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

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

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，換熱器是生產(chǎn)過(guò)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(jì)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(yùn)行，最主要的手段是加強(qiáng)換熱器管束腐蝕的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。據(jù)了解在換熱器管束腐蝕檢測(cè)應(yīng)用中常用的檢測(cè)技術(shù)有渦流檢測(cè)、磁致伸縮低頻導(dǎo)波檢測(cè)和內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)等技術(shù)。

渦流檢測(cè)技術(shù)是換熱器管束腐蝕檢測(cè)最常用的檢測(cè)技術(shù)。渦流檢測(cè)技術(shù)一般采用內(nèi)穿過(guò)式差分探頭或/和絕對(duì)式探頭進(jìn)行檢測(cè)，渦流檢測(cè)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(hào)等）的樣管，將檢測(cè)信號(hào)與樣管的人工缺陷進(jìn)行比較才能得出實(shí)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(gè)管束腐蝕缺陷的信號(hào)，故渦流檢測(cè)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(cè)中是最近幾年發(fā)展起來(lái)的，主要用于檢測(cè)管束金屬腐蝕損失的一種無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(hào)或腐蝕信號(hào)反射回探頭進(jìn)行經(jīng)過(guò)處理后顯示出來(lái)，簡(jiǎn)單分析后即可快速地評(píng)估管束的腐蝕情況。與內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，雖然具有檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單，方便快捷，不需要耦合劑等優(yōu)點(diǎn)；但是其只能檢測(cè)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(cè)應(yīng)用上受到限制。

內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)是目前換熱器管束腐蝕檢測(cè)中應(yīng)用最廣、最為有效的一種檢測(cè)技術(shù)。在重點(diǎn)介紹內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)的原理及檢測(cè)過(guò)程的基礎(chǔ)上，分析了影響該檢測(cè)技術(shù)在換熱器管束腐蝕檢測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)系統(tǒng)的主要組成部分，其原理是基于脈沖回波檢測(cè)法，探頭激發(fā)一個(gè)高頻脈沖在水中產(chǎn)生超聲波，一個(gè)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(huì)反射回來(lái)的一個(gè)回波，內(nèi)表面回波與外表面回波的時(shí)間和波幅經(jīng)系統(tǒng)數(shù)字化處理后，通過(guò)計(jì)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(hào)的金屬和非金屬材料。圖1為IRIS檢測(cè)示意圖。

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圖1 IRIS檢測(cè)示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)超聲的檢測(cè)過(guò)程

旋轉(zhuǎn)超聲的檢測(cè)過(guò)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(duì)中裝置推入管子內(nèi)部，通過(guò)耦合水泵推動(dòng)渦輪傳動(dòng)裝置帶動(dòng)聲反射鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在水中形成垂直于管壁的入射波束，對(duì)管束進(jìn)行周向掃查；通過(guò)手動(dòng)一邊均速拉出對(duì)中裝置，檢測(cè)系統(tǒng)一邊同時(shí)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(shí)時(shí)顯示其橫截面圖（B掃描）、管壁展開(kāi)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(tái)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(cè)系統(tǒng)對(duì)該臺(tái)換熱器管進(jìn)行抽查檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)下管板部分換熱管沒(méi)有減薄現(xiàn)象，剩余壁厚均勻分布，見(jiàn)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(guò)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(duì)其中指定的一根換熱管進(jìn)行抽管驗(yàn)證，證明實(shí)際腐蝕與檢測(cè)結(jié)果基本吻合，圖4為該驗(yàn)證換熱管解刨后的內(nèi)壁實(shí)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(shí)際腐蝕狀態(tài)

某化工廠的一臺(tái)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(cè)系統(tǒng)對(duì)該臺(tái)換熱器管進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)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(cè)的主要影響因素

3.1 管束的影響

換熱管束內(nèi)部狀況對(duì)于檢測(cè)信號(hào)影響很大，諸如管束內(nèi)清洗不干凈或者有油污會(huì)造成耦合劑水與管束內(nèi)壁不能良好耦合，使聲束無(wú)法穿透管束管壁，會(huì)造成漏檢或者無(wú)法檢測(cè)；管束內(nèi)有脫落的銹斑會(huì)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(hào)；管束局部變形會(huì)形成一個(gè)一定角度的截面，會(huì)改變聲束的傳播方向，從而使探頭無(wú)法接收到信號(hào)，導(dǎo)致漏檢或無(wú)法檢測(cè)。因此，檢測(cè)前須對(duì)管束進(jìn)行徹底清洗，清洗掉里面油污和脫落的銹斑；檢測(cè)過(guò)程中也要隨時(shí)觀察采集的檢測(cè)信息。如果事先能對(duì)管束進(jìn)行了徹底清洗處理，不僅對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)大有裨益，而且有利于通過(guò)觀察檢測(cè)信號(hào)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(duì)于檢測(cè)信號(hào)亦有很大影響，渦輪轉(zhuǎn)速不均勻會(huì)使圖譜不連續(xù)，可能導(dǎo)致管束缺陷特征信號(hào)的遺失，從而造成漏檢，因此，每次檢測(cè)前必須在樣管上調(diào)整好渦輪轉(zhuǎn)速。圖6中長(zhǎng)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(yǔ)

對(duì)在用換熱器管束的腐蝕檢測(cè)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)是目前最為有效、準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)方法，不僅能對(duì)整根管束進(jìn)行快速掃查，還可以通過(guò)內(nèi)表面回波與外表面回波的時(shí)間差和波幅經(jīng)系統(tǒng)數(shù)字化處理后，通過(guò)計(jì)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(cè)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是不受材料電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的影響，也是其他檢測(cè)技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但其往往存在對(duì)管束清洗要求高，對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速操作均勻等問(wèn)題，這些因素都限制了旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)在換熱管束腐蝕檢測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究若能開(kāi)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(shí)通過(guò)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(wú)法檢測(cè)的情況，也能很好地防止由于有脫落的銹斑會(huì)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(hào)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(cè)技術(shù)在換熱管束腐蝕檢測(cè)的應(yīng)用中，一定能得到更大的推廣應(yīng)用。

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