林 彤，汪文有, 朱學(xué)松

(1.福建省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，福州 350000；2.美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC) 北京代表處，北京 100029；3.國(guó)能中特檢測(cè)科技有限公司，北京 100020)

換熱器管束的雙脈沖檢測(cè)技術(shù)

林 彤1，汪文有2, 朱學(xué)松3

(1.福建省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，福州 350000；2.美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC) 北京代表處，北京 100029；3.國(guó)能中特檢測(cè)科技有限公司，北京 100020)

論述了目前換熱器管束檢測(cè)的方法，介紹了雙脈沖檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理，提出了雙脈沖檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)。采用雙脈沖技術(shù)對(duì)換熱器管束的損傷進(jìn)行全面地檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，得到損傷的類型、大小、位置，從而對(duì)換熱器管束的整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

雙脈沖檢測(cè)；超聲波脈沖反射；聲波脈沖反射；換熱器；管束損傷

熱交換器在各種不同的環(huán)境下工作時(shí)，暴露在可能存在污染物的腐蝕介質(zhì)中，其破壞形式主要有兩種：① 污染，通過(guò)沉淀、剝落、淤泥甚至是甲殼類生物等引起；② 由腐蝕、侵蝕、熱沖擊、裂紋等引起的管壁退化。然而，由于更換成本高，熱交換器一般會(huì)使用數(shù)十年，因此需要通過(guò)定期維護(hù)來(lái)保證其安全運(yùn)行。

換熱器檢測(cè)方法主要包括目視、渦流、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、旋轉(zhuǎn)超聲等，但這些方法都存在各種各樣的不足與局限性。渦流檢測(cè)速度最快，每小時(shí)可檢測(cè)約60根管子，但其對(duì)鐵磁性材料的檢測(cè)誤差較大。渦流檢測(cè)依賴于技術(shù)員的專業(yè)技能，美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)的研究發(fā)現(xiàn)，由于渦流設(shè)備的使用人員不同，損傷的識(shí)別率也不同。對(duì)鐵磁性管子來(lái)說(shuō)，需用其他電磁檢測(cè)方法，一般采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)(RFT)方法，但其檢測(cè)速度慢、檢測(cè)精度低、高度依賴于技術(shù)員的專業(yè)技能。雖然超聲內(nèi)旋檢測(cè)系統(tǒng)(IRIS)檢測(cè)精度高，但其對(duì)管道清潔度要求很高，要求幾乎是裸露金屬。此外，該方法不能對(duì)壁厚小于0.9 mm的管子進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)換熱器檢測(cè)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有檢測(cè)方法的主要缺點(diǎn)在于：① 傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)速度慢，精準(zhǔn)度低，受檢測(cè)材料影響大；② 檢測(cè)數(shù)量巨大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，成本較高；③ 傳統(tǒng)檢測(cè)方法屬于穿插式，對(duì)交換器管道的清潔度要求高，探頭易卡在管內(nèi)而中斷檢測(cè)；④ 傳統(tǒng)檢測(cè)方法依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技能，容易引起人為誤差；⑤ 傳統(tǒng)方法無(wú)法檢測(cè)管內(nèi)堵塞。

因此，目前的方法不能實(shí)現(xiàn)管子內(nèi)腔與管體的完全檢測(cè)。對(duì)一些特殊形狀的管子，如U型、螺旋或翅片狀管子等，現(xiàn)有檢測(cè)方法適用性較低。而雙脈沖技術(shù)提供了更好的解決方案，換熱器管束外觀如圖1所示。

雙脈沖技術(shù)包括超聲波脈沖技術(shù)(UPR)與聲波脈沖技術(shù)(APR)，該技術(shù)集成了聲波脈沖與超聲波脈沖檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足，可以用于管狀設(shè)備存在的穿孔、深坑、腐蝕、堵塞等損傷的檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、石油廠、化工廠等行業(yè)。筆者采用雙脈沖技術(shù)對(duì)換熱器管束的損傷進(jìn)行全面地檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，得到損傷的類型、大小、位置，從而對(duì)換熱器管束的整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 雙脈沖技術(shù)檢測(cè)原理

1.1 APR原理 APR依靠聲波脈沖換能器的一發(fā)一收原理，由換能器脈沖發(fā)射器發(fā)出一串頻率范圍為50～500 Hz的激勵(lì)脈沖波,該脈沖波沿管道內(nèi)腔傳播，遇到損傷時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波，換能器接收該回波信號(hào)；然后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行選頻與濾波處理，根據(jù)得到的回波波形特點(diǎn)，識(shí)別不同的損傷類型以及位置信息，并將結(jié)果顯示在儀器界面。穿孔及裂紋回波信號(hào)的相位是先負(fù)后正；堵塞損傷包括凹坑、堵塞物、管子變形等，回波信號(hào)相位是先正后負(fù)[1]。

APR是將一個(gè)聲脈沖注入管內(nèi)的空氣中，隨后聲波沿著軸向在管內(nèi)空腔傳播。橫截面的任何變化(無(wú)論是壁損還是堵塞)都會(huì)引起回波，回波被聲波脈沖換能器接收并進(jìn)行自動(dòng)分析識(shí)別。該技術(shù)適用于檢測(cè)堵塞、穿孔和內(nèi)壁壁損。

空氣中傳播的聲波為縱波，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波傳播方向一致。在自由空間內(nèi)，聲波可以向任何方向傳播。然而，在有限空間內(nèi)，如直徑比最小波長(zhǎng)還小的管道，聲波只能沿著管道軸向傳播，直到達(dá)到“極限頻率”。管內(nèi)傳播的聲波可以被視為柱面波，其波陣面是平的，整個(gè)管子橫截面的聲壓波動(dòng)一致。聲脈沖換能器采用可控的波源激勵(lì)，可以避免發(fā)射頻率過(guò)高而導(dǎo)致波形畸變，影響檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)保證了反射波信號(hào)的有效接收，避免了不同模態(tài)波形的干擾。

1.2 UPR原理 超聲波脈沖換能器的收發(fā)原理與聲波脈沖換能器收發(fā)原理類似，其發(fā)出的超聲波信號(hào)在管壁上傳播，由換能器發(fā)出一串頻率范圍為50 kHz～500 kHz的激勵(lì)脈沖波來(lái)檢測(cè)管壁損傷。脈沖波沿管壁傳播過(guò)程中遇到損傷產(chǎn)生回波，回波沿著管壁回到換能器，經(jīng)選頻與濾波處理顯示在儀器界面。穿透性損傷如貫穿管壁的孔及裂紋，回波信號(hào)相位是先負(fù)后正。

UPR是導(dǎo)波技術(shù)的新應(yīng)用。和APR不同的是，UPR是通過(guò)一系列放入管內(nèi)并與管道內(nèi)壁緊密貼合的干耦合換能器向管壁發(fā)射超聲波的。UPR技術(shù)可檢測(cè)外壁磨損、內(nèi)外壁軸向和周向裂紋、內(nèi)外壁腐蝕、內(nèi)外壁點(diǎn)蝕等損傷。

超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生機(jī)理與薄板中的蘭姆波機(jī)理類似，也是由在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。超聲導(dǎo)波的主要波型包括扭曲波和縱波[2-3]。

1.3 雙脈沖技術(shù)原理

雙脈沖檢測(cè)技術(shù)是一種新型、非穿插式的，可用于檢測(cè)管子內(nèi)腔及管子本體損傷的技術(shù)，具有快速和精確的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別能力。雙脈沖檢測(cè)系統(tǒng)集成了聲波脈沖技術(shù)與超聲波脈沖技術(shù)，其檢測(cè)對(duì)象涵蓋了目前換熱器管子的各種損傷以及不同的換熱器管類型，不受被檢測(cè)管子形狀或材料的影響。APR、UPR及雙脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同類型損傷的檢測(cè)特點(diǎn)如表1所示[4-5]。

2 檢測(cè)方法

2.1 檢測(cè)準(zhǔn)備

雙脈沖檢測(cè)設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)射器和探頭等組成。數(shù)據(jù)采集單元包含工業(yè)主機(jī)系統(tǒng)、專家軟件系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。脈沖發(fā)射器包含手持式操作單元和A/D轉(zhuǎn)換單元。

該系統(tǒng)為以色列聲眼公司的DUET雙脈沖檢測(cè)系統(tǒng)，配備專業(yè)的雙脈沖檢測(cè)探頭。檢測(cè)過(guò)程中需要輸入管束基本信息，包括長(zhǎng)度、壁厚、內(nèi)徑等。檢測(cè)過(guò)程主要包括設(shè)備的組裝、開(kāi)機(jī)自檢、繪制管束、管束編號(hào)、輸入信息、開(kāi)始檢測(cè)、依照所編號(hào)碼順序進(jìn)行檢測(cè)、軟件自動(dòng)記錄各管束的檢測(cè)結(jié)果等。

表1 APR、UPR及雙脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同類型損傷的檢測(cè)特點(diǎn)

2.2檢測(cè)過(guò)程

在一切檢測(cè)準(zhǔn)備完成后，將發(fā)射器探頭插入換熱器管的一端，發(fā)射器探頭開(kāi)始發(fā)射脈沖波(超聲波脈沖和聲波脈沖)。雙脈沖換能器發(fā)射并接收反射信號(hào)的過(guò)程如圖2所示，聲波脈沖沿著管道內(nèi)的空氣進(jìn)行傳播，超聲波脈沖波沿著管體傳播。雙脈沖換能器既發(fā)射脈沖波又接收反射波，通過(guò)專家系統(tǒng)處理單元進(jìn)行波形數(shù)據(jù)分析。

圖2 雙脈沖換能器發(fā)射并接收反射信號(hào)過(guò)程

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)采集

在檢測(cè)前，對(duì)管子開(kāi)口端200 mm處進(jìn)行簡(jiǎn)單的除銹處理。采用拍照的方式將管子的外形圖輸入到儀器中，儀器自動(dòng)識(shí)別并對(duì)管束進(jìn)行編號(hào)，檢測(cè)人員開(kāi)始按照編號(hào)依次進(jìn)行檢測(cè)。

雙脈沖檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)完一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后檢測(cè)下一根管。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)過(guò)低或者噪聲過(guò)大，可以選擇重新檢測(cè)當(dāng)前管子或者進(jìn)行下一根管子的檢測(cè)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)操作人員的動(dòng)作進(jìn)行預(yù)分析，預(yù)分析結(jié)束后進(jìn)行自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，并將損傷數(shù)據(jù)匯總。

3.3 人工校準(zhǔn)損傷

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，同時(shí)操作人員可以對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行參數(shù)修改，重新對(duì)損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，更新后的損傷共計(jì)15處。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)11處堵塞和4處壁損。在檢測(cè)報(bào)告上生成損傷扇形圖和3D直觀圖后，可以直觀地看到損傷類型和損傷位置。圖3為損傷所在位置的三維顯示。

圖3 管子損傷的三維顯示

4 信號(hào)分析

UPR與APR的損傷檢測(cè)基本原理相似。只要整根管的管壁是均勻的，超聲波就會(huì)直接沿管壁傳播。在APR中，任何障礙結(jié)構(gòu)都會(huì)使回波沿管道返回，但是對(duì)于某些損傷，APR和UPR表現(xiàn)出的特征存在很大差異。這就需要對(duì)兩種方法的損傷識(shí)別結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)地研究。各損傷對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征示意如圖4所示。

圖4 各損傷對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征示意

4.1 堵塞的信號(hào)分析

堵塞會(huì)引起管道橫截面減小，在APR檢測(cè)中表現(xiàn)為正脈沖和負(fù)脈沖，堵塞物包括鱗屑、碎片、淤泥、污水等。在UPR檢測(cè)中，堵塞的程度受堵塞物與管壁的緊密程度和相對(duì)阻抗大小有關(guān)。堵塞物與管壁緊密相連，會(huì)引起橫截面局部增加，表現(xiàn)為負(fù)脈沖和正脈沖。UPR檢測(cè)信號(hào)無(wú)法提供可靠的信息判斷堵塞的大小，APR對(duì)堵塞的檢測(cè)有很高的精度。圖5為換熱器某管子的堵塞損傷波形。

圖5 換熱器某管子的堵塞損傷波形

4.2 壁損的信號(hào)分析

對(duì)APR來(lái)說(shuō)，壁損表現(xiàn)為橫截面的局部增加，但對(duì)UPR來(lái)說(shuō)則為管壁本身橫截面的減少。因此，APR中內(nèi)壁壁損表現(xiàn)為負(fù)脈沖和正脈沖(如圖4的第3個(gè)波形)，UPR則為正脈沖和負(fù)脈沖。UPR反射振幅相對(duì)更大，因?yàn)楣鼙诒旧淼臋M截面比管壁環(huán)繞的空氣橫截面要小的多。圖6為換熱器某管子的壁損損傷波形。因此，盡管兩種技術(shù)檢測(cè)的基本方法相似，但信號(hào)極性相反，且在壁損信號(hào)識(shí)別上UPR比APR更敏感。此外，UPR可檢測(cè)外壁損傷，雖然UPR自身無(wú)法區(qū)分內(nèi)外壁損傷，但通過(guò)APR與UPR兩種檢測(cè)結(jié)果對(duì)比可以確定損傷來(lái)源。

圖6 換熱器某管子的壁損損傷波形

4.3 穿孔的信號(hào)分析

對(duì)UPR檢測(cè)來(lái)說(shuō)，穿孔就是壁損的一個(gè)極限狀態(tài)(如圖4中的第3個(gè)波形)，可以通過(guò)凹陷的深度來(lái)判斷。在深度估測(cè)中，即使操作員一點(diǎn)小的失誤，也會(huì)將穿孔標(biāo)識(shí)為深度凹陷。在APR中，壁損和穿孔的信號(hào)存在性質(zhì)上的不同，APR可以對(duì)穿孔進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。結(jié)合兩種脈沖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)判斷穿孔損傷。圖7為換熱器某管子的穿孔損傷波形。

圖7 換熱器某管子的穿孔損傷波形

4.4 裂紋的信號(hào)分析

裂紋存在于管壁上，所以APR無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。裂紋造成的信號(hào)反射受裂紋方向的影響。周向裂紋可認(rèn)為是沿著軸向短距離的大尺度不連續(xù)；軸向裂紋可認(rèn)為是軸向長(zhǎng)距離的一個(gè)橫截面的小尺度的不連續(xù)。這兩種情況都可以用UPR檢測(cè)出來(lái)，波形峰高和內(nèi)峰間距可用來(lái)判斷損傷類型。裂紋歸結(jié)為壁損的類別，需要根據(jù)具體的情況以及得到的信號(hào)進(jìn)行綜合判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 雙脈沖管道檢測(cè)系統(tǒng)由聲波脈沖和超聲波脈沖兩種模式同步工作。專家系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和報(bào)告缺陷位置、類型和尺寸。

(2) 雙脈沖檢測(cè)技術(shù)集成了聲波脈沖技術(shù)與超聲波脈沖技術(shù)，是一種新型、非穿插式的可用于檢測(cè)管子內(nèi)腔及管體損傷的技術(shù)，可提供快速和精確地自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)。雙脈沖檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)目前換熱器管道的各種損傷以及不同的換熱器管類型，不受被檢測(cè)管子形狀或材料的影響。

(3) 兩種脈沖檢測(cè)技術(shù)APR和UPR具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，所以僅用其中一種方法，無(wú)法對(duì)管子進(jìn)行全面檢測(cè)。將兩種技術(shù)結(jié)合，可以高效地檢測(cè)出換熱器管子的損傷。

[1] DL/T 937-2005 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] AMIR N, BARZELAY O, YEFET A. Condenser tube examination using acoustic pulse reflectometry[J]. Asme Power Conference, 2008, 132(132):437-441.

[3] AMIR N, SHIMONY U, ROSENHOUSE G. A discrete model for tubular acoustic systems with varying cross section - the direct and inverse problems. Part 1: Theory[J]. Acta Acustica United with Acustica, 1995, 81(5):450-462.

[4] PARK I K, KIM Y K, PARK S J. Application of ultrasonic guided wave to heat exchanger tubes inspection[J].17th World Conference on Nondestructive Testing.[S.l.]:[s.n.], 2008.

[5] 談慶明.固體介質(zhì)中的超聲波[J]. 國(guó)外科技新書評(píng)價(jià)， 2005(11):20-21.

Dual Pulse Detection Technology for Heat Exchanger Tube Bundle

LIN Tong1, WANG Wenyou2, ZHU Xuesong3

(1.Fujian Province Special Equipment Inspection Institute, Fuzhou 350000, China；2.Beijing Office, Physical Acoustics Corporation, Beijing 100029, China；3.GUONENG NDT, Beijing 100020, China)

The detection method of the tube bundle of the heat exchanger is discussed. The detection principle of the double pulse detection technique is introduced. The comparative advantage of the double pulse detection technology is presented. Comprehensively inspect and analyze all defects in the heat exchanger tube bundles using dual pulse reflectometry ultrasonic pulse reflectometry and acoustic pulse reflectometry. By analyzing the data and results, this technique could calculate the type, size and location of the defects, and then evaluate the overall performance of the heat exchanger tube bundle.

dual pulse detection; ultrasonic pulse reflectometry; acoustic pulse reflectometry ; heat exchanger; tube bundle defect

2016-12-08

林 彤(1963-)，男，本科，主要從事電站鍋爐管道監(jiān)測(cè)及檢測(cè)工作，411890974@qq.com

汪文有，wang19812008@126.com

10.11973/wsjc201707016

TG115.28

B

1000-6656(2017)07-0069-04