CN100533176C - 奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置 - Google Patents

Abstract

奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置，属于磁性无损检测技术领域。包括探头和检测仪表，探头通过导线连接到具有2～8个信号通道的检测仪表上，探头由封装外壳(1)、检测用磁场敏感元件(2)和永磁体(4)组成；探头中有2～8个检测用磁场敏感元件(2)安置外壳(1)内的圆柱面一侧，每一个检测用磁场敏感元件(2)上配置一个条形永磁体(4)，或者为所有检测用磁场敏感元件(2)上配置公用的片状永磁体；由永磁体(4)建立的磁场磁化受检管(5)内可能存在的强磁性氧化物(6)，由检测用磁场敏感元件(2)在受检管(5)壁外表面检测来自管内氧化物(6)的杂散磁场的强度。优点在于，能够对奥氏体不锈钢管道内氧化物的堆积厚度进行准确检测。

Description

奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置

技术领域

本发明属于磁性无损检测技术领域，特别是提供了一种奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置，用于对奥氏体不锈钢管道内氧化物进行无损检测，特别是对于氧化物在管道内部空间中的分布情况进行检测。

背景技术

大型锅炉中使用的奥氏体不锈钢管道在运行过程中内壁发生氧化。由于氧化产物与钢管之间热膨胀系数的差别较大，在管道温度变化时，氧化皮会因由此产生的热应力而剥落，并在管道下弯头附近沉积下来。为了保证锅炉的正常运行，需要用无损检测方法确定锅炉管道内部是否有氧化物，许多情况下希望知道氧化物再管内的分布情况，特别是氧化物在局部位置上堆积高度、或者说它将管子内孔堵塞的程度，以便对氧化物造成的危险性进行评价。

在ZL 03 1 09490.2中给出了一种磁性无损检测方法及相应的检测装置。该检测方法中，在非磁性的奥氏体不锈钢管外部施加稳恒的强磁场，将管道内强磁性的氧化物磁化，从管道外部利用磁场敏感元件检测氧化物产生的杂散磁场信号。将该检测信号与无氧化物管道部位上的基本信号进行对比，判断管道内氧化物的存在与否。不过，此检测装置的检测信号随着管内氧化物堆积厚度的增加比较快速地趋于饱和值。一旦检测信号接近于其饱和值，就不能再由检测信号的强度来判断管内氧化物的堆积厚度。现有的检测装置的有效检测厚度只有大约10mm，尚不到常用锅炉过热器管内径(一般都在20mm以上)的一半。这样，当管内氧化物堆积厚度超过有效检测厚度时，现有的检测装置不再能有效判断管内氧化物的堆积厚度。沿着管的圆周方向转动检测探头判断氧化物堆积高度时，在某些情况下又会发生误判。造成误判的原因是：一方面从管壁上脱落的氧化皮一般可以在管内自由移动；另一方面，检测探头中使用了比较强的永磁体作为其稳恒强磁场源。这样，检测管壁比较薄、管径比较小的管道时，检测探头转动过程中，其中与磁场敏感元件保持相对位置固定不变的U形永磁体会将管内的氧化物吸附在其磁极附近一起移动，或者由检测探头在管子顶部直接将氧化物从管底部吸附到其磁极附近。这种吸附改变了管道内氧化物的原有分布状态，引发对管内氧化物分布情况的误判。比如，锅炉过热器中经常使用外径为42mm的奥氏体不锈钢管，用现有检测装置检测时，检测探头对氧化物的吸附无法避免。如果管内氧化物堆积厚度达到10mm左右，沿着管道周向转动检测探头，在各角度上都会得到接近饱和值的检测信号，无法与氧化物将管内部完全堵死的情况进行区别。

使用γ射线检测方法可以对管道内氧化物的沉积进行无损检测，通过图像确定氧化物的分布情况，其缺点在于使用γ射线带来辐射危险性，影响锅炉中的其他检修工作。

本发明内容

本发明的目的在于提供奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置。利用该无损检测装置，实现了对于管内氧化物堆积厚度的准确判断，解决了现有技术中因为检测信号饱和造成无法判断的问题，也解决了检测探头改变管内磁性氧化物分布状态而造成误判的问题。

本发明包括探头和检测仪表。探头通过导线连接到具有2～8个信号通道的检测仪表上。其中，探头由封装外壳、检测用磁场敏感元件和永磁体组成。检测用磁场敏感元件和永磁体封装于外壳中；外壳具有能够贴紧于受检管壁上的圆柱面；探头中有2～8个检测用磁场敏感元件安置外壳内的圆柱面一侧，每一个检测用磁场敏感元件上配置一个条形永磁体，或者为检测用磁场敏感元件上配置公用的片状永磁体。检测时，由探头中的永磁体建立的磁场将受检管内可能存在的强磁性氧化物磁化，由探头中的磁场敏感元件在受检管壁外表面检测来自管内氧化物的杂散磁场的强度。

本发明的检测装置中，封装外壳由非磁性材料制成，其内部空间的空隙内可以填充任何的非磁性物质。从而可以将检测用磁场敏感元件与永磁体及外壳的相对位置固定。(新添加内容)

本发明的检测装置的一种方式中，探头内的2～8个条形永磁体在朝向受检测管壁一侧上为同性磁极。

本发明的检测装置的一种方式是将一个补偿用磁场敏感元件安装在探头中永磁体的另一端上。由探头中的检测用磁场敏感元件和补偿用磁场敏感元件所产生的信号构成差动输出信号，作为检测装置的检测信号，可以降低或者消除检测用磁场敏感元件的背底信号。

本发明的检测装置的另一种方式是将补偿用磁场敏感元件与配置的永磁体一起装在检测仪表内，构成一个补偿器。这样，由探头和安置于检测仪表内的补偿器构成差动输出信号，降低或者消除检测用磁场敏感元件的背底信号，作为检测装置的检测信号。

探头中检测用磁场敏感元件的安置方式，最好使其检测来自氧化物的杂散磁场垂直于管壁方向上的径向分量，也可以检测该杂散磁场在与管道径向夹角在0～75度范围内的某个方向上的分量。

本发明的优点在于：

(1)本发明的检测装置，通过来自检测探头中不同位置上的磁场敏感元件的检测信号综合判断管内氧化物的堆积高度，克服了现有技术中依赖检测探头中一个磁场敏感元件的检测信号随着管内氧化物堆积厚度的变化检测信号饱和带来的问题，能够对奥氏体不锈钢管道内氧化物的堆积厚度进行准确检测，不受管内氧化物堆积厚度的限制，特别适合于氧化物堆积高度在10mm以上时的堆积厚度的判断。

(2)利用本发明的检测装置可以对各种规格的奥氏体不锈钢管道内氧化物的堆积厚度进行准确检测，避免小规格的管内因氧化物被检测探头中永磁体吸附悬空造成误判。

此外，本发明的检测方法与装置，不仅可以用来对奥氏体不锈钢管道中的磁性内氧化物进行检测，也可以检测其它来源的磁性异物。

以下通过检测装置的实施例对本发明予以说明。作为对比，给出了现有技术的检测装置的一个实施例进行检测时的工作状况。

附图说明

图1现有技术中的探头检测时的照片，其中，对外径为42mm、壁厚为6mm的不锈钢管检测时将管内氧化物吸附起来，造成氧化物堆积厚度误判。(对比例)

图2本发明中一个四点探头的实施例处于检测位置上的示意图。其中，外壳1、检测用磁场敏感元2、补偿用磁场敏感元件3、条形永磁体4、被检管的半边5、管内的氧化物6。

图3图2所示的探头对于管内氧化物堆积高度的检测特性曲线。s1～s4分别是探头的四个检测点处的检测信号随着管5内氧化物6堆积高度的变化曲线，这四个信号来自探头中由下向上的四个检测用磁场敏感元件2、并经过补偿用磁场敏感元件4以差动形式进行补偿。

图4本发明的一个三点检测探头实施例示意图。其中，1为外壳，2为检测用磁场敏感元件，3为补偿用磁场敏感元件，4为条形永磁体。

图5本发明的一个两点检测探头实施例示意图。其中，外壳1、检测用磁场敏感元2、补偿用磁场敏感元件3、条形永磁体4。

具体实施方式

图1中给出了ZL 03 1 09490.2的现有技术中的检测装置检测时的照片，其中受检管的外径为42mm的不锈钢管。这种检测装置给出的检测信号随着管内氧化物堆积高度的增加比较迅速地趋于饱和，有效的检测厚度一般不超过10mm。为了判断管内氧化物的堆积厚度，有时需要围绕受检管道旋转检测探头。图1显示：检测探头处于管子顶部时，管中的氧化物被探头所吸附，使得管内氧化物不再是平铺在管底部的自然分布状态。此时，检测装置在管子顶部检测时仍然获得很强的检测信号。由此我们很可能得出管内已经被氧化物填充满、即管道内部横截面完全被氧化物阻塞的错误结论。

图2所示为本发明的检测装置中一种探头的结构示意图。图中的探头处于对水平放置的受检测管5进行检测的位置上，其中只给出了受检管5位于探头一侧的部分，管5内有氧化物6。检测探头由外壳1、检测用磁场敏感元件2和永磁体3组成。外壳1具有部分圆环状的底面轮廓，内侧圆柱面的圆弧直径与被检测管的外径相匹配，以便检测时贴靠到受检管5的壁上，两者之间的间隙尽量小一些。探头中，在靠近其内侧圆弧边缘的圆周上等间隔地安置了四个检测用磁场敏感元件2，比如霍尔元件，其安置方式使其检测氧化物6的杂散磁场在垂直于管壁方向上的径向分量。探头中为每个检测用磁场敏感元件2配置一个条形永磁体4。沿着其纵向磁化的条形永磁体4，沿着径向呈辐射状安置。它们的相同磁极、比如所有的N极(或者其所有的S极)都布置在探头的内侧圆柱面附近。探头中还有一个补偿用磁场敏感元件3，它在外壳1的外侧边缘附近，与检测时远离受检测管5底部的检测用磁场敏感元件2公用一个条形永磁体4，二者分别安置于永磁体4的两个端头附近。通过极性的选择使补偿用磁场敏感元件3的输出与检测用磁场敏感元件2相抵消，以差动方式实现对检测用磁场敏感元件2在永磁体4的磁场中输出值的补偿，从而降低或者消除检测用磁场敏感元件2的背底信号。探头中还布置有图中未给出的所有磁场敏感元件的供电线路和输出信号引出线路，通过导线与检测装置的检测仪表相连接，由检测仪表同时定量检测出来自探头的四个检测用磁场敏感元件2经过补偿后的检测信号。

图3所示为图2中的探头对内、外径分别为35mm和55mm、壁厚10mm的奥氏体不锈钢管5的内氧化物6堆积高度检测得到的检测特性曲线。它由来自探头中从下至上的四个检测元件2的检测信号随着管5内氧化物6从管5底部开始的堆积高度(也就是厚度)的变化曲线s₁、s₂、s₃、s₄组成。

从图3所示的检测特性曲线中可以看到：当管5中氧化物6堆积厚度不超过10mm时，位于探头最底部的检测用磁场敏感元件2的输出信号迅速增加，对于管5内氧化物6堆积高度很敏感，而且两者之间近似呈线性，见图中曲线s₁。由此可以由检测信号的强度得出氧化物6在管5中的堆积高度。不过，管5内氧化物6的堆积高度超过10mm后，最底部的检测用磁场敏感元件2的检测信号开始趋于饱和，失去了对于管5内氧化物6堆积高度的灵敏性。故此，探头中检测元件2的有效检测高度范围为0至10mm。

随着管5中氧化物6堆积高度增加，探头中中间位置上的两个检测元件2产生的检测信号呈S形增加，在氧化物6的某个中间堆积高度范围内几乎呈线性增大关系，见图3中曲线s₂、s₃，因此形成对于管5内氧化物6堆积高度的各自有效检测。其中，从底部向上的第二个检测用磁场敏感元件2的有效检测范围是大约7.5mm至15mm的堆积高度范围，而底部向上的第三个检测用磁场敏感元件2的有效检测范围是10mm至27.5mm。同样，管5内氧化物6堆积高度超出一定范围时，中间的两个检测用磁场敏感元件2的输出信号失去对于氧化物堆积高度的敏感性，比如，管5内氧化物6堆积高度分别为大约20mm和30mm时，从底部向上的第二和第三个检测用磁场敏感元件2的输出信号达到饱和值。

当管5中氧化物6堆积高度达到20mm以上时，处于探头中最上方的检测元件2的输出信号开始明显增强，见图中曲线s₄。当管5中氧化物6堆积高度达到25mm以上时，检测信号随氧化物6堆积高度接近线性增加，直到管5内氧化物6堆积高度达到最大的35mm、即将管5全部填满。而最上方的检测用磁场敏感元件2的输出信号s₄对于管5中堆积高度在15mm以下的氧化物6几乎没有响应。因此，最上方的检测用磁场敏感元件2能够对于管5内氧化物6堆积高度的有效检测范围在25mm至35mm范围内，也就是对管5顶部的氧化物6堆积高度敏感。

根据探头给出的四个检测用磁场敏感元件2给出的检测信号的强度分布情况，能够准确判断管道4内在检测探头所处的管5的横截面上氧化物6堆积高度。各检测用磁场敏感元件2有各自的有效检测高度范围，不同检测用磁场敏感元件2的有效检测范围互相有重叠，它们的整体有效检测范围则覆盖受检管5的整个内径高度。

以下以使用图2所示探头为例，说明本发明的检测方法。

按照图2所示的相对位置关系，将探头内侧圆柱面从受检管5的侧面贴靠于受检管5的外壁上，探头中的检测用磁场敏感元件2处于不锈钢管5的某个纵向横截面上，形成对受检管5的一侧上不同高度位置上的四个检测点，它们等间距地分布在检测管壁外表面附近。由这四个检测用磁场敏感元件2分别给出四个检测点处的检测信号强度。由这四点的检测数据与图3所示的探头的已知检测特性曲线s₁、s₂、s₃、s₄对比，判断出受检管5内氧化物6的存在与否及其堆积高度。具体可能出现以下几种情况。

第一，如果探头中各检测用磁场敏感元件2所给出的检测信号都是其零输出信号(也就是探头在管5上某个可确认内部没有氧化物6的位置上时的输出信号)，与氧化物6的杂散磁场为零的情况相对应，由此可以确认管5内没有氧化物6。

第二，当探头中的检测用磁场敏感元件2所给出的检测信号都是零信号或者数值很低时，而最下方的检测元件2检测到氧化物6主要被永磁体4磁化后给出的杂散磁场的检测信号已经高于其零信号时，可以通过图3给出的检测特性曲线s₁，得出氧化物6在管5中的堆积高度。其中，应该注意到：这样得到的管5中氧化物6堆积厚度的有效值在0～10mm范围内。

第三，如果探头所给出的检测信号中，不仅最底部的检测用磁场敏感元件2提供的检测信号较大，而且从底部向上的第二、甚至第三的信号值检测用磁场敏感元件2提供的检测信号也都比较高，尤其是最底部的检测用磁场敏感元件2的检测信号已经达到或者接近其饱和值时，而最上部的检测用磁场敏感元件2的检测信号很低时，管5内中存在氧化物6的堆积高度分别依靠图3所示的检测特性曲线s₂或/和s₁、或者s₃和/或s₂计算得出。注意：利用从底部向上的第二、第三检测用磁场敏感元件2提供的检测信号计算的氧化物6堆积高度的有效范围分别为7.5mm～15mm和10mm～27.5mm。

第四，如果探头中的四个检测用磁场敏感元件2所给出的检测信号中，底部的三个所给出的检测信号都已经接近其饱和值，而最上面的检测用磁场敏感元件2给出的信号值也比较高，管5内中氧化物6堆积高度已经很大，依靠图3所示的检测特性曲线s₄和/或者s₃计算得出氧化物6堆积高度。利用s₄计算的氧化物6堆积高度的有效范围在25mm至35mm。

对于实际检测的观察表明：探头中永磁体4对于受检管5中氧化物6的吸引力基本未造成氧化物6整体移动，只是在探头所在一侧的管壁内表面附近造成少量片装氧化物6稍微改变分布状态，也就是将其薄片面尽量沿着所处位置上的磁化场的磁力线方向平行，几乎没有移位。探头从管5壁附近移走后，氧化物6几乎完全恢复原态。因此，检测时，探头并没有使管5内氧化物6分布形态发生变化。原因是：首先与现有技术相比，本发明的探头中用条形磁体4、通过同磁极在一侧的布置，避免使用U形永磁体，因此不会在管子内壁的局部通过吸附氧化物形成桥接，从而减轻了对管5内氧化物6的吸附作用力；第二，探头底部的永磁体4将管5内氧化物6吸附在原位上，再加上氧化物6自身重力的作用，探头上部的永磁体4不能将氧化物6吸附到更高的位置上去；第三，检测过程中不再需要沿着受检管的周向移动探头，因此探头中的永磁体不会从较低的高度位置上吸附氧化物6、再将其携带到较高位置上去。这样，就避免了现有技术中检测探头改变管内氧化物分布状态而造成误判的问题。

使用本发明的检测装置，沿着受检测管5的纵向平移检测探头，记录不同纵向位置的横截面上与管5内氧化物6杂散磁场信号相对应的检测信号，从检测信号随着纵向位置的变化可以得出管内氧化物6的堆积高度在检测区段内的变化，由此确定受检管5在检测区段内的氧化物6的分布情况。实际观察表明：检测探头贴靠在管道4侧面上沿着纵向移动时，管5内鳞片的氧化物6正好处于探头中某个永磁体磁极附近时，会由原来的姿态变化成与管内壁垂直的状态，而永磁体移开后恢复原来形态。检测探头并不会吸附管5内氧化物6一起移动，这可能是由于粉状或者片状的氧化物6受到其他氧化物阻碍、或者受管壁的摩擦阻力影响的缘故。故此，检测过程中，探头对于管5内的氧化物6的分布形态没有影响，从而避免对管5内氧化物6的分布情况造成误判。

图4所示为本发明的一个三点检测探头的实施例。探头具有三个检测用磁场敏感元件2，相应地配置了三个条形永磁体4。检测用磁场敏感元件2等间隔分布。探头具有一个公用的补偿用磁场敏感元件3。在预先试验确定了该探头的检测特性曲线后，采用该探头进行检测的方法与上述四点检测探头的类似，不再赘述。

图5给出了本发明的一个两点检测探头实施例，可用于对较小管径的奥氏体不锈钢管内氧化物的堆积高度进行检测。探头具有两个检测用磁场敏感元件2，相应地配置了两个条形永磁体4。探头具有一个公用的补偿用磁场敏感元件3。使用检测探头的检测方法，与上述探头类似，其中，检测探头同时给出的检测信号，与预先确定的检测特性曲线对比计算出管内氧化物的堆积高度。

本发明的检测装置并不局限于上述实施例。在本发明的框架范围内，可以通过改变探头中的永磁体所使用的材料及其磁性能级别，改变永磁体的形状或者其相对安置方式，比如将条形永磁体互相平行排列，以及改变检测用磁场敏感元件所检测磁场分量的方向，改变永磁体与检测用磁场敏感元件之间的相对位置关系，得到各种实现本发明的检测装置变例。

Claims (5)

1、一种磁性无损检测装置，包括探头和检测仪表，其特征在于，探头通过导线连接到具有2～8个信号通道的检测仪表上，探头由外壳、检测用磁场敏感元件(2)和条形永磁体(4)组成；检测用磁场敏感元件(2)和条形永磁体(4)封装于外壳(1)中，外壳(1)具有能够贴紧于受检管(5)壁上的圆柱面，探头中有2～8个检测用磁场敏感元件(2)安置在外壳(1)内的圆柱面一侧，该2～8个检测用磁场敏感元件(2)排列在沿着垂直于受检管(5)的轴线的纵向截面上，每一个检测用磁场敏感元件(2)上配置一个条形永磁体(4)，由条形永磁体(4)建立的磁场磁化受检管(5)内可能存在的强磁性氧化物(6)，由检测用磁场敏感元件(2)在受检管(5)壁外表面检测来自管内强磁性氧化物(6)的杂散磁场的强度。

2、如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，探头的外壳(1)由非磁性材料制成，内部空隙内填充非磁性物质。

3、如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，探头中的2～8个条形永磁体(4)在朝向受检管(5)壁一侧上为同性磁极。

4、如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，将一个公用的补偿用磁场敏感元件(3)安装在条形永磁体(4)的另一端。

5、如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，探头中检测用磁场敏感元件(2)的安置方式，使其检测来自强磁性氧化物(6)的杂散磁场在与管道径向的夹角在0～75度范围内某一方向上的分量。

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