張 瑞

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

1 研究背景

電站水冷壁是主要受熱面，水冷壁由多列上升管組成，緊貼爐墻形成爐膛四周內壁或布置于爐膛中部，水冷壁的主要作用為：①吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量將水部分變成飽和蒸汽；②使爐墻壁溫度大幅下降，因而使墻壁結構簡化，減輕了爐墻的重量；③降低爐墻附近和爐膛出口處的煙氣溫度，防止和減少爐膛結渣。大型電站使用的是膜式水冷壁。如圖 1所示，水冷壁內壁為向火面，直接接觸爐堂火焰，管內容易結垢，管外易生成氧化皮和結垢，造成熱傳遞效果減弱，使得水冷壁管長期處于高溫環(huán)境中，管材易發(fā)生珠光體球化，在循環(huán)熱應力和焊接殘余應力疊加作用下，裂紋在外表面處萌生，沿著拉應力區(qū)擴展，造成疲勞開裂[1]。

近年來有很多電廠發(fā)現水冷壁管子橫向裂紋導致爆管的案例，例如玉環(huán)某電廠、安徽平圩某電廠、蕪湖某電廠、金陵某電廠、岳陽某電廠等，綜合以上電廠發(fā)生的橫向裂紋形貌進行分析，發(fā)現共同的原因就是熱疲勞應力導致的裂紋。為了有效避免和減少鍋爐爆管現象，需要加強水冷壁在役運行監(jiān)測和檢查，建立相應的評估機制和安全預警機制，有必要對水冷壁缺陷檢測做進一步研究。對于在役管道的無損檢測，通常采用超聲波、滲透、磁粉等檢測方法，但是上述方法對表面要求較高，需要大量打磨工作，而檢測效率很低，需要進行長時間檢測，并且打磨過程中可能會對管子造成磨損，使得管子壁厚變薄，安全性能降低，可能給電廠運行帶來巨大經濟損失。渦流檢測則可以有效避免上述問題。

圖1 水冷壁及熱疲勞裂紋形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of water-cooled wall and thermal

2 渦流檢測原理

渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎之上的一種無損檢測方法，它適用于導電材料。當把一導體置于交變磁場之中時，在導體中就有感應電流存在，即產生渦流。由于導體自身各種因素(如電導率、磁導率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化，會導致渦流的變化，利用這種現象判定導體性質、狀態(tài)的檢測方法，稱為渦流檢測[2]。常規(guī)單通道渦流技術，單次掃查覆蓋檢測區(qū)域小，檢測效率低。

多通道的陣列渦流技術檢測時間大幅度降低，使單次掃查覆蓋更大檢測區(qū)域；適用于那些具有復雜幾何形狀的部件的檢測；改進了檢測的可靠性和檢出率。針對水冷壁疲勞裂紋特點，采取陣列渦流檢測方式，利用多通道渦流探測儀，采用多組差動式線圈，將渦流探頭檢測面按照水冷壁曲率制作探頭曲面，這樣渦流探頭可以緊密貼合水冷壁管子表面，既能有效過濾由于水冷壁表面粗糙引起的噪聲信號，也能保證覆蓋面積，從而提高檢測效率。本文采用EEC-39RFT渦流檢測儀，采用最新研制的新型渦流探頭，如圖 2所示，探頭曲面完全貼合管子表面，一次掃查覆蓋1/4圓周，只需要 2次掃查即可完成。線圈 1、2為一組，檢測探頭弧面右側覆蓋部分區(qū)域的缺陷，線圈纏繞方向相反，3、4為一組，檢測探頭曲面右側覆蓋部分區(qū)域的缺陷，線圈纏繞方向相反，可有效減少粗糙表面造成的缺陷。

圖2 渦流探頭整體及檢測面處線圈放置示意圖Fig.2 Schematic diagram of eddy current probe and coil placement at the detection surface

3 渦流檢測方案

內蒙古某電廠共發(fā)生發(fā)生螺旋水冷壁疲勞裂紋4次爆管，全部發(fā)生在同一鍋爐。第一處位于前墻標高 35m 螺旋水冷壁；第二、三處位于后墻標高 35、38m螺旋水冷壁；第四處位于前墻標高35m螺旋水冷壁。為解決頻繁爆管問題，取現場的水冷壁樣管制作實驗樣管，為模擬現場裂紋缺陷，在取下的水冷壁樣管做電火花刻槽，制作對比樣管[3]確定檢測靈敏度，同時對現場取下的水冷壁樣管進行渦流檢測。為驗證該方法的可行性制定如下實驗方案。

對管子打磨光亮處和原始管子表面(含氧化皮)分別進行刻槽(5mm×0.5mm表示 5mm長 0.5mm深的刻槽，槽的寬度為刻槽用銅箔的厚度，所用銅箔厚度為 0.02mm)，如圖 3所示，之后進行渦流檢測，主要是研究原始表面的氧化皮及結垢對渦流檢測的影響。

以原始管子表面5mm長、0.5mm深的刻槽缺陷進行靈敏度標定，將幅值調至窗口大小的 40%，對自然缺陷渦流檢測，主要研究自然缺陷檢出率。

圖3 水冷壁對比樣管電火花刻槽位置及尺寸示意圖Fig.3 Location and size of EDM groove on water-cooled wall contrast sample tube

4 渦流檢測結果

檢測頻率 38167Hz，將探頭放置在管子表面，晃動探頭，指示電信號的中心點會出現不規(guī)則移動，移動方向為相位角相差不大的斜平行線，噪聲信號如圖 4所示。將無缺陷部位的干擾信號調為水平相位，與水平相位明顯區(qū)分的其他相位的信號即為缺陷信號，將5mm×0.5mm的刻槽信號幅值調至檢測窗口的 40%大小，增加 2～3dB為檢測靈敏度，檢測過程中，幅值代表的是缺陷的大小，記錄一個缺陷只需要記錄幅值及相位角。

對管子光滑處和氧化皮處刻槽缺陷進行對比得到結果如圖5所示。

圖4 晃動探頭干擾信號圖Fig.4 Interference signal when shaking the probe

圖5 對比樣管A、B、C、D電火花刻槽的渦流檢測結果Fig.5 Eddy current test result of EDM groove marked as A,B,C and D

通過對比發(fā)現，A、C 2個缺陷，缺陷大小相同，A處為打磨光滑處，C處為原始管子表面處，相位相差31°，幅值相差9；B、D 2個缺陷，缺陷大小相同，B處為打磨光滑處，D處為帶有氧化皮處，相位相差14°，幅值相差 48；通過對比發(fā)現缺陷無論在氧化皮處還是光滑處都會有明顯缺陷信號，原始管子表面的氧化皮及結垢對缺陷的檢出有一定影響。

對現場截取的管子進行渦流檢測，共發(fā)現 2處熱疲勞裂紋，渦流檢測及滲透檢測結果如圖6所示。

圖6 現場渦流檢測發(fā)現的缺陷進行滲透檢測驗證Fig.6 Penetration testing verification of defects found by on-site eddy current testing

將檢測之后的管子進行打磨，然后進行滲透及磁粉檢測，檢測結果與渦流檢測結果一致，僅發(fā)現上述2處熱疲勞裂紋。這說明渦流檢測結果是有效的，而且發(fā)現真實的熱疲勞裂紋其寬度更小，根據渦流檢測理論，幅值更大。

5 結 論

利用陣列渦流檢測技術可以實現水冷壁熱疲勞裂紋的在役檢測，并且不需要打磨，從而降低檢修成本，縮短檢修時間，提高檢測效率，能滿足各電廠水冷壁的檢測。通過水冷壁管道表面及近表面缺陷的全方位檢測，將潛在的危害熱疲勞裂紋提前發(fā)現，并在停機檢修期間提前修復，避免了熱疲勞裂紋擴展造成爆管帶來危害和經濟損失。