林 彤，汪文有, 朱學(xué)松

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

換熱器管束的雙脈沖檢測技術(shù)

林 彤1，汪文有2, 朱學(xué)松3

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

論述了目前換熱器管束檢測的方法，介紹了雙脈沖檢測技術(shù)的檢測原理，提出了雙脈沖檢測技術(shù)的對比優(yōu)勢。采用雙脈沖技術(shù)對換熱器管束的損傷進行全面地檢測，通過檢測數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，得到損傷的類型、大小、位置，從而對換熱器管束的整體性能進行評價。

雙脈沖檢測；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，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，熱交換器一般會使用數(shù)十年，因此需要通過定期維護來保證其安全運行。

換熱器檢測方法主要包括目視、渦流、遠場渦流、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。渦流檢測速度最快，每小時可檢測約60根管子，但其對鐵磁性材料的檢測誤差較大。渦流檢測依賴于技術(shù)員的專業(yè)技能，美國電力研究協(xié)會的研究發(fā)現(xiàn)，由于渦流設(shè)備的使用人員不同，損傷的識別率也不同。對鐵磁性管子來說，需用其他電磁檢測方法，一般采用遠場渦流檢測(RFT)方法，但其檢測速度慢、檢測精度低、高度依賴于技術(shù)員的專業(yè)技能。雖然超聲內(nèi)旋檢測系統(tǒng)(IRIS)檢測精度高，但其對管道清潔度要求很高，要求幾乎是裸露金屬。此外，該方法不能對壁厚小于0.9 mm的管子進行檢測。

針對換熱器檢測來說，現(xiàn)有檢測方法的主要缺點在于：① 傳統(tǒng)檢測方法檢測速度慢，精準度低，受檢測材料影響大；② 檢測數(shù)量巨大，無法實現(xiàn)100%檢測，成本較高；③ 傳統(tǒng)檢測方法屬于穿插式，對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；④ 傳統(tǒng)檢測方法依賴于檢測人員的經(jīng)驗和專業(yè)技能，容易引起人為誤差；⑤ 傳統(tǒng)方法無法檢測管內(nèi)堵塞。

因此，目前的方法不能實現(xiàn)管子內(nèi)腔與管體的完全檢測。對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的優(yōu)點，彌補了現(xiàn)有檢測方法的不足，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，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)對換熱器管束的損傷進行全面地檢測，通過檢測數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，得到損傷的類型、大小、位置，從而對換熱器管束的整體性能進行評價。

1 雙脈沖技術(shù)檢測原理

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的激勵脈沖波,該脈沖波沿管道內(nèi)腔傳播，遇到損傷時會產(chǎn)生回波，換能器接收該回波信號；然后系統(tǒng)自動進行選頻與濾波處理，根據(jù)得到的回波波形特點，識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的相位是先負后正；堵塞損傷包括凹坑、堵塞物、管子變形等，回波信號相位是先正后負[1]。

APR是將一個聲脈沖注入管內(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(無論是壁損還是堵塞)都會引起回波，回波被聲波脈沖換能器接收并進行自動分析識別。該技術(shù)適用于檢測堵塞、穿孔和內(nèi)壁壁損。

空氣中傳播的聲波為縱波，質(zhì)點的振動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)，如直徑比最小波長還小的管道，聲波只能沿著管道軸向傳播，直到達到“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，整個管子橫截面的聲壓波動一致。聲脈沖換能器采用可控的波源激勵，可以避免發(fā)射頻率過高而導(dǎo)致波形畸變，影響檢測結(jié)果，同時保證了反射波信號的有效接收，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的激勵脈沖波來檢測管壁損傷。脈沖波沿管壁傳播過程中遇到損傷產(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，回波信號相位是先負后正。

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)外壁點蝕等損傷。

超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生機理與薄板中的蘭姆波機理類似，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

雙脈沖檢測技術(shù)是一種新型、非穿插式的，可用于檢測管子內(nèi)腔及管子本體損傷的技術(shù)，具有快速和精確的自動檢測識別能力。雙脈沖檢測系統(tǒng)集成了聲波脈沖技術(shù)與超聲波脈沖技術(shù)，其檢測對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，不受被檢測管子形狀或材料的影響。APR、UPR及雙脈沖檢測技術(shù)對不同類型損傷的檢測特點如表1所示[4-5]。

2 檢測方法

2.1 檢測準備

雙脈沖檢測設(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)主機系統(tǒng)、專家軟件系統(tǒng)、氣動系統(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雙脈沖檢測系統(tǒng)，配備專業(yè)的雙脈沖檢測探頭。檢測過程中需要輸入管束基本信息，包括長度、壁厚、內(nèi)徑等。檢測過程主要包括設(shè)備的組裝、開機自檢、繪制管束、管束編號、輸入信息、開始檢測、依照所編號碼順序進行檢測、軟件自動記錄各管束的檢測結(jié)果等。

表1 APR、UPR及雙脈沖檢測技術(shù)對不同類型損傷的檢測特點

2.2檢測過程

在一切檢測準備完成后，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)射并接收反射信號的過程如圖2所示，聲波脈沖沿著管道內(nèi)的空氣進行傳播，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，通過專家系統(tǒng)處理單元進行波形數(shù)據(jù)分析。

圖2 雙脈沖換能器發(fā)射并接收反射信號過程

3 現(xiàn)場檢測

3.1 數(shù)據(jù)采集

在檢測前，對管子開口端200 mm處進行簡單的除銹處理。采用拍照的方式將管子的外形圖輸入到儀器中，儀器自動識別并對管束進行編號，檢測人員開始按照編號依次進行檢測。

雙脈沖檢測系統(tǒng)檢測完一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自行存儲數(shù)據(jù)，然后檢測下一根管。在數(shù)據(jù)采集過程中，如果發(fā)現(xiàn)信號過低或者噪聲過大，可以選擇重新檢測當前管子或者進行下一根管子的檢測。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)操作人員的動作進行預(yù)分析，預(yù)分析結(jié)束后進行自動處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)開始對信號進行分析，并將損傷數(shù)據(jù)匯總。

3.3 人工校準損傷

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進行自動處理，同時操作人員可以對處理過程進行參數(shù)修改，重新對損傷進行統(tǒng)計，更新后的損傷共計15處。

檢測發(fā)現(xiàn)11處堵塞和4處壁損。在檢測報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 信號分析

UPR與APR的損傷檢測基本原理相似。只要整根管的管壁是均勻的，超聲波就會直接沿管壁傳播。在APR中，任何障礙結(jié)構(gòu)都會使回波沿管道返回，但是對于某些損傷，APR和UPR表現(xiàn)出的特征存在很大差異。這就需要對兩種方法的損傷識別結(jié)果進行詳細地研究。各損傷對應(yīng)的信號特征示意如圖4所示。

圖4 各損傷對應(yīng)的信號特征示意

4.1 堵塞的信號分析

堵塞會引起管道橫截面減小，在APR檢測中表現(xiàn)為正脈沖和負脈沖，堵塞物包括鱗屑、碎片、淤泥、污水等。在UPR檢測中，堵塞的程度受堵塞物與管壁的緊密程度和相對阻抗大小有關(guān)。堵塞物與管壁緊密相連，會引起橫截面局部增加，表現(xiàn)為負脈沖和正脈沖。UPR檢測信號無法提供可靠的信息判斷堵塞的大小，APR對堵塞的檢測有很高的精度。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 壁損的信號分析

對APR來說，壁損表現(xiàn)為橫截面的局部增加，但對UPR來說則為管壁本身橫截面的減少。因此，APR中內(nèi)壁壁損表現(xiàn)為負脈沖和正脈沖(如圖4的第3個波形)，UPR則為正脈沖和負脈沖。UPR反射振幅相對更大，因為管壁本身的橫截面比管壁環(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)檢測的基本方法相似，但信號極性相反，且在壁損信號識別上UPR比APR更敏感。此外，UPR可檢測外壁損傷，雖然UPR自身無法區(qū)分內(nèi)外壁損傷，但通過APR與UPR兩種檢測結(jié)果對比可以確定損傷來源。

圖6 換熱器某管子的壁損損傷波形

4.3 穿孔的信號分析

對UPR檢測來說，穿孔就是壁損的一個極限狀態(tài)(如圖4中的第3個波形)，可以通過凹陷的深度來判斷。在深度估測中，即使操作員一點小的失誤，也會將穿孔標識為深度凹陷。在APR中，壁損和穿孔的信號存在性質(zhì)上的不同，APR可以對穿孔進行準確判斷。結(jié)合兩種脈沖技術(shù)的優(yōu)勢來判斷穿孔損傷。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 裂紋的信號分析

裂紋存在于管壁上，所以APR無法對其進行檢測。裂紋造成的信號反射受裂紋方向的影響。周向裂紋可認為是沿著軸向短距離的大尺度不連續(xù)；軸向裂紋可認為是軸向長距離的一個橫截面的小尺度的不連續(xù)。這兩種情況都可以用UPR檢測出來，波形峰高和內(nèi)峰間距可用來判斷損傷類型。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進行綜合判斷。

5 結(jié)語

(1) 雙脈沖管道檢測系統(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)自動識別和報告缺陷位置、類型和尺寸。

(2) 雙脈沖檢測技術(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檢測識別技術(shù)。雙脈沖檢測系統(tǒng)能檢測目前換熱器管道的各種損傷以及不同的換熱器管類型，不受被檢測管子形狀或材料的影響。

(3) 兩種脈沖檢測技術(shù)APR和UPR具有互補優(yōu)勢，所以僅用其中一種方法，無法對管子進行全面檢測。將兩種技術(shù)結(jié)合，可以高效地檢測出換熱器管子的損傷。

[1] DL/T 937-2005 中華人民共和國電力行業(yè)標準[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]. 國外科技新書評價， 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)測及檢測工作，411890974@qq.com

汪文有，wang19812008@126.com

10.11973/wsjc201707016

TG115.28

B

1000-6656(2017)07-0069-04