目前，我國在電力方向仍然以煤電為主，鍋爐作為主要設(shè)備，數(shù)量巨大，容易出現(xiàn)安全隱患。因此，必須加強(qiáng)對(duì)設(shè)備日常生產(chǎn)和服役運(yùn)行中管材性能的監(jiān)控和檢測。
漏磁檢測可被應(yīng)用于鍋爐水冷壁管檢測中，但實(shí)際檢測過程中，鍋爐水冷壁管的鰭片會(huì)對(duì)漏磁檢測產(chǎn)生影響，目前關(guān)于漏磁檢測技術(shù)在鍋爐膜式水冷壁檢測方面的應(yīng)用以及鰭片結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁檢測影響的相關(guān)報(bào)道還較少。
針對(duì)該問題，杭州市特種設(shè)備檢測研究院和東北石油大學(xué)的研究人員建立了有無鰭片水冷壁管的三維模型，設(shè)置了不同尺寸的內(nèi)腐蝕缺陷并進(jìn)行有限元仿真分析，分析鰭片對(duì)漏磁檢測的影響。試驗(yàn)結(jié)果為漏磁檢測技術(shù)在鍋爐水冷壁管中的應(yīng)用提供了理論支撐。
1、有限元模型的建立
1、幾何模型
試驗(yàn)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(shè)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(shè)置為管道內(nèi)缺陷。三維有限元分析模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 三維有限元分析模型結(jié)構(gòu)
2、網(wǎng)格劃分
為了在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的情況下提高有限元仿真分析的計(jì)算速度，單獨(dú)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(dú)劃分網(wǎng)格，在鍋爐水冷壁管有缺陷段的管道及氣隙部分，劃分網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行加密。
試驗(yàn)在網(wǎng)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(shè)置網(wǎng)格最大單元大小為0.5 mm；非缺陷段由于結(jié)構(gòu)特殊，且非重點(diǎn)研究區(qū)域，因此選用自由四面體劃分網(wǎng)格，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高了計(jì)算速度。劃分后的網(wǎng)格示意如圖2所示。
圖2 有限元網(wǎng)格劃分示意
3、求解及后處理
劃分網(wǎng)格后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，運(yùn)用麥克斯韋方程組進(jìn)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(shí)三維體磁通密度模云圖
提取路徑設(shè)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(duì)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(nèi)側(cè)的正中位置分別設(shè)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(nèi)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(nèi)部缺陷附近的磁場越弱，漏磁場越強(qiáng)。
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(nèi)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(nèi)部缺陷附近的磁場越弱，漏磁場越強(qiáng)。與圖5對(duì)比可知，鰭片的存在使得管道內(nèi)部磁場變?nèi)?，管道的磁化程度變?nèi)?，缺陷附近的漏磁場也變?nèi)酢?/span>
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(nèi)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(duì)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(shù)據(jù)提取出來，利用Origin分別繪制每個(gè)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(jìn)行對(duì)比。
圖9 有無鰭片不同尺寸缺陷的漏磁場磁通量密度對(duì)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(qiáng)度減弱，缺陷處的漏磁場亦減弱。每個(gè)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(dòng)程度減小，即鰭片的存在會(huì)分散一部分磁場，使磁化強(qiáng)度減弱，缺陷處漏磁場強(qiáng)度變小。
4、試驗(yàn)驗(yàn)證
在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置預(yù)置試驗(yàn)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(jìn)行檢測，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。試驗(yàn)內(nèi)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(yàn)現(xiàn)場
將管道波形圖中信號(hào)最強(qiáng)的5號(hào)通道的數(shù)據(jù)提取出來，并將兩者進(jìn)行對(duì)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(duì)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(shù)據(jù)如表3所示。
表3 有無鰭片水冷壁管漏磁信號(hào)峰谷值
繪制有無鰭片水冷壁管不同尺寸缺陷漏磁信號(hào)波峰波谷差值折線圖，結(jié)果如圖12所示。
圖12 有無鰭片不同尺寸缺陷漏磁信號(hào)波峰波谷差值折線圖
根據(jù)圖11、圖12和表3可知，在缺陷尺寸不同時(shí)，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(hào)波動(dòng)幅度小；對(duì)比無鰭片水冷壁管，有鰭片水冷壁管不同缺陷漏磁信號(hào)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(hào)的波動(dòng)幅度減小、漏磁信號(hào)減弱。與上述仿真分析得出的結(jié)果一致，且仿真分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的漏磁場磁通量密度變化趨勢相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。
5、結(jié)論
對(duì)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(duì)不同尺寸的內(nèi)腐蝕缺陷進(jìn)行有限元計(jì)算與對(duì)比分析，判斷鰭片對(duì)漏磁檢測的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：
(1) 有無鰭片鍋爐水冷壁管內(nèi)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(dòng)幅度減小，漏磁場強(qiáng)度變?nèi)酰┐判盘?hào)變小。
作者：陳濤1，鈕建良1，廖曉玲1，任強(qiáng)1，楊志軍2，劉延雷1
工作單位：1.杭州市特種設(shè)備檢測研究院
2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院
第一作者簡介：陳濤，博士，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備安全評(píng)價(jià)及無損檢測技術(shù)研究工作。
來源：《無損檢測》2024年1期
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