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锅炉钢管的水压试验和涡流探伤

本文论述了锅炉钢管的水压试验和涡流探伤都是材料的致密性能试验,它们之间在试验方法上具有等效性;而且钢管的涡流探伤具有快速、准确、易实现自动化检测等特点,它在试验方法上优于既费时又费力、准确性较差的水压试验方法,因此,涡流探伤检测方法完全可以用来代替锅炉钢管的逐根水压试验,而其他形式的无损探伤方法不能代替涡流探伤的致密性试验,这对于控制锅炉钢管的材料质量和提高锅炉制造质量以及保证锅炉的安全可靠性都具有重要意义。由于涡流探伤技术在锅炉钢管的质量检测和控制有很强的实用性,因而在锅炉行业中具有良好的应用前景和推广价值。
主题词: 锅炉钢管 涡流探伤 水压试验

钢管水压试验机













钢管水压试验机组

一、锅炉钢管的质量问题
锅炉用无缝钢管(以下简称锅炉钢管)是制造锅炉用的重要材料,它的质量如何将直接关系锅炉制造质量以致于安装质量和使用质量。锅炉钢管质量本应是由钢管厂来作出保证的,但是在供不应求的情况下,提供给锅炉制造厂使用的锅炉钢管总免不了存在一些质量问题,用它制成的锅炉主要受压部件如水冷壁管、对流管、过热器管、换热器管等漏水或爆管现象时有发生,已成为困扰锅炉产品质量的一个大问题,对此锅炉制造厂和用户都很有意见。在卖方市场的情况下,锅炉制造厂几乎承担了包括材料供应方在内的全部责任;如何控制锅炉钢管的质量现已成为锅炉制造厂家越来越关心的问题,解决的办法不外乎是两个:一个是对锅炉钢管进行逐根的水压试验;另一个是对锅炉钢管实行100%的涡流探伤。
二、锅炉钢管的缺陷与伤
按照材料学的观点,优良的金属材料化学成分、物理性能、几何形状应该是连续的、纯洁的和均匀的。如果这三方面存在不足或受到破坏,就认为金属材料存在缺陷。如果金属材料在几何形状上存在着不连续性(即不紧密性或不密实性或者不致密性),例如有裂纹、缩孔、起皮、凹坑、分层、针孔、夹渣等,则认为金属材料存在伤痕(简称为伤),它不包括化学成分的不连续或物理性能上的不连续。从这里可以看出,缺陷包含着伤。锅炉钢管在冶炼和轧制过程中同样可能存在缺陷和伤。据钢管厂介绍,锅炉钢管的缺陷(这里主要是指伤)主要在表面,而且外表面多于内表面。这些缺陷70%左右来自于原料(钢坯),钢坯中吹氧不够而残存的夹渣物、缩孔等,用它轧制钢管就有可能出现横向裂纹、夹层、折迭、重皮等缺陷,纵向裂纹多属轧制时拉伤造成的。如果锅炉钢管中出现了这些缺陷或伤痕,就认为材质中出现了不连续,材料内部的致密性受到破坏,在水压试验时就有可能漏水,制成的锅炉受压元件在运行时就有可能发生泄漏或爆管。正因为如此,为了保证锅炉钢管质量,不论是我国还是外国有关锅炉用无缝钢管的标准都明确规定,作为工艺性能保证,钢管应逐根作水压试验。
三、锅炉钢管的水压试验是致密性试验
我国国家标准GB3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》在技术要求中工艺性能规定:钢管应逐根作水压试验,不能出现漏水或出汗现象。对于20号钢最大试验压为9.8MPa,耐压时间不得少于5秒。水压试验的压力按下式计算:

Image17a.gif (1033 字节)

式中:P--试验压力,MPa;S--钢管的壁厚,mm;D--钢管的外径,mm;t--钢号规定屈服点的60%MPa
冶金部推荐标准YBT33-86《低中压锅炉用冷拔无缝钢管》也作了同样的规定。
例如:GB3087-82标准中20号钢Φ51×3钢管,此时屈服点为245MPa ,其水压试验压力为:

Image18a.gif (1393 字节)  水压试验压力应取9.8MPa

我国冶金部推荐标准YBT32-86《高压锅炉用冷拔无缝钢管》在技术要求中工艺性能规定,钢管应逐根进行水压试验,最大压力为20MPa,试验时间不少于10秒。在试验压力过程中,钢管不是出现漏水或出汗现象。GB5310-85《高压用无缝钢管》也作了同样的规定。
通常认为,水压试验的目的有两种:一种是工艺性水压试验,其目的是检验材料(或部件)是否漏水,即检验材料的密封性能;另一种是验证性水压试验,其目的是检验材料(或部件)的强度是否足够。从这里可以看出,锅炉钢管的水压试验是属于工艺性的水压试验,是材质的致密性试验,检验材料是否连续和是否密实;它不是验证强度的试验。从材料力学的强度理论可知,无缝钢管属于细而长的构件,其直径很小,即使是壁厚较薄的细管也可承受很大的压力。例如GB3087-82标准中20号钢Φ51×3钢管,假设其外表有1.5mm深的裂纹,对它进行强度水压试验,当它达到爆管或漏水时其压力仍然很高(此时材料应力取抗拉强度:σb =392MPa)。

Image19a.gif (1549 字节)

这说明其爆管压力远远超过水压试验压力。也就是说,当钢管达到试验压力时,即使有较深的裂纹,也不可能发生漏水现象。
从这个实例计算可看出:钢管工艺性水压试验是难于发现漏水现象的,因而对埋藏比较深的缺陷就有可能存在漏检风险。美国ASME-SA-450《碳钢管、铁素体合金钢管和奥氏体合金钢管通用规范》则十分明确的强调:“……水压试验是许多产品规范都提供的试验方法。这种试验能够发现液体从内管壁向外渗漏的情形,可以用肉眼观察或者用压力下降来判断。水压试验发现不了穿透管壁但又非常紧密的缺陷或者深入壁厚相当距离但尚未完全穿透的缺陷。”日本一家著名的钢铁企业住友金属工业公司的企业标准B-NO440《冷拔锅炉无缝钢管制造技术条件》则明确规定:对每根钢管进行涡流探伤后,则该钢管不必进行水压试验,以涡流探伤代替水压试验。德国标准DIN17175《用耐热钢制成的无缝钢管》标准同样规定,可用涡流探伤代替水压试验。
四、钢管的涡流探伤同样是致密性试验
我国GB5310-85YBT32-86标准十分明确规定:“凡经过涡流检验的钢管,可以不做水压试验。”这是因为涡流探伤同样也是一种材质的致密性试验,它与水压试验是等效的。德国钢铁试验规范SEP1925-74《钢管的涡流致密性试验》说:“涡流检验是一种致密性检验,用它代替水压试验--各种形状的空心体规定内压的水压试验。”为什么说涡流探伤也是一种致密性试验呢?这还得从涡流探伤检测的基本原理谈起。
1、涡流检测的原理:
涡流检测(ET)是常规无损检测技术之一,它适用于导电材料如铁磁性和非铁磁性的型材和零件以及石墨制品的检测,能发现裂缝、折迭、凹坑、夹杂、疏松等表面和近表面缺陷,通常能确定缺陷的位置和相对尺寸,但难于判定缺陷的种类。涡流检测在型材(如管材、棒材、线材)的探伤、材料分选、测厚、测定试件的物理性能等方面都有广泛的应用。
涡流检测是以电磁感应理论为基础的,一个简单的涡流检测系统包括一个高频交流电压发生器,一个检测线圈和一个指示器。高频电压发生器(或称为振荡器)供给检测线圈以激励电流,从而在试件(管材)及其周围形成一个激励磁场,这个磁场在试件中感应出旋涡状电流称为涡流;试件中的涡流及产生自己的磁场,涡流磁场的作用削弱或抵削激励磁场,从而产生磁场的变化。这种变化取决于线圈与和管材间的距离、管材的几何尺寸、电导率和磁导率以及管材的冶金和机械缺陷。当管材通过线圈时,由于管材的这些参量的变化,会引起电磁效应的变化而产生电信号,信号经过放大和转变,进行报警,记录和分选,最终可达到管材探伤的目的。
2、趋肤效应和趋肤深度
直流电在导体内流过时,它在导体横截面上的电流密度分布基本上是均匀的,但是当交流电在导体内流过时,它在导体横截面上的电流分布是不均匀的。表面层电流密度最大,愈进入导体中心其电流分布随着距离表面的浓度增加而衰减,此种现象称为交流电的趋肤效应。
交流电在导体横截面上的电流密度分布是按指数函数规律衰减的,即:

Image20a.gif (1102 字节)

式中:Io--表面电流密度,安培/米2 ;I--距表面深度δ处的电流密度,安培/米2;μ--导体的磁导率,亨利/米;σ--导体的电导率,1/ 欧姆·米;f--频率,赫芝;δ--趋肤深度,米;e--自然对数的底,e = 2.718 ……;
趋肤效应的大小是以趋肤深度δ来描述,即电流密度减少到表面电流密度的1/e =37% 时的密度,就是:
II= Ie = e -1 时,则

Image21a.gif (1200 字节)

上式表明,趋肤深度δ是与频率f的平方根成反比,f愈大则δ愈小。在涡流检测中,工件的电导率和磁导率是不变的,唯一可改变的是激励电流的频率,因此,通过改变电流的频率即可检测出不同深度的缺陷。
在实际涡流探伤时,由于探伤工艺的需要,上式的物理意义有所变化。如导体的磁导率μ用相对于磁导率μr表示,若是铁磁性材料经饱和磁化后,μr  1;交流电源频率f用激励频率fd表示;导体的电导率用试件的电导率σ表示,单位改为1/微欧·厘米,或用试件的电阻率P表示,P = 1/σ 。此时,涡流探伤的标准趋肤深度d可用下式表示:

Image22a.gif (1454 字节)

例如:GB3087-82标准中20号钢Φ51×3钢管,材质为低碳钢,查表可知P = 16.9(微欧·厘米);若采用5KHz的激励频率在理论上具有的检出厚度为:

Image23a.gif (1377 字节)

从理论计算中看出,当采用上述探伤工艺时,Φ51×3钢管的全部壁厚都处在有效探伤检出范围之内,从理论上讲不会漏检。
3、端部效应
在涡流检测中,由于工件的几何形状(边缘)急剧改变而引起邻边磁场和涡流干扰,将掩盖着一定范围的缺陷的检出。这种现象称之为端部效应。由于端部效应的存在,在钢管探伤时,当管子的端部(头和尾)进入或离开检测线圈时,对于位于靠近管子端部的缺陷,将失去灵敏度,管子端部通常存在着一段肓区。因此,钢管涡流探伤都是整根进行的,生产工艺上是先涡流探伤,后切管下料。
4、涡流检测线圈
检测线圈是涡流探伤的传感器,它的主要作用是:在导线工件上建立磁场,激励出涡流,传递探伤信息。检测线圈基本形式有三种:穿过式,内插式和点式。穿过式是线圈环绕被检测工件外部,让工件在其中自由通过。管材探伤主要是采用穿过式。这种线圈较适于快速自动化检测,也可采用点式线圈使其与钢管作相对螺旋运动。
应当指出的是涡流探伤的灵敏度是随着缺陷的埋藏深度(或者是线圈与试件的间隙)的增加而降低。为了提高探伤灵敏度就应尽量减少线圈与钢管之间的间隙,但是如果间隙太小会阻止钢管在线圈内自由通过,或者损坏线圈。线圈与钢管之间间隙的大小可用穿过式线圈填充系数η来表示,它是试件截面积与测量线圈有效面积之比,通常认为η≥0.7 。
5、涡流探伤对检出缺陷的敏感性
我国国家标准GB7735-87《钢管涡流探伤方法》是适用于锅炉、船舶、石油、化工等设备用圆形无缝钢管涡流探伤的标准。标准规定对钢管作全表面探伤时,采用穿过式线圈,被探钢管的最大外径不大于180mm ,人工缺陷采用钻孔。
由于涡流探伤方法不是一种缺陷深度的绝对测量方法,而是一种相对检测方式,也就是对探伤结果的判定是借助于对比试样的人工缺陷与自然缺陷显示信号的幅度对比法即当量比较法来判定钢管缺陷。人工缺陷形状分为两种,一种是穿过管壁并垂直于钢管表面的孔。另一种是平行于钢管纵轴且侧边平行的槽口。钻孔人工缺陷最能摸拟钢管表面的凹坑,短而严重的起皮以及横向裂纹等缺陷或伤痕,所以,用以代替水压试验的涡流探伤多采用钻孔人工缺陷。而槽口缺陷则能模拟自然的纵抽裂纹等缺陷。
钢管涡流探伤时需要制备对比试样,对比试样的钢管应与被探钢管的公称尺寸相同,化学成份、表面状况及热处理状态相似,即要有相似的电磁特性。钢管的弯曲度(直线度)应不大于1.5‰,表面无氧化皮,且长度应能满足探伤设备的要求。
对比试样上的人工缺陷为五个,其中三个处于对比试样的中间部位,沿圆周分布互为
120°,彼此之间的轴间距离不小于200mm ,另外两个距两端不大于200mm ,以检验端部效应。
由此可见,只要涡流探伤的工艺方法得当,对于薄壁钢管而言,是完全可以检测出金属断面厚度中存在的各种缺陷,因此可以说,钢管的涡流探伤同样也是一种材质的致密性试验,与钢管的水压试验具有等效性。GB7735-87标准规定:A级适用于代替水压试验。
五、其他无损探伤方法不能代替涡流探伤的致密性试验
德国钢铁规范SEP1925-72指出:“其他形式的无损探伤方法都不能代替涡流探伤的致密性试验。”这是由各种探伤方法的各自原理不同而决定的。目前常用的五种常规无损检测方法由于原理不同和检测对象不同,因而它们的适用范围也就不同。
1、射线探伤方法
射线探伤是根据高能射线对工件具有很强的穿透能力并在材料中被吸收后产生黑度差异来进行探伤的。它较适用工件位置相对固定的中薄板焊缝的探伤,对管材焊缝多采用单壁单影或双壁单影探伤法,而对于直而长的无缝钢管的材质致密性检验,射线探伤是很不适宜的。
2、超声波探伤方法
无缝钢管的超声波探伤方法多采用水浸法或接触法,探伤工艺相当复杂,没有涡流探伤方法那样简捷方便。GB5777-86《无缝钢管超声波探伤方法》明确指出:“本标准所述探伤方法主要是检验钢管的纵向或横向缺陷,但不能有效地检出分层缺陷。”因为它发现不了环形方向的缺陷或短而深的缺陷,而这些缺陷恰恰是影响钢管致密性的缺陷。
3、磁粉探伤方法
磁粉探伤仅适用于铁磁性材料,适用于检测件表面或近表面的裂纺及其它缺陷。它对工件内部埋藏较深的缺陷测不出来,因而不适用于钢管的致密性试验。
4、渗透探伤方法
渗透探伤方法适用于各种材料表面开口缺陷的检验,对工件内部各种缺陷检测不出来。
5、涡流探伤方法
涡流探伤方法来源于电磁感应原理,它能发现表面缺陷或埋藏较深的缺陷,特别是短而形状突变的缺陷,加上它具有高速、非接触、不要耦合剂等特点,因而特别适用于管材的检测。这也就是其他无损探伤检测方法不能代替涡流探伤的致密性试验的原因。
六、涡流探伤的特点
从涡流产生的原理中可以看出涡流检测具有如下特点:
1)涡流检测只适用于导电材料,如果是非导电材料,就不能感应出旋涡形的电流,也就无法利用涡流进行检测。
2)涡流检测特别适用于导电材料的表面和近表面检测。
3)涡流检测不需要耦合剂。涡流检测中所激励的电磁场实质只是一种电磁波,具有波动性和粒子性,所以探头(线圈)与工件之间无需耦合便可传播,因此可进行非接触性的检测。这一点优于超声波检测。因为超声波是机械波,只能在物质中传播。所以超声波检测必须在探头和工件之间加入耦合剂。
4)涡流检测可实现快速和自动化检测。
5)涡流检测能适用于高温金属的检测,因为金属在高温下具有导电性。
6)涡流检测还适用于异形材的检测,只要线圈制成各种形状就可以进行检测。
七、涡流探伤可以代替锅炉管的水压试验
基于以上分析可以认为,虽然,水压试验和涡流探伤都是钢管材质的致密性试验。但是,不论是试验方法上还是试验结果上,涡流探伤可以代替锅炉管的水压试验。

事实上钢管的逐根水压试验的可行性是很差的,它既费时又费力、工效低、准确性差。不要说是锅炉制造厂在为创优产品中钢管复检时不易做到,就是钢管厂也不易做到,以往钢管厂提供的质保书只提到“保证水压试验不漏”,却无具体试压数据就是证明。值得高兴的是现在的钢管厂大都采用了钢管涡流探伤检测技术,使钢管的质量有了很大的提高。随着用户要求提高锅炉制造质量的呼声日益高涨,锅炉制造厂家对锅炉钢管质量问题已列为企业经营管理中的重要议题,对锅炉钢管进厂复检进行100%的涡流探伤,作为质量保证体系中的重要手段,以保证锅炉制造质量和可靠性。

钢管涡流探伤机

钢管涡流探伤机

八、我厂涡流探伤的实践
我厂与中国有色金属工业总公司无损检测中心于1988年底起共同合作开发了锅炉钢管涡流探伤技术及成套设备。这套设备已于1990年初投入使用,主要用于GB3087-82标准中的20号钢Φ51×3钢管的涡流探伤。经过较长时间的探伤实践,证明效果良好,按GB7735-87标准A级要求进行探伤,它能够发现横向裂纹、凹坑、分层、重皮、纵向裂纹等缺陷,有效地控制了锅炉水冷壁管和对流管的制造质量。以往在没有开展锅炉钢管的涡流探伤之前,平均第一台SZL4-1.25-AII2水管快装锅炉(共510根Φ51×3管子)中就有一根管子在整体水压试验时发现漏水,其管子漏水的概率虽然是1/510 ,但是对于一台锅炉来说其漏水概率就是100% ,这是绝对不允许的。现在锅炉钢管经过涡流探伤之后才下料弯制,有效地控制了钢管材质质量,管子的漏水概率下降为零,对一台锅炉来说漏水概率也下降为零,从而有效地保证锅炉出厂前的制造质量和可靠性。
19924-6月份,我厂对某钢管厂出品的Φ51×3锅炉钢管进行涡流探伤,探伤总数为11658根,其中发现有超标报警缺陷的840根,有缺陷率为7.2% 。在这840根有缺陷钢管中,经涡流探伤的重复检验、并辅之以着色探伤表面检验和人工感官检验,确认有纵向裂缡(含拉伤)71根,占8.5% ;横向裂纹21根,占2.5% ;表面缺陷(划伤、凹坑、碰伤等)577根,占68.7% ;重皮65根,占7.7% ;经人工检验表面未发现缺陷(可能有内在缺陷或内表面缺陷)106根,占12.6% 。
分析:在纵向裂纹中,轧制拉伤有53根,折叠、裂纹仅有18根。由于纵向轧制伤痕较浅,表面缺陷的深度也较浅,它们并不影响锅炉钢管的实际使用,所以真正有伤的钢管数量为(18+21+65+106 = 210根;因此这批检验的锅炉钢管中涡流探伤不合格率为21011658 = 1.8% 。这个检验结果比较符合钢厂出厂的质量实际情况,因而是可信的。经过涡流探伤后将这些有伤的部位切除,用这批钢管制做的SZL锅炉在组装后整体试压时再未出现钢管漏水现象,从而消除了材质隐患,提高了锅炉的制造质量和可靠性。
九、本文小结
通过以上的初步实践,我们认为用涡流探伤代替锅炉钢管水压试验是可行的,其检验结果是可信的,用它来控制锅炉钢管的质量是行之有效的;这对提高锅炉制造质量和保证锅炉运行安全可靠具有重要意义。因此,涡流探伤技术在锅炉制造行业中具有良好的应用前景和实用推广价值。

主要参考资料:
1、《金属材料的涡流检验》
2、《国内无损检测标准汇编》
3、《国外无损检测标准汇编》

涡流探伤原理

原作者: 新疆天山锅炉厂 曾祥照 潘国敏(常州精密钢管博客根据网络内容编缉)

(发表于《工业锅炉标准化》1992年第2期 2003.5重审)

说明:本文写于19927月,当时作者在新疆天山锅炉厂工作,曾祥照,现广东南海粤海钢制有限公司总工程师。
E-mailnhzxzq@pub.nanhai.net.cn 0757-5764611 


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