多频涡流检测技术在热网加热器性能评价中的应用

王守运， 张 洋， 于 达， 李 辉

（天津诚信达金属检测技术有限公司， 天津 300384）

热网加热器是热网系统的主要设备之一， 其主要功能是利用汽轮机的抽汽或从锅炉引来的蒸汽来加热热水供应系统中的循环水以满足供热要求， 从而实现热电联产。 热网加热器换热管束在运行过程中管壁减薄、 凹坑等缺陷易造成泄漏，换热管束的泄漏、 杂质淤积、 堵塞、 管壁结垢等减少了换热面积， 降低了换热管束的换热效率， 影响供热总量的稳定输出[1-2,5]。 当换热管束泄漏时，需要进行封堵处理， 依据《产品设计使用说明书》规定， 堵管数量不得大于总管数量的10%。 如何有效发现换热管束的薄弱部位， 及时处理， 并分析产生的原因， 提出预防措施， 尤为关键[3-4,9]。 只有掌握热网加热器的状态才能为下一步的检修方案及防护措施提供技术支撑， 以便有效降低经济损失。本研究采用多频涡流检测技术， 对某热电厂热网加热器进行检测， 为热网加热器换热管束堵管提供预防和解决方案。

1 热网加热器运行情况

某热电厂装机（一拖一） 容量为466.2 MW，燃气轮机采用通用公司F 级燃机， 余热锅炉和蒸汽轮机发电机组由哈尔滨电气制造。 于2012 年12 月开工， 2014 年12 月30 日投产， 运行5 年内未对热网加热器进行检测。

应热电厂要求， 在热网检修期间， 对供热首站1 台热网加热器进行涡流检测。 该热网加热器为卧式加热器， 加热器型号为JR2000， 换热管束4 200 根， 管束材质为TP316L， 规格为Φ19 mm×1 mm×7 630 mm， 支撑板材质为Q235A， 具体运行参数见表1。 经统计， 该热网加热器已封堵104 根， 占管束总量的2.48%。

表1 热网加热器运行参数

2 多频涡流检测技术及应用

2.1 多频涡流检测原理

多频涡流检测是指涡流仪具有多个工作通道，并能同时以两个或两个以上工作频率进行检测的技术。 通过调整不同激励频率的涡流对支撑板产生相应信号， 再经过混频通道进行信号叠加， 达到消除支撑板相应信号， 提取缺陷信号的目的[6]。

多频涡流检测技术能够消除支撑板、 隔板、防震条等结构信号； 可提供多个通道信息， 便于区分结构信号、 干扰信号和缺陷信号； 低频通道可用于辨识钢管的轴向位置等[7-8]。

2.2 仪器调整及参数选择

2.2.1 探头的选择

涡流检测的探头应根据换热管束的尺寸及实际运行情况进行确定。 为保证检测灵敏度， 需选择较大填充系数的探头， 换热管束内径为17 mm，选择的探头外径为16 mm， 填充系数为88.6%，满足标准要求。

2.2.2 工作频率选择

根据检测对象的厚度、 期望透入的深度、 相位拉开角等选择主检测频率。 一般对于非铁磁性管材的内穿过式涡流检测， 采用1.09 倍标准透入深度等于被检测管材壁厚， 工作频率表示为

式中： σ——电导率， S/m；

t——管壁厚度， mm。

试验证明， 该频率通孔和20%外壁平底孔的夹角约为90°， 涡流密度为表面电流密度的34%。

公式 （1） 经推导， 可以得到较为简单的表达式：

式中： ρ——电阻率， μΩ·cm。

查表可知， 换热管束电阻率为7.3×102μΩ·cm，壁厚1 mm， 代入上式可得主检测频率为219 kHz。

多频涡流检测技术一般选择4 个或更多频率进行检测。 通常f90作为主频， 用于发现缺陷和评定缺陷； f90/2 作为辅频， 辅助判伤以及混频消除支撑板等结构信号的影响； f90/8 作为低频，用于观察管外结构信号和定位； f180作为高频，用于查找管内壁缺陷。

2.2.3 对比试样制作

选择与待检换热管束相同的管子， 依据标准NB/T 47013.6—2015 《承压设备无损检测第六部分： 涡流检测》 要求制作Ⅰ型试样和Ⅱ型试样。Ⅰ型对比试样用来调整检测系统和灵敏度， Ⅱ型试样用来绘制缺陷深度与相位关系的曲线[10]。

可根据检测目的， 按照有关规范标准要求并与业主协商确定， 选择一种或几种缺陷类型制作缺陷对比试样， 用于缺陷特征分析。

2.2.4 仪器调整

在Ⅰ型对比试样上， 调整仪器使各通道通孔信号相位为40°±5°， 通孔信号幅值相当于满刻度的40%。 选择换热管束支撑板处信号进行混频处理，混频通道支撑板信号消失， 缺陷信号正常显示。 在Ⅱ型试样上制作缺陷深度与相位曲线， 测量缺陷减薄量。

2.3 多频涡流检测方法

2.3.1 检测要求

检测前对热网加热器换热管束内外表面进行清洗， 满足检测要求。 按灵敏度调试时设置的参数对被检管束进行检测。 检测时的速度应与调试灵敏度时的检测速度相同或相近， 且检测过程中保证探头移动速度稳定。

2.3.2 检测标准与质量评定

检测标准采用NB/T 47013.6—2015 《承压设备无损检测第六部分： 涡流检测》， 质量评定按照甲方要求如下： ①缺陷信号超过20%壁厚的作为记录依据， 而不考虑其信号幅值大小； ②缺陷信号超过45%壁厚的， 管束严重腐蚀， 必须堵管处理； ③缺陷信号反映为贯穿性缺陷的， 堵管处理； ④检测人员判定为危害性缺陷时， 不受上述条文限制， 可直接判废； ⑤在检验过程中，不能确定是否为缺陷信号时， 不作为堵管依据。

3 检测结果及原因分析

3.1 热网加热器检测结果

采用多频涡流检测技术对热网加热器换热管束进行检测， 管束共4 200 根， 已封堵104 根，探头不能穿过管束455 根， 不合格管束29 根，管束外壁损伤426 根。 探头无法穿过的管束大多由于水垢、 铁锈等附着于管束内壁， 阻碍探头移动。 采用高压水枪对455 根不能穿过的管束重新进行清洗， 清洗后重新检测， 仍有74 根无法穿过， 不合格管束40 根， 如图1 所示。 图1 中，黑色标记为原始封堵管束104 根， 黄色标记为外壁损伤管束共426 根， 绿色标记为不可穿过管束74 根， 红色标记为不合格管束40 根。

图1 热网加热器换热管束检测结果示意图

3.2 原因分析

3.2.1 探头不可穿过管束

由图1 可见， 探头无法穿过的管束主要位于上水室右侧和上侧， 借助内窥镜观察， 管束内部如图2 所示。 由图2 可见， 不可穿过管束内部多为水垢和污垢， 严重的情况已将管束完全堵塞。 由于水质不良， 造成管束内壁产生水垢， 同时水室外侧管束内循环水流速低， 不利于水垢疏通。 水中的杂质也在管束中淤积， 进而将管束完全堵塞。 该电厂运行至今， 热网加热器未进行涡流检测， 停机时也没有对管束内部进行清理， 导致水垢和污垢严重。

图2 不可穿过管束内部形貌

水垢或污垢不仅会使管束局部过热， 影响换热效率， 还会使管束堵塞， 无法对缺陷进行有效检测， 造成泄漏。 对上述不可通过的管束进行酸洗和高压冲洗， 去除水垢和污垢， 对于无法疏通的管束建议封堵。 热网加热器进水水质应保证合格， 及时排污， 定时清洗滤网， 防止杂质进入加热器换热管束内。 停机时须对换热管束彻底清洗后充氮保养。

3.2.2 原始封堵管束

由图1 可见， 原始封堵管束主要集中在上水室顶部， 共104 根， 在以往运行过程中发生泄漏后采用堵管处理。 原有封堵管束位于换热管束进汽侧， 进汽侧与管侧中间隔着遮流板， 该处遮流板发生过损坏。 遮流板损坏导致蒸汽直接冲刷换热管束， 形成气阻， 受热不均匀而发生泄漏。 对于损坏的遮流板应及时更换， 并加固处理。

图3 外壁损伤的管束内部形貌

3.2.3 外壁损伤管束

由图1 可见， 上水室黄色标记为管束外壁损伤共426 根。 经多频涡流检测后显示为外壁减薄信号， 借助内窥镜从管束内部观察， 如图3 所示。

由图3 可见， 外壁损伤的管束内部多存在点凸缺陷， 该外壁损伤的管束位于原有封堵管束下方， 遮流板损坏不仅造成紧靠其管束的泄漏， 也给下方管束造成不同程度的损伤。 该凸点或减薄是由于遮流板损坏、 蒸汽冲刷， 原有封堵管束泄漏出水， 甚至蒸汽带有颗粒夹杂物冲击等原因造成的。 外壁损伤的管束数量较多， 虽为不超标信号， 但潜在威胁极大， 一旦有泄漏会威胁附近管束的安全。 若外壁损伤的管束全部进行堵管处理，则热网加热器换热效率满足不了供热要求， 最终按照业主要求打压试验， 没有发现泄露， 因此采取监督运行。 由此可见， 遮流板损坏或破裂会给换热管束造成大面积损伤， 需要及时发现、 加固处理。

图4 管束内部腐蚀形貌

3.2.4 不合格管束

经多频涡流技术检测， 按照质量评定要求，对于超标缺陷信号进行堵管处理。 图4 所示为管束内部腐蚀形貌， 可见大量腐蚀坑， 使管束变薄而发生泄漏。 应严格控制水质， 防止腐蚀和结垢。

4 结 论

（1） 对热网加热器换热管束外壁有损伤的管束进行监督运行。

（2） 热网加热器停运期间， 应对换热管束进行彻底疏通清扫， 吹干管内存水， 充氮保护， 做好防腐工作。

（3） 确保循环水质的pH 值及含氧量， 循环水及时排污， 定期清洗滤网， 防止杂质进入加热器换热管束内。

（4） 杜绝热网加热器超温、 超压运行。

（5） 遮流板进行加固处理， 遮流板损坏应及时更换， 避免对换热管束的损伤。

（6） 改善热网加热器的运行环境， 才能有效提高热网加热器的换热效率和使用寿命。