涡流检测技术在天然气平台海水冷却器传热管中的应用

吴建武 刘向阳(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

海水冷却器作为海上天然气平台的一个重要换热设备，其状态影响着平台外输天然气的露点。所在平台天然气冷却器已经服役超过10年，由于部分气井出砂，近几年曾经发生多次海水冷却器传热管腐蚀穿孔事件。利用核电在役检查领域已成熟运用和得到验证的传热管涡流检测技术，开发出合适天然气冷却器换热管电涡流检查工艺，掌握盘管的磨损、裂纹及其他缺陷情况。本文中提到的海水冷却器管侧的流体为压缩天然气，壳侧的流体为海水，传热管型式为U形管，规格Φ19×1.5mm，材质为TA2/GB/T 3625—1995。

1 失效模式

运行过程中海水冷却器传热管可能产生海水腐蚀导致的应力腐蚀开裂、流体冲刷导致的减薄和材料缺损、运行时振动和碰撞摩擦导致的凹坑和损伤、压力和温度交变导致的裂纹和天然气杂质导致的损伤等。此外，制造和安装期间产生的缺陷也会在使用阶段继续扩展。在2008年至2019年期间12台冷却器总共发生7次传热管穿孔导致天然气泄漏事件。因此，对冷却器及其他换热器进行预防性的定期检查，提前发现问题，采取预防性处理措施，进行封堵或更换，保证设备安全稳定运行很有必要。

2 技术原理

涡流检测技术作为工业无损检测的常用检测方法，目前在核电、火电和军工行业多有应用，已成为传热管服役阶段的首选无损检测方法。其原理是当载有交变电流的检测线圈靠近导电被检物时，由于电磁感应会在被检物中会产生涡流，而涡流的大小、相位及流动形式受到被检物导电性能的影响，同时产生的涡流也会形成一个磁场，这个磁场反过来又会使检测线圈的阻抗发生变化，通过测定检测线圈阻抗的变化就可以判断被检物的性能及有无缺陷。

3 检测设备

实际检测中使用的设备主要有：远控多频涡流仪、涡流探头、试样管和推拔器。

3.1 远控多频涡流仪

检验时使用美国生产的OMNI-200R远控多频涡流仪，能够在线圈中产生频率范围为1～2000kHz的谐波电流，可同时激发4个或4个以上检测频率，能够以差分和绝对两种模式工作，并可在0～360°范围内调整相位角。仪器12个月需校准一次，在维护或维修后也需校准。

3.2 涡流探头

使用内穿过式自比差动线圈的涡流检测探头，即Bobbin探头。自比式线圈有利于抑制由于环境温度、工件外形尺寸等缓慢变化引起的线圈阻抗的变化。直管段和弯曲半径比较大的弯管段选择填充系数大于80%的探头，弯曲半径比较小的弯管段选择填充系数大于70%的特质柔性探头。

3.3 试样管

本例中参照ASME标准加工了两种对比试样管。ASME标准的试样管设计目前被业界广泛认可和采用。对比试样管一用于制作相位-伤深曲线，用以判定缺陷是内伤还是外伤。对比试样管二，即磨损试样管，用于更加精确地判定管壁磨损量。加工完成后计量图纸如图1。

图1a ASME试样管一

图1b ASME试样管二

3.4 推拔器

涡流探头安装在推拔器上，通过推拔器的作用保证探头推拔是在匀速状态下进行，这样可以保证采集信号的质量，排除人工手拉探头情况下人员因素对结果的干扰。推拔器拉探头的速率可以设定，通常设定为1m/s。该速度下既可保证检测速度，又可保证信号质量。

4 检测

4.1 检测前的工作

根据涡流深度渗透公式计算出基本频率。再使用标定管进行工艺试验确定检测频率、相位等最佳参数。最佳参数下，4个20%壁厚平底孔的信号相位角与单通孔信号之间的夹角应是顺时针方向50～120°之间，信号图见下图2。

图2 最佳频率下的信号响应图

4.2 检测前的准备

对由于管侧流体为天然气，管内清洁度较好，只进行简单的吹扫即可保证探头的通过性。

4.3 实施检测

先采集一根传热管信号，找出支撑板信号，用真实的支撑板信号进行“混频”。所谓“混频”，是用于消除支撑板信号对于缺陷信号的影响。采集计划逐根进行采集，保证数据记录完整，信号编号唯一且与传热管一一对应。对于大弯曲半径传热管，可用常规Bobbin探头一次性采集全管的信号。对于小弯曲半径传热管，一根传热管的采集要分三次进行，先用常规Bobbin探头分别采集U形管两个直管段，再换定制柔性探头采集弯管段。通过支撑板信号确定全管都被采集，无遗漏。

4.4 标定

每次开始、结束采集工作和工作连续不超过四小时，进行一次标定，以确保检测系统性能满足要求。两次标定之间通孔信号的相位角应在40±5°，幅值偏差不得超过±10%，如果偏差超出上述范围，则应找出偏差的原因并进行改正，必须对整套检测系统重新进行调整直至标定合格，而且必须将上次标定或标定校验以后所检测的传热管进行重新检测。

4.5 记录

达到记录标准的显示，都需正确记录，记录应包含以下参数：位置；幅值；相位角；显示的类型或壁厚损失的百分比；显示的通道。出现以下情况的数据认定为无效数据，需重新检测：检测系统的标定不符合检验程序要求，即错误的频率、采样率等；任何可能影响检测结果的因检测系统故障引起的通道损坏；由于探头或延长电缆等原因引起的过高的噪声信号；探头断线、产生严重电火花或短路等；任何通道在饱和情况下运行，即未适当平衡或对中；传热管的标识不正确；传热管的检测范围不完整。

4.6 缺陷评定

本例中既要检测缺陷，又要测量壁厚。对分析人员的要求较高。达到记录标准的信号显示都需要经过两名分析人员的分析，如果两名分析人员结论一致，则作为最终结论。如果两名分析人员结论不一致，则需经过第三名人员分析，第三名人员需持有涡流三级证书。

5 检测结果

完成了一台海水后冷却器盘管涡流检测，共计689根 U 型管(1379 根直管)，共计发现27根传热管伤深超过 40%(剩余壁厚小于设计壁厚的60%，即剩余壁厚小于0.9mm)，缺陷率较高，主要表现为流质冲刷缺陷。数据记录如表1。

表1 减薄传热管的测量数据

传热管减薄情况分布如图3：(1) 7根伤深在40%～59%(蓝色标注，0.6mm＜管壁厚度≤0.9mm)；(2) 8根伤深在60%～79%(黄色标注，0.3mm＜管壁厚度≤0.6mm)；(3) 12根伤深在80%以上(红色标注，管壁厚度≤0.3mm)；(4) 其余662根U型管合格。(一根传热管上存在多处缺陷的按照最大缺陷统计)。

从图3减薄传热管分布可以看出，传热管的减薄是比较随机，没有分布规律可循。

图3 减薄传热管分布

6 结果处理及维保策略调整

根据核电标准，壁厚减薄大于等于40%(即剩余管壁厚度小于0.9mm)的就需要进行堵管。该冷却器的管程设计压力：8.8MPa，实际操作压力4.2MPa。换热管材质：TA2，U型管，规格：Φ19×1.5mm。根据设计压力8.8MPa利用下面公式进行换热管强度校核。

设计压力P：8.8MPa；钢管外径D：19mm；屈服强度σ：373MPa；屈服安全系数n：2NA；许用应力[σ]：186.5MPa。

计算得出最小管壁厚度t：0.428mm，乘以1.4的安全放大系数，管壁厚度小于0.6mm才需堵管，相对核电堵管标准管壁厚度小于0.9mm就堵管还是有一定余量。为了拉长检验间隔周期，按照核电的标准伤深大于等于40%的进行堵管，即壁厚小于等于0.9mm的就堵管，需要堵管27根，换热效率约下降3.6%。

在维修费用允许的情况下，其他服役超过10年的天然气冷却器进行电涡流检测摸底排查，根据检测结果调整维修策略做到提前维修。

7 结语

(1)本次应用证明在其他行业已经成熟应用的涡流检测，在天然气海水冷却器等其他石化行业换热器传热管检测上同样适用，并且存在较大应用前景。考虑到传热管失效后的事故后果和经济损失，预防性的定期检测是有必要的。

(2)现使用的Bobbin探头可以检测出裂纹、减薄、损伤、腐蚀等，但针对极端情况下的针孔状穿孔，由于Bobbin探头的技术原理存在一定的漏检风险。需配合阵列探头检测，可显著降低针孔状缺陷的漏检概率。但需要注意的是，由于制造工艺限制，阵列探头为硬质探头，无法通过弯管段。

(3)通过天然气冷却器盘管缺陷检测新技术应用掌握传热管的磨损、裂纹及其他缺陷情况。及时调整冷却器维修策略，由被动维修转为主动维修，达到减少产量损失和减少传热管穿孔泄漏带来的安全隐患。