劉國昌,衛(wèi) 東,馮得輝

(1.大慶油田生態(tài)環(huán)境管護(hù)公司, 黑龍江 大慶163453;2.大慶油田工程建設(shè)公司,黑龍江 大慶 163000;3.大慶油田第八采油廠，黑龍江 大慶 163711)

0 引言

電站鍋爐水冷壁管在長期的惡劣工作環(huán)境下，容易產(chǎn)生老化缺陷，這些缺陷極易影響冷卻水管的安全事故，甚至有可能危及整個鍋爐安全和電站的正常運(yùn)營，因此，加強(qiáng)鍋爐水冷壁的缺陷檢測，對于保障鍋爐的安全運(yùn)營具有重要意義[1-4]。

無損檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，當(dāng)前，對于管道等設(shè)備缺陷進(jìn)行檢測的主要手段也為無損探傷。無損檢測技術(shù)發(fā)展至今，出現(xiàn)了射線檢驗(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)、液體滲透檢測(PT)、渦流檢測(ECT)、聲發(fā)射檢測(AE)、漏磁檢驗(MFL)等多種檢測方法，但是，傳統(tǒng)的單一無損檢測方法難以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，均或多或少存在自身的局限性，很難達(dá)到全方位檢測的目的[5-11]。近些年來，復(fù)合式無損檢測技術(shù)逐漸得到專家學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于水冷壁復(fù)合無損檢測的研究也逐漸出現(xiàn)，但大都集中于整個系統(tǒng)的構(gòu)建和設(shè)計，很少有人專門針對無損檢測傳感器參數(shù)選擇及優(yōu)化進(jìn)行研究[12]。

該文在前人研究理論和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁超聲、漏磁以及脈沖渦流相關(guān)理論，設(shè)計水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器，并對傳感器參數(shù)選擇進(jìn)行了探討，獲得各方面的最佳參數(shù)，能為提升磁聲復(fù)合檢測系統(tǒng)工作性能提供借鑒。

1 水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器設(shè)計方案及模型搭建

1.1 傳感器布置方案

該文設(shè)計的電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器包括銜鐵、永磁體、調(diào)節(jié)螺柱、弧形壓塊和安裝板等主要部件。弧形壓塊位于兩個永磁體之間，通過調(diào)節(jié)螺柱安裝在銜鐵的正下方，并在彈簧彈力作用下與水冷管壁相貼附，霍爾元件沿弧形壓塊四周均勻分布。線圈工作模式為外圈發(fā)射內(nèi)圈接收形式，線圈的激勵信號工作頻率大小為4 MHz，磁路的具體尺寸見表1。

表1 磁路具體尺寸

該傳感器的工作原理為：通過磁路激發(fā)出水平磁場進(jìn)行漏磁檢測，在脈沖磁場和水平靜磁場共同作用下，進(jìn)行脈沖渦流檢測，脈沖渦流磁場和水平靜磁場共同作用下，產(chǎn)生超聲波，進(jìn)行超聲檢測。

圖1 電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器布置方案

1.2 有限元分析模型

采用ANSYS有限元軟件建立仿真模型，見圖2。模型銜鐵和極靴材料為電工純鐵，相對磁導(dǎo)率ur=500,永磁體材料為N48型釹鐵硼，剩余磁通密度Br/T=1.220 3，矯頑力Hcb/(kA/m-1)=926 000，空氣的相對磁導(dǎo)率ur=1.0,水冷管壁的材料為鋼材20 g。

圖2 有限元分析模型

2 電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器參數(shù)優(yōu)選

2.1 最佳磁場工作點(diǎn)

對漏磁場、電磁超聲(EMAT)以及脈沖渦流(PECT)在不同磁場強(qiáng)度下的磁場信號強(qiáng)度變化特征進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：隨著磁場強(qiáng)度的逐漸增大，漏磁場信號強(qiáng)度相對變化率呈先增大后減小的變化特征；當(dāng)磁場強(qiáng)度小于5 kA/m時，漏磁場相對變化率增長幅度較快，當(dāng)磁場強(qiáng)度為5～15 kA/m時，漏磁場相對變化率增長幅度變緩，并在15 kA/m時達(dá)到峰值5.65倍，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過15 kA/m后，漏磁場相對變化率又呈逐漸降低趨勢，因此，從提升漏磁信號強(qiáng)度來講，漏磁檢測的最佳磁場強(qiáng)度設(shè)置為15 kA/m。

圖3 信號強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系

電磁超聲和脈沖渦流檢測均與水平靜磁場的強(qiáng)度有關(guān)。隨著水平靜磁場強(qiáng)度的增大，EMAT的歸一化信號強(qiáng)度呈先增大后減小變化趨勢，當(dāng)磁場強(qiáng)度為28 kA/m時，歸一化信號強(qiáng)度達(dá)到峰值0.904；而PECT信號相對變化率隨磁場強(qiáng)度的增大而逐漸增大，當(dāng)磁場強(qiáng)度小于24 kA/m時，增長幅度較快，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于24 kA/m時，增長幅度較為緩慢；綜上，為了使電磁超聲和脈沖渦流檢測達(dá)到最佳工作狀態(tài)，講水平靜磁場強(qiáng)度設(shè)置為28 kA/m。

2.2 線圈直徑

不同發(fā)射和接收線圈直徑的信號強(qiáng)度變化特征見圖4。從圖4中可以看到：相同線圈直徑下，隨著線圈匝數(shù)的增加，信號強(qiáng)度均呈逐漸增大趨勢，但增長幅度逐漸減緩；在相同線圈直徑下，發(fā)射線圈的信號強(qiáng)度隨線圈直徑的增大而增大，接收線圈的信號強(qiáng)度隨線圈直徑的增大而減小。這是因為在發(fā)射過程中，線圈匝數(shù)一定時，線徑越大，產(chǎn)生的阻抗越小，線圈內(nèi)部的電流越大，則試件表面所能感應(yīng)交變渦流場強(qiáng)度越強(qiáng)，而接收過程而發(fā)射逆過程，主要為感應(yīng)電壓信號，阻抗越大時，感應(yīng)電壓越大，所對應(yīng)的信號強(qiáng)度也越強(qiáng)；因此，在保證沖渦流檢測靈敏度的前提下，發(fā)射線圈直徑越大越好，接收線圈直徑越小越好，綜合生產(chǎn)實踐和檢測性能，最終確定發(fā)射圈的線圈直徑為0.08 mm，接收線圈的線圈直徑為0.05 mm。

圖4 不同線圈直徑信號強(qiáng)度變化趨勢

2.3 線圈匝數(shù)

確定發(fā)射和接收線圈的直徑后，需要對線圈匝數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，從上文分析可知，線圈直徑一定的情況下，信號強(qiáng)度隨著線圈匝數(shù)的增加而逐漸增大，但是增長幅度在逐漸減小，從變化趨勢來看，當(dāng)圈數(shù)為25匝時，信號強(qiáng)度相對變化量趨于平緩，因此在25匝基礎(chǔ)上設(shè)計(發(fā)射圈數(shù)，接收圈數(shù))=(30,20)、(25,25)和(20,30)三組工況，進(jìn)行信號強(qiáng)度、渦流密度、聲場指向角和主旁瓣比值分析，見圖5。

圖5 最佳線圈匝數(shù)分析

從圖5中可以看到：在三組仿真試驗中，信號強(qiáng)度相對辯護(hù)率分別為82.3%、84.5%以及85.4%，而渦流密度值分別為6.69*109A/m3、6.54*109A/m3以及6.32*109A/m3。從信號強(qiáng)度來講，(20,30)實驗組最佳，從渦流密度值來看(30,20)實驗組最佳，由于聲場分布也是影響信號強(qiáng)度的重要，因此對聲場指向角和主旁瓣比值進(jìn)行了模擬分析(線圈總匝數(shù)固定為40，發(fā)射圈從5增加至25)，從分析結(jié)果來看：隨著發(fā)射圈數(shù)量的逐漸增大，聲場指向角和主旁瓣比值均在逐漸增大，聲場指向角越大，表明聲場越不集中，信號強(qiáng)度越弱，主旁瓣比值越大，則表明對主瓣對旁瓣的抑制作用越明顯，聲場分布越好，因此，增加發(fā)射圈數(shù)量，實際起到雙重效果，發(fā)射圈數(shù)量過多或者過少均不利于聲場特性。但是，從影響幅度可以看出：當(dāng)發(fā)射圈數(shù)量從5增加至25時，聲場指向角增幅達(dá)到50%，而主旁瓣比值僅僅增加8.3%，因此，發(fā)射線圈對聲場指向角的影響更大，故在實際運(yùn)用中應(yīng)該選擇發(fā)射圈面積占總線圈面積的比值越小越好。綜上分析，最終確定發(fā)射圈最佳匝數(shù)為20，接收圈最佳匝數(shù)為30。

2.4 提離距離

漏磁檢測傳感器的漏磁信號強(qiáng)度以及震動引起信號相對變化量隨提離高度的變化特征見圖6。從圖6中可以看到：提離距離越遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，但震動時引起的信號相對變化量越小，越有利于檢測精度，因此，綜合考慮兩者性能，最終確定的磁敏元件最佳漏磁提離高度為3 mm。

圖6 漏磁提離距離對信號強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

對于電磁超聲和脈沖渦流而言，其信號強(qiáng)度與提離距離成反比，即提離高度越小，信號強(qiáng)度越好，線圈應(yīng)盡可能地貼近被檢測試件的表面，才能獲得最大的回波信號，但是在實際檢測中，為了防止線圈發(fā)生磨損，在試件和線圈之間會增設(shè)耐磨片，耐磨片厚度一般為0.5 mm，故最終確定的電磁超聲和脈沖渦流線圈(復(fù)合檢測線圈)的最佳提離高度為0.5 mm。

3 實際應(yīng)用結(jié)果

對四組不同缺陷寬度和深度下的水冷壁管進(jìn)行現(xiàn)場檢測試驗。(寬度，深度)分別為為A(5 mm，2 mm)、B(1 mm，3 mm)、C(3 mm，3 mm)以及D(3 mm,6 mm)缺陷構(gòu)造見圖7。以上文分析得到的電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建磁聲復(fù)合檢測試驗系統(tǒng)，對四組缺陷進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2。

圖7 缺陷構(gòu)造示意圖

從表2中可以看到：在四組不同缺陷檢測中，寬度誤差均小于5%，最大誤差僅為3.7%，平均誤差為2.3%；在深度檢測結(jié)果方面，當(dāng)缺陷深度小于3 mm時，檢測誤差較小，均沒有超過5%，最大值誤差僅為3.7%，當(dāng)深度超過3 mm時，誤差有所增大，但仍未超過10%，四組缺陷深度的檢測平均誤差為4.75%，可見，基于文中提出的水冷壁磁聲復(fù)合檢測技術(shù)具有較高的檢測精度，實際運(yùn)用效果良好，可應(yīng)用于電站運(yùn)營現(xiàn)場。

表2 缺陷檢測結(jié)果

4 結(jié)論

基于漏磁、電磁超聲以及脈沖渦流檢測原理，構(gòu)建電站水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器，其工作模式為外圈發(fā)射內(nèi)圈接收形式，線圈的激勵信號工作頻率大小為4 MHz。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果，確認(rèn)磁聲復(fù)合傳感器的最佳工作漏磁強(qiáng)度為15 kA/m，最佳電磁超聲和脈沖渦流磁場強(qiáng)度為28 kA/m；發(fā)射線圈采用20匝直徑為0.08 mm的線圈最為合理，接收線圈采用30匝直徑為0.05 mm的線圈最為合理；磁敏元件的最佳提離高度為3 mm，復(fù)合檢測線圈的最佳提離高度為0.5 mm。

采用磁聲復(fù)合檢測系統(tǒng)對不同寬度和深度的水冷壁缺陷進(jìn)行檢測，其寬度檢測平均誤差為2.3%，深度平均檢測誤差為4.75%，當(dāng)缺陷深度小于3 mm，表明該磁聲復(fù)合檢測傳感器具有較高的檢測精度，可在生產(chǎn)實踐中普及運(yùn)用。