熱交換器換熱管內(nèi)壁渦流檢測(cè)顯示判定方法

2023年12月14日發(fā)(作者：產(chǎn)婦可以吃芒果嗎)

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熱交換器換熱管內(nèi)壁渦流檢測(cè)顯示判定方法

馮俊;王波;祁攀

【摘 要】It is known that the eddy current signal due to adhered material

in inner wall and permeability variation has the same characteristics with

that of eddy current signal of real defect during test,the two types of

signals are therefore difficult to be distinguished by the conventional

the purpo of comparison,tests were carried out for a heat-exchange tube with real defect and for an experimental tube with artificial

defect,thus to obtain the judgment method for inner wall real defect and

pudo the same time,the capability of Bobbin and MRPC probe

was verified,and then the quantitative deviation of the test depth of inner

wall defect and metallographic anatomy depth was found,which may

provide the technical support for the qualitative appraisal of inner wall

defect indication and its quantity.%針對(duì)在熱交換器換熱管渦流檢測(cè)過程中遇到的內(nèi)壁附著物、磁導(dǎo)率變化等渦流信號(hào)與真實(shí)的內(nèi)壁缺陷信號(hào)特征基本一致,且用常規(guī)的分析方法難以辨別的問題,通過在實(shí)驗(yàn)室條件下利用實(shí)際缺陷換熱管和人工缺陷試驗(yàn)管相結(jié)合的方法,得出了內(nèi)壁缺陷與偽缺陷的判定方法,對(duì)Bobbin和旋轉(zhuǎn)探頭內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證,并通過對(duì)內(nèi)壁缺陷的渦流檢測(cè)深度與金相檢驗(yàn)深度進(jìn)行對(duì)比分析,得出其定量檢測(cè)偏差的范圍,為渦流檢測(cè)內(nèi)壁顯示的定性和內(nèi)壁缺陷的定量檢測(cè)提供技術(shù)支持.

【期刊名稱】《無損檢測(cè)》

【年(卷),期】2017(039)009 【總頁數(shù)】6頁(P43-48)

【關(guān)鍵詞】熱交換器;換熱管;渦流檢測(cè);內(nèi)壁顯示;定性檢測(cè);定量檢測(cè)

【作 者】馮俊;王波;祁攀

【作者單位】核動(dòng)力運(yùn)行研究所,武漢 430223;核動(dòng)力運(yùn)行研究所,武漢 430223;中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223

【正文語種】中 文

【中圖分類】TG115.28

熱交換器作為核電站二回路系統(tǒng)的重要設(shè)備，起著將二次側(cè)汽輪機(jī)乏汽冷凝成水的重要作用。在冷凝過程中，換熱管通過大量海水將乏汽冷凝，但海水中的大量石灰質(zhì)和礦物鹽類易沉積在換熱管內(nèi)壁，藻類和貝類等有機(jī)物也易在換熱管內(nèi)壁生長(zhǎng)，這些雜質(zhì)的引入會(huì)對(duì)換熱管產(chǎn)生不同程度的腐蝕。實(shí)踐表明，換熱管磁導(dǎo)率的變化、內(nèi)壁附著物、內(nèi)壁缺陷等在渦流檢測(cè)時(shí)均呈現(xiàn)出渦流信號(hào)特征，從而給真實(shí)缺陷信號(hào)的提取和識(shí)別增加了一定的難度，因此換熱管內(nèi)壁顯示的準(zhǔn)確判定是主要難點(diǎn)之一。在渦流檢測(cè)過程中遇到內(nèi)壁顯示時(shí)，通常采用更換磁飽和探頭、多次復(fù)查確認(rèn)信號(hào)相對(duì)位置變化或附加內(nèi)窺鏡視頻檢測(cè)等方法予以排除或確認(rèn)，但這些方法僅能排除少部分內(nèi)壁顯示信號(hào)。因此，針對(duì)換熱管內(nèi)壁顯示的判定開展專項(xiàng)研究具有重要意義，筆者通過金相檢驗(yàn)分析確認(rèn)換熱管主要缺陷形式為內(nèi)壁點(diǎn)蝕，結(jié)合渦流檢測(cè)和內(nèi)窺鏡視頻檢測(cè)結(jié)果，從中選取了不同深度的40處內(nèi)壁點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行內(nèi)壁顯示定性和內(nèi)壁缺陷定量分析[1-2]，總結(jié)出一套關(guān)于換熱管內(nèi)壁缺陷的準(zhǔn)確判定方法。

1.1 內(nèi)壁顯示準(zhǔn)確定性方案設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確區(qū)分偽信號(hào)和真實(shí)內(nèi)壁缺陷信號(hào)，針對(duì)目前已知內(nèi)壁附著物、內(nèi)壁缺陷以及貫穿性缺陷等，利用實(shí)際換熱管和試驗(yàn)管模擬相結(jié)合的方法，分別采用Bobbin探頭和旋轉(zhuǎn)探頭進(jìn)行檢測(cè)，分析和對(duì)比了相應(yīng)的渦流信號(hào)特征，找出可能的差異用于指導(dǎo)區(qū)分內(nèi)壁顯示。

1.1.1 內(nèi)壁標(biāo)定管和試驗(yàn)管設(shè)計(jì)

(1) 內(nèi)壁標(biāo)定管設(shè)計(jì)

根據(jù)熱交換器設(shè)計(jì)單位有關(guān)換熱管內(nèi)壁缺陷機(jī)理的研究成果，參考ASME標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐及壓力容器規(guī)范》設(shè)計(jì)內(nèi)壁平底孔標(biāo)定管(見圖1)，具體設(shè)計(jì)方法為：① 沿軸向360°均勻分布的4個(gè)通孔的直徑均為0.66 mm；② 1個(gè)從內(nèi)壁鉆入的通孔的直徑為1.3 mm；③ 5個(gè)從內(nèi)壁鉆入的平底孔，直徑分別為2.0，2.8，4.8，4.8，4.8 mm，對(duì)應(yīng)深度分別為壁厚的80%，60%，40%，20%，10%。

(2) 試驗(yàn)管設(shè)計(jì)

結(jié)合渦流檢測(cè)遇到的缺陷形式(主要為點(diǎn)蝕坑和貫穿性缺陷)，設(shè)計(jì)了內(nèi)壁平底孔和通孔兩類試驗(yàn)管，其中內(nèi)壁平底孔試驗(yàn)管用于確認(rèn)Bobbin探頭和旋轉(zhuǎn)探頭的檢測(cè)能力[3]，從而為真實(shí)的缺陷檢測(cè)能力提供依據(jù)，通孔用來模擬貫穿性缺陷。采用控制變量法，內(nèi)壁平底孔試驗(yàn)管(見圖2)具體設(shè)計(jì)方法為：① 4個(gè)深度為壁厚10%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm；② 4個(gè)深度為壁厚20%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm；③ 4個(gè)深度為壁厚40%的平底孔，孔徑分別為0.5，1，1.5，2 mm。

通孔試驗(yàn)管(見圖3)的孔徑分別為：0.3，0.5，1，1.5，2，3，4，5，6 mm。

1.1.2 貫穿性缺陷對(duì)內(nèi)壁顯示判定影響分析

采用渦流探頭檢測(cè)通孔試驗(yàn)管，分析其渦流信號(hào)特征，重點(diǎn)關(guān)注較大直徑通孔渦流信號(hào)的幅值、相位等。

1.1.3 頻率變化對(duì)內(nèi)壁顯示判定影響試驗(yàn)

根據(jù)熱交換器換熱管檢測(cè)程序要求，換熱管實(shí)際檢測(cè)時(shí)的頻率為：170，100，50，25 kHz(其中主頻通過渦流頻率計(jì)算公式[4]和渦流標(biāo)定管試驗(yàn)信號(hào)驗(yàn)證相結(jié)合的方式獲得)，為了分析不同試驗(yàn)頻率下同一內(nèi)壁缺陷渦流信號(hào)相位角的變化規(guī)律，繪制不同深度內(nèi)壁缺陷相位角與檢測(cè)頻率的關(guān)系曲線，試驗(yàn)階梯型選取11組試驗(yàn)頻率來獲得關(guān)系曲線，觀察其渦流信號(hào)變化特征，具體的頻率選擇參數(shù)如表1所示。

1.1.4 實(shí)際附著物對(duì)內(nèi)壁顯示判定影響分析

實(shí)際附著物對(duì)內(nèi)壁顯示判定的影響根據(jù)實(shí)際換熱管開展，主要流程如圖4所示。

(1) 樣管篩選：根據(jù)渦流和視頻檢測(cè)結(jié)果，篩選不同區(qū)域具有明顯內(nèi)壁附著物特征的樣管。

(2) 內(nèi)壁附著物去除：采用化學(xué)清洗方法完全去除內(nèi)壁附著物，為后續(xù)渦流檢測(cè)和內(nèi)窺鏡視頻分析提供基礎(chǔ)。

(3) 清洗前后的渦流和視頻信號(hào)分析：針對(duì)篩選的樣管，對(duì)比清洗前后相同位置的渦流信號(hào)，直觀分析內(nèi)壁附著物對(duì)于渦流信號(hào)的影響情況。

1.2 內(nèi)壁缺陷準(zhǔn)確定量方案設(shè)計(jì)

通過渦流檢測(cè)結(jié)果和內(nèi)窺鏡視頻確認(rèn)，分別選擇一定數(shù)量的不同深度范圍的缺陷進(jìn)行金相檢驗(yàn)，測(cè)量缺陷實(shí)際大小和深度，并與渦流檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行偏差分析進(jìn)而給出誤差范圍。

1.2.1 內(nèi)壁缺陷選擇

根據(jù)Bobbin渦流檢測(cè)結(jié)果，采用內(nèi)窺鏡視頻確認(rèn)，分別選擇一定數(shù)量不同深度范圍的缺陷，在進(jìn)行金相檢驗(yàn)前完成數(shù)據(jù)的采集，不同缺陷深度范圍內(nèi)的缺陷取樣個(gè)數(shù)見表2,Bobbin數(shù)據(jù)采集次數(shù)為7次。

1.2.2 金相檢驗(yàn)的缺陷深度準(zhǔn)確定量

通過金相檢驗(yàn)[5]和內(nèi)窺鏡視頻觀察可知，換熱管內(nèi)壁缺陷主要為點(diǎn)蝕坑[6]，并且都能被獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，因此僅需在實(shí)驗(yàn)室條件下就可對(duì)點(diǎn)蝕坑缺陷進(jìn)行金相檢驗(yàn)，從而確定缺陷實(shí)際深度。典型的點(diǎn)蝕坑渦流信號(hào)和對(duì)應(yīng)的內(nèi)窺鏡照片見圖5。 1.2.3 缺陷定量偏差分析

篩選具有內(nèi)壁缺陷的換熱管進(jìn)行渦流檢測(cè)，采用Bobbin探頭進(jìn)行深度定量檢測(cè)，通過定量偏差分析，并結(jié)合金相解剖深度，獲取其定量偏差帶。主要的分析步驟為：

(1) 對(duì)采集的渦流數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的分析步驟進(jìn)行缺陷深度定量。

(2) 分析缺陷的金相解剖定量深度。

(3) 直觀分析兩者的定量偏差。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

(1) 對(duì)含有內(nèi)壁缺陷的換熱管和人工缺陷的試驗(yàn)管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析所需的主要設(shè)備包括：OMNI-200R渦流儀、渦流探頭(Bobbin和旋轉(zhuǎn)探頭)、渦流數(shù)據(jù)采集和分析軟件、內(nèi)窺鏡等，渦流采集和分析系統(tǒng)見圖6。

(2) 對(duì)含有內(nèi)壁缺陷的換熱管進(jìn)行金相解剖以及附著物清洗所需的主要設(shè)備包括：金相試樣研磨機(jī)、OLYMPUS-BHMJ金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、化學(xué)清洗試劑等。內(nèi)壁缺陷試樣需要40個(gè)。

2.2 數(shù)據(jù)采集和分析

(1) 采用Bobbin探頭對(duì)內(nèi)壁缺陷換熱管進(jìn)行全管檢測(cè)，依據(jù)分析結(jié)果確定內(nèi)壁顯示的大致位置，通過內(nèi)窺鏡觀察確認(rèn)其位置并定位后,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)探頭數(shù)據(jù)采集(采集頻率分別為170，100，50，25 kHz)，最后從中選取40個(gè)典型的內(nèi)壁缺陷試樣進(jìn)行切割、研磨、微觀金相分析和測(cè)量等，從而確定缺陷長(zhǎng)度、寬度和深度，金相解剖過程見圖7。

(2) 分別采用Bobbin和旋轉(zhuǎn)探頭對(duì)人工缺陷試驗(yàn)管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，依據(jù)分析結(jié)果確定目前渦流檢測(cè)方法對(duì)于人工缺陷試驗(yàn)管上內(nèi)壁平底孔和通孔的最小檢測(cè)能力，以及貫穿性缺陷對(duì)內(nèi)壁顯示判定的影響(采集頻率分別為170，100，50，25

kHz)。

(3) 通過改變Bobbin探頭檢測(cè)頻率對(duì)人工缺陷試驗(yàn)管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，從而確認(rèn)內(nèi)壁點(diǎn)蝕缺陷隨頻率變化的特征規(guī)律。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1) Bobbin探頭可檢測(cè)出直徑0.3 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內(nèi)壁平底孔(見圖8)。

(2) 旋轉(zhuǎn)探頭可檢測(cè)出直徑0.5 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內(nèi)壁平底孔(見圖9)。

2.3.1 貫穿性缺陷對(duì)內(nèi)壁顯示判定影響試驗(yàn)

通孔試驗(yàn)管渦流檢測(cè)結(jié)果見表3，通過分析可知：相位隨孔徑的增大而逐漸減小，某些較大直徑的通孔，如孔徑不小于2 mm時(shí)，其相位角小于40°，表現(xiàn)為“內(nèi)壁角度”。

2.3.2 Bobbin探頭頻率變化影響試驗(yàn)

根據(jù)Bobbin探頭頻率變化影響試驗(yàn)參數(shù)(見表1)，分析不同試驗(yàn)頻率下同一內(nèi)壁缺陷渦流信號(hào)相位角變化規(guī)律，繪制不同深度內(nèi)壁缺陷相位角與檢測(cè)頻率的關(guān)系曲線(見圖10)。通過分析可知：在目前實(shí)際檢測(cè)頻率下(170，100，50，25 kHz)，換熱管內(nèi)壁缺陷相位角基本隨頻率的降低而增加。

2.3.3 實(shí)際附著物對(duì)內(nèi)壁顯示判定影響試驗(yàn)

(1) 實(shí)驗(yàn)室條件下化學(xué)清洗試驗(yàn)

從40個(gè)缺陷試樣中選取4個(gè)進(jìn)行化學(xué)清洗試驗(yàn)，通過SEM觀察到4個(gè)試樣經(jīng)清洗后內(nèi)壁均呈現(xiàn)金屬本色，與基體成分無明顯差別，說明清洗效果良好，能夠有效去除換熱管內(nèi)壁附著物。某試樣清洗前后的SEM形貌見圖11。

(2) 清洗前后渦流信噪比測(cè)量以及內(nèi)壁顯示信號(hào)對(duì)比

為了確定實(shí)際附著物對(duì)內(nèi)壁顯示判定的影響，對(duì)化學(xué)清洗前后4根換熱管渦流檢測(cè)信噪比進(jìn)行測(cè)量(結(jié)果見表4)，同時(shí)分別對(duì)4根換熱管內(nèi)壁顯示信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)比，確認(rèn)清洗前后變化情況。通過信噪比測(cè)量以及內(nèi)壁顯示信號(hào)對(duì)比可知：① 清洗前后換熱管信噪比略有變化；② 清洗前后所有可記錄內(nèi)壁顯示無變化，確認(rèn)附著物對(duì)內(nèi)壁顯示判定無影響。

2.3.4 “類PVN(Permeability Variation)”內(nèi)壁顯示

由于此種內(nèi)壁顯示信號(hào)與PVN(磁導(dǎo)率變化引起的內(nèi)壁顯示信號(hào)，通常采用更換磁飽和探頭再次復(fù)查就能定性檢測(cè))信號(hào)相似，故把此類信號(hào)定義為“類PVN”內(nèi)壁顯示。在核電站的某次大修中，多根換熱管上都檢測(cè)出此種內(nèi)壁顯示，但通過后續(xù)復(fù)查和跟蹤渦流檢測(cè)信號(hào)，其中大部分信號(hào)都消失或者顯示無顯著變化，因此可確定此類內(nèi)壁顯示為偽缺陷顯示，典型“類PVN”內(nèi)壁顯示信號(hào)如圖12所示。通過對(duì)大部分“類PVN”內(nèi)壁顯示渦流信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其具有如下特征：

(1) 信號(hào)非常尖銳，呈細(xì)長(zhǎng)的“8”字形。

(2) 相位角隨頻率降低先減小(或不變)再增大，并且相位角變化范圍較小。以某一內(nèi)壁顯示為例，在CH1通道下(170 kHz)相位角為28°，CH3通道下(100 kHz)相位角為24°，CH5通道下(50 kHz)相位角為29°。

(3) 絕對(duì)通道信號(hào)很平，垂直分量上無明顯信號(hào)。2.3.5 缺陷定量偏差分析及數(shù)學(xué)計(jì)算

(1) 內(nèi)壁缺陷金相解剖結(jié)果

金相組織為單相組織，腐蝕坑根部未見微觀裂紋(見圖13)；典型的腐蝕坑形貌及測(cè)量方法如圖14所示。

(2) 缺陷定量偏差分析

根據(jù)研究方案要求，結(jié)合渦流檢測(cè)和內(nèi)窺鏡視頻檢測(cè)結(jié)果，選取了不同深度的40處內(nèi)壁缺陷開展缺陷定量分析研究。定量偏差分析主要是缺陷深度定量的偏差分析。針對(duì)缺陷深度范圍分段，根據(jù)渦流分析和金相解剖結(jié)果，定義缺陷深度定量偏差為渦流定量深度與金相解剖深度之差。由于40處缺陷的數(shù)據(jù)量較大，故僅列舉了不同深度范圍分段內(nèi)的最大和最小定量偏差(見表5)。 在缺陷歸一化深度分段的情況下，內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑缺陷深度定量偏差基本在±20%以內(nèi)。

(1) 目前Bobbin探頭可檢測(cè)出直徑0.3 mm通孔以及10%壁厚(孔徑1 mm)內(nèi)壁平底孔，旋轉(zhuǎn)探頭可檢測(cè)出直徑0.5 mm通孔和10%壁厚(孔徑1 mm)內(nèi)壁平底孔。

(2) 不同孔徑通孔相位隨孔徑的增大而逐漸減小，某些較大直徑的通孔，如孔徑不小于2 mm時(shí)，其相位角小于40°，表現(xiàn)為“內(nèi)壁角度”。

(3) 換熱管內(nèi)壁缺陷主要是點(diǎn)蝕缺陷，腐蝕坑根部未見微觀裂紋，其松散內(nèi)壁附著物對(duì)缺陷信號(hào)判定無影響。

(4) 內(nèi)壁點(diǎn)蝕缺陷Bobbin探頭信號(hào)相位角隨頻率降低逐漸增加，偽缺陷Bobbin探頭信號(hào)相位角隨頻率降低先減小(或不變)后增加。

(5) 渦流定量深度與金相解剖深度分析對(duì)比表明，現(xiàn)有相位深度判傷曲線對(duì)換熱管內(nèi)壁不同深度范圍點(diǎn)蝕缺陷的定量偏差基本在±20%以內(nèi)。

【相關(guān)文獻(xiàn)】

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