奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的渦流檢測(cè)仿真試驗(yàn)

 浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)耐熱奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度測(cè)量難的問題，建立了典型腐蝕狀態(tài)下奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，提出了采用低頻渦流檢測(cè)內(nèi)壁腐蝕層厚度，并用高頻渦流測(cè)量外壁氧化層厚度以對(duì)低頻檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正的檢測(cè)方法．結(jié)果表明，腐蝕層厚度增加會(huì)引起低頻渦流檢測(cè)信號(hào)幅值和阻抗模的增加，而外壁存在的氧化層會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)造成干擾．腐蝕層厚度和氧化層厚度對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)影響的變化規(guī)律與仿真結(jié)果具有一致性．

 耐熱奧氏體不銹鋼在高溫下具有較高的強(qiáng)度、良好的蒸汽氧化耐性、良好的爐面腐蝕耐性和足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于制氫轉(zhuǎn)換爐和乙烯裂解爐等。該不銹鋼一般工作溫度為600～1000℃，壓力為2～3 MPa，在長(zhǎng)期高溫高壓的工作環(huán)境下，管的內(nèi)外壁難免會(huì)產(chǎn)生腐蝕（碳化）和氧化產(chǎn)物，如圖所示．外側(cè)氧化層與基體結(jié)合牢固，內(nèi)側(cè)腐蝕層疏松．腐蝕層是由于爐管在高溫下工作時(shí)，處于材料的敏化溫度范圍，并且材料鉻的含量較高，能引起貧鉻效應(yīng)，發(fā)生鉻碳化物的沉淀和奧氏體基體中鉻含量的減少．當(dāng)鉻含量下降到鈍化所需要的極限含量12.5％以下時(shí)，貧鉻區(qū)與晶粒間將構(gòu)成腐蝕微電池，貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)作為陽(yáng)極，晶粒是陰極，并且貧鉻區(qū)面積小，晶粒面積大，形成小陽(yáng)極大陰極腐蝕狀態(tài)，造成貧鉻區(qū)嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而使得奧氏體管性能下降，使用壽命縮短．根據(jù)至德鋼業(yè)的研究，當(dāng)腐蝕層厚度達(dá)到管厚的7.5%時(shí)，奧氏體管的性能開始出現(xiàn)較為明顯的下降．當(dāng)腐蝕層厚度超過(guò)管壁厚的39%時(shí)，奧氏體不銹鋼管的綜合性能已不能滿足制氫轉(zhuǎn)化爐等對(duì)管道安全運(yùn)行的最低要求，必須進(jìn)行割管處理。因此，準(zhǔn)確測(cè)量奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度，可以對(duì)制氫轉(zhuǎn)換爐和乙烯裂解爐等的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效評(píng)估，保證其生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

 在臨界鉻含量以下，奧氏體基體在室溫下表現(xiàn)出鐵磁行為，其特征允許使用磁傳感器來(lái)檢測(cè)腐蝕層情況?，F(xiàn)存方法中常常將磁傳感器耦合在不銹鋼管外壁，利用磁飽和降低管外壁氧化層對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，通過(guò)磁通密度的變化從而測(cè)量出腐蝕層的厚度．該方法較為復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)不易操作，而且受到偏置磁場(chǎng)的影響，霍爾傳感器的測(cè)量值會(huì)存在偏差．因此，浙江至德鋼業(yè)有限公司提出了先采用低頻渦流檢測(cè)，再利用高頻渦流檢測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得出內(nèi)壁腐蝕層厚度值的檢測(cè)方法。

一、成份組成與磁學(xué)性能測(cè)量

 為了盡可能提高有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在構(gòu)建仿真模型前需要了解耐熱奧氏體不銹鋼管在服役過(guò)程中內(nèi)、外壁形成的腐蝕層與養(yǎng)護(hù)層的成份組成，因此，利用掃描電鏡對(duì)奧氏體管內(nèi)壁進(jìn)行了微觀分析，如圖所示。

 從圖中奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁的微觀形貌圖可以看出，其內(nèi)壁覆蓋了大量的腐蝕產(chǎn)物。圖為內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)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(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物局部含有較多的氧和鐵元素，且局部發(fā)生鋁元素富集。

 為進(jìn)一步確定內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物與氧化物的成份，對(duì)內(nèi)、外表面進(jìn)行了Ｘ射線衍射分析，如圖所示。XRD圖譜表明，奧氏體管內(nèi)壁四氧化三鐵的衍射峰值較大，外表面FeCr2O4的衍射強(qiáng)度峰值較大，該結(jié)果與EDS分析結(jié)果中元素組成吻合，從而可以推測(cè)內(nèi)壁腐蝕層主要成份為四氧化三鐵，其具有較大的磁導(dǎo)率，會(huì)對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生明顯的影響，因此，可以用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行腐蝕層厚度的測(cè)量。

 磁導(dǎo)率作為渦流檢測(cè)系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，該數(shù)值的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的可靠程度．因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)用管外側(cè)氧化層、中間奧氏體和內(nèi)側(cè)腐蝕層各自的磁導(dǎo)率測(cè)量是非常必要的。

二、奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層渦流檢測(cè)機(jī)理仿真

  耐熱奧氏體不銹鋼在服役過(guò)程中外壁會(huì)發(fā)生氧化生成氧化層，內(nèi)壁會(huì)發(fā)生腐蝕生成腐蝕層．故而研究在役奧氏體不銹鋼管可將其簡(jiǎn)化為氧化層、奧氏體和腐蝕層組成的三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)三層結(jié)構(gòu)頻域下渦流檢測(cè)機(jī)理的仿真計(jì)算研究，可以直觀地了解到不同情況下奧氏體管的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，通過(guò)數(shù)據(jù)處理還可以進(jìn)一步了解該模型不同腐蝕層厚度、不同氧化層厚度以及不同檢測(cè)頻率條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，從而提出可行的檢測(cè)耐熱奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的方法。

   1. 仿真模型的建立

  在建立仿真模型時(shí)，由于檢測(cè)方法是局部渦流點(diǎn)接觸檢測(cè)，所以可以用平板來(lái)代替管，簡(jiǎn)化模型，減小計(jì)算量，對(duì)該檢測(cè)機(jī)理的研究不會(huì)產(chǎn)生大的影響．由于渦流檢測(cè)探頭與三層板結(jié)構(gòu)均是以管軸線為中心呈軸對(duì)稱的模型，故建立了頻域下的二維軸對(duì)稱仿真模型，模型示意圖如圖所示。

  最終效果圖可通過(guò)對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)得到，如圖所示．仿真模型由空氣域、激勵(lì)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，提高仿真研究效率，對(duì)模型各部位尺寸以參數(shù)形式設(shè)置，同時(shí)規(guī)劃了參數(shù)化掃描，可一次性得出一組不同尺寸模型的仿真結(jié)果。

  對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格劃分類型與尺寸如表所示，網(wǎng)格單元總數(shù)為487023。在渦流檢測(cè)探頭與氧化層、奧氏體層、腐蝕層相接觸的區(qū)域，設(shè)置了20ｍｍ×20ｍｍ的網(wǎng)格控制邊，對(duì)該區(qū)域設(shè)置了最大值為0.1ｍｍ的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)．關(guān)鍵部位小區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化可以加快仿真模型的收斂，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

  2. 仿真模型渦流檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)分布情況分析

  仿真模型采用低頻渦流進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，磁力線可以穿過(guò)整個(gè)試塊，三層結(jié)構(gòu)都會(huì)形成感生渦流，故而整個(gè)模型的磁場(chǎng)變化同時(shí)受到外側(cè)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(chǎng)分布．在100Ｈz檢測(cè)頻率下，三層結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于0，而且沿著氧化層向腐蝕層過(guò)渡過(guò)程中，磁通密度模呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)．在到達(dá)內(nèi)側(cè)腐蝕層時(shí)，磁通密度模較其上側(cè)的奧氏體層有明顯的增加，然后再逐漸衰減．這是由于腐蝕層有較大的磁導(dǎo)率，對(duì)磁力線的聚集能力較強(qiáng)造成的．由此可以得出，低頻渦流檢測(cè)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨腐蝕層厚度的不同發(fā)生明顯的改變，因此，采用低頻渦流檢測(cè)腐蝕層厚度是可行的。

  運(yùn)用高頻渦流檢測(cè)時(shí)，由于集膚效應(yīng)的影響，磁力線無(wú)法到達(dá)內(nèi)側(cè)腐蝕層，所以仿真模型的磁場(chǎng)變化只受到氧化層與奧氏體層的影響，而與腐蝕層無(wú)關(guān)．圖為高頻渦流磁場(chǎng)分布．在1 ＭＨz檢測(cè)頻率下，磁場(chǎng)主要聚集在上表面，底層腐蝕層磁通密度模幾乎為０。因此，可以采用高頻渦流測(cè)量氧化層的厚度，同時(shí)將其作為修正參數(shù)對(duì)低頻渦流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行修正，從而使得腐蝕層的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。

 3. 低頻渦流條件下檢測(cè)信號(hào)變化規(guī)律分析

  根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)替換下的實(shí)驗(yàn)用不銹鋼管統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)外壁氧化層厚度都不超過(guò)0.8ｍｍ，所以在研究低頻條件下不同厚度的腐蝕層對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的影響變化時(shí)，選取了0.8ｍｍ的氧化層厚度為基礎(chǔ)條件．通過(guò)在頻域下的仿真研究發(fā)現(xiàn)，固定氧化層厚度，在不同檢測(cè)頻率（100～1000Hz ）下，隨著腐蝕層厚度的增加，渦流檢測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律相同．其中，在100 Hz 檢測(cè)頻率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭正下方磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz的變化情況如圖所示．在探頭內(nèi)徑中心正下方磁場(chǎng)強(qiáng)度為最大值且保持不變，在2.5ｍｍ處磁場(chǎng)強(qiáng)度開始以線性函數(shù)關(guān)系遞減．經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理，如圖所示，以0 ｍｍ厚腐蝕層為參考零點(diǎn)，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場(chǎng)強(qiáng)度B z與參考零點(diǎn)的差值也在變大．由于渦流是對(duì)線圈內(nèi)的磁通量總體值進(jìn)行檢測(cè)，并且該仿真模型是軸對(duì)稱的，所有的仿真數(shù)據(jù)都是從旋轉(zhuǎn)之后的三維模型而來(lái)，所以對(duì)圓形橫截面區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，如圖所示．在氧化層厚度、檢測(cè)頻率固定時(shí)，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場(chǎng)強(qiáng)度B z的積分呈拋物線的函數(shù)關(guān)系增加。

  在渦流檢測(cè)中，檢測(cè)信號(hào)幅值變化是表征檢測(cè)對(duì)象性能最為重要的參數(shù)之一，如圖所示．氧化層厚度為0.8ｍｍ時(shí)，100 Ｈz檢測(cè)頻率下隨著腐蝕層厚度的增加，幅值呈線性函數(shù)關(guān)系遞增，而其角度只在有無(wú)腐蝕層處發(fā)生突變，并不隨腐蝕層厚度變化而發(fā)生明顯的改變．這是由于腐蝕層導(dǎo)電率很低，與奧氏體層相比產(chǎn)生的感應(yīng)渦流很弱，對(duì)檢測(cè)探頭相位角度變化的影響幾乎可以忽略．通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，渦流檢測(cè)信號(hào)幅值隨腐蝕層厚度變化規(guī)律明顯，且數(shù)據(jù)易于處理．最終選取檢測(cè)信號(hào)幅值作為渦流檢測(cè)奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的表征參數(shù)。

  圖為低頻檢測(cè)信號(hào)隨腐蝕層厚度的變化．當(dāng)使用低頻渦流（100～1000Hz ）檢測(cè)時(shí)，只要氧化層厚度固定不變，渦流檢測(cè)信號(hào)幅值就會(huì)隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增加．因此，采用低頻渦流檢測(cè)奧氏體不銹鋼管時(shí)，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)幅值的測(cè)量值大小得出其內(nèi)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(cè)量問題。

  4. 高頻渦流條件下檢測(cè)信號(hào)變化規(guī)律分析

  圖為高頻檢測(cè)信號(hào)隨氧化層和腐蝕層厚度的變化．在檢測(cè)頻率為100 KH z 時(shí)，若氧化層厚度固定不變，渦流檢測(cè)信號(hào)幅值就唯一確定，其值不隨腐蝕層厚度的變化而產(chǎn)生改變，這與圖８得出的結(jié)論相一致．因此，在高頻渦流條件下，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以得出氧化層厚度變化與渦流檢測(cè)幅值的關(guān)系，從而解決氧化層厚度測(cè)量的問題．當(dāng)檢測(cè)頻率為100 KH z時(shí)，隨著氧化層厚度的增加，渦流檢測(cè)信號(hào)幅值呈線性增大．在此頻率下對(duì)樣管進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量之后，即可對(duì)奧氏體不銹鋼管氧化層的厚度進(jìn)行測(cè)量。

 5. 不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度渦流測(cè)量方法

 由于腐蝕層厚度與低頻渦流檢測(cè)信號(hào)幅值成正比，外壁的氧化層厚度會(huì)影響渦流信號(hào)的幅值，但高頻渦流可以測(cè)量出氧化層厚度，根據(jù)氧化層厚度選取相關(guān)低頻渦流測(cè)量幅值與腐蝕層厚度的關(guān)系曲線，可求解得出腐蝕層的厚度值．具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

   a. 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原管進(jìn)行高、低頻渦流檢測(cè)，采集標(biāo)定零點(diǎn)的渦流信號(hào)．

   b. 對(duì)具有已知氧化層厚度的樣管進(jìn)行高頻渦流檢測(cè)，結(jié)合標(biāo)定零點(diǎn)繪制出氧化層厚度與渦流檢測(cè)信號(hào)幅值的線性關(guān)系圖．在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通過(guò)對(duì)高頻渦流條件下的測(cè)量值與該圖相對(duì)應(yīng)即可得到氧化層厚度值．

   c. 對(duì)具有已知腐蝕層厚度的標(biāo)定樣管（包含無(wú)氧化層與有已知氧化層兩種樣管）進(jìn)行低頻渦流檢測(cè)，結(jié)合標(biāo)定零點(diǎn)繪制出兩條不同氧化層情況下腐蝕層與渦流檢測(cè)信號(hào)的線性函數(shù)關(guān)系圖．在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，以高頻渦流檢測(cè)得出的氧化層厚度為基礎(chǔ)，通過(guò)低頻渦流條件下的測(cè)量值與標(biāo)定曲線之間的函數(shù)關(guān)系，最后解出具體的腐蝕層厚度值．

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

 根據(jù)仿真模型，自制了與仿真模型相同參數(shù)的渦流檢測(cè)探頭，使用愛慕迪便攜式渦流儀對(duì)某瀝青股份有限公司提供的制氫轉(zhuǎn)化爐樣管在1與100 KH z頻率下進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)．該不銹鋼管規(guī)格為40mm×6.3ｍｍ，設(shè)計(jì)溫度為855℃，介質(zhì)溫度為800℃，工作壓力為2.7 MPa．測(cè)量得氧化層厚度與腐蝕層厚度數(shù)據(jù)如表所示。

 為了驗(yàn)證氧化層對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，在四個(gè)測(cè)量點(diǎn)打磨掉氧化層后再次進(jìn)行了檢測(cè)．利用程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出了100 與1 KH z檢測(cè)頻率下隨著腐蝕層厚度的變化，有氧化層和無(wú)氧化層情況下，檢測(cè)信號(hào)幅值的變化規(guī)律，如圖所示。

 從圖中可以看出，當(dāng)檢測(cè)頻率為100 KH z時(shí)，打磨掉氧化層后的檢測(cè)值較有氧化層時(shí)的檢測(cè)信號(hào)幅值有明顯降低，而且不論有氧化層還是打磨掉氧化層后的檢測(cè)值都隨著腐蝕層厚度的變化保持不變，這與仿真結(jié)果圖所得出的規(guī)律相一致。當(dāng)檢測(cè)頻率為1 KH z時(shí)，有氧化層與打磨掉氧化層后的檢測(cè)值都隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增大，與仿真結(jié)果圖所得出的規(guī)律相符．由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析可驗(yàn)證仿真模型是正確的，根據(jù)仿真規(guī)律提出腐蝕層厚度的測(cè)量方法是可行的。

四、結(jié)論

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)構(gòu)建三層結(jié)構(gòu)（氧化層、奧氏體層與腐蝕層）的二維軸對(duì)稱仿真模型，研究了不同頻率、不同氧化層厚度、不同腐蝕層厚度對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的影響．由仿真結(jié)果可得：

  a. 隨著氧化層與腐蝕層厚度的增加，渦流檢測(cè)信號(hào)的幅值會(huì)增大，而相位角基本不變。

  b. 低頻渦流（1 KH z及以下）檢測(cè)時(shí)，隨著奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的增加，檢測(cè)信號(hào)的幅值大致呈線性增加，可以在此頻率下進(jìn)行腐蝕層厚度的測(cè)量，但是氧化層厚度不同會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)的分析。

  c. 高頻渦流（100 KH z及以上）檢測(cè)時(shí)，奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度對(duì)檢測(cè)信號(hào)沒有影響，檢測(cè)信號(hào)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(jìn)行氧化層厚度的測(cè)量，并以此為條件，對(duì)低頻渦流測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分析求解，得到腐蝕層厚度值。

  同時(shí)，在1和100 KH z檢測(cè)頻率下對(duì)實(shí)驗(yàn)用管進(jìn)行測(cè)量分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的規(guī)律與仿真結(jié)果相一致．這從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)該仿真模型理論提供了支撐，說(shuō)明該方法測(cè)量在役耐熱奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度是可行的。