换热器管束的无损检测

黄震 陈华林

摘 要： 换热器是用于热量交换的压力容器之一，在石油化工、化学工业、能源工业及其它许多工业生产中应用广泛。本文综述了管壳式换热器管的几种无损检测技术，包括涡流检测技术、内旋转超声检测技术、声脉冲反射技术，分别介绍了这些无损检测方法的原理和优缺点。

关键词：换热器 涡流检测 内旋转超声检测 声脉冲反射技术

中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）05-0316-01

换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在石油化工、化学工业、能源工业及其它许多工业生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用非常广泛。据统计，在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%[1]。

目前，在换热器设备中，使用量最大的是管壳式换热器，约占换热器设备量的70%[2]，由于换热器设备工作环境复杂，腐蚀介质种类不断增加，致使换热器设备寿命往往只有几个月或一两年，造成了设备的破坏事故。同时，导致换热器失效的原因又是多样复杂的。据国内外化工设备损坏情况介绍，换热器管束失效主要表现在缝隙腐蚀、冲蚀、垢下腐蚀等[3-5]。

管壳式换热器是一种结构特殊的压力容器，为保证其在使用过程中的安全性和可靠性，必须对其进行定期检验。以下综述几种常用换热器管无损检测（NDT）技术。

一、涡流检测技术（ET）

涡流检测的基本原理为：当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件（相当于次级线圈）时，由于线圈磁场的作用，试件中将会感生出涡流，与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的阻抗发生变化。导电体内感生涡流的幅值大小、相位、流动形式及伴生磁场受到导电体的物理及制造工艺性能的影响。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以非破坏性地判断出被测试件的物理或工艺性能及有无缺陷等，此即为涡流检测的基本原理。涡流检测主要是检查管壁内外表面的蚀坑、裂纹及冶金缺陷等[7]。

涡流检测适用于各种导电材料制成的管件的表面检测，不论管件是铁磁性的，还是非铁磁性的，也不论是金属或者是非金属，只要材料是导电的，且外径和壁厚满足一定条件均可用涡流法检测。涡流检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快；对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示；可用在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）进行检测；能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度。

换热器管束主要为具有铁磁性的钢管和不具有铁磁性的不锈钢管、铜及铜合金管、钛及钛合金管、铝及铝合金管等。正式检测前必须利用标准样管对仪器进行参数选择和设定，可根据涡流渗透深度公式进行检测频率预选，再对标样管进行测试，进一步修正参数，最后找出频率、相位及增益等参数的最佳值。对检测发现的缺陷信号进行评定是检测中最关键的技术，由于现场的情况十分复杂，检测信号受管子材质差异、缺陷形状、尺寸和位置等因素影响较大，尤其对多信号叠加形成的复合信号更加难于分辨，因此，涡流检测技术较依赖于检测人员，由于检测人员的专业素质和经验不同，缺陷识别率也不相同。

二、内旋转超声检测系统（IRIS）

内旋转超声检测系统（IRIS）是一种以超声测厚技术为基础从管子内部进行脉冲回波式超声水浸检测的技术。其主要用途是对在役的换热器管束进行壁厚测量，超声波探头通过对中装置在充满水的管子内部以螺旋的方式检测，通过计算机软件的相关处理，能实时显示管子管壁的横截面图（B扫描） 、管壁展开图（C扫描），以及管子纵向截面图（D扫描），通过分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、管子振动造成的表面损伤等。

IRIS用于换热器管子的检测时，可以检测铁磁性、非铁磁性、非金属材料制成的管件，不受材料电导率或磁导率的影响，能精确测量管子的内径及壁厚，能提供管子腐蚀和裂纹的准确位置。在IRIS检测前，需要采用相同规格和材质的样管来加工一些人工缺陷，通过软件的调节和校准，以满足对检测灵敏度的要求。

IRIS检测精度高，但对管道清洁度要求也高，要求管束内表面干净几乎是裸露金属，而且需要对管子充满水进行耦合，检测速度比较慢，操作相对复杂。受内表面清洁度影响，检测数据会有丢失现象，一般对外壁腐蚀检测效果好于内壁腐蚀，此检测方法存在一定的盲区。另外，在一些特殊形状的管子检测方面，如弯曲、螺旋或翅片状，此方法适用性也很低[8]。

三、声脉冲反射技术（APR）

声脉冲反射技術（APR）基本原理：当声脉冲射入管内的空气中，会沿管内部传播，一旦遇到横截面变化，脉冲将会分为两束，一束回波，沿管道返回，一束继续沿管传播，反射回波可以被接收器接收并进行测量。反射波的振幅与类型由反射处的特性决定：横截面收缩产生正弦反射，横截面扩展产生负弦反射。不同缺陷产生不同特征的信号，通过对信号进行分析可以判断缺陷的类型。

APR作为一种新的针对换热器管束的无损检测技术，可以检测管子堵塞、穿孔和内壁壁损，该技术可以实现以较快的速度和较高的效率实现缺陷的检测。由于声脉冲是在管内空气中传播，不受管子材质的影响，所以，理论上APR技术适用于所有材质的管子，对U形管和其他形状管（蛇形管、螺旋管）均能检测。APR是否能正确识别判断反射信号特性，受背景噪音大小，反射点与管口的距离，信号处理方法，参考管的选择等因素影响。在现场进行校验检测是非常重要的，对无缺陷管的检测是作校验参考用的，检测得到的信号会与校验参考管的数据进行对比扣除背景噪音，降低干扰，提高缺陷的识别率。然而，实际检验中，换热器管束可长达几十米，材质也各异，随时随地携带一根校验管不太现实。目前，解决这问题的办法是从大量的管束检测值中选用一个检验结果最好的管子的数据作为校验值；或利用统计学的方法，结合大量的管子检测值进行平均，创建一个校验值。

造成换热管失效的缺陷最主要的是各种腐蚀，而常用的涡流检测对一些裂纹、单个的点状缺陷检测效果较好，对许多腐蚀类缺陷检测效果和检测精度相对较差，在这方面，IRIS检测则能显示其技术上的优势，其图像显示和基于超声测厚技术的绝对精度都远远领先于涡流检测。APR作为一种新型的针对换热器管束的无损检测技术，能以较快的速度和较高的效率实现缺陷的检测，对换热器快速全面扫查是很方便的。

参考文献

[1]董其伍，刘敏珊，苏立建. 管壳式换热器研究进展[J]. 化工设备与管道，2006，43（6）：18-22.

[2]葛菊花，浮头式换热器失效分析及安全对策[D]. 兰州：兰州理工大学，2008.

[3]赵敏，康强利，路云海.常顶换热器腐蚀失效分析及对策[J].石油化工腐蚀与防护，2008，（25）4：32-34.

[4]Franch D N. Metallurgical failure in fossil fired boilers[M]. New York：John wiley & sons，1993.

[5]師红旗，丁毅，马立群.蒸发器管束腐蚀失效分析[J].腐蚀科学与防护技术，2010，22（5）：455-457.

[6]李德尧，胡汉辉.传感器技术及应用[M].北京： 科学出版社，2009.

[7]蒙斌，付登堂.电涡流检测技术在换热器检测中的应用[J].化工机械，2012，39（2）228-230.

[8]肖雄，换热管内旋转超声检测技术[J].压力容器，2015，30（9）60-64.

[9]Noam Amir. Acoustic Pulse Reflectometry Brings an End to Tube Inspection Sampling， Singapore International NDT Conference & Exhibition ， 3-4 November 2011.

[10]Noam Amir， Oded Barzelay， Amir Yefet， Tal Pechter. Inspecting U-Tube Bundles Using Acoustic Pulse Reflectometry， POWER 2009-81018， pp. 141-145.