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高温锅炉管道在线壁厚检测方法研究

2024-10-14 159 上传者：管理员

摘要：由于运输介质的特殊性，部分高温锅炉管道壁温可达500℃，因此常配置厚包覆层实现保温作用，考虑到其不便停机、难以拆除包覆层的问题，常规方法无法实现对其的在线壁厚测定。文章以一段高温锅炉管道模拟试样为试验对象，在高温条件下，应用不拆包覆层情况下的瞬变电磁检测及拆除局部包覆层情况下的电磁超声检测，实现管道壁厚的异常位置初步筛查，进而进行精准测量。基于此，提供了一套针对高温锅炉管道的壁厚测定方法，实现了高温锅炉管道在线壁厚检测。

关键词：
在线壁厚检测
电磁超声检测
瞬变电磁检测
腐蚀减薄
高温锅炉管道
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腐蚀减薄是承压设备常见的损伤模式之一[1]，高温锅炉管道的腐蚀减薄作为一种可能影响其安全性能的因素，如何在不停机的情况下实现对管壁厚度的测定并精准判定腐蚀减薄程度，是锅炉在线检测领域的一项重点研究内容。

由于锅炉运行的特殊性，高温高压、长周期运行是常态，以大型电站锅炉为例，其主蒸汽管道外壁温度可达500℃，并用厚包覆层包裹，常规超声波测厚难以在此温度条件下进行检测，而电磁超声检测技术无需耦合、耐高温且对表面要求不高的优势[2]，使其可以在高温条件下得以应用。应用电磁超声检测技术进行不同工况条件下铁磁性材料的厚度测定，在长期的发展下已日趋成熟，600℃以上极端高温环境下不同材料电磁超声检测关键参数（声速、幅值等）的变化规律研究[3-4]，进一步扩展了电磁超声检测的应用范围。但是在锅炉管道不拆除包覆层的情况下，电磁超声测厚缺乏了实际的可行性，而瞬变电磁检测技术恰好可以弥补这一劣势，瞬变电磁检测技术目前已广泛应用于地质矿产、石油等行业中[5-7]，在城镇埋地管道[8]腐蚀减薄状况的检测中也有所应用，在某些现场检测场景下实现了大提离条件下的测厚[9-10]，可在锅炉管道不拆除包覆层的情况下，获取其壁厚信息。

针对以上情况，本文以一段锅炉管道模拟试样为待检对象，应用电阻丝加热带对管道进行升温，利用瞬变电磁检测技术在不拆除厚包覆层的情况下，对高温管壁的剩余壁厚情况进行测定；并对电磁超声检测技术在不同温度条件下的检测准确性进行分析，验证其温度补偿功能的可靠性，使其可以校准高温对超声波声速的影响，实现高温管道壁厚的精准测量。基于此，提出一套从面到点针对高温锅炉管道壁厚测定的检测方法，解决了高温锅炉管道在线检测的难题。

1、前期准备

1.1 待检对象

Cr-Mo系低合金耐热钢由于良好的高温持久性能，逐步取代碳钢成为锅炉高温管道的主要钢种[11]，而在此基础上发展的Cr-Mo-V系低合金耐热钢，又进一步提升了材料的高温强度，12Cr1MoVG即一种大型锅炉主蒸汽管道常用材料。此外，主蒸汽管道公称直径一般为DN 150～DN 300，壁厚一般在20～30 mm，普通电站锅炉主蒸汽管道的蒸汽压力参数一般为9.8 MPa，蒸汽温度约为530℃，管壁温度可达500℃。

本实验待检对象为12Cr1MoVG材质的高压锅炉用无缝钢管一根，部分位置用保温棉进行包覆（如图1所示），其具体参数如表1所示。

图1 待检管道示意图

表1 待检管道参数表

1.2 检测设备

1.2.1 瞬变电磁检测系统

实验设备采用国产瞬变电磁检测系统，由数据采集器、控制单元和传感器三个主要部分组成，如图2所示。发射单元与接收单元整装一体，集成在数据采集器上，其左半部分为发射单元，通过A、B接线柱接传感器发射端；右半部分为接收单元，通过M、N接线柱接传感器接收端，可接两个通道。控制单元包含数据采集与数据解释两部分，利用PDA或专用电脑与数据采集器进行蓝牙无线连接，控制数据采集器激励、采集、记录瞬变电磁信号。此外，还配备传输线缆实现检测系统与传感器的连接。

1.2.2 电磁超声检测仪

本次电磁超声检测实验选用的是美国Innerspec公司生产的PowerBox H大功率电磁超声高温检测系统，如图3所示，在频率为100 kHz到6 MHz范围内电压可达1 200 V或8 kW峰值功率，配备S-274A0165探头，并配有187A0007型号手柄以辅助高温条件下的正常检测，可应用于650℃及以下高温工件检测，无需耦合剂，无需清理工件表面油漆及锈蚀等，探头可以在任意角度下对工件进行检测，超声波类型为水平剪切波，声束方向为直入射。

图2 瞬变电磁检测系统

图3 电磁超声检测仪

1.3 检测方案

针对待检管道，通过电阻丝加热带（如图4a所示）连接ZWK—240KW智能温控仪（如图4b所示）对管道本体进行升温加热，满足实验所需的不同温度条件要求，用红外测温枪实时测定管道本体的实际温度（如图4c所示），并进行了记录。

在搭建好实验所需温度控制系统后，按如下两步进行检测实验：

(1）管壁温度约为500℃情况下，在保温层包覆位置选取多个测点进行瞬变电磁检测，验证瞬变电磁检测技术在高温管道不拆包覆层情况下进行测厚的可行性；

(2）在25～525℃范围内各温度梯度下，对待检管道裸露部分选取多个测点进行多次电磁超声检测，对电磁超声技术用于高温管道测厚的准确性进行研究，验证电磁超声检测仪器温度补偿功能的可靠度，实现电磁超声技术对高温管道壁厚的精准测量。

图4 待检管道温度控制系统

2、瞬变电磁检测

2.1 检测方法

在本实验中，对保温层包覆位置，环管道四周任取3个检测面，分别记为待测面A、B、C，在管壁温度约为500℃的条件下，对待测面A、B、C，环管道一周任意取4点进行壁厚测定。采集数据前在控制单元内设置采集数据的相关参数（设置频率为1 Hz，管道参数设置管道外径为219 mm，管壁厚度为20 mm），然后检测并采集数据，并记录试验参数；在后处理数据分析阶段，不考虑管道模拟试样在加工时可能存在的微小误差，将20.0 mm作为瞬变电磁检测的基准壁厚值，分别将各个待测面的测点1作为采样基准点以进行对比，并采用配套的数据解释软件对所得检测图像及数据进行分析，判断数据质量是否合格，并评估锅炉管道壁厚及腐蚀情况。

2.2 检测结果分析

对于待检管道，检测中数据采集得到了较为稳定且平滑的曲线，如图5所示为待测面A中测点1的采样曲线；在数据解释软件中对各待测面中5个点位的检测图像进行处理，分别得到四组单对数曲线，发现每个待测面经5次采样所获取的图像都实现了较好的拟合，说明检测获得了较为稳定的结果，如图5所示。

图5 各待测面瞬变电磁检测单对数曲线对比图

目前的瞬变电磁壁厚评估方法是基于管道材质相同，根据衰减特征的变化和已知壁厚为基准反算其他测点的管道壁厚。根据其单对数曲线对比图，大致确定其衰减位置，合理选择时域，然后进行管壁状况评估，得到了各测点管道壁厚情况，汇总如图6所示，管壁厚度与实际情况基本相符。

图6 各待测面管壁厚度分布图

通过对检测图像分析及管壁状况评估，整理数据如表2所示（基准壁厚设置为20 mm），均设置测点1为基准点，因此平均壁厚的计算方式定为2、3、4、5四个点位的平均值。

通过检测结果来看，该待检管道并未出现明显的壁厚异常情况，与实际情况相符。因此，以等厚且无明显腐蚀情况的500℃高温管道为试验对象，且在大提离（厚包覆层）情况下（如本实验中20 mm厚管道配置约120 mm厚包覆层），其检测的准确性及稳定性也值得肯定。由此看来，较高的管壁温度及厚包覆层并未干扰瞬变电磁检测，温度虽然会使材质的电导率和磁导率发生变化，如果测试区域的温度变化不大（即稳态情况），可以不用考虑高温对检测的影响。但是在现场环境中面对更复杂的工况条件，厚度更大的管壁及包覆层、管道振动、现场电磁干扰等因素也需给予考虑，而如何进一步提高磁场聚焦的能力，以实现对管道局部厚度变化的精确定量，也将是瞬变电磁技术在后续发展中亟需考虑的重点。

表2 待检管道瞬变电磁检测结果

3、电磁超声检测

3.1 检测方法

在待检管道裸露部分上任意选取3个测点，分别记为测点1#、2#和3#，如图7所示为测点1#位置大致示意图。对待检管道本体进行升温加热，使实验可在不同温度条件下进行，选用电磁超声检测仪器测厚模块，先在不进行温度补偿的情况下（即原始设定温度为室温25℃）对3个测点进行3次壁厚测定；然后再在进行温度补偿的情况下（即设定温度为实际温度），同样对各测点分别进行3次壁厚测定，检测过程如图8所示。

对于电磁超声检测仪器的温度补偿功能，仪器预先设定了不同温度条件下的声速信息，以实现对高温环境壁厚测定的自校准，其具体声速情况如图9所示，在25～600℃范围内，超声波声速随着温度上升，基本呈现出线性下降的趋势。

图7 测点1#位置示意图

图8 电磁超声检测过程

3.2 检测结果分析

经电磁超声检测，各测点在25～525℃范围内不同温度下，且仪器未使用温度补偿功能时，待检管道壁厚数据整理如表3所示。

图9 不同温度下声速变化图

然后，再对同样3个测点，在使用仪器温度补偿功能的情况下，分别进行壁厚测定，其不同温度下壁厚数据如表4所示。

对表中数据进行分析处理，得到测点1#、2#、3#在不同温度下，实测所得的平均壁厚值的变化情况如图10所示。

以测点1#为例，对于该测点不同温度下进行温度补偿及不进行温度补偿的壁厚数据进行分析，以25℃条件下实测壁厚数据为基准，其壁厚误差率绝对值如图所示。

由图10～11可知，在不进行温度补偿的情况下，随着温度的升高，12Cr1MoVG管道壁厚呈现逐步递增的趋势，这一过程中，电磁超声检测未考虑到由于温度升高所引起的声速变化，使实测壁厚基本表现出线性上升的状态，也导致其测量误差率逐步升高；在通过仪器内置算法进行温度补偿后，电磁超声检测仪器对高温下的声速进行了校准，补偿了高温对超声波声速的影响，实际所测壁厚的变化基本在±0.1 mm范围内，且误差率不超过0.5%，误差在可控范围内，也验证了仪器温度补偿功能在高温条件下进行电磁超声测厚的可靠性，实现了对高温管道壁厚的精确测量，从而可以对潜在腐蚀减薄区域进行预判。而在电磁超声检测技术现场应用过程中，如何解决管道振动、噪声及其他电磁设备干扰等问题，将会是后续发展的一项重点。

表3 不同温度下管壁电磁超声测厚数据（未进行温度补偿）

表4 不同温度下管壁电磁超声测厚数据（进行温度补偿）

图1 0 不同温度下管壁电磁超声测厚数据变化图

图1 1 不同温度下测点1#电磁超声测厚数据误差率绝对值图

4、结论

通过对高温锅炉模拟管道的壁厚检测实验，结果显示：

(1）对于大提离（厚包覆层）且不便拆除包覆层的条件下，瞬变电磁技术可以作为一项具有可靠性的对铁磁性材料管道完成测厚测腐蚀的检测技术，获取较为准确的锅炉主蒸汽管道剩余壁厚信息，且锅炉管道的高温运行环境，对瞬变电磁检测并未产生明显干扰。

(2）电磁超声检测无需耦合剂、耐高温且对表面要求不高的特点，使其可以在不打磨、带油漆的情况下实施高温管道壁厚测定，确定腐蚀减薄缺陷的深度和范围，利用电磁超声仪器自带的温度补偿功能，可以校准高温对超声波声速的影响，实现高温管道壁厚的精准测量，了解包覆层下管道腐蚀减薄的基本状况。

(3）本文提供了一种从面到点针对高温锅炉管道壁厚测定的检测方案，首先利用瞬变电磁检测技术，在不拆除管道包覆层的情况下，对管道可进行大面积筛查，根据检测数据发现壁厚异常位置，大致确定可能存在腐蚀减薄问题的截面；然后，对该区域拆除局部包覆层，利用电磁超声检测技术对该腐蚀减薄位置进行壁厚的精确测定，并根据相关标准对管壁进行厚度校核，确保管道壁厚在安全范围内。

瞬变电磁检测技术在不停机、不拆包覆层情况下对高温锅炉管道进行全面排查，配合电磁超声检测技术对壁厚异常位置进行拆除局部包覆层后的精确测量，该方案实现了两种技术的互补，发挥了瞬变电磁技术可在大提离条件下进行壁厚测定的优势，解决了电磁超声技术难以对锅炉管道进行不停机全面检测的问题，并利用电磁超声测厚弥补了非接触式检测技术的相对不稳定性以获取更为准确的壁厚数据，两种检测方法的配合使用，既有利于对锅炉实时运行状况进行安全性方面的考量，又有利于对锅炉关键高温承压管道进行及时必要的维护与修复，节省不必要的资源浪费。

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基金资助:浙江省市场监督管理局科研计划项目(20210137);浙江省市场监督管理局雏鹰计划核心项目(CY2022219); 宁波市科技创新2025重大专项(2022Z165);