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(1.上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900；2.寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

大型鍋爐密排管束的導(dǎo)波檢測

于寶虹1,廖禮寶2,吳海軍1

(1.上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900；2.寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

許多大型工業(yè)鍋爐中的換熱設(shè)備由封閉循環(huán)的復(fù)雜密排管束組成，在設(shè)備運行的過程中，腐蝕、沖刷、振動磨損等作用會導(dǎo)致管子損傷。為檢出密排管束的管壁缺陷，采用磁致伸縮導(dǎo)波(MsS導(dǎo)波)技術(shù)，利用大型CDQ(干熄焦)鍋爐蒸發(fā)器管箱開展了試驗，包括磁致伸縮導(dǎo)波波型及頻率選擇、換能器布置與耦合方式、檢測靈敏度、脈沖回波信號分析等。通過現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用及管束解剖試驗驗證，提出MsS導(dǎo)波技術(shù)對大型鍋爐復(fù)雜密排管束缺陷檢測的特點、有效性及局限性。

密排管束；MsS導(dǎo)波；檢測靈敏度；管壁缺陷

許多大型工業(yè)鍋爐中的換熱設(shè)備是由封閉循環(huán)的復(fù)雜密排管束組成的，以某煉鐵廠大型CDQ(Coke Dry Quench 干熄焦)鍋爐為例進(jìn)行說明，其內(nèi)部換熱模塊主要由過熱器、蒸發(fā)器和省煤器3部分組成。從過熱器到省煤器的全部爐管均為水平蛇形密集排列[1]。設(shè)備使用過程中，爐管內(nèi)壁因腐蝕、沖刷、振動磨損等原因會產(chǎn)生減薄、穿孔、開裂等缺陷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致爐管泄漏及爆裂，而造成鍋爐停機(jī)。目前，國內(nèi)外還沒有一種能夠準(zhǔn)確檢測該類在役鍋爐管束缺陷、支持爐管預(yù)知維修的無損檢測方法。因此，筆者所在課題組以CDQ鍋爐密排蒸發(fā)器爐管為研究對象，通過試驗研究了磁致伸縮導(dǎo)波(MsS導(dǎo)波)技術(shù)對在役大型CDQ鍋爐內(nèi)部密排蒸發(fā)器管束缺陷的檢測能力及實踐應(yīng)用效果。

1 密排管束檢測技術(shù)研究

1.1 檢測技術(shù)的選擇

1.1.1 在役鍋爐管束檢測難點

對于CDQ鍋爐在役蒸發(fā)器管束的檢測，除去密閉空間作業(yè)環(huán)境較差等不利因素外，管子本身的結(jié)構(gòu)狀況也存在較大的局限性，管束特征及其對檢測實施的限制如表1所示。

基于管束特征，目前廣泛應(yīng)用于一般換熱器管束的渦流檢測技術(shù)(ECT)、遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)(RFEC)和內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲波檢測技術(shù)(IRIS)均無法應(yīng)用于此類鍋爐管束的檢測中。

表1 管束特征及其對檢測實施的限制

1.1.2 導(dǎo)波檢測原理

導(dǎo)波指的是在有限介質(zhì)內(nèi)平行于邊界面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波，其傳播狀態(tài)受傳播介質(zhì)幾何形狀的約束。在管道的一端激勵導(dǎo)波，當(dāng)導(dǎo)波沿?zé)o損傷管道傳播時，導(dǎo)波的相速度與群速度基本保持一致。當(dāng)導(dǎo)波在傳播過程中遇到孔洞、裂紋等界面不連續(xù)時，就會發(fā)生反射、折射、散射和模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生攜帶大量結(jié)構(gòu)局部缺陷信息的反射回波；通過對反射信號的分析，即可探知管道內(nèi)外壁缺陷的位置及腐蝕狀況，通過測量缺陷回波反射的幅值來評定損傷程度[2]。

1.1.3 用于鍋爐管束檢測的MsS導(dǎo)波技術(shù)

MsS導(dǎo)波技術(shù)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)的導(dǎo)波檢測，MsS導(dǎo)波是由材料磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械波。MsS導(dǎo)波技術(shù)可以激發(fā)縱波、扭力波、彎曲波、Lamb波等多種模態(tài)形式的導(dǎo)波。只要正確選擇導(dǎo)波模式和頻率，并控制其傳播方向，導(dǎo)波就可以從其傳感器位置沿著構(gòu)件快速傳播，瞬間即可完成對管道本體的100%體積掃描檢測[3]。對于密排窄間距排列的爐管，相比于其他檢測方法，選用MsS導(dǎo)波技術(shù)具有實施的方便性。

MsS導(dǎo)波在管道中有縱波、扭力波、彎曲波等3種模態(tài)形式存在。在較長距離的管道檢測應(yīng)用中，由于在管道的散射曲線中只有扭力波的聲速是唯一恒定不變的，因此相對來說，扭力波不受來自其他導(dǎo)波模式的干擾，有較高的信噪比。故在蒸發(fā)器管束MsS導(dǎo)波檢測時應(yīng)優(yōu)先選用扭力波模式。

1.2 蒸發(fā)器管束檢測試驗

1.2.1 試驗準(zhǔn)備

采用某煉鐵廠報廢的蒸發(fā)器管箱及同規(guī)格的備用新管進(jìn)行檢測試驗，其外觀如圖1,2所示。管子材料為20G鋼，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ25 mm×3 mm。在預(yù)檢測管束的彎頭兩側(cè)直管段、彎管段上分別加工通孔及縱橫向人工缺陷，按照一定的編號規(guī)則對密排管束逐根進(jìn)行編號。

測量管子周長，裁剪磁致伸縮帶長度約至管子周長的95%。均勻磁化后，將專用環(huán)氧膠水均勻地涂抹于磁致伸縮帶內(nèi)表面，然后將其貼于管束適當(dāng)部位，用橡膠帶纏繞，待膠水徹底凝固后，取下橡膠帶。

圖1 試驗用管箱外觀

圖2 試驗用鍋爐管束(局部)外觀

1.2.2 信號采集分析

連接MsSR3030R型導(dǎo)波檢測儀，選用頻率為32 kHz～128 kHz的磁化適配器進(jìn)行檢測試驗。

采集檢測波形，觀察信噪比及波形的特征，遇到明顯信號變化時,應(yīng)檢查其是否是由于粘貼磁致伸縮帶、磁化線圈及適配器、外部電磁干擾等原因而產(chǎn)生的。排除以上情況后，對超過設(shè)定閾值的回波信號進(jìn)行定量分析。

對于可疑回波部位，如果是管束上能夠接觸到的非阻擋部位，應(yīng)采用超聲測厚等輔助手段進(jìn)行復(fù)驗，確認(rèn)有無壁厚減薄情況。對于可疑管束可采取小錘敲擊的方式辨別回聲的差異，輔助判定管束有無異常。

1.2.3 試驗結(jié)果

(1) 經(jīng)檢測靈敏度試驗，適用于蒸發(fā)器管束缺陷檢測的頻率為64 kHz。

(2) 直管段檢測靈敏度可達(dá)φ2 mm通孔清晰顯示(見圖3)，均勻過渡的磨損減薄缺陷檢測靈敏度較低。

圖3 蒸發(fā)器U型管束檢測試驗結(jié)果

(3) 隔板無明顯回波，焊縫部位回波可準(zhǔn)確辨識，包括75°彎頭對接焊縫。

(4) 導(dǎo)波在管子U型彎頭部位波型變化復(fù)雜、聲能損失非常明顯，目前的檢測工藝還不能準(zhǔn)確辨識管束U型彎頭部位φ5 mm的當(dāng)量缺陷。

(5) 導(dǎo)波可通過兩個新管彎頭，對于報廢蒸發(fā)器管束，可通過一個U型回彎和一個75°彎，單向傳播距離約10 m。

(6) 基于管束排列規(guī)則和MsS導(dǎo)波可通過彎頭及傳播距離的情況，目前可以達(dá)到檢測第一層至第四層管束檢測的目標(biāo)。

(7) 在所選模態(tài)下，MsS導(dǎo)波對管束橫向缺陷的檢測靈敏度高于縱向缺陷。

(8) 以永久磁鐵作為管束本體磁化裝置，無法通過回波信號辨識管束缺陷。

(9) 導(dǎo)波對于管束內(nèi)部的堵塞類缺陷(非金屬氧化物)沒有信號響應(yīng)。

2 現(xiàn)場檢測技術(shù)應(yīng)用

2.1 被檢管束狀況

對某煉鐵廠在役鍋爐上的蒸發(fā)器管束進(jìn)行檢測，需要在鍋爐停機(jī)并充分冷卻、排空管內(nèi)液體介質(zhì)后實施檢測。

該臺蒸發(fā)器每組管箱有39列×19排管束，管子均蛇形排列，管子材料及規(guī)格如前所述，直管段長度5 m，管子水平間距約30 mm。

圖4 蒸發(fā)器某根管束的現(xiàn)場檢測記錄

2.2 檢測結(jié)果

在設(shè)定的檢測靈敏度下實施檢測，發(fā)現(xiàn)7根管束存在異?；夭?，異?；夭ǚ翟?.3%～10.6%。判定兩根管束(A管和B管)具有重大安全風(fēng)險，建議局部更換；另有一根管束屬于危險性較大的管束，其異?；夭ú课晃挥谙聦覷型彎后，無法對其進(jìn)行測厚復(fù)驗，建議重點監(jiān)控。圖4為某根管束的現(xiàn)場檢測記錄。

2.3 復(fù)驗與解剖試驗

2.3.1 復(fù)驗

對MsS導(dǎo)波檢測發(fā)現(xiàn)的A管問題區(qū)域壁厚進(jìn)行現(xiàn)場測厚復(fù)驗，最薄處為2.2 mm，與管子完好部位壁厚實測值(3.3 mm)相比，壁厚減薄33%。實驗室內(nèi)采用超聲掃查方式對割管后的A管減薄區(qū)進(jìn)行掃查，測得管壁厚度在2.08～2.50 mm之間，最大壁厚減薄37%，A管外觀及實驗室內(nèi)超聲復(fù)驗結(jié)果見圖5。

2.3.2 解剖試驗

基于MsS導(dǎo)波檢測結(jié)果，從現(xiàn)場截取A管束2 100 mm，對A管進(jìn)行縱剖觀察，管子內(nèi)部有不同程度的結(jié)垢堆積及腐蝕現(xiàn)象，管內(nèi)結(jié)垢層厚度1～2 mm，管子內(nèi)壁的局部紅色區(qū)域具有化學(xué)腐蝕特征(見圖6)。A管減薄處與完好管段壁厚的外觀如圖7所示。

3 結(jié)語

(1) 應(yīng)用MsS導(dǎo)波技術(shù)對在役CDQ鍋爐蒸發(fā)器密排管束的腐蝕減薄及沖刷磨損類缺陷可以實施檢測，但檢測存在一定的局限性。MsS導(dǎo)波只能檢出金屬本體缺陷，無法檢出堵塞類缺陷。

圖5 A管外觀及實驗室內(nèi)超聲復(fù)驗結(jié)果

圖6 A 管解剖觀察

圖7 A管減薄處與完好管段壁厚的外觀

(2) 導(dǎo)波對于直管段缺陷具有較高的檢測靈敏度，經(jīng)過彎頭部位可以繼續(xù)傳播并發(fā)現(xiàn)一定當(dāng)量的缺陷，但在彎頭部位靈敏度較低。目前應(yīng)用MsS導(dǎo)波技術(shù)只能檢測蒸發(fā)器上數(shù)兩排及與其相連管束的直管段缺陷。

(3) 在未找到更為優(yōu)化的有效檢測技術(shù)的情況下，MsS技術(shù)對于密排蒸發(fā)器管束局部明顯減薄缺陷的檢查，及時發(fā)現(xiàn)可能引起泄漏及爆管事故的安全隱患仍然具有重要意義。

[1] 楊紅梅.CDQ鍋爐“三管"爆漏原因分析及防范措施[J]. 化工裝備技術(shù)，2005，25(6)：39-43.

[2] 孫廣開，焦陽，李光海，等．超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測數(shù)值模擬[J]．河北工業(yè)科技，2010，27(1)：18-21．

[3] 唐董海. 超聲導(dǎo)波技術(shù)在壓力管道缺陷檢測中應(yīng)用的局限性[J]. 化工裝備技術(shù),2013，34(5)：22-23.

GuidedWaveTestingofDenseBoilerTubesofLargeBoiler

YU Baohong1, LIAO Libao2, WU Haijun1

(1.Shanghai Baosteel Industry Technology Service Co., Ltd., Shanghai 201900, China;2.Equipment Department of Baoshan Iron and Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

Heat exchangers in many large industrial boilers are made up of complex and dense boiler tubes. In the operation of the equipment, the damage of the tubes can be caused by corrosion, erosion, vibration and wear. In order to find out the wall defects of the dense boiler tubes, based on magnetostrictive guided wave technology, experimental research was carried out by using large CDQ boiler evaporator tube box. The research covered with MsS guided wave type and frequency selection, transducer arrangement and coupling mode, detection sensitivity and pulse echo signal analysis. Through field application and furnace tube dissection test, the characteristics, effectiveness and limitations of MsS guided wave technology in large boiler complex waste pipe inspection are presented.

dense boiler tube; MsS guided wave; test sensitivity; wall defect

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0036-04

2017-06-25

于寶虹(1969-)，女，高級工程師，主要從事工業(yè)設(shè)備無損檢測技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)工作

于寶虹，yubaohong@yeah.net

10.11973/wsjc201712008