基于電磁渦流檢測的遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組探傷檢測與優(yōu)化管理

引言

近年來,某型遠(yuǎn)洋船舶出航呈"三高"態(tài)勢,對(duì)遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)冷水機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行提出了更高的要求。某型遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)系統(tǒng)冷卻裝置均采用丹麥Sabroe制冷公司生產(chǎn)的SAB128/SAB163型冷水機(jī)組。從出廠至今10余年間,該遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組多次出現(xiàn)不同程度的冷凝器管路腐蝕,造成冷凝器制冷劑泄漏,導(dǎo)致冷水機(jī)組無法運(yùn)行,若無法及時(shí)修復(fù),將嚴(yán)重影響船舶行動(dòng)計(jì)劃。電磁渦流檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一,為了消除遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組運(yùn)行中的隱患,本文結(jié)合電磁渦流探傷技術(shù),制定了遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組電磁渦流檢測流程,建立了檢測方案,對(duì)冷凝器銅管的損傷情況進(jìn)行檢測,并根據(jù)檢測結(jié)果,分析冷凝器銅管的損傷原因,制定相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案,采取相應(yīng)的預(yù)防措施,降低機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1電磁渦流檢測原理及方法

1.1檢測原理

電磁渦流檢測的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)。在探頭的激勵(lì)線圈中通以高頻交變電流,在附近的被測管壁中就會(huì)感應(yīng)出渦流,冷凝器銅管的幾何缺陷、電磁異常和尺寸變化等因素都將影響管內(nèi)的渦流,而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗或感應(yīng)電壓產(chǎn)生變化,從而得到關(guān)于缺陷的信號(hào),根據(jù)此信號(hào)的幅值和相位的改變,即可得出冷凝器銅管的尺寸及缺陷情況。

在檢測中,將檢測到的缺陷信號(hào)相位角與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照,即可判定缺陷的相對(duì)情況,缺陷位置與信號(hào)相位角關(guān)系曲線如圖1所示。缺陷位置是內(nèi)壁還是外壁須通過相位角來確定,通孔缺陷信號(hào)相位角為40o,相位角小于40o為內(nèi)壁損傷,此時(shí)相位角越大,缺陷深度越大:相位角大于40o則為外壁損傷,此時(shí)相位角越大,缺陷深度越小。不同缺陷深度對(duì)應(yīng)的電磁渦流探傷檢測波形如圖2所示。

1.2檢測方案

在對(duì)sAB螺桿機(jī)組銅管進(jìn)行渦流檢測之前,必須預(yù)先制作與被檢管具有相同或相近的規(guī)格牌號(hào)、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能的標(biāo)準(zhǔn)樣管,冷凝器銅管樣管圖如圖3所示。用制作好的標(biāo)準(zhǔn)樣管來調(diào)節(jié)渦流儀器的檢測靈敏度并確定評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。檢測前可根據(jù)渦流滲透深度公式進(jìn)行檢測頻率預(yù)選,再對(duì)已加工好的標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行測試,進(jìn)一步修正參數(shù),最后找出頻率、相位、增益等參數(shù)的最佳值。在最佳情況下,取得標(biāo)準(zhǔn)樣管上人工缺陷的幅度、相位及深度等參數(shù),并以這些參數(shù)作為檢測標(biāo)準(zhǔn)對(duì)待檢的銅管進(jìn)行實(shí)際檢測。

現(xiàn)場檢測人員包括檢測組和綜合協(xié)調(diào)組兩組成員,兩組成員在檢測前、檢測中和檢測后均需要保持溝通協(xié)調(diào),確保電磁渦流探傷檢測步調(diào)一致。檢測組在檢測開始前需要制作標(biāo)準(zhǔn)樣管、檢測所需的探頭、機(jī)組管版圖、標(biāo)定曲線等;檢測過程中需要采集數(shù)據(jù),判斷可疑點(diǎn),并對(duì)可疑點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測,同時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行機(jī)組冷凝器銅管檢漏工作;檢測完成后,檢測組對(duì)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并出具檢測報(bào)告。

綜合協(xié)調(diào)組為配合檢測組工作,在檢測開始前需要拆除冷凝器兩邊端蓋、清潔并吹干冷凝器銅管,并預(yù)備一些渦流探傷檢測的必需物資;檢測過程中綜合協(xié)調(diào)組應(yīng)委派專職人員配合檢測組檢測;檢測完成后,安裝冷凝器兩端蓋。

2檢測結(jié)果與分析

遠(yuǎn)洋船舶常年在海上航行,船體浸泡在海水中,sAB螺桿機(jī)組所處環(huán)境濕度較大,致使sAB螺桿機(jī)組冷凝器換熱管損傷主要是腐蝕損傷,如圖4所示。本文根據(jù)實(shí)際檢測情況,將冷凝器換熱管腐蝕損傷程度分為5個(gè)等級(jí):嚴(yán)重?fù)p傷(紅色)、較重?fù)p傷(紫色)、一般損傷(黃色)、輕微損傷(藍(lán)色)和無明顯損傷(綠色)五類,如表1所示。

損傷程度的判定依據(jù)為損傷深度和損傷系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo),根據(jù)檢測評(píng)估的保守原則,損傷程度評(píng)定時(shí),選擇這兩個(gè)指標(biāo)中相對(duì)較嚴(yán)重的情況作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表1中的冷凝器換熱管損傷程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),將六臺(tái)冷凝器換熱管的損傷檢測結(jié)果進(jìn)行分類,結(jié)果如圖5所示,各類損傷程度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6所示。

根據(jù)檢測結(jié)果分析可知,六臺(tái)冷水機(jī)組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損傷。從損傷換熱表面狀況來分析是海水腐蝕造成的,從腐蝕部位來看,相對(duì)比較集中,大部分位于距離冷凝器銅管管口5cm以內(nèi),且進(jìn)口端腐蝕程度遠(yuǎn)大于混合端,這就表明冷凝器銅管進(jìn)口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊,產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴(yán)重。

3優(yōu)化改進(jìn)與使用管理

3..優(yōu)化方案的提出

為有效提升冷凝器銅管運(yùn)行可靠性,根據(jù)冷凝器銅管電磁渦流探傷結(jié)果分析,給出以下三種行之有效的維護(hù)處理意見:

(l)更換損傷嚴(yán)重的冷凝器銅管:

(2)對(duì)冷凝器銅管管口腐蝕坑進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù):

(3)在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5cm長聚乙烯護(hù)套,套管正好能保護(hù)到腐蝕嚴(yán)重的部位,避免海水和泥沙沖刷影響。

對(duì)比三種方案:第一種方案,雖然能徹底解決銅管被腐蝕嚴(yán)重的問題,但是大面積更換冷凝器銅管,需花費(fèi)大量人力、物力,而且大面積換銅管容易造成管板變形等情況,實(shí)施起來難度大:第二種方案,通過補(bǔ)焊雖然能及時(shí)修復(fù)腐蝕部位,但是從長遠(yuǎn)看,修復(fù)部位受海水沖刷,還是會(huì)出現(xiàn)再次脫落的隱患,補(bǔ)焊修復(fù)后的銅管穩(wěn)定性不可預(yù)測:而第三種方案,加裝聚乙烯套管不僅能有效保護(hù)嚴(yán)重腐蝕部位,且材料常見,價(jià)格優(yōu)惠,加裝操作簡便。綜合以上考慮,在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5cm長聚乙烯護(hù)套這一優(yōu)化改進(jìn)方案,經(jīng)濟(jì)性高,可操作性強(qiáng)。

3.2優(yōu)化方案的可行性分析

雖然在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5cm長聚乙烯護(hù)套能有效保護(hù)冷凝器銅管管口不被海水沖刷腐蝕,但能否滿足冷凝器換熱要求還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

某型遠(yuǎn)洋船舶目前配備有540kw冷水機(jī)組4臺(tái)、280kw冷水機(jī)組2臺(tái),按照實(shí)際使用情況,一般同時(shí)使用2臺(tái)540kw冷水機(jī)組、1臺(tái)280kw冷水機(jī)組,初步計(jì)算,遠(yuǎn)洋船舶單臺(tái)機(jī)組的年實(shí)際使用時(shí)間在4000h以上。參照《制冷原理與設(shè)備》,臥式冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如表2所示。加裝聚乙烯護(hù)套后,只要冷凝器銅管內(nèi)的水流速小于2.4m/S,即可滿足要求。

在工程上,為了簡化計(jì)算,通常把復(fù)雜的熱傳遞過程用一個(gè)總傳熱系數(shù)來表示,總熱傳系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:K為總熱傳系數(shù)[w/(m2·℃)]:a0為管內(nèi)給熱系數(shù)[w/(m2·℃)]:6為換熱管壁厚度(m):入為傳熱管導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m2·℃)]:A0/A1為管內(nèi)與管外表面積之比:R為污垢熱阻[w/(m2·℃)]:a1為管外給熱系數(shù)[w/(m2·℃)]。

熱傳系數(shù)K的大小與冷熱流體的流動(dòng)情況,熱傳壁面的材料、形狀、尺寸等許多因素有關(guān)。K越大,表明換熱設(shè)備的熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng),傳熱效果越好。

熱交換器的換熱面積計(jì)算公式為:

式中:A為換熱面積(m2):0為換熱量(w):ATm為熱交換器對(duì)數(shù)平均溫差(℃):w為溫度修正系數(shù),一般應(yīng)不小于0.8:K為總熱傳系數(shù)[w/(m2·℃)]。

查詢708所提供的原始機(jī)組資料可知,機(jī)組熱負(fù)荷0k=692kw,冷卻水流量Gs=153.5m3/h,流程數(shù)N=2,每流程管子數(shù)Z=162,散熱管管長L=2340mm,筒體外徑D外=450mm,銅管內(nèi)徑d管=13mm,水流速o管=2.0m/s。

而加裝的護(hù)套長度為5cm,加裝護(hù)套總數(shù)為81。根據(jù)護(hù)套加裝情況,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修訂,護(hù)套內(nèi)水流速按o護(hù)=2.4m/s最低要求,代入上述公式進(jìn)行計(jì)算,可以得出,加裝護(hù)套部位內(nèi)徑d護(hù)=10.58mm,而原始銅管內(nèi)徑d管=13mm,最終可以得到護(hù)套厚度為1.21mm。

根據(jù)上述計(jì)算可以得出,只要在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝5cm長聚乙烯護(hù)套的厚度小于1.21mm,對(duì)機(jī)組換熱性能就沒有影響。

3.3優(yōu)化方案的效用驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證冷凝器銅管加裝聚乙烯護(hù)套改進(jìn)后的機(jī)組換熱量是否滿足實(shí)際工作所需,機(jī)組制冷性能是否處于正常范圍,對(duì)其中一臺(tái)普艙冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)口端加裝內(nèi)徑為11mm、壁厚為1mm、長為5cm的護(hù)套,進(jìn)行效用驗(yàn)證。加裝后的效果圖如圖7所示。在同一外部環(huán)境、同等制冷量需求下,通過分別運(yùn)行改進(jìn)后的機(jī)組和原有機(jī)組,對(duì)比機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7℃時(shí)機(jī)組負(fù)荷差異。

經(jīng)觀察,原有機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7℃時(shí),機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在83%:而改進(jìn)后的機(jī)組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7℃時(shí),機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在86%,如圖8所示。對(duì)比機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷可以看出,冷凝器銅管加裝聚乙烯護(hù)套改進(jìn)后對(duì)機(jī)組整體換熱性能無影響,能夠滿足制冷要求。

經(jīng)過長達(dá)半年的效用試驗(yàn)后,對(duì)加裝護(hù)套后的機(jī)組冷凝器進(jìn)行拆檢,經(jīng)觀察,冷凝器銅管無明顯損傷部位,達(dá)到了預(yù)期目的。

3.4使用管理建議

為進(jìn)一步減少海水對(duì)冷凝器銅管的腐蝕,結(jié)合當(dāng)前冷水機(jī)組使用管理方案,提出合理的冷水機(jī)組使用管理策略:

(1)在一段時(shí)間內(nèi)固定幾臺(tái)機(jī)組開機(jī),不開的機(jī)組做備用機(jī)時(shí),將冷卻水進(jìn)出水閥門關(guān)閉,將冷卻用的海水放掉,再灌進(jìn)淡水適當(dāng)清洗,之后直接在水室內(nèi)灌滿淡水進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

(2)船進(jìn)入淡水區(qū)域時(shí),即使不需要開冷水機(jī)組,也要將冷卻水泵開啟運(yùn)行一段時(shí)間,將冷凝器內(nèi)的海水給置換掉,以縮短海水對(duì)冷凝器影響的時(shí)間。

(3)定期對(duì)冷凝器進(jìn)行機(jī)械清洗,清除換熱管表面結(jié)垢與沉淀物,以降低換熱管被腐蝕的概率。

4結(jié)論

本文結(jié)合遠(yuǎn)洋船舶周邊的環(huán)境特點(diǎn),制定了螺桿機(jī)組電磁渦流檢測流程及方案,并根據(jù)檢測結(jié)果,制定冷凝器銅管的優(yōu)化改進(jìn)方案,提出了合理的機(jī)組使用管理策略。通過研究得到如下結(jié)論:

(1)電磁渦流檢測方法的檢測速度快、靈敏度高以及非接觸式檢測等優(yōu)點(diǎn),使得其成為熱交換器管非常有效的檢測手段,是保障遠(yuǎn)洋船舶冷水機(jī)組正常運(yùn)行的重要技術(shù)手段。

(2)六臺(tái)冷水機(jī)組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損傷,從腐蝕部位來看,相對(duì)比較集中,大部分位于距離冷凝器銅管管口5cc以內(nèi),且進(jìn)口端腐蝕程度遠(yuǎn)大于混合端,這就表明冷凝器銅管進(jìn)口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊,產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴(yán)重。

(3)在冷凝器銅管進(jìn)口端加裝一定規(guī)格的聚乙烯護(hù)套,能減小海水對(duì)冷凝器銅管管口、管板的直接沖擊,有效避免海水流速及泥沙對(duì)冷凝器銅管的沖刷磨損。

(4)冷水機(jī)組冷凝器銅管受海水腐蝕不可避免,合理調(diào)整冷水機(jī)組使用管理策略,能有效降低冷凝器銅管被海水腐蝕損傷的概率。