电站水冷壁热疲劳裂纹的阵列涡流检测方法研究

张 瑞

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300480)

1 研究背景

电站水冷壁是主要受热面，水冷壁由多列上升管组成，紧贴炉墙形成炉膛四周内壁或布置于炉膛中部，水冷壁的主要作用为：①吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量将水部分变成饱和蒸汽；②使炉墙壁温度大幅下降，因而使墙壁结构简化，减轻了炉墙的重量；③降低炉墙附近和炉膛出口处的烟气温度，防止和减少炉膛结渣。大型电站使用的是膜式水冷壁。如图 1所示，水冷壁内壁为向火面，直接接触炉堂火焰，管内容易结垢，管外易生成氧化皮和结垢，造成热传递效果减弱，使得水冷壁管长期处于高温环境中，管材易发生珠光体球化，在循环热应力和焊接残余应力叠加作用下，裂纹在外表面处萌生，沿着拉应力区扩展，造成疲劳开裂[1]。

近年来有很多电厂发现水冷壁管子横向裂纹导致爆管的案例，例如玉环某电厂、安徽平圩某电厂、芜湖某电厂、金陵某电厂、岳阳某电厂等，综合以上电厂发生的横向裂纹形貌进行分析，发现共同的原因就是热疲劳应力导致的裂纹。为了有效避免和减少锅炉爆管现象，需要加强水冷壁在役运行监测和检查，建立相应的评估机制和安全预警机制，有必要对水冷壁缺陷检测做进一步研究。对于在役管道的无损检测，通常采用超声波、渗透、磁粉等检测方法，但是上述方法对表面要求较高，需要大量打磨工作，而检测效率很低，需要进行长时间检测，并且打磨过程中可能会对管子造成磨损，使得管子壁厚变薄，安全性能降低，可能给电厂运行带来巨大经济损失。涡流检测则可以有效避免上述问题。

图1 水冷壁及热疲劳裂纹形态示意图Fig.1 Schematic diagram of water-cooled wall and thermal

2 涡流检测原理

涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导电材料。当把一导体置于交变磁场之中时，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的变化，会导致涡流的变化，利用这种现象判定导体性质、状态的检测方法，称为涡流检测[2]。常规单通道涡流技术，单次扫查覆盖检测区域小，检测效率低。

多通道的阵列涡流技术检测时间大幅度降低，使单次扫查覆盖更大检测区域；适用于那些具有复杂几何形状的部件的检测；改进了检测的可靠性和检出率。针对水冷壁疲劳裂纹特点，采取阵列涡流检测方式，利用多通道涡流探测仪，采用多组差动式线圈，将涡流探头检测面按照水冷壁曲率制作探头曲面，这样涡流探头可以紧密贴合水冷壁管子表面，既能有效过滤由于水冷壁表面粗糙引起的噪声信号，也能保证覆盖面积，从而提高检测效率。本文采用EEC-39RFT涡流检测仪，采用最新研制的新型涡流探头，如图 2所示，探头曲面完全贴合管子表面，一次扫查覆盖1/4圆周，只需要 2次扫查即可完成。线圈 1、2为一组，检测探头弧面右侧覆盖部分区域的缺陷，线圈缠绕方向相反，3、4为一组，检测探头曲面右侧覆盖部分区域的缺陷，线圈缠绕方向相反，可有效减少粗糙表面造成的缺陷。

图2 涡流探头整体及检测面处线圈放置示意图Fig.2 Schematic diagram of eddy current probe and coil placement at the detection surface

3 涡流检测方案

内蒙古某电厂共发生发生螺旋水冷壁疲劳裂纹4次爆管，全部发生在同一锅炉。第一处位于前墙标高 35m 螺旋水冷壁；第二、三处位于后墙标高 35、38m螺旋水冷壁；第四处位于前墙标高35m螺旋水冷壁。为解决频繁爆管问题，取现场的水冷壁样管制作实验样管，为模拟现场裂纹缺陷，在取下的水冷壁样管做电火花刻槽，制作对比样管[3]确定检测灵敏度，同时对现场取下的水冷壁样管进行涡流检测。为验证该方法的可行性制定如下实验方案。

对管子打磨光亮处和原始管子表面(含氧化皮)分别进行刻槽(5mm×0.5mm表示 5mm长 0.5mm深的刻槽，槽的宽度为刻槽用铜箔的厚度，所用铜箔厚度为 0.02mm)，如图 3所示，之后进行涡流检测，主要是研究原始表面的氧化皮及结垢对涡流检测的影响。

以原始管子表面5mm长、0.5mm深的刻槽缺陷进行灵敏度标定，将幅值调至窗口大小的 40%，对自然缺陷涡流检测，主要研究自然缺陷检出率。

图3 水冷壁对比样管电火花刻槽位置及尺寸示意图Fig.3 Location and size of EDM groove on water-cooled wall contrast sample tube

4 涡流检测结果

检测频率 38167Hz，将探头放置在管子表面，晃动探头，指示电信号的中心点会出现不规则移动，移动方向为相位角相差不大的斜平行线，噪声信号如图 4所示。将无缺陷部位的干扰信号调为水平相位，与水平相位明显区分的其他相位的信号即为缺陷信号，将5mm×0.5mm的刻槽信号幅值调至检测窗口的 40%大小，增加 2～3dB为检测灵敏度，检测过程中，幅值代表的是缺陷的大小，记录一个缺陷只需要记录幅值及相位角。

对管子光滑处和氧化皮处刻槽缺陷进行对比得到结果如图5所示。

图4 晃动探头干扰信号图Fig.4 Interference signal when shaking the probe

图5 对比样管A、B、C、D电火花刻槽的涡流检测结果Fig.5 Eddy current test result of EDM groove marked as A,B,C and D

通过对比发现，A、C 2个缺陷，缺陷大小相同，A处为打磨光滑处，C处为原始管子表面处，相位相差31°，幅值相差9；B、D 2个缺陷，缺陷大小相同，B处为打磨光滑处，D处为带有氧化皮处，相位相差14°，幅值相差 48；通过对比发现缺陷无论在氧化皮处还是光滑处都会有明显缺陷信号，原始管子表面的氧化皮及结垢对缺陷的检出有一定影响。

对现场截取的管子进行涡流检测，共发现 2处热疲劳裂纹，涡流检测及渗透检测结果如图6所示。

图6 现场涡流检测发现的缺陷进行渗透检测验证Fig.6 Penetration testing verification of defects found by on-site eddy current testing

将检测之后的管子进行打磨，然后进行渗透及磁粉检测，检测结果与涡流检测结果一致，仅发现上述2处热疲劳裂纹。这说明涡流检测结果是有效的，而且发现真实的热疲劳裂纹其宽度更小，根据涡流检测理论，幅值更大。

5 结 论

利用阵列涡流检测技术可以实现水冷壁热疲劳裂纹的在役检测，并且不需要打磨，从而降低检修成本，缩短检修时间，提高检测效率，能满足各电厂水冷壁的检测。通过水冷壁管道表面及近表面缺陷的全方位检测，将潜在的危害热疲劳裂纹提前发现，并在停机检修期间提前修复，避免了热疲劳裂纹扩展造成爆管带来危害和经济损失。