CN101238352A - 加工用容器衬里的非破坏性测试 - Google Patents

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Abstract

非破坏性测试耐火材料衬里的加工用容器的方法，该方法包括以下步骤：(a)用脉冲锤撞击用耐火材料内衬的加工用容器的外壁；(b)测量耐火材料衬里的加工用容器的所选择的频率特性；和(c)分析所测量的频率特性，和从所述测量的频率特性确定耐火材料内衬的完整性。

Description

加工用容器衬里的非破坏性测试
本发明涉及加工用容器衬里的完整性测试。详细地说，本发明涉及加工用容器衬里的非破坏性测试方法。
用耐火混凝土、砖和其它陶瓷材料衬里的加工用容器用于许多用途，包括在水泥、石油、石油化工、矿物加工、矾土和其它工业。有时衬里破裂，需要更换或修理。加工用容器的衬里故障包括耐火层剥离、锚支持元件故障、在耐火层中的层离、空隙、破裂或蜂窝状等。
为了维护用耐火材料衬里的加工用容器，一般必需将加工用容器离线，检查耐火衬里。当耐火衬里状况良好时，为了检查耐火衬里而将加工用容器离线是不必要的，可能引起生产力的损失。某些加工用容器可能花费很多小时，甚至几天来充分冷却或达到检查的条件。耐火衬里的检查也是潜在危险的操作。为了检查和确定衬里的状况，操作者进入加工用容器。当操作者已经在容器内时，衬里已经从加工用容器掉落之处会发生事故。
除了从加工用容器内部目测检查之外，可以使用各种破坏性测试确定耐火衬里的完整性。例如，为了评估耐火衬里的完整性，已经使用了取芯钻探。破坏性测试一般不理想，因为测试本身可损害衬里的完整性。
现在，我们发现了耐火衬里的加工用容器的非破坏性测试方法，该方法克服或改善了至少一种上述问题，或给用户提供有用的或商业的选择。
依照本发明的第一个实施方案，提供了耐火材料衬里的加工用容器的非破坏性测试方法，该方法包括以下步骤：
(a)用脉冲锤撞击用耐火材料内衬的加工用容器的外壁；
(b)测量耐火材料衬里的加工用容器的所选择的频率特性；和
(c)分析所测量的频率特性，和从所述测量的频率特性确定耐火材料内衬的完整性。
其优点在于，本发明的方法能够使容器在线时或维护人员进入加工用容器之前，进行耐火材料衬里的加工用容器的耐火材料内衬的完整性测试。通过避免定期维护的必要和使容器仅在必需时才离线维护，这允许更有效地补救耐火材料的衬里。此外，由于在将容器离线之前确定内衬的完整性，可更好地计划耐火材料衬里补救的能力，所以可以减少容器离线的时间、周期。通过识别易受灾难性故障影响的和从加工用容器外壳掉落的那些耐火材料部分，可以有利地降低与操作者进入加工用容器相关的风险。通过当容器在线或离线时均能够评估耐火材料的衬里，在退化到这样的灾难性故障可能发生的点之前，也可能指导耐火衬里的补救。
在本发明的方法中，用脉冲锤撞击加工用容器的外壁。要求用于本发明的脉冲锤对加工用容器的外壁施加撞击，并测量所述撞击的力。锤提供由接近恒力组成的脉冲，该力在宽的频率范围内施加。通常，通过锤的尖端确定施加力的频率范围。一般为脉冲锤装备各种能够产生最高达2000Hz频率的尖端。一般用安装在锤的撞击端上的积分型石英力传感器(或负荷单元)测量施加的力。传感器将所施加的冲击力转换成电信号。
优选本发明使用的脉冲锤是模态调谐式脉冲锤，即设计消除反弹(多次撞击)的脉冲锤。本发明使用的脉冲锤也可包括交替的较软和较硬的锤尖端，以在加工用容器中提供所期望的频率响应。此外，可以使用扩展器增加或减少锤的质量，从而增加或减少撞击的持续时间，和用由撞击赋予的低频范围信号提供增加或减少的能量。
可用一个或多个加速度计，如地震检波器测量压力容器对撞击的响应。加速度计测量加工用容器在频率范围内的响应，提供测量的耐火材料衬里的加工用容器所选择频率特性的数据。
通常，加速度计是具有单一自由度的地震检波器，其中通过线圈穿过磁场运转，产生地震检波器的输出信号。线圈中的电压与线圈和磁场之间的相对速度成正比。
为了确定耐火材料内衬的完整性，在各种频率特性的频率范围内，分析来自加速度计和脉冲锤力传感器的输出信号。
用耐火材料衬里的加工用容器通常包含外壳。所述外壳一般由钢或其他常规材料形成。耐火衬里附接在外壳上。用各种耐火衬里来使加工用容器隔热，但为方便起见，本发明将对包含隔热层和致密的“热面(hot face)”层的耐火衬里进行描述。
可以理解，其他构造的耐火衬里可用于本发明适用的各种应用中。
通常，在包含隔热层和致密的“热面”层的耐火衬里中，通过附接在壳体上的锚来保持耐火材料的位置。将通常由不锈钢或钢合金形成的锚焊接到容器壳体的内表面上，隔热层通过锚固定在壳体的内表面上。最近，已经使用了陶瓷锚。致密的″热面″层也使用锚固定，与隔热层保持邻接。隔热层和致密的热面层通常由许多砖或者易于构造或维护的其它部分形成。
耐火衬里的故障可由一个或两个耐火衬里层脱离、耐火衬里各层之间层离、耐火衬里和压力容器壳体之间层离、耐火衬里各层中形成空隙、耐火衬里破裂或其它故障等引起。
耐火衬里通常由陶瓷材料形成，因此相对易碎，和遭受脆性故障，导致因耐火衬里从加工用容器壳体的内表面完全去除而引起的潜在灾难性故障。
为了确定耐火材料内衬的完整性所选择的耐火材料衬里的加工用容器的频率特性可选自动态刚度、平均迁移率(mobility)、平均迁移率的斜率、平均迁移率比的峰值及其组合。
通过例如可由加速度计测量的响应速度，除以例如可由力传感器测量的脉冲锤施加的力，确定耐火材料衬里的压力容器的迁移率(以m/sec/N测量)。计算确定各选择频率点的迁移率。选择的频率点可以在预定的频率间隔。为了验证所测量参数的准确度，可校准用来确定迁移率的仪器。
从低频率范围的迁移率斜率，获得耐火材料衬里的加工用容器的动态刚度。通常从在0-200Hz之间的迁移率斜率确定动态刚度，虽然也可以使用较低范围如0-50Hz。
动态刚度斜率允许确定耐火材料质量、耐火材料厚度和/或耐火材料的支持条件。0-200Hz范围内的迁移率曲线的斜率部分限定测试点周围的耐火材料衬里的动态刚度。从顺应性(compliance)的倒数确定动态刚度，其中顺应性是低频率范围的迁移率曲线斜率。
通常确定在较高频率范围如100-1500Hz或者100-800Hz内的平均迁移率。
平均迁移率与测试点周围的耐火衬里的密度和厚度有关。容器已知完好(在流水作业线)区域的平均迁移率与容器其它区域的相当。在选择的频率范围内的稳定迁移率(相对恒定的值)一般指示衬里的实心部分。板厚度减小或界面剥离对应于平均迁移率增加。例如，当耐火材料层全部剥离发生时，那么耐火衬里变得更具有移动性。平均迁移率反映上部剥离层的厚度。此外，耐火材料层的任何破裂或蜂窝状会减少阻尼，从而平均迁移率随频率增加而增加。
平均迁移率比的峰值与耐火材料的剥离或层离有关。在例如加工用容器的壳体之间或耐火材料各层之间的耐火衬里存在支持损失的地方，观察到平均迁移率增加。
不希望受理论束缚，相信在表面与脉冲锤产生应力波时，形成压缩区，该压缩区产生的应力波穿透结构直至遇到反射体。通常反射体由结构中力阻抗的改变组成。引起力阻抗的结构构型的实例包括材料的改变、横截面面积的改变和其他形式的中断。
当应力波遇到阻抗改变时，一部分波反射回结构表面，并可记录在加速度计上，一部分波通过阻抗改变传送。
现在结合附图和实施例描述本发明，这些实施例用来举例说明本发明，并无意限制本发明公开的范围。
图1显示加工用容器衬里的典型构造。该容器具有外壳，该外壳与锚附接。通过锚将隔热层附接在壳体，也通过锚将致密的热面层固定在隔热层。
图2显示用于非破坏性测试加工用容器衬里的设备。所述设备包括模态锤，该锤与ICP电源(无增益)连接，从ICP的输出信号与数据记录器的通道A连接。地震检波器与ICP(有增益)连接，所述增益通常设置为十倍因子。该ICP的输出信号与数据记录器的通道B连接。从数据记录器到便携式计算机由并联电缆连接，以能够处理数据。
图3显示理想化的迁移率曲线，该曲线显示材料刚度的变化。
图4显示动态刚度和迁移率斜率的确定。根据0-50Hz的频率范围内的迁移率斜率，确定动态刚度(MN/mm)。100-800Hz的平均迁移率是元件厚度和混凝土品质的量度。100-1000Hz范围内的平均迁移率斜率显示混凝土凝固的程度和结构形状改变的接近度。平均迁移率比的峰值在等级、空隙形成上显示平板下面的支持。
图5显示混凝土板发生层离的混凝土中典型的响应。
图6显示平均迁移率比的峰值的测量，该测量表明剥离或空隙的存在及程度。
图7显示混凝土比较，其中由平均迁移率高峰值的存在来指示在平板下带空隙的混凝土。
图8显示耐火衬里缺失的衬里部分的响应。可以看出平均迁移率的差异是显著的。
图9是垂直耐火材料衬里的管道的典型响应，显示包括空隙的衬里的迁移率。
图10显示具有新衬里和剥离衬里两者的耐火材料衬里的管道的典型响应。
在工厂试验中，评估了水泥厂容器的耐火衬里，其中发现一部分热面向的衬里缺失，一部分衬里是稳固的，其余的衬里区域存在但不稳固。
图11显示被测旋风顶(cyclone roof)的图，该图显示测试点和损坏区域的位置。
图12显示旋风顶的图解表示法，其中显示好和坏的区域。
一般平坦的迁移率响应曲线表示实心结构(见1顶上4，点12和13)。递增的平均迁移率表示耐火材料是薄的或剥离的(见表I点2和3)。
表I在1顶上旋风器4的结果
  点   平均迁移率(作为新的)m/s/N×10-7   平均迁移率m/s/N×10-7   目测观察
  1   0.0029   0.0745   实心但锚破裂
  1和2   0.877   “热面”缺失
  2   0.0064   0.725   “热面”缺失
  2和3   0.195   “热面”缺失
  3   0.0018   0.639   “热面”缺失
  4   0.0016   0.448   内部“热面”层缺失
  4以外   0.0045
  5   0.0027   0.453   内部“热面”层缺失
  5以外   0.0013
  6   0.0013   0.302   “热面”可见脱落
  6以外   0.0011
  7   0.002   0.516   “热面”后空隙
  7以外   0.0024
  8   0.0013   0.458   “热面”后空隙
  8以外   0.0017
  9   0.0391   0.698   “热面”后空隙
  9以外   0.005
  10   0.32   “热面”后空隙
  11   0.0021   0.535   坚固但剥离
  11以外   0.0025
  12   0.0029   0.0193   坚固但剥离
  12和13   0.0325   实心但锚破裂
  13   0.0041   0.156   接近失去“热面”的界面
  14   0.0025
测量的平均迁移率在0.2至0.7(×10-7m/s/N)之间。
表I显示旋风顶在修理前和修理后的情况下，容器的平均迁移率。
在0.2-0.7kHz的范围内测量平均迁移率。平均迁移率范围的上限限于事实，即力频率从接近0开始至接近0.7kHz。将平均迁移率范围扩展至0.7kHz以上，可导致结果的严重误差。
在优选的实施方案中，本发明的方法使用低应变撞击以穿过受试元件发射应力波。元件在压缩和剪切两者下弯曲，将速度传感器放置在撞击点附近，接收这个振动。元件对撞击产生的弹性波的响应通过板的固有刚性衰减，亦称体阻尼。
使用快速傅里叶变换(FFT)算法，将锤力和速度传感器的时间轨迹处理成频率。用力将速度谱标准化。参数称为″迁移率″。复合板的迁移率变化基于事实，即不同密度和厚度的材料具有不同的迁移率。
不希望受理论束缚，我们的研究显示厚的实心板具有＜1×10-7m/s/N的很低迁移率值。薄的或损坏的板具有＞1×10-7m/s/N的高或很高的迁移率值。当在层之间的界面存在许多破裂的锚时，那么该点的迁移率会增加。
容器的评估要求对衬里结构有一般的了解，即厚度、密度、锚定。用网格图形标出测试点，其中标记可能的每个点，记录其位置。外部具有钢梁的容器可能变硬，但测试在开放区域进行。
通过用模态锤撞击表面来测试每个点，用地震检波器记录振动。用高速数据记录器捕获电压信号，并转换成速度和力。通过调整数据记录器样本数和持续时间，将获得的数据点数目最大化。
对于用钢外壳构造的耐火材料衬里的容器，通过测试发现在没有锚存在的地方壳体可能在适当的位置分离。当这种情况发生时，那么该点的迁移率可增加(即通常在锚之间的点)。为了克服局部迁移率可能增加，但结构的整体完整性依然完好这个问题，同时使用两个地震检波器。在设定150mm或300mm的距离，将地震检波器放入支架，撞击点设定在离地震检波器中心250-500mm的距离。设定地震检波器的位置位于锚之间或接近锚。按该方法可评估结构的总体完整性。
本发明的方法涉及评估混凝土构件和耐火材料衬里的容器的对比试验，即将已知良好的点与被评估的网格中其它点相对比。
在这个实施方案中，我们使用的用于评估容器结构的参数列于下面：
平均迁移率(元件厚度和混凝土层刚度的函数)，100-600Hz，但是依据撞击频率可改变频率范围上限，最高达2000Hz。
剥离迁移率是0-100Hz之间的迁移率峰值。这表示在钢壳体、空隙或层离之下的支持程度。
频率曲线也用于评估中。如果使用相同的撞击尖端，那么力频率迅速下降，以致于频率近似零，接近600Hz，这表示软的表面。速度频率的最大峰值向较低的值移动，表示更柔性的板。
比较迁移率
在0.1至1.5kHz范围内的平均迁移率值与板材的密度和厚度有直接关系。板材厚度的减少对应于平均迁移率的增加。例如，当在平板也就是钢壳中存在上层的全部剥离时，那么迁移率非常高，通常＞50×10-7m/s/N。在混凝土或耐火层中的任何破裂或蜂窝状将减少阻尼，因此在测试频率范围内的迁移率的值将趋向增加。
我们从测试中发现：壳体下面密度非常低＜500kg/m3的隔热材料将迁移率增加至在0.1-0.5×10-7m/s/N变化的值。
剥离迁移率
当钢壳和混凝土之间存在剥离或层离时，会损失混凝土平板或壳体下面的支持。最上层(钢壳)的反应行为控制脉冲响应结果。剥离迁移率为100Hz以下的迁移率峰值。当剥离迁移率大于平均迁移率时，那么可推断：在该点的壳体已经和耐火的混凝土分离，并且撞击点或速度测量点不邻近锚。
速度频率峰的移动
我们已经从研究中发现由于结构弹性可发生速度谱峰的移动。在这种情况下，平均迁移率可保持相同但峰频率移动。主要的频率峰越低，结构弹性就越大。
因此，从该参数可能确定相对的结构弹性。
图13显示旋风顶非常薄部分的P-响应的计算机输出信号和迁移率曲线(较低的曲线)。在0-0.2kHz范围的平均迁移率具有指示非常薄部分如钢板和无耐火材料的特有峰。
图14显示耐火材料存在但在界面剥离(也就是耐火锚破裂)的旋风器部分的P-响应的计算机输出信号和迁移率曲线(较低的曲线)。注意与为5×10-7m/s/N的图3相比，该曲线的平均迁移率具有0.2的最大值(y轴)。
图15显示修理过的旋风顶的迁移率响应。与损坏的顶相比，平均迁移率非常低，并且迁移率曲线是相对平坦的(在0.7kHz以上的值已被忽略)。
图16显示旋风顶的图，显示出测试点和损坏区域的位置。
使用P-响应技术测试容器顶。每个测试点的近似位置显示在图16中。在进行初始测试后发现，大多数的顶是不稳定的。顶用支持物保护，并缓慢地破坏。这样，在破坏期间记录耐火衬里的情况，允许随后对P-响应结果评价。衬里情况的图见图16所示。
一般平坦的迁移率响应曲线表示实心结构。递增的平均迁移率表示耐火材料具有空隙或已经剥离。高孔隙比表示非常薄的部分或耐火衬里已经和钢壳分离。
表II在1顶上旋风器4的迁移率结果
Figure A20068000801900141
表II显示在修理前和修理后的耐火衬里的平均迁移率和剥离迁移率。很明显，当耐火衬里被损坏时，平均迁移率和剥离迁移率显著增加。
图17显示在修理前点1和4的迁移率曲线(较低的曲线)。点4具有高的迁移率和剥离迁移率峰值(1.75×10-7和1.46×10-7m/s/N)，这是缺少″热面″或在界面空隙的特征。在另一方面，点1具有相对稳定的迁移率和低平均迁移率值(0.068×10-7m/s/N)，其表示稳定的衬里。
图18显示在修理前和修理后点1的旋风顶迁移率轨迹。红线：修理前具有递增的迁移率，该递增的迁移率是界面剥离的特征。紫线：修理后非常平坦并且平均迁移率非常低。这是正确安装并且无空隙或层离的新耐火衬里的特征。
本领域的技术人员将认识到上述本发明可进行改进和修改，这些改进和修改显然不背离本文所述本发明的宗旨和范围。

Claims (29)

1. 一种非破坏性测试耐火材料衬里的加工用容器的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)用脉冲锤撞击用耐火材料内衬的加工用容器外壁；
(b)测量该耐火材料衬里的加工用容器的所选择频率特性；和
(c)分析所测量的频率特性，和由所述测量的频率特性确定耐火材料内衬的完整性。
2. 权利要求1的方法，其中所述脉冲锤提供由在宽的频率范围内施加的接近恒力组成的脉冲。
3. 权利要求2的方法，其中所述脉冲锤装备有能够产生最高达2000Hz频率的尖端。
4. 权利要求1的方法，其中所述脉冲锤包含积分型石英力传感器，所述传感器用于测量施加在所述锤撞击端上的力。
5. 权利要求1的方法，其中所述脉冲锤是模态调谐式脉冲锤。
6. 权利要求1的方法，其中所述脉冲锤包含交替的较软和较硬的锤尖端，以在加工用容器中提供所期望的频率响应。
7. 权利要求1的方法，其中所述脉冲锤包含用于增加该锤质量的扩展器。
8. 权利要求1的方法，其中所述加工用容器对撞击的响应可用一个或多个加速度计测量。
9. 权利要求8的方法，其中所述加速度计是地震检波器。
10. 权利要求9的方法，其中所述地震检波器具有单一自由度，其中通过线圈穿过磁场运转，产生所述地震检波器的输出信号。
11. 权利要求8的方法，其中为了确定所述耐火材料内衬的完整性，在各种频率特性的频率范围内，分析来自所述加速度计和所述脉冲锤力传感器的输出信号。
12. 权利要求1的方法，其中所述为了确定耐火材料内衬的完整性所选择的耐火材料衬里的加工用容器的频率特性选自动态刚度、平均迁移率、平均迁移率的斜率、平均迁移率比的峰值及其组合。
13. 权利要求12的方法，其中通过将响应速度除以所述脉冲锤施加的力，确定所述耐火材料衬里的压力容器的迁移率。
14. 权利要求12的方法，其中根据在低频率范围的迁移率斜率，获得所述耐火材料衬里的加工用容器的动态刚度。
15. 权利要求14的方法，其中根据在0-200Hz之间的迁移率斜率，确定所述动态刚度。
16. 一种用于非破坏性测试耐火材料衬里的加工用容器的装置，所述装置包含：
(a)脉冲锤，所述脉冲锤用于撞击用耐火材料内衬的加工用容器外壁；
(b)一个或多个加速度计，所述加速度计用于测量所述耐火材料衬里的加工用容器的所选择频率特性；和
(c)计算机，所述计算机用于分析所测量的频率特性，和由所述测量的频率特性确定所述耐火材料内衬的完整性。
17. 权利要求16的方法，其中所述脉冲锤提供脉冲，所述脉冲由在宽频率范围内施加的接近恒力组成。
18. 权利要求17的方法，其中所述脉冲锤装备有能够产生最高达2000Hz频率的尖端。
19. 权利要求16的方法，其中所述脉冲锤包含积分型石英力传感器，所述传感器用于测量施加在所述锤撞击端上的力。
20. 权利要求16的方法，其中所述脉冲锤是模态调谐式脉冲锤。
21. 权利要求16的方法，其中所述脉冲锤包含交替的较软和较硬的锤尖端，以在加工用容器中提供所期望的频率响应。
22. 权利要求16的方法，其中所述脉冲锤包含用于增加锤质量的扩展器。
23. 权利要求16的方法，其中所述加速度计是地震检波器。
24. 权利要求23的方法，其中所述地震检波器具有单一自由度，其中通过线圈穿过磁场运转，产生所述地震检波器的输出信号。
25. 权利要求16的方法，其中为了确定所述耐火材料内衬的完整性，在各种频率特性的频率范围内，分析来自所述加速度计和所述脉冲锤力传感器的输出信号。
26. 权利要求16的方法，其中所述为了确定所述耐火材料内衬的完整性所选择的耐火材料衬里的加工用容器的频率特性选自动态刚度、平均迁移率、平均迁移率的斜率、平均迁移率比的峰值及其组合。
27. 权利要求16的方法，其中通过将响应速度除以所述脉冲锤施加的力，计算机确定所述耐火材料衬里的压力容器的迁移率。
28. 权利要求16的方法，其中根据在低频率范围的迁移率斜率，获得了计算机确定所述耐火材料衬里的加工用容器的动态刚度。
29. 权利要求28的方法，其中根据在0-200Hz之间的迁移率斜率，确定所述动态刚度。
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