馮 俊，王 波，祁 攀

(1.核動力運行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

熱交換器換熱管內壁渦流檢測顯示判定方法

馮 俊1，王 波1，祁 攀2

(1.核動力運行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

針對在熱交換器換熱管渦流檢測過程中遇到的內壁附著物、磁導率變化等渦流信號與真實的內壁缺陷信號特征基本一致，且用常規(guī)的分析方法難以辨別的問題，通過在實驗室條件下利用實際缺陷換熱管和人工缺陷試驗管相結合的方法，得出了內壁缺陷與偽缺陷的判定方法，對Bobbin和旋轉探頭內壁缺陷的檢測能力進行了驗證，并通過對內壁缺陷的渦流檢測深度與金相檢驗深度進行對比分析，得出其定量檢測偏差的范圍,為渦流檢測內壁顯示的定性和內壁缺陷的定量檢測提供技術支持。

熱交換器；換熱管；渦流檢測；內壁顯示；定性檢測；定量檢測

熱交換器作為核電站二回路系統(tǒng)的重要設備，起著將二次側汽輪機乏汽冷凝成水的重要作用。在冷凝過程中，換熱管通過大量海水將乏汽冷凝，但海水中的大量石灰質和礦物鹽類易沉積在換熱管內壁，藻類和貝類等有機物也易在換熱管內壁生長，這些雜質的引入會對換熱管產(chǎn)生不同程度的腐蝕。實踐表明，換熱管磁導率的變化、內壁附著物、內壁缺陷等在渦流檢測時均呈現(xiàn)出渦流信號特征，從而給真實缺陷信號的提取和識別增加了一定的難度，因此換熱管內壁顯示的準確判定是主要難點之一。在渦流檢測過程中遇到內壁顯示時，通常采用更換磁飽和探頭、多次復查確認信號相對位置變化或附加內窺鏡視頻檢測等方法予以排除或確認，但這些方法僅能排除少部分內壁顯示信號。因此，針對換熱管內壁顯示的判定開展專項研究具有重要意義，筆者通過金相檢驗分析確認換熱管主要缺陷形式為內壁點蝕，結合渦流檢測和內窺鏡視頻檢測結果，從中選取了不同深度的40處內壁點蝕缺陷進行內壁顯示定性和內壁缺陷定量分析[1-2]，總結出一套關于換熱管內壁缺陷的準確判定方法。

1 試驗方案

1.1內壁顯示準確定性方案設計

為了準確區(qū)分偽信號和真實內壁缺陷信號，針對目前已知內壁附著物、內壁缺陷以及貫穿性缺陷等，利用實際換熱管和試驗管模擬相結合的方法，分別采用Bobbin探頭和旋轉探頭進行檢測，分析和對比了相應的渦流信號特征，找出可能的差異用于指導區(qū)分內壁顯示。

1.1.1 內壁標定管和試驗管設計

(1) 內壁標定管設計

根據(jù)熱交換器設計單位有關換熱管內壁缺陷機理的研究成果，參考ASME標準《鍋爐及壓力容器規(guī)范》設計內壁平底孔標定管(見圖1)，具體設計方法為：① 沿軸向360°均勻分布的4個通孔的直徑均為0.66 mm；② 1個從內壁鉆入的通孔的直徑為1.3 mm；③ 5個從內壁鉆入的平底孔，直徑分別為2.0，2.8，4.8，4.8，4.8 mm，對應深度分別為壁厚的80%，60%，40%，20%，10%。

圖1 內壁標定管結構示意

(2) 試驗管設計

結合渦流檢測遇到的缺陷形式(主要為點蝕坑和貫穿性缺陷)，設計了內壁平底孔和通孔兩類試驗管，其中內壁平底孔試驗管用于確認Bobbin探頭和旋轉探頭的檢測能力[3]，從而為真實的缺陷檢測能力提供依據(jù)，通孔用來模擬貫穿性缺陷。采用控制變量法，內壁平底孔試驗管(見圖2)具體設計方法為：① 4個深度為壁厚10%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm；② 4個深度為壁厚20%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm；③ 4個深度為壁厚40%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm。

圖2 內壁平底孔試驗管結構示意

圖3 通孔試驗管結構示意

通孔試驗管(見圖3)的孔徑分別為：0.3，0.5，1，1.5，2，3，4，5，6 mm。

1.1.2 貫穿性缺陷對內壁顯示判定影響分析

采用渦流探頭檢測通孔試驗管，分析其渦流信號特征，重點關注較大直徑通孔渦流信號的幅值、相位等。

1.1.3 頻率變化對內壁顯示判定影響試驗

根據(jù)熱交換器換熱管檢測程序要求，換熱管實際檢測時的頻率為：170，100，50，25 kHz(其中主頻通過渦流頻率計算公式[4]和渦流標定管試驗信號驗證相結合的方式獲得)，為了分析不同試驗頻率下同一內壁缺陷渦流信號相位角的變化規(guī)律，繪制不同深度內壁缺陷相位角與檢測頻率的關系曲線，試驗階梯型選取11組試驗頻率來獲得關系曲線，觀察其渦流信號變化特征，具體的頻率選擇參數(shù)如表1所示。

表1 試驗頻率選擇 kHz

1.1.4 實際附著物對內壁顯示判定影響分析

實際附著物對內壁顯示判定的影響根據(jù)實際換熱管開展，主要流程如圖4所示。

圖4 內壁附著物對渦流信號的影響分析流程

(1) 樣管篩選：根據(jù)渦流和視頻檢測結果，篩選不同區(qū)域具有明顯內壁附著物特征的樣管。

(2) 內壁附著物去除：采用化學清洗方法完全去除內壁附著物，為后續(xù)渦流檢測和內窺鏡視頻分析提供基礎。

(3) 清洗前后的渦流和視頻信號分析：針對篩選的樣管，對比清洗前后相同位置的渦流信號，直觀分析內壁附著物對于渦流信號的影響情況。

1.2內壁缺陷準確定量方案設計

通過渦流檢測結果和內窺鏡視頻確認，分別選擇一定數(shù)量的不同深度范圍的缺陷進行金相檢驗，測量缺陷實際大小和深度，并與渦流檢測結果進行對比，通過數(shù)學計算方法進行偏差分析進而給出誤差范圍。

1.2.1 內壁缺陷選擇

根據(jù)Bobbin渦流檢測結果，采用內窺鏡視頻確認，分別選擇一定數(shù)量不同深度范圍的缺陷，在進行金相檢驗前完成數(shù)據(jù)的采集，不同缺陷深度范圍內的缺陷取樣個數(shù)見表2,Bobbin數(shù)據(jù)采集次數(shù)為7次。

表2 不同深度范圍內的缺陷取樣個數(shù)

1.2.2 金相檢驗的缺陷深度準確定量

通過金相檢驗[5]和內窺鏡視頻觀察可知，換熱管內壁缺陷主要為點蝕坑[6]，并且都能被獨立發(fā)現(xiàn)，因此僅需在實驗室條件下就可對點蝕坑缺陷進行金相檢驗，從而確定缺陷實際深度。典型的點蝕坑渦流信號和對應的內窺鏡照片見圖5。

圖5 典型的點蝕坑渦流信號和對應的內窺鏡照片

1.2.3 缺陷定量偏差分析

篩選具有內壁缺陷的換熱管進行渦流檢測，采用Bobbin探頭進行深度定量檢測，通過定量偏差分析，并結合金相解剖深度，獲取其定量偏差帶。主要的分析步驟為：

(1) 對采集的渦流數(shù)據(jù)按照相應的分析步驟進行缺陷深度定量。

(2) 分析缺陷的金相解剖定量深度。

(3) 直觀分析兩者的定量偏差。

2 試驗方法

2.1試驗設備

(1) 對含有內壁缺陷的換熱管和人工缺陷的試驗管進行數(shù)據(jù)采集和分析所需的主要設備包括：OMNI-200R渦流儀、渦流探頭(Bobbin和旋轉探頭)、渦流數(shù)據(jù)采集和分析軟件、內窺鏡等，渦流采集和分析系統(tǒng)見圖6。

圖6 渦流采集和分析系統(tǒng)

(2) 對含有內壁缺陷的換熱管進行金相解剖以及附著物清洗所需的主要設備包括：金相試樣研磨機、OLYMPUS-BHMJ金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、化學清洗試劑等。內壁缺陷試樣需要40個。

2.2數(shù)據(jù)采集和分析

(1) 采用Bobbin探頭對內壁缺陷換熱管進行全管檢測，依據(jù)分析結果確定內壁顯示的大致位置，通過內窺鏡觀察確認其位置并定位后,進行旋轉探頭數(shù)據(jù)采集(采集頻率分別為170，100，50，25 kHz)，最后從中選取40個典型的內壁缺陷試樣進行切割、研磨、微觀金相分析和測量等，從而確定缺陷長度、寬度和深度，金相解剖過程見圖7。

圖7 內壁缺陷試樣的金相解剖過程

(2) 分別采用Bobbin和旋轉探頭對人工缺陷試驗管進行數(shù)據(jù)采集分析，依據(jù)分析結果確定目前渦流檢測方法對于人工缺陷試驗管上內壁平底孔和通孔的最小檢測能力，以及貫穿性缺陷對內壁顯示判定的影響(采集頻率分別為170，100，50，25 kHz)。

(3) 通過改變Bobbin探頭檢測頻率對人工缺陷試驗管進行數(shù)據(jù)采集和分析，從而確認內壁點蝕缺陷隨頻率變化的特征規(guī)律。

2.3試驗結果

(1) Bobbin探頭可檢測出直徑0.3 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內壁平底孔(見圖8)。

(2) 旋轉探頭可檢測出直徑0.5 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內壁平底孔(見圖9)。

圖8 Bobbin探頭檢測靈敏度

圖9 旋轉探頭檢測靈敏度

2.3.1 貫穿性缺陷對內壁顯示判定影響試驗

通孔試驗管渦流檢測結果見表3，通過分析可知：相位隨孔徑的增大而逐漸減小，某些較大直徑的通孔，如孔徑不小于2 mm時，其相位角小于40°，表現(xiàn)為“內壁角度”。

表3 通孔試驗管渦流檢測結果

2.3.2 Bobbin探頭頻率變化影響試驗

根據(jù)Bobbin探頭頻率變化影響試驗參數(shù)(見表1)，分析不同試驗頻率下同一內壁缺陷渦流信號相位角變化規(guī)律，繪制不同深度內壁缺陷相位角與檢測頻率的關系曲線(見圖10)。通過分析可知：在目前實際檢測頻率下(170，100，50，25 kHz)，換熱管內壁缺陷相位角基本隨頻率的降低而增加。

圖10 不同深度內壁缺陷相位角與檢測頻率的關系曲線

2.3.3 實際附著物對內壁顯示判定影響試驗

(1) 實驗室條件下化學清洗試驗

從40個缺陷試樣中選取4個進行化學清洗試驗，通過SEM觀察到4個試樣經(jīng)清洗后內壁均呈現(xiàn)金屬本色，與基體成分無明顯差別，說明清洗效果良好，能夠有效去除換熱管內壁附著物。某試樣清洗前后的SEM形貌見圖11。

圖11 某試樣清洗前后的SEM形貌

(2) 清洗前后渦流信噪比測量以及內壁顯示信號對比

為了確定實際附著物對內壁顯示判定的影響，對化學清洗前后4根換熱管渦流檢測信噪比進行測量(結果見表4)，同時分別對4根換熱管內壁顯示信號進行分析對比，確認清洗前后變化情況。通過信噪比測量以及內壁顯示信號對比可知：① 清洗前后換熱管信噪比略有變化；② 清洗前后所有可記錄內壁顯示無變化，確認附著物對內壁顯示判定無影響。

表4 4根換熱管清洗前后信噪比測量結果

2.3.4 “類PVN(Permeability Variation)”內壁顯示

由于此種內壁顯示信號與PVN(磁導率變化引起的內壁顯示信號，通常采用更換磁飽和探頭再次復查就能定性檢測)信號相似，故把此類信號定義為“類PVN”內壁顯示。在核電站的某次大修中，多根換熱管上都檢測出此種內壁顯示，但通過后續(xù)復查和跟蹤渦流檢測信號，其中大部分信號都消失或者顯示無顯著變化，因此可確定此類內壁顯示為偽缺陷顯示，典型“類PVN”內壁顯示信號如圖12所示。通過對大部分“類PVN”內壁顯示渦流信號進行分析，發(fā)現(xiàn)其具有如下特征：

(1) 信號非常尖銳，呈細長的“8”字形。

(2) 相位角隨頻率降低先減小(或不變)再增大，并且相位角變化范圍較小。以某一內壁顯示為例，在CH1通道下(170 kHz)相位角為28°，CH3通道下(100 kHz)相位角為24°，CH5通道下(50 kHz)相位角為29°。

圖12 “類PVN”內壁顯示信號示例

(3) 絕對通道信號很平，垂直分量上無明顯信號。2.3.5 缺陷定量偏差分析及數(shù)學計算

(1) 內壁缺陷金相解剖結果

金相組織為單相組織，腐蝕坑根部未見微觀裂紋(見圖13)；典型的腐蝕坑形貌及測量方法如圖14所示。

圖13 內壁缺陷金相組織分析

(2) 缺陷定量偏差分析

根據(jù)研究方案要求，結合渦流檢測和內窺鏡視頻檢測結果，選取了不同深度的40處內壁缺陷開展缺陷定量分析研究。定量偏差分析主要是缺陷深度定量的偏差分析。針對缺陷深度范圍分段，根據(jù)渦流分析和金相解剖結果，定義缺陷深度定量偏差為渦流定量深度與金相解剖深度之差。由于40處缺陷的數(shù)據(jù)量較大，故僅列舉了不同深度范圍分段內的最大和最小定量偏差(見表5)。

在缺陷歸一化深度分段的情況下，內壁點蝕坑缺陷深度定量偏差基本在±20%以內。

圖14 典型的腐蝕坑形貌及測量方法示例

缺陷編號渦流分析結果金相解剖結果幅值/V相位/(°)深度/%最大深度/mm占壁厚/%定量偏差/%深度范圍/%14.087180.3225.6-7.623.328200.1814.45.60～20311.019230.4737.6-14.642.5311280.2822.45.620～3052.8214350.2923.211.867.8812300.5040.0-10.030～40712.2829730.6652.820.289.8516400.7257.6-17.6大于40

3 結論

(1) 目前Bobbin探頭可檢測出直徑0.3 mm通孔以及10%壁厚(孔徑1 mm)內壁平底孔，旋轉探頭可檢測出直徑0.5 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內壁平底孔。

(2) 不同孔徑通孔相位隨孔徑的增大而逐漸減小，某些較大直徑的通孔，如孔徑不小于2 mm時，其相位角小于40°，表現(xiàn)為“內壁角度”。

(3) 換熱管內壁缺陷主要是點蝕缺陷，腐蝕坑根部未見微觀裂紋，其松散內壁附著物對缺陷信號判定無影響。

(4) 內壁點蝕缺陷Bobbin探頭信號相位角隨頻率降低逐漸增加，偽缺陷Bobbin探頭信號相位角隨頻率降低先減小(或不變)后增加。

(5) 渦流定量深度與金相解剖深度分析對比表明，現(xiàn)有相位深度判傷曲線對換熱管內壁不同深度范圍點蝕缺陷的定量偏差基本在±20%以內。

[1] 祁攀，王波，邵文斌，等.換熱管內壁缺陷渦流檢測的定量方法[J].無損檢測，2010，32(10)：60-63.

[2] 劉一舟，曹剛，王曉翔.核電站鈦管內壁缺陷判傷曲線[J].無損檢測，2010，32(9)：719-721.

[3] 王元輝，袁驪.蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測能力試驗[J].無損檢測，2014，36(9)：11-13.

[4] 任吉林，林俊明，徐可北.渦流檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5] 曾玉華，吳海林，韓捷，等.臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測信號的準確性[J].無損檢測，2016，38(1)：34-37.

[6] 丁訓慎.核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的點腐蝕及其防護[J].腐蝕與防護，2007，28(7)：364-366.

TheJudgmentMethodofInnerWallIndicationbyEddyCurrentTestingforHeatExchangerTubes

FENG Jun1, WANG Bo1, QI Pan2

(1.Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430223, China；2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

It is known that the eddy current signal due to adhered material in inner wall and permeability variation has the same characteristics with that of eddy current signal of real defect during test, the two types of signals are therefore difficult to be distinguished by the conventional method. For the purpose of comparison, tests were carried out for a heat-exchange tube with real defect and for an experimental tube with artificial defect, thus to obtain the judgment method for inner wall real defect and pseudo defect. At the same time, the capability of Bobbin and MRPC probe was verified, and then the quantitative deviation of the test depth of inner wall defect and metallographic anatomy depth was found, which may provide the technical support for the qualitative appraisal of inner wall defect indication and its quantity.

heat exchanger；heat exchange tube；eddy current testing；inner wall indication；qualitative detection；quantitative detection

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0043-06

2016-12-23

馮 俊(1982-)，男，工程師，主要從事核設備的渦流檢測和相關技術工作

馮 俊，297154546@qq.com

10.11973/wsjc201709011