Design and analysis of magnetization structure for leakage magnetic detection of boiler membrane waterwall
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摘要:
在采用漏磁检测技术对锅炉水冷壁管进行缺陷检测时,受水冷壁鳍片结构的影响,水冷壁管缺陷处的漏磁信号强度会被削弱,从而导致检测灵敏度下降。针对此问题,提出了增加磁化单元,对待检水冷壁管两侧管道同时进行磁化的改进方案,并且对该方案的可行性进行了深入研究。建立了并列三个磁化单元的有限元模型,对比分析了增加磁化单元前后水冷壁管缺陷处的漏磁信号强度,最后通过试验验证了数值计算结果的准确性和改进方案的可行性,为锅炉水冷壁管漏磁检测设备的开发和应用提供参考。
Abstract:When using magnetic flux leakage detection technology to detect the defect of boiler water wall tube, due to the influence of the fin structure of the water-cooled wall, the magnetic flux leakage signal strength at the defect location of the water-cooled wall tube will be weakened, leading to a decrease in detection sensitivity. In response to the above issues, the author of this article proposed an improved scheme of adding a magnetization unit to simultaneously magnetize the pipes on both sides of the water-cooled wall pipe to be inspected. Furthermore, the author conducted in-depth research on the feasibility of this scheme. A finite element model of the magnetization structure of the boiler water-cooled wall tube containing three magnetization units was established. The magnetic leakage signal strength at the defects of the water-cooled wall tube before and after adding magnetization units was compared and analyzed. Finally, the accuracy of the numerical calculation results and the feasibility of the improvement plan were verified through experiments. The research content of this article could provide reference for the development and application of magnetic leakage detection equipment for boiler water-cooled wall tubes.
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电站锅炉作为我国煤电行业的关键设备,保有量较大,其关键部件如膜式水冷壁,在服役期间常受介质腐蚀、热辐射、磨损等因素影响出现管体损伤,进而发生泄漏,造成锅炉停产,甚至诱发安全事故[1-8],因此锅炉的使用单位和检验机构均较重视对水冷壁腐蚀、磨损情况的监控和检测[9-12],但较缺乏水冷壁管整体腐蚀情况的检测手段。漏磁检测技术近年来被广泛应用于特种设备的缺陷检测中,但关于漏磁检测技术在锅炉膜式水冷壁检测方面的应用以及如何解决鳍片结构对漏磁信号影响的相关研究工作目前还相对较少。此前,笔者已尝试利用漏磁检测方法来解决上述问题,在初步应用时发现锅炉水冷壁管的鳍片会对漏磁检测产生影响[13]。现针对该问题,提出了增加磁化单元,对待检水冷壁管两侧管道同时进行磁化的改进方案,并且对该方案的可行性进行了研究。
1. 水冷壁鳍片对缺陷漏磁信号的影响
漏磁检测技术主要依靠缺陷处漏磁场信号特征和强度大小来判定缺陷性质和深度,膜式水冷壁管与压力管道存在结构差异,即膜式水冷壁管之间以鳍片相连,其结构示意如图1所示,主要参数如表1所示。
Table 1. 膜式水冷壁磁化结构模型参数参数 数值 水冷壁管外径 60 水冷壁管壁厚 4 水冷壁鳍片厚度 5 水冷壁管中心距 95 磁铁尺寸（长×宽×高,下同） 90×60×25 衔铁尺寸 90×200×25 磁化器提离值 4 传感器提离值 1 缺陷尺寸（长×宽×深） 3×3×3 在进行漏磁检测时,需要将待测工件磁化,膜式水冷壁的鳍片会使管道中的磁通量下降,从而导致缺陷处的漏磁信号被削弱,有无鳍片水冷壁的漏磁场磁通量对比如图2所示,该部分内容在文献[13]中已有详细分析,不再赘述。
2. 磁化结构设计及有限元分析
为提高待测水冷壁管的磁通量密度,增强缺陷处的漏磁场信号强度,对鳍片结构造成的信号减弱进行补偿,提高检测灵敏度,设计了3个磁化单元并列布置的磁化结构,在检测过程中对待测管两侧管道同时进行磁化,以加强磁化效果。为评价该方案对磁化效果的加强作用,借助有限元仿真软件COMSOL对膜式水冷壁的磁化结构进行建模,建模方式和网格离散的处理方法与文献[13]相同。三磁化单元并列布置的磁化结构模型及有限元网格如图3所示。
对该模型的磁场分布进行求解,得出三维体磁通密度模如图4所示。缺陷二维漏磁场分布云图如图5所示。
根据漏磁检测设备霍尔传感器布置的位置（即表1中传感器提离值）,分别提取缺陷处管外壁上方1 mm处的漏磁场信号的切向分量和法向分量,数据提取路径的位置示意如图6所示。
将所提取出来的径向（与管道表面垂直）、轴向（沿管道轴向）两个方向上的漏磁场磁通量密度分量,与单个磁化单元的两种模型进行对比,借助Origin软件,绘制出3种磁化结构下,水冷壁管缺陷处漏磁场径向和轴向分量的点线图,如图7所示。
由图7可知,相对于膜式水冷壁,无鳍片的水冷壁管缺陷处的漏磁场磁通量密度明显更高,这主要是因为鳍片与水冷壁管相连,膜式水冷壁被磁化后,与磁感应线垂直方向的金属截面积增大,穿过管道母材的磁通量密度降低,故管道缺陷产生的磁场畸变即漏磁场强度也随之减弱。
另外,3个磁化单元并列布置的磁化结构设计能够在一定程度上对通过待测管横截面的磁通量进行补偿,从缺陷处漏磁场的磁通量密度看,经过补偿后的径向分量Bx的峰峰差值和峰峰间距与无鳍片水冷壁管磁化结构的数值仿真结果基本一致,并且两条曲线的轨迹也基本重合；而三磁化单元结构的缺陷处漏磁场轴向分量By的峰值有较大提升,并且峰谷差值与无鳍片水冷壁管的结果基本一致,上述特征参量也是缺陷的重要量化指标之一。
3. 试验验证与结果分析
为进一步验证数值计算结果的准确性以及三磁化单元结构的可靠性,设计加工了三磁化单元的检测仪原理样机,对设置有尺寸（长×宽×深）分别为2 mm×2 mm×3 mm,3 mm×3 mm×3 mm,4 mm×4 mm×3 mm,5 mm×5 mm×3 mm的4种人工缺陷的膜式水冷壁进行扫查。为了便于对比,使用单个磁化单元的检测仪对无鳍片水冷壁管和膜式水冷壁进行了扫查。试验装置布置现场如图8所示。
扫查装置中的霍尔元件输出电压直接反映了漏磁场强弱,提取漏磁信号最强的5号通道霍尔元件的输出电压,并绘制成点线图,如图9所示。
由图9可知,使用单一磁化单元的扫查装置得到的缺陷处霍尔电压较低,而三磁化单元扫查装置得到的缺陷处霍尔电压幅值与无鳍片水冷壁管的测试结果非常接近。
霍尔电压的峰谷差值是缺陷大小的重要表征参数,因此进一步归纳了各人工缺陷处漏磁信号的峰谷差值计算结果,如表2所示,绘制折线图如图10所示。
Table 2. 3种不同检测方案的漏磁信号波峰波谷差值缺陷尺寸/mm 无鳍片电压/V 有鳍片电压/V 有鳍片三磁化头电压/V 2×2×3 0.186 0.108 0.180 3×3×3 0.268 0.151 0.257 4×4×3 0.328 0.200 0.320 5×5×3 0.509 0.399 0.496 由图10可知,随着缺陷尺寸增大,霍尔元件输出电压的峰谷差值呈逐渐增大的趋势,将磁化单元增加为3个的设计方案,可以对磁化效果进行补偿,增加磁化单元后的霍尔元件输出电压峰谷差值与无鳍片水冷壁管的测试结果非常接近。
4. 结论
文章针对膜式水冷壁鳍片造成漏磁检测信号衰减的问题,提出并设计了三磁化单元漏磁检测方案,通过有限元仿真分析结合试验验证的方法验证了方案的可行性,主要结论总结如下。
（1）膜式水冷壁鳍片结构对管道的磁场密度会产生分流作用,从而减弱缺陷处的漏磁场强度,影响漏磁检测的灵敏度。
（2）采用3个磁化单元的检测方案能够减小鳍片对水冷壁管漏磁信号的影响,有鳍片水冷壁管缺陷处漏磁场的磁通量密度径向分量Bx的峰峰差值和峰峰间距与无鳍片水冷壁管磁化结构的数值仿真结果基本一致。
（3）试验结果与数值仿真预测结果一致,三磁化单元扫查装置得到的有鳍片水冷壁管缺陷处霍尔电压幅值、峰谷差值与无鳍片水冷壁管的测试结果非常接近,证明该方案可有效提升检测灵敏度。
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Table 1 膜式水冷壁磁化结构模型参数
参数 数值 水冷壁管外径 60 水冷壁管壁厚 4 水冷壁鳍片厚度 5 水冷壁管中心距 95 磁铁尺寸（长×宽×高,下同） 90×60×25 衔铁尺寸 90×200×25 磁化器提离值 4 传感器提离值 1 缺陷尺寸（长×宽×深） 3×3×3 
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Table 2 3种不同检测方案的漏磁信号波峰波谷差值
缺陷尺寸/mm 无鳍片电压/V 有鳍片电压/V 有鳍片三磁化头电压/V 2×2×3 0.186 0.108 0.180 3×3×3 0.268 0.151 0.257 4×4×3 0.328 0.200 0.320 5×5×3 0.509 0.399 0.496
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