散热片式凝汽器涡流检测应用技术研究

黄德威，于 洪

(1．长春理工大学机电工程学院，吉林长春130022;2．吉林市特种设备检验中心，吉林吉林132021)

散热片式凝汽器的水侧腐蚀对于600 MW级以上的火力、核能电厂，由于凝汽器等辅助设备安全可靠影响会使机组可用率下降约38%左右，而换热管损坏则是可靠性颇差的主要原因之一．为避免冷却水的漏入，应在允许堵管率范围内堵塞或更换换热管．尽管它在非停机期间内完成，但有时往往不可能在短时间修复．由于换热管的可靠性差造成的非计划停机和负荷限制会造成大的经济损失，为正确估价损失的经济价值，应将这些换热管损坏的直接费用加在凝结水被冷却水污染造成的巨大间接费用上．非常明显，漏入的污物在整个电厂汽水循环系统中所发现的众多腐蚀损坏中占有绝大部份［1-8］．

1 问题的研究分析

通过对某企业生产中的技术调查发现，凝汽器的汽侧腐蚀发生在汽侧的腐蚀不但与排汽缸的高速排汽流和凝汽器的负荷有关，还与换热管材质及凝汽器内某些结构有关，更与附加流体流动的正确排入相关．汽侧腐蚀由于各种原因往往为人们所忽视，当给予正视和解决时，就可以在汽轮机的正常运行中使换热管在汽侧的腐蚀减小到最低或不发生．换热管的汽侧腐蚀机理有别于水侧腐蚀的机理，只当给予一定的充分重视就可以获得较好的使用效果，通常发生在汽侧的腐蚀如下所述．

应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹可以发生在水侧，也可以发生在汽侧．金属在特殊腐蚀介质中因拉伸应力加大后缓慢形成裂纹的一种形式．众所周知，所有金属都至少在一种腐蚀介质中容易产生，但并不是在所有腐蚀介质中都会产生应力腐蚀裂纹，且在一种合金中可能引起应力腐蚀裂纹的介质条件未必也在另一种合金中发生．

凝结水腐蚀凝结水腐蚀即氨腐蚀，与应力腐蚀裂纹介质为同一类型，亦集中在空气冷却区，因氨和氧的浓度特别高所致．氧在凝结水腐蚀中的作用并不亚于氨— —来于漏入真空系统中的空气同时也使漏入的CO2在含氨的凝结水中明显地加速铜合金的腐蚀．

冲刷腐蚀冲刷腐蚀即汽侧腐蚀．当蒸汽挟带水滴进入凝汽器并以高速冲击换热管时就产生了冲刷腐蚀，在重复冲击下导致严重的腐蚀，使换热管外表面变得粗糙，最终会管壁穿孔．尽管在整个过程中腐蚀起的作用不大，可是这种纯机械过程却很重要;它与换热管材质的耐腐蚀性、耐疲劳强度、弹性模量、硬度和极限强度均有关，

隙蚀和点蚀隙蚀，隙蚀则是金属表面(或紧密接近)在不与周围介质完全接触区域产生的局部腐蚀．当隙蚀面积小时，产生的局部腐蚀就可能类似点蚀．

冲击腐蚀换热管的冲击腐蚀(磨蚀)只限于铜合金，它是发生在水侧管壁的局部腐蚀，能引起氧化膜的机械或电化学破坏，并具有类似点蚀的特点，常受到局部流动工况的影响，而不锈钢管则不会发生冲击腐蚀．

不锈钢管在凝汽器中不会出现电化学腐蚀，但会有氯离子的点蚀，污垢系数对不锈钢管产生不利影响．不锈钢管在80℃以上时易受氯化物引起的应力腐蚀裂纹．运行中的要求迄今为止，没有一种换热管材质在冶金、机械和耐蚀性能等方面处于全部理想状态．从纯学术观点分析所有合金都可能因很多现代电厂条件下所存在的某种腐蚀、机械原因而损坏．

由以上几点可看出，因各种原因设备难免要发生故障，因而在电力设备的检修中如何快速发现问题部位及时进行采取有效的措施具有很大意义．

采用涡流检测方法，通过研究传感器的磁场特征从而对传感器结构进行研究实现几何优化，结合阻抗平面图形分析，完全可对此类问题进行解决．目前传感器的设计理论研究尚不充分．传感器应能适应检测对象对磁场分布的要求，因此对传感器结构的性质研究，将是传感器从经验设计走向定量设计的关键．通过设计制作适宜的传感器，使用涡流检测方法可以有效解决此类问题．

2 对比试样制作及实验

2．1 材料要求

用于制作对比试样的钢管与被探伤钢管的公称尺寸相同，化学成分、表面状况及热处理状态相似，即有相似的电磁特性．钢管的弯曲度不大于1．5 1 000，表面无氧化皮，无影响校准的缺陷．

2．2 制作及样管灵敏度标定

按标准，对比试样的人工缺陷为穿过管臂并垂直于钢管表面的孔，人工缺陷为五个，其中3个处于对比试样中间部分，沿圆周分布，大体上互为120°，彼此之间的周向距离不小于200 mm．另外距管两端不大于200 mm处各加工一个相同的人工缺陷，以检验端部效应．图1为制作的样管．用主频为80 kHz和副频为40 kHz在样管上试验，对人工缺陷检测到的信号如图1～2所示．有非常明显的信号幅值及相位变化．

图1 样管尺寸(单位:mm)

图2 人工缺陷信号

3 传感器的设计与制作

3．1 传感器的技术要求

为了提高检测灵敏度和可靠性，就需要使缺陷信号具有足够的幅度并与其它信号间有足够的相位差．由于缺陷等信息是通过涡流传感器直接感拾的，因此，设计并制作高质量的涡流检测线圈也是保证检测灵敏度和可靠性的关键所在．

在双频涡流中，接成差动形式的检测线圈构成交流电桥的两臂，电桥电流的检测灵敏度与线圈阻抗变化率、桥臂系数及激励电压有关．为了提高检测灵敏度，可以适当地提高电压和桥臂系数，以增大检测线圈阻抗的相对变化率，为此必须合理地选择线圈的尺寸和参数．

3．2 线圈参数的选择

实际绕制线圈时，线圈匝数可由下式估算:

式中:L表示电感量;取值范围为:1～3．2 mH;r表示线圈平均半径;n表示线圈匝数;L1表示线圈长度;KN表示考虑到线圈长度为有限时，磁场分布不均匀，需要加以修正的系数对于多层线圈．

式中:t表示线圈厚度．

3．3 传感器的制作

涡流传感器的性能指标很多，在用于传热管的缺陷或壁厚检测时，需满足的主要性能有检测灵敏度足够高，能有效地消除散热片等的干扰及对缺陷信息反映的线性范围大等．为此，可根据实际被检测管子的内外径、壁厚及材料要求来选择线圈的尺寸和参数．

制作时，先按设计好的图样制作线圈骨架(材料通常采用耐辐射和耐高温的尼龙棒)，其车制工艺要求严格、认真，两个槽的尺寸(深和宽)尽可能一致，而且要求槽壁光滑，不能有毛刺．绕线要均匀、平稳，绕制好的线圈的电阻、电感及性能等必须测量，两线圈的数值应基本相等．最后将绕好的线圈的引出线和输出电缆线在内骨架的接线柱上，并用胶(如环氧树脂)封装．

图3是制作的传感器结构图，试件规格:φ25×1．5材质为不锈钢，检测线圈匝数取为30，线直径取为 0．12 mm．

图3 检测传感器(单位:mm)

对所制作的传感器在标定管上试用，完全达到标准要求．信号波形非常清晰，完全可在工程实际中应用．

4 实际检测结果及分析

4．1 检测结果

对设备其中588根列管进行检测，表1为检测结果，表中级别是根据《在役设备奥氏体不锈钢列管涡流检测标准》评定的．A级表示缺陷深度在壁厚的20%～40%之间，B级表示缺陷深度在壁厚的40%～60%之间，C级表示缺陷深度在壁后的60%～80%之间．幅值与缺陷体积损失成正比关系，幅值大的不一定深．

表1 列管涡流检测缺陷

4．2 检测速度影响

实际检测中的缺陷矢量图有时会同标准缺陷的矢量检测有偏差，这主要因为，一方面检测过程是手工操作，不能保证传感器匀速运行，造成对检测信号采集的瞬时滞后和失真放大，表现为矢量图中出现多余的过度线和脉冲图中的峰值异常，见图4，图中a和b为同一缺陷;另一方面有的列管平直度不好．造成矢量图的中心偏移．这是分析检测结果时值得注意的地方．

图4 手工操作对脉冲检测结果的影响

4．3 管同心度偏差引起的检测灵敏度变化

图5为管同心度偏差对检测灵敏度影响曲线，由图看出，当管与传感器的同心度偏差≤1．0 mm时，管缺陷检测的灵敏度约为2dB，从而有良好的周向灵敏度性能指标．

图5 同心度偏差与检测灵敏度关系

4．4 阻抗图分析

图6是出现的划伤图形尖而细，沟越窄一般幅度较大，有时超出样管标定幅度，深的破坏管的有效厚度．图7所示硬质点压痕图形不很规则，是边缘矢量迭加的结果．图8为出现的穿透性裂纹，其幅值非常大超出满幅度．形状与管端效应相似，但相位不同．

经抽管分析，主要为管材制造过程中产生的隐含缺陷在设备使用过程中进一步发展所致．剖管观察证明，其形状一般为坑、沟槽及裂纹．

图6 划痕(犁沟)信号

图7 硬质点压痕信号

图8 穿透性裂纹信号

5 结 论

本论文提出的散热片式凝汽器采用的涡流检测技术，是一种非常有效切实可行的方法，此技术利用平面阻抗图分析，结合传感器设计，具有适用、检测速度快、灵敏度高、测试结果准确等特点．完全符合检测标准和技术要求．可非常直观地对各种信号进行分析，各种信息很便于区分．可有效地发现裂纹等缺陷，满足标准要求，完全可应用于工程实际检测中．又可有效缩短检修时间，提高生产效率，有很大应用前景和经济价值．通过对传感器各参数的测试分析，找到最佳的参数配置，可有效地提高灵敏度而易发现缺陷，完全满足工程标准要求．

［1］ 张立东，张光沛．涡流检测与远场涡流检测的对比［J］．兵工自动化，2003(5)．

［2］ 廖雅琴．电涡流传感器的仿真与设计［D］．西安:电子科技大学;2007．

［3］ 宋树波，王海波，邵泽波，等．双频涡流法在压缩机冷却器检修中的应用［J］．压缩机技术，2010(04)．

［4］ 宋树波，陈兵，邵泽波．交流电磁场检测在空压机中冷器检修中的应用［J］．压缩机技术，2011(05)．

［5］ Vdpa SS．A Fourier Descriptor classification scheme of differential probe signal［J］．Materials Evaluation，1994，52(8):1136-1141．

［6］ Lin L．Analysis of 3D nonlinear eddy current probe using the field variables H and E directly［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1997，32(2):1179-1184．

［7］ Lord W，Sun Yushi．A finite element study of the remote field eddy current phenomenon［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1988，24(1):435-438．

［8］ Skopal I，Tobiss F，lvanov P．Some problems of eddy current testing with air-cored probe coil［J］．NDT Inter．，1988，21:1159-1166．