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[分享] 严重腐蚀减薄的低碳钢管壁厚测量

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置顶 汪冬兵 发表于 2015-10-29 09:31:33 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
    针对在役换热器使用的时间较短,生产运行中出现严重腐蚀减薄甚至爆管,用远场涡流检测技术可对列管壁厚进行较准确的测量,并依此估算列管的残余寿命。
1  远场涡流检测原理
    在激励线圈附近的检测线圈与其直接耦合产生的涡流效应称为近场区耦合,这是常规涡流检测。研究发现,激励线圈除了大部分能量消耗在近场外,还有很小一部分能量(约1%)穿透管壁向外扩散并沿管壁轴向传播,若在远处(一般大于2.5倍管径)放置检测线圈,则可接收到微弱的涡流信号,此时涡流两次穿透管壁,这个区域称为远场区。
在近场区随着距离的增加磁场急剧衰减,但到了远场区后其衰减程度变得很平缓。一般在远场区,此时直接耦合的影响已基本消失,若在此处放置检测线圈,则可检测到微弱的电磁场信号,对该信号进行幅值和相位的分析,这就是远场涡流检测。检测到的信号与传播路径上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相关。
下图为涡流信号的幅值与相位随着检测线圈与激励线圈距离而变化的情况。可见在近场区
和过渡区,涡流变化剧烈;到了远场区则变化较为平缓,当线圈位置固定后,则信号只与管材特性有关。
1.1远场涡流的传播规律如下:
1)为了得到一定强度的远场涡流,激励线圈的激励频率必须比较低,一般从几十到几百赫兹。
2)激励线圈产生的涡流绝大部分在近场区消耗,只有很小一部分穿出管壁传播到达远场区(大约1%的能量),因此远场信号十分微弱,必须加大输出功率并采用高灵敏度的放大器进行检波。
3)远场涡流因为穿透管壁向外传播,基本不受到磁导率的影响,因而可以对铁磁性管壁进行检测,这一点与常规涡流检测不同。
4)研究表明在检测线圈处得到的磁感应强度是随管壁厚度呈指数衰减的,而相位是随管壁厚度呈线性滞后。如下式:
令       于是
    式中B为检测线圈处的磁感应强度
  θ为检测信号对比激励信号的相位滞后角
  μ、σ 为管壁材料特性   
  t为管壁厚度
1.2螺旋线曲线
根据远场涡流检测原理可知,检测信号的幅值与壁厚成指数关系,信号相位的变化与管壁厚度成线性关系,因此可以将信号幅值取自然对数后即可代表壁厚值,也可将信号的相位变化量取出,来确定壁厚值。但实际上现有的检测仪器不具备对幅值取对数或直接读取相位变化的功能,因此只能近似处理。仪器显示的是探头拉动时涡流信号的实时阻抗变化,即壁厚缺损的变化可以由光点的移动来表示,其幅值是随壁厚减薄成螺旋线变化的,如下图:
上图的螺旋线是一条理想曲线,是从管壁无限厚逐步减薄为零的涡流信号电压变化曲线。若能将上述壁厚变化的参考螺旋线做出,当实测到某一壁厚减薄信号时,直接与上面的曲线相对照,即可得出壁厚值。但这样做实际上仍有困难,理想的曲线难以做出。
2  实验测试
2.1 实验仪器设备
1)涡流检测仪:ET-556H 全数字电脑远场多频涡流检测仪
2)对比样管:低碳钢;φ25×2.5;外减薄 ; 壁厚台阶2.5-2.0-1.5
3)探头:φ19远场检测探头,内插式、环形、双激励、绝对式(AB型)线圈
2.2 实验参数
频率=0.3K,增益=约30, 相位=203
2.3实验测试
选择了对比样管进行测试,在壁厚变化只有两个减薄台阶的情况下得到信号曲线与理想的螺旋线是有差异的,但对应三个壁厚值的光点位置是准确的,如下图。
由于选用的对比样管只有两个减薄台阶,3个壁厚值,而且每个台阶壁厚是突变的,因此改变检测频率,通过在对比样管中的反复测试,对涡流信号选择恰当的相位旋转和增益调节,可得到需要的检测曲线。
进行现场管壁测厚时,其中三个壁厚点数值是准确的,在标准点之间的壁厚值,误差值也不会太大,经过多次测试及验证,现场检测时综合误差在0.1mm之内,这已足够满足检测效果要求。
2.4进一步实验测试
加工了一段3.3-0.3的外壁缓慢减薄的对比样管,如下图示:
调节频率、相位、增益,探头从对比样管最大值处缓慢拉出,可以得到下图曲线,这条曲线和理论分析的理想状态下的螺旋线曲线大致相同,验证了理论分析情况。
为了看出各段的线性关系,分别在对比样管和探头上做上标记,然后探头由对比样管的最大值处缓慢拉动,在各标记处停顿一下,各壁厚值在上面的曲线上都有一个对应点;壁厚值较大时,相邻两个壁厚值间曲线长度较短,壁厚值越小,相邻两个壁厚值间曲线长度越长。验证了远场涡流测厚检测的螺旋线曲线是非线性的。
3  现场检测案例
2012年5月对某厂合成车间的预塔再沸器(E2101)检测情况如下:
3.1 设备的基本情况
1) 列管材质:低碳钢
列管规格:φ25×2×3000
2)管程介质:甲醇
       壳程介质:水  
    3)设备使用改造情况
    使用时间:2008年5月开始投产使用。
    设备在运行一段时间后发现上管板的部分列管角焊缝开裂泄露,后在进液管处加了一挡板,上管板的列管角焊缝开裂减少。又运行一段时间后发现列管泄露,进行拔管,结果在距下管口400mm左右的位置被拉断,抽出的列管被拉断的断面非常薄。
3.2 检测仪器设备
1)涡流检测仪:ET-556H全数字电脑远场多频涡流检测仪
2)对比样管:低碳钢;φ25×2.5;外减薄 ; 壁厚台阶2.5-2.0-1.5
3)探头:φ19远场检测探头,内插式、环形、双激励、绝对式(AB型)线圈
3.3 检测参数
频率=0.3K,增益=约30, 相位=22
3.4 现场检测
    1)调节频率、相位、增益,按2.0-1.5标定测量。
检测了几根列管,发现有的列管壁厚值小于
1.50,甚至超出屏幕,见下图。
由上面检测图可以看出:从管口开始,壁厚急剧减薄,然后回转到A点,然后再向左,实际上A点应该是这根管子的最薄点。
2)调节频率、相位、增益,按2.0-1.5-0标定测量。
在对对比样管标定时,2.0和1.5的管壁厚值是准确的,在2.0-1.5标定范围内检测得到的壁厚值有近似的线性关系,所测得的壁厚值误差也较小。小于1.5-0标定范围内的数值没有线性关系,且曲线有回转,所以测得的壁厚值有一定的误差,具体误差无法准确给出数值。
检测得到部分壁厚值≤1.50的列管管号见下表:
壁厚   管排号
0.40   19-03  21-03  30-02   
0.50   12-02  14-02  15-02   
0.70   05-03  15-07
0.90   22-02
1.00   24-04  29-06
1.10   24-10
1.20   08-02  12-04  13-07  21-02  21-06
1.30   09-03  11-01  17-05  17-08  18-02
       18-04   
1.40   07-01  07-02  10-04  11-02  12-09  
1.50   07-03  21-01   
检测得到壁厚值小于1.50的结果分析:
a.发现部分列管测得的壁厚值太小,不知道真实性(误差大小)。
b.由于检测曲线有回转特性,且小于1.5的壁厚值对比2.0-1.5不线性。
c.为了减小误差,得到更精确些的壁厚值,所以采用其它方法进行修正测量。
3)调节频率、相位、增益,以2.0-1.5-0.75
标定测量。
假借临界点,定义为0.75,让其在屏幕的最左边,这样曲线在这一点上还没有回转。通过标准校正后,检测时屏幕上显示的最小值也是0.75左右。其曲线也有一个近似的线性关系,那么就可以按2.0-1.5-0.75标定测量,减小实测中的误差值。
对上表中的列管进行重新检测得到壁厚值如下表:
壁厚   管排号
0.70  15-07
0.75  05-03  12-02  14-02  15-02  19-03
21-03  22-02  30-02
0.80  29-06   
0.85  24-04   
1.00  24-10   
1.05  21-02  21-06   
1.10  17-08
1.15  08-02  17-05  18-02
1.20  12-04  13-07  18-04   
1.30  09-03  11-01  
1.40  07-02  11-02   
1.45  07-01  10-04  12-09
1.50  07-03  21-01
检测得到壁厚值小于1.50的结果分析:
a.在0.75至1.5间的壁厚值,按2.0-1.5-0标定测量得到的数值比按2.0-1.5-0.75标定测量得到的数值,有的不变,有的差值在0.05~0.15之间,越接近1.5的误差值越小,壁厚值越小的误差值越大。可以判定壁厚值在此之间的列管可根据生产工艺条件进行监测使用或选择性堵管处理。
b.而≤0.75的,由于其壁厚值本身就较小,
考虑到还可能存在偏心腐蚀,就需要进行堵管处理。
c.从壁厚分布图也可以看出在管板上有一定的分布规律,可以给设备的修复处理、继续使用及改造提供依据。
4)现场检测与拔出的列管所测得的壁厚值基本对应,误差在0.1mm左右。
局部异常减薄剖开、拔管时被拉断的照片及检测信号图如下:
4 现场检测难点
    1)由于低碳钢管所处的工艺状态一般较差,管内通常会有结晶物、污垢等杂物,且难于清洗,只能选用较小的检测探头,造成填充系数较小,检测灵敏度下降。这些杂物还可能含有铁磁性杂质,也对检测信号造成干扰。
2)国产低碳钢管在轧制过程中,由于工艺控制不是很严格,造成整根管子也可能存在材质、热处理状态不均,造成整根管子壁厚不均,整批管子壁厚分布也不均。
3)由于所测得的壁厚值为管子最薄截面各方位壁厚的平均值,若存在单边(偏心)减薄,则最薄处的壁厚值要小于实测值。
    4)由于螺旋线曲线是非线性关系,现有软件是取其水平投影,按线性方程进行读数,所以有一定的误差。根本解决的办法是在软件设计上改进,实现对幅值取对数或直接读取相位变化的功能。
5 结语
1)验证了远场涡流检测用于低碳钢的厚度测量时,厚度与幅值呈螺旋线关系,且在水平方向有二次读数(回转性)。
2)严重腐蚀减薄时,在没有合适对比样管的情况下,利用上述方法减小非线性带来的测量误差值。
3)检测前,要尽量查清楚换热器的列管规格、工艺介质、腐蚀、管内污物等状况,选择合适的对比样管、检测探头、检测参数。
4)远场涡流检测应用于在役换热器低碳钢管检测,远场涡流测厚(绝对式,即AB型探头)对缓变的壁厚变化(即体积型)较为灵敏,而远场涡流探伤(差动式,即DP型探头)对缓慢壁厚变化腐蚀类型缺陷却不灵敏。因此对铁磁性管管壁腐蚀减薄进行远场涡流测厚更准确、可靠。
5)为在役换热器列管的使用提供较为直观的数据,为设备管理人员判定设备使用寿命提供参考依据。
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精彩评论16

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阿黃 发表于 2015-10-29 12:02:34 | 显示全部楼层
 
很好!寫的很詳細啊!
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汪冬兵 发表于 2015-10-30 07:57:10 | 显示全部楼层
 
阿黃 发表于 2015-10-29 12:02
很好!寫的很詳細啊!

这是一次从试验到实际检测和分析的全过程。
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 楼主| 糟老头子 发表于 2015-10-30 09:10:30 | 显示全部楼层
 
谢谢分享,加上图片就更好了
我们都是在孤单中执著行走的孩子!
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ff99998888 发表于 2016-1-6 11:05:59 | 显示全部楼层
 
谢谢,加上图片就更好了
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汪冬兵 发表于 2016-1-25 08:17:14 | 显示全部楼层
 
ff99998888 发表于 2016-1-6 11:05
谢谢,加上图片就更好了

我也试图加上图片,但图片加不上。
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 楼主| NDTXTU 发表于 2016-3-10 11:30:24 | 显示全部楼层
 
版主,您论文中提到的“现有检测仪器不具备对幅值取对数或直接读取相位变化的功能”,这个是现有的商业检测设备还达不到这样的要求么?我看了有关的远场涡流检测的学术论文,他们后面的实验验证中采用锁相放大器能检测到幅值信号和相位信号。
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汪冬兵 发表于 2016-3-11 08:27:40 | 显示全部楼层
 
NDTXTU 发表于 2016-3-10 11:30
版主,您论文中提到的“现有检测仪器不具备对幅值取对数或直接读取相位变化的功能”,这个是现有的商业检测 ...

目前的涡流检测仪器,对于远场检测都是取幅值信号处理的。
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 楼主| NDTXTU 发表于 2016-3-13 21:40:49 | 显示全部楼层
 
汪冬兵 发表于 2016-3-11 08:27
目前的涡流检测仪器,对于远场检测都是取幅值信号处理的。

嗯,知道了,谢谢
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汪冬兵 发表于 2016-12-7 13:56:11 | 显示全部楼层
 
对于铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的涡流检测,目前一般都采用远场涡流检测方法。对比样管最好用设备中取出的管段。
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