， ， ， ， ， ， (甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

鎳基合金換熱管多頻渦流檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究

廖兵兵，張玉福，田利，李軍，王強(qiáng)，楊棟，孟滄海
(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)鎳基合金換熱管在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的腐蝕失效模式，設(shè)計(jì)并制作了相應(yīng)的Incoloy 825鎳基合金渦流對(duì)比樣管，選擇了合適的自比差動(dòng)內(nèi)穿過式探頭。經(jīng)分析與研究，確定了高效、準(zhǔn)確的多頻渦流檢測(cè)技術(shù)，利用多頻渦流探傷儀中的差動(dòng)和絕對(duì)通道分別對(duì)換熱管局部腐蝕和均勻腐蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)。通過不同缺陷特征試驗(yàn)研究，確定了最佳的多頻渦流檢測(cè)參數(shù)，確保了檢測(cè)過程中對(duì)鎳基合金換熱管局部腐蝕及均勻腐蝕缺陷有足夠的分辨率及信噪比，檢測(cè)精度達(dá)到±5%，檢測(cè)結(jié)果更加可靠。

換熱管； 鎳基合金； 多頻渦流檢測(cè)技術(shù)； 腐蝕缺陷； 試驗(yàn)研究

隨著我國(guó)油氣田的不斷開發(fā)，大多數(shù)油氣田面臨著含水量及腐蝕性氣體不斷增加的局面[1]。在油氣田開發(fā)過程中，H2S、CO2等酸性氣體作為伴隨氣體不斷增加，其溶于水后不僅會(huì)對(duì)輸油、輸氣管線及油氣處理設(shè)備產(chǎn)生全面腐蝕，濕H2S環(huán)境中還會(huì)導(dǎo)致氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂，在高Cl-的腐蝕環(huán)境下局部腐蝕嚴(yán)重[2]。碳鋼或低合金鋼暴露于含有H2S的環(huán)境介質(zhì)中，因腐蝕而產(chǎn)生的氫侵入鋼中會(huì)在鋼表面產(chǎn)生氫鼓泡，在應(yīng)力作用下還會(huì)發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂[3-5]。熱交換器是在石油、石化、化工、制冷、制藥及城市供暖等行業(yè)中應(yīng)用廣泛的設(shè)備之一，主要用于兩種不同溫度介質(zhì)的熱交換。熱交換器按結(jié)構(gòu)主要分為管殼式和無殼體式兩大類，其中管殼式熱交換器應(yīng)用較為廣泛[6，7]。對(duì)于油氣開采過程中產(chǎn)生的復(fù)雜強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，國(guó)內(nèi)很多油氣處理站都使用由耐蝕性較強(qiáng)的不銹鋼制造的熱交換器，常用的不銹鋼主要有鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼及鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。但在實(shí)際使用過程中，這些不銹鋼耐腐蝕性并不理想，因此有些油氣處理站在一些風(fēng)險(xiǎn)較高的熱交換器中使用了耐腐蝕性強(qiáng)的鎳基合金鋼。為了保證此類熱交換器的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，對(duì)熱交換器換熱管束進(jìn)行定期在役缺陷檢測(cè)非常必要。

目前用于鎳基合金鋼管檢測(cè)的最好方法是多頻渦流檢測(cè)，而國(guó)內(nèi)對(duì)于鎳基合金換熱管束渦流檢測(cè)的研究較少，文中簡(jiǎn)要介紹了多頻渦流檢測(cè)技術(shù)的原理及特點(diǎn)，并進(jìn)行了鎳基合金換熱管多頻渦流檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)研究。

1 多頻渦流檢測(cè)技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

渦流檢測(cè)的基本原理是電磁感應(yīng)。被檢試件有無缺陷可通過導(dǎo)電試件中渦流的反作用磁場(chǎng)對(duì)線圈阻抗的影響來進(jìn)行判斷。

被檢試件有缺陷時(shí)，導(dǎo)電試件中渦流的反作用磁場(chǎng)會(huì)使線圈的阻抗發(fā)生變化[8]。一個(gè)信號(hào)所傳輸?shù)男畔⒘颗c信號(hào)的頻帶寬度及信噪比的對(duì)數(shù)成正比(香農(nóng)-哈特萊原理)[9]：

(1)

式中，C為信息的傳輸速率，bit/s；W為頻帶寬度，Hz；S/N為信噪比。

式(1)表明，在信息傳輸過程中，使用頻率越多(頻帶寬度越大)，所得信息量就越大。因此，可根據(jù)所需檢測(cè)參數(shù)(缺陷、壁厚等)和需要排除的干擾因素(折流板、支撐板等)有針對(duì)性地選擇多個(gè)頻率的電流激勵(lì)線圈，然后對(duì)受作用的參數(shù)調(diào)制的輸出信號(hào)按多個(gè)檢測(cè)通道加以放大，按頻譜濾波并解調(diào)，再把調(diào)制信號(hào)的各個(gè)分量以指定的方式組合起來，組合后的信號(hào)經(jīng)信息處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化電路處理后就可以將各參數(shù)分離到各通道中，即可將待檢信息的一個(gè)參數(shù)(缺陷)和干擾信號(hào)分離出來。

使用多頻渦流檢測(cè)時(shí)，儀器中的每個(gè)檢測(cè)通道都受所有影響參數(shù)(即工件作用參數(shù))，如缺陷、壁厚、折流板等的綜合作用。若有n個(gè)作用參數(shù)，則需要n個(gè)或者2n個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)通道，以便將所有的作用參數(shù)分離，使每一個(gè)通道代表一個(gè)作用參數(shù)。參數(shù)分離的方法一般有多元一次方程組消元法、多維空間矢量轉(zhuǎn)換法和矩陣代數(shù)法，文中以多維空間矢量轉(zhuǎn)換法為例。

使用多維空間矢量轉(zhuǎn)換法對(duì)試件作用參數(shù)進(jìn)行分離主要包括2個(gè)轉(zhuǎn)換：①試件參數(shù)對(duì)探頭激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制，即試件參數(shù)合成矢量P轉(zhuǎn)換成信號(hào)矢量D。在多維矢量空間中，試件參數(shù)矢量P由p1、p2···pn組合而成，P經(jīng)調(diào)制后轉(zhuǎn)換成信號(hào)的多維空間矢量D，D由d1、d2···dn組合而成。②信息矢量D經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換成估算參數(shù)矢量Q。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

單頻渦流檢測(cè)雖應(yīng)用較廣，但有應(yīng)用局限性，對(duì)許多復(fù)雜應(yīng)用的構(gòu)件，如熱交換器換熱管束進(jìn)行在役檢測(cè)時(shí)，折流板、管板等部件會(huì)在渦流檢測(cè)儀器上產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾信號(hào)，極大影響對(duì)缺陷的判斷[10]。采用多頻渦流檢測(cè)技術(shù)，通過混頻技術(shù)手段，可在常規(guī)渦流檢測(cè)時(shí)有效抑制上述干擾因素，實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的清晰顯示。

單頻和多頻渦流檢測(cè)的支撐板和外管壁缺陷信號(hào)比較見圖1。從圖1看出，在支撐板和外管壁缺陷信號(hào)同時(shí)存在的情況下，多頻渦流檢測(cè)技術(shù)明顯抑制了支撐板信號(hào)，可準(zhǔn)確辨別出外管壁缺陷信號(hào)。

圖1 單頻和多頻渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)比較

2 多頻渦流檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)儀器選擇

試驗(yàn)中選用了奧林巴斯公司生產(chǎn)的Olympus MS 5800渦流探傷儀，該儀器是具有常規(guī)渦流檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)、近場(chǎng)渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)及旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)五合一功能的一體機(jī)，能通過阻抗圖譜分析全面反映缺陷信號(hào)幅值大小、相位、波形走向等特征。該渦流探傷儀具有多個(gè)工作通道，能同時(shí)以2個(gè)或者2個(gè)以上工作頻率進(jìn)行檢測(cè)，可將缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)分開，提高信噪比，準(zhǔn)確定性和定量缺陷的大小及位置。

2.2 對(duì)比樣管制作

試驗(yàn)中使用的是尺寸為?25 mm×2.5 mm的Incoloy825鎳基合金鋼管，通過分析對(duì)比樣管和實(shí)際檢測(cè)缺陷的渦流檢測(cè)圖譜對(duì)缺陷的大小和位置進(jìn)行定性和定量。檢測(cè)之前需制作對(duì)比樣管，根據(jù)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》[11]，樣管材質(zhì)應(yīng)與被檢材質(zhì)相同或相似，使用對(duì)比樣管調(diào)整儀器檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)靈敏度。對(duì)比樣管加工缺陷位置見圖2，不同人工缺陷及其加工參數(shù)見表1。

圖2 對(duì)比樣管缺陷位置

表1 對(duì)比樣管人工缺陷及加工參數(shù)

對(duì)比樣管上不同深度的切槽和較大通孔H主要用于調(diào)試儀器檢測(cè)換熱管內(nèi)外壁均勻腐蝕缺陷(較大腐蝕缺陷)的靈敏度以及其準(zhǔn)確性，對(duì)比樣管上不同深度的平底孔和較小通孔C主要用于調(diào)試儀器檢測(cè)換熱管內(nèi)外壁點(diǎn)蝕缺陷(局部腐蝕缺陷)的靈敏度及準(zhǔn)確性。

2.3 探頭選擇

選擇檢測(cè)探頭時(shí)，要求探頭必須具有檢測(cè)靈敏度高、抗干擾性能優(yōu)、周向檢測(cè)靈敏度差小和檢測(cè)重復(fù)性好的特點(diǎn)，本試驗(yàn)中選擇性能優(yōu)良的自比差動(dòng)穿過式檢測(cè)探頭[12]。同時(shí)考慮提離效應(yīng)的影響，選擇渦流探頭時(shí)被檢管束與探頭必須滿足一定的填充系數(shù)，常規(guī)渦流檢測(cè)一般要求探頭的填充系數(shù)在0.85～0.9。對(duì)?25 mm×2.5 mm的鎳基合金換熱管束，選擇了型號(hào)為TEA-188-050-N20的自比差動(dòng)穿過式探頭。

2.4 檢測(cè)頻率選擇

檢測(cè)頻率直接影響探傷靈敏度及滲透深度[13]，選擇合適的檢測(cè)頻率既能保證足夠的缺陷分辨力，又能保證足夠的信噪比。隨著檢測(cè)頻率的增加，缺陷的分辨力增加，但噪聲信號(hào)會(huì)增強(qiáng)，信噪比減小。

一般情況下，為保證管束內(nèi)外壁渦流信號(hào)有一定的相位差，檢測(cè)頻率可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中，f為檢測(cè)頻率，Hz；ρ為材料電阻率，μΩ·cm；t為管材壁厚，mm。

選擇檢測(cè)頻率后，渦流的趨膚深度δ與管材的壁厚t相當(dāng)，管材內(nèi)外壁渦流信號(hào)的相位角相差90°。檢測(cè)過程中，產(chǎn)生噪聲信號(hào)的因素很多，比如支撐扳、管板、凹痕、磁性沉積物、探頭擺動(dòng)以及管子內(nèi)徑不勻等引起的檢測(cè)噪聲等。為了從干擾信號(hào)中分離出缺陷信號(hào)，可采用多頻渦流技術(shù)提高信噪比。同一缺陷或干擾源在不同檢測(cè)頻率下會(huì)產(chǎn)生不同的渦流反應(yīng)，渦流信號(hào)是矢量信號(hào)，多個(gè)矢量信號(hào)疊加可以使用矢量運(yùn)算加減法，即可以通過設(shè)置加法器、減法器、衰減器等放大缺陷信號(hào)，減小或消除干擾信號(hào)[14]，基本原理如下。

設(shè)A1、A2分別為在f1、f2檢測(cè)頻率下得到的渦流阻抗平面信號(hào)，B1、B2分別為在f1、f2檢測(cè)頻率下得到的缺陷渦流阻抗平面信號(hào)，C1、C2分別為在f1、f2檢測(cè)頻率下得到的干擾源渦流阻抗平面信號(hào)，則有：

A1=B1+C1

A2=B2+C2

即某一頻率下得到的渦流阻抗平面信號(hào)是在同一頻率下得到的缺陷渦流阻抗平面信號(hào)與干擾源渦流阻抗平面信號(hào)的矢量和。

令τ為調(diào)節(jié)因子(調(diào)節(jié)增益及相位系數(shù))，使得τC1=C2，則有：

τA1=τB1+τC1

τA1-A2=τB1-B2

此時(shí)只得到缺陷信號(hào)，而干擾源信號(hào)被消除，且缺陷信號(hào)只與檢測(cè)頻率有關(guān)。通過該原理，使用多頻渦流檢測(cè)可以消除干擾信號(hào)，提高信噪比。

一般情況下，檢測(cè)頻率f越大，標(biāo)準(zhǔn)趨膚深度(或滲透深度)越小，故檢測(cè)小徑薄壁管束的內(nèi)表面缺陷時(shí)，應(yīng)選取較低的頻率；檢測(cè)外表面時(shí)，應(yīng)選擇較高的頻率[15]。根據(jù)本次試驗(yàn)被檢管束壁厚，選定檢測(cè)頻率分別為53.8 kHz和108 kHz，可分別保證被檢管束內(nèi)、外壁有足夠的檢測(cè)靈敏度。經(jīng)過在對(duì)比樣管上反復(fù)測(cè)試，最終確定f1=56 kHz、f2=112 kHz，此時(shí)檢測(cè)效果最佳。

2.5 采樣率及增益選擇

檢測(cè)時(shí)，采樣率及增益是影響缺陷信號(hào)分辨率及信噪比的重要因素。采樣率及增益較大，噪聲信號(hào)較多，信噪比較低，導(dǎo)致缺陷的分辨率較低；采樣率及增益較小，檢測(cè)缺陷的靈敏度較低，檢測(cè)能力下降。為了達(dá)到最好的檢測(cè)效果，試驗(yàn)中選取采樣率為3 500點(diǎn)/s，增益為40dB。

3 多頻渦流檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算的2個(gè)檢測(cè)頻率，將探頭放置于樣管沒有缺陷的部位平衡探頭，之后將探頭從樣管的一端穿過到另一端，檢測(cè)時(shí)勻速拉出探頭。在差動(dòng)通道和絕對(duì)通道中顯示對(duì)比樣管上所有人工缺陷的信號(hào)，為了達(dá)到足夠的缺陷分辨率及信噪比，反復(fù)在對(duì)比樣管上調(diào)試儀器，最終選用上述計(jì)算確定的f1和f2。

在f1和f2檢測(cè)頻率下得到的對(duì)比樣管上的人工缺陷渦流信號(hào)波形圖見圖3，各缺陷波對(duì)應(yīng)的人工缺陷見表2。

圖3 對(duì)比樣管上人工缺陷渦流信號(hào)波形圖

表2 不同缺陷渦流信號(hào)波對(duì)應(yīng)的對(duì)比樣管人工缺陷

使用差動(dòng)通道時(shí)，調(diào)節(jié)儀器的相位，使差動(dòng)信號(hào)中通孔信號(hào)相位角在40°±5°，對(duì)比樣管上4個(gè)深度為20%壁厚的評(píng)定孔的渦流信號(hào)相位角與穿透壁厚的通孔渦流信號(hào)相位角沿順時(shí)針方向差為50°～120°。調(diào)試之后不同深度平底孔的八字形基準(zhǔn)阻抗信號(hào)圖見圖4。

圖4 不同深度平底孔八字形基準(zhǔn)阻抗圖

選擇絕對(duì)通道時(shí)，調(diào)節(jié)儀器的相位，使內(nèi)壁切槽渦流信號(hào)的相位角與顯示屏水平線之間成±5°，使原點(diǎn)到通孔信號(hào)頂點(diǎn)連線和水平之間的相位角大約為40°。

調(diào)試后通孔和不同深度切槽的渦流基準(zhǔn)信號(hào)圖見圖5。

圖5 通孔和不同深度切槽渦流信號(hào)圖

從圖4和圖5可以看出，經(jīng)過對(duì)比樣管的調(diào)試后，儀器已經(jīng)具備了檢測(cè)腐蝕深度大于20%壁厚的局部腐蝕缺陷及腐蝕深度大于10%壁厚的均勻腐蝕缺陷的能力，且檢測(cè)精度為±5%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鎳基合金換熱管運(yùn)行中存在的失效模式，通過分析與研究，確定了高效、準(zhǔn)確的多頻渦流檢測(cè)方法。通過對(duì)不同缺陷的試驗(yàn)研究，確定了精準(zhǔn)的檢測(cè)參數(shù)，保證了鎳基合金換熱管檢測(cè)過程中有足夠的缺陷分辨率及信噪比，使檢測(cè)結(jié)果更加可靠。檢測(cè)過程中缺陷評(píng)定受到很多因素的影響，且換熱管中的自然缺陷與樣管上的人工缺陷得到的圖譜有一定的差別，需積累豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)定。

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ExperimentalStudyonMulti-frequencyEddyCurrentTestingTechnologyofNickel-basedAlloyHeatExchangerTubes

LIAOBing-bing，ZHANGYu-fu，TIANLi，LIJun，WANGQiang，YANGDong，MENGCang-hai
(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

Incoloy 825 nickel-based alloy contrast sample tubes are designed and fabricated, and appropriate self-contrast differential internal probe is selected according to possible failure modes of nickel-based alloy heat exchanger tubes during operation. Through analysis and research, an efficient and accurate multi-frequency eddy current testing technology is determined. The local corrosion and uniform corrosion defect of the heat exchanger tubes are detected by the differential and absolute channels in the multi-frequency eddy current flaw detector. With experimental study on different defect characteristics, the optimal detection parameters are determined and the local corrosion and uniform corrosion defect are further ensured and as a result more reliable test results proved by a detection accurate of ±5%.

heat exchanger tube； nickel-based alloy； multi-frequency eddy current testing technology； corrosion defect； experimental study

1000-7466(2017)06-0008-06

2017-06-10

甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司基金項(xiàng)目(16JCJ005)：換熱管束渦流檢測(cè)與應(yīng)用

廖兵兵(1989-)，男，江西撫州人，助理工程師，學(xué)士，從事無損檢測(cè)、壓力容器及管道檢驗(yàn)等工作。

TQ051.503； TE965.03

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.002

(張編)