)下缺陷檢測(cè)應(yīng)用最廣的方法之一，但受聲能衰減、耦合劑耐熱性能、探頭壽命等因素影響，僅僅在測(cè)厚及縱波探傷領(lǐng)域應(yīng)用較多[6-7]。

通過(guò)仿真研究了溫度對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一種適用于高溫環(huán)境的探頭，通過(guò)對(duì)模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步分析了交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)在高溫環(huán)境下的檢測(cè)效果。

1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，激勵(lì)線圈在工件中感應(yīng)出均勻的交變電場(chǎng)，電場(chǎng)在缺陷位置外會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，引起此處感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)磁場(chǎng)的變化強(qiáng)度及規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)[8]。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理示意

2 仿真模型的建立

許多學(xué)者對(duì)ACFM技術(shù)常溫下的檢測(cè)原理，傳感器選用，檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)方面進(jìn)行了大量研究[9]，但在高溫下對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行ACFM檢測(cè)的研究較少。金屬材料，尤其是鐵磁性材料，隨著溫度的升高，磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，但溫度變化對(duì)材料性質(zhì)的影響是有一定規(guī)律性的，即高溫下的ACFM檢測(cè)存在可行性。

2.1 幾何模型的建立

為了研究高溫蒸汽管道在線ACFM檢測(cè)的可行性，利用COMSOL軟件建立高溫ACFM檢測(cè)的有限元三維模型并進(jìn)行仿真分析，模型包括感應(yīng)線圈、被測(cè)金屬和求解域3個(gè)部分(見(jiàn)圖2)。被檢工件尺寸為300 mm×200 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)，裂紋為長(zhǎng)方體，尺寸為5 mm×3 mm×0.2 mm(長(zhǎng)×寬×高)，磁芯為U型，求解域設(shè)置為500 mm×400 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體。感應(yīng)線圈材料設(shè)置為銅，被測(cè)物材料設(shè)置為碳鋼，求解域部分為空氣 。

圖2 幾何模型示意

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，完整網(wǎng)格包括24 056個(gè)域單元，3 414 個(gè)邊界元和 500 個(gè)邊單元。

圖3 幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 物理場(chǎng)選擇及參數(shù)設(shè)定

在COMSOL軟件中AC/DC(交流/直流)模塊選用磁場(chǎng)作為物理場(chǎng)，求解器設(shè)置為頻域，頻率設(shè)置為 1 kHz。將空氣求解域的所有外邊界設(shè)置為磁絕緣，矢量磁勢(shì)A為零。感應(yīng)線圈選擇多匝線圈(匝數(shù)設(shè)置為200),激勵(lì)方式為電流激勵(lì)，選擇電流流通方向的橫截面為輸入面，電流大小設(shè)置為 200 mA。

2.3 求解及結(jié)果分析

設(shè)置溫度及線圈距離工件高度(以下稱提離高度)為變量，進(jìn)行參數(shù)化掃描。

設(shè)置溫度變化范圍為20 ℃～820 ℃(掃描步進(jìn)為20 ℃)，進(jìn)行仿真計(jì)算。得到溫度對(duì)Bx/Bz的影響曲線如圖4所示，證明溫度變化對(duì)缺陷位置磁場(chǎng)Bx及Bz信號(hào)的影響較小。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合設(shè)備能力，決定選取20 ℃～400 ℃的檢測(cè)結(jié)果變化規(guī)律作為研究對(duì)象。

圖4 溫度對(duì)Bx/Bz的影響曲線

圖5 提離高度對(duì)Bx/Bz的影響曲線

設(shè)置提離高度為1～10 mm(掃描步進(jìn)為0.5 mm)，進(jìn)行仿真計(jì)算。提離高度對(duì)Bx/Bz的影響曲線如圖5所示，可見(jiàn)，隨提離高度的增加，缺陷處電流密度減小，磁通密度也隨之降低。結(jié)合提離高度仿真結(jié)果及實(shí)際加工能力，確定探頭外殼厚度為1 mm。

3 ACFM缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)裝置及試塊制備

根據(jù)在役蒸汽管道的形式，以材料為20鋼，規(guī)格為φ159 mm×5 mm(直徑×壁厚)的鋼管為試驗(yàn)對(duì)象，制作人工刻槽作為模擬缺陷，缺陷位于焊縫根部熱影響區(qū)，缺陷尺寸及分布位置如圖6所示，缺陷參數(shù)如表1所示。

圖6 蒸汽管道模擬缺陷尺寸及分布位置示意

表1 蒸汽管道模擬缺陷參數(shù) mm

檢測(cè)設(shè)備采用濟(jì)寧魯科檢測(cè)器材公司生產(chǎn)的LKACFM-X1型交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。由于高溫檢測(cè)時(shí)探頭外部溫度較高，為防止內(nèi)部線圈及傳感器受熱嚴(yán)重，選用氣凝膠作為內(nèi)部隔熱介質(zhì)。選用peek(聚醚醚酮樹(shù)脂)材料作為探頭外殼材料，完成高溫探頭制作。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析

采用卡式爐對(duì)試塊進(jìn)行加熱，使用紅外測(cè)溫槍測(cè)量溫度，加熱到所需溫度后，將探頭放置于工件需探測(cè)部位，雙手扶持探頭，在工件上進(jìn)行勻速掃查，掃查速度控制在 35 mm·s-1左右，提離高度即為探頭外殼厚度(1 mm)，檢測(cè)完成后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

使用常溫探頭對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，管體溫度從20 ℃上升到200 ℃，常溫下檢測(cè)信號(hào)變化明顯，隨著溫度升高，受到探頭本身性能限制，信號(hào)峰值及變化量逐漸降低，但仍可作為缺陷判定依據(jù)，常溫探頭檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，常溫探頭Bz信號(hào)變化量隨溫度升高變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖7 常溫探頭檢測(cè)結(jié)果

圖8 常溫探頭Bz信號(hào)變化量隨溫度升高變化趨勢(shì)

圖9 高溫探頭檢測(cè)結(jié)果

使用高溫探頭對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，管體溫度從20 ℃上升到400 ℃，隨著溫度變化，信號(hào)峰值及變量無(wú)明顯變化，缺陷檢測(cè)效果較好。高溫探頭檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，高溫探頭Bz信號(hào)變化量隨溫度升高的變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 高溫探頭Bz信號(hào)變化量隨溫度升高的變化趨勢(shì)

分析上述結(jié)果可知，溫度升高會(huì)對(duì)金屬材料的電磁特性產(chǎn)生影響，但對(duì)裂紋缺陷的檢出影響不大。常溫探頭及高溫探頭的檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明，高溫對(duì)探頭的影響大于對(duì)金屬電磁特性的影響，改善探頭高溫性能可以作為解決ACFM高溫檢測(cè)問(wèn)題的一個(gè)發(fā)展方向。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)日照某電廠在役余熱發(fā)電鍋爐的高溫蒸汽管道閥門進(jìn)行了ACFM檢測(cè)。閥門規(guī)格為DN175，材料為20G，服役溫度為340 ℃。其中兩處(一處疑似缺陷，一處無(wú)缺陷)的ACFM檢測(cè)圖譜如圖11,12所示。

圖11 某處缺陷的ACFM檢測(cè)圖譜

圖12 無(wú)缺陷的ACFM檢測(cè)圖譜

圖13 打磨前后缺陷形貌

對(duì)疑似缺陷位置進(jìn)行打磨，確定此處存在缺陷，缺陷類型為砂孔，直徑約為3 mm，打磨前后缺陷形貌如圖13所示。

5 結(jié)論

(1) 在400 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度變化對(duì)材料電磁特性及交流電磁場(chǎng)檢測(cè)效果影響較小，提離高度的變化對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)效果影響較大。

(2) 使用交流電磁場(chǎng)常溫探頭及高溫探頭對(duì)高溫試塊缺陷進(jìn)行檢測(cè)，均能獲得清晰的缺陷信號(hào)，說(shuō)明在400 ℃以下，交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

(3) 常溫探頭在高溫下檢測(cè)時(shí)，溫度對(duì)探頭影響很大，檢測(cè)效果不穩(wěn)定。高溫探頭的溫度特性好，對(duì)高溫下的缺陷檢測(cè)更有優(yōu)勢(shì)。