電站鍋爐作為我國(guó)煤電行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,保有量較大,其關(guān)鍵部件如膜式水冷壁,在服役期間常受介質(zhì)腐蝕、熱輻射、磨損等因素影響出現(xiàn)管體損傷,進(jìn)而發(fā)生泄漏,造成鍋爐停產(chǎn),甚至誘發(fā)安全事故[1-8],因此鍋爐的使用單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)均較重視對(duì)水冷壁腐蝕、磨損情況的監(jiān)控和檢測(cè)[9-12],但較缺乏水冷壁管整體腐蝕情況的檢測(cè)手段。漏磁檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備的缺陷檢測(cè)中,但關(guān)于漏磁檢測(cè)技術(shù)在鍋爐膜式水冷壁檢測(cè)方面的應(yīng)用以及如何解決鰭片結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁信號(hào)影響的相關(guān)研究工作目前還相對(duì)較少。此前,筆者已嘗試?yán)寐┐艡z測(cè)方法來(lái)解決上述問(wèn)題,在初步應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐水冷壁管的鰭片會(huì)對(duì)漏磁檢測(cè)產(chǎn)生影響[13]?，F(xiàn)針對(duì)該問(wèn)題,提出了增加磁化單元,對(duì)待檢水冷壁管兩側(cè)管道同時(shí)進(jìn)行磁化的改進(jìn)方案,并且對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了研究。 

1.   水冷壁鰭片對(duì)缺陷漏磁信號(hào)的影響

漏磁檢測(cè)技術(shù)主要依靠缺陷處漏磁場(chǎng)信號(hào)特征和強(qiáng)度大小來(lái)判定缺陷性質(zhì)和深度,膜式水冷壁管與壓力管道存在結(jié)構(gòu)差異,即膜式水冷壁管之間以鰭片相連,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,主要參數(shù)如表1所示。 

圖  1  水冷壁磁化結(jié)構(gòu)示意

在進(jìn)行漏磁檢測(cè)時(shí),需要將待測(cè)工件磁化,膜式水冷壁的鰭片會(huì)使管道中的磁通量下降,從而導(dǎo)致缺陷處的漏磁信號(hào)被削弱,有無(wú)鰭片水冷壁的漏磁場(chǎng)磁通量對(duì)比如圖2所示,該部分內(nèi)容在文獻(xiàn)[13]中已有詳細(xì)分析,不再贅述。 

圖  2  有無(wú)鰭片水冷壁的漏磁場(chǎng)磁通量密度對(duì)比

2.   磁化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

為提高待測(cè)水冷壁管的磁通量密度,增強(qiáng)缺陷處的漏磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度,對(duì)鰭片結(jié)構(gòu)造成的信號(hào)減弱進(jìn)行補(bǔ)償,提高檢測(cè)靈敏度,設(shè)計(jì)了3個(gè)磁化單元并列布置的磁化結(jié)構(gòu),在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)待測(cè)管兩側(cè)管道同時(shí)進(jìn)行磁化,以加強(qiáng)磁化效果。為評(píng)價(jià)該方案對(duì)磁化效果的加強(qiáng)作用,借助有限元仿真軟件COMSOL對(duì)膜式水冷壁的磁化結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,建模方式和網(wǎng)格離散的處理方法與文獻(xiàn)[13]相同。三磁化單元并列布置的磁化結(jié)構(gòu)模型及有限元網(wǎng)格如圖3所示。 

圖  3  三磁化單元并列布置的磁化結(jié)構(gòu)模型及有限元網(wǎng)格

對(duì)該模型的磁場(chǎng)分布進(jìn)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(chǎng)分布云圖如圖5所示。 

圖  4  磁化結(jié)構(gòu)模型的三維體磁通密度模

圖  5  缺陷二維漏磁場(chǎng)分布云圖

根據(jù)漏磁檢測(cè)設(shè)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(chǎng)信號(hào)的切向分量和法向分量,數(shù)據(jù)提取路徑的位置示意如圖6所示。 

圖  6  漏磁場(chǎng)信號(hào)提取路徑示意

將所提取出來(lái)的徑向（與管道表面垂直）、軸向（沿管道軸向）兩個(gè)方向上的漏磁場(chǎng)磁通量密度分量,與單個(gè)磁化單元的兩種模型進(jìn)行對(duì)比,借助Origin軟件,繪制出3種磁化結(jié)構(gòu)下,水冷壁管缺陷處漏磁場(chǎng)徑向和軸向分量的點(diǎn)線圖,如圖7所示。 

圖  7  3種磁化結(jié)構(gòu)下,水冷壁管缺陷處漏磁場(chǎng)磁通量密度的徑向分量和軸向分量

由圖7可知,相對(duì)于膜式水冷壁,無(wú)鰭片的水冷壁管缺陷處的漏磁場(chǎng)磁通量密度明顯更高,這主要是因?yàn)轹捚c水冷壁管相連,膜式水冷壁被磁化后,與磁感應(yīng)線垂直方向的金屬截面積增大,穿過(guò)管道母材的磁通量密度降低,故管道缺陷產(chǎn)生的磁場(chǎng)畸變即漏磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之減弱。 

另外,3個(gè)磁化單元并列布置的磁化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在一定程度上對(duì)通過(guò)待測(cè)管橫截面的磁通量進(jìn)行補(bǔ)償,從缺陷處漏磁場(chǎng)的磁通量密度看,經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的徑向分量Bx的峰峰差值和峰峰間距與無(wú)鰭片水冷壁管磁化結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真結(jié)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(jié)構(gòu)的缺陷處漏磁場(chǎng)軸向分量By的峰值有較大提升,并且峰谷差值與無(wú)鰭片水冷壁管的結(jié)果基本一致,上述特征參量也是缺陷的重要量化指標(biāo)之一。 

3.   試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及三磁化單元結(jié)構(gòu)的可靠性,設(shè)計(jì)加工了三磁化單元的檢測(cè)儀原理樣機(jī),對(duì)設(shè)置有尺寸（長(zhǎng)×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(jìn)行掃查。為了便于對(duì)比,使用單個(gè)磁化單元的檢測(cè)儀對(duì)無(wú)鰭片水冷壁管和膜式水冷壁進(jìn)行了掃查。試驗(yàn)裝置布置現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。 

圖  8  試驗(yàn)裝置布置現(xiàn)場(chǎng)

掃查裝置中的霍爾元件輸出電壓直接反映了漏磁場(chǎng)強(qiáng)弱,提取漏磁信號(hào)最強(qiáng)的5號(hào)通道霍爾元件的輸出電壓,并繪制成點(diǎn)線圖,如圖9所示。 

圖  9  3種不同檢測(cè)方案的霍爾電壓數(shù)據(jù)對(duì)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(wú)鰭片水冷壁管的測(cè)試結(jié)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(shù),因此進(jìn)一步歸納了各人工缺陷處漏磁信號(hào)的峰谷差值計(jì)算結(jié)果,如表2所示,繪制折線圖如圖10所示。 

圖  10  3種不同檢測(cè)方案得到的缺陷特征參數(shù)對(duì)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(shì),將磁化單元增加為3個(gè)的設(shè)計(jì)方案,可以對(duì)磁化效果進(jìn)行補(bǔ)償,增加磁化單元后的霍爾元件輸出電壓峰谷差值與無(wú)鰭片水冷壁管的測(cè)試結(jié)果非常接近。 

4.   結(jié)論

文章針對(duì)膜式水冷壁鰭片造成漏磁檢測(cè)信號(hào)衰減的問(wèn)題,提出并設(shè)計(jì)了三磁化單元漏磁檢測(cè)方案,通過(guò)有限元仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證了方案的可行性,主要結(jié)論總結(jié)如下。 

（1）膜式水冷壁鰭片結(jié)構(gòu)對(duì)管道的磁場(chǎng)密度會(huì)產(chǎn)生分流作用,從而減弱缺陷處的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度,影響漏磁檢測(cè)的靈敏度。 

（2）采用3個(gè)磁化單元的檢測(cè)方案能夠減小鰭片對(duì)水冷壁管漏磁信號(hào)的影響,有鰭片水冷壁管缺陷處漏磁場(chǎng)的磁通量密度徑向分量Bx的峰峰差值和峰峰間距與無(wú)鰭片水冷壁管磁化結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真結(jié)果基本一致。 

（3）試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真預(yù)測(cè)結(jié)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(wú)鰭片水冷壁管的測(cè)試結(jié)果非常接近,證明該方案可有效提升檢測(cè)靈敏度。

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