目前,国内外市面上针对不锈钢锅炉管道内氧化皮堆积的检测方法主要有超声检测、射线检测、磁性检测、声振检测与涡流检测法等。其中:超声检测法是最早被用于锅炉内壁氧化皮堆积厚度检测的方法,其原理为根据所生成氧化物中储存应变能与其自身厚度、温度及时间等量值的关系,能够有效预测氧化皮的生长、脱落时间。但超声测厚技术主要依靠界面回波,仅适用于尚未剥离壁面的氧化皮测量,对已脱落氧化皮在管内具体堆积形态的检测效果差。
射线检测法主要基于管壁与氧化皮对射线吸收程度的差异,通过对所获射线底片进行对比分析来判断管内氧化皮堆积的具体形态。其方法准确有效,但锅炉管发生蒸汽侧氧化后易出现氧化皮堆积堵塞的部位主要为过热管与再热管,在超临界机组中经粗略计算大概有二千多根管子,四千多个弯头,电站机组停机期间一般可用于检测的时间在1天到2天内,甚至更短,使用射线检测不但无法满足其工期要求,同时亦存在有辐射、设备费用昂贵且受管排狭小空间限制等矛盾。
磁性检测法最初由日本IHI株式会社的Ohtomo等人所提出,在世界各地研究人员的不断探索下逐渐被完善,并在电站检测中得到应用。该方法基于氧化皮(主成分为Fe 3 O 4,呈亚铁磁性)和奥氏体不锈钢材料(顺磁性)的磁性差异,利用磁铁对锅炉管内氧化皮进行激磁,再通过获取被磁化氧化物的磁感应强度来判断管内氧化皮的堆积量。这种检测方法工艺简单、检测效率高,但主要存在两个缺点[18-20]:第一,氧化物磁场强度与其堆积厚度间呈非线性相关,堆积量较少时检测信号灵敏度低,堆积量较多时检测信号又趋于饱和,因此难以对初始或饱和情况下的氧化皮堆积厚度进行准确判断;第二,在高温高压的工作环境下长期服役后,锅炉管壁会发生磁特性转变,从而呈现较高磁性,在检测过程中叠加在氧化皮所引起的磁场信号中,使检测精度受到很大影响。
声振检测法通过敲击管道产生自由振动,引起氧化皮颗粒相互间以及与管壁间的摩擦、碰撞,再根据其声振信号的衰减系数差异来判断管内氧化皮堆积程度。该检测方法不受管道材质与磁性因素的影响,但其声振信号衰减特征为管内所有氧化皮对管道振动阻尼作用的共同结果,因此难以判断氧化皮堆积的具体分布状况。
涡流(Eddy Current,EC)检测法基于法拉第电磁感应定律,能够用于被测构件形状尺寸、电磁特性、缺陷位置、深度、大小等信息的检测。由于内部氧化皮堆积能够引起不锈钢锅炉管道局部磁导率的变化,因此部分学者与技术人员开始尝试利用EC检测法来检测锅炉管内氧化皮的堆积厚度。Schadler和Gehl报道了一种用于过热器和再热器管道中氧化皮堆积厚度测量的内通过式EC传感器的设计与研究。Augustyniak等人发现经过处理的EC检测信号与氧化皮磁相浓度间存在一定相关性,可用于评估不锈钢锅炉管道内的初期蠕变损伤。林俊明等人提出了利用多频涡流技术及传感器阵列策略将多组EC传感器检测信号处理为管道各周向位置所对应的氧化皮堆积参数,从而实现对管内氧化皮具体堆积形态的分析。刘金秋等人利用超低频EC检测技术对锅炉管内氧化皮堆积做出了研究分析,证明了超低频电磁场的相位变化与氧化皮堆积厚度间成单值对应关系。
他们的研究成果初步证明了涡流检测技术用于不锈钢锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度检测的可行性,但同时均存在一定的局限性:第一,常规单频及多频涡流检测信号由于趋肤效应的存在,难以穿透厚度较大的管壁和氧化皮堆积,且在高提离等特殊检测工况下精度受限。使用超低频涡流可提高信号穿透深度,但其检测信号易受到周边环境的电磁干扰,对信号屏蔽要求较高;第二,不锈钢锅炉管道长期高温服役后会出现管壁电磁特性转变从而影响检测精度的问题仍有待解决。
种种原因致使全球范围内到目前为止还没有针对不锈钢锅炉管内氧化皮堆积厚度测量问题制订出一套通用的检测标准,因此,目前有必要迅速探索出一套高效率、高精度且经济安全的检测方法,以便于对不锈钢锅炉管内氧化皮堆积堵塞状况进行定期检测与合理评估,准确预测并排除安全隐患,维护电站机组的正常运行。
在改进传统EC检测方法的基础上,脉冲涡流(Pulsed Eddy Current,PEC)检测使用脉冲方波信号作为激励源,使得检测信号拥有更加丰富的频率成分,通过单次扫查就能获得关于被测对象不同深度的信息;且其瞬时功率大,平均功率小,信号穿透能力更强,可满足大壁厚、高提离等特殊检测需求;另外,其信号时域分析特征量更丰富,可通过对不同特征量进行分析达到检测多种信息的目的。通过初步实验工作,已经证明了PEC检测技术在氧化皮堆积厚度定量检测方面存在的巨大潜力,本学位文采用有限元磁场仿真与实验相结合的研究方法,以实现不锈钢锅炉管内氧化皮堆积厚度定量检测为目的,对PEC检测技术开展了深入研究。