目前,國內外市面上針對不銹鋼鍋爐管道內氧化皮堆積的檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁性檢測、聲振檢測與渦流檢測法等。其中:超聲檢測法是最早被用于鍋爐內壁氧化皮堆積厚度檢測的方法,其原理為根據所生成氧化物中儲存應變能與其自身厚度、溫度及時間等量值的關系,能夠有效預測氧化皮的生長、脫落時間。但超聲測厚技術主要依靠界面回波,僅適用于尚未剝離壁面的氧化皮測量,對已脫落氧化皮在管內具體堆積形態的檢測效果差。

射線檢測法主要基于管壁與氧化皮對射線吸收程度的差異,通過對所獲射線底片進行對比分析來判斷管內氧化皮堆積的具體形態。其方法準確有效,但鍋爐管發生蒸汽側氧化后易出現氧化皮堆積堵塞的部位主要為過熱管與再熱管,在超臨界機組中經粗略計算大概有二千多根管子,四千多個彎頭,電站機組停機期間一般可用于檢測的時間在1天到2天內,甚至更短,使用射線檢測不但無法滿足其工期要求,同時亦存在有輻射、設備費用昂貴且受管排狹小空間限制等矛盾。

磁性檢測法最初由日本IHI株式會社的Ohtomo等人所提出,在世界各地研究人員的不斷探索下逐漸被完善,并在電站檢測中得到應用。該方法基于氧化皮(主成分為Fe 3 O 4,呈亞鐵磁性)和奧氏體不銹鋼材料(順磁性)的磁性差異,利用磁鐵對鍋爐管內氧化皮進行激磁,再通過獲取被磁化氧化物的磁感應強度來判斷管內氧化皮的堆積量。這種檢測方法工藝簡單、檢測效率高,但主要存在兩個缺點[18-20]:第一,氧化物磁場強度與其堆積厚度間呈非線性相關,堆積量較少時檢測信號靈敏度低,堆積量較多時檢測信號又趨于飽和,因此難以對初始或飽和情況下的氧化皮堆積厚度進行準確判斷;第二,在高溫高壓的工作環境下長期服役后,鍋爐管壁會發生磁特性轉變,從而呈現較高磁性,在檢測過程中疊加在氧化皮所引起的磁場信號中,使檢測精度受到很大影響。

聲振檢測法通過敲擊管道產生自由振動,引起氧化皮顆粒相互間以及與管壁間的摩擦、碰撞,再根據其聲振信號的衰減系數差異來判斷管內氧化皮堆積程度。該檢測方法不受管道材質與磁性因素的影響,但其聲振信號衰減特征為管內所有氧化皮對管道振動阻尼作用的共同結果,因此難以判斷氧化皮堆積的具體分布狀況。

渦流(Eddy Current,EC)檢測法基于法拉第電磁感應定律,能夠用于被測構件形狀尺寸、電磁特性、缺陷位置、深度、大小等信息的檢測。由于內部氧化皮堆積能夠引起不銹鋼鍋爐管道局部磁導率的變化,因此部分學者與技術人員開始嘗試利用EC檢測法來檢測鍋爐管內氧化皮的堆積厚度。SchadlerGehl報道了一種用于過熱器和再熱器管道中氧化皮堆積厚度測量的內通過式EC傳感器的設計與研究。Augustyniak等人發現經過處理的EC檢測信號與氧化皮磁相濃度間存在一定相關性,可用于評估不銹鋼鍋爐管道內的初期蠕變損傷。林俊明等人提出了利用多頻渦流技術及傳感器陣列策略將多組EC傳感器檢測信號處理為管道各周向位置所對應的氧化皮堆積參數,從而實現對管內氧化皮具體堆積形態的分析。劉金秋等人利用超低頻EC檢測技術對鍋爐管內氧化皮堆積做出了研究分析,證明了超低頻電磁場的相位變化與氧化皮堆積厚度間成單值對應關系。

他們的研究成果初步證明了渦流檢測技術用于不銹鋼鍋爐管內脫落氧化皮堆積厚度檢測的可行性,但同時均存在一定的局限性:第一,常規單頻及多頻渦流檢測信號由于趨膚效應的存在,難以穿透厚度較大的管壁和氧化皮堆積,且在高提離等特殊檢測工況下精度受限。使用超低頻渦流可提高信號穿透深度,但其檢測信號易受到周邊環境的電磁干擾,對信號屏蔽要求較高;第二,不銹鋼鍋爐管道長期高溫服役后會出現管壁電磁特性轉變從而影響檢測精度的問題仍有待解決。

種種原因致使全球范圍內到目前為止還沒有針對不銹鋼鍋爐管內氧化皮堆積厚度測量問題制訂出一套通用的檢測標準,因此,目前有必要迅速探索出一套高效率、高精度且經濟安全的檢測方法,以便于對不銹鋼鍋爐管內氧化皮堆積堵塞狀況進行定期檢測與合理評估,準確預測并排除安全隱患,維護電站機組的正常運行。

在改進傳統EC檢測方法的基礎上,脈沖渦流(Pulsed Eddy Current,PEC)檢測使用脈沖方波信號作為激勵源,使得檢測信號擁有更加豐富的頻率成分,通過單次掃查就能獲得關于被測對象不同深度的信息;且其瞬時功率大,平均功率小,信號穿透能力更強,可滿足大壁厚、高提離等特殊檢測需求;另外,其信號時域分析特征量更豐富,可通過對不同特征量進行分析達到檢測多種信息的目的。通過初步實驗工作,已經證明了PEC檢測技術在氧化皮堆積厚度定量檢測方面存在的巨大潛力,本學位文采用有限元磁場仿真與實驗相結合的研究方法,以實現不銹鋼鍋爐管內氧化皮堆積厚度定量檢測為目的,對PEC檢測技術開展了深入研究。