ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА (опыт комплексной диагностики трубного пучка)

Котлы-утилизаторы, интегрированные в технологические цепочки промышленных предприятий, работают в условиях высоких температур, циклических нагрузок и агрессивных сред. Дымогарные трубы таких аппаратов являются наиболее уязвимым элементом конструкции: на их поверхности развиваются коррозионные процессы, эрозионный износ и локальные питтинги.

Традиционные методы периодического освидетельствования — визуальный и измерительный контроль, выборочная ультразвуковая толщинометрия — не всегда позволяют выявить дефекты на ранней стадии: они охватывают лишь малую долю поверхности и практически не дают информации о состоянии средних участков труб, недоступных для прямого осмотра.

Вихретоковый контроль (далее — ВТК) зарекомендовал себя как эффективный инструмент внутритрубной диагностики теплообменного оборудования. Он обеспечивает сплошное сканирование протяжённых участков с высокой производительностью и позволяет выявлять локальные утонения стенки задолго до достижения ими критических значений.

Специалистами ООО «Эталон» в июле 2026 года выполнены работы по техническому диагностированию трубного пучка котла-утилизатора Q19/1100-12.5-1.0. Работы проводились в рамках планового освидетельствования оборудования перед продлением срока его безопасной эксплуатации.

Объект контроля — вертикальный кожухотрубчатый котёл-утилизатор Q19/1100-12.5-1.0, изготовленный в КНР, с неподвижными трубными досками. Аппараты данного типа широко применяются в энергетических установках для утилизации теплоты выхлопных газов. Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные технические характеристики объекта контроля

Рисунок 1 — Конструктивная схема котла-утилизатора Q19/1100-12.5-1.0 (продольный разрез)

Рисунок 2 — Общий вид верхней трубной доски котла-утилизатора

Длительная наработка — более 15 лет — предполагала повышенный риск развития коррозионных поражений и снижения остаточной толщины стенок труб. Это определило выбор сплошного (100 %) метода контроля вместо выборочного.

Вихретоковый контроль был выполнен многочастотным электромагнитным дефектоскопом «Корсар-16К AKASCAN», оснащённым системой автоматической обработки сигналов и архивирования результатов. Применялся внутренний проходной трубный преобразователь (ЭМП), обеспечивающий возбуждение вихревых токов по всей толщине стенки трубы.

Физическая основа метода состоит в следующем. Переменное магнитное поле возбуждающей катушки наводит в стенке трубы вихревые токи. Локальное уменьшение толщины стенки изменяет их распределение, что регистрируется измерительной катушкой как изменение амплитуды и фазы сигнала. Фазовый угол сигнала однозначно связан с глубиной залегания и величиной дефекта, что позволяет уверенно разделять полезные сигналы от утонений и помехи от шероховатости поверхности (рисунок 3).

Рисунок 3 — Схема вихретокового контроля дымогарной трубы внутренним проходным преобразователем и годографы сигналов от дефектов различной глубины

Таблица 2 — Средства контроля

Таблица 3 — Параметры проведения контроля

Последовательность выполнения работ приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Технологическая последовательность вихретокового контроля трубного пучка

Рисунок 5 — Рабочий экран многочастотного дефектоскопа: комплексные плоскости сигналов на частотах 7,5 / 25 / 50 / 75 кГц и развёртки амплитуды по длине трубы

Для однозначной интерпретации результатов приняты три уровня оценки, отнесённые к номинальной толщине стенки трубы s = 3,5 мм. Уровни приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Принятые уровни оценки результатов контроля

Браковочный уровень принят по результатам поверочного расчёта элементов котла на прочность. При изменении расчётных параметров (рабочего давления, температуры) значение подлежит пересмотру.

Контролю подвергнута вся доступная для прохождения датчика поверхность труб по длине, за исключением сварных соединений и зон приварки к трубным доскам. Все данные измерений сохранены в памяти прибора с координатной привязкой каждого дефекта. Сводные результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Сводные результаты вихретокового контроля 223 дымогарных труб

Рисунок 6 — Распределение труб по группам технического состояния и доля труб с выявленными утонениями

Максимальное зафиксированное утонение составило 1,40 мм, то есть 40 % номинальной толщины стенки; остаточная толщина в точке измерения — 2,10 мм.

Пространственное расположение дефектных труб по сечению пучка представлено на картограмме (рисунок 7). Выраженной локализации дефектов по секторам трубной доски не прослеживается.

Рисунок 7 — Картограмма трубного пучка по результатам 100 % вихретокового контроля

Распределение выявленных дефектов по глубине утонения приведено на рисунке 8. Основная масса дефектов — 28 труб из 42 — сосредоточена в интервале от уровня фиксации до контрольного уровня и не требует немедленных мероприятий.

Рисунок 8 — Распределение 42 труб с выявленными утонениями по глубине максимального дефекта

В отличие от распределения по сечению пучка, распределение дефектов по длине труб имеет отчётливо выраженную закономерность (рисунок 9). Из 42 труб с утонениями 25 труб — 59,5 % — имеют максимальный дефект в пределах первых 1500 мм от верхней трубной доски, то есть в зоне входа продуктов сгорания. Обе трубы группы III также расположены в этой зоне.

Рисунок 9 — Распределение выявленных утонений по длине дымогарных труб

Все обнаруженные дефекты дополнительно были верифицированы посредством сравнительного анализа амплитудно-фазовых характеристик и повторного прохождения преобразователя через зоны с выявленными аномалиями. Коэффициент воспроизводимости результатов составил 98,7 %, что подтверждает высокую достоверность измерений.

Амплитудно-фазовая диаграмма дефектоскопа показала чёткую дифференциацию между сигналами, вызванными геометрическими неоднородностями металла (утонениями), и помехами от шероховатости внутренней поверхности. Это позволило исключить ложные срабатывания и обеспечить высокую специфичность диагностики.

Для независимого подтверждения результатов в зонах наиболее значимых аномалий выполнен видеоэндоскопический контроль внутренней поверхности труб. Осмотр подтвердил наличие локальных язвенных поражений и отложений продуктов коррозии в местах, указанных вихретоковым методом.

Рисунок 10 — Видеоэндоскопический контроль внутренней поверхности трубы для верификации результатов ВТК

Характер распределения дефектов указывает на преобладание эрозионного механизма износа над коррозионным поражением. Наибольшая концентрация утонений приходится на зону входа высокотемпературного газового потока, где скорость газа и содержание твёрдых частиц максимальны, а турбулизация потока на входе в трубы вызывает интенсивное абразивное воздействие на стенку.

По мере продвижения газа вниз по трубе скорость и температура потока снижаются, соответственно снижается и интенсивность износа. Это подтверждается монотонным убыванием числа выявленных дефектов от верхней трубной доски к нижней (см. рисунок 9).

В пользу эрозионной природы повреждений свидетельствует и морфология дефектов: выявленные утонения носят локальный, точечный характер, в отличие от равномерного утонения по периметру трубы, характерного для общей коррозии. Признаков сплошного коррозионного поражения металла по результатам контроля не установлено.

Оценка остаточного  ресурса  была  выполнена в консервативном предположении о равномерном во времени развитии утонения на протяжении всей наработки. Средняя скорость утонения определена как отношение измеренной глубины дефекта к наработке аппарата (15 лет). Результаты расчёта приведены в таблице 6.

Таблица 6 — Оценка скорости утонения и прогноз достижения браковочного уровня

Рисунок 11 — Прогноз развития утонения стенки и остаточный ресурс труб по группам технического состояния

Наиболее быстро браковочного уровня достигают трубы группы II — ориентировочно к 2033 году. Назначение интервала повторного контроля продолжительностью 3 года обеспечивает более чем двукратный запас по времени относительно этого срока и позволяет своевременно скорректировать прогноз по фактическому приращению глубины дефектов.

Расчёт выполнен при отсутствии данных предыдущих обследований и потому опирается на допущение о линейном развитии утонения. По результатам повторного ВТК скорость утонения должна быть уточнена по фактическому приращению глубины дефектов за межконтрольный период.

Выводы

1. Выполнен вихретоковый контроль всех 223 дымогарных труб котла-утилизатора в объёме 100 %. Утонения стенки выше уровня фиксации выявлены в 42 трубах (18,8 %); 181 труба (81,2 %) дефектов не имеет.
2. Две трубы группы III (№ 3-2 и № 12-3) с утонением свыше 1,0 мм превысили браковочный уровень. Остаточная толщина стенки составляет 2,10 и 2,35 мм соответственно; дальнейшая эксплуатация этих труб недопустима по условиям безопасности.
3. Двенадцать труб группы II (утонение 0,5—1,0 мм) превысили контрольный уровень. Они пригодны к дальнейшей эксплуатации, но подлежат постановке на индивидуальный мониторинг.
4. Техническое состояние остальных 209 труб (93,7 %) соответствует нормативным требованиям и допускает продолжение эксплуатации без ограничений.
5. Выявленные дефекты носят локальный характер и сосредоточены преимущественно в верхней части трубного пучка, что свидетельствует о преобладании эрозионного механизма износа над коррозионным.
6. Коэффициент воспроизводимости результатов 98,7 % и результаты видеоэндоскопической верификации подтверждают достоверность выполненных измерений.
7. После замены двух труб, превысивших браковочный уровень, техническое состояние котла-утилизатора в целом оценивается как удовлетворительное, а его дальнейшая безопасная эксплуатация — как возможная.

По результатам диагностирования были разработаны рекомендации, приведённые в таблице 7.

Таблица 7 — План рекомендуемых мероприятий

Глушение двух труб из 223 (0,9 % трубного пучка) практически не сказывается на теплопроизводительности аппарата и является допустимой альтернативой замене при ограниченных сроках ремонта.

Применение вихретокового контроля предпочтительнее выборочного визуального и измерительного контроля, поскольку обеспечивает сплошной охват трубного пучка и раннее выявление внутренних дефектов. Это позволяет заранее определить объём ремонта, заказать необходимые материалы и оптимизировать сроки проведения работ.

Вихретоковый метод неразрушающего контроля продемонстрировал высокую эффективность при диагностике технического состояния дымогарных труб котла-утилизатора. Выявленные дефекты — 42 трубы с утонением стенки от 10 до 40 % номинальной толщины — локализованы в определённых зонах теплообменника, что позволило установить механизм повреждения и адресно определить объём ремонтных работ.

После замены двух труб, превысивших браковочный уровень, и при условии выполнения рекомендаций по мониторингу и периодическому контролю дальнейшая эксплуатация аппарата не представляет угрозы безопасности. Применение метода позволяет объективно оценить техническое состояние оборудования, обоснованно спланировать объём капитального ремонта и оптимизировать сроки эксплуатации.