電站鍋爐作為我國煤電行業的關鍵設備,保有量較大,其關鍵部件如膜式水冷壁,在服役期間常受介質腐蝕、熱輻射、磨損等因素影響出現管體損傷,進而發生泄漏,造成鍋爐停產,甚至誘發安全事故[1-8],因此鍋爐的使用單位和檢驗機構均較重視對水冷壁腐蝕、磨損情況的監控和檢測[9-12],但較缺乏水冷壁管整體腐蝕情況的檢測手段。漏磁檢測技術近年來被廣泛應用于特種設備的缺陷檢測中,但關于漏磁檢測技術在鍋爐膜式水冷壁檢測方面的應用以及如何解決鰭片結構對漏磁信號影響的相關研究工作目前還相對較少。此前,筆者已嘗試利用漏磁檢測方法來解決上述問題,在初步應用時發現鍋爐水冷壁管的鰭片會對漏磁檢測產生影響[13]。現針對該問題,提出了增加磁化單元,對待檢水冷壁管兩側管道同時進行磁化的改進方案,并且對該方案的可行性進行了研究。 

1.   水冷壁鰭片對缺陷漏磁信號的影響

漏磁檢測技術主要依靠缺陷處漏磁場信號特征和強度大小來判定缺陷性質和深度,膜式水冷壁管與壓力管道存在結構差異,即膜式水冷壁管之間以鰭片相連,其結構示意如圖1所示,主要參數如表1所示。 

圖  1  水冷壁磁化結構示意

在進行漏磁檢測時,需要將待測工件磁化,膜式水冷壁的鰭片會使管道中的磁通量下降,從而導致缺陷處的漏磁信號被削弱,有無鰭片水冷壁的漏磁場磁通量對比如圖2所示,該部分內容在文獻[13]中已有詳細分析,不再贅述。 

圖  2  有無鰭片水冷壁的漏磁場磁通量密度對比

2.   磁化結構設計及有限元分析

為提高待測水冷壁管的磁通量密度,增強缺陷處的漏磁場信號強度,對鰭片結構造成的信號減弱進行補償,提高檢測靈敏度,設計了3個磁化單元并列布置的磁化結構,在檢測過程中對待測管兩側管道同時進行磁化,以加強磁化效果。為評價該方案對磁化效果的加強作用,借助有限元仿真軟件COMSOL對膜式水冷壁的磁化結構進行建模,建模方式和網格離散的處理方法與文獻[13]相同。三磁化單元并列布置的磁化結構模型及有限元網格如圖3所示。 

圖  3  三磁化單元并列布置的磁化結構模型及有限元網格

對該模型的磁場分布進行求解,得出三維體磁通密度模如圖4所示。缺陷二維漏磁場分布云圖如圖5所示。 

圖  4  磁化結構模型的三維體磁通密度模

圖  5  缺陷二維漏磁場分布云圖

根據漏磁檢測設備霍爾傳感器布置的位置（即表1中傳感器提離值）,分別提取缺陷處管外壁上方1 mm處的漏磁場信號的切向分量和法向分量,數據提取路徑的位置示意如圖6所示。 

圖  6  漏磁場信號提取路徑示意

將所提取出來的徑向（與管道表面垂直）、軸向（沿管道軸向）兩個方向上的漏磁場磁通量密度分量,與單個磁化單元的兩種模型進行對比,借助Origin軟件,繪制出3種磁化結構下,水冷壁管缺陷處漏磁場徑向和軸向分量的點線圖,如圖7所示。 

圖  7  3種磁化結構下,水冷壁管缺陷處漏磁場磁通量密度的徑向分量和軸向分量

由圖7可知,相對于膜式水冷壁,無鰭片的水冷壁管缺陷處的漏磁場磁通量密度明顯更高,這主要是因為鰭片與水冷壁管相連,膜式水冷壁被磁化后,與磁感應線垂直方向的金屬截面積增大,穿過管道母材的磁通量密度降低,故管道缺陷產生的磁場畸變即漏磁場強度也隨之減弱。 

另外,3個磁化單元并列布置的磁化結構設計能夠在一定程度上對通過待測管橫截面的磁通量進行補償,從缺陷處漏磁場的磁通量密度看,經過補償后的徑向分量Bx的峰峰差值和峰峰間距與無鰭片水冷壁管磁化結構的數值仿真結果基本一致,并且兩條曲線的軌跡也基本重合；而三磁化單元結構的缺陷處漏磁場軸向分量By的峰值有較大提升,并且峰谷差值與無鰭片水冷壁管的結果基本一致,上述特征參量也是缺陷的重要量化指標之一。 

3.   試驗驗證與結果分析

為進一步驗證數值計算結果的準確性以及三磁化單元結構的可靠性,設計加工了三磁化單元的檢測儀原理樣機,對設置有尺寸（長×寬×深）分別為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種人工缺陷的膜式水冷壁進行掃查。為了便于對比,使用單個磁化單元的檢測儀對無鰭片水冷壁管和膜式水冷壁進行了掃查。試驗裝置布置現場如圖8所示。 

圖  8  試驗裝置布置現場

掃查裝置中的霍爾元件輸出電壓直接反映了漏磁場強弱,提取漏磁信號最強的5號通道霍爾元件的輸出電壓,并繪制成點線圖,如圖9所示。 

圖  9  3種不同檢測方案的霍爾電壓數據對比

由圖9可知,使用單一磁化單元的掃查裝置得到的缺陷處霍爾電壓較低,而三磁化單元掃查裝置得到的缺陷處霍爾電壓幅值與無鰭片水冷壁管的測試結果非常接近。 

霍爾電壓的峰谷差值是缺陷大小的重要表征參數,因此進一步歸納了各人工缺陷處漏磁信號的峰谷差值計算結果,如表2所示,繪制折線圖如圖10所示。 

圖  10  3種不同檢測方案得到的缺陷特征參數對比

由圖10可知,隨著缺陷尺寸增大,霍爾元件輸出電壓的峰谷差值呈逐漸增大的趨勢,將磁化單元增加為3個的設計方案,可以對磁化效果進行補償,增加磁化單元后的霍爾元件輸出電壓峰谷差值與無鰭片水冷壁管的測試結果非常接近。 

4.   結論

文章針對膜式水冷壁鰭片造成漏磁檢測信號衰減的問題,提出并設計了三磁化單元漏磁檢測方案,通過有限元仿真分析結合試驗驗證的方法驗證了方案的可行性,主要結論總結如下。 

（1）膜式水冷壁鰭片結構對管道的磁場密度會產生分流作用,從而減弱缺陷處的漏磁場強度,影響漏磁檢測的靈敏度。 

（2）采用3個磁化單元的檢測方案能夠減小鰭片對水冷壁管漏磁信號的影響,有鰭片水冷壁管缺陷處漏磁場的磁通量密度徑向分量Bx的峰峰差值和峰峰間距與無鰭片水冷壁管磁化結構的數值仿真結果基本一致。 

（3）試驗結果與數值仿真預測結果一致,三磁化單元掃查裝置得到的有鰭片水冷壁管缺陷處霍爾電壓幅值、峰谷差值與無鰭片水冷壁管的測試結果非常接近,證明該方案可有效提升檢測靈敏度。

文章來源——材料與測試網