渦流探傷在某船冷水機組故障檢測中的應(yīng)用研究

楊建東 馬超 陶飛

摘要：某船空調(diào)系統(tǒng)使用6臺冷水主機，在經(jīng)過10年的運行使用后進(jìn)入大修，擬通過電渦流探傷方式確定蒸發(fā)器和冷凝器的換熱管損傷狀況，以確定下一步的維修計劃?，F(xiàn)首先闡述了電渦流檢測的原理、特點，然后應(yīng)用渦流探傷的阻抗表面分析法對機組換熱管缺陷進(jìn)行了檢測，最后在對測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，為機組換熱管的維修提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞：渦流探傷;電磁檢測;無損檢測

0 引言

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展日新月異，電磁渦流無損檢測技術(shù)也得到了長足發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。渦流無損檢測方法具有檢測速度快、靈敏度高以及非接觸式檢測等優(yōu)點，缺陷的檢測結(jié)果由機器判斷產(chǎn)生，避免了人為因素的影響，從而在很大程度上保證了探傷結(jié)果的客觀性，提高了探傷質(zhì)量，且可實現(xiàn)自動化探傷。因此，在汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸中心孔、鋼管、熱交換器銅合金管的無損探傷中，渦流探傷已經(jīng)成為有效的缺陷檢測手段。

1 渦流檢測的原理和特點

1.1? ? 渦流檢測原理

電磁渦流檢測的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)，即用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦流，借助探測線圈測定渦流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。首先在探頭的激勵線圈中通以激勵電流，在附近的被測管壁中就會感應(yīng)出渦流，當(dāng)導(dǎo)體表面或近表面出現(xiàn)缺陷或測量金屬材料的一些性質(zhì)發(fā)生變化時，將影響到渦流的強度和分布，而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗或感應(yīng)電壓產(chǎn)生變化，這種變化使測量橋輸出一個相應(yīng)的不平衡信號，經(jīng)放大處理后，在顯示器上顯示出一個具有一定相位角和幅值的軌跡，供探傷人員判斷缺陷的性質(zhì)和大小。

1.2? ? 渦流檢測線圈及其分類

渦流探傷是用檢測線圈來建立交變磁場，把能量傳遞給被檢導(dǎo)體，同時又通過渦流所建立的交變磁場來獲得被檢測導(dǎo)體中的質(zhì)量信息。檢測線圈的形狀、尺寸和技術(shù)參數(shù)對于最終檢測來說至關(guān)重要。在渦流探傷中，往往根據(jù)被檢測體的形狀、尺寸、材質(zhì)和質(zhì)量要求（檢測標(biāo)準(zhǔn)）等來選定檢測線圈的種類。常用的檢測線圈有3種：

1.2.1? ? 穿過式線圈

穿過式線圈是將被檢測試樣放在線圈內(nèi)進(jìn)行檢測的線圈，適用于管、棒、線材的探傷。由于線圈產(chǎn)生的磁場首先作用于試樣外壁，因此檢出外壁缺陷的效果較好，內(nèi)壁缺陷的檢測是利用磁場的滲透來進(jìn)行的。一般來說，內(nèi)壁缺陷檢測靈敏度比外壁低。厚壁管材的缺陷是不能使用外穿式線圈來檢測的。

1.2.2? ? 內(nèi)插式線圈

內(nèi)插式線圈是放在管子內(nèi)部進(jìn)行檢測的線圈，專用來檢查厚壁或鉆孔內(nèi)壁的缺陷，也用來檢查成套設(shè)備中管子的質(zhì)量，如熱交換器管的在役檢驗。

1.2.3? ? 探頭式線圈

探頭式線圈是放置在試樣表面上進(jìn)行檢測的線圈，它不僅適用于形狀簡單的板材、板坯、方坯、圓坯、棒材及大直徑管材的表面掃描探傷，還適用于形狀較復(fù)雜的機械零件的檢查。與穿過式線圈相比，由于探頭式線圈的體積小、場作用范圍小，所以適用于檢查尺寸較小的表面缺陷。

2 渦流檢測儀器在冷凝器換熱管和蒸發(fā)器換熱管中的探傷應(yīng)用

某船舶空調(diào)系統(tǒng)使用6臺冷水主機，在經(jīng)過10年的運行使用后進(jìn)入中修階段，擬通過渦流探傷方式確定螺桿機組蒸發(fā)器和冷凝器的換熱管（銅合金管）損傷狀況，以擬定下一步維修計劃。由于船舶進(jìn)塢中修，渦流探傷執(zhí)行前已具備條件對設(shè)備進(jìn)行排水、清洗換熱管、吹掃換熱管內(nèi)壁及干燥作業(yè)。渦流檢測可以很容易檢測出銅合金管外表面和近表面的缺陷，作為一種相對的測量方法，在對管子進(jìn)行渦流檢測之前，必須預(yù)先制作與被檢管具有相同或相近的規(guī)格牌號、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能的標(biāo)準(zhǔn)樣管。用制作好的標(biāo)準(zhǔn)樣管來調(diào)節(jié)渦流檢測儀器的靈敏度以及確定評定標(biāo)準(zhǔn)。檢測前可根據(jù)渦流滲透深度公式進(jìn)行檢測頻率的預(yù)選，再對已加工好的標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行測試，進(jìn)一步修正參數(shù)，最后找出頻率、相位、增益等參數(shù)的最佳值。在最佳情況下，取得標(biāo)準(zhǔn)樣管上的人工缺陷的幅度、相位及深度等參數(shù)，并以這些參數(shù)作為檢測標(biāo)準(zhǔn)對待檢管進(jìn)行實際檢測。

2.1? ? 檢測工作安排

檢測前，我們制定了一個工作計劃，主要包含以下幾個關(guān)鍵步驟：銅管的清洗及吹干、標(biāo)準(zhǔn)樣管和檢測探頭的制作、渦流測試儀的調(diào)試校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)曲線制作、數(shù)據(jù)采集與判斷決策、疑點信號的分析、檢測結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、結(jié)論及建議、機組復(fù)位開機。

2.2? ? 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)采集和分析

2.2.1? ? 檢測數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計

本次受檢測的冷凝器共有203根熱交換銅管，蒸發(fā)器共有340根熱交換管，機組冷凝器內(nèi)部有2塊支撐板，加上2塊管板可將冷凝器換熱銅管均勻分成3段，為了準(zhǔn)確定位缺陷位置以方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，把離測試位置最近的一段標(biāo)記為位置1，共有609個位置點。損傷幅度值是與樣管的通孔值做比較得出的關(guān)于損傷面積的一個比較值。損傷深度比值是和銅鎳管壁厚相比較得出的數(shù)據(jù)。另外，對于不能確定信號是由缺陷產(chǎn)生的情況，用內(nèi)窺鏡加以驗證確認(rèn)。換熱管損傷標(biāo)記表如表1所示。通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集和統(tǒng)計分析，共發(fā)現(xiàn)冷凝器的184根換熱管存在損傷，其中嚴(yán)重?fù)p傷94處，較重?fù)p傷55處，一般損傷27處，輕微損傷8處，分別占冷凝器換熱管總數(shù)的46.30%、27.09%、13.30%、3.94%;其中無明顯損傷管道19根，占換熱管總數(shù)的9.36%;發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器的340根換熱管中有70根存在鼓包現(xiàn)象，因鼓包較嚴(yán)重渦流探頭無法通過，不能測試;有18根存在微鼓包現(xiàn)象，微鼓管的鼓包較小，渦流探頭能通過并測試，分別占蒸發(fā)器換熱管總數(shù)的20.59%、5.29%。另外發(fā)現(xiàn)4根存在一般損傷，3根存在嚴(yán)重?fù)p傷。

2.2.2? ? 檢測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過對檢測數(shù)據(jù)和損傷特征進(jìn)行觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）冷凝器換熱管的主要損傷為化學(xué)腐蝕，其實際損傷情況可以結(jié)合內(nèi)窺鏡加以驗證。冷卻水中沉積物造成換熱器銅管表面不同部位上的供氧差異和介質(zhì)濃度差會導(dǎo)致局部腐蝕，Cl-等活性離子能破壞金屬或合金表面的鈍化膜，增進(jìn)腐蝕，水中的溶解氧引起腐蝕電池的陰極去極化，導(dǎo)致金屬腐蝕加劇。另外，循環(huán)冷卻水中的懸浮物、泥沙等固體顆粒硬物對冷凝器入口端換熱管的沖擊、摩擦，致使換熱器銅管減薄。

（2）蒸發(fā)器換熱管的主要損傷是鼓包。機組水溫控制過低，導(dǎo)致蒸發(fā)器膨脹閥出口局部蒸發(fā)溫度過低，使該部位偶爾有部分結(jié)冰情況而造成換熱管產(chǎn)生鼓包。個別換熱管可能在支撐板位置有磨損情況，對于部分異常波形有待后續(xù)進(jìn)一步研究和驗證。

2.3? ? 檢測結(jié)果及處理建議

根據(jù)以上對檢測數(shù)據(jù)的分析和損傷的排查驗證，機組冷凝器換熱管損傷主要為腐蝕及沖擊損傷，冷凝器換熱管管壁較厚，內(nèi)部支撐板的強度較高，可以承受拔管及二次脹管的受力，在更換換熱管后可以繼續(xù)正常使用，建議對冷凝器進(jìn)行換管處理。蒸發(fā)器換熱管的損傷主要是內(nèi)壁的機械損傷，該機組蒸發(fā)器使用時間比較長，換熱管存在微量變形，且靠近入口位置大量存在向內(nèi)鼓包形式的損傷，加上蒸發(fā)器的折流板厚度較小，拔管時將反復(fù)受力，容易造成變形、孔徑變大等狀況，更換新管后在換熱管與損傷的折流板接觸位置，極易在短時間內(nèi)出現(xiàn)再次機械損傷，建議整體更換蒸發(fā)器。

3 結(jié)語

本文利用渦流探傷的阻抗表面分析法，對冷水機組蒸發(fā)器和冷凝器的換熱管損傷狀況進(jìn)行了檢測，在對測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，對機組換熱管的維修提出了合理的計劃方案和建議，具有很強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

收稿日期：2020-06-01

作者簡介：楊建東（1976—），男，江蘇揚中人，高級工程師，主要從事船舶資源管理和船員培訓(xùn)工作。