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內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲技術(shù)在換熱器管束檢測中的應(yīng)用

2021-02-03 13:22:44 作者：丁敏，閆河，湛小琳來源：中國特種設(shè)備檢測研究院分享至：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，換熱器是生產(chǎn)過程中重要的特種設(shè)備，起著能量轉(zhuǎn)換和傳遞的作用，被廣泛應(yīng)用在煉油、煉化、石油、石化等化工領(lǐng)域，特別是在煉油、煉化的成套生產(chǎn)裝置中。據(jù)統(tǒng)計成套生產(chǎn)裝置日常的大量故障及事故搶修，主要原因是換熱器管束腐蝕泄漏導(dǎo)致的，約占成套裝置中故障及事故搶修的60%左右。因此，為了保障成套生產(chǎn)裝置的安全、平穩(wěn)運行，最主要的手段是加強(qiáng)換熱器管束腐蝕的監(jiān)測和檢測。據(jù)了解在換熱器管束腐蝕檢測應(yīng)用中常用的檢測技術(shù)有渦流檢測、磁致伸縮低頻導(dǎo)波檢測和內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測等技術(shù)。

渦流檢測技術(shù)是換熱器管束腐蝕檢測最常用的檢測技術(shù)。渦流檢測技術(shù)一般采用內(nèi)穿過式差分探頭或/和絕對式探頭進(jìn)行檢測，渦流檢測是利用比較法，需要制作一根與被檢管子相同（同規(guī)格、同材料、同批號等）的樣管，將檢測信號與樣管的人工缺陷進(jìn)行比較才能得出實際缺陷的大致情況，而且很難判斷缺陷的種類和形狀。該技術(shù)由于受管子的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及管子狀況等因素的影響，很難準(zhǔn)確的獲得整個管束腐蝕缺陷的信號，故渦流檢測技術(shù)在指導(dǎo)換熱器管束是否應(yīng)當(dāng)堵管上并不理想。

磁致伸縮低頻導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用在換熱器管束腐蝕檢測中是最近幾年發(fā)展起來的，主要用于檢測管束金屬腐蝕損失的一種無損檢測方法。其原理是以鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)，利用低頻超聲導(dǎo)波沿著換熱器管束的截面內(nèi)進(jìn)行傳播遇到的結(jié)構(gòu)特征信號或腐蝕信號反射回探頭進(jìn)行經(jīng)過處理后顯示出來，簡單分析后即可快速地評估管束的腐蝕情況。與內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)相比，雖然具有檢測過程簡單，方便快捷，不需要耦合劑等優(yōu)點；但是其只能檢測鐵磁性材料，只能給出金屬腐蝕損失占管束截面的損失率，不能準(zhǔn)確地判斷腐蝕的形狀和大小，因而在換熱器管束腐蝕檢測應(yīng)用上受到限制。

內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)是目前換熱器管束腐蝕檢測中應(yīng)用最廣、最為有效的一種檢測技術(shù)。在重點介紹內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)的原理及檢測過程的基礎(chǔ)上，分析了影響該檢測技術(shù)在換熱器管束腐蝕檢測應(yīng)用中的主要原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

圖片

1 旋轉(zhuǎn)超聲檢測原理

1.1 旋轉(zhuǎn)超聲的組成及工作原理

儀器主機(jī)、渦輪旋轉(zhuǎn)頭、對中裝置、定位裝置、耦合裝置、水流管適配器、水浸聚焦探頭、聲反射鏡和目標(biāo)針等部件是旋轉(zhuǎn)超聲檢測系統(tǒng)的主要組成部分，其原理是基于脈沖回波檢測法，探頭激發(fā)一個高頻脈沖在水中產(chǎn)生超聲波，一個反射鏡將超聲波反射90度變成垂直管壁方向波束，在管子內(nèi)外表面都會反射回來的一個回波，內(nèi)表面回波與外表面回波的時間和波幅經(jīng)系統(tǒng)數(shù)字化處理后，通過計算就可以得到管子的內(nèi)徑、外徑和壁厚。適用于碳鋼，304不銹鋼，316不銹鋼，銅等所有能傳遞超聲波信號的金屬和非金屬材料。圖1為IRIS檢測示意圖。

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圖1 IRIS檢測示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)超聲的檢測過程

旋轉(zhuǎn)超聲的檢測過程是先由專業(yè)清洗工將換熱器管束清洗干凈，再將管束的一端用塑料堵頭封堵，另一端往管束里充滿水，然后將探頭的對中裝置推入管子內(nèi)部，通過耦合水泵推動渦輪傳動裝置帶動聲反射鏡自動旋轉(zhuǎn)，在水中形成垂直于管壁的入射波束，對管束進(jìn)行周向掃查；通過手動一邊均速拉出對中裝置，檢測系統(tǒng)一邊同時采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)能提供管束腐蝕的準(zhǔn)確位置，能實時顯示其橫截面圖（B掃描）、管壁展開圖（C掃描）、以及管子縱向截面圖（D掃描），如下圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)圖

2.應(yīng)用案例

某化工廠的一臺脫光氣塔頂空冷器，其換熱管規(guī)格Φ25×3×6000mm，材質(zhì)10#。應(yīng)用IRSI檢測系統(tǒng)對該臺換熱器管進(jìn)行抽查檢測，發(fā)現(xiàn)下管板部分換熱管沒有減薄現(xiàn)象，剩余壁厚均勻分布，見圖3-1所示；而上管板部分換熱管存在明顯減薄，且管中間部位嚴(yán)重減薄，主要表現(xiàn)在內(nèi)壁減薄，減薄量超過50%換熱管壁厚，剩余壁厚1.47mm左右，典型圖譜如下圖3-2所示。且對其中指定的一根換熱管進(jìn)行抽管驗證，證明實際腐蝕與檢測結(jié)果基本吻合，圖4為該驗證換熱管解刨后的內(nèi)壁實際腐蝕狀態(tài)照片。

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圖3-1 未發(fā)現(xiàn)減薄的下管板換熱管

圖3-2 明顯減薄的上管板換熱管

圖4 內(nèi)壁實際腐蝕狀態(tài)

某化工廠的一臺立式機(jī)組中冷器，其換熱管規(guī)格Φ57×3.5×3500mm，材質(zhì)10#。應(yīng)用IRSI檢測系統(tǒng)對該臺換熱器管進(jìn)行檢測，本次抽檢換熱管20根，發(fā)現(xiàn)所有換熱管都有明顯減薄現(xiàn)象，減薄位置在管子與折流板交接處和全管體隨機(jī)分布的腐蝕坑，在設(shè)備竣工圖紙上查得換熱管的壁厚為3.5mm，而抽查的換熱管檢測中壁厚減薄量高達(dá)32%的管壁厚，該最大減薄處剩余壁厚為2.39mm，如圖5所示。

圖5典型減薄圖譜

3.IRSI檢測的主要影響因素

3.1 管束的影響

換熱管束內(nèi)部狀況對于檢測信號影響很大，諸如管束內(nèi)清洗不干凈或者有油污會造成耦合劑水與管束內(nèi)壁不能良好耦合，使聲束無法穿透管束管壁，會造成漏檢或者無法檢測；管束內(nèi)有脫落的銹斑會擋住聲波的傳輸，使聲束直接傳輸在銹斑塊上形成虛假信號；管束局部變形會形成一個一定角度的截面，會改變聲束的傳播方向，從而使探頭無法接收到信號，導(dǎo)致漏檢或無法檢測。因此，檢測前須對管束進(jìn)行徹底清洗，清洗掉里面油污和脫落的銹斑；檢測過程中也要隨時觀察采集的檢測信息。如果事先能對管束進(jìn)行了徹底清洗處理，不僅對旋轉(zhuǎn)超聲檢測大有裨益，而且有利于通過觀察檢測信號發(fā)現(xiàn)管束是否存在局部變形的情況。

3.2 渦輪轉(zhuǎn)速的影響

渦輪轉(zhuǎn)速對于檢測信號亦有很大影響，渦輪轉(zhuǎn)速不均勻會使圖譜不連續(xù)，可能導(dǎo)致管束缺陷特征信號的遺失，從而造成漏檢，因此，每次檢測前必須在樣管上調(diào)整好渦輪轉(zhuǎn)速。圖6中長條狀黑色帶即為渦輪轉(zhuǎn)速不均勻造成的。

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圖6 典型渦輪轉(zhuǎn)速不均圖譜

4.結(jié)語

對在用換熱器管束的腐蝕檢測，內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測是目前最為有效、準(zhǔn)確、快速的檢測方法，不僅能對整根管束進(jìn)行快速掃查，還可以通過內(nèi)表面回波與外表面回波的時間差和波幅經(jīng)系統(tǒng)數(shù)字化處理后，通過計算就可以得到管子內(nèi)徑、外徑和壁厚。內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)的最大優(yōu)點是不受材料電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的影響，也是其他檢測技術(shù)不可比擬的優(yōu)點。但其往往存在對管束清洗要求高，對渦輪轉(zhuǎn)速操作均勻等問題，這些因素都限制了旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)在換熱管束腐蝕檢測中的應(yīng)用。通過實驗研究若能開發(fā)出擁有固定渦輪轉(zhuǎn)速的新型裝置，就能很好地克服由于渦輪轉(zhuǎn)速不均而導(dǎo)致管束缺陷漏檢的情況。同時通過加工定制與旋轉(zhuǎn)超聲探頭尺寸大小相匹配的管束清洗裝置，就能很好地解決由于清洗不到位而導(dǎo)致管束漏檢或無法檢測的情況，也能很好地防止由于有脫落的銹斑會擋住聲波的傳輸，使聲束直接傳輸在銹斑塊上形成虛假信號的情況發(fā)生。今后只要能克服這兩大影響因素，內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)在換熱管束腐蝕檢測的應(yīng)用中，一定能得到更大的推廣應(yīng)用。

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