基于电磁涡流检测的远洋船舶冷水机组探伤检测与优化管理

引言

近年来,某型远洋船舶出航呈"三高"态势,对远洋船舶空调冷水机组稳定可靠运行提出了更高的要求。某型远洋船舶空调系统冷却装置均采用丹麦Sabroe制冷公司生产的SAB128/SAB163型冷水机组。从出厂至今10余年间,该远洋船舶冷水机组多次出现不同程度的冷凝器管路腐蚀,造成冷凝器制冷剂泄漏,导致冷水机组无法运行,若无法及时修复,将严重影响船舶行动计划。电磁涡流检测是五大常规无损检测技术之一,为了消除远洋船舶冷水机组运行中的隐患,本文结合电磁涡流探伤技术,制定了远洋船舶冷水机组电磁涡流检测流程,建立了检测方案,对冷凝器铜管的损伤情况进行检测,并根据检测结果,分析冷凝器铜管的损伤原因,制定相应的优化改进方案,采取相应的预防措施,降低机组运行风险。

1电磁涡流检测原理及方法

1.1检测原理

电磁涡流检测的理论基础是电磁感应。在探头的激励线圈中通以高频交变电流,在附近的被测管壁中就会感应出涡流,冷凝器铜管的几何缺陷、电磁异常和尺寸变化等因素都将影响管内的涡流,而涡流的变化又使检测线圈的阻抗或感应电压产生变化,从而得到关于缺陷的信号,根据此信号的幅值和相位的改变,即可得出冷凝器铜管的尺寸及缺陷情况。

在检测中,将检测到的缺陷信号相位角与标准曲线对照,即可判定缺陷的相对情况,缺陷位置与信号相位角关系曲线如图1所示。缺陷位置是内壁还是外壁须通过相位角来确定,通孔缺陷信号相位角为40o,相位角小于40o为内壁损伤,此时相位角越大,缺陷深度越大:相位角大于40o则为外壁损伤,此时相位角越大,缺陷深度越小。不同缺陷深度对应的电磁涡流探伤检测波形如图2所示。

1.2检测方案

在对sAB螺杆机组铜管进行涡流检测之前,必须预先制作与被检管具有相同或相近的规格牌号、热处理状态、表面状态和电磁性能的标准样管,冷凝器铜管样管图如图3所示。用制作好的标准样管来调节涡流仪器的检测灵敏度并确定评定标准。检测前可根据涡流渗透深度公式进行检测频率预选,再对已加工好的标准样管进行测试,进一步修正参数,最后找出频率、相位、增益等参数的最佳值。在最佳情况下,取得标准样管上人工缺陷的幅度、相位及深度等参数,并以这些参数作为检测标准对待检的铜管进行实际检测。

现场检测人员包括检测组和综合协调组两组成员,两组成员在检测前、检测中和检测后均需要保持沟通协调,确保电磁涡流探伤检测步调一致。检测组在检测开始前需要制作标准样管、检测所需的探头、机组管版图、标定曲线等;检测过程中需要采集数据,判断可疑点,并对可疑点进行复测,同时根据需要进行机组冷凝器铜管检漏工作;检测完成后,检测组对测试的数据进行分析并出具检测报告。

综合协调组为配合检测组工作,在检测开始前需要拆除冷凝器两边端盖、清洁并吹干冷凝器铜管,并预备一些涡流探伤检测的必需物资;检测过程中综合协调组应委派专职人员配合检测组检测;检测完成后,安装冷凝器两端盖。

2检测结果与分析

远洋船舶常年在海上航行,船体浸泡在海水中,sAB螺杆机组所处环境湿度较大,致使sAB螺杆机组冷凝器换热管损伤主要是腐蚀损伤,如图4所示。本文根据实际检测情况,将冷凝器换热管腐蚀损伤程度分为5个等级:严重损伤(红色)、较重损伤(紫色)、一般损伤(黄色)、轻微损伤(蓝色)和无明显损伤(绿色)五类,如表1所示。

损伤程度的判定依据为损伤深度和损伤系数这两个指标,根据检测评估的保守原则,损伤程度评定时,选择这两个指标中相对较严重的情况作为评判标准。

根据表1中的冷凝器换热管损伤程度等级划分标准,将六台冷凝器换热管的损伤检测结果进行分类,结果如图5所示,各类损伤程度的统计数据如图6所示。

根据检测结果分析可知,六台冷水机组冷凝器铜管均出现了比较严重的损伤。从损伤换热表面状况来分析是海水腐蚀造成的,从腐蚀部位来看,相对比较集中,大部分位于距离冷凝器铜管管口5cm以内,且进口端腐蚀程度远大于混合端,这就表明冷凝器铜管进口端受到了海水流速和泥沙的直接冲击,产生的冲刷腐蚀严重。

3优化改进与使用管理

3..优化方案的提出

为有效提升冷凝器铜管运行可靠性,根据冷凝器铜管电磁涡流探伤结果分析,给出以下三种行之有效的维护处理意见:

(l)更换损伤严重的冷凝器铜管:

(2)对冷凝器铜管管口腐蚀坑进行补焊修复:

(3)在冷凝器铜管进口端加装5cm长聚乙烯护套,套管正好能保护到腐蚀严重的部位,避免海水和泥沙冲刷影响。

对比三种方案:第一种方案,虽然能彻底解决铜管被腐蚀严重的问题,但是大面积更换冷凝器铜管,需花费大量人力、物力,而且大面积换铜管容易造成管板变形等情况,实施起来难度大:第二种方案,通过补焊虽然能及时修复腐蚀部位,但是从长远看,修复部位受海水冲刷,还是会出现再次脱落的隐患,补焊修复后的铜管稳定性不可预测:而第三种方案,加装聚乙烯套管不仅能有效保护严重腐蚀部位,且材料常见,价格优惠,加装操作简便。综合以上考虑,在冷凝器铜管进口端加装5cm长聚乙烯护套这一优化改进方案,经济性高,可操作性强。

3.2优化方案的可行性分析

虽然在冷凝器铜管进口端加装5cm长聚乙烯护套能有效保护冷凝器铜管管口不被海水冲刷腐蚀,但能否满足冷凝器换热要求还需进一步验证。

某型远洋船舶目前配备有540kw冷水机组4台、280kw冷水机组2台,按照实际使用情况,一般同时使用2台540kw冷水机组、1台280kw冷水机组,初步计算,远洋船舶单台机组的年实际使用时间在4000h以上。参照《制冷原理与设备》,卧式冷凝器设计参数选择如表2所示。加装聚乙烯护套后,只要冷凝器铜管内的水流速小于2.4m/S,即可满足要求。

在工程上,为了简化计算,通常把复杂的热传递过程用一个总传热系数来表示,总热传系数的计算公式为:

式中:K为总热传系数[w/(m2·℃)]:a0为管内给热系数[w/(m2·℃)]:6为换热管壁厚度(m):入为传热管导热系数[w/(m2·℃)]:A0/A1为管内与管外表面积之比:R为污垢热阻[w/(m2·℃)]:a1为管外给热系数[w/(m2·℃)]。

热传系数K的大小与冷热流体的流动情况,热传壁面的材料、形状、尺寸等许多因素有关。K越大,表明换热设备的热传导能力越强,传热效果越好。

热交换器的换热面积计算公式为:

式中:A为换热面积(m2):0为换热量(w):ATm为热交换器对数平均温差(℃):w为温度修正系数,一般应不小于0.8:K为总热传系数[w/(m2·℃)]。

查询708所提供的原始机组资料可知,机组热负荷0k=692kw,冷却水流量Gs=153.5m3/h,流程数N=2,每流程管子数Z=162,散热管管长L=2340mm,筒体外径D外=450mm,铜管内径d管=13mm,水流速o管=2.0m/s。

而加装的护套长度为5cm,加装护套总数为81。根据护套加装情况,对相关参数进行修订,护套内水流速按o护=2.4m/s最低要求,代入上述公式进行计算,可以得出,加装护套部位内径d护=10.58mm,而原始铜管内径d管=13mm,最终可以得到护套厚度为1.21mm。

根据上述计算可以得出,只要在冷凝器铜管进口端加装5cm长聚乙烯护套的厚度小于1.21mm,对机组换热性能就没有影响。

3.3优化方案的效用验证

为进一步验证冷凝器铜管加装聚乙烯护套改进后的机组换热量是否满足实际工作所需,机组制冷性能是否处于正常范围,对其中一台普舱冷水机组冷凝器进口端加装内径为11mm、壁厚为1mm、长为5cm的护套,进行效用验证。加装后的效果图如图7所示。在同一外部环境、同等制冷量需求下,通过分别运行改进后的机组和原有机组,对比机组冷媒水出口温度稳定在7℃时机组负荷差异。

经观察,原有机组冷媒水出口温度稳定在7℃时,机组负荷稳定在83%:而改进后的机组冷媒水出口温度稳定在7℃时,机组负荷稳定在86%,如图8所示。对比机组运行负荷可以看出,冷凝器铜管加装聚乙烯护套改进后对机组整体换热性能无影响,能够满足制冷要求。

经过长达半年的效用试验后,对加装护套后的机组冷凝器进行拆检,经观察,冷凝器铜管无明显损伤部位,达到了预期目的。

3.4使用管理建议

为进一步减少海水对冷凝器铜管的腐蚀,结合当前冷水机组使用管理方案,提出合理的冷水机组使用管理策略:

(1)在一段时间内固定几台机组开机,不开的机组做备用机时,将冷却水进出水阀门关闭,将冷却用的海水放掉,再灌进淡水适当清洗,之后直接在水室内灌满淡水进入待机状态。

(2)船进入淡水区域时,即使不需要开冷水机组,也要将冷却水泵开启运行一段时间,将冷凝器内的海水给置换掉,以缩短海水对冷凝器影响的时间。

(3)定期对冷凝器进行机械清洗,清除换热管表面结垢与沉淀物,以降低换热管被腐蚀的概率。

4结论

本文结合远洋船舶周边的环境特点,制定了螺杆机组电磁涡流检测流程及方案,并根据检测结果,制定冷凝器铜管的优化改进方案,提出了合理的机组使用管理策略。通过研究得到如下结论:

(1)电磁涡流检测方法的检测速度快、灵敏度高以及非接触式检测等优点,使得其成为热交换器管非常有效的检测手段,是保障远洋船舶冷水机组正常运行的重要技术手段。

(2)六台冷水机组冷凝器铜管均出现了比较严重的损伤,从腐蚀部位来看,相对比较集中,大部分位于距离冷凝器铜管管口5cc以内,且进口端腐蚀程度远大于混合端,这就表明冷凝器铜管进口端受到了海水流速和泥沙的直接冲击,产生的冲刷腐蚀严重。

(3)在冷凝器铜管进口端加装一定规格的聚乙烯护套,能减小海水对冷凝器铜管管口、管板的直接冲击,有效避免海水流速及泥沙对冷凝器铜管的冲刷磨损。

(4)冷水机组冷凝器铜管受海水腐蚀不可避免,合理调整冷水机组使用管理策略,能有效降低冷凝器铜管被海水腐蚀损伤的概率。