劉 峰，李宏偉，張雙楠，蔡桂喜，李建奎

(1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；3.中國科學(xué)院金屬研究所 分析測試中心，沈陽 110016)

耐熱奧氏體不銹鋼在高溫下具有較高的強(qiáng)度、良好的蒸汽氧化耐性、良好的爐面腐蝕耐性和足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于制氫轉(zhuǎn)換爐和乙烯裂解爐等.該不銹鋼一般工作溫度為600～1 000 ℃，壓力為2～3 MPa，在長期高溫高壓的工作環(huán)境下，管的內(nèi)外壁難免會產(chǎn)生腐蝕(碳化)和氧化產(chǎn)物，如圖1、2所示.外側(cè)氧化層與基體結(jié)合牢固，內(nèi)側(cè)腐蝕層疏松.腐蝕層是由于爐管在高溫下工作時(shí)，處于材料的敏化溫度范圍，并且材料Cr的含量較高，能引起貧鉻效應(yīng)，發(fā)生鉻碳化物的沉淀和奧氏體基體中鉻含量的減少[1-3].當(dāng)鉻含量下降到鈍化所需要的極限含量12.5%以下時(shí)，貧鉻區(qū)與晶粒間將構(gòu)成腐蝕微電池，貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)作為陽極，晶粒是陰極，并且貧鉻區(qū)面積小，晶粒面積大，形成小陽極大陰極腐蝕狀態(tài)，造成貧鉻區(qū)嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而使得奧氏體管性能下降，使用壽命縮短.根據(jù)Juan的研究，當(dāng)腐蝕層厚度達(dá)到管壁厚的7.5%時(shí)，奧氏體管的性能開始出現(xiàn)較為明顯的下降.當(dāng)腐蝕層厚度超過管壁厚的39%時(shí)，奧氏體管的綜合性能已不能滿足制氫轉(zhuǎn)化爐等對管道安全運(yùn)行的最低要求，必須進(jìn)行割管處理.因此，準(zhǔn)確測量奧氏體管內(nèi)壁腐蝕層厚度，可以對制氫轉(zhuǎn)換爐和乙烯裂解爐等的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效評估，保證其生產(chǎn)的安全進(jìn)行[4-6].

圖1 奧氏體原管與實(shí)驗(yàn)用管形貌

圖2 實(shí)驗(yàn)用管形貌

在臨界鉻含量以下，奧氏體基體在室溫下表現(xiàn)出鐵磁行為，其特征允許使用磁傳感器來檢測腐蝕層情況.現(xiàn)存方法中常常將磁傳感器耦合在管外壁，利用磁飽和降低管外壁氧化層對檢測信號的影響，通過磁通密度的變化從而測量出腐蝕層的厚度.該方法較為復(fù)雜，在現(xiàn)場不易操作，而且受到偏置磁場的影響，霍爾傳感器的測量值會存在偏差.因此，本文提出了先采用低頻渦流檢測，再利用高頻渦流檢測結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得出內(nèi)壁腐蝕層厚度值的檢測方法.

1 成分組成與磁學(xué)性能測量

為了盡可能提高有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在構(gòu)建仿真模型前需要了解耐熱奧氏體不銹鋼管在服役過程中內(nèi)、外壁形成的腐蝕層與養(yǎng)護(hù)層的成分組成，因此，利用掃描電鏡(SEM)對奧氏體管內(nèi)壁進(jìn)行了微觀分析，如圖3所示.

圖3 內(nèi)壁形貌及腐蝕產(chǎn)物成分譜線

從奧氏體管內(nèi)壁的微觀形貌圖3a、b可以看出，其內(nèi)壁覆蓋了大量的腐蝕產(chǎn)物.圖3c、d為內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的元素能譜圖，具體元素組成如表1所示.從表1可以看出，內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物局部含有較多的O和Fe元素，且局部發(fā)生Al元素富集.

表1 內(nèi)壁表面能譜分析結(jié)果

為進(jìn)一步確定內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物與氧化物的成分，對內(nèi)、外表面進(jìn)行了X射線衍射分析，如圖4、5所示.XRD圖譜表明，奧氏體管內(nèi)壁Fe3O4的衍射峰值較大，外表面FeCr2O4的衍射峰值較大，該結(jié)果與EDS分析結(jié)果中元素組成吻合，從而可以推測內(nèi)壁腐蝕層主要成分為Fe3O4，其具有較大的磁導(dǎo)率，會對渦流檢測信號產(chǎn)生明顯的影響，因此，可以用渦流檢測技術(shù)進(jìn)行腐蝕層厚度的測量.

圖4 奧氏體管內(nèi)壁的XRD圖譜

圖5 奧氏體管外壁的XRD圖譜

磁導(dǎo)率作為渦流檢測系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，該數(shù)值的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的可靠程度.因此，對實(shí)驗(yàn)用管外側(cè)氧化層、中間奧氏體和內(nèi)側(cè)腐蝕層各自的磁導(dǎo)率測量是非常必要的.本文采用MPMS磁學(xué)測量系統(tǒng)對其進(jìn)行了磁導(dǎo)率的測量，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)用管三層結(jié)構(gòu)磁性能測量數(shù)據(jù)

磁導(dǎo)率計(jì)算公式為

B=μH=μ0μrH

(1)

B=μ0(H+M)

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)解得

(3)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為絕對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對磁導(dǎo)率；H為磁場強(qiáng)度；M為磁矩.由測量數(shù)據(jù)可以看出，這與金相、能譜分析結(jié)果是一致的，內(nèi)壁腐蝕層有較高的磁導(dǎo)率，因而再次證明內(nèi)壁腐蝕層可以對渦流信號作出明顯的響應(yīng)，使用渦流技術(shù)進(jìn)行檢測腐蝕層厚度的方案是可行的.

2 奧氏體管內(nèi)壁腐蝕層渦流檢測機(jī)理仿真

耐熱奧氏體不銹鋼在服役過程中外壁會發(fā)生氧化生成氧化層，內(nèi)壁會發(fā)生腐蝕生成腐蝕層.故而研究在役奧氏體管可將其簡化為氧化層、奧氏體和腐蝕層組成的三層結(jié)構(gòu)，通過對三層結(jié)構(gòu)頻域下渦流檢測機(jī)理的仿真計(jì)算研究，可以直觀地了解到不同情況下奧氏體管的磁場強(qiáng)度變化，通過數(shù)據(jù)處理還可以進(jìn)一步了解該模型不同腐蝕層厚度、不同氧化層厚度以及不同檢測頻率條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，從而提出可行的檢測耐熱奧氏體不銹鋼內(nèi)壁腐蝕層厚度的方法[7-9].

2.1 仿真模型的建立

在建立仿真模型時(shí)，由于檢測方法是局部渦流點(diǎn)接觸檢測，所以可以用平板來代替管，簡化模型，減小計(jì)算量，對該檢測機(jī)理的研究不會產(chǎn)生大的影響.由于渦流檢測探頭與三層板結(jié)構(gòu)均是以管軸線為中心呈軸對稱的模型，故建立了頻域下的二維軸對稱仿真模型，模型示意圖如圖6所示.

圖6 仿真模型示意圖

最終效果圖可通過對稱軸旋轉(zhuǎn)得到，如圖7所示.仿真模型由空氣域、激勵(lì)線圈、氧化層、奧氏體層和腐蝕層組成，各部分的尺寸如表3所示.為了方便更改模型各部分尺寸，提高仿真研究效率，對模型各部位尺寸以參數(shù)形式設(shè)置，同時(shí)規(guī)劃了參數(shù)化掃描，可一次性得出一組不同尺寸模型的仿真結(jié)果.

圖7 多頻渦流仿真模型

表3 仿真參數(shù)

對仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格劃分類型與尺寸如表4所示，網(wǎng)格單元總數(shù)為487 023.在渦流檢測探頭與氧化層、奧氏體層、腐蝕層相接觸的區(qū)域，設(shè)置了20 mm×20 mm的網(wǎng)格控制邊，對該區(qū)域設(shè)置了最大值為0.1 mm的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn).關(guān)鍵部位小區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化可以加快仿真模型的收斂，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.

表4 網(wǎng)格劃分類型與尺寸

2.2 仿真模型渦流檢測時(shí)磁場分布情況分析

仿真模型采用低頻渦流進(jìn)行檢測時(shí)，磁力線可以穿過整個(gè)試塊，三層結(jié)構(gòu)都會形成感生渦流，故而整個(gè)模型的磁場變化同時(shí)受到外側(cè)氧化層、中間奧氏體層和底端腐蝕層的影響.圖8為低頻渦流磁場分布.在100 Hz檢測頻率下，三層結(jié)構(gòu)的磁場強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于0，而且沿著氧化層向腐蝕層過渡過程中，磁通密度模呈現(xiàn)出衰減的趨勢.在到達(dá)內(nèi)側(cè)腐蝕層時(shí)，磁通密度模較其上側(cè)的奧氏體層有明顯的增加，然后再逐漸衰減.這是由于腐蝕層有較大的磁導(dǎo)率，對磁力線的聚集能力較強(qiáng)的緣故.由此可以得出，低頻渦流檢測時(shí)磁場強(qiáng)度會隨腐蝕層厚度的不同發(fā)生明顯的改變，因此，采用低頻渦流檢測腐蝕層厚度是可行的[10-14].

圖8 低頻渦流磁場分布

運(yùn)用高頻渦流檢測時(shí)，由于集膚效應(yīng)的影響，磁力線無法到達(dá)內(nèi)側(cè)腐蝕層，所以仿真模型的磁場變化只受到氧化層與奧氏體層的影響，而與腐蝕層無關(guān).圖9為高頻渦流磁場分布.在1 MHz檢測頻率下，磁場主要聚集在上表面，底層腐蝕層磁通密度模幾乎為0.因此，可以采用高頻渦流測量氧化層的厚度，同時(shí)將其作為修正參數(shù)對低頻渦流檢測信號進(jìn)行修正，從而使得腐蝕層的測量值更加準(zhǔn)確.

圖9 高頻渦流磁場分布

2.3 低頻渦流條件下檢測信號變化規(guī)律分析

對現(xiàn)場替換下的實(shí)驗(yàn)用管統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)外壁氧化層厚度都不超過0.8 mm，所以在研究低頻條件下不同厚度的腐蝕層對渦流檢測信號的影響變化時(shí)，選取了0.8 mm的氧化層厚度為基礎(chǔ)條件.通過在頻域下的仿真研究發(fā)現(xiàn)，固定氧化層厚度，在不同檢測頻率(100～1 000 Hz)下，隨著腐蝕層厚度的增加，渦流檢測信號的變化規(guī)律相同.其中，在100 Hz檢測頻率進(jìn)行檢測時(shí)，探頭正下方磁場強(qiáng)度Bz的變化情況如圖10a所示.在探頭內(nèi)徑中心正下方磁場強(qiáng)度為最大值且保持不變，在2.5 mm處磁場強(qiáng)度開始以線性函數(shù)關(guān)系遞減.經(jīng)過對數(shù)據(jù)歸一化處理，如圖10b所示，以0 mm厚腐蝕層為參考零點(diǎn)，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場強(qiáng)度Bz與參考零點(diǎn)的差值也在變大.由于渦流是對線圈內(nèi)的磁通量總體值進(jìn)行檢測，并且該仿真模型是軸對稱的，所有的仿真數(shù)據(jù)都是從旋轉(zhuǎn)之后的三維模型而來，所以對圓形橫截面區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，如圖10c所示.在氧化層厚度、檢測頻率固定時(shí)，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場強(qiáng)度Bz的積分呈拋物線的函數(shù)關(guān)系增加.

圖10 腐蝕層厚度變化對磁場強(qiáng)度的影響

在渦流檢測中，檢測信號幅值變化是表征檢測對象性能最為重要的參數(shù)之一，如圖11所示.氧化層厚度為0.8 mm時(shí)，100 Hz檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的增加，幅值呈線性函數(shù)關(guān)系遞增，而其角度只在有無腐蝕層處發(fā)生突變，并不隨腐蝕層厚度變化而發(fā)生明顯的改變.這是由于腐蝕層導(dǎo)電率很低，與奧氏體層相比產(chǎn)生的感應(yīng)渦流很弱，對檢測探頭相位角度變化的影響幾乎可以忽略.通過對比發(fā)現(xiàn)，渦流檢測信號幅值隨腐蝕層厚度變化規(guī)律明顯，且數(shù)據(jù)易于處理.最終選取檢測信號幅值作為渦流檢測奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的表征參數(shù).

圖11 腐蝕層厚度對檢測信號幅值與角度的影響

圖12為低頻檢測信號隨腐蝕層厚度的變化.當(dāng)使用低頻渦流(100～1 000 Hz)檢測時(shí)，只要氧化層厚度固定不變，渦流檢測信號幅值就會隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增加.因此，采用低頻渦流檢測奧氏體不銹鋼管時(shí)，根據(jù)檢測信號幅值的測量值大小得出其內(nèi)壁腐蝕層厚度的方法是正確的，但還需解決氧化層厚度的測量問題.

圖12 低頻檢測信號隨腐蝕層厚度的變化

2.4 高頻渦流條件下檢測信號變化規(guī)律分析

圖13為高頻檢測信號隨氧化層和腐蝕層厚度的變化.在檢測頻率為100 kHz時(shí)，若氧化層厚度固定不變，渦流檢測信號幅值就唯一確定，其值不隨腐蝕層厚度的變化而產(chǎn)生改變，這與圖8得出的結(jié)論相一致.因此，在高頻渦流條件下，通過仿真數(shù)據(jù)可以得出氧化層厚度變化與渦流檢測幅值的關(guān)系，從而解決氧化層厚度測量的問題.當(dāng)檢測頻率為100 kHz時(shí)，隨著氧化層厚度的增加，渦流檢測信號幅值呈線性增大.在此頻率下對樣管進(jìn)行標(biāo)定測量之后，即可對奧氏體不銹鋼管氧化層的厚度進(jìn)行測量.

圖13 高頻檢測信號隨氧化層和腐蝕層厚度的變化

2.5 不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度渦流測量方法

由于腐蝕層厚度與低頻渦流檢測信號幅值成正比，外壁的氧化層厚度會影響渦流信號的幅值，但高頻渦流可以測量出氧化層厚度，根據(jù)氧化層厚度選取相關(guān)低頻渦流測量幅值與腐蝕層厚度的關(guān)系曲線，可求解得出腐蝕層的厚度值.具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)對現(xiàn)場原管進(jìn)行高、低頻渦流檢測，采集標(biāo)定零點(diǎn)的渦流信號.

2)對具有已知氧化層厚度的樣管進(jìn)行高頻渦流檢測，結(jié)合標(biāo)定零點(diǎn)繪制出氧化層厚度與渦流檢測信號幅值的線性關(guān)系圖.在實(shí)際檢測時(shí)，通過對高頻渦流條件下的測量值與該圖相對應(yīng)即可得到氧化層厚度值.

3)對具有已知腐蝕層厚度的標(biāo)定樣管(包含無氧化層與有已知氧化層兩種樣管)進(jìn)行低頻渦流檢測，結(jié)合標(biāo)定零點(diǎn)繪制出兩條不同氧化層情況下腐蝕層與渦流檢測信號的線性函數(shù)關(guān)系圖.在實(shí)際檢測時(shí)，以高頻渦流檢測得出的氧化層厚度為基礎(chǔ)，通過低頻渦流條件下的測量值與標(biāo)定曲線之間的函數(shù)關(guān)系，最后解出具體的腐蝕層厚度值.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真模型，自制了與仿真模型相同參數(shù)的渦流檢測探頭，使用愛慕迪便攜式渦流儀對某瀝青股份有限公司提供的制氫轉(zhuǎn)化爐樣管在1與100 kHz頻率下進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn).該管規(guī)格為φ40×6.3 mm，設(shè)計(jì)溫度為855 ℃，介質(zhì)溫度為800 ℃，工作壓力為2.7 MPa.測量得氧化層厚度與腐蝕層厚度數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 實(shí)驗(yàn)樣管氧化層與腐蝕層厚度測量值

為了驗(yàn)證氧化層對檢測結(jié)果的影響，在四個(gè)測量點(diǎn)打磨掉氧化層后再次進(jìn)行了檢測.利用MATLAB程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出了100與1 kHz檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的變化，有氧化層和無氧化層情況下，檢測信號幅值的變化規(guī)律，如圖14、15所示.

圖14 100 kHz頻率下檢測結(jié)果圖

圖15 1 kHz頻率下檢測結(jié)果圖

從圖14、15中可以看出，當(dāng)檢測頻率為100 kHz時(shí)，打磨掉氧化層后的檢測值較有氧化層時(shí)的檢測信號幅值有明顯降低，而且不論有氧化層還是打磨掉氧化層后的檢測值都隨著腐蝕層厚度的變化保持不變，這與仿真結(jié)果圖13所得出的規(guī)律相一致.當(dāng)檢測頻率為1 kHz時(shí)，有氧化層與打磨掉氧化層后的檢測值都隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增大，與仿真結(jié)果圖12所得出的規(guī)律相符.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析可驗(yàn)證仿真模型是正確的，根據(jù)仿真規(guī)律提出腐蝕層厚度的測量方法是可行的.

4 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建三層結(jié)構(gòu)(氧化層、奧氏體層與腐蝕層)的二維軸對稱仿真模型，研究了不同頻率、不同氧化層厚度、不同腐蝕層厚度對渦流檢測信號的影響.由仿真結(jié)果可得：

1)隨著氧化層與腐蝕層厚度的增加，渦流檢測信號的幅值會增大，而相位角基本不變.

2)低頻渦流(1 kHz及以下)檢測時(shí)，隨著奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的增加，檢測信號的幅值大致呈線性增加，可以在此頻率下進(jìn)行腐蝕層厚度的測量，但是氧化層厚度不同會影響檢測信號的分析.

3)高頻渦流(100 kHz及以上)檢測時(shí)，奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度對檢測信號沒有影響，檢測信號的幅值隨氧化層厚度的增加大致呈線性增加，可以在此頻率下進(jìn)行氧化層厚度的測量，并以此為條件，對低頻渦流測量信號進(jìn)行分析求解，得到腐蝕層厚度值.

同時(shí)，在1和100 kHz檢測頻率下對實(shí)驗(yàn)用管進(jìn)行測量分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的規(guī)律與仿真結(jié)果相一致.這從實(shí)驗(yàn)的角度對該仿真模型理論提供了支撐，說明該方法測量在役耐熱奧氏體管內(nèi)壁腐蝕層厚度是可行的.