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316L不鏽鋼管 內壁腐蝕層厚度的渦流檢測

文章作者╃│•✘:小編 發表時間╃│•✘:2022-05-20 17:39:41 閱讀量╃│•✘:751

        316L不鏽鋼管 內壁腐蝕層厚度的渦流檢測針對耐熱奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度測量難的問題╃▩☁││,建立了典型腐蝕狀態下奧氏體不鏽鋼結構的有限元模擬模型╃▩☁││,提出了採用低頻渦流檢測內壁腐蝕層厚度╃▩☁││,並用高頻渦流測量外壁氧化層厚度以對低頻檢測結果進行修正的檢測方法.結果表明╃▩☁││,腐蝕層厚度增加會引起低頻渦流檢測訊號幅值和阻抗模的增加╃▩☁││,而外壁存在的氧化層會對檢測訊號造成干擾.腐蝕層厚度和氧化層厚度對渦流檢測訊號影響的變化規律與模擬結果具有一致性.耐熱奧氏體不鏽鋼在高溫下具有較高的強度╃▩☁││,鏡面不鏽鋼管良好的蒸汽氧化耐性╃▩☁││,不鏽鋼管的生產工藝以及材質用途分類良好的爐面腐蝕耐性和足夠的結構穩定性╃▩☁││,被廣泛應用於制氫轉換爐和乙烯裂解爐等·◕☁。該不鏽鋼一般工作溫度為600~1000℃╃▩☁││,壓力為2~3 MPa╃▩☁││,在長期高溫高壓的工作環境下╃▩☁││,管的內外壁難免會產生腐蝕(碳化)和氧化產物╃▩☁││,如圖所示.外側氧化層與基體結合牢固╃▩☁││,內側腐蝕層疏鬆.腐蝕層是由於爐管在高溫下工作時╃▩☁││,處於材料的敏化溫度範圍╃▩☁││,並且材料鉻的含量較高╃▩☁││,鏡面不鏽鋼管能引起貧鉻效應╃▩☁││,發生鉻碳化物的沉澱和奧氏體基體中鉻含量的減少.當鉻含量下降到鈍化所需要的極限含量12.5%以下時╃▩☁││,貧鉻區與晶粒間將構成腐蝕微電池╃▩☁││,貧鉻區處於活化狀態作為陽極╃▩☁││,晶粒是陰極╃▩☁││,並且貧鉻區面積小╃▩☁││,晶粒面積大╃▩☁││,形成小陽極大陰極腐蝕狀態╃▩☁││,造成貧鉻區嚴重的腐蝕╃▩☁││,進而使得奧氏體管效能下降╃▩☁││,鏡面不鏽鋼管使用壽命縮短.根據至德鋼業的研究╃▩☁││,當腐蝕層厚度達到管厚的7.5%時╃▩☁││,不鏽鋼管的生產工藝以及材質用途分類奧氏體管的效能開始出現較為明顯的下降.當腐蝕層厚度超過管壁厚的39%時╃▩☁││,奧氏體不鏽鋼管的綜合性能已不能滿足制氫轉化爐等對管道安全執行的最低要求╃▩☁││,必須進行割管處理·◕☁。因此╃▩☁││,準確測量奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度╃▩☁││,可以對制氫轉換爐和乙烯裂解爐等的執行狀況進行有效評估╃▩☁││,保證其生產的安全進行·◕☁。

  在臨界鉻含量以下╃▩☁││,奧氏體基體在室溫下表現出鐵磁行為╃▩☁││,其特徵允許使用磁感測器來檢測腐蝕層情況·◕☁。現存方法中常常將磁感測器耦合在不鏽鋼管外壁╃▩☁││,316L不鏽鋼無縫管-304不鏽鋼裝飾管-316L不鏽鋼焊管-304不鏽鋼精密管-不鏽鋼管廠家-無錫勝泰源不鏽鋼有限公司利用磁飽和降低管外壁氧化層對檢測訊號的影響╃▩☁││,透過磁通密度的變化從而測量出腐蝕層的厚度.該方法較為複雜╃▩☁││,在現場不易操作╃▩☁││,而且受到偏置磁場的影響╃▩☁││,霍爾感測器的測量值會存在偏差.因此╃▩☁││,無錫勝泰源不鏽鋼管提出了先採用低頻渦流檢測╃▩☁││,再利用高頻渦流檢測結果對資料進行修正╃▩☁││,從而得出內壁腐蝕層厚度值的檢測方法·◕☁。

  一╃▩☁││,成份組成與磁學效能測量為了儘可能提高有限元模擬結果的準確性╃▩☁││,在構建模擬模型前需要了解耐熱奧氏體不鏽鋼管在服役過程中內╃▩☁││,外壁形成的腐蝕層與養護層的成份組成╃▩☁││,因此╃▩☁││,利用掃描電鏡對奧氏體管內壁進行了微觀分析╃▩☁││,如圖所示·◕☁。

  從圖中奧氏體不鏽鋼管內壁的微觀形貌圖可以看出╃▩☁││,其內壁覆蓋了大量的腐蝕產物·◕☁。圖為內壁腐蝕產物的元素能譜圖╃▩☁││,具體元素組成如表所示.從表中可以看出╃▩☁││,內壁的腐蝕產物區域性含有較多的氧和鐵元素╃▩☁││,且局部發生鋁元素富集·◕☁。

  為進一步確定內╃▩☁││,外壁腐蝕產物與氧化物的成份╃▩☁││,對內╃▩☁││,外表面進行了X射線衍射分析╃▩☁││,如圖所示·◕☁。XRD圖譜表明╃▩☁││,奧氏體管內壁四氧化三鐵的衍射峰值較大╃▩☁││,外表面FeCr2O4的衍射強度峰值較大╃▩☁││,該結果與EDS分析結果中元素組成吻合╃▩☁││,從而可以推測內壁腐蝕層主要成份為四氧化三鐵╃▩☁││,其具有較大的磁導率╃▩☁││,會對渦流檢測訊號產生明顯的影響╃▩☁││,因此╃▩☁││,可以用渦流檢測技術進行腐蝕層厚度的測量·◕☁。

  磁導率作為渦流檢測系統中最重要的引數之一╃▩☁││,該數值的準確性直接影響模擬結果的可靠程度.因此╃▩☁││,對實驗用管外側氧化層╃▩☁││,中間奧氏體和內側腐蝕層各自的磁導率測量是非常必要的·◕☁。

  二╃▩☁││,奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層渦流檢測機理模擬耐熱奧氏體不鏽鋼在服役過程中外壁會發生氧化生成氧化層╃▩☁││,內壁會發生腐蝕生成腐蝕層.故而研究在役奧氏體不鏽鋼管可將其簡化為氧化層╃▩☁││,奧氏體和腐蝕層組成的三層結構╃▩☁││,透過對三層結構頻域下渦流檢測機理的模擬計算研究╃▩☁││,可以直觀地瞭解到不同情況下奧氏體管的磁場強度變化╃▩☁││,透過資料處理還可以進一步瞭解該模型不同腐蝕層厚度╃▩☁││,不同氧化層厚度以及不同檢測頻率條件下磁感應強度的變化規律╃▩☁││,從而提出可行的檢測耐熱奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度的方法·◕☁。

  1. 模擬模型的建立在建立模擬模型時╃▩☁││,由於檢測方法是區域性渦流點接觸檢測╃▩☁││,所以可以用平板來代替管╃▩☁││,簡化模型╃▩☁││,減小計算量╃▩☁││,對該檢測機理的研究不會產生大的影響.由於渦流檢測探頭與三層板結構均是以管軸線為中心呈軸對稱的模型╃▩☁││,故建立了頻域下的二維軸對稱模擬模型╃▩☁││,模型示意圖如圖所示·◕☁。

  最終效果圖可透過對稱軸旋轉得到╃▩☁││,如圖所示.模擬模型由空氣域╃▩☁││,激勵線圈╃▩☁││,氧化層╃▩☁││,奧氏體層和腐蝕層組成╃▩☁││,各部分的尺寸如表所示.為了方便更改模型各部分尺寸╃▩☁││,提高模擬研究效率╃▩☁││,對模型各部位尺寸以引數形式設定╃▩☁││,同時規劃了引數化掃描╃▩☁││,可一次性得出一組不同尺寸模型的模擬結果·◕☁。

  對模擬模型進行網格劃分╃▩☁││,其中網格劃分型別與尺寸如表所示╃▩☁││,網格單元總數為487023·◕☁。在渦流檢測探頭與氧化層╃▩☁││,奧氏體層╃▩☁││,腐蝕層相接觸的區域╃▩☁││,設定了20mm×20mm的網格控制邊╃▩☁││,對該區域設定了最大值為0.1mm的網格劃分標準.關鍵部位小區域的網格細化可以加快模擬模型的收斂╃▩☁││,提高模擬結果的準確性·◕☁。

  2. 模擬模型渦流檢測時磁場分佈情況分析模擬模型採用低頻渦流進行檢測時╃▩☁││,磁力線可以穿過整個試塊╃▩☁││,三層結構都會形成感生渦流╃▩☁││,故而整個模型的磁場變化同時受到外側氧化層╃▩☁││,中間奧氏體層和底端腐蝕層的影響·◕☁。圖為低頻渦流磁場分佈.在100Hz檢測頻率下╃▩☁││,三層結構的磁場強度都遠大於0╃▩☁││,而且沿著氧化層向腐蝕層過渡過程中╃▩☁││,磁通密度模呈現出衰減的趨勢.在到達內側腐蝕層時╃▩☁││,磁通密度模較其上側的奧氏體層有明顯的增加╃▩☁││,然後再逐漸衰減.這是由於腐蝕層有較大的磁導率╃▩☁││,對磁力線的聚集能力較強造成的.由此可以得出╃▩☁││,低頻渦流檢測時磁場強度會隨腐蝕層厚度的不同發生明顯的改變╃▩☁││,因此╃▩☁││,採用低頻渦流檢測腐蝕層厚度是可行的·◕☁。

  運用高頻渦流檢測時╃▩☁││,由於集膚效應的影響╃▩☁││,磁力線無法到達內側腐蝕層╃▩☁││,所以模擬模型的磁場變化只受到氧化層與奧氏體層的影響╃▩☁││,而與腐蝕層無關.圖為高頻渦流磁場分佈.在1 MHz檢測頻率下╃▩☁││,磁場主要聚集在上表面╃▩☁││,底層腐蝕層磁通密度模幾乎為0·◕☁。因此╃▩☁││,可以採用高頻渦流測量氧化層的厚度╃▩☁││,同時將其作為修正引數對低頻渦流檢測訊號進行修正╃▩☁││,從而使得腐蝕層的測量值更加準確·◕☁。

  3. 低頻渦流條件下檢測訊號變化規律分析根據對現場替換下的實驗用不鏽鋼管統計╃▩☁││,發現外壁氧化層厚度都不超過0.8mm╃▩☁││,所以在研究低頻條件下不同厚度的腐蝕層對渦流檢測訊號的影響變化時╃▩☁││,選取了0.8mm的氧化層厚度為基礎條件.透過在頻域下的模擬研究發現╃▩☁││,固定氧化層厚度╃▩☁││,在不同檢測頻率(100~1000Hz )下╃▩☁││,隨著腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,渦流檢測訊號的變化規律相同.其中╃▩☁││,在100 Hz 檢測頻率進行檢測時╃▩☁││,探頭正下方磁場強度Bz的變化情況如圖所示.在探頭內徑中心正下方磁場強度為最大值且保持不變╃▩☁││,在2.5mm處磁場強度開始以線性函式關係遞減.經過對資料歸一化處理╃▩☁││,如圖所示╃▩☁││,以0 mm厚腐蝕層為參考零點╃▩☁││,隨著腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,探頭正下方磁場強度B z與參考零點的差值也在變大.由於渦流是對線圈內的磁通量總體值進行檢測╃▩☁││,並且該模擬模型是軸對稱的╃▩☁││,所有的模擬資料都是從旋轉之後的三維模型而來╃▩☁││,所以對圓形橫截面區域內磁感應強度資料進行積分處理╃▩☁││,如圖所示.在氧化層厚度╃▩☁││,檢測頻率固定時╃▩☁││,隨著腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,探頭正下方磁場強度B z的積分呈拋物線的函式關係增加·◕☁。

  在渦流檢測中╃▩☁││,檢測訊號幅值變化是表徵檢測物件效能最為重要的引數之一╃▩☁││,如圖所示.氧化層厚度為0.8mm時╃▩☁││,100 Hz檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,幅值呈線性函式關係遞增╃▩☁││,而其角度只在有無腐蝕層處發生突變╃▩☁││,並不隨腐蝕層厚度變化而發生明顯的改變.這是由於腐蝕層導電率很低╃▩☁││,與奧氏體層相比產生的感應渦流很弱╃▩☁││,對檢測探頭相位角度變化的影響幾乎可以忽略.透過對比發現╃▩☁││,渦流檢測訊號幅值隨腐蝕層厚度變化規律明顯╃▩☁││,且資料易於處理.最終選取檢測訊號幅值作為渦流檢測奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度的表徵引數·◕☁。

  圖為低頻檢測訊號隨腐蝕層厚度的變化.當使用低頻渦流(100~1000Hz )檢測時╃▩☁││,只要氧化層厚度固定不變╃▩☁││,渦流檢測訊號幅值就會隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增加.因此╃▩☁││,採用低頻渦流檢測奧氏體不鏽鋼管時╃▩☁││,根據檢測訊號幅值的測量值大小得出其內壁腐蝕層厚度的方法是正確的╃▩☁││,但還需解決氧化層厚度的測量問題·◕☁。

  4. 高頻渦流條件下檢測訊號變化規律分析圖為高頻檢測訊號隨氧化層和腐蝕層厚度的變化.在檢測頻率為100 KH z 時╃▩☁││,若氧化層厚度固定不變╃▩☁││,渦流檢測訊號幅值就唯一確定╃▩☁││,其值不隨腐蝕層厚度的變化而產生改變╃▩☁││,這與圖8得出的結論相一致.因此╃▩☁││,在高頻渦流條件下╃▩☁││,透過模擬資料可以得出氧化層厚度變化與渦流檢測幅值的關係╃▩☁││,從而解決氧化層厚度測量的問題.當檢測頻率為100 KH z時╃▩☁││,隨著氧化層厚度的增加╃▩☁││,渦流檢測訊號幅值呈線性增大.在此頻率下對樣管進行標定測量之後╃▩☁││,即可對奧氏體不鏽鋼管氧化層的厚度進行測量·◕☁。

  5. 不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度渦流測量方法由於腐蝕層厚度與低頻渦流檢測訊號幅值成正比╃▩☁││,外壁的氧化層厚度會影響渦流訊號的幅值╃▩☁││,但高頻渦流可以測量出氧化層厚度╃▩☁││,根據氧化層厚度選取相關低頻渦流測量幅值與腐蝕層厚度的關係曲線╃▩☁││,可求解得出腐蝕層的厚度值.具體實現方法如下╃│•✘:a. 對現場原管進行高╃▩☁││,低頻渦流檢測╃▩☁││,採集標定零點的渦流訊號.b. 對具有已知氧化層厚度的樣管進行高頻渦流檢測╃▩☁││,結合標定零點繪製出氧化層厚度與渦流檢測訊號幅值的線性關係圖.在實際檢測時╃▩☁││,透過對高頻渦流條件下的測量值與該圖相對應即可得到氧化層厚度值.c. 對具有已知腐蝕層厚度的標定樣管(包含無氧化層與有已知氧化層兩種樣管)進行低頻渦流檢測╃▩☁││,結合標定零點繪製出兩條不同氧化層情況下腐蝕層與渦流檢測訊號的線性函式關係圖.在實際檢測時╃▩☁││,以高頻渦流檢測得出的氧化層厚度為基礎╃▩☁││,透過低頻渦流條件下的測量值與標定曲線之間的函式關係╃▩☁││,最後解出具體的腐蝕層厚度值.三╃▩☁││,實驗驗證根據模擬模型╃▩☁││,自制了與模擬模型相同引數的渦流檢測探頭╃▩☁││,使用愛慕迪行動式渦流儀對某瀝青股份有限公司提供的制氫轉化爐樣管在1與100 KH z頻率下進行檢測實驗.該不鏽鋼管規格為40mm×6.3mm╃▩☁││,設計溫度為855℃╃▩☁││,介質溫度為800℃╃▩☁││,工作壓力為2.7 MPa.測量得氧化層厚度與腐蝕層厚度資料如表所示·◕☁。

  為了驗證氧化層對檢測結果的影響╃▩☁││,在四個測量點打磨掉氧化層後再次進行了檢測.利用程式對實驗資料進行處理得出了100 與1 KH z檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的變化╃▩☁││,有氧化層和無氧化層情況下╃▩☁││,檢測訊號幅值的變化規律╃▩☁││,如圖所示·◕☁。

  從圖中可以看出╃▩☁││,當檢測頻率為100 KH z時╃▩☁││,打磨掉氧化層後的檢測值較有氧化層時的檢測訊號幅值有明顯降低╃▩☁││,而且不論有氧化層還是打磨掉氧化層後的檢測值都隨著腐蝕層厚度的變化保持不變╃▩☁││,這與模擬結果圖所得出的規律相一致·◕☁。當檢測頻率為1 KH z時╃▩☁││,有氧化層與打磨掉氧化層後的檢測值都隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增大╃▩☁││,與模擬結果圖所得出的規律相符.由實驗資料總結分析可驗證模擬模型是正確的╃▩☁││,根據模擬規律提出腐蝕層厚度的測量方法是可行的·◕☁。

  四╃▩☁││,結論透過構建三層結構(氧化層╃▩☁││,奧氏體層與腐蝕層)的二維軸對稱模擬模型╃▩☁││,研究了不同頻率╃▩☁││,不同氧化層厚度╃▩☁││,不同腐蝕層厚度對渦流檢測訊號的影響.由模擬結果可得╃│•✘:a. 隨著氧化層與腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,渦流檢測訊號的幅值會增大╃▩☁││,而相位角基本不變·◕☁。

  b. 低頻渦流(1 KH z及以下)檢測時╃▩☁││,隨著奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度的增加╃▩☁││,檢測訊號的幅值大致呈線性增加╃▩☁││,可以在此頻率下進行腐蝕層厚度的測量╃▩☁││,但是氧化層厚度不同會影響檢測訊號的分析·◕☁。

  c. 高頻渦流(100 KH z及以上)檢測時╃▩☁││,奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度對檢測訊號沒有影響╃▩☁││,檢測訊號的幅值隨氧化層厚度的增加大致呈線性增加╃▩☁││,可以在此頻率下進行氧化層厚度的測量╃▩☁││,並以此為條件╃▩☁││,對低頻渦流測量訊號進行分析求解╃▩☁││,得到腐蝕層厚度值·◕☁。

  同時╃▩☁││,在1和100 KH z檢測頻率下對實驗用管進行測量分析╃▩☁││,實驗資料所得的規律與模擬結果相一致.這從實驗的角度對該模擬模型理論提供了支撐╃▩☁││,說明該方法測量在役耐熱奧氏體不鏽鋼管內壁腐蝕層厚度是可行的·◕☁。


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