劉繼鵬 魏玉偉 解洋

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧，530200；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司）

1 前言

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中的常見熱交換設(shè)備， 在石化、電力、化工、冶金、食品、制藥、空調(diào)制冷等領(lǐng)域運(yùn)用非常廣泛，特別是在石油化工生產(chǎn)裝置中，換熱器的數(shù)量占比達(dá)到40%[1]。 根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的信息，預(yù)計(jì)2020 年中國(guó)換熱器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1 300 億元。 而大部分的換熱器都是壓力容器，屬于特種設(shè)備，具有較高的危險(xiǎn)性[2]。 因此，保障換熱器安全高效的運(yùn)行受到使用單位、 檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及監(jiān)察部門的重點(diǎn)關(guān)注。

目前，在用換熱器設(shè)備中，使用最多的是管殼式換熱器，約占換熱器設(shè)備的70%[3]。 管殼式換熱器最脆弱的部位是其換熱管束， 換熱管束的工作環(huán)境復(fù)雜，接觸的介質(zhì)大多具有較強(qiáng)的腐蝕性，而為了提高換熱器的換熱效率，換熱管一般都是薄壁管，很容易出現(xiàn)腐蝕、穿孔等問(wèn)題，甚至部分換熱器在投用幾個(gè)月后就出現(xiàn)換熱管泄漏事故， 嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。因此，定期對(duì)換熱器管束進(jìn)行檢驗(yàn)，排除缺陷，避免事故發(fā)生， 提高設(shè)備運(yùn)行效率對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的意義。

2 原理及優(yōu)勢(shì)

圖1 聲眼信號(hào)原理

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)換熱器管束的檢驗(yàn)，使用最多的是常規(guī)渦流檢測(cè)法。 渦流檢測(cè)法是一種非常成熟的檢測(cè)方法，但其也存在一定局限性，比如：檢驗(yàn)效率低；只能檢測(cè)導(dǎo)電性材質(zhì)的管束；檢測(cè)時(shí)探頭要從管束中穿過(guò)；對(duì)U 形管等非直系管束檢驗(yàn)比較困難；檢測(cè)不同材質(zhì)、管徑的管束需制作相對(duì)應(yīng)的對(duì)比樣管。

對(duì)于換熱器管束的檢測(cè)，聲眼檢測(cè)技術(shù)相比常規(guī)渦流檢測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

（1）檢測(cè)效率。 聲眼檢測(cè)的高效率是其原理所決定的。 聲眼檢測(cè)通過(guò)發(fā)射和接收聲脈沖信號(hào)，根據(jù)接受到的反射信號(hào)來(lái)分析測(cè)量缺陷的位置、大小和特性。 由于聲波的傳播速度極快，檢測(cè)過(guò)程瞬間完成，加上人工操作時(shí)間，檢測(cè)完一根換熱管所需時(shí)間一般不超過(guò)10 s。而且，聲眼檢測(cè)換熱管時(shí)無(wú)需將其貫穿，只需將探頭的前段深入管子內(nèi)約1 cm 即可，一次檢測(cè)便可實(shí)現(xiàn)缺陷的定位、定性、定量。 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示例圖見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示例圖

（2）復(fù)雜形態(tài)換熱管的檢測(cè)。 由于渦流檢測(cè)換熱管時(shí)探頭需要內(nèi)穿，所以當(dāng)檢測(cè)U 形換熱管時(shí)操作不便。 而聲眼檢測(cè)只需通過(guò)接收分析聲脈沖反射信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)， 換熱管的形狀不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種形狀換熱管的檢測(cè)。

（3）對(duì)比樣管。

在對(duì)換熱管進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)需要制作相應(yīng)的對(duì)比試管。 對(duì)比試管需與待檢換熱管具有相同或相近規(guī)格、型號(hào)、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能[5]。 對(duì)比試管制作的精確度直接關(guān)系到檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。目前國(guó)內(nèi)使用的換熱器管束的材質(zhì)、規(guī)格種類繁多，要覆蓋不同類型的換熱管需要制備較多的對(duì)比樣管。聲眼的優(yōu)勢(shì)在于不需要制作專門的對(duì)比樣管，只需要在檢測(cè)前用校準(zhǔn)管對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)， 然后從待檢換熱管束中挑選一定數(shù)量狀況較好的作為參考管，將所選參考管的檢測(cè)值的平均值作為數(shù)據(jù)分析參考值，無(wú)需制作對(duì)比樣管，為檢測(cè)工作節(jié)約了成本。

3 案例分析

利用聲眼設(shè)備對(duì)某化工廠制冷設(shè)備的蒸發(fā)器和冷凝器換熱管束進(jìn)行檢測(cè)。 該化工廠在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常，于是停機(jī)進(jìn)行檢查，在做水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)冷凝器管束存在泄漏問(wèn)題， 需通過(guò)檢驗(yàn)找出具體的泄漏管，然后進(jìn)行堵管處理。

秀容月明轉(zhuǎn)入一條巷子，巷尾，有家小酒店，蠟燭明晃晃的，竟有六七人在喝酒，一人說(shuō)道：“這桂花酒你們盡管喝，不喝，明天也便宜了胡人。”

（1）設(shè)備參數(shù)。

設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

（2）待檢管束處理

聲眼檢測(cè)對(duì)待檢管束內(nèi)部的潔凈程度要求較高，需對(duì)管束進(jìn)行沖洗，吹干，否則其內(nèi)部的雜質(zhì)、積水等都會(huì)造成內(nèi)部橫截面發(fā)生變化， 從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次檢測(cè)前，采用高壓水槍對(duì)管子內(nèi)部進(jìn)行沖洗，然后用壓縮空氣對(duì)管子內(nèi)部進(jìn)行吹掃。

（3）參數(shù)選取

本次檢測(cè)采用的是以色列Dolphin G3 檢測(cè)系統(tǒng)，主要參數(shù)及輔助設(shè)備的選取方法如下：

3.1 適配器

設(shè)備探頭需要通過(guò)適配器和泡沫橡膠密封與被檢管子進(jìn)行機(jī)械接觸，為了滿足檢測(cè)精度的需求，應(yīng)根據(jù)被檢換熱管的口徑，選擇適合的適配器，選擇的原則是在適配器能輕松插入管口的情況下，盡可能選擇較大的適配器，也就是填充系數(shù)盡可能為最高值。 根據(jù)此次檢測(cè)管子的尺寸， 選擇外徑為15 mm的適配器。

3.2 校準(zhǔn)管

選取1.5 m 無(wú)缺陷校準(zhǔn)鋁管進(jìn)行校準(zhǔn)。 利用對(duì)校準(zhǔn)管的檢測(cè)可以評(píng)價(jià)設(shè)備的準(zhǔn)確度， 在每次正式檢測(cè)前都需進(jìn)行設(shè)備的校準(zhǔn)。

3.3 門檻值

該門檻值是指期望設(shè)備能發(fā)現(xiàn)的缺陷尺寸的最小值， 門檻值的設(shè)定應(yīng)根據(jù)客戶的需求及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。此次檢測(cè)設(shè)定的門檻值為：腐蝕引起的壁厚減薄占比5%，阻塞引起橫截面縮小的占比5%。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該換熱器管束存在腐蝕減薄、堵塞和穿孔3 種類型缺陷。

4.1 腐蝕減薄

腐蝕缺陷定位及定量結(jié)果見表2， 腐蝕缺陷信號(hào)圖見圖3。

表2 腐蝕缺陷定位及定量結(jié)果

圖3 腐蝕缺陷信號(hào)圖

信號(hào)特征分析： 腐蝕減薄造成管子壁厚損失，屬于橫截面擴(kuò)展的情況，根據(jù)設(shè)備處理反射信號(hào)的原理，會(huì)形成余弦波形。 圖3 所示的波形就是典型的余弦反射波形。 可以理解為：聲壓在管子內(nèi)傳播，在管子內(nèi)部橫截面沒有變化時(shí)， 聲壓沒有變化，信號(hào)顯示是一條直線，當(dāng)遇到腐蝕減薄時(shí)，橫截面變大，聲壓擴(kuò)散變小，波形顯示出明顯的下降，到達(dá)缺陷最深處時(shí)出現(xiàn)最大值，對(duì)應(yīng)余弦波谷，然后聲壓在缺陷中傳播時(shí)又趨于平穩(wěn)， 波形回到平衡狀態(tài)，當(dāng)聲壓傳播到缺陷邊界時(shí)，橫截面逐漸變小，聲壓逐漸升高，波形出現(xiàn)明顯上升，當(dāng)聲壓通過(guò)缺陷到達(dá)無(wú)缺陷處時(shí)，橫截面平穩(wěn)不變，波形再次回到平衡狀態(tài)。

4.2 堵塞。

堵塞缺陷定位及定量結(jié)果見表3， 堵塞缺陷信號(hào)圖見圖4。

表3 堵塞缺陷定位及定量結(jié)果

圖4 堵塞缺陷信號(hào)圖

信號(hào)特征分析： 阻塞的信號(hào)特征與腐蝕減薄的信號(hào)特征相反。阻塞會(huì)造成管子內(nèi)部橫截面的縮小，信號(hào)會(huì)形成正弦反射，波形會(huì)呈現(xiàn)正弦狀。圖4 所示的波形就是典型的正弦反射波形?？梢岳斫鉃椋郝晧涸趥鞑サ阶枞毕輹r(shí)，由于橫截面減小，聲壓聚集變大，波形顯示出明顯的上升，當(dāng)聲壓傳播到阻塞缺陷頂端時(shí)出現(xiàn)最大值，對(duì)應(yīng)正弦的波峰，然后聲壓在缺陷中傳播時(shí)波形回到平衡狀態(tài)， 當(dāng)聲壓傳播到阻塞缺陷的對(duì)向時(shí)，橫截面逐漸變大，聲壓逐漸變小，波形出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)聲壓通過(guò)缺陷到達(dá)無(wú)缺陷處時(shí)，橫截面平穩(wěn)不變，波形再次回到平衡狀態(tài)。

4.3 穿孔

穿孔缺陷定位及定量結(jié)果見表4， 穿孔缺陷信號(hào)圖見圖5。

表4 穿孔缺陷定位及定量結(jié)果

圖5 穿孔缺陷信號(hào)圖

信號(hào)特征分析： 穿孔缺陷跟腐蝕缺陷一樣，造成管子內(nèi)部橫截面的擴(kuò)展， 其形成的波形前半段和腐蝕缺陷形成的波形類似?？梢岳斫鉃椋郝晧涸趥鞑サ酱┛兹毕萜瘘c(diǎn)時(shí)， 由于橫截面變大， 聲壓擴(kuò)散變小，波形顯示出明顯的下降，在聲壓傳播到洞口時(shí)達(dá)到最小值，對(duì)應(yīng)波形的波谷，當(dāng)聲壓傳播通過(guò)洞口后，橫截面逐漸變小，聲壓逐漸升高，波形開始上升，但是由于穿孔的存在，聲壓無(wú)法回到原始狀態(tài)。

5 結(jié)果驗(yàn)證

利用工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)聲眼設(shè)備檢測(cè)出的穿孔缺陷進(jìn)行驗(yàn)證。 通過(guò)內(nèi)窺鏡的檢查，在聲眼設(shè)備發(fā)現(xiàn)存在穿孔的換熱管中的確發(fā)現(xiàn)了穿孔（見圖6），測(cè)量?jī)?nèi)窺鏡伸入到穿孔位置的距離， 得出的結(jié)果與聲眼檢測(cè)給出的缺陷位置數(shù)據(jù)相吻合。 企業(yè)根據(jù)我們給出的檢測(cè)結(jié)果對(duì)存在穿孔的管子進(jìn)行堵管， 復(fù)原設(shè)備后重新開機(jī)，運(yùn)行正常。

圖6 穿孔照片

6 結(jié)論

通過(guò)案例的驗(yàn)證可以看出聲眼檢測(cè)技術(shù)是非?？煽康?。 但是，作為一種全新的檢測(cè)技術(shù)其也存在著一定的局限性：

（1） 采用單一聲脈沖技術(shù)的聲眼設(shè)備只能檢測(cè)換熱管的內(nèi)部缺陷 （加入超聲導(dǎo)波技術(shù)后的聲眼設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壁同時(shí)檢測(cè)）；

（2）在國(guó)內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)予以支持，因此也制約了其在常規(guī)設(shè)備檢驗(yàn)中的推廣[6]。

綜上所述， 聲眼技術(shù)是一種比較先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，其相比傳統(tǒng)的檢驗(yàn)手段有很大的優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)是能簡(jiǎn)便、高效、精準(zhǔn)的對(duì)換熱管缺陷進(jìn)行定位、定性、定量，是一種值得推廣運(yùn)用的高新技術(shù)。 隨著技術(shù)的不斷完善， 相信聲眼技術(shù)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。