目前，我国在电力方向仍然以煤电为主，锅炉作为主要设备，数量巨大，容易出现安全隐患。因此，必须加强对设备日常生产和服役运行中管材性能的监控和检测。
漏磁检测可被应用于锅炉水冷壁管检测中，但实际检测过程中，锅炉水冷壁管的鳍片会对漏磁检测产生影响，目前关于漏磁检测技术在锅炉膜式水冷壁检测方面的应用以及鳍片结构对漏磁检测影响的相关报道还较少。
针对该问题，杭州市特种设备检测研究院和东北石油大学的研究人员建立了有无鳍片水冷壁管的三维模型，设置了不同尺寸的内腐蚀缺陷并进行有限元仿真分析，分析鳍片对漏磁检测的影响。试验结果为漏磁检测技术在锅炉水冷壁管中的应用提供了理论支撑。
1、有限元模型的建立
1、几何模型
试验选用COMSOL有限元仿真分析软件，建立有鳍片和无鳍片锅炉水冷壁管的有限元模型，其中水冷壁管外径设置为60 mm，管壁厚为4 mm，鳍片厚为5 mm，宽度为35 mm，磁铁的尺寸为90 mm×60 mm×25 mm，衔铁的尺寸为90 mm×200 mm×25 mm，气隙为4 mm，缺陷均设置为管道内缺陷。三维有限元分析模型结构如图1所示。
图1 三维有限元分析模型结构
2、网格划分
为了在保证计算准确性的情况下提高有限元仿真分析的计算速度，单独建立气隙层，并将水冷壁管中存在缺陷的部分切割出来，单独划分网格，在锅炉水冷壁管有缺陷段的管道及气隙部分，划分网格时进行加密。
试验在网格划分的方式上选用映射、扫掠和自由划分3种方式，其中缺陷段水冷壁管及气隙层选用扫掠和映射的方式，设置网格最大单元大小为0.5 mm；非缺陷段由于结构特殊，且非重点研究区域，因此选用自由四面体划分网格，在保证计算精度的同时，提高了计算速度。划分后的网格示意如图2所示。
图2 有限元网格划分示意
3、求解及后处理
划分网格后进行稳态求解，运用麦克斯韦方程组进行求解，求解后得出的有鳍片模式水冷壁管三维体磁通密度模如图3所示。
图3 无缺陷时三维体磁通密度模云图
提取路径设置在水冷壁管含缺陷部位上方1 mm处，路径长度为20 mm，如图4所示。
图4 提取路径示意
2、有限元仿真分析
针对水冷壁管较为常见的腐蚀缺陷，在有限元仿真分析软件中建立水冷壁管模型，在管道内侧的正中位置分别设置深度固定为3 mm、尺寸为2 mm×2 mm，3 mm×3 mm，4 mm×4 mm，5 mm×5 mm的矩形缺陷，分别分析有无鳍片水冷壁管不同尺寸内缺陷的漏磁场空间分布状况。
1、无鳍片水冷壁管有限元仿真分析
无鳍片水冷壁管不同尺寸缺陷的三维体磁通密度剖面云图如图5所示，能够看出缺陷尺寸越大，管道内部缺陷附近的磁场越弱，漏磁场越强。
图5 无鳍片不同尺寸缺陷三维体磁通密度剖面云图
不同尺寸缺陷的漏磁场磁通量密度x，y方向分量峰值如表1所示，绘制成折线图如图6所示。
表1 无鳍片不同尺寸缺陷漏磁场磁通量密度x，y方向分量峰值
图6 无鳍片漏磁场磁通量密度x，y方向分量峰值折线图
由图6可知，无鳍片水冷壁管内缺陷尺寸增大，漏磁场磁通量密度x，y方向分量均随之增大。
2、有鳍片水冷壁管有限元仿真分析
有鳍片水冷壁管不同尺寸缺陷的三维体磁通密度剖面云图如图7所示，可见缺陷尺寸越大，管道内部缺陷附近的磁场越弱，漏磁场越强。与图5对比可知，鳍片的存在使得管道内部磁场变弱，管道的磁化程度变弱，缺陷附近的漏磁场也变弱。
图7 有鳍片不同尺寸缺陷三维体磁通密度剖面云图
不同尺寸缺陷的漏磁场磁通量密度x，y方向分量峰值如表2所示，绘制成折线图如图8所示。
表2 有鳍片不同尺寸缺陷漏磁场磁通量密度x，y方向分量峰值
图8 有鳍片磁场磁通量密度x，y方向分量峰值折线图
由图8可知，有鳍片水冷壁管内缺陷尺寸增大，漏磁场磁通量密度x，y方向分量均随之增大。此变化趋势与无鳍片水冷壁管的趋势相同。
3、有无鳍片水冷壁管对比分析
将无鳍片水冷壁管和有鳍片膜式水冷壁管漏磁场磁通量密度x，y方向分量的数据提取出来，利用Origin分别绘制每个尺寸无鳍片和有鳍片水冷壁管x，y方向分量的折线图，如图9所示，并进行对比。
图9 有无鳍片不同尺寸缺陷的漏磁场磁通量密度对比折线图
由图9可知，由于鳍片的存在，一部分磁场由鳍片处通过，使磁化强度减弱，缺陷处的漏磁场亦减弱。每个尺寸缺陷处漏磁场磁通量密度x方向分量均整体减小，y方向分量波动程度减小，即鳍片的存在会分散一部分磁场，使磁化强度减弱，缺陷处漏磁场强度变小。
4、试验验证
在实验室搭建试验平台，设置预置试验板，材料选择锅炉水冷壁管专用材料20G，锅炉水冷壁管尺寸同上述尺寸。选用OMPS-08型漏磁检测仪进行检测，试验现场如图10所示。试验内容为分析不同尺寸和不同位置角度缺陷的漏磁场特征量分布情况。
图10 试验现场
将管道波形图中信号最强的5号通道的数据提取出来，并将两者进行对比，绘制折线图，如图11所示。
图11 有无鳍片水冷壁管不同尺寸缺陷波形对比
将有鳍片和无鳍片不同尺寸的波峰值波谷值及二者差值提取出来，数据如表3所示。
表3 有无鳍片水冷壁管漏磁信号峰谷值
绘制有无鳍片水冷壁管不同尺寸缺陷漏磁信号波峰波谷差值折线图，结果如图12所示。
图12 有无鳍片不同尺寸缺陷漏磁信号波峰波谷差值折线图
根据图11、图12和表3可知，在缺陷尺寸不同时，有鳍片水冷壁管比无鳍片水冷壁管缺陷处能探测到的漏磁信号波动幅度小；对比无鳍片水冷壁管，有鳍片水冷壁管不同缺陷漏磁信号波峰波谷差值均有不同程度地下降，最大下降约40%。说明鳍片的存在使漏磁信号的波动幅度减小、漏磁信号减弱。与上述仿真分析得出的结果一致，且仿真分析和试验数据得出的漏磁场磁通量密度变化趋势相同，进一步验证了结论的正确性。
5、结论
对有鳍片和无鳍片锅炉水冷壁管建立三维有限元分析模型，分别对不同尺寸的内腐蚀缺陷进行有限元计算与对比分析，判断鳍片对漏磁检测的影响，并进行试验验证，得出以下结论：
(1) 有无鳍片锅炉水冷壁管内腐蚀缺陷尺寸越大，漏磁场磁通量密度x，y方向分量越大，变化趋势相同。
(2) 有鳍片水冷壁管与无鳍片水冷壁管相比，鳍片的存在分走了一部分磁场，漏磁场磁通量密度x方向分量整体减小，y方向分量波动幅度减小，漏磁场强度变弱，漏磁信号变小。
作者：陈涛1，钮建良1，廖晓玲1，任强1，杨志军2，刘延雷1
工作单位：1.杭州市特种设备检测研究院
2.东北石油大学 机械科学与工程学院
第一作者简介：陈涛，博士，高级工程师，主要从事特种设备安全评价及无损检测技术研究工作。
来源：《无损检测》2024年1期
