火电厂锅炉受热面管弯头在役涡流检测装置研究

火电厂锅炉受热面管弯头在役涡流检测装置研究
刘云龙;李登科;秦永亮;熊亮;沈丁杰;龙毅
【摘要】针对电厂锅炉受热面管在役检测中所具有的两端封闭、管屏间安装紧密以及检测空间狭小等特点,设计了一种可用于奥氏体不锈钢小径管弯头的外放置式马鞍形涡流检测探头装置,按照涡流检测技术标准要求.采用火电厂备用管材加工制作了对比试样管,通过试样检测和现场应用,结果表明:所研制的马鞍形涡流检测探头装置对0.2 mm深以E线性缺陷和D1.4 mm以上孔状缺陷具有较高的检测灵敏度和可靠度,能针对火电厂锅炉受热而管氧化腐蚀较严重,且应力较集中的奥氏体不锈钢弯头部位,实现其在役无损检测.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2016(049)011
【总页数】7页(P129-134,169)
【关键词】锅炉受热面管;小径管弯头;在役检测;涡流检测;马鞍形探头
【作者】刘云龙;李登科;秦永亮;熊亮;沈丁杰;龙毅
【作者单位】国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;神华国能宁夏煤电有限公司,宁夏银川750410;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007
【正文语种】中文
【中图分类】TM621;TH878
电厂锅炉受热面管是电厂重要的生产设备，为了保障电力生产的安全稳定运行，需要对其进行有计划的检测和维修。

由于针对电厂锅炉受热面管奥氏体不锈钢弯头的检测大多为在役状态，受钢管材质和现场环境限制，普通的表面无损检测方法并不适用[1-3]，同时，由于钢管两端封闭、管屏间安装紧密以及检测空间狭小等因素，传统的涡流检测方法（外穿式和内穿式）无法按要求完成检测作业。

目前，在涡流检测技术研究方面，针对传统涡流检测所表现出来的一些不足[4-6]，国内外研究者在完善涡流检测技术的同时，也提出了更多、更新的检测技术，如文献[7-12]。

然而针对弱磁性的奥氏体不锈钢材质的涡流检测技术，尚未有学者进行系统的检测方法及实验研究工作。

本文以火电厂在役锅炉的受热面管为研究对象，针对其弯头部位较易发生氧化腐蚀而难以在役无损检测问题，研制了马鞍形放置式涡流检测探头以实现火电厂在役锅炉受热面管的无损检测。

由于电磁感应，当导体处在变化的磁场中或相对磁场运动时，在导体内部会产生感应电流，自成闭合回路，呈旋涡状流动，称之为涡旋电流，简称涡流。

涡流检测的基本原理可表述为：当载有交变电流的检测线圈靠近导体试件时，由于激励线圈磁场的作用，试件中会产生涡流，而涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响，同时产生的涡流也会形成一个磁场，这个磁场反过来又会使检测线圈的阻抗发生变化，因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，即可判断被测试件的性能及有无缺陷等，如图1所示。

当直流电流通过导线时，横截面上的电流密度是均匀的。

但如果是交变电流通过导线，则导线周围变化的磁场也会在导线中产生感应电流，从而会使沿导线截面的电流分布不均匀，表面的电流密度较大，越往中心处越小，按负指数规律衰减，尤其是当频率较高时，电流几乎是在导线表面附近的薄层中流动，这种电流主要集中在
导线表面附近的现象，称为趋肤效应现象。

涡流透入导体的距离称为透入深度。

定义涡流密度衰减到其表面值1/e时的透入
深度为趋肤深度，表征涡流在导体中的趋肤程度，用符号δ表示，单位是m，其
表达式为
式中：μ为材料的磁导率，H/m；σ为材料的电导率，S/m；f为交流电流的频率，Hz。

从式（1）可以看出，频率越高、导电性能越好或导磁性能越好的材料，趋肤效应越显著。

检测系统最基本的组成如图2所示，包括信号发生器、探头、数据采集系统、数
据处理与分析系统及检测结果记录和显示模块。

其中涡流检测探头可包含激励和接收2个线圈，也可只含一个线圈，既作激励，也作接收之用，称为自感式线圈。

激励线圈由信号发生器加载脉冲激励（必要时可使用功率放大器放大激励信号），数据采集系统记录检测过程中接收线圈上的感应电压从而获取检测信号。

数据处理与分析系统对检测信号进行去噪和分类识别。

记录和显示模块存储并显示检测结果。

锅炉受热面管为外径D30~80 mm的小径管，为了能够获得较好的磁耦合特性，
外置式涡流检测探头前端设计为马鞍形，探头内部线圈布置如图3所示：有1个
激励线圈和4个检测线圈；4个检测线圈两两一组分为2组，并分置于激励线圈
的两侧，每组检测线圈中的2个检测线圈采用差动式连接方式，对工件表面进行
双通道检测与显示。

检测线圈和激励线圈均采用漆包线绕制，且均采用硅钢片作为电磁体铁芯，能有效提高激励磁场的磁场强度，增强信号强度。

4.1 检测仪器设备
涡流检测系统及涡流检测探头如图4所示，由PC机控制平台、信号发生器及各种功能电路集成盒、涡流检测探头以及信号传输线组成。

涡流检测探头工作过程如图5所示，检测时探头紧贴受热面管的内弯头，从A位
置匀速滑移至B位置，完成对受热面管内弯头的涡流检测；同样，可以完成对受
热面管外弧面及侧弧面的检测。

检测时采集到的信号通过处理后实时显示在笔记本工作界面上，通过对波形曲线的计算得到当前阻抗的幅值与相位角，进而确定缺陷大小。

为研究涡流探头的结构性能，采用铝合金加工制作了探头的支撑骨架，线圈铁芯采用0.3 mm厚的硅钢片叠制而成，涡流探头的样件和成品分别如图6、图7所示，线圈铁芯硅钢片相关参数如表1所示。

4.2 试样管的制作
根据标准要求[13-14]，选用电厂管材备件加工制作检测试样管，钢管材质为奥氏
体不锈钢管TP347H，管外径为D57 mm，壁厚为4 mm。

采用电火花加工了3
组人工缺陷：周向槽、轴向槽、通孔，每个人工缺陷间距为35 mm，缺陷尺寸及布置如图8所示，缺陷试样管实物照片如图9所示，其尺寸及位置信息如表2所示。

4.3 人工缺陷检测试验
考虑奥氏体不锈钢管材质电导率、磁导率等参数的特点，同时考虑将干扰和杂波信号相位调整到水平位置，分析对比各缺陷阻抗图，发现各种规格对比试样的缺陷阻抗图显示规律一致，现以规格D57×4 mm、材质TP347H的奥氏体不锈钢管对比试样缺陷阻抗图为例进行分析，各缺陷阻抗波形图如图10～21所示。

可以看出：（1）对比试样上各人工缺陷涡流信号清晰、明显，基本上未见干扰信号。

通过增益40 dB后，0.2 mm深的周向槽缺陷的阻抗信号幅值达到满幅值的80%以上，
相位角为10°；0.4 mm深的周向槽缺陷的阻抗信号幅值已达到满幅值的100%，相位角为25°；0.5 mm深的轴向槽缺陷的阻抗信号幅值达到满幅值的70%以上，相位角为25°；1.0 mm深的轴向槽缺陷的阻抗信号幅值已达到满幅值的100%，
相位角为28°；1.4 mm孔径通孔的阻抗信号幅值已达到满幅值的 100%，相位角为40°。

由此可见，涡流检测装置对于奥氏体不锈钢管外表面检测具有很高的信噪比，对0.4 mm深的周向线性缺陷和0.5 mm深的轴向线性缺陷已具有很高的检测灵敏度，同时能满足标准GB/T 7735—2004[13]的B级检验要求。

（2）从图10～17可以看出，随着周向槽深度的增加，各人工缺陷的阻抗信号的幅值逐渐增大时，相位也逐渐由10°左右增大到35°左右；从图18和图19可以看出，1.0 mm深轴向槽比0.5 mm深轴向槽相位大。

由此可见，奥氏体不锈钢管外表面周向缺陷越深，涡流检测灵敏度越高。

（3）对比图14和图19可以看出，外表面周向缺陷阻抗信号幅值与相位均要比大小相同或相近的外表面轴向缺陷的大。

由此可见，涡流检测装置对于奥氏体不锈钢管周向外表面缺陷的检测灵敏度要高于轴向缺陷的灵敏度。

4.4 现场检测应用
4.4.1 检测位置
在湖南某电厂2号机组大修中，采用所研制的涡流检测探头装置对高温再热器奥氏体不锈钢管弯头进行了涡流检测。

高温过热器蛇形管位于折焰角上部，从炉左至炉右共计31屏，每屏有20根管子，受热面管弯头部位材质均为TP347H，炉前第1根管规格为D61×5 mm，第2~20根管规格为D57×4 mm，结构及检测位置如图22所示，抽检第2~20根共80根。

4.4.2 检测前准备
涡流检测前，对夹持管弯头进行外表面附着物的清理，并进行宏观检查，消除氧化皮或凹坑等宏观缺陷对检测的影响。

4.4.3 现场检测及结论
采用所研制的涡流检测设备对高温再热器弯头内外弧面进行现场检测时，干扰信号得到了有效控制，检测灵敏度较高，同时操作方便，发现炉左数第4屏炉前第2
根弯头外弧面存在缺陷信号，如图23所示，其余未发现异常信号，经过对信号异常部位进行表面打磨和渗透检测复查，发现了密集性裂纹状缺陷，如图24所示，与涡流检测结果一致。

通过涡流检测装置的现场应用测试可以看出，这种检测技术无需对被检测管件表面进行打磨，且适合远距离作业，具有灵敏度高、快捷、高效等特点，检测结果具有较高的可靠度。

以火电厂在役锅炉受热面管为研究对象，针对其弯头部位较易发生氧化腐蚀而较难实现在役无损检测等问题，研制了一种可用于奥氏体不锈钢小径管弯头的外放置式马鞍形涡流检测探头装置，并按照相关标准加工制作了对比试样管，通过试样检测和现场应用，结果表明：所研制的马鞍形涡流检测探头装置对0.2 mm深以上线
性缺陷和D1.4 mm以上孔状缺陷具有较高的检测灵敏度和可靠度，能实现火电厂在役锅炉受热面管的无损检测。

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