目前，我國在電力方向仍然以煤電為主，鍋爐作為主要設備，數量巨大，容易出現安全隱患。因此，必須加強對設備日常生產和服役運行中管材性能的監控和檢測。
漏磁檢測可被應用于鍋爐水冷壁管檢測中，但實際檢測過程中，鍋爐水冷壁管的鰭片會對漏磁檢測產生影響，目前關于漏磁檢測技術在鍋爐膜式水冷壁檢測方面的應用以及鰭片結構對漏磁檢測影響的相關報道還較少。
針對該問題，杭州市特種設備檢測研究院和東北石油大學的研究人員建立了有無鰭片水冷壁管的三維模型，設置了不同尺寸的內腐蝕缺陷并進行有限元仿真分析，分析鰭片對漏磁檢測的影響。試驗結果為漏磁檢測技術在鍋爐水冷壁管中的應用提供了理論支撐。
1、有限元模型的建立
1、幾何模型
試驗選用COMSOL有限元仿真分析軟件，建立有鰭片和無鰭片鍋爐水冷壁管的有限元模型，其中水冷壁管外徑設置為60 mm，管壁厚為4 mm，鰭片厚為5 mm，寬度為35 mm，磁鐵的尺寸為90 mm×60 mm×25 mm，銜鐵的尺寸為90 mm×200 mm×25 mm，氣隙為4 mm，缺陷均設置為管道內缺陷。三維有限元分析模型結構如圖1所示。
圖1 三維有限元分析模型結構
2、網格劃分
為了在保證計算準確性的情況下提高有限元仿真分析的計算速度，單獨建立氣隙層，并將水冷壁管中存在缺陷的部分切割出來，單獨劃分網格，在鍋爐水冷壁管有缺陷段的管道及氣隙部分，劃分網格時進行加密。
試驗在網格劃分的方式上選用映射、掃掠和自由劃分3種方式，其中缺陷段水冷壁管及氣隙層選用掃掠和映射的方式，設置網格最大單元大小為0.5 mm；非缺陷段由于結構特殊，且非重點研究區域，因此選用自由四面體劃分網格，在保證計算精度的同時，提高了計算速度。劃分后的網格示意如圖2所示。
圖2 有限元網格劃分示意
3、求解及后處理
劃分網格后進行穩態求解，運用麥克斯韋方程組進行求解，求解后得出的有鰭片模式水冷壁管三維體磁通密度模如圖3所示。
圖3 無缺陷時三維體磁通密度模云圖
提取路徑設置在水冷壁管含缺陷部位上方1 mm處，路徑長度為20 mm，如圖4所示。
圖4 提取路徑示意
2、有限元仿真分析
針對水冷壁管較為常見的腐蝕缺陷，在有限元仿真分析軟件中建立水冷壁管模型，在管道內側的正中位置分別設置深度固定為3 mm、尺寸為2 mm×2 mm，3 mm×3 mm，4 mm×4 mm，5 mm×5 mm的矩形缺陷，分別分析有無鰭片水冷壁管不同尺寸內缺陷的漏磁場空間分布狀況。
1、無鰭片水冷壁管有限元仿真分析
無鰭片水冷壁管不同尺寸缺陷的三維體磁通密度剖面云圖如圖5所示，能夠看出缺陷尺寸越大，管道內部缺陷附近的磁場越弱，漏磁場越強。
圖5 無鰭片不同尺寸缺陷三維體磁通密度剖面云圖
不同尺寸缺陷的漏磁場磁通量密度x，y方向分量峰值如表1所示，繪制成折線圖如圖6所示。
表1 無鰭片不同尺寸缺陷漏磁場磁通量密度x，y方向分量峰值
圖6 無鰭片漏磁場磁通量密度x，y方向分量峰值折線圖
由圖6可知，無鰭片水冷壁管內缺陷尺寸增大，漏磁場磁通量密度x，y方向分量均隨之增大。
2、有鰭片水冷壁管有限元仿真分析
有鰭片水冷壁管不同尺寸缺陷的三維體磁通密度剖面云圖如圖7所示，可見缺陷尺寸越大，管道內部缺陷附近的磁場越弱，漏磁場越強。與圖5對比可知，鰭片的存在使得管道內部磁場變弱，管道的磁化程度變弱，缺陷附近的漏磁場也變弱。
圖7 有鰭片不同尺寸缺陷三維體磁通密度剖面云圖
不同尺寸缺陷的漏磁場磁通量密度x，y方向分量峰值如表2所示，繪制成折線圖如圖8所示。
表2 有鰭片不同尺寸缺陷漏磁場磁通量密度x，y方向分量峰值
圖8 有鰭片磁場磁通量密度x，y方向分量峰值折線圖
由圖8可知，有鰭片水冷壁管內缺陷尺寸增大，漏磁場磁通量密度x，y方向分量均隨之增大。此變化趨勢與無鰭片水冷壁管的趨勢相同。
3、有無鰭片水冷壁管對比分析
將無鰭片水冷壁管和有鰭片膜式水冷壁管漏磁場磁通量密度x，y方向分量的數據提取出來，利用Origin分別繪制每個尺寸無鰭片和有鰭片水冷壁管x，y方向分量的折線圖，如圖9所示，并進行對比。
圖9 有無鰭片不同尺寸缺陷的漏磁場磁通量密度對比折線圖
由圖9可知，由于鰭片的存在，一部分磁場由鰭片處通過，使磁化強度減弱，缺陷處的漏磁場亦減弱。每個尺寸缺陷處漏磁場磁通量密度x方向分量均整體減小，y方向分量波動程度減小，即鰭片的存在會分散一部分磁場，使磁化強度減弱，缺陷處漏磁場強度變小。
4、試驗驗證
在實驗室搭建試驗平臺，設置預置試驗板，材料選擇鍋爐水冷壁管專用材料20G，鍋爐水冷壁管尺寸同上述尺寸。選用OMPS-08型漏磁檢測儀進行檢測，試驗現場如圖10所示。試驗內容為分析不同尺寸和不同位置角度缺陷的漏磁場特征量分布情況。
圖10 試驗現場
將管道波形圖中信號最強的5號通道的數據提取出來，并將兩者進行對比，繪制折線圖，如圖11所示。
圖11 有無鰭片水冷壁管不同尺寸缺陷波形對比
將有鰭片和無鰭片不同尺寸的波峰值波谷值及二者差值提取出來，數據如表3所示。
表3 有無鰭片水冷壁管漏磁信號峰谷值
繪制有無鰭片水冷壁管不同尺寸缺陷漏磁信號波峰波谷差值折線圖，結果如圖12所示。
圖12 有無鰭片不同尺寸缺陷漏磁信號波峰波谷差值折線圖
根據圖11、圖12和表3可知，在缺陷尺寸不同時，有鰭片水冷壁管比無鰭片水冷壁管缺陷處能探測到的漏磁信號波動幅度小；對比無鰭片水冷壁管，有鰭片水冷壁管不同缺陷漏磁信號波峰波谷差值均有不同程度地下降，最大下降約40%。說明鰭片的存在使漏磁信號的波動幅度減小、漏磁信號減弱。與上述仿真分析得出的結果一致，且仿真分析和試驗數據得出的漏磁場磁通量密度變化趨勢相同，進一步驗證了結論的正確性。
5、結論
對有鰭片和無鰭片鍋爐水冷壁管建立三維有限元分析模型，分別對不同尺寸的內腐蝕缺陷進行有限元計算與對比分析，判斷鰭片對漏磁檢測的影響，并進行試驗驗證，得出以下結論：
(1) 有無鰭片鍋爐水冷壁管內腐蝕缺陷尺寸越大，漏磁場磁通量密度x，y方向分量越大，變化趨勢相同。
(2) 有鰭片水冷壁管與無鰭片水冷壁管相比，鰭片的存在分走了一部分磁場，漏磁場磁通量密度x方向分量整體減小，y方向分量波動幅度減小，漏磁場強度變弱，漏磁信號變小。
作者：陳濤1，鈕建良1，廖曉玲1，任強1，楊志軍2，劉延雷1
工作單位：1.杭州市特種設備檢測研究院
2.東北石油大學 機械科學與工程學院
第一作者簡介：陳濤，博士，高級工程師，主要從事特種設備安全評價及無損檢測技術研究工作。
來源：《無損檢測》2024年1期
