在役高温蒸汽管道的交流电磁场检测

朱金朝，宋军昌，丁春晓，刘正存

(1.临沂市特种设备检验研究院，临沂 276000；2.济宁鲁科检测器材有限公司，济宁272000)

电站蒸汽管道系统长期处于高温、高压环境下，易产生裂纹等缺陷而，甚至引发破坏性事故，直接影响锅炉的安全运行和整个热力发电系统的正常运转。目前系统的检测方法仍以停机检测为主，为提高效率，节约成本，高温状态下的在线检测成为电站蒸汽管道系统无损检测技术的又一发展方向。

目前高温下蒸汽管道系统的无损检测方法有机器视觉检测法、磁粉检测法、涡流检测法、超声检测法、数字射线法等。机器视觉检测法设备复杂昂贵，通常为生产过程中的自动检测线，复杂工况下应用不便[1-2]；高温磁粉检测技术自21世纪初就开始用于压力容器制造过程中的焊缝检测[3]，在压力容器、核电等领域应用较多，但与常规磁粉方法相比，灵敏度有所降低；涡流检测在无损检测领域应用广泛，但是目前的涡流传感器感应探头在高温下存在变形大、电磁特性易失效以及灵敏度低的问题，高温下应用局限性较大[4-5]；超声波检测技术是高温状态下缺陷检测应用最广的方法之一，但受声能衰减、耦合剂耐热性能、探头寿命等因素影响，仅仅在测厚及纵波探伤领域应用较多[6-7]。

通过仿真研究了温度对交流电磁场检测结果的影响，设计了一种适用于高温环境的探头，通过对模拟试块进行检测，进一步分析了交流电磁场检测技术在高温环境下的检测效果。

1 交流电磁场检测原理

交流电磁场检测(ACFM)技术基于电磁感应原理，激励线圈在工件中感应出均匀的交变电场，电场在缺陷位置外会出现扰动，引起此处感应磁场强度变化，通过检测感应磁场的变化强度及规律，可以实现缺陷的检测[8]。

交流电磁场检测原理如图1所示。

图1 交流电磁场检测原理示意

2 仿真模型的建立

许多学者对ACFM技术常温下的检测原理，传感器选用，检测数据处理及检测设备的研发方面进行了大量研究[9]，但在高温下对金属结构进行ACFM检测的研究较少。金属材料，尤其是铁磁性材料，随着温度的升高，磁导率及电导率会发生变化，并对检测结果造成影响，但温度变化对材料性质的影响是有一定规律性的，即高温下的ACFM检测存在可行性。

2.1 几何模型的建立

为了研究高温蒸汽管道在线ACFM检测的可行性，利用COMSOL软件建立高温ACFM检测的有限元三维模型并进行仿真分析，模型包括感应线圈、被测金属和求解域3个部分(见图2)。被检工件尺寸为300 mm×200 mm×150 mm(长×宽×高)，裂纹为长方体，尺寸为5 mm×3 mm×0.2 mm(长×宽×高)，磁芯为U型，求解域设置为500 mm×400 mm×100 mm(长×宽×高)的长方体。感应线圈材料设置为铜，被测物材料设置为碳钢，求解域部分为空气 。

图2 几何模型示意

对网格进行细化，几何模型的网格划分结果如图3所示，完整网格包括24 056个域单元，3 414 个边界元和 500 个边单元。

图3 几何模型的网格划分结果

2.2 物理场选择及参数设定

在COMSOL软件中AC/DC(交流/直流)模块选用磁场作为物理场，求解器设置为频域，频率设置为 1 kHz。将空气求解域的所有外边界设置为磁绝缘，矢量磁势A为零。感应线圈选择多匝线圈(匝数设置为200),激励方式为电流激励，选择电流流通方向的横截面为输入面，电流大小设置为 200 mA。

2.3 求解及结果分析

设置温度及线圈距离工件高度(以下称提离高度)为变量，进行参数化扫描。

设置温度变化范围为20 ℃～820 ℃(扫描步进为20 ℃)，进行仿真计算。得到温度对Bx/Bz的影响曲线如图4所示，证明温度变化对缺陷位置磁场Bx及Bz信号的影响较小。通过对现场环境进行调研，结合设备能力，决定选取20 ℃～400 ℃的检测结果变化规律作为研究对象。

图4 温度对Bx/Bz的影响曲线

图5 提离高度对Bx/Bz的影响曲线

设置提离高度为1～10 mm(扫描步进为0.5 mm)，进行仿真计算。提离高度对Bx/Bz的影响曲线如图5所示，可见，随提离高度的增加，缺陷处电流密度减小，磁通密度也随之降低。结合提离高度仿真结果及实际加工能力，确定探头外壳厚度为1 mm。

3 ACFM缺陷检测试验

3.1 检测装置及试块制备

根据在役蒸汽管道的形式，以材料为20钢，规格为φ159 mm×5 mm(直径×壁厚)的钢管为试验对象，制作人工刻槽作为模拟缺陷，缺陷位于焊缝根部热影响区，缺陷尺寸及分布位置如图6所示，缺陷参数如表1所示。

图6 蒸汽管道模拟缺陷尺寸及分布位置示意

表1 蒸汽管道模拟缺陷参数 mm

检测设备采用济宁鲁科检测器材公司生产的LKACFM-X1型交流电磁场检测系统。由于高温检测时探头外部温度较高，为防止内部线圈及传感器受热严重，选用气凝胶作为内部隔热介质。选用peek(聚醚醚酮树脂)材料作为探头外壳材料，完成高温探头制作。

3.2 检测数据及分析

采用卡式炉对试块进行加热，使用红外测温枪测量温度，加热到所需温度后，将探头放置于工件需探测部位，双手扶持探头，在工件上进行匀速扫查，扫查速度控制在 35 mm·s-1左右，提离高度即为探头外壳厚度(1 mm)，检测完成后记录相关数据。

使用常温探头对缺陷进行检测，管体温度从20 ℃上升到200 ℃，常温下检测信号变化明显，随着温度升高，受到探头本身性能限制，信号峰值及变化量逐渐降低，但仍可作为缺陷判定依据，常温探头检测结果如图7所示，常温探头Bz信号变化量随温度升高变化趋势如图8所示。

图7 常温探头检测结果

图8 常温探头Bz信号变化量随温度升高变化趋势

图9 高温探头检测结果

使用高温探头对缺陷进行检测，管体温度从20 ℃上升到400 ℃，随着温度变化，信号峰值及变量无明显变化，缺陷检测效果较好。高温探头检测结果如图9所示，高温探头Bz信号变化量随温度升高的变化趋势如图10所示。

图10 高温探头Bz信号变化量随温度升高的变化趋势

分析上述结果可知，温度升高会对金属材料的电磁特性产生影响，但对裂纹缺陷的检出影响不大。常温探头及高温探头的检测结果说明，高温对探头的影响大于对金属电磁特性的影响，改善探头高温性能可以作为解决ACFM高温检测问题的一个发展方向。

4 现场应用

对日照某电厂在役余热发电锅炉的高温蒸汽管道阀门进行了ACFM检测。阀门规格为DN175，材料为20G，服役温度为340 ℃。其中两处(一处疑似缺陷，一处无缺陷)的ACFM检测图谱如图11,12所示。

图11 某处缺陷的ACFM检测图谱

图12 无缺陷的ACFM检测图谱

图13 打磨前后缺陷形貌

对疑似缺陷位置进行打磨，确定此处存在缺陷，缺陷类型为砂孔，直径约为3 mm，打磨前后缺陷形貌如图13所示。

5 结论

(1) 在400 ℃温度范围内，温度变化对材料电磁特性及交流电磁场检测效果影响较小，提离高度的变化对交流电磁场检测效果影响较大。

(2) 使用交流电磁场常温探头及高温探头对高温试块缺陷进行检测，均能获得清晰的缺陷信号，说明在400 ℃以下，交流电磁场检测技术可以进行缺陷检测。

(3) 常温探头在高温下检测时，温度对探头影响很大，检测效果不稳定。高温探头的温度特性好，对高温下的缺陷检测更有优势。