換熱管渦流檢測(cè)頻率選取分析研究

閆 河 邢 述

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

換熱器是化工廠的主要設(shè)備之一，其中換熱器管子的失效會(huì)造成換熱器管殼程介質(zhì)混合、換熱效果受影響、介質(zhì)污染、腐蝕加劇等后果［1］。換熱器是由殼體和換熱管組成，其中換熱管的材質(zhì)、參與熱量交換的介質(zhì)以及換熱器的操作工況是導(dǎo)致?lián)Q熱管失效的主要影響因素，換熱管長(zhǎng)期處于腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生腐蝕［2］，也有可能造成疲勞損傷等失效情況。因此，換熱管的失效是引起換熱器失效的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)6家大型石油化工企業(yè)每年有上百臺(tái)的換熱器中換熱管存在腐蝕穿孔、開(kāi)裂等缺陷，導(dǎo)致?lián)Q熱器無(wú)法繼續(xù)使用。換熱管一旦失效將直接引起管殼程介質(zhì)的混合，換熱功能失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起重特大安全事故，造成人員傷亡，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，也為社會(huì)帶來(lái)極大的隱患。因此，對(duì)換熱管采取快速有效的檢測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷、準(zhǔn)確定位并快速修復(fù)，可極大提升換熱設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

目前，換熱管檢測(cè)可采用導(dǎo)波、旋轉(zhuǎn)超聲、渦流、漏磁等檢測(cè)技術(shù)。其中，旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)利用高頻超聲波探頭，提高對(duì)缺陷的分辨力，能對(duì)壁厚減薄類(lèi)缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量，并且利用探頭旋轉(zhuǎn)特性對(duì)缺陷進(jìn)行定位［3］；渦流檢測(cè)是換熱管檢測(cè)中最常用的檢測(cè)方法，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的無(wú)損檢測(cè)方法［4］，被廣泛地應(yīng)用于各種金屬材料工件的檢測(cè)中［5］，其原理為交變電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而交變感應(yīng)電流在導(dǎo)線截面分布不均勻，表面的電流密度大、中心電流密度小，尤其是當(dāng)交變電流頻率較高時(shí)，感應(yīng)電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的薄層流動(dòng)，感應(yīng)電流的透入深度與交流電流的頻率的關(guān)系見(jiàn)式（1）。因此，實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)頻率的選擇將對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。

式中：

f——交流電流的頻率；

μ——材料的磁導(dǎo)率；

σ——材料的電導(dǎo)率。

本文選取20號(hào)和304兩種不同材質(zhì)，規(guī)格分別為25 mm×2.0 mm和19 mm×2.0 mm，并分別選取2種不同的檢測(cè)頻率進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，分析不同頻率下各缺陷的幅值與相位變化來(lái)研究換熱管缺陷與所選檢測(cè)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出相應(yīng)的頻率選取原則，提高換熱管檢測(cè)效率和精度，實(shí)施快速維修，保障換熱設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 測(cè)試對(duì)象及檢測(cè)儀器

1.1 測(cè)試對(duì)象1

材 質(zhì)：20號(hào) 鋼。規(guī) 格：φ25 mm×2.0 mm。5種缺陷類(lèi)型分別為：1）槽寬為3.2 mm，槽深為壁厚20%的窄外環(huán)槽；2）4個(gè)外壁面平底孔，孔徑為4.8 mm，深度為壁厚20%；3）深度為壁厚50%的單邊缺陷；4）φ5 mm通孔；5）φ2.5 mm通孔。

1.2 測(cè)試對(duì)象2

材質(zhì)：304。規(guī)格：φ19 mm×2.0 mm。7種缺陷類(lèi)型分別為：1）φ1.3 mm通孔；2）孔徑為2.0 mm，深度為壁厚80%的平底孔；3）孔徑為2.8 mm，深度為壁厚60%的平底孔；4）孔徑為4.8 mm，深度為壁厚40%的平底孔；5）4個(gè)外壁面平底孔，孔徑為4.8 mm，深度為壁厚20%；6）槽寬為3.2 mm，深度為壁厚20%的窄外環(huán)槽；7）槽寬為1.6 mm，深度為壁厚10%的內(nèi)壁環(huán)槽。

1.3 檢測(cè)儀器

EEC－39RFT車(chē)頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀，探頭規(guī)格為單激勵(lì)RFT19（外徑為19 mm）和單激勵(lì)ET13.5（外徑為13.5 mm）2種。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)1

采用EEC－39RFT車(chē)頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀及直徑為19 mm的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)探頭RFT19，按遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)測(cè)試方法設(shè)定檢測(cè)儀器，通過(guò)對(duì)比樣管進(jìn)行標(biāo)定，并將φ5 mm通孔相位調(diào)整到90°、幅值調(diào)整到滿屏的80%為宜。

采用標(biāo)定的頻率對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，記錄不同頻率測(cè)試樣管中各缺陷的相位和幅值。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)2

采用EEC－39RFT車(chē)頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀及直徑為13.5 mm的渦流檢測(cè)探頭ET13.5，按渦流檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)測(cè)試方法設(shè)定檢測(cè)儀器，通過(guò)對(duì)比樣管進(jìn)行標(biāo)定，并將通孔的相位調(diào)整到40°、幅值調(diào)整到滿屏的80%為宜。

采用標(biāo)定的頻率對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，記錄不同頻率測(cè)試樣管中各缺陷的相位和幅值。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 鐵磁性材料的標(biāo)定方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案1，在不同頻率標(biāo)定下對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1～圖7。

圖1 2種頻率對(duì)應(yīng)的20%窄外環(huán)槽檢測(cè)結(jié)果圖

圖1 2種頻率對(duì)應(yīng)的20%窄外環(huán)槽檢測(cè)結(jié)果圖（續(xù)）

圖2 2種頻率對(duì)應(yīng)的4×20%平底孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖3 2種頻率對(duì)應(yīng)的深50%的單邊缺陷檢測(cè)結(jié)果圖

圖4 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖4 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖（續(xù)）

圖5 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ2.5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖6 2種頻率下幅值顯示結(jié)果圖

圖7 2種頻率下相位顯示結(jié)果圖

3.2 鐵磁性材質(zhì)測(cè)試結(jié)果分析

1）根據(jù)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》規(guī)定，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的對(duì)比樣管通孔直徑為壁厚的1.25倍，本樣管的規(guī)格為φ25 mm×2.0 mm，通孔的直徑理論上應(yīng)為2.5 mm，可實(shí)際在檢測(cè)調(diào)整儀器靈敏度時(shí)，頻率為473 Hz的探頭無(wú)法識(shí)別這一通孔，無(wú)法通過(guò)這一個(gè)通孔進(jìn)行標(biāo)定后測(cè)試，故采用φ5 mm通孔標(biāo)定后檢測(cè)；

2）由圖5可知，選擇合適的檢測(cè)頻率可有效識(shí)別各種缺陷；

3）由圖6中不同頻率下幅值顯示結(jié)果可知，對(duì)于點(diǎn)缺陷，頻率越低其幅值越高；對(duì)于面缺陷，頻率越低幅值越低；

4）由圖7可知，不同頻率對(duì)缺陷相位的影響不明顯。

3.3 非鐵磁性材料的標(biāo)定方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2，在不同頻率標(biāo)定下對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8～圖16。

圖8 2種頻率對(duì)φ1.3 mm通孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖9 2種頻率對(duì)20%窄外環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖9 2種頻率對(duì)20%窄外環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果（續(xù)）

圖10 2種頻率對(duì)4×20%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖11 2種頻率對(duì)深80%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖12 2種頻率對(duì)深60%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖12 2種頻率對(duì)深60%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果（續(xù)）

圖13 2種頻率對(duì)深40%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖14 2種頻率對(duì)深10%內(nèi)環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖15 2種頻率下幅值顯示結(jié)果圖

圖16 2種頻率下相位顯示結(jié)果圖

3.4 非鐵磁性材質(zhì)測(cè)試結(jié)果分析

1）由圖8～圖15可知，內(nèi)部缺陷的幅值信號(hào)遠(yuǎn)高于外部缺陷的幅值信號(hào)；

2）由圖15和圖16可知，2種檢測(cè)頻率均可以有效識(shí)別樣管上的各缺陷，但檢測(cè)結(jié)果有所差異，從7種缺陷的幅值信號(hào)（如圖15所示）來(lái)看，外缺陷采用低檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)高于采用高檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)，內(nèi)缺陷采用低檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)低于采用高檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)；從7種缺陷的相位（如圖16所示）來(lái)看，外缺陷采用高檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)高于采用低檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)，內(nèi)缺陷采用高檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)低于采用低檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)。

4 結(jié)論

1）鐵磁性材質(zhì)，檢測(cè)頻率的選擇直接影響缺陷的檢出率，頻率越高檢出率越低；

2）鐵磁性材質(zhì)，點(diǎn)缺陷幅值信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高，面缺陷幅值信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高；

3）非鐵磁性材質(zhì)，外部缺陷幅值信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高，內(nèi)部缺陷幅值信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高；而外缺陷相位信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高，內(nèi)部缺陷相位信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高。