| 本文論述了鍋爐鋼管的水壓試驗和渦流探傷都是材料的致密性能試驗，它們之間在試驗方法上具有等效性；而且鋼管的渦流探傷具有快速、準確、易實現自動化檢測等特點，它在試驗方法上優于既費時又費力、準確性較差的水壓試驗方法，因此，渦流探傷檢測方法完全可以用來代替鍋爐鋼管的逐根水壓試驗，而其他形式的無損探傷方法不能代替渦流探傷的致密性試驗，這對于控制鍋爐鋼管的材料質量和提高鍋爐制造質量以及保證鍋爐的安全可靠性都具有重要意義。由于渦流探傷技術在鍋爐鋼管的質量檢測和控制有很強的實用性，因而在鍋爐行業中具有良好的應用前景和推廣價值。 |
| 主題詞： 鍋爐鋼管 渦流探傷 水壓試驗 |
鋼管水壓試驗機組 |
| 一、鍋爐鋼管的質量問題 |
| 鍋爐用無縫鋼管（以下簡稱鍋爐鋼管）是制造鍋爐用的重要材料，它的質量如何將直接關系鍋爐制造質量以致于安裝質量和使用質量。鍋爐鋼管質量本應是由鋼管廠來作出保證的，但是在供不應求的情況下，提供給鍋爐制造廠使用的鍋爐鋼管總免不了存在一些質量問題，用它制成的鍋爐主要受壓部件如水冷壁管、對流管、過熱器管、換熱器管等漏水或爆管現象時有發生，已成為困擾鍋爐產品質量的一個大問題，對此鍋爐制造廠和用戶都很有意見。在賣方市場的情況下，鍋爐制造廠幾乎承擔了包括材料供應方在內的全部責任；如何控制鍋爐鋼管的質量現已成為鍋爐制造廠家越來越關心的問題，解決的辦法不外乎是兩個：一個是對鍋爐鋼管進行逐根的水壓試驗；另一個是對鍋爐鋼管實行100%的渦流探傷。 |
| 二、鍋爐鋼管的缺陷與傷 |
| 按照材料學的觀點，優良的金屬材料其化學成分、物理性能、幾何形狀應該是連續的、純潔的和均勻的。如果這三方面存在不足或受到破壞，就認為金屬材料存在缺陷。如果金屬材料在幾何形狀上存在著不連續性（即不緊密性或不密實性或者不致密性），例如有裂紋、縮孔、起皮、凹坑、分層、針孔、夾渣等，則認為金屬材料存在傷痕（簡稱為傷），它不包括化學成分的不連續或物理性能上的不連續。從這里可以看出，缺陷包含著傷。鍋爐鋼管在冶煉和軋制過程中同樣可能存在缺陷和傷。據鋼管廠介紹，鍋爐鋼管的缺陷（這里主要是指傷）主要在表面，而且外表面多于內表面。這些缺陷70%左右來自于原料（鋼坯），鋼坯中吹氧不夠而殘存的夾渣物、縮孔等，用它軋制鋼管就有可能出現橫向裂紋、夾層、折迭、重皮等缺陷，縱向裂紋多屬軋制時拉傷造成的。如果鍋爐鋼管中出現了這些缺陷或傷痕，就認為材質中出現了不連續，材料內部的致密性受到破壞，在水壓試驗時就有可能漏水，制成的鍋爐受壓元件在運行時就有可能發生泄漏或爆管。正因為如此，為了保證鍋爐鋼管質量，不論是我國還是外國有關鍋爐用無縫鋼管的標準都明確規定，作為工藝性能保證，鋼管應逐根作水壓試驗。 |
| 三、鍋爐鋼管的水壓試驗是致密性試驗 |
| 我國國家標準GB3087-82《低中壓鍋爐用無縫鋼管》在技術要求中工藝性能規定：鋼管應逐根作水壓試驗，不能出現漏水或出汗現象。對于20號鋼最大試驗壓為9.8MPa，耐壓時間不得少于5秒。水壓試驗的壓力按下式計算： |
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| 式中：P--試驗壓力，MPa；S--鋼管的壁厚，mm；D--鋼管的外徑，mm；t--鋼號規定屈服點的60%，MPa |
| 冶金部推薦標準YB（T）33-86《低中壓鍋爐用冷拔無縫鋼管》也作了同樣的規定。 |
| 例如：GB3087-82標準中20號鋼Φ51×3鋼管，此時屈服點為245MPa ，其水壓試驗壓力為： |
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| 我國冶金部推薦標準YB（T）32-86《高壓鍋爐用冷拔無縫鋼管》在技術要求中工藝性能規定，鋼管應逐根進行水壓試驗，最大壓力為20MPa，試驗時間不少于10秒。在試驗壓力過程中，鋼管不是出現漏水或出汗現象。GB5310-85《高壓用無縫鋼管》也作了同樣的規定。 |
| 通常認為，水壓試驗的目的有兩種：一種是工藝性水壓試驗，其目的是檢驗材料（或部件）是否漏水，即檢驗材料的密封性能；另一種是驗證性水壓試驗，其目的是檢驗材料（或部件）的強度是否足夠。從這里可以看出，鍋爐鋼管的水壓試驗是屬于工藝性的水壓試驗，是材質的致密性試驗，檢驗材料是否連續和是否密實；它不是驗證強度的試驗。從材料力學的強度理論可知，無縫鋼管屬于細而長的構件，其直徑很小，即使是壁厚較薄的細管也可承受很大的壓力。例如GB3087-82標準中20號鋼Φ51×3鋼管，假設其外表有1.5mm深的裂紋，對它進行強度水壓試驗，當它達到爆管或漏水時其壓力仍然很高（此時材料應力取抗拉強度：σb =392MPa）。 |
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| 這說明其爆管壓力遠遠超過水壓試驗壓力。也就是說，當鋼管達到試驗壓力時，即使有較深的裂紋，也不可能發生漏水現象。 |
| 從這個實例計算可看出：鋼管工藝性水壓試驗是難于發現漏水現象的，因而對埋藏比較深的缺陷就有可能存在漏檢風險。美國ASME-SA-450《碳鋼管、鐵素體合金鋼管和奧氏體合金鋼管通用規范》則十分明確的強調：“……水壓試驗是許多產品規范都提供的試驗方法。這種試驗能夠發現液體從內管壁向外滲漏的情形，可以用肉眼觀察或者用壓力下降來判斷。水壓試驗發現不了穿透管壁但又非常緊密的缺陷或者深入壁厚相當距離但尚未完全穿透的缺陷。”日本一家著名的鋼鐵企業住友金屬工業公司的企業標準B-NO440《冷拔鍋爐無縫鋼管制造技術條件》則明確規定：對每根鋼管進行渦流探傷后，則該鋼管不必進行水壓試驗，以渦流探傷代替水壓試驗。德國標準DIN17175《用耐熱鋼制成的無縫鋼管》標準同樣規定，可用渦流探傷代替水壓試驗。 |
| 四、鋼管的渦流探傷同樣是致密性試驗 |
| 我國GB5310-85和YB（T）32-86標準十分明確規定：“凡經過渦流檢驗的鋼管，可以不做水壓試驗。”這是因為渦流探傷同樣也是一種材質的致密性試驗，它與水壓試驗是等效的。德國鋼鐵試驗規范SEP1925-74《鋼管的渦流致密性試驗》說：“渦流檢驗是一種致密性檢驗，用它代替水壓試驗--各種形狀的空心體規定內壓的水壓試驗。”為什么說渦流探傷也是一種致密性試驗呢？這還得從渦流探傷檢測的基本原理談起。 |
| 1、渦流檢測的原理： |
| 渦流檢測（ET）是常規無損檢測技術之一，它適用于導電材料如鐵磁性和非鐵磁性的型材和零件以及石墨制品的檢測，能發現裂縫、折迭、凹坑、夾雜、疏松等表面和近表面缺陷，通常能確定缺陷的位置和相對尺寸，但難于判定缺陷的種類。渦流檢測在型材（如管材、棒材、線材）的探傷、材料分選、測厚、測定試件的物理性能等方面都有廣泛的應用。 |
| 渦流檢測是以電磁感應理論為基礎的，一個簡單的渦流檢測系統包括一個高頻交流電壓發生器，一個檢測線圈和一個指示器。高頻電壓發生器（或稱為振蕩器）供給檢測線圈以激勵電流，從而在試件（管材）及其周圍形成一個激勵磁場，這個磁場在試件中感應出旋渦狀電流稱為渦流；試件中的渦流及產生自己的磁場，渦流磁場的作用削弱或抵削激勵磁場，從而產生磁場的變化。這種變化取決于線圈與和管材間的距離、管材的幾何尺寸、電導率和磁導率以及管材的冶金和機械缺陷。當管材通過線圈時，由于管材的這些參量的變化，會引起電磁效應的變化而產生電信號，信號經過放大和轉變，進行報警，記錄和分選，最終可達到管材探傷的目的。 |
| 2、趨膚效應和趨膚深度 |
| 直流電在導體內流過時，它在導體橫截面上的電流密度分布基本上是均勻的，但是當交流電在導體內流過時，它在導體橫截面上的電流分布是不均勻的。表面層電流密度最大，愈進入導體中心其電流分布隨著距離表面的濃度增加而衰減，此種現象稱為交流電的趨膚效應。 |
| 交流電在導體橫截面上的電流密度分布是按指數函數規律衰減的，即： |
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| 式中：Io--表面電流密度，安培/米2 ；I--距表面深度δ處的電流密度，安培/米2；μ--導體的磁導率，亨利/米；σ--導體的電導率，1/ 歐姆·米；f--頻率，赫芝；δ--趨膚深度，米；e--自然對數的底，e = 2.718 ……； |
| 趨膚效應的大小是以趨膚深度δ來描述，即電流密度減少到表面電流密度的1/e =37% 時的密度，就是： 當I／Io = I／e = e -1 時，則 |
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| 上式表明，趨膚深度δ是與頻率f的平方根成反比，f愈大則δ愈小。在渦流檢測中，工件的電導率和磁導率是不變的，唯一可改變的是激勵電流的頻率，因此，通過改變電流的頻率即可檢測出不同深度的缺陷。 |
| 在實際渦流探傷時，由于探傷工藝的需要，上式的物理意義有所變化。如導體的磁導率μ用相對于磁導率μr表示，若是鐵磁性材料經飽和磁化后，μr ≈ 1；交流電源頻率f用激勵頻率fd表示；導體的電導率用試件的電導率σ表示，單位改為1／微歐·厘米，或用試件的電阻率P表示，P = 1／σ 。此時，渦流探傷的標準趨膚深度d可用下式表示： |
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| 例如：GB3087-82標準中20號鋼Φ51×3鋼管，材質為低碳鋼，查表可知P = 16.9（微歐·厘米）；若采用5KHz的激勵頻率在理論上具有的檢出厚度為： |
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| 從理論計算中看出，當采用上述探傷工藝時，Φ51×3鋼管的全部壁厚都處在有效探傷檢出范圍之內，從理論上講不會漏檢。 |
| 3、端部效應 |
| 在渦流檢測中，由于工件的幾何形狀（邊緣）急劇改變而引起鄰邊磁場和渦流干擾，將掩蓋著一定范圍的缺陷的檢出。這種現象稱之為端部效應。由于端部效應的存在，在鋼管探傷時，當管子的端部（頭和尾）進入或離開檢測線圈時，對于位于靠近管子端部的缺陷，將失去靈敏度，管子端部通常存在著一段肓區。因此，鋼管渦流探傷都是整根進行的，生產工藝上是先渦流探傷，后切管下料。 |
| 4、渦流檢測線圈 |
| 檢測線圈是渦流探傷的傳感器，它的主要作用是：在導線工件上建立磁場，激勵出渦流，傳遞探傷信息。檢測線圈基本形式有三種：穿過式，內插式和點式。穿過式是線圈環繞被檢測工件外部，讓工件在其中自由通過。管材探傷主要是采用穿過式。這種線圈較適于快速自動化檢測，也可采用點式線圈使其與鋼管作相對螺旋運動。 |
| 應當指出的是渦流探傷的靈敏度是隨著缺陷的埋藏深度（或者是線圈與試件的間隙）的增加而降低。為了提高探傷靈敏度就應盡量減少線圈與鋼管之間的間隙，但是如果間隙太小會阻止鋼管在線圈內自由通過，或者損壞線圈。線圈與鋼管之間間隙的大小可用穿過式線圈填充系數η來表示，它是試件截面積與測量線圈有效面積之比，通常認為η≥0.7 。 |
| 5、渦流探傷對檢出缺陷的敏感性 |
| 我國國家標準GB7735-87《鋼管渦流探傷方法》是適用于鍋爐、船舶、石油、化工等設備用圓形無縫鋼管渦流探傷的標準。標準規定對鋼管作全表面探傷時，采用穿過式線圈，被探鋼管的最大外徑不大于180mm ，人工缺陷采用鉆孔。 |
| 由于渦流探傷方法不是一種缺陷深度的絕對測量方法，而是一種相對檢測方式，也就是對探傷結果的判定是借助于對比試樣的人工缺陷與自然缺陷顯示信號的幅度對比法即當量比較法來判定鋼管缺陷。人工缺陷形狀分為兩種，一種是穿過管壁并垂直于鋼管表面的孔。另一種是平行于鋼管縱軸且側邊平行的槽口。鉆孔人工缺陷最能摸擬鋼管表面的凹坑，短而嚴重的起皮以及橫向裂紋等缺陷或傷痕，所以，用以代替水壓試驗的渦流探傷多采用鉆孔人工缺陷。而槽口缺陷則能模擬自然的縱抽裂紋等缺陷。 |
| 鋼管渦流探傷時需要制備對比試樣，對比試樣的鋼管應與被探鋼管的公稱尺寸相同，化學成份、表面狀況及熱處理狀態相似，即要有相似的電磁特性。鋼管的彎曲度（直線度）應不大于1.5‰，表面無氧化皮，且長度應能滿足探傷設備的要求。 對比試樣上的人工缺陷為五個，其中三個處于對比試樣的中間部位，沿圓周分布互為120°，彼此之間的軸間距離不小于200mm ，另外兩個距兩端不大于200mm ，以檢驗端部效應。 |
| 由此可見，只要渦流探傷的工藝方法得當，對于薄壁鋼管而言，是完全可以檢測出金屬斷面厚度中存在的各種缺陷，因此可以說，鋼管的渦流探傷同樣也是一種材質的致密性試驗，與鋼管的水壓試驗具有等效性。GB7735-87標準規定：A級適用于代替水壓試驗。 |
| 五、其他無損探傷方法不能代替渦流探傷的致密性試驗 |
| 德國鋼鐵規范SEP1925-72指出：“其他形式的無損探傷方法都不能代替渦流探傷的致密性試驗。”這是由各種探傷方法的各自原理不同而決定的。目前常用的五種常規無損檢測方法由于原理不同和檢測對象不同，因而它們的適用范圍也就不同。 |
| 1、射線探傷方法 |
| 射線探傷是根據高能射線對工件具有很強的穿透能力并在材料中被吸收后產生黑度差異來進行探傷的。它較適用工件位置相對固定的中薄板焊縫的探傷，對管材焊縫多采用單壁單影或雙壁單影探傷法，而對于直而長的無縫鋼管的材質致密性檢驗，射線探傷是很不適宜的。 |
| 2、超聲波探傷方法 |
| 無縫鋼管的超聲波探傷方法多采用水浸法或接觸法，探傷工藝相當復雜，沒有渦流探傷方法那樣簡捷方便。GB5777-86《無縫鋼管超聲波探傷方法》明確指出：“本標準所述探傷方法主要是檢驗鋼管的縱向或橫向缺陷，但不能有效地檢出分層缺陷。”因為它發現不了環形方向的缺陷或短而深的缺陷，而這些缺陷恰恰是影響鋼管致密性的缺陷。 |
| 3、磁粉探傷方法 |
| 磁粉探傷僅適用于鐵磁性材料，適用于檢測件表面或近表面的裂紡及其它缺陷。它對工件內部埋藏較深的缺陷測不出來，因而不適用于鋼管的致密性試驗。 |
| 4、滲透探傷方法 |
| 滲透探傷方法適用于各種材料表面開口缺陷的檢驗，對工件內部各種缺陷檢測不出來。 |
| 5、渦流探傷方法 |
| 渦流探傷方法來源于電磁感應原理，它能發現表面缺陷或埋藏較深的缺陷，特別是短而形狀突變的缺陷，加上它具有高速、非接觸、不要耦合劑等特點，因而特別適用于管材的檢測。這也就是其他無損探傷檢測方法不能代替渦流探傷的致密性試驗的原因。 |
| 六、渦流探傷的特點 |
| 從渦流產生的原理中可以看出渦流檢測具有如下特點： |
| （1）渦流檢測只適用于導電材料，如果是非導電材料，就不能感應出旋渦形的電流，也就無法利用渦流進行檢測。 |
| （2）渦流檢測特別適用于導電材料的表面和近表面檢測。 |
| （3）渦流檢測不需要耦合劑。渦流檢測中所激勵的電磁場實質只是一種電磁波，具有波動性和粒子性，所以探頭（線圈）與工件之間無需耦合便可傳播，因此可進行非接觸性的檢測。這一點優于超聲波檢測。因為超聲波是機械波，只能在物質中傳播。所以超聲波檢測必須在探頭和工件之間加入耦合劑。 |
| （4）渦流檢測可實現快速和自動化檢測。 |
| （5）渦流檢測能適用于高溫金屬的檢測，因為金屬在高溫下具有導電性。 |
| （6）渦流檢測還適用于異形材的檢測，只要線圈制成各種形狀就可以進行檢測。 |
| 七、渦流探傷可以代替鍋爐管的水壓試驗 |
| 基于以上分析可以認為，雖然，水壓試驗和渦流探傷都是鋼管材質的致密性試驗。但是，不論是試驗方法上還是試驗結果上，渦流探傷可以代替鍋爐管的水壓試驗。 |
事實上鋼管的逐根水壓試驗的可行性是很差的，它既費時又費力、工效低、準確性差。不要說是鍋爐制造廠在為創優產品中鋼管復檢時不易做到，就是鋼管廠也不易做到，以往鋼管廠提供的質保書只提到“保證水壓試驗不漏”，卻無具體試壓數據就是證明。值得高興的是現在的鋼管廠大都采用了鋼管渦流探傷檢測技術，使鋼管的質量有了很大的提高。隨著用戶要求提高鍋爐制造質量的呼聲日益高漲，鍋爐制造廠家對鍋爐鋼管質量問題已列為企業經營管理中的重要議題，對鍋爐鋼管進廠復檢進行100%的渦流探傷，作為質量保證體系中的重要手段，以保證鍋爐制造質量和可靠性。
鋼管渦流探傷機 |
| 八、我廠渦流探傷的實踐 |
| 我廠與中國有色金屬工業總公司無損檢測中心于1988年底起共同合作開發了鍋爐鋼管渦流探傷技術及成套設備。這套設備已于1990年初投入使用，主要用于GB3087-82標準中的20號鋼Φ51×3鋼管的渦流探傷。經過較長時間的探傷實踐，證明效果良好，按GB7735-87標準A級要求進行探傷，它能夠發現橫向裂紋、凹坑、分層、重皮、縱向裂紋等缺陷，有效地控制了鍋爐水冷壁管和對流管的制造質量。以往在沒有開展鍋爐鋼管的渦流探傷之前，平均第一臺SZL4-1.25-AII2水管快裝鍋爐（共510根Φ51×3管子）中就有一根管子在整體水壓試驗時發現漏水，其管子漏水的概率雖然是1/510 ，但是對于一臺鍋爐來說其漏水概率就是100% ，這是絕對不允許的。現在鍋爐鋼管經過渦流探傷之后才下料彎制，有效地控制了鋼管材質質量，管子的漏水概率下降為零，對一臺鍋爐來說漏水概率也下降為零，從而有效地保證鍋爐出廠前的制造質量和可靠性。 |
| 1992年4-6月份，我廠對某鋼管廠出品的Φ51×3鍋爐鋼管進行渦流探傷，探傷總數為11658根，其中發現有超標報警缺陷的840根，有缺陷率為7.2% 。在這840根有缺陷鋼管中，經渦流探傷的重復檢驗、并輔之以著色探傷表面檢驗和人工感官檢驗，確認有縱向裂縭（含拉傷）71根，占8.5% ；橫向裂紋21根，占2.5% ；表面缺陷（劃傷、凹坑、碰傷等）577根，占68.7% ；重皮65根，占7.7% ；經人工檢驗表面未發現缺陷（可能有內在缺陷或內表面缺陷）106根，占12.6% 。 |
| 分析：在縱向裂紋中，軋制拉傷有53根，折疊、裂紋僅有18根。由于縱向軋制傷痕較淺，表面缺陷的深度也較淺，它們并不影響鍋爐鋼管的實際使用，所以真正有傷的鋼管數量為（18+21+65+106 = ）210根；因此這批檢驗的鍋爐鋼管中渦流探傷不合格率為210／11658 = 1.8% 。這個檢驗結果比較符合鋼廠出廠的質量實際情況，因而是可信的。經過渦流探傷后將這些有傷的部位切除，用這批鋼管制做的SZL鍋爐在組裝后整體試壓時再未出現鋼管漏水現象，從而消除了材質隱患，提高了鍋爐的制造質量和可靠性。 |
| 九、本文小結 |
| 通過以上的初步實踐，我們認為用渦流探傷代替鍋爐鋼管水壓試驗是可行的，其檢驗結果是可信的，用它來控制鍋爐鋼管的質量是行之有效的；這對提高鍋爐制造質量和保證鍋爐運行安全可靠具有重要意義。因此，渦流探傷技術在鍋爐制造行業中具有良好的應用前景和實用推廣價值。 |
| 主要參考資料： |
| 1、《金屬材料的渦流檢驗》 |
| 2、《國內無損檢測標準匯編》 |
| 3、《國外無損檢測標準匯編》 |
渦流探傷原理
原作者: 新疆天山鍋爐廠 曾祥照 潘國敏(常州精密鋼管博客根據網絡內容編緝) |
(發表于《工業鍋爐標準化》1992年第2期 2003.5重審) |
說明：本文寫于1992年7月，當時作者在新疆天山鍋爐廠工作，曾祥照，現廣東南海粵海鋼制有限公司總工程師。 |
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