林 彤，汪文有,朱學(xué)松

（1福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

（2 美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

（3 國(guó)能中特檢測(cè)科技有限公司，北京 100020）

雙脈沖技術(shù)在換熱器管束檢測(cè)中的應(yīng)用

林 彤1，汪文有2,朱學(xué)松3

（1福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

（2 美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

（3 國(guó)能中特檢測(cè)科技有限公司，北京 100020）

文中論述了目前換熱器管束檢測(cè)方法，介紹雙脈沖檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理，提出雙脈沖檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)。采用雙脈沖技術(shù)包括超聲脈沖技術(shù)（UPR）與聲脈沖技術(shù)（APR）對(duì)換熱器管束的缺陷進(jìn)行全面的檢測(cè)分析。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，得到缺陷的類(lèi)型、大小、位置，從而對(duì)換熱器管束的整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

雙脈沖；超聲脈沖技術(shù)（UPR）；聲脈沖技術(shù)（APR）；換熱器；管束缺陷

1 引言

熱交換器在各種不同的環(huán)境中工作。暴露在可能存在污染物的腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，其性能主要有兩種惡化形式：（1）污染，通過(guò)沉淀、剝落、淤泥甚至是甲殼類(lèi)生物引起；（2）由腐蝕、侵蝕、熱沖擊、裂紋等引起的管壁退化。然而，由于成本高，熱交換器一般會(huì)使用數(shù)十年，因此需要通過(guò)定期進(jìn)行維護(hù)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

理想情況下，管道檢測(cè)技術(shù)需滿(mǎn)足以下幾個(gè)特性：高分辨率與準(zhǔn)確度，檢測(cè)結(jié)果不受操作員影響，高度一致；系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足檢測(cè)時(shí)間短，提供客觀的高度一致的數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)適用于各種材質(zhì)和尺寸的管子；以最低的技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)便可正確完成檢測(cè)工作，同時(shí)，僅需做極少的檢前準(zhǔn)備。

使用目前的技術(shù)，完成檢測(cè)及報(bào)告工作是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。盡管當(dāng)前存在一些檢測(cè)技術(shù)，但都存在各種各樣的不足。渦流檢測(cè)（ET）：檢測(cè)速度快，每小時(shí)可檢60根左右管子，但是對(duì)于鐵磁性介質(zhì)，誤差較大。同時(shí)，嚴(yán)重依賴(lài)于技術(shù)員的專(zhuān)業(yè)技能，MTI和美國(guó)電科院（EPRI）的研究報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)備使用人員不同，缺陷是識(shí)別率分別為87%和50%。對(duì)鐵磁性管子來(lái)說(shuō)，需用其他電磁檢測(cè)方法，一般是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)（RFT），但其檢測(cè)慢、精確度低、高度依賴(lài)于技術(shù)員專(zhuān)業(yè)技能。最后，超聲內(nèi)旋檢測(cè)系統(tǒng)（IRIS）精準(zhǔn)度高，但對(duì)管道清潔度要求也高，幾乎是裸露金屬。此外，該方法不能對(duì)壁厚小于0.9mm的管子進(jìn)行檢測(cè)。

總的來(lái)說(shuō)，目前的方法檢測(cè)太慢，不能實(shí)現(xiàn)完全檢測(cè)，同時(shí)受管子材質(zhì)和尺寸的限制。在一些特殊形狀的管子檢測(cè)方面，如彎曲、螺旋或翅片狀，所有這些方法適用性也很低。這種狀況為以后的檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展留下了很大空間，換熱器管束如圖1所示。

圖1 換熱器管束

雙脈沖技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)管狀設(shè)備存在的穿孔、深坑、腐蝕、堵塞等缺陷，適用于多個(gè)行業(yè)，如電力、石化、化工等。此外系統(tǒng)是通過(guò)向管子開(kāi)口端激勵(lì)特定信號(hào)，并分析回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)管子缺陷的探測(cè)。

2 雙脈沖技術(shù)檢測(cè)原理

2.1 聲脈沖技術(shù)（APR）原理

聲脈沖檢測(cè)法原理：傳感器發(fā)出一串激勵(lì)脈沖波沿管道傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到阻礙或缺陷會(huì)產(chǎn)生回波，傳感器獲取該回波信號(hào)，經(jīng)選頻濾波處理后送到分析系統(tǒng)并顯示出波形。穿透性缺陷如貫穿管壁的孔及裂紋，回波信號(hào)相位是先負(fù)后正；阻塞性缺陷，包括凹坑、堵塞物、管子變形等，回波信號(hào)相位是先正后負(fù)[1]。

空氣中傳播的聲波為縱波，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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)，如橫向范圍比最小波長(zhǎng)還小的管道，聲波只能沿著管軸向方向傳播。直到達(dá)到“極限頻率”，管內(nèi)傳播的聲波均可以被視為表面波，即，波陣面為平的，整個(gè)管子橫截面的壓力波動(dòng)都一致。這種類(lèi)型的波最容易檢測(cè)，因?yàn)橹粰z測(cè)一處橫截面即可。這都是通過(guò)裝在管壁上的傳聲器完成的，不會(huì)對(duì)管子造成影響。當(dāng)頻率高于極限頻率時(shí)，就會(huì)激勵(lì)出更高階的傳播波形。這些波形有不同的波速，此外，當(dāng)其出現(xiàn)后，橫截面處的壓力將不再會(huì)保持一致。用一種可控的方式激勵(lì)這些波形，同時(shí)又要進(jìn)行測(cè)量，這很難做到。因此在APR系統(tǒng)中，應(yīng)盡量避免使用這類(lèi)波形[2]。

2.2 超聲脈沖技術(shù)（UPR）原理[3][4]

盡管和其他傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，APR有許多優(yōu)點(diǎn)，但它還存在兩種固有局限：無(wú)法檢測(cè)外壁缺陷，在對(duì)壁損程度的判斷上精確度不高。為找到一個(gè)全面的保留APR快速簡(jiǎn)便特點(diǎn)的解決辦法，采用一種和APR互補(bǔ)的技術(shù)會(huì)更實(shí)際，而非從另一個(gè)層面尋找完全不同的技術(shù)。最好的辦法就是仍利用脈沖反射技術(shù)，通過(guò)向管壁本身發(fā)射超聲脈沖，而非向包圍的介質(zhì)內(nèi)發(fā)射聲脈沖，來(lái)完成檢測(cè)。文中稱(chēng)這項(xiàng)技術(shù)為UPR——超聲脈沖反射技術(shù)，其他文獻(xiàn)中也稱(chēng)其為“導(dǎo)波”。

超聲導(dǎo)波（也稱(chēng)為“制導(dǎo)波”）的產(chǎn)生機(jī)理與薄板中的蘭姆波激勵(lì)機(jī)理相類(lèi)似，也是由于在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)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)波應(yīng)用的主要波型包括——扭曲波（Torsinal Wave，也簡(jiǎn)稱(chēng)為“扭波”）和縱波（Longitudinal Wave）。

2.3 雙脈沖技術(shù)結(jié)合[5][6]

超聲脈沖技術(shù)主要用于大型管道檢測(cè)而非熱交換器管檢測(cè)。盡管在其他文獻(xiàn)中出現(xiàn)過(guò)一些導(dǎo)波的檢測(cè)應(yīng)用，但該技術(shù)存在自身局限，所以未能取得很大的成果。然而，通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)，在不影響檢測(cè)時(shí)間的情況下，可以分別激勵(lì)并記錄這兩種類(lèi)型的脈沖（聲脈沖與超聲脈沖）。這兩種方法的結(jié)合堪比甚至超越了其他大多數(shù)檢測(cè)技術(shù)。

UPR利用在固體管壁內(nèi)傳播的彈性波和APR采用在空氣中傳播的聲波存在很大差異。最根本的區(qū)別在于在空氣或任何其他液體中傳播的波必須是縱波，即質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向是平行的。然而，在固體中，質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向是不受限的。這就使激勵(lì)和分析在固體中傳播的脈沖變的更加復(fù)雜。在NDT應(yīng)用中，如果克服了這個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，那么這些波就可以提供APR無(wú)法獲得的信息。

APR（聲脈沖檢測(cè)技術(shù)）是將一個(gè)聲脈沖注入管內(nèi)的空氣中，隨后脈沖會(huì)軸向傳播。橫截面的任何變化（無(wú)論是壁損還是堵塞造成）都會(huì)引起回波，被反射回來(lái)，這些反射會(huì)被接受并分析。由于采用的是非穿插式探頭，檢測(cè)效率大大提高。

APR可以檢測(cè)堵塞、穿孔和內(nèi)壁壁損。UPR(超聲脈沖檢測(cè)技術(shù))是眾所周知的導(dǎo)波技術(shù)的一個(gè)變體。和APR不同的是，UPR是通過(guò)一系列放入管內(nèi)部的干耦合換能器向管壁發(fā)射超聲波。和APR一樣，都是非穿插式高速檢測(cè)。UPR技術(shù)可檢測(cè)外徑磨損、內(nèi)外徑軸向和圓周裂紋、內(nèi)外徑腐蝕、內(nèi)外徑點(diǎn)蝕等缺陷。

將APR與UPR技術(shù)結(jié)合后的系統(tǒng)，可以與APR相同的速度和效率實(shí)現(xiàn)內(nèi)外徑缺陷同時(shí)檢測(cè)，如表1所示。

表1 APR和UPR對(duì)不同缺陷類(lèi)型檢測(cè)

3 檢測(cè)方法

3.1 檢測(cè)準(zhǔn)備

設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)射器和探頭組成。數(shù)據(jù)采集單元（DAU）包含工業(yè)級(jí)筆記本、專(zhuān)業(yè)軟件（采集，分析，報(bào)告）和氣動(dòng)系統(tǒng)。脈沖發(fā)射器有手持式操作單元和AD轉(zhuǎn)換組成。如圖2所示。

圖2 設(shè)備的組成

采用以色列聲眼公司的DUET雙脈沖檢測(cè)系統(tǒng)，搭配專(zhuān)業(yè)的雙脈沖檢測(cè)探頭，輸入管束基本信息，包括長(zhǎng)度、壁厚、內(nèi)徑等。激發(fā)出寬屏頻率信號(hào)，對(duì)換熱器管束進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。設(shè)備的組裝，開(kāi)機(jī)自檢，繪制管束，管束編號(hào)，輸入信息，開(kāi)始檢測(cè)，依照所編號(hào)碼順序進(jìn)行檢測(cè)，軟件自動(dòng)記錄個(gè)管束的檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行順序排列。如圖3所示。

圖3 繪制管束并進(jìn)行編號(hào)

3.2 檢測(cè)過(guò)程

在一切檢測(cè)準(zhǔn)備完成后，將發(fā)射器探頭插入管束的一端，然后開(kāi)始激發(fā)并發(fā)射脈沖波（超聲脈沖和聲脈沖波）。如圖4所示，聲脈沖波沿著管道空氣中傳播，超聲脈沖波沿著管壁管體傳播。探頭發(fā)射波并且接收反射波，通過(guò)處理單元及軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 發(fā)射并接收反射信號(hào)

4 數(shù)據(jù)分析記錄

4.1 試驗(yàn)記錄

檢測(cè)開(kāi)始后，設(shè)備自動(dòng)激發(fā)并接收反射信號(hào)。通過(guò)專(zhuān)業(yè)的接收處理器處理后，得到信號(hào)數(shù)據(jù)波形圖，并直接保存在軟件中，直至所有管束檢測(cè)完成，數(shù)據(jù)記錄如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)記錄

4.2 數(shù)據(jù)分析

UPR與APR的缺陷檢測(cè)基本原理是相似的。只要整根管的管壁是均勻的，超聲波就會(huì)直接沿管壁穿過(guò)。在APR中，任何不連續(xù)都會(huì)使回波沿管道返回，但是對(duì)于某些缺陷，APR和UPR展現(xiàn)出的特征存在很大差異。這就需要對(duì)兩種方法下缺陷的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的研究。

圖6 各缺陷對(duì)應(yīng)的信號(hào)原理圖

4.2.1 壁損

對(duì)APR來(lái)說(shuō)，壁損表現(xiàn)為橫截面的局部增加，但對(duì)UPR則為管壁本身橫截面的減少。因此，APR中，內(nèi)徑壁損表現(xiàn)為負(fù)脈沖+正脈沖（如圖6），UPR則為正脈沖+負(fù)脈沖。更重要的是，UPR反射振幅相對(duì)來(lái)說(shuō)更大。這是因?yàn)楣鼙诒旧淼臋M截面（UPR）比管壁環(huán)繞的空氣橫截面（APR）要小的多。如圖7為壁損缺陷信號(hào)圖，位于第4行第一列的管子。因此，盡管兩種技術(shù)檢測(cè)的基本方法相似，但信號(hào)極性相反，且在壁損探測(cè)上UPR比APR敏感性更高。此外，UPR可檢測(cè)外徑缺陷，雖然UPR自身無(wú)法區(qū)分內(nèi)外徑缺陷，但通過(guò)APR與UPR兩種檢測(cè)結(jié)果便可確定。

圖7 壁損缺陷信號(hào)圖

4.2.2 堵塞

如上，堵塞會(huì)引起橫截面減少，在APR檢測(cè)中表現(xiàn)為“正脈沖+負(fù)脈沖”，幾乎不用考慮堵塞原因，如鱗屑、碎片、淤泥或污水。這是因?yàn)檫@些材質(zhì)的阻抗遠(yuǎn)比空氣的大。然而，在UPR檢測(cè)中，堵塞的程度受堵塞物與管壁的緊密程度和相對(duì)阻抗大小有關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，堵塞物與管壁緊密相連，那么會(huì)引起橫截面局部增加，表現(xiàn)為“負(fù)脈沖+正脈沖”。UPR檢測(cè)信號(hào)無(wú)法提供可靠的信息，用以判斷堵塞的大小，然而，APR在此方面卻有很高的精準(zhǔn)度。如圖8所示為某次檢驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)在換熱器的第2行第9列的管子出現(xiàn)了堵塞缺陷。

圖8 管子堵塞缺陷

4.2.3 穿孔

對(duì)UPR檢測(cè)來(lái)說(shuō)，穿孔就是壁損的一個(gè)極限狀態(tài)，可以通過(guò)凹陷的深度來(lái)判斷。在深度估測(cè)中，即使一點(diǎn)小的失誤，也會(huì)將穿孔標(biāo)識(shí)為深度凹陷。然而，在APR中，壁損和穿孔的信號(hào)存在性質(zhì)上的不同，可以對(duì)穿孔進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。因而，在一個(gè)APR+UPR聯(lián)合系統(tǒng)中，APR可用來(lái)判斷穿孔缺陷。如圖9所示為穿孔缺陷。

圖9 管子R(3)C(1) 穿孔缺陷

4.2.4 裂紋

毛細(xì)裂紋只存在于管壁上，所以APR無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。裂紋造成的反射受裂紋方向的影響?？紤]一種極端情況，周向裂紋會(huì)造成軸向短距離的一個(gè)大程度不連續(xù)；軸向裂紋引起軸向長(zhǎng)距離的一個(gè)橫截面小幅度不連續(xù)。這兩種情況都可以用UPR檢測(cè)出來(lái)，峰高和內(nèi)峰間距可被用來(lái)判斷缺陷類(lèi)型。裂紋歸結(jié)為壁損的一塊，包括腐蝕，需要根據(jù)具體的情況以及得到的信號(hào)進(jìn)行綜合判斷。

5 結(jié)論及建議

（1）脈沖反射技術(shù)的兩個(gè)特性使其在管道檢測(cè)領(lǐng)域具備了特殊吸引力：高速和探頭無(wú)需穿過(guò)被測(cè)管道。這些特性是該方法優(yōu)于目前其他檢查方法的重要因素。

（2）兩種脈沖反射方法APR和UPR在很大程度上是互補(bǔ)的，所以?xún)H用其中一種方法，無(wú)法對(duì)管道進(jìn)行全面的檢測(cè)。通過(guò)將兩種技術(shù)結(jié)合，便可以檢測(cè)出熱交換器的所有缺陷，此外，該技術(shù)仍可保留各自?xún)?yōu)勢(shì)、受到的約束還比電磁方法或其他傳統(tǒng)超聲檢測(cè)要少。

[1]馬劍民,安勤崗,皺建偉,汪毅,董振軍,林俊明.《中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》DL/T 937-2005 [S].

[2]夏紀(jì)真.無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)-超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介 [J].

[3] Amir,N.,Shimony,U.,Rosenhouse,G.在取樣時(shí)間和頻率域內(nèi)理論和試驗(yàn)中管狀聲學(xué)系統(tǒng)損失量[J].Acustica - Acta Acustica:1996,82:1-8.

[4]Sharp,D.B.,Campbell,D.M.利用聲脈沖反射技術(shù)檢測(cè)管道泄露[J].Acustica,1997,83(3),560-566.

[5]Keefe,D.H.聲學(xué)波在圓柱形管道中傳播：在等溫邊界條件和非等溫邊界條件下傳輸線(xiàn)路參數(shù)近似值[J].J.Acoust.Soc.Amer.1984,75:58-62.

[6]Rose,J.L.固體介質(zhì)中的超聲波[M].英國(guó):劍橋大學(xué)出版社,1999.

Application of Dual Pulse Re fl ectometry for Heat Exchanger Tube Bundle

LIN Tong1,WANG Wen -You2,ZHU Xue -Song3
(1 Fujian Province Special Equipment Inspection Institute,Fuzhou 350008,Fujian,China)
(2 Physical Aciystics Corp.Beijing Of fi ce,Beijing 100029,Beijing China )
(3 Guo Neng NDT,Beijing 100020,Beijing China )

In this paper,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.The defects in the heat exchanger tube bundles are comprehensively inspected and analyzed using dual pulse re fl ectometry Ultrasonic Pulse Re fl ectometry and Acoustic Pulse Re fl ectometry.By analyzing the data and results,this technique could calculate of the type,size and location of the defects,and then evaluate the overall performance of the heat exchanger tube bundle.

Dual Pulse Re fl ectometry;Ultrasonic Pulse Re fl ectometry (UPR);Acoustic Pulse Re fl ectometry (APR);Heat Exchanger;Tube bundle defects

2016-12-07

林 彤，男，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，電站鍋爐檢驗(yàn)中心副主任，高級(jí)工程師

汪文有，男， 美國(guó)物理聲學(xué)公司北京代表處，聲發(fā)射技術(shù)部項(xiàng)目經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士

朱學(xué)松，男，國(guó)能中特檢測(cè)科技有限公司，雙脈沖業(yè)務(wù)部經(jīng)理，工程師