严重腐蚀减薄后低碳钢管壁厚的远场涡流检测

杨淑海

(南京优悦科技有限公司， 南京 210033)



严重腐蚀减薄后低碳钢管壁厚的远场涡流检测

杨淑海

(南京优悦科技有限公司， 南京 210033)

摘要：在役换热器的低碳钢管通常用于循环水与工艺介质之间的热交换。一般情况下低碳钢管主要发生冲刷腐蚀和垢下腐蚀；若管壁严重腐蚀减薄甚至爆管，会影响换热器的正常运行。对换热器低碳钢管的检测，目前最有效且快速的方法是利用涡流检测技术(ET),对发生腐蚀减薄的低碳钢管用远场涡流检测技术(RFT)测量出较准确的壁厚值，依此可以判断低碳钢管的残余寿命，并对该换热器的监测及技术改造提供参考依据。

关键词：低碳钢管；腐蚀减薄；远场涡流检测；测厚

在役换热器低碳钢管使用的年限较短(约4年)，其在生产运行中会出现严重腐蚀减薄甚至爆管。笔者使用远场涡流检测技术，对低碳钢管壁厚进行了较准确地测量,并依此判断低碳钢管的残余寿命,并对该换热器的监测及技术改造提供参考依据。

1远场涡流检测原理[1-3]

在激励线圈附近的检测线圈与其直接耦合产生的涡流效应称为近场区耦合，这是常规涡流检测。研究发现，激励线圈除了大部分能量消耗在近场外，还有很小一部分能量(约1%)穿透管壁向外扩散并沿管壁轴向传播，若在远处(一般大于2.5倍管径)放置检测线圈，则可接收到微弱的涡流信号，此时涡流两次穿透管壁，这个区域称为远场区，如图1所示。

图1　涡流传播路径示意

在近场区随着距离的增加磁场急剧衰减，但到了远场区后磁场衰减程度变得很平缓。一般在远场区，此时直接耦合的影响已基本消失，若在此处放置检测线圈，则可检测到微弱的电磁场信号，再对该信号进行幅值和相位的分析,这就是远场涡流检测。检测到的信号与传播路径上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相关。

图2为涡流信号的幅值和相位随着检测线圈和激励线圈距离而变化的情况。可见在近场区和过渡区，涡流变化剧烈；到了远场区则变化较为平缓，当线圈位置固定后，信号只与管材特性有关。

图2　涡流的幅值和相位与线圈距离的关系

1.1远场涡流的传播规律

(1) 为了得到一定强度的远场涡流，激励线圈的激励频率必须比较低，一般从几十到几百赫兹。

(2) 激励线圈产生的涡流绝大部分在近场区消耗，只有很小一部分穿出管壁传播到达远场区(大约1%的能量)，因此远场信号十分微弱，必须加大输出功率并采用高灵敏度的放大器进行检测。

(3) 远场涡流因为穿透管壁向外传播，基本不受到磁导率的影响，因而可以对铁磁性管壁进行检测。

(4) 研究表明,在检测线圈处得到的磁感应强度随管壁厚度呈指数衰减，而相位随管壁厚度呈线性滞后。如下式：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:B为检测线圈处的磁感应强度;B0为激励线圈处的磁感应强度;θ为相位滞后角；μ、σ为管壁材料特性；t为管壁厚度。

1.2螺旋线曲线

根据远场涡流检测原理可知，检测信号的幅值与壁厚成指数关系，信号相位的变化与管壁厚度成线性关系。因此可将信号幅值取自然对数后代表壁厚值，也可通过信号的相位变化量来确定壁厚值。但现有的检测仪器不具备对幅值取对数或直接读取相位变化的功能，因此只能近似处理。仪器显示的是探头移动时涡流信号的实时阻抗变化，即壁厚缺损的变化可由光点的移动来表示，其幅值随壁厚减薄成螺旋线变化，如图3所示。

图3　远场电压信号阻抗曲线

图3的螺旋线是一条理想曲线，是从管壁无限厚逐步减薄为零的涡流信号电压变化曲线。若能将上述壁厚变化的参考螺旋线画出，当实测到某一壁厚减薄信号时，直接与该曲线相对照，即可得出壁厚值。但这样做实际上仍有困难，理想的曲线难以做出。

2试验仪器及方法

2.1试验仪器

涡流检测仪：ET-556H 全数字电脑远场多频涡流检测仪。对比样管：低碳钢,φ25 mm×2.5 mm(直径×最厚壁厚)，外减薄，壁厚台阶2.5-2.0-1.5 mm。检测探头：φ19 mm远场检测探头，内插式、环形、双激励、绝对式(即AB型)线圈[4-5]。

图4　涡流仪、对比样管、探头外观照片

2.2试验参数

探头频率为0.3 kHz， 增益为30， 相位为203°。

2.3试验方法

选择了对比样管进行测试，在壁厚变化只有两个减薄台阶的情况下得到的信号曲线与理想的螺旋线是有差异的，但对应三个壁厚值的光点位置是准确的，如图5所示。

图5　2.5-2.0-1.5 mm壁厚台阶校验曲线

由于选用的对比样管只有两个减薄台阶，3个壁厚值，而且每个台阶壁厚是突变的，因此改变检测频率，通过在对比样管中的反复测试，对涡流信号选择恰当的相位旋转和增益调节，可得到需要的检测曲线。

进行现场管壁测厚时，其中三个壁厚点数值是准确的；在标准点之间的壁厚值，误差值也不会太大，经过多次测试及验证，现场检测时综合误差在0.1 mm之内，这已足够满足工程使用要求。

加工一段3.3～0.3 mm的外壁缓慢减薄的对比样管，如图6所示。

图6　3.3～0.3 mm壁厚对比样管设计图

调节探头的频率、相位、增益，探头从对比样管最大值处缓慢拉出，可以得到图7所示曲线，这条曲线和理论分析理想状态下的螺旋曲线大致相同，验证了理论分析情况。

图7　3.3～0.3 mm壁厚校样曲线

为了看出各段的线性关系，分别在对比样管和探头上做上标记，然后探头由对比样管的最大值处缓慢移动，在各标记处停顿一下，各壁厚值在上面的曲线上都有一个对应点；壁厚值较大时，相邻两个壁厚值间曲线长度较短，壁厚值越小，相邻两个壁厚值间曲线长度越长。验证了远场涡流测厚检测的螺旋曲线是非线性的。

3现场检测案例

2012年5月对某厂合成车间的预塔再沸器(E2101)检测情况如下。

3.1设备的基本情况

列管材料为低碳钢;列管规格为φ25 mm×2 mm×3 000 mm;管程介质为甲醇;壳程介质为水。

使用时间：2008年5月开始投产使用。

设备在运行一段时间后发现上管板的部分列管角焊缝开裂泄露，后在进液管处加了一挡板，上管板的列管角焊缝开裂减少。继续运行一段时间后发现列管泄露，进行拔管，结果在距下管口400 mm左右的位置被拉断，抽出的列管被拉断的断面非常薄。

3.2检测仪器

涡流检测仪为ET-556H全数字电脑远场多频涡流检测仪;对比样管为低碳钢,φ25 mm×2.5 mm；外减薄,壁厚台阶2.5-2.0-1.5 mm。检测探头：φ19 mm远场检测探头，内插式、环形、双激励、绝对式(即AB型)线圈。

3.3探头检测参数

探头频率为0.3 kHz， 增益为30， 相位为22°。

3.4现场检测

调节频率、相位、增益均按2.0～1.5 mm标定测量,涡流检测曲线如图8所示。

图8　2.0～1.5 mm壁厚校验曲线

检测了几根列管，发现有的列管壁厚值小于1.5 mm，甚至超出屏幕，如图9所示。

图9　现场初步检测信号

由图9可以看出：从管口开始，壁厚急剧减薄，然后回转到A点，然后再向左，实际上A点应该是这根管子的最薄点。调节频率、相位、增益，按2.0-1.5-0 mm标定测量。

在对比样管标定时，2.0 mm和1.5 mm的管壁厚是准确的，在2.0～1.5 mm标定范围内检测得到的壁厚值有近似的线性关系，所测得的壁厚值误差也较小。小于1.5～0 mm标定范围内的数值没有线性关系，且曲线有回转，所以测得的壁厚值有一定的误差，具体误差无法准确给出数值。

检测得到部分壁厚值不大于1.50 mm的列管管号见表1。

表1　初步检测结果

检测得到壁厚值小于1.50 mm的结果分析：

(1) 发现部分列管测得的壁厚值太小，而无法判断真实性(误差大小)。

(2) 由于检测曲线有回转特性，且螺旋线分布是非线性关系。

(3) 为了减小误差，得到更精确些的壁厚值，所以采用其他方法进行修正测量。

调节频率、相位、增益，以2.0-1.5-0.75 mm标定测量。

假借临界点，定义为0.75 mm，使其在屏幕的最左边，这样曲线在这一点上还没有回转。通过标准校正后，检测时屏幕上显示的最小值也是0.75 mm左右。其曲线也有一个近似的线性关系，那么就可以按2.0-1.5-0.75 mm标定测量，减小实测中的误差值。

对表1中的列管进行重新检测得到壁厚值见表2。检测得到壁厚值小于1.50 mm的结果分析如下。

(1) 在0.75～1.5 mm间的壁厚值，按2.0-1.5-0 mm标定测量得到的数值相比按2.0-1.5-0.75 mm标定测量得到的数值，有的不变，有的差值在0.05～0.15 mm之间，越接近1.5 mm的误差值越小，壁厚值越小的误差值越大。可以判定壁厚值在此之间的列管可根据生产工艺条件进行监测使用或选择性堵管处理。

表2　修正后检测结果

(2) 壁厚不大于0.75 mm的，由于其壁厚值本身就较小，考虑到还可能存在偏心腐蚀的情况，就需要进行堵管处理。

(3) 从图10也可以看出，壁厚在管板上有一定的分布规律，可以给设备的修复处理、继续使用及改造提供依据。

图10　壁厚分布图

现场检测与拔出的列管所测得的壁厚值基本对应，误差在0.1 mm左右。

局部异常减薄剖开、拔管时被拉断的照片、现场检测信号图如图11～12所示。

图11　现场拔管解剖照片

图12　现场涡流检测信号

4检测难点

(1)由于低碳钢管所处的工艺环境一般较差，管内通常会有结晶物和污垢等杂物且难于清洗，只能选用较小的检测探头，造成填充系数较小，检测灵敏度下降。这些杂物还可能含有铁磁性杂质，对检测信号造成干扰。

(2) 国产低碳钢管在轧制过程中，由于工艺控制不是很严格，造成整根管子可能存在热处理状态不均，壁厚不均，整批管子壁厚分布也不均的情况。

(3) 所测得的壁厚值为管子最薄截面处各方位壁厚的平均值，若存在单边减薄(偏心腐蚀)，则最薄处的壁厚值要小于实测值。

(4) 由于螺旋曲线是非线性关系，现有软件是

取其水平投影，按线性方程进行读数，所以有一定的误差。解决的根本办法是在软件设计上改进，实现对幅值取对数或直接读取相位变化的功能。

5结语

(1) 验证了远场涡流检测用于低碳钢的厚度测量时，厚度与幅值呈螺旋线关系，且在水平方向有二次读数(回转性)的特性。

(2) 检测前，要尽量查清换热器的列管规格、工艺介质、腐蚀、管内污物等状况，选择合适的对比样管、检测探头、检测参数。

(3) 严重腐蚀减薄时，在没有合适对比样管的情况下，利用上述方法减小非线性带来的测量误差值。

(4) 远场涡流测厚(绝对式即AB型探头)对缓慢壁厚变化(体积型)的腐蚀缺陷较为灵敏，而远场涡流检测(差动式即DP型探头)对缓慢的壁厚变化的腐蚀缺陷却不灵敏。因此对铁磁性管壁腐蚀减薄进行远场涡流测厚更准确与可靠。

(5) 对腐蚀减薄管壁进行涡流检测可以为在役换热器列管的使用提供较为直观的数据，为设备管理人员判定设备使用寿命提供参考依据。

参考文献:

[1]ASTM E2096-05热交换器管远场涡流检测[S].

[2]孙雨施.远场涡流检测技术[M].南京：南京航空学院出版社，1990.

[3]任吉林，林俊明.电磁无损检测[M].北京：科学出版社，2008.

[4]葛炼伟，郭韵，丁有广,等.核电厂高压加热器传热管涡流检测及缺陷产生机理分析[J]，无损检测，2014,36(1)：74-76.

[5]任吉林，吴振成.碳纤维复合材料涂层厚度的涡流测量[J].无损检测，2015,37(2)：5-9.

Remote Field Eddy Current Testing of Low Carbon Steel Tube′s Wall Thickness Seriously Reduced Due to Corrosion

YANG Shu-hai

(Nanjing Ur Science-Tech Co., Ltd., Nanjing 210033, China)

Abstract：Low carbon steel tube is usually used in circulating water of the heat exchanger in service with the process medium. Normally, there exist mainly scouring corrosion and scale corrosion. In the case of tube wall being seriously thinned due to corrosion the burst might occur and the normal operation of the heat exchanger would be affected. So far the most effective and rapid method for the heat exchanger tube inspection is to use the eddy current testing technology(ET). For corrosion induced wall thickness thinning of low carbon steel tube the remote field eddy current testing technology(RFT)can accurately measure the thickness value, and this can determine the residual life of the tube. The above-mentioned method can be used to monitor the equipment and provide a reference basis for the technical innovation of the heat exchanger.

Key words:Low carbon steel tube; Corrosion thinning; Remote field eddy current testing; Thickness testing

中图分类号：TG115.28

文献标志码：B

文章编号：1000-6656(2016)01-0058-05

DOI:10.11973/wsjc201601016

作者简介：杨淑海(1986-),男,助理工程师,主要从事在役压力容器的检验检测工作。

收稿日期：2015-05-04