CN101344595A - 一种屏蔽激磁定量检测探头及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种屏蔽激磁定量检测探头及方法，所述探头包括矩形恒定永磁体、L型屏蔽元件和磁敏元件，L型屏蔽元件附着在矩形恒定永磁体的一个横侧面部分、非工作面的S极部分，磁敏元件位于矩形恒定永磁体非工作面的N极和S极交互区的磁场强度零值位；所述方法包括：设定磁强计的磁场强度初值；将探头工作面接触被测奥氏体钢管外壁，沿钢管长度方向移动，记录检测得到的磁场强度最大值对应的钢管位置、磁场强度由最大值减小到初值时对应的钢管位置；将探头沿着钢管圆周方向移动，记录磁场强度减小到初值时对应的钢管位置。本发明中，探头尺寸比较小，能减少奥氏体钢管内的氧化皮堆积量的检测干扰。本发明可广泛应用于电厂锅炉装置的检测。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术，特别是涉及一种屏蔽激磁定量检测探头及方法。
背景技术
高参数电站锅炉经过一段时间运行后，锅炉内奥氏体钢管中流动的高温蒸汽和管壁金属会发生氧化反应，生成氧化物(氧化物的主要成份为四氧化三铁)，这些氧化物附着在管内壁上，形成氧化皮。随着锅炉运行时间的增加，管壁上附着的氧化皮逐渐加厚。在锅炉启停过程中，由于管壁冷热温差比较大，而管壁与附着在其上的氧化皮的膨胀系数差和收缩系数差均比较大，氧化皮与管壁之间的结合力又比较弱，所以，氧化皮容易脱落。脱落的氧化皮在处于高温受热面的管道下弯处产生堆积，从而堵塞管道通路，而管道堵塞往往会导致爆管事故。
为了避免由于脱落的氧化皮堵塞管道而导致的爆管事故的发生，需要对脱落的氧化皮堆积量进行检测。氧化皮堆积量的检测所采用的方法通常是通过在奥氏体不锈钢管外部施加一个稳恒磁场，将管道内部氧化皮磁化，利用管道外的磁敏元件检测被磁化的氧化皮产生的感应磁强，从而推定氧化皮的堆积量。
专利号为ZL03109490.2、专利名称为“一种奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法及装置”的中国专利中，检测装置中的探头包括一个尺寸比较大的U型氧化体磁铁和一个霍尔元件。该U型磁铁用于产生外部稳恒磁场，霍尔元件用于采集氧化皮产生的感应磁强。
由于U型磁铁尺寸比较大，在钢管管壁较薄时，管内氧化皮很容易被吸附在磁极附近，并随磁铁的移动而移动，这样，磁铁的吸附作用改变了氧化皮的堆积状态，U型磁铁沿管的圆周方向转动检测时，导致对管内氧化皮堆积高度的误判。另外，由于U型磁铁尺寸比较大，而锅炉内管束间距比较小，所以，采用该专利装置在对某一钢管进行检测时，该钢管周围临近的钢管及钢管内的氧化皮都会在一定程度上被磁化，这样，检测装置检测得到的磁信号相当杂散，可靠性较差。
随着钢管内氧化皮堆积厚度的增加，该专利所述的检测装置的检测信号很容易快速趋于饱和，理想检测条件下的有效氧化皮堆积量仅为10mm。在电厂中，一般引发爆管程度的氧化皮堆积量必定远远超过10mm。
在专利号为ZL2007100121994.2、专利名称为“奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无损检测装置”的中国专利中，检测装置中的探头采用2至8个条状氧化体磁铁、磁敏元件和补偿磁敏元件；探头尺寸仍然比较大，容易受到外界感应磁强的影响。该专利通过分析检测结果以及钢管内径、外径、壁厚分别为35mm、55mm、10mm的钢管内氧化皮的堆积量特性曲线，推断出氧化皮的几种可能的堆积量。该检测装置提高了氧化皮堆积量的检测范围，检测范围为0～35mm。实际应用中，发电机组的年代、标准和锅炉产地等情况的差异，导致了现场奥氏体管道的内外径变化很大；并且现场中，一些钢管内氧化皮堆积量远远超过35mm的范围，这样就限制了该装置的使用范围；根据堆积量特性曲线推算氧化皮堆积量的方法也比较复杂，也无法确定具体的氧化皮堆积量。另外，由于磁敏元件与管道径向夹角为0～75°，所以，探头的安装要求比较高，不适于现场操作。
由此可见，现有技术中，由于检测装置中探头尺寸比较大，而锅炉管束间距比较小，所以，检测信号比较杂散，可靠性差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种屏蔽激磁定量检测探头及方法，探头尺寸较小，能减少奥氏体钢管内的氧化皮堆积量的检测干扰。
为了达到上述第一目的，本发明提出的技术方案为：
一种屏蔽激磁定量检测探头，包括矩形恒定永磁体、L型屏蔽元件和磁敏元件，L型屏蔽元件附着在矩形恒定永磁体的一个横侧面部分、非工作面的S极部分，磁敏元件位于矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位；其中，所述矩形恒定永磁体用于在被测奥氏体钢管外部产生一个稳定磁场；所述L型屏蔽元件用于屏蔽矩形恒定永磁体的一个横侧面部分、非工作面S极部分的磁场；所述磁敏元件用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，激磁电流的激磁作用导致磁通量的产生，根据磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
本发明中，所述磁敏元件包括磁芯以及缠绕在磁芯上的激励线圈和检测线圈；其中，所述激励线圈用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，以激励磁芯；所述磁芯用于根据激励线圈内激磁电流的激励作用，产生磁通量；所述检测线圈用于根据磁芯磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
本发明中，所述磁敏元件为一个点源。
本发明中，所述点源的直径小于1mm，长度小于3mm。
本发明中，所述L型屏蔽元件由坡莫合金或者纯铁制成。
本发明中，所述矩形恒定永磁体由钕铁硼永磁合金制成。
为了达到上述第二目的，本发明提出的技术方案为：
一种屏蔽激磁定量检测方法，包括如下步骤：
a、设定磁强计的磁场强度初值；
b、磁强计探头工作面接触被测奥氏体钢管外壁，沿被测奥氏体钢管长度方向移动，记录检测得到的磁场强度最大值对应的钢管位置、磁场强度由最大值减小到初值时对应的钢管位置；
c、磁强计探头附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体横侧面部分触被测奥氏体钢管外壁，从被测奥氏体钢管外壁底部开始，沿着钢管圆周方向移动，记录磁场强度减小到初值时对应的钢管位置。
本发明方法中，所述步骤a之前，还包括步骤：
调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
本发明方法中，所述调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位步骤之前，还包括步骤：
查找附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
本发明方法中，采用另一磁强计测量矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区，磁强计显示为0值的位置即为矩形恒定永磁体的磁场强度零值位。
综上所述，本发明采用L型屏蔽元件，使得探头非工作面的磁场强度小于等于屏蔽前所具有的磁场强度的2％，同时，使得矩形恒定永磁体磁场强度的利用率提高至少30％，这样，探头可以制作得小而薄，减少磁能损失，也减少管束间的相互干扰。
附图说明
图1为屏蔽激磁定量检测探头的非工作面结构示意图。
图2为屏蔽激磁定量检测探头的工作面结构示意图。
图3为磁敏元件的结构组成示意图。
图4为屏蔽激磁定量检测方法的流程图。
图5为被测奥氏体钢管内氧化皮在探头施加的磁场作用下产生感应磁场的示意图。
图6为磁强计探头沿被测奥氏体钢管长度方向的检测方法示意图。
图7为磁强计探头沿被测奥氏体钢管圆周方向的检测方法示意图。
图8为处于干燥状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的对应关系。
图9为处于潮湿状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的对应关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
图1为屏蔽激磁定量检测探头的非工作面结构示意图。图2为屏蔽激磁定量检测探头的工作面结构示意图。如图1、图2所示，本发明所述屏蔽激磁定量检测探头包括矩形恒定永磁体1、L型屏蔽元件2和磁敏元件3，L型屏蔽元件2附着在矩形恒定永磁体1的一个横侧面部分、非工作面的S极部分，磁敏元件3位于矩形恒定永磁体1非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位；其中，矩形恒定永磁体1用于在被测奥氏体钢管外部产生稳定磁场；L型屏蔽元件2用于屏蔽矩形恒定永磁体1的一个横侧面部分、非工作面S极部分的磁场；磁敏元件3用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，激磁电流的激磁作用导致磁通量的产生，根据磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
本发明中，探头工作面可以是探头的正面，也可以是探头的反面；与探头工作面相对的一面即为探头非工作面。
L型屏蔽元件2由坡莫合金或者纯铁制成；矩形恒定永磁体1由钕铁硼永磁合金制成。
探头中附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体可以制作得小而薄，其体积范围为5mm×10mm×20mm～5mm×15mm×25mm；实际应用中，附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体的具体大小视奥氏体钢管管壁厚度而定。
图3为磁敏元件的结构组成示意图。如图3所示，磁敏元件3包括磁芯32以及缠绕在磁芯32上的激励线圈31和检测线圈33；其中，激励线圈31用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，以激励磁芯；磁芯32用于根据激励线圈内激磁电流的激励作用，产生磁通量；检测线圈33用于根据磁芯磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
磁敏元件3为一个点源，其直径小于1mm，长度小于3mm。
图4为屏蔽激磁定量检测方法的流程图。如图4所示，本发明所述一种屏蔽激磁定量检测方法，包括如下步骤：
a、设定磁强计的磁场强度初值；
图5为被测奥氏体钢管内氧化皮在探头施加的磁场作用下产生感应磁场的示意图。如图5所示，在被测奥氏体钢管外，探头的工作面产生的磁场强度为MH，由矩形恒定永磁体N极到S极的磁力线用实线表示，磁力线穿过被测奥氏体钢管管壁，对被测奥氏体钢管内的氧化皮进行磁化。磁化后的氧化皮产生一个比较强的感应磁场，该感应磁场的磁力线用虚线表示，该感应磁场的磁场强度为MB，存在关系MB＝MF+MD，其中，MF为被测奥氏体钢管内附着在管壁上的氧化皮被磁化后产生的感应磁场，MD为被测奥氏体钢管内脱落的氧化皮被磁化后产生的感应磁场。被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场的磁力线同样可穿过被测奥氏体钢管管壁，这样，被测奥氏体钢管外部的磁场强度M为矩形恒定永磁体产生的磁场强度MH与被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场强度MB的矢量和，即，M＝MH+MB。如果被测奥氏体钢管内有氧化皮堆积时，MD＝M-(MH+MB)；如果被测奥氏体钢管内没有氧化皮堆积时，MD＝0，M’＝MH+MF，M’为被测奥氏体钢管中没有氧化皮时外部的磁场强度。将M’作为被测奥氏体钢管的参考磁场强度，即，作为磁场强度初值。
b、磁强计探头工作面接触被测奥氏体钢管外壁，并沿被测奥氏体钢管长度方向移动，记录检测得到的磁场强度最大值对应的钢管位置、磁场强度由最大值减小到初值时对应的钢管位置；
磁场强度由最大值减小到初值时，磁场强度初值对应的钢管位置之间的距离即为被测奥氏体钢管内氧化皮堆积长度。
c、磁强计探头附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体横侧面部分触被测奥氏体钢管外壁，从被测奥氏体钢管外壁底部开始，沿着钢管圆周方向移动，记录磁场强度减小到初值时对应的钢管位置。
磁场强度减小到初值时对应的钢管位置距离被测奥氏体钢管内壁底部的高度即为被测奥氏体钢管内氧化皮堆积高度。
本发明方法中，在所述步骤a之前，还包括步骤：
调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
本发明方法中，所述调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位步骤之前，还包括步骤：
查找附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
本发明方法采用另一磁强计测量矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区，磁强计显示为0值的位置即为矩形恒定永磁体的磁场强度零值位。
实施例
本实施例中采用包含有探头的磁强计检测奥氏体钢管内氧化皮堆积量。本实施例采用如图1、2所示的探头。被测奥氏体钢是由铬镍(Cr-Ni)材料制成的，具有弱磁性，而奥氏体光管内脱落的氧化皮具有强磁性。奥氏体钢管外的探头施加的磁场对氧化皮产生激磁作用。
探头中的矩形恒定永磁体是由钕铁硼材料制成的，其对奥氏体钢管施加的磁场具有磁强高、稳定性好的特点；但是，如果矩形恒定永磁体磁强很高，那么，在探头沿着奥氏体钢管外壁移动时，奥氏体钢管内的氧化皮也会随着探头的移动而移动，这样就无法测量氧化皮在奥氏体钢管内的堆积状态。另外，由于电站锅炉内管束之间的距离比较近，矩形恒定永磁体很容易对被测奥氏体钢管相邻钢管内的氧化皮产生激磁作用，相邻钢管内氧化皮形成的感应磁场又会干扰对被测奥氏体钢管的测量。
针对上述原因，本实施例采用L型屏蔽元件，将矩形恒定永磁体一个横侧面部分、非工作面的S极部分屏蔽掉，使得探头非工作面的磁场强度小于等于屏蔽前所具有的磁场强度的2％。L型屏蔽元件的材质为坡莫合金或纯铁。另外，L型屏蔽元件能使得矩形恒定永磁体磁场强度的利用率提高至少30％，这样，探头可以制作得小而薄，减少磁能损失，也减少周围环境对探头的影响。
本实施例采用的磁强计包括探头、信号采样单元、信号处理单元、单片机、显示单元以及电源；其中，电源对探头中磁敏元件的激励线圈进行电源供电；信号采样单元对磁敏元件检测线圈中的检测电流进行采样，将模拟信号变换为数字信号；信号处理单元用于对采样得到的数字电流进行滤波、放大等处理；单片机根据信号处理单元处理后的数字电流，得到相应的磁场强度。
本实施例中，对奥氏体钢管内氧化皮堆积量的屏蔽激磁定量检测方法，包括如下步骤：
1、设定磁强计的磁场强度初值；
2、磁强计探头工作面接触被测奥氏体钢管外壁，并沿被测奥氏体钢管长度方向移动，记录检测得到的磁场强度最大值对应的钢管位置、磁场强度由最大值减小到初值时对应的钢管位置；
图6为磁强计探头沿被测奥氏体钢管长度方向的检测方法示意图。如图6所示，探头沿钢管长度方向移动时，磁强计显示的磁场强度为最大值时，记录该最大值对应的钢管位置C；在磁场强度最大值对应的钢管位置C两侧，当磁强计显示的磁场强度值由最大值减小到初值时，记录此时的钢管位置A和B；钢管位置A与钢管位置B之间的长度即为氧化皮堆积的长度。
3、磁强计探头附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体横侧面部分触被测奥氏体钢管外壁，从被测奥氏体钢管外壁底部开始，沿着被测奥氏体钢管圆周方向移动，记录磁场强度减小到初值时对应的钢管位置；
图7为磁强计探头沿被测奥氏体钢管圆周方向的检测方法示意图。如图7所示，探头从被测奥氏体钢管外壁底部开始，沿着钢管圆周方向移动，磁强计显示的磁场强度值减小到初值时，记录此时的钢管位置D；钢管位置D到钢管内壁底部的距离即为氧化皮堆积的高度。
经过步骤1～3，即可定量确定被测奥氏体钢管内氧化皮的堆积量。
实际应用中，在设定磁强计的磁场强度初始值之前，调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
从理论上讲，附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体的N极与S极的交界面的磁场强度应为零值；但是，在实际应用中，在附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区，查找到三处区域的磁场强度为零值。实际应用中，采用另外一个磁强计，测量附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的零值位，磁强计显示为0值的位置即为附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体的磁场强度零值位。
本实施例除了能测量被测奥氏体钢管内氧化皮堆积状态外，还可定量测量氧化皮的重量。
表1为处于干燥状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的部分实验数据，将磁强计的磁场强度初值设定为空管磁场强度，记录被测奥氏体钢管内堆积有氧化皮时磁强计显示的磁场强度，该磁场强度与对应空管磁场强度的差值即为氧化皮在外部磁强计探头激磁作用下产生的感应磁场强度。图8为处于干燥状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的对应关系。如图8所示，横坐标为氧化皮重量(单位：g)，纵坐标为一定量的氧化皮对应的磁场强度(单位：A/m)，可以看出，氧化皮重量与对应的磁场强度之间的关系基本呈线性。
| 序号 | 氧化物重量(g) | 空管磁场强度(A/m) | 管内堆积有氧化物时磁场强度(A/m) | 磁场强度差值(A/m) |
| 1 | 10 | 380 | 820 | 440 |
| 2 | 20 | 400 | 970 | 570 |
| 3 | 40 | 430 | 1170 | 740 |
表1
表2为处于潮湿状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的部分实验数据，表2中第一行各列参数的含义与表1中对应参数的含义相同，不同的是，将空管磁场强度平均值作为磁强计的磁场强度初值。图9为处于潮湿状态的奥氏体钢管内氧化皮感应磁场强度与氧化皮重量的对应关系。如图9所示，横坐标为氧化皮重量(单位：g)，纵坐标为一定量的氧化皮对应的磁场强度(单位：A/m)，可以看出，氧化皮重量与对应的磁场强度之间的关系也基本呈线性。
| 序号 | 氧化物重量(g) | 空管磁场强度(A/m) | 管内堆积有氧化物时磁场强度(A/m) | 磁场强度差值(A/m) |
| 1 | 10 | 366-387 | 850 | 473.5 |
| 2 | 20 | 350-380 | 980 | 605 |
| 3 | 30 | 365-370 | 1230 | 862.5 |
| 4 | 40 | 361-410 | 1470 | 1084.5 |
表2
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种屏蔽激磁定量检测探头，其特征在于，所述探头包括矩形恒定永磁体、L型屏蔽元件和磁敏元件，L型屏蔽元件附着在矩形恒定永磁体的一个横侧面部分、非工作面的S极部分，磁敏元件位于矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位；其中，
所述矩形恒定永磁体，用于在被测奥氏体钢管外部产生稳定磁场；
所述L型屏蔽元件，用于屏蔽矩形恒定永磁体的一个横侧面部分、非工作面S极部分的磁场；
所述磁敏元件，用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，产生磁通量，根据磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
2、根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述磁敏元件包括磁芯以及缠绕在磁芯上的激励线圈和检测线圈；其中，
所述激励线圈，用于在被测奥氏体钢管内氧化皮产生的感应磁场内移动时，感生出激磁电流，以激励磁芯；
所述磁芯，用于根据激励线圈内激磁电流的激励作用，产生磁通量；
所述检测线圈，用于根据磁芯磁通量的变化，感生出氧化皮堆积量的检测电流。
3、根据权利要求1或2所述的探头，其特征在于，所述磁敏元件为一个点源。
4、根据权利要求3所述的探头，其特征在于，所述点源的直径小于1mm，长度小于3mm。
5、根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述L型屏蔽元件由坡莫合金或者纯铁制成。
6、根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述矩形恒定永磁体由钕铁硼永磁合金制成。
7、一种屏蔽激磁定量检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a、设定磁强计的磁场强度初值；
b、磁强计探头工作面接触被测奥氏体钢管外壁，并沿被测奥氏体钢管长度方向移动，记录检测得到的磁场强度最大值对应的钢管位置、磁场强度由最大值减小到初值时对应的钢管位置；
c、磁强计探头附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体横侧面部分触被测奥氏体钢管外壁，从被测奥氏体钢管外壁底部开始，沿着被测奥氏体钢管圆周方向移动，记录磁场强度减小到初值时对应的钢管位置。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤a之前，还包括步骤：
调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调整磁敏元件，使其处于附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位步骤之前，还包括步骤：
查找附着有L型屏蔽元件的矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区的磁场强度零值位。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用另一磁强计测量矩形恒定永磁体非工作面的N极与S极交互区，磁强计显示为0值的位置即为矩形恒定永磁体的磁场强度零值位。
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