奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度的渦流檢測仿真試驗

 浙江至德鋼業有限公司針對耐熱奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度測量難的問題，建立了典型腐蝕狀態下奧氏體不銹鋼結構的有限元仿真模型，提出了采用低頻渦流檢測內壁腐蝕層厚度，并用高頻渦流測量外壁氧化層厚度以對低頻檢測結果進行修正的檢測方法．結果表明，腐蝕層厚度增加會引起低頻渦流檢測信號幅值和阻抗模的增加，而外壁存在的氧化層會對檢測信號造成干擾．腐蝕層厚度和氧化層厚度對渦流檢測信號影響的變化規律與仿真結果具有一致性．

 耐熱奧氏體不銹鋼在高溫下具有較高的強度、良好的蒸汽氧化耐性、良好的爐面腐蝕耐性和足夠的結構穩定性，被廣泛應用于制氫轉換爐和乙烯裂解爐等。該不銹鋼一般工作溫度為600～1000℃，壓力為2～3 MPa，在長期高溫高壓的工作環境下，管的內外壁難免會產生腐蝕（碳化）和氧化產物，如圖所示．外側氧化層與基體結合牢固，內側腐蝕層疏松．腐蝕層是由于爐管在高溫下工作時，處于材料的敏化溫度范圍，并且材料鉻的含量較高，能引起貧鉻效應，發生鉻碳化物的沉淀和奧氏體基體中鉻含量的減少．當鉻含量下降到鈍化所需要的極限含量12.5％以下時，貧鉻區與晶粒間將構成腐蝕微電池，貧鉻區處于活化狀態作為陽極，晶粒是陰極，并且貧鉻區面積小，晶粒面積大，形成小陽極大陰極腐蝕狀態，造成貧鉻區嚴重的腐蝕，進而使得奧氏體管性能下降，使用壽命縮短．根據至德鋼業的研究，當腐蝕層厚度達到管厚的7.5%時，奧氏體管的性能開始出現較為明顯的下降．當腐蝕層厚度超過管壁厚的39%時，奧氏體不銹鋼管的綜合性能已不能滿足制氫轉化爐等對管道安全運行的最低要求，必須進行割管處理。因此，準確測量奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度，可以對制氫轉換爐和乙烯裂解爐等的運行狀況進行有效評估，保證其生產的安全進行。

 在臨界鉻含量以下，奧氏體基體在室溫下表現出鐵磁行為，其特征允許使用磁傳感器來檢測腐蝕層情況?，F存方法中常常將磁傳感器耦合在不銹鋼管外壁，利用磁飽和降低管外壁氧化層對檢測信號的影響，通過磁通密度的變化從而測量出腐蝕層的厚度．該方法較為復雜，在現場不易操作，而且受到偏置磁場的影響，霍爾傳感器的測量值會存在偏差．因此，浙江至德鋼業有限公司提出了先采用低頻渦流檢測，再利用高頻渦流檢測結果對數據進行修正，從而得出內壁腐蝕層厚度值的檢測方法。

一、成份組成與磁學性能測量

 為了盡可能提高有限元仿真結果的準確性，在構建仿真模型前需要了解耐熱奧氏體不銹鋼管在服役過程中內、外壁形成的腐蝕層與養護層的成份組成，因此，利用掃描電鏡對奧氏體管內壁進行了微觀分析，如圖所示。

 從圖中奧氏體不銹鋼管內壁的微觀形貌圖可以看出，其內壁覆蓋了大量的腐蝕產物。圖為內壁腐蝕產物的元素能譜圖，具體元素組成如表所示．從表中可以看出，內壁的腐蝕產物局部含有較多的氧和鐵元素，且局部發生鋁元素富集。

 為進一步確定內、外壁腐蝕產物與氧化物的成份，對內、外表面進行了Ｘ射線衍射分析，如圖所示。XRD圖譜表明，奧氏體管內壁四氧化三鐵的衍射峰值較大，外表面FeCr2O4的衍射強度峰值較大，該結果與EDS分析結果中元素組成吻合，從而可以推測內壁腐蝕層主要成份為四氧化三鐵，其具有較大的磁導率，會對渦流檢測信號產生明顯的影響，因此，可以用渦流檢測技術進行腐蝕層厚度的測量。

 磁導率作為渦流檢測系統中最重要的參數之一，該數值的準確性直接影響仿真結果的可靠程度．因此，對實驗用管外側氧化層、中間奧氏體和內側腐蝕層各自的磁導率測量是非常必要的。

二、奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層渦流檢測機理仿真

  耐熱奧氏體不銹鋼在服役過程中外壁會發生氧化生成氧化層，內壁會發生腐蝕生成腐蝕層．故而研究在役奧氏體不銹鋼管可將其簡化為氧化層、奧氏體和腐蝕層組成的三層結構，通過對三層結構頻域下渦流檢測機理的仿真計算研究，可以直觀地了解到不同情況下奧氏體管的磁場強度變化，通過數據處理還可以進一步了解該模型不同腐蝕層厚度、不同氧化層厚度以及不同檢測頻率條件下磁感應強度的變化規律，從而提出可行的檢測耐熱奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度的方法。

   1. 仿真模型的建立

  在建立仿真模型時，由于檢測方法是局部渦流點接觸檢測，所以可以用平板來代替管，簡化模型，減小計算量，對該檢測機理的研究不會產生大的影響．由于渦流檢測探頭與三層板結構均是以管軸線為中心呈軸對稱的模型，故建立了頻域下的二維軸對稱仿真模型，模型示意圖如圖所示。

  最終效果圖可通過對稱軸旋轉得到，如圖所示．仿真模型由空氣域、激勵線圈、氧化層、奧氏體層和腐蝕層組成，各部分的尺寸如表所示．為了方便更改模型各部分尺寸，提高仿真研究效率，對模型各部位尺寸以參數形式設置，同時規劃了參數化掃描，可一次性得出一組不同尺寸模型的仿真結果。

  對仿真模型進行網格劃分，其中網格劃分類型與尺寸如表所示，網格單元總數為487023。在渦流檢測探頭與氧化層、奧氏體層、腐蝕層相接觸的區域，設置了20ｍｍ×20ｍｍ的網格控制邊，對該區域設置了最大值為0.1ｍｍ的網格劃分標準．關鍵部位小區域的網格細化可以加快仿真模型的收斂，提高仿真結果的準確性。

  2. 仿真模型渦流檢測時磁場分布情況分析

  仿真模型采用低頻渦流進行檢測時，磁力線可以穿過整個試塊，三層結構都會形成感生渦流，故而整個模型的磁場變化同時受到外側氧化層、中間奧氏體層和底端腐蝕層的影響。圖為低頻渦流磁場分布．在100Ｈz檢測頻率下，三層結構的磁場強度都遠大于0，而且沿著氧化層向腐蝕層過渡過程中，磁通密度模呈現出衰減的趨勢．在到達內側腐蝕層時，磁通密度模較其上側的奧氏體層有明顯的增加，然后再逐漸衰減．這是由于腐蝕層有較大的磁導率，對磁力線的聚集能力較強造成的．由此可以得出，低頻渦流檢測時磁場強度會隨腐蝕層厚度的不同發生明顯的改變，因此，采用低頻渦流檢測腐蝕層厚度是可行的。

  運用高頻渦流檢測時，由于集膚效應的影響，磁力線無法到達內側腐蝕層，所以仿真模型的磁場變化只受到氧化層與奧氏體層的影響，而與腐蝕層無關．圖為高頻渦流磁場分布．在1 ＭＨz檢測頻率下，磁場主要聚集在上表面，底層腐蝕層磁通密度模幾乎為０。因此，可以采用高頻渦流測量氧化層的厚度，同時將其作為修正參數對低頻渦流檢測信號進行修正，從而使得腐蝕層的測量值更加準確。

 3. 低頻渦流條件下檢測信號變化規律分析

  根據對現場替換下的實驗用不銹鋼管統計，發現外壁氧化層厚度都不超過0.8ｍｍ，所以在研究低頻條件下不同厚度的腐蝕層對渦流檢測信號的影響變化時，選取了0.8ｍｍ的氧化層厚度為基礎條件．通過在頻域下的仿真研究發現，固定氧化層厚度，在不同檢測頻率（100～1000Hz ）下，隨著腐蝕層厚度的增加，渦流檢測信號的變化規律相同．其中，在100 Hz 檢測頻率進行檢測時，探頭正下方磁場強度Bz的變化情況如圖所示．在探頭內徑中心正下方磁場強度為最大值且保持不變，在2.5ｍｍ處磁場強度開始以線性函數關系遞減．經過對數據歸一化處理，如圖所示，以0 ｍｍ厚腐蝕層為參考零點，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場強度B z與參考零點的差值也在變大．由于渦流是對線圈內的磁通量總體值進行檢測，并且該仿真模型是軸對稱的，所有的仿真數據都是從旋轉之后的三維模型而來，所以對圓形橫截面區域內磁感應強度數據進行積分處理，如圖所示．在氧化層厚度、檢測頻率固定時，隨著腐蝕層厚度的增加，探頭正下方磁場強度B z的積分呈拋物線的函數關系增加。

  在渦流檢測中，檢測信號幅值變化是表征檢測對象性能最為重要的參數之一，如圖所示．氧化層厚度為0.8ｍｍ時，100 Ｈz檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的增加，幅值呈線性函數關系遞增，而其角度只在有無腐蝕層處發生突變，并不隨腐蝕層厚度變化而發生明顯的改變．這是由于腐蝕層導電率很低，與奧氏體層相比產生的感應渦流很弱，對檢測探頭相位角度變化的影響幾乎可以忽略．通過對比發現，渦流檢測信號幅值隨腐蝕層厚度變化規律明顯，且數據易于處理．最終選取檢測信號幅值作為渦流檢測奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度的表征參數。

  圖為低頻檢測信號隨腐蝕層厚度的變化．當使用低頻渦流（100～1000Hz ）檢測時，只要氧化層厚度固定不變，渦流檢測信號幅值就會隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增加．因此，采用低頻渦流檢測奧氏體不銹鋼管時，根據檢測信號幅值的測量值大小得出其內壁腐蝕層厚度的方法是正確的，但還需解決氧化層厚度的測量問題。

  4. 高頻渦流條件下檢測信號變化規律分析

  圖為高頻檢測信號隨氧化層和腐蝕層厚度的變化．在檢測頻率為100 KH z 時，若氧化層厚度固定不變，渦流檢測信號幅值就唯一確定，其值不隨腐蝕層厚度的變化而產生改變，這與圖８得出的結論相一致．因此，在高頻渦流條件下，通過仿真數據可以得出氧化層厚度變化與渦流檢測幅值的關系，從而解決氧化層厚度測量的問題．當檢測頻率為100 KH z時，隨著氧化層厚度的增加，渦流檢測信號幅值呈線性增大．在此頻率下對樣管進行標定測量之后，即可對奧氏體不銹鋼管氧化層的厚度進行測量。

 5. 不銹鋼管內壁腐蝕層厚度渦流測量方法

 由于腐蝕層厚度與低頻渦流檢測信號幅值成正比，外壁的氧化層厚度會影響渦流信號的幅值，但高頻渦流可以測量出氧化層厚度，根據氧化層厚度選取相關低頻渦流測量幅值與腐蝕層厚度的關系曲線，可求解得出腐蝕層的厚度值．具體實現方法如下：

   a. 對現場原管進行高、低頻渦流檢測，采集標定零點的渦流信號．

   b. 對具有已知氧化層厚度的樣管進行高頻渦流檢測，結合標定零點繪制出氧化層厚度與渦流檢測信號幅值的線性關系圖．在實際檢測時，通過對高頻渦流條件下的測量值與該圖相對應即可得到氧化層厚度值．

   c. 對具有已知腐蝕層厚度的標定樣管（包含無氧化層與有已知氧化層兩種樣管）進行低頻渦流檢測，結合標定零點繪制出兩條不同氧化層情況下腐蝕層與渦流檢測信號的線性函數關系圖．在實際檢測時，以高頻渦流檢測得出的氧化層厚度為基礎，通過低頻渦流條件下的測量值與標定曲線之間的函數關系，最后解出具體的腐蝕層厚度值．

三、實驗驗證

 根據仿真模型，自制了與仿真模型相同參數的渦流檢測探頭，使用愛慕迪便攜式渦流儀對某瀝青股份有限公司提供的制氫轉化爐樣管在1與100 KH z頻率下進行檢測實驗．該不銹鋼管規格為40mm×6.3ｍｍ，設計溫度為855℃，介質溫度為800℃，工作壓力為2.7 MPa．測量得氧化層厚度與腐蝕層厚度數據如表所示。

 為了驗證氧化層對檢測結果的影響，在四個測量點打磨掉氧化層后再次進行了檢測．利用程序對實驗數據進行處理得出了100 與1 KH z檢測頻率下隨著腐蝕層厚度的變化，有氧化層和無氧化層情況下，檢測信號幅值的變化規律，如圖所示。

 從圖中可以看出，當檢測頻率為100 KH z時，打磨掉氧化層后的檢測值較有氧化層時的檢測信號幅值有明顯降低，而且不論有氧化層還是打磨掉氧化層后的檢測值都隨著腐蝕層厚度的變化保持不變，這與仿真結果圖所得出的規律相一致。當檢測頻率為1 KH z時，有氧化層與打磨掉氧化層后的檢測值都隨著腐蝕層厚度的增加呈線性增大，與仿真結果圖所得出的規律相符．由實驗數據總結分析可驗證仿真模型是正確的，根據仿真規律提出腐蝕層厚度的測量方法是可行的。

四、結論

  浙江至德鋼業有限公司通過構建三層結構（氧化層、奧氏體層與腐蝕層）的二維軸對稱仿真模型，研究了不同頻率、不同氧化層厚度、不同腐蝕層厚度對渦流檢測信號的影響．由仿真結果可得：

  a. 隨著氧化層與腐蝕層厚度的增加，渦流檢測信號的幅值會增大，而相位角基本不變。

  b. 低頻渦流（1 KH z及以下）檢測時，隨著奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度的增加，檢測信號的幅值大致呈線性增加，可以在此頻率下進行腐蝕層厚度的測量，但是氧化層厚度不同會影響檢測信號的分析。

  c. 高頻渦流（100 KH z及以上）檢測時，奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度對檢測信號沒有影響，檢測信號的幅值隨氧化層厚度的增加大致呈線性增加，可以在此頻率下進行氧化層厚度的測量，并以此為條件，對低頻渦流測量信號進行分析求解，得到腐蝕層厚度值。

  同時，在1和100 KH z檢測頻率下對實驗用管進行測量分析，實驗數據所得的規律與仿真結果相一致．這從實驗的角度對該仿真模型理論提供了支撐，說明該方法測量在役耐熱奧氏體不銹鋼管內壁腐蝕層厚度是可行的。