基于脉冲涡流检测技术的弯管冲刷减薄试验研究

2021-04-19毛国均张翰林李斌彬钱盛杰

化工机械 2021年1期

毛国均张翰林李斌彬钱盛杰

（宁波市特种设备检验研究院）

冲刷减薄是金属表面与流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果。冲刷减薄是锅炉、压力容器与管道等承压设备中常见的一种现象，主要发生在液面经常波动部位、流向改变部位、物料进口部位、截面突变部位及易受腐蚀、冲刷等部位。本课题针对的冲刷减薄弯管为流向改变部位，介质为原油，属于易受腐蚀和冲刷的管道。因此，在这种工况下，容易造成冲刷减薄，特别是弯管部位的冲刷减薄。测量弯管均匀减薄的常规方法为超声检测，利用一收一发的脉冲反射法能简单高效地实现对弯管的实时检测。冲刷减薄则不同，由于冲刷部位会形成一个倾斜角，当冲刷达到一定角度时，会使超声声束随着斜面的反射而无法被接收。因此，无论是常规超声还是精度高的电磁超声都难以检测出冲刷减薄后的厚度。而脉冲涡流是根据电磁场的信号来反映构件的厚度和缺陷的，弯管壁厚的缺失会影响电磁场信号的大小。因此，脉冲涡流技术能实现对冲刷减薄的检测。笔者对化工装置检验中发现的两条冲刷减薄的弯管分别进行了常规超声检测、电磁超声检测和脉冲涡流检测试验。

1 脉冲涡流检测技术的基本原理与特点

脉冲涡流检测技术（PEC）是近年来发展迅猛的一项新的无损检测技术，该技术基于电磁感应原理，通过分析经过快速磁场变化后组件内部涡流场的变化情况来测量壁厚变化，具有频谱宽、信号穿透能力强及精确度高等优点［1，2］。

脉冲涡流检测技术一个完整的采集周期可以分为激发、中止和接收3 个阶段。如图1 所示，在激发阶段，脉冲信号源产生有一定脉冲宽度且有周期性的方波激励电流，同时产生可以穿透被测工件厚度的磁场，使工件最终达到磁饱和状态；在中止阶段，脉冲信号源的激励电流突然消失，使得外部磁场瞬间消失，此时工件中会感应到强大的脉冲涡流信号；在接收阶段，涡流信号在工件中衰减，由探头中的传感器接收信号的衰减程度来检测原件的厚度［3］。

图1 脉冲涡流检测采集周期示意图

脉冲涡流检测技术与常规四大无损检测技术相比具有明显优势：射线检测有辐射危害，而脉冲涡流检测应用电磁感应原理，具备安全性；超声检测必须使用耦合剂，而脉冲涡流检测探头可直接接触工件表面，更清洁方便；磁粉检测只限于检测铁磁性材料表面或近表面缺陷，渗透检测仅限于检测表面缺陷，而脉冲涡流检测可应用在任何导电媒介中，且对近表面和远表面的缺陷都很灵敏［4］。另外，基于电磁感应原理的常规涡流法采用单频或多频正弦信号激励，受趋肤效应影响，渗透能力有限，信息量相对较少。与常规涡流法相比，脉冲涡流法采用周期性脉冲信号激励，具有丰富的频谱内容，在金属材料厚度和缺陷检测方面得到了广泛应用［5～7］。除上述优势外，脉冲涡流检测在实际应用时可保留工件外部保温层和防护层进行检测，操作简便且学习周期短。

2 检测试验

笔者在化工装置输油管道的检验过程中发现两条管道的弯管无法进行常规超声波测厚。因此，将这两条管道切割后，利用常规超声、电磁超声和脉冲涡流检测技术进行测厚研究。将两条管道分别编号为1#弯管和2#弯管，规格均为160mm×6.0mm。

2.1 常规超声测厚试验

选取1#弯管进行常规超声测厚，试验结果如图2 所示。测厚结果表明：在未经冲刷减薄的上游部分，可以测得其厚度值，数值显示为6.10mm；在弯管的侧弯部分冲刷减薄较严重区域和冲刷减薄的下游部分，均无法测出厚度值。

图2 1#弯管的常规超声测厚

2.2 电磁超声测厚试验

电磁超声技术可以通过闸门调节和测量模式的更改实现对特定工件的厚度检测，具有比常规超声测厚更加全面的测厚功能。但对这两条管道进行测厚时，大部分区域显示的数据跳动剧烈，只有个别的测点数据相对稳定，且检测时信号杂波较多，难以实现对上述弯管的检测。为方便与常规超声进行比较，笔者选取1#弯管的同一测厚点处进行电磁超声测厚，试验结果如图3 所示。测厚结果表明：在未经冲刷减薄的上游部分，可以测得其厚度值，数值显示为5.984mm；在弯管的侧弯部分冲刷减薄较严重区域，厚度值跳动剧烈，图3b 中显示的1.947mm 为跳动过程中某一时刻的厚度数值；在冲刷减薄的下游部分，冲刷所形成的斜面相对坡度较小，而电磁超声的探头较大，能接收到一定量的超声回波信号，可以测出厚度值为4.976mm。由此可见，电磁超声技术对冲刷减薄的检测效果优于常规超声检测技术，尤其是轻微冲刷减薄的区域。

2.3 脉冲涡流测厚试验

由于电流热效应的关系，脉冲涡流的线圈无法做得很小。因此，脉冲涡流探头较大，单点检测的覆盖长度也较大。脉冲涡流测厚显示的是探头覆盖范围内的平均厚度，这样就导致该方法对局部缺陷的检测能力较弱。一般情况下，当缺陷尺寸小于探头覆盖的平均区域的尺寸时，脉冲涡流检测将低估缺陷的尺寸。而本检测试验的对象为冲刷减薄的弯管，且冲刷减薄区域大于覆盖长度。因此，从理论上讲，脉冲涡流法能实现对此类缺陷的检测。

图3 1#弯管的电磁超声测厚

试验采用的仪器为加拿大Eddyfi 公司生产的Lyft-PEC-GD 型号脉冲涡流检测仪，试验仪器配置为主机一台、中型探头和探头线缆一套。根据脉冲涡流的理论分析计算，为满足两条压力管道弯管检测的要求，采用的脉冲涡流检测参数：探头型号为PEC-089-G2-XXXX，提离高度为0 时的覆盖长度为62mm，带保温的覆盖长度为75mm，线性滤波频率为50Hz，最大功率为10.0W，脉冲持续时间为6.8ns。为减少激励信号对检测信号的影响，在金属管道上覆盖了20mm厚的保温材料。检测开始前，分别在两条弯管的侧弯部分进行壁厚校准，检测实物照如图4 所示。在检测过程中，探头发射信号的方向始终垂直于管子的轴线进行网格映射扫查，扫查轨迹如图5 所示。

图4 脉冲涡流检测实物照

图5 弯管扫查轨迹展开图

为方便检测，可将弯管检测分为内弯、外弯和侧弯3 个部分，数据采集采用单点记录的方式。在检测软件中，设置测点数量最多的为外弯，其次是侧弯，最少的为内弯。图6 为1#弯管的冲刷减薄弯管的检测结果，其中图6a 为C 扫描检测图，图6b 为厚度值显示云图。图6 中最上部和最下部区域为内弯部分，最中间区域为外弯部分，其余区域为侧弯部分。从图中可以发现，内弯部分几乎无腐蚀，侧弯部分从左往右的冲刷减薄程度不断加大，外弯部分从左往右的冲刷减薄程度也不断加大，且外弯部分的减薄程度最严重，已超过壁厚的20%。