Eddy current testing of heat transfer tubes in industrial cooling water heat exchangers of a power plant
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摘要:
在对某电厂工业冷却水热交换器传热管进行涡流检测时发现,多根传热管存在外壁缺陷,且均位于限位杆处,经拔管验证均为限位杆磨损缺陷。由于该设备结构特殊,限位杆与传热管之间为点接触,结合其产生的涡流信号特征,对该类缺陷的分析及定量方法进行了对比分析,为同类设备的涡流检测提供了实践经验。
Abstract:When conducting eddy current testing on the heat transfer tubes of an industrial cooling water heat exchanger in a power plant, it was found that multiple heat transfer tubes had external wall defects, all located at the limit rods. After pipe pulling, it was verified that they were all wear defects of the limit rods. Due to the special structure of the equipment, there was a point contact between the limit rods and the heat transfer tubes. Based on the characteristics of the eddy current signals generated, the authors conducted a comparative study on the analysis and quantitative methods of these defects and provided practical experience for eddy current testing of similar equipment.
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Keywords:
- heat transfer tube /
- eddy current testing /
- defect /
- wear
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某电厂工业冷却水热交换器有1 600根传热管,传热管材料为钛合金（Gr.2）,规格（外径×壁厚）为ϕ25 mm×0.5 mm,长度为8 000 mm。传热管内部介质为海水,外部介质为除盐水。该设备结构示意如图1所示,最外侧为折流圈,与常规换热器（如凝汽器、高压加热器、低压加热器等）不同的是,中间支撑传热管的为ϕ5.5 mm的限位杆,而非支撑板,限位杆有横有竖,间隔布置,与传热管的4种接触形式示意如图2所示。在对该设备传热管进行涡流检测时,发现多根传热管存在外壁缺陷,且均位于限位杆处,经拔管验证均为限位杆磨损缺陷,典型磨损缺陷形貌如图3所示。由于该设备结构特殊,限位杆与传热管之间为点接触,结合其产生的涡流信号特征,对该类缺陷的分析及定量方法进行了对比分析,为同类设备的涡流检测提供了实践经验。
1. 检测过程
1.1 检测设备
检测采用多频涡流检测仪,检测探头为内穿过式差分探头,线圈直径为23 mm。检测使用的频率分别为833,400,200,100 kHz,其中833 kHz为主频,其余为辅频。标定样管及对比样管（磨损样管）的规格、材料和出厂批次与设备上使用的传热管的相同,标定样管上人工损伤的分布如图4所示（图中损伤编号为A~G）,各损伤深度占壁厚的百分比如表1所示,对比样管上的人工损伤根据典型限位杆磨损缺陷的形状和形式进行加工,如图5所示。
Table 1. 标定样管上各损伤深度占壁厚的百分比%项目 人工损伤编号 A B C D E F G 损伤深度占壁厚的百分比 10 20 40 60 80 100 100 1.2 检测参数配置
Table 2. 差分通道涡流检测参数配置表参数 通道1 通道3 通道5 通道7 信号源频率/kHz 833 400 200 100 增益 80 %屏幕 80 %屏幕 80 %屏幕 80 %屏幕 相位 单通孔40°±2° 通孔40°±2° 通孔40°±2° 通孔40°±2° 幅值 周向4通孔8 V 应用通道1 应用通道1 应用通道1 Table 3. 绝对通道涡流检测参数配置表参数 通道2 通道4 通道6 通道8 信号源频率/kHz 833 400 200 100 增益 40 %屏幕 40 %屏幕 20 %屏幕 20 %屏幕 相位 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 幅值 应用通道1 应用通道1 应用通道1 应用通道1 1.3 缺陷定量方法
涡流检测对于缺陷定量的方法通常有两种,一种为“相位-伤深”法,另一种为“幅值-伤深”法[1]。
对于常规换热器,传热管磨损缺陷由支撑板产生,支撑板与传热管之间为面接触,所产生的磨损缺陷在轴向方向上有一定长度,通常选择低频绝对通道混频制作的“幅值-伤深”曲线进行缺陷定量[2-3]。但对于限位杆磨损缺陷,由于限位杆与传热管之间为点接触,其缺陷形貌与支撑板磨损相比存在一定差异。典型限位杆磨损缺陷信号如图6所示,笔者分别采用两种定量方法对该类缺陷信号进行分析。
首先采用“相位-伤深”法对缺陷进行定量。实际分析中发现,由于主频通道限位杆结构信号幅值较小（约为0.2 V）,主频与辅频混频效果极差,如图7所示,因此只能采用主频差分通道制作“相位-伤深”曲线对缺陷进行定量,如图8所示。
然后使用“幅值-伤深”法对缺陷进行定量。实际分析中发现,低频绝对通道混频效果较差,而低频差分通道混频效果良好,如图9所示,因此使用低频差分混频通道制作“幅值-伤深”曲线对该类缺陷进行定量,如图10所示。
1.4 缺陷定量结果对比与分析
为了解限位杆对磨损缺陷涡流信号的影响情况,采用上述“相位-伤深”法对磨损样管上的人工缺陷进行判伤,判伤结果与人工磨损缺陷实际深度的对比如表4所示（人工缺陷实际深度以磨损样管校准证书为准,样管磨损缺陷处均放置了限位杆模拟件）。
Table 4. “相位-伤深”法判伤结果与人工磨损缺陷实际深度对比序号 实际损伤深度/% 幅值/V 相位/（°） 相位-伤深法判伤结果/% 偏差/% 1 76 10.5 87 71 -5 2 62 4.9 106 58 -4 3 42 1.6 103 60 18 4 18 0.35 112 54 36 由表4可看出,当人工磨损缺陷实际深度较大时,“相位-伤深”法判伤结果偏差较小；当人工磨损缺陷实际深度较小时,“相位-伤深”法判伤结果偏差较大,且深度越小,偏差越大。说明当缺陷深度较小时,限位杆产生的结构信号对缺陷信号相位的影响较大。
分别采用两种定量方法对实际检测发现的限位杆磨损缺陷信号进行分析,并与拔管后的实际磨损深度进行对比,结果如表5所示。由表5数据绘制出两种定量方法所判损伤深度及缺陷实际深度的对比曲线,如图11所示;不同深度下两种定量方法所判损伤深度与缺陷实际深度的偏差分布情况,如图12所示。
Table 5. 两种定量方法与实际磨损深度的分析结果对比序号 行号 列号 实际深度/% 通道1幅值/V 通道1相位/（°） 相位-伤深法测量结果/% 幅值-伤深法测量结果/% 相位-伤深法测量偏差/% 幅值-伤深法测量偏差/% 1 18 31 50 5.80 105 59 68 9 18 2 19 31 42 3.68 105 59 57 17 15 3 28 14 34 2.07 126 42 58 8 24 4 18 15 26 1.01 144 26 41 0 15 5 32 33 26 0.97 142 29 40 3 14 6 15 13 24 1.13 142 29 41 5 17 7 27 14 20 1.06 115 50 40 30 20 8 31 17 18 1.40 86 73 33 55 15 由图11,12可看出,对于现场实际产生的限位杆磨损缺陷,“相位-伤深”法所判定的损伤深度变化趋势与缺陷实际深度变化趋势不一致,前者偏差波动较大,这是由于实际运行过程中,限位杆与传热管之间的相对位置并不固定,限位杆相对传热管除有周向方向的移动外,也有轴向方向的移动,因此限位杆结构信号对缺陷信号相位的影响也是不稳定的。当缺陷实际深度小于壁厚的20 %时,其偏差明显变大,这与磨损样管上的对比结果是一致的。对于现场实际产生的限位杆磨损缺陷,“幅值-伤深”法所判定的损伤深度变化趋势与缺陷实际深度变化趋势一致,即实际深度越小,所判定的损伤深度也越小,反之亦然。同时其所判定的损伤深度的偏差波动较小,且均为正偏差,这是由于实际运行过程中,传热管的同一位置可能产生多个磨损缺陷,且轴向间距较小,所产生的涡流信号实际是多个磨损缺陷信号的叠加,因此幅值响应变大,导致所判定的损伤深度大于缺陷实际深度。
2. 结论
（1）限位杆与传热管之间为点接触,且仅能产生单边磨损。虽然限位杆结构信号幅值响应小,但其对缺陷信号的影响仍然存在。 限位杆结构信号难以混频,仅能使用低频差分通道进行混频来消除结构信号的影响。 当缺陷实际深度小于20 %壁厚时,限位杆结构信号对缺陷信号相位的影响尤为显著。
（2）“相位-伤深”法所判定的损伤深度变化趋势与缺陷实际深度变化趋势不一致,且偏差波动大。 “幅值-伤深”法所判定的损伤深度变化趋势与缺陷实际深度变化趋势一致,且偏差稳定。
（3）对于限位杆磨损缺陷,最为合适的定量方法为通过制作限位杆磨损对比样管,使用低频差分混频通道制作“幅值-伤深”曲线进行判伤。虽然该方法所判定的损伤深度均大于缺陷实际深度,但已是目前最能表征现场实际情况的对比定量方法。
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Table 2 差分通道涡流检测参数配置表
参数 通道1 通道3 通道5 通道7 信号源频率/kHz 833 400 200 100 增益 80 %屏幕 80 %屏幕 80 %屏幕 80 %屏幕 相位 单通孔40°±2° 通孔40°±2° 通孔40°±2° 通孔40°±2° 幅值 周向4通孔8 V 应用通道1 应用通道1 应用通道1 
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Table 3 绝对通道涡流检测参数配置表
参数 通道2 通道4 通道6 通道8 信号源频率/kHz 833 400 200 100 增益 40 %屏幕 40 %屏幕 20 %屏幕 20 %屏幕 相位 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 噪声水平,缺陷向上 幅值 应用通道1 应用通道1 应用通道1 应用通道1
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Table 4 “相位-伤深”法判伤结果与人工磨损缺陷实际深度对比
序号 实际损伤深度/% 幅值/V 相位/（°） 相位-伤深法判伤结果/% 偏差/% 1 76 10.5 87 71 -5 2 62 4.9 106 58 -4 3 42 1.6 103 60 18 4 18 0.35 112 54 36
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Table 5 两种定量方法与实际磨损深度的分析结果对比
序号 行号 列号 实际深度/% 通道1幅值/V 通道1相位/（°） 相位-伤深法测量结果/% 幅值-伤深法测量结果/% 相位-伤深法测量偏差/% 幅值-伤深法测量偏差/% 1 18 31 50 5.80 105 59 68 9 18 2 19 31 42 3.68 105 59 57 17 15 3 28 14 34 2.07 126 42 58 8 24 4 18 15 26 1.01 144 26 41 0 15 5 32 33 26 0.97 142 29 40 3 14 6 15 13 24 1.13 142 29 41 5 17 7 27 14 20 1.06 115 50 40 30 20 8 31 17 18 1.40 86 73 33 55 15
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[1] 徐可北,周俊华 ．涡流检测[M]．北京：机械工业出版社,2004． [2] 张明,南通 ．某电厂工业冷却水热交换器传热管缺陷的成因分析[J]．无损检测, 2019, 41(4):45-48． [3] 陈锋,刘恒 ．闭式冷却水热交换器故障原因分析与改进[J]．管道技术与设备, 2017(1):36-38．
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