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在役换热器管漏磁内检测传感器设计点击：1950 日期：[ 2014-04-26 22:05:59 ] |
| 在役换热器管漏磁内检测传感器设计 武新军1,刘宏伟1,康宜华1,李 涛2,李春树2 (1华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074;2中国石油化工股份有限公司,天津300271) [摘 要]根据漏磁检测基本原理,研制了在役换热器管漏磁内检测传感器,包括磁化方式和检测元件的选取 等.并在38mm的换热管上进行了详细实验,结果表明该传感器可有效检测出1.6mm的通孔、20%的外壁 截面积损失和20%壁厚深度圆锥盲孔.该装置具有检测灵敏度高,性能可靠的优点,有较好的应用前景. [关键词]铁磁性换热器管;漏磁检测;无损检测;缺陷 [中图分类号]TG115.28[文献标识码]:A 铁磁性换热器管应用广泛,其腐蚀是管壳式换 热器最主要的失效形式,常因此造成巨大经济损失. 为了防止安全事故的发生,保障工厂的高效安全运 行,对在役换热器管进行定期检测,是非常必要的. TSGR7001-2004《压力容器定期检验规程》和 SHS01009-2004《管壳式换热器维护检修规程》对 压力容器在役检测进行了具体的规定.换热管束制 造所用的材料主要有碳钢、合金钢、奥氏体不锈钢、 铜、铝、钛等,碳钢作为一种传统的制造材料,使用广 泛.其中无缝换热器钢管外径一般小于60mm,对 于该类小直径换热管的在役检测,受碳钢的铁磁性 效应及换热管束结构的影响,传统的涡流、超声等检 测方法并不适用[1-3].铁磁性换热器管的在役检测需 要特殊的方法,其检测长期以来依赖国外产品,花费 巨大.因此,有必要开展对在役铁磁性换热管检测方 法与仪器的研究,寻找快捷可靠的检测方法,以保证 换热器的安全高效运行. 1 漏磁检测原理 在大直径铁磁性管道的在线漏磁检测中,为达 到较好的磁化效果,常使用沿周向阵列磁铁的方法 来获得所需的励磁源.然而换热器管空间过于狭小, 无法容纳足够体积的永磁铁来达到理想的磁化效 果,无法应用周向阵列磁铁的方法.为了改善漏磁传 感器的磁化能力,采取的磁路设计如图1所示.传感 器部分主体由永磁体、衔铁、磁敏元件等组成,2块磁极相对且方向与管道轴线相同的圆柱形永磁铁通 过中间衔铁相连,衔铁的中间部分比两端要窄,用来 提供磁敏元件和信号电路安装的空间.端部衔铁将 轴向的磁场转化为较均匀的周向磁场导入管壁中, 使管道得到磁化从而构成整个磁化回路.为使磁化 器对整个管壁具有均匀的磁化能力以及避免传感器 震动产生噪声干扰,检测过程中保证传感器与管道 的同轴是必要的. 1.1 磁化方式选择 可选用的磁化方式有线圈磁化、永磁体磁化等. 线圈磁化为常用的磁化方式之一,其优点在于磁化 强度可调,磁化能力较强,不足之处在于发热较大, 而且在这里受换热器管内部空间狭小的限制,磁化 效果不够理想.永磁磁化用永磁铁作为激励源,稀土 永磁磁铁,特别是铷铁硼磁铁具有磁能积高,体积 小,无需电源,使用方便的优点,在磁性检测中得到 广泛的应用.虽然永磁磁化的磁化强度不能调节,但 通过适当的磁路设计也可以达到较理想的磁化效 果.综合考虑,换热管磁性检测传感器使用永磁铁作为励磁源. 在铁磁性管道实际检测中,为了使管壁磁化至 饱和及有利于缺陷的检测,经验公式表明,永磁体的 横截面至少要达到被测管道管壁横截面积的2倍 对于某些换热器管,在假设管内全被磁铁充满的情 况下都无法满足管壁被磁化饱和的要求.实际检测 中,由于需要考虑传感器的运动和封装等限制,可采 用的最大直径磁铁的截面积更少于理论值,因此,对 小管径铁磁性换热器管进行的漏磁检测是在管壁磁 化欠饱和的情况下进行的,这大大影响了检测的灵 敏度.实际上,这也是小管径铁磁性换热器管漏磁检 测主要的困难之一. 1.2 磁敏传感器选择 霍尔元件可测量绝对磁场大小,并与速度无关 但为保证换热管的整个周向无漏检,需要布置一整 圈霍尔元件,然而在如此狭小的空间内霍尔元件的 布置比较困难,电路处理复杂.霍尔元件的另一个缺 点是线性范围有限,当磁感应强度较大时容易饱和 而丧失其灵敏度. 感应线圈通过切割磁力线产生感应电压,感应 电压的大小和线圈的匝数以及穿过线圈的磁通量变 化率相关,因此线圈存在速度效应,所得检测信号的 大小和传感器移动的速度相关,传感器移动速度的 变化也将产生干扰信号.在检测中,保持传感器移动 速度的均匀性是非常重要的.感应线圈测量的是磁 场的相对变化量,并在空间域上对高频率磁场信号 更敏感.根据测量目的不同,感应线圈可以做成多种 形式,绝对式线圈可用来测量壁厚的损失,差分线圈 可以降低噪声同时增加灵敏度,阵列贴片线圈对管 道相对应的局部区域腐蚀敏感且具有空间分辨率 相对于霍尔元件,感应线圈最大的优点在于可以保 证检测管道的周向覆盖,同时结构坚固,使用方便 综合考虑各方面的相关因素,磁敏传感器采用感应 线圈. 1.3 线圈方式设计 漏磁检测磁敏元件采用差分线圈和阵列贴片线 圈两种形式,线圈均布置于中间衔铁的直径较小部 分并处于衔铁的中心或者与衔铁中心对称分布.由 于管道内部的轻微腐蚀和传感器运动的不平稳性 加上传感器吸附管道内的铁屑在运动过程中造成的 干扰,绝对式线圈在检测过程中噪声非常大,缺陷信 号很容易被淹没,而差分线圈可以有效减少这些噪 声的影响.下面对差分线圈和阵列贴片线圈在漏磁 检测中的不同特点进行研究.采用两个特性一致的 线圈反向连接的差分方式,两个线圈都为60匝,采 用0.1mm漆包铜线绕制,中间相隔2mm,单个线圈宽约2mm. 在Φ38mm×3mm换热管上加工Φ3.2mm、Φ1.6mm、Φ0.8mm通孔缺陷各一个,在实验过程 中发现,在距Φ1.6mm通孔不远处存在大面积自 然腐蚀缺陷.检测元件采用差分线圈.尽可能保持传 感器移动速度恒定使传感器经过缺陷,测得各缺陷 的信号大小如图2所示.从图中看出,随着通孔直径 的增大,缺陷信号的峰值也变大.对Φ3.2mm通孔 信号检测十分明显.但是对Φ1.6mm通孔缺陷,信 号微弱,且信噪比低,而在自然缺陷处,漏磁传感器 检测信号比较杂乱. Φ0.8mm通孔未能检出. 为了研究漏磁检测传感器对裂纹和孔两类不同 缺陷类型的检测灵敏度,在Φ38mm×3mm的换热 器管外壁上用数控刻伤机加工长20mm,宽1mm, 深度分别为壁厚的10%(0.3mm),20%(0.6mm), 40%(1.2mm)的三处横向裂纹,裂纹和原来加工的 孔,裂纹和裂纹之间间隔足够的距离从而互不影响. 用漏磁传感器对各缺陷处来回反复进行检测,采用 差分线圈.测得40%外壁裂纹检测信号如图3(a)所 示,从图中可以看出,缺陷信号十分明显,信噪比很 高.20%缺陷的检测信号如图3(b)所示,信号依然 明显,但是缺陷信号的幅值和灵敏度迅速下降.实验 中,10%外壁缺陷未能检出.但是考虑到检测方式为 内部检测,因为传感器对管道内表面裂纹的检测灵 敏度比外壁裂纹要高,因此漏磁传感器对内部裂纹的检测灵敏度要优于20%壁厚深度. 尽管差分线圈可以大大减少传感器在移动过程 中的噪声信号,但是由于绕制工艺无法保证两线圈 的特性完全一致,且差分线圈对整个圆周方向的噪 声干扰都会产生叠加的输出,使得差分线圈在检测 中依然有较大的噪声.差分线圈的另一个缺点是它 对圆周方向不同位置的缺陷具有相同的输出而没有 空间分辨力,阵列贴片式线圈较好地解决了这一问 题.采用阵列小型贴片式线圈可以提高检测信号的 信噪比同时增加了传感器的空间分辨能力,其不足 之处在于输出通道增加使后续的处理电路变得复 杂.实验中采用的贴片线圈实物照片如图4所示.分 为32mm×9mm×0.1mm和13mm×9mm×0.1 mm两种规格,匝数都为15匝,贴片线圈采用小直 径的漆包线印制在塑料膜片上进行封装,因而具有 良好的柔软性,使用方便. 将漏磁传感器中的磁敏元件换成贴片线圈,对 缺陷处进行反复检测并保持检测速度的均匀性.图 5为Φ38mm×3mm换热管检测传感器采用贴片 线圈检测Φ3.2mm通孔时所获得的信号图,由它 们之间的对比可以看出,受线圈匝数的影响,差分线 圈测得的信号峰峰值远大于贴片线圈,但是贴片式 线圈的噪声更小,信噪比更好. 2 换热器管漏磁传感器设计 2.1 基本要求 如前所述,换热器管漏磁内检测传感器主要包 括励磁回路和磁敏检测元件两部分,然而如果要满 足实用要求,还需要满足以下几点. 1)为了实现检测传感器对换热器管整个管壁检 测灵敏度的一致性,防止漏检和误报,传感器在检测 过程中应尽量保持和换热器管有良好的同轴性.受 磁性检测原理的限制,传感器的检测过程振动会产 生大量的噪声信号,为了抑制噪声和提高信噪比,传 感器在检测过程中应能吸收振动,保持平稳,同时进 退灵活,有利于驱动. 2)由于换热器管在使用过程中容易发生结垢, 内部腐蚀物沉淀,管道变形等失效形式,要求检测传 感器能通过一定的变形区域,在空间上具有浮动能 力. 3)传感器与驱动机构之间的电气和机械连接应 该可靠,拆卸维护方便. 2.2 漏磁检测传感器设计 上一节所提及的1)、2)两点要求实际上是一致 的,即如何设计良好的传感器运动支撑机构以满足 传感器运动和检测的要求.对于大直径管道内通过 式检测传感器或者虽然被检测的管道内径较小但传 感器本身直径不大可以有足够的空间来设计支撑结 构时,一般采用支撑结构空间等角度排列的方式实 现传感器的对中性,支撑结构通过滚轮与管壁接触, 进退灵活,与传感器之间则采用弹簧连接,从而具有 良好的浮动能力.另一类小直径内通过式检测传感 器比如涡流检测传感器通常采用一种形如花瓣的支 撑体,张开的支撑体一端与传感器体相连,另一端与 传感器体之间是悬空的,可以压缩.这类支撑体采用 特殊材料制作,坚韧耐磨同时具有一定的柔软性,由 于涡流传感器与管壁之间无磁吸力,这种方式也能 够满足使用的要求. 在换热器管漏磁传感器的设计中,由于换热器 管磁性检测传感器与被检管壁之间具有较强的磁吸 力,而且如前所述,为了保证传感器的灵敏度,磁检 测传感器必须满足一定的截面积要求,因此支撑机 构的设计空间就受到限制.在狭小的空间内设计机 械式的支撑结构比较困难,而涡流传感器所用的支 撑体强度不够,因此考虑采用其他的支撑方式. 综合比较以上相关因素,设计换热器管漏磁检 测传感器的整体结构如图6所示.图中1为端部连 接体,通过螺纹孔与气压系统所使用的直通接插件相连.2为耐磨橡胶垫圈,3为端部衔铁,图中橡胶垫 圈通过端部连接体与衔铁之间的螺纹连接进行压紧 定位,并可以进行压力调节.采用螺旋压紧安装方式 的另一个优点是拆卸便捷,当垫圈经过一段时间的 使用发生磨损时便于更换.橡胶垫圈能够为传感器 提供较好的支撑使传感器保持良好的对中性,在传 感器运动的过程中它可以吸收振动.由于橡胶具有 柔软性,所以具有一定的空间避让能力,能够通过不 超出变形范围的污垢、沉淀或者变径区域.这种结构 的缺点在于橡胶垫圈与管壁间的摩擦力较大,对传 感器运动存在不利影响.图中4为筒体,材料选用 304成型不锈钢管,这种不锈钢不导磁,耐磨,耐腐 蚀,在很薄的情况下依然具有较高的机械性能,可以 在相同外径下为传感器内部提供更多的空间.磁铁、 衔铁、筒体和磁敏元件通过端部衔铁上的螺钉定位 在一起,它们组成一个独立的整体,这种模块化的设 计使传感器的改进更加方便. 根据前述分析,差分线圈和贴片线圈各有优缺 点,传感器设计中将它们结合起来,同时使用差分线 圈和贴片线圈,线圈的分布如图7所示.信号连接线 经过磁铁侧面加工的出线槽、衔铁和端部连接体的 中心孔引出. 根据上述方案设计出的不同规格的换热器管漏 磁检测传感器如图8所示,检测信号经传感器右边 的软管电缆引出,同时这里的软管电缆还用来传递 动力驱动传感器前进.传感器与软管电缆之间的连 接采用可拆卸式,可以根据被测管道的直径更换不 同的传感器. 3 现场初步应用 2007年1月29日在天津石化机械研究所对该 装置进行初步试验,试验的标样管如图8所示.将材 质为20#钢的38mm×3mm×3000mm的换热器 管剖成一半,在管道的一端距管道端部400mm的 内表面上沿中轴线加工Φ2mm、Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm、Φ10mm、Φ12mm的通孔各一个,孔中心 之间的距离L为200mm.在管道的另一端距管道 端部400mm加工深度分别为壁厚的20%、40%、 60%、80%的圆椎盲孔各一个,锥顶角为120°,各缺 陷中心的距离和通孔之间的距离也为200mm. 利用漏磁检测传感器对上述缺陷标样管进行检 测,检测得到的通孔信号如图9(a)所示,圆锥盲孔 的检测信号如图9(b)所示.从图中可以看出,检测 传感器能够检出Φ2mm通孔和20%壁厚深度圆锥 盲孔,且20%圆锥盲孔信号明显. 综合上面现场试验情况可以看出,漏磁检测传 感器能够测出Φ2通孔和20%壁厚深度圆锥盲孔, 根据《在用锅炉管定期检验规则》规定,当壁厚损失 小于20%时,不影响换热管继续使用.因此,换热器 管的磁性检测传感器对壁厚损失缺陷的检测可以满 足现场检验需求. 4 结论 本文论述了铁磁性换热器管无损检测装置开发 的必要性,重点研究了换热器管漏磁内检测传感器 的设计.对漏磁检测传感器进行了现场初步试验.试 验结果表明,磁性检测传感器能够检出Φ1.6通孔 和20%壁厚深度圆锥盲孔,达到了设计指标,能够 满足现场使用的要求. [参考文献] [1]范智勇,郑超雄.漏磁技术应用于无缝换热器管在役 检测的研究[J].无损探伤,2006,30(1):37-38. [2]李明,任爱,薛飞.铁磁性材料热交换管的远场 涡流检测探讨[J].无损检测,2005,27(1):6-9. [3]范智勇,郑超雄.铁磁性材质铝翅片管的在役检测 [J].无损检测,2006,28(5):233. |
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