渦流、旋轉(zhuǎn)超聲和聲脈沖檢測(cè)在換熱器管束腐蝕檢測(cè)應(yīng)用中的對(duì)比

李志峰，吳建平，劉建軍，曾凡梁，李 偉

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013；2. 中韓(武漢)石油化工有限公司， 武漢 430000)

換熱器是化工廠(chǎng)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。換熱器管子的失效形式主要是壁厚損失，檢測(cè)的時(shí)機(jī)主要為停車(chē)檢修或切出修理時(shí)。目前,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的檢測(cè)方法主要為內(nèi)窺鏡檢測(cè)和渦流檢測(cè)[1-7]，其他應(yīng)用的檢測(cè)方法有聲發(fā)射檢測(cè)[8]、導(dǎo)波檢測(cè)[9]、內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)(IRIS)[10]等。

為了在檢修前選擇合適的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)換熱管進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)全廠(chǎng)的換熱器管束材料和規(guī)格進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照標(biāo)準(zhǔn)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)》的要求制作了一批樣管，利用渦流、IRIS和聲脈沖(DUET)等3種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)樣管進(jìn)行檢測(cè)。從檢測(cè)過(guò)程和檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比了3種方法的差異和適用范圍。

1 信息統(tǒng)計(jì)和樣管制作

統(tǒng)計(jì)了全廠(chǎng)換熱管的材料情況，采集到有效數(shù)據(jù)509個(gè)，占全廠(chǎng)換熱器管束總數(shù)的86.56%，材料統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，全廠(chǎng)換熱管材料主要是10號(hào)鋼、20號(hào)鋼、304、0Cr18Ni9不銹鋼。統(tǒng)計(jì)了全廠(chǎng)換熱器管束規(guī)格情況，采集到有效數(shù)據(jù)477個(gè)，占全廠(chǎng)換熱器總數(shù)的81.12%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示全廠(chǎng)換熱器管束規(guī)格(外徑×壁厚)主要有25 mm×2.5 mm、19 mm×2 mm、25 mm×2 mm和19 mm×1.5 mm等4種。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，共制作了23根樣管，長(zhǎng)1～1.35 m，材料分別為0Cr18Ni9不銹鋼、10號(hào)鋼、20號(hào)鋼、12Cr1MoVG合金鋼和316L不銹鋼等5種，規(guī)格(外徑×壁厚)分別為57 mm×2.5 mm、25 mm×2.5 mm、25 mm×2 mm、19 mm×2 mm和19 mm×1.5 mm。樣管的材料和規(guī)格都可以代表整個(gè)工廠(chǎng)大部分換熱器管束。在樣管上加工的模擬缺陷分為腐蝕穿孔，局部坑蝕、小孔腐蝕、局部溝槽狀腐蝕，這4種腐蝕形貌是換熱器損傷中的典型形貌。

圖1 換熱器管束材料統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 檢測(cè)結(jié)果

此次檢測(cè)的樣管較多，為了說(shuō)明3種檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果及結(jié)果顯示方式，以樣管901195-a為示例進(jìn)行分析介紹。樣管901195-a的缺陷信息如表1所示。

表1 樣管901195-a的缺陷信息

2.1 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)是目前換熱管無(wú)損檢測(cè)最常用的一種檢測(cè)方法，對(duì)于非鐵磁性材料的換熱管,一般采用的是常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于鐵磁性材料的換熱管采用的是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)。試驗(yàn)采用的渦流檢測(cè)儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家為EDDYSUN公司，機(jī)器型號(hào)為EEC-39RFT。共檢測(cè)23根樣管、預(yù)制缺陷102個(gè)，檢測(cè)結(jié)果顯示有19個(gè)缺陷信號(hào)弱，其他缺陷全部可以檢出，檢出率可以達(dá)到81.37%。

圖2 樣管901195-a的渦流檢測(cè)圖譜

按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.6-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》 對(duì)樣管901195-a實(shí)施了渦流檢測(cè)，渦流檢測(cè)儀采用的頻率為24 kHz，渦流探頭直徑為23 mm，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。其中左側(cè)為長(zhǎng)度方向缺陷的顯示圖，右側(cè)4張圖為每個(gè)缺陷的渦流信號(hào)阻抗平面圖。與標(biāo)準(zhǔn)中采用絕對(duì)式探頭經(jīng)過(guò)正確調(diào)整的典型渦流信號(hào)阻抗平面圖對(duì)比可以得到缺陷的長(zhǎng)度、內(nèi)外位置信息和深度信息。

2.2 內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)

內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)(IRIS)是一種從管子內(nèi)部進(jìn)行脈沖回波式超聲水浸檢測(cè)的方法。檢測(cè)過(guò)程中管子內(nèi)部充滿(mǎn)水，探頭在管子內(nèi)部移動(dòng)，通過(guò)超聲波穿過(guò)內(nèi)壁進(jìn)行定量檢測(cè)。該次檢測(cè)采用的設(shè)備型號(hào)為IRIS 9000，共檢測(cè)20根樣管，93處預(yù)制缺陷，能夠清晰地得到缺陷檢測(cè)信息的有92處，其中有一處預(yù)制缺陷為通孔，檢測(cè)得出結(jié)論為外部減薄。

按照儀器供應(yīng)商提供的操作手冊(cè)對(duì)樣管901195-a實(shí)施檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，在探頭推進(jìn)過(guò)程中，機(jī)器自帶水泵會(huì)將水壓入移動(dòng)探頭裝置并從其頭部噴出，保證超聲探頭在旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)探頭和換熱管壁是耦合的，探頭的移動(dòng)速度一般為2.5 m·min-1，檢測(cè)得到的匯總結(jié)果如表2所示。表中的匯總結(jié)果包括在檢測(cè)前輸入的管子的基本信息，例如檢測(cè)地點(diǎn)、檢測(cè)單位、管子規(guī)格、材料等，也包含了管子的缺陷類(lèi)型、缺陷位置、壁厚損失量等信息。

樣管901195-a IRIS檢測(cè)圖譜如圖3所示，在IRIS檢測(cè)過(guò)程中可以得到直觀(guān)的缺陷形狀圖。在圖中可以清楚地看到缺陷在管子橫截面上的位置，可以和截面展開(kāi)圖的缺陷位置一一對(duì)應(yīng)。

表2 樣管901195-a IRIS檢測(cè)缺陷匯總

圖3 樣管901195-a IRIS檢測(cè)圖譜

2.3 聲脈沖檢測(cè)

試驗(yàn)采用的聲脈沖檢測(cè)(DUET)是一種將聲脈沖(APR)和超聲脈沖(UPR)相結(jié)合的檢測(cè)方法，儀器的多探頭陣列發(fā)射兩種類(lèi)型脈沖波，同時(shí)記錄和分析缺陷產(chǎn)生的反射波，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件的分析運(yùn)算，能夠自動(dòng)識(shí)別和報(bào)告缺陷的位置、類(lèi)型和尺寸。采用以色列Acoustic eye公司研發(fā)的DUET檢測(cè)設(shè)備，共檢測(cè)樣管12根、預(yù)制缺陷54個(gè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，檢出缺陷22個(gè)，圖譜有標(biāo)識(shí)但軟件未自動(dòng)識(shí)別的缺陷21個(gè)，未檢出缺陷11個(gè)。

按照儀器供應(yīng)商提供的使用手冊(cè)對(duì)樣管901195-a實(shí)施檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，探頭不斷發(fā)出聲脈沖，同時(shí)接收反射波，形成檢測(cè)圖譜，從圖譜上很容易分辨出樣管的邊界，其DUET檢測(cè)圖譜如圖4所示。從圖中可分辨出編號(hào)為A的通孔缺陷，也可以看到儀器通過(guò)波形判斷出來(lái)的缺陷類(lèi)型、位置和壁厚損失量等信息，如圖4所示通孔缺陷A的位置在距樣管編號(hào)鋼0.23 m處，缺陷性質(zhì)為壁厚損失，損失量為90%。但其他3種缺陷無(wú)明顯波形顯示。

2.4 示例樣管檢測(cè)結(jié)果匯總

匯總3種方法對(duì)樣管901195-a的檢測(cè)結(jié)果得到表3。從表3可以看出，樣管901195-a的IRIS檢測(cè)效果最為理想，渦流檢測(cè)效果次之，DUET檢測(cè)效果較差。從缺陷圖譜中可以看出，IRIS的檢測(cè)結(jié)果最直觀(guān)，可以直接看到缺陷的形狀，軟件通過(guò)對(duì)比可以得到缺陷的性質(zhì)，通過(guò)超聲回波的時(shí)間差可以得到管子的剩余壁厚；DUET檢測(cè)的缺陷圖譜較容易識(shí)別，且自帶軟件具有典型圖譜識(shí)別的功能，可以分辨出減薄、通孔等壁厚損失情況；渦流檢測(cè)方法的缺陷圖譜識(shí)別較困難，需要檢測(cè)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 樣管901195-a DUET檢測(cè)圖譜

表3 樣管901195-a的檢測(cè)結(jié)論匯總

3 檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

3.1 檢測(cè)靈敏度

IRIS的檢測(cè)靈敏度最高，在該項(xiàng)目中共檢測(cè)20根樣管，93處預(yù)制缺陷，能夠清晰地得到缺陷檢測(cè)信息的有92處，其中有一處預(yù)制缺陷為通孔，檢測(cè)得出結(jié)論為外部減薄；渦流檢測(cè)的檢測(cè)靈敏度較高，共檢測(cè)樣管23根，預(yù)制缺陷102個(gè)，檢測(cè)結(jié)果顯示有19個(gè)缺陷信號(hào)弱，其他全部可以檢出；DUET的檢測(cè)靈敏度較差，檢測(cè)樣管12根，預(yù)制缺陷54個(gè)，檢測(cè)結(jié)果顯示檢出缺陷22個(gè)，圖譜有標(biāo)識(shí)但軟件未自動(dòng)識(shí)別的缺陷21個(gè)，未檢出缺陷11個(gè)。

3.2 檢測(cè)缺陷的性質(zhì)

這3種方法主要針對(duì)的缺陷類(lèi)型都是壁厚減薄，DUET的UPR模式可以檢測(cè)到內(nèi)外部軸向和圓周裂紋，但該試驗(yàn)并未對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，由于換熱管的壁厚較薄，如果產(chǎn)生裂紋，很可能短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生裂穿。

3.3 檢測(cè)過(guò)程的記錄和缺陷的顯示與判定

(1) 這3種方法操作人員都可以在屏幕上對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)察，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上。

(2) 渦流檢測(cè)和DUET檢測(cè)都是以特定缺陷圖形顯示缺陷，IRIS是以更直觀(guān)的方式顯示缺陷，能夠?qū)鼙谏系谋诤駵p薄進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。

(3) 渦流檢測(cè)在性質(zhì)判斷和尺寸測(cè)量上沒(méi)有DUET檢測(cè)和IRIS檢測(cè)直觀(guān)，DUET從軟件上解決了缺陷性質(zhì)判斷和尺寸測(cè)量的問(wèn)題，IRIS檢測(cè)因原理與二者不同，不存在上述問(wèn)題。

3.4 實(shí)施檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作

(1) 樣管的缺陷標(biāo)定。IRIS檢測(cè)不需要依賴(lài)樣管對(duì)缺陷進(jìn)行標(biāo)定；DUET檢測(cè)進(jìn)行過(guò)標(biāo)定后，相同類(lèi)型的缺陷不需要再次標(biāo)定；渦流檢測(cè)按照標(biāo)準(zhǔn)需要在每次檢測(cè)前使用樣管進(jìn)行缺陷標(biāo)定工作。

(2) 管子的清洗。IRIS和渦流檢測(cè)在檢測(cè)前要求將管子內(nèi)部清洗干凈，DUET檢測(cè)僅需對(duì)換熱管管頭處進(jìn)行清理即可。

(3) 耦合。DUET檢測(cè)采用的是干耦合，無(wú)需耦合劑；渦流檢測(cè)無(wú)需耦合；IRIS檢測(cè)采用的是水耦合，在檢測(cè)時(shí)，換熱管檢測(cè)部位需要充滿(mǎn)水或采用水泵系統(tǒng)保證檢測(cè)部位耦合良好。

3.5 檢測(cè)的范圍

(1) U型管式換熱器彎管處：渦流檢測(cè)可以采用特殊的探頭或軟管探頭對(duì)U型管式換熱器彎管處進(jìn)行檢測(cè)，DUET可以檢測(cè)到U型管式換熱器彎管處，IRIS只能對(duì)直管進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 換熱器結(jié)構(gòu)的影響：IRIS檢測(cè)不受換熱器擋板、加強(qiáng)筋、管板、散熱片等結(jié)構(gòu)的影響，DUET和渦流檢測(cè)可能會(huì)受上述部位的影響從而降低檢測(cè)的有效性。

3.6 檢測(cè)效率

在清洗干凈的前提下，IRIS的檢測(cè)效率接近渦流檢測(cè)的，一般略高于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流，略低于常規(guī)渦流；DUET的檢測(cè)效率最高。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 對(duì)于壁厚減薄較嚴(yán)重的換熱管，可優(yōu)先選用IRIS方法進(jìn)行檢測(cè)，但是由于該方法需要徹底清洗管子，所以檢測(cè)前的清洗配合工作必須做好。

(2) 一般而言，可以選用渦流檢測(cè)方法檢測(cè)鐵磁性和非鐵磁性管子，但檢測(cè)效果會(huì)受到人員的檢測(cè)水平限制。

(3) 檢修初判腐蝕情況較輕微或無(wú)損傷的換熱器管，無(wú)法進(jìn)行清洗的，內(nèi)部有非致密雜質(zhì)的可采用DUET方法進(jìn)行檢測(cè)。以上結(jié)論明確了3種檢測(cè)方法的適用情況，可為后期換熱器管束的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供技術(shù)支撐。