摘要：為保障遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組正常運(yùn)行，采用渦流探傷檢測對冷水機(jī)組冷凝器銅管的損傷原因進(jìn)行研究。分析了電磁渦流探傷的原理及方法，結(jié)合遠(yuǎn)洋船舶周邊的環(huán)境特點(diǎn)，制定了螺桿機(jī)組電磁渦流檢測流程及方案；最后，對機(jī)組中冷凝器探傷結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分析其損傷原因，并給出優(yōu)化改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)洋船舶；冷凝器；渦流探傷；優(yōu)化改進(jìn)

中圖分類號：U664.5 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0053-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.015

0 " "引言

近年來，某型遠(yuǎn)洋船舶出航呈“三高”態(tài)勢，對遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)冷水機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行提出了更高的要求。某型遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)系統(tǒng)冷卻裝置均采用丹麥Sabroe制冷公司生產(chǎn)的SAB 128/SAB 163型冷水機(jī)組。從出廠至今10余年間，該遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組多次出現(xiàn)不同程度的冷凝器管路腐蝕，造成冷凝器制冷劑泄漏，導(dǎo)致冷水機(jī)組無法運(yùn)行，若無法及時(shí)修復(fù)，將嚴(yán)重影響船舶行動計(jì)劃。電磁渦流檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一[1-3]，為了消除遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組運(yùn)行中的隱患，本文結(jié)合電磁渦流探傷技術(shù)，制定了遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組電磁渦流檢測流程，建立了檢測方案，對冷凝器銅管的損傷情況進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果，分析冷凝器銅管的損傷原因，制定相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1 " "電磁渦流檢測原理及方法

1.1 " "檢測原理

電磁渦流檢測的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)。在探頭的激勵線圈中通以高頻交變電流，在附近的被測管壁中就會感應(yīng)出渦流，冷凝器銅管的幾何缺陷、電磁異常和尺寸變化等因素都將影響管內(nèi)的渦流，而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗或感應(yīng)電壓產(chǎn)生變化，從而得到關(guān)于缺陷的信號，根據(jù)此信號的幅值和相位的改變，即可得出冷凝器銅管的尺寸及缺陷情況[4-5]。

在檢測中，將檢測到的缺陷信號相位角與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，即可判定缺陷的相對情況，缺陷位置與信號相位角關(guān)系曲線如圖1所示。缺陷位置是內(nèi)壁還是外壁須通過相位角來確定，通孔缺陷信號相位角為40°，相位角小于40°為內(nèi)壁損傷，此時(shí)相位角越大，缺陷深度越大；相位角大于40°則為外壁損傷，此時(shí)相位角越大，缺陷深度越小。不同缺陷深度對應(yīng)的電磁渦流探傷檢測波形如圖2所示。

1.2 " "檢測方案

在對SAB螺桿機(jī)組銅管進(jìn)行渦流檢測之前，必須預(yù)先制作與被檢管具有相同或相近的規(guī)格牌號、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能的標(biāo)準(zhǔn)樣管，冷凝器銅管樣管圖如圖3所示。用制作好的標(biāo)準(zhǔn)樣管來調(diào)節(jié)渦流儀器的檢測靈敏度并確定評定標(biāo)準(zhǔn)。檢測前可根據(jù)渦流滲透深度公式進(jìn)行檢測頻率預(yù)選，再對已加工好的標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行測試，進(jìn)一步修正參數(shù)，最后找出頻率、相位、增益等參數(shù)的最佳值。在最佳情況下，取得標(biāo)準(zhǔn)樣管上人工缺陷的幅度、相位及深度等參數(shù)，并以這些參數(shù)作為檢測標(biāo)準(zhǔn)對待檢的銅管進(jìn)行實(shí)際檢測。

現(xiàn)場檢測人員包括檢測組和綜合協(xié)調(diào)組兩組成員，兩組成員在檢測前、檢測中和檢測后均需要保持溝通協(xié)調(diào)，確保電磁渦流探傷檢測步調(diào)一致。檢測組在檢測開始前需要制作標(biāo)準(zhǔn)樣管、檢測所需的探頭、機(jī)組管版圖、標(biāo)定曲線等；檢測過程中需要采集數(shù)據(jù)，判斷可疑點(diǎn)，并對可疑點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，同時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行機(jī)組冷凝器銅管檢漏工作；檢測完成后，檢測組對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并出具檢測報(bào)告。

綜合協(xié)調(diào)組為配合檢測組工作，在檢測開始前需要拆除冷凝器兩邊端蓋、清潔并吹干冷凝器銅管，并預(yù)備一些渦流探傷檢測的必需物資；檢測過程中綜合協(xié)調(diào)組應(yīng)委派專職人員配合檢測組檢測；檢測完成后，安裝冷凝器兩端蓋。

2 " "檢測結(jié)果與分析

遠(yuǎn)洋船舶常年在海上航行，船體浸泡在海水中，SAB螺桿機(jī)組所處環(huán)境濕度較大，致使SAB螺桿機(jī)組冷凝器換熱管損傷主要是腐蝕損傷，如圖4所示。本文根據(jù)實(shí)際檢測情況，將冷凝器換熱管腐蝕損傷程度分為5個等級：嚴(yán)重?fù)p傷（紅色）、較重?fù)p傷（紫色）、一般損傷（黃色）、輕微損傷（藍(lán)色）和無明顯損傷（綠色）五類，如表1所示。

損傷程度的判定依據(jù)為損傷深度和損傷系數(shù)這兩個指標(biāo)，根據(jù)檢測評估的保守原則，損傷程度評定時(shí)，選擇這兩個指標(biāo)中相對較嚴(yán)重的情況作為評判標(biāo)準(zhǔn)[6]。

根據(jù)表1中的冷凝器換熱管損傷程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將六臺冷凝器換熱管的損傷檢測結(jié)果進(jìn)行分類，結(jié)果如圖5所示，各類損傷程度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6所示。

根據(jù)檢測結(jié)果分析可知，六臺冷水機(jī)組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損傷。從損傷換熱表面狀況來分析是海水腐蝕造成的，從腐蝕部位來看，相對比較集中，大部分位于距離冷凝器銅管管口5 cm以內(nèi)，且進(jìn)口端腐蝕程度遠(yuǎn)大于混合端，這就表明冷凝器銅管進(jìn)口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊，產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴(yán)重。

3 " "優(yōu)化改進(jìn)與使用管理

3.1 " "優(yōu)化方案的提出

為有效提升冷凝器銅管運(yùn)行可靠性，根據(jù)冷凝器銅管電磁渦流探傷結(jié)果分析，給出以下三種行之有效的維護(hù)處理意見：

（1）更換損傷嚴(yán)重的冷凝器銅管；

（2）對冷凝器銅管管口腐蝕坑進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)；

（3）在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5 cm長聚乙烯護(hù)套，套管正好能保護(hù)到腐蝕嚴(yán)重的部位，避免海水和泥沙沖刷影響。

對比三種方案：第一種方案，雖然能徹底解決銅管被腐蝕嚴(yán)重的問題，但是大面積更換冷凝器銅管，需花費(fèi)大量人力、物力，而且大面積換銅管容易造成管板變形等情況，實(shí)施起來難度大；第二種方案，通過補(bǔ)焊雖然能及時(shí)修復(fù)腐蝕部位，但是從長遠(yuǎn)看，修復(fù)部位受海水沖刷，還是會出現(xiàn)再次脫落的隱患，補(bǔ)焊修復(fù)后的銅管穩(wěn)定性不可預(yù)測；而第三種方案，加裝聚乙烯套管不僅能有效保護(hù)嚴(yán)重腐蝕部位，且材料常見，價(jià)格優(yōu)惠，加裝操作簡便。綜合以上考慮，在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5 cm長聚乙烯護(hù)套這一優(yōu)化改進(jìn)方案，經(jīng)濟(jì)性高，可操作性強(qiáng)。

3.2 " "優(yōu)化方案的可行性分析

雖然在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5 cm長聚乙烯護(hù)套能有效保護(hù)冷凝器銅管管口不被海水沖刷腐蝕，但能否滿足冷凝器換熱要求還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

某型遠(yuǎn)洋船舶目前配備有540 kW冷水機(jī)組4臺、280 kW冷水機(jī)組2臺，按照實(shí)際使用情況，一般同時(shí)使用2臺540 kW冷水機(jī)組、1臺280 kW冷水機(jī)組，初步計(jì)算，遠(yuǎn)洋船舶單臺機(jī)組的年實(shí)際使用時(shí)間在4 000 h以上。參照《制冷原理與設(shè)備》，臥式冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如表2所示。加裝聚乙烯護(hù)套后，只要冷凝器銅管內(nèi)的水流速小于2.4 m/s，即可滿足要求。

在工程上，為了簡化計(jì)算，通常把復(fù)雜的熱傳遞過程用一個總傳熱系數(shù)來表示，總熱傳系數(shù)的計(jì)算公式為：

K=

式中：K為總熱傳系數(shù)[W/（m2·℃）]；α0為管內(nèi)給熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；δ為換熱管壁厚度（m）；λ為傳熱管導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；A0/A1為管內(nèi)與管外表面積之比；R為污垢熱阻[W/（m2·℃）]；α1為管外給熱系數(shù)[W/（m2·℃）]。

熱傳系數(shù)K的大小與冷熱流體的流動情況，熱傳壁面的材料、形狀、尺寸等許多因素有關(guān)。K越大，表明換熱設(shè)備的熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)，傳熱效果越好。

熱交換器的換熱面積計(jì)算公式為：

A=Q/ΔTmΨK

式中：A為換熱面積（m2）；Q為換熱量（W）；ΔTm為熱交換器對數(shù)平均溫差（℃）；Ψ為溫度修正系數(shù)，一般應(yīng)不小于0.8；K為總熱傳系數(shù)[W/（m2·℃）]。

查詢708所提供的原始機(jī)組資料可知，機(jī)組熱負(fù)荷Qk=692 kW，冷卻水流量Gs=153.5 m3/h，流程數(shù)N=2，每流程管子數(shù)Z=162，散熱管管長L=2 340 mm，筒體外徑D外=450 mm，銅管內(nèi)徑d管=13 mm，水流速ω管=2.0 m/s。

而加裝的護(hù)套長度為5 cm，加裝護(hù)套總數(shù)為81。根據(jù)護(hù)套加裝情況，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修訂，護(hù)套內(nèi)水流速按ω護(hù)=2.4 m/s最低要求，代入上述公式進(jìn)行計(jì)算，可以得出，加裝護(hù)套部位內(nèi)徑d護(hù)=10.58 mm，而原始銅管內(nèi)徑d管=13 mm，最終可以得到護(hù)套厚度為1.21 mm。

根據(jù)上述計(jì)算可以得出，只要在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5 cm長聚乙烯護(hù)套的厚度小于1.21 mm，對機(jī)組換熱性能就沒有影響。

3.3 " "優(yōu)化方案的效用驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證冷凝器銅管加裝聚乙烯護(hù)套改進(jìn)后的機(jī)組換熱量是否滿足實(shí)際工作所需，機(jī)組制冷性能是否處于正常范圍，對其中一臺普艙冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)口端加裝內(nèi)徑為11 mm、壁厚為1 mm、長為5 cm的護(hù)套，進(jìn)行效用驗(yàn)證。加裝后的效果圖如圖7所示。在同一外部環(huán)境、同等制冷量需求下，通過分別運(yùn)行改進(jìn)后的機(jī)組和原有機(jī)組，對比機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時(shí)機(jī)組負(fù)荷差異。

經(jīng)觀察，原有機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時(shí)，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在83%；而改進(jìn)后的機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時(shí)，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在86%，如圖8所示。對比機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷可以看出，冷凝器銅管加裝聚乙烯護(hù)套改進(jìn)后對機(jī)組整體換熱性能無影響，能夠滿足制冷要求。

經(jīng)過長達(dá)半年的效用試驗(yàn)后，對加裝護(hù)套后的機(jī)組冷凝器進(jìn)行拆檢，經(jīng)觀察，冷凝器銅管無明顯損傷部位，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.4 " "使用管理建議

為進(jìn)一步減少海水對冷凝器銅管的腐蝕，結(jié)合當(dāng)前冷水機(jī)組使用管理方案，提出合理的冷水機(jī)組使用管理策略：

（1）在一段時(shí)間內(nèi)固定幾臺機(jī)組開機(jī)，不開的機(jī)組做備用機(jī)時(shí)，將冷卻水進(jìn)出水閥門關(guān)閉，將冷卻用的海水放掉，再灌進(jìn)淡水適當(dāng)清洗，之后直接在水室內(nèi)灌滿淡水進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

（2）船進(jìn)入淡水區(qū)域時(shí)，即使不需要開冷水機(jī)組，也要將冷卻水泵開啟運(yùn)行一段時(shí)間，將冷凝器內(nèi)的海水給置換掉，以縮短海水對冷凝器影響的時(shí)間。

（3）定期對冷凝器進(jìn)行機(jī)械清洗，清除換熱管表面結(jié)垢與沉淀物，以降低換熱管被腐蝕的概率。

4 " "結(jié)論

本文結(jié)合遠(yuǎn)洋船舶周邊的環(huán)境特點(diǎn)，制定了螺桿機(jī)組電磁渦流檢測流程及方案，并根據(jù)檢測結(jié)果，制定冷凝器銅管的優(yōu)化改進(jìn)方案，提出了合理的機(jī)組使用管理策略。通過研究得到如下結(jié)論：

（1）電磁渦流檢測方法的檢測速度快、靈敏度高以及非接觸式檢測等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為熱交換器管非常有效的檢測手段，是保障遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組正常運(yùn)行的重要技術(shù)手段。

（2）六臺冷水機(jī)組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損傷，從腐蝕部位來看，相對比較集中，大部分位于距離冷凝器銅管管口5 cm以內(nèi)，且進(jìn)口端腐蝕程度遠(yuǎn)大于混合端，這就表明冷凝器銅管進(jìn)口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊，產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴(yán)重。

（3）在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝一定規(guī)格的聚乙烯護(hù)套，能減小海水對冷凝器銅管管口、管板的直接沖擊，有效避免海水流速及泥沙對冷凝器銅管的沖刷磨損。

（4）冷水機(jī)組冷凝器銅管受海水腐蝕不可避免，合理調(diào)整冷水機(jī)組使用管理策略，能有效降低冷凝器銅管被海水腐蝕損傷的概率。

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收稿日期：2022-10-19

作者簡介：張明敏（1991—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：船舶動力。