Измерение толщины стенок труб паровых котлов с помощью преобразователей ЭМАП

Рекомендуемое оборудование:
Толщиномер 38DL PLUS
EPOCH 6LT,EPOCH 1000,илиEPOCH 650

Предпосылка

Высокие температуры в паровом котле (свыше 800 °C) могут привести к образованию с внешней и внутренней стороны труб тяжелой, хрупкой окиси железа, называемой иначе магнитным железняком. Наличие оксидного слоя на наружной поверхности труб может помешать ультразвуковому измерению толщины стенок с использованием раздельно-совмещенных ПЭП: грубая поверхность препятствует надлежащей передачи ультразвука в объект контроля, также толщина оксидного слоя учитывается при измерении толщины стали. Однако, магнетит является магнитным материалом (как видно из его названия), что позволяет использовать ЭМАП (электромагнитные акустические преобразователи), например, Panametrics-NDT E110-SB. ЭМАП имеют ряд преимуществ перед традиционными раздельно-совмещенными ПЭП: отсутствие необходимости удаления оксидного слоя с поверхности, толщина оксидного слоя/накипи не учитывается при измерении толщины стенки, измерения проводятся быстро без использования контактной жидкости. Основной недостаток магнитострикционных ЭМАП – это то, что они используются только в том случае, если на наружных поверхностях бойлерных труб имеется оксидный слой. Кроме того, минимальная измеряемая толщина стенки и точность измерения не могут сравниться с тем, чего можно достичь с помощью стандартных раздельно-совмещенных ПЭП, также ЭМАП менее чувствительны к мелким язвинам на внутренней стенке трубы. По этим причинам, ЭМАП чаще всего используются для первичного контроля толщины, а раздельно-совмещенные ПЭП – для углубленного анализа отмеченных участков.

Теоретическая часть

В области НК используют два типа ЭМАП. ЭМАП, работающие на эффекте силы Лоренца, не требуют наличия оксидного слоя, но требуют высокую мощность возбуждения. Магнитострикционные ЭМАП, такие как E110-SB производства Olympus, требуют наличия оксидного слоя, но работают при очень низких уровнях мощности, аналогично портативным измерительным приборам. Магнитострикционный ЭМАП состоит из сильного постоянного магнита и катушки, которая действует в качестве электромагнита при воздействии импульса возбуждения от контрольно-измерительного прибора, как показано на Рис. 1. Постоянный магнит создает магнитное поле, перпендикулярное поверхности оксида/накипи (B_s на Рис. ниже), тогда как динамическое поле, созданное электромагнитом (B_d), «тянет» слой оксида в радиальном направлении внутрь и кнаружи по мере возбуждения катушки, как показано на Рис. 2. Это движение генерирует в слое накипи поперечную волну с нормальным углом падения, которая распространяется и проникает в сталь. Фактически, слой оксида/накипи выполняет функцию активного элемента преобразователя, генерирующего звуковой импульс. Частота звукового импульса варьируется с изменением толщины слоя оксида: чем тоньше оксидный слой, тем больше частота, и наоборот, чем толще оксидный слой, тем меньше частота. Обычно, при тонком слое накипи, частота составляет приблизительно 5 МГц. Процесс также действует в обратном направлении для создания напряжения в катушке, когда эхо-сигнал от сдвиговой волны вызывает вибрацию в слое оксида.

Рис. 1 - Поперечное сечение типичного ЭМАП

Рис. 2 - Метод генерации звуковой волны

Поскольку слой оксида выступает элементом преобразователя, шероховатая поверхность оксидной пленки не влияет на акустический контакт, и оксидный слой не учитывается при измерении толщины стенки. ЭМАП генерирует поперечную волну, поэтому прибор должен быть откалиброван до значения скорости распространения поперечной волны, равной приблизительно 3,240 м/с в углеродистой стали. Обычно, точность измерений с преобразователем E110-SB EMAT составляет ± 0,25 мм, при минимальной измеряемой толщине 2,0 мм, в зависимости от свойств материала.

Процедуры настройки и измерения

Качество ультразвуковых эхо-сигналов в приложениях ЭМАП зависит, частично, от плотности оксидного слоя, которая может быть разной в разных точках бойлерной трубы. Если нужные эхо-сигналы невозможно получить в одной точке, попробуйте выполнить измерение в другой точке. Также, преобразователь E110-SB позволяет настраивать расстояние до поверхности бойлерной трубы. Настройка расстояния до поверхности позволяет оптимизировать эхо-сигнал в большинстве случаев.

(a) Толщиномер 38DL PLUS^®: Преобразователь E110-SB можно использовать с толщиномером 38DL PLUS с помощью адаптера 1/2XA/E110, который обеспечивает распознавание преобразователя и дополнительную фильтрацию верхних частот, необходимую для правильного формирования сигнала. При подключении адаптера, прибор автоматически выбирает настройку ЭМАП по умолчанию DEFM1-EMAT/E110. Как при настройке любого прибора, для достижения оптимальной точности необходимо выполнить двухточечную калибровку нуля и скорости звука, используя толстый и тонкий образцы известной толщины. Если таких образцов нет в наличии, оставьте настройки по умолчанию. Усиление прибора и игнорирование эхо-сигнала можно при необходимости настроить для оптимизации обнаружения эхо-сигналов. С настройкой ЭМАП по умолчанию, толщиномер 38DL PLUS отображает полную выпрямленную волну. Типичный А-скан представлен ниже на Рис. 3.

Рис. 3 - Типичная выпрямленная волна ЭМАП
Для более детального рассмотрения формы волны, в меню прибора выберите отображение в РЧ-режиме. Типичная форма РЧ сигнала при измерении ЭМАП см. на Рис. 4.

Рис. 4 - Типичный РЧ-сигнал ЭМАП

(b) EPOCH 6LT, EPOCH 1000 или EPOCH 650: Типичную настройку и А-скан ЭМАП для дефектоскопов серии EPOCH см. на Рис. 5. Не забывайте, что полосовой фильтр необходимо использовать для исключения низкочастотных шумов, связанных с ЭМАП. Также, поскольку частота колебаний поперечной волны зависит от толщины оксидного слоя, частота повторения прямоугольных импульсов EPOCH должна быть отрегулирована (при необходимости) для оптимизации эхо-сигнала.

Рис. 5 - Основные параметры настройки: скорость звука 0,1280 дюйм/мкс; нуль 0,650 мкс; энергия 400 В; демпфирование 50 Ω; частота импульса 5,0 МГц; фильтр 1,5-8,5МГц