CN102901748A - 一种基于管道温度场分布的无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管道温度场分布的无损检测装置及方法，检测装置包括设有温度传感器(1)的检测装置，所述的温度传感器(1)设于管道(2)的外壁，而所述的检测装置则与仪表盘(3)相连接；检测方法包括以下步骤：(a)在管壁外布置温度传感器(1)，作为温度测点，统计温度值；(b)取最高温度值为t_w2max，取剩余温度由低到高排列的前75％的平均值为t_w2；(c)测量管道外径、管内流体的进口温度、管外空气温度，使用统计的温度值t_w2及t_w2max，利用傅里叶定律分别求得管壁厚度δ、δ’；(d)管壁减薄厚度Δ＝δ-δ’。本发明可广泛应用于化工、石油等工业领域中，具有成本低、快速、灵敏度高以及操作安全等独特优势。

Description

一种基于管道温度场分布的无损检测装置及方法

技术领域

本发明涉及管道无损检测领域，具体的说，是一种基于管道温度场分布的无损检测装置及方法。

背景技术

在工业生产中，许多管道由于长期运行在高温、高压以及化学腐蚀的恶劣工作环境下，常会造成内壁的损伤或脱落，导致整个工艺生产无法顺利的进行，给安全生产带来隐患，近年来，工业系统中许多重大事故也都与管道的内部损伤密切相关。在现有技术中，为对管道进行无损伤检测，常采用以下方法：

(1)X射线探伤，它是一种利用X射线穿透物体来发现物体内部缺陷的探伤方法，同时也可用于测量物体的厚度，在工业上较为常见，但由于X射线对人体有害，因此，在探伤作业时，应严格的遵守相关的安全操作规程，管道周边人员还应采取必要的防护措施，以减少伤害；同时，由于X射线探伤装置的工作电压高达数万伏乃至数十万伏，因此，作业时还存在高压的危险。

(2)超声波(成像)探伤，它是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷及厚度的一种方法，在冶金工业中应用较多，但应用于化工、石油等行业的管道检测时，却容易受管道内流体的影响，而出现较大的误差；同时，使用超声波探伤产生的经费也较上述方法更高，因此，在化工、石油等行业中的普及率较差。

为克服上述两种方法产生的缺陷，本发明提出了一种低成本、无辐射、准确度高以及更便于在线测试的无损检测装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于管道温度场分布的无损检测装置，通过温度传感器检测管壁外的温度，可实现对管壁厚度的无损检测，较现有的X射线探伤以及超声波探伤的方法而言，具有无辐射、安全可靠等优势，且成本低廉。

本发明所要解决的另一技术问题是一种基于管道温度场分布的无损检测方法，其操作过程简单，具有在线使用可靠、准确度高等优点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于管道温度场分布的无损检测装置，为实现对管壁外温度的测量，本发明包括设有温度传感器的检测装置，所述的温度传感器设于管道的外壁，而所述的检测装置则与仪表盘相连接，在使用过程中，工作人员可根据仪表盘上的数据获得准确的温度数值，并完成后续的无损检测工作。

三个以上的温度传感器周向分布于管道外壁上，形成测量环；位于测量环上的温度传感器等间距分布。在实际测量过程中，可减小测量的误差，加强本发明的准确度。

为进一步减小测量过程中的误差，所述测量环的数量为一个以上，沿管程并列分布，且每两个测量环之间的间距为8～12cm。

为更好的实现本发明，所述的检测装置还包括依次相连的传感器模拟前端、微处理器以及通信接口，所述的传感器模拟前端通过电缆与温度传感器相连；而所述的通信接口则与仪表盘相连接。

本发明在所述的检测装置外还封装有保护外壳，并在所述保护外壳内的传感器模拟前端、微处理器、通信接口以及温度传感器之间还填充有隔热泡沫，可减小环境因素的影响，使用效果好。

现有的红外线温度感应器，也常用于温度的测量，但在其实际使用过程中，却还是存在辐射现象，且精度不够高，对现场操作人员十分不利，因此，本发明所述的温度传感器采用精度小于或等于±0.1℃的温度传感器，进一步的，温度传感器采用石英晶体温度传感器，不仅分辨力高、线性良好、无辐射，且还具有工作稳定、结构简单等特点。

一种基于管道温度场分布的无损检测方法，包括以下步骤：

(a)在管壁外布置温度传感器，作为温度测点，通过电缆将数据传输给传感器模拟前端，统计温度值；

(b)传感器模拟前端将转换后的数据传输给微处理器分析处理，取最高温度值为t_w2max，取剩余温度由低到高排列的前75％的平均值为t_w2；

(c)测量管道外径d₂及内径d₁，由(d₂-d₁)/2获得管壁厚度为δ；

(d)测量管外空气温度，使用统计的温度值t_w2及t_w2max，利用公式求得管壁厚度δ’；

(e)利用求得的管壁厚度得到管壁减薄厚度Δ＝δ-δ’。

所述的步骤(d)进一步包括：

(d.1)测量得管外空气温度为t，查得管外空气的对流换热系数为h₂，利用公式

计算得出单位管长的管道热流量为q；

(d.2)根据管道材料属性查得管道的导热系数为λ，根据管内流体的属性查得管内流体的换热系数为h₁，利用傅里叶公式

计算得出管内流体温度T；

(d.3)将t_w2替换为t_w2max，重复步骤(d.1)求得q’，将(d.2)中傅里叶公式中的q替换为q’，代入T，获得管道(2)内径为d₁’；

(d.4)由(d₂-d₁’)/2获得管壁厚度为δ’。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过温度感应器可实现对管壁的无损检测，检测方法简单实用，在操作过程中，采用多个温度感应器布置形成测量环，对管道外的流体温度进行测量，减小了测量时的误差，提高了检测的准确性。

(2)在实际使用过程中，管道常由于污垢、腐蚀以及管内流体的冲刷而造成损坏或脱落，本发明基于传热学原理，采用傅里叶公式，近似传热径向稳定，分别代入高温值以及剩余温度由低到高排列的前75％的平均值，计算得出管壁厚度为δ’，由已知的管道外径d₂及内径d₁，采用公式(d₂-d₁)/2获得管壁厚度为δ，而管壁厚度δ-管壁厚度δ’即为管壁的磨损厚度，数据准确，检测效果好。

(3)本发明安装方便，涉及的检测装置结构简单，检测装置采用石英晶体温度传感器作为温度感应装置，具有分辨力高、线性良好、无辐射、工作稳定等特点，可广泛应用于化工、石油等工业领域中，成本低廉，且具有极好的市场潜力。

(4)本发明计算过程简单，在实际的应用过程中，可根据查表或实际检测，获得相应的数据，例如：通过查表获得管外空气的对流换热系数为h₂等；通过傅里叶公式计算得出管内流体温度为T，可应用于管壁的无损检测，也可用于普通圆筒壁换热设备的无损检测，应用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的安装结构示意图。

图2为图1中A向横截面的结构示意图。

图3为本发明检测装置的结构示意框图。

图4为本发明的原理图。

其中，1-温度传感器，2-管道，3-仪表盘，4-传感器模拟前端，5-微处理器，6-通信接口，7-电缆，8-保护外壳。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明提出了一种基于管道温度场分布的无损检测装置，它针对弯管冲刷检测，主要应用于化工生产、石油、电力等众多领域中，可实现非接触、快速、灵敏度高以及操作安全等独特的操作优势，在实际应用过程中，对管道2泄漏及保温层缺陷的检测、高温压力管内壁缺陷的检测以及管道2内壁局部脱落的检测等，均具有很好的检测效果，其结构包括设有温度传感器1的检测装置，如图1、图2所示，温度传感器1设于管道2的外壁，检测装置则与仪表盘3相连接，在使用过程中，工作人员可根据仪表盘3上的数据获得准确的温度数值，并完成后续的无损检测工作。

为减小测量温度带来的误差，加强检测结果的准确度，温度传感器1的设置情况可如图1、图2所示，温度传感器1采用精度小于或等于±0.1℃的温度传感器，例如：高精度的石英晶体温度传感器，其数量为三个以上，沿管壁外周向分布并形成测量环。由温度传感器组成的测量环的数量同样为一个以上，安装于管道的弯管位置，且中间一组测量环安装在弯管中心位置。如图3所示，检测装置还包括：依次相连的传感器模拟前端4、微处理器5以及通信接口6，其中，在传感器模拟前4端上设有电缆7，传感器模拟前端4则通过电缆7与温度传感器1相连；而通信接口6则与仪表盘3相连接。

由上述结构可知，检测装置的实现原理如下：温度传感器1绕管道2外边缘等间距分布为一个以上的测量环，测量环的分布情况如图1所示；每个温度传感器1均通过电缆7与传感器模拟前端4连接；传感器模拟前端4则将转换后的数据传输给微处理器5，并进行分析处理；微处理器5将分析获得的信息通过通信接口6再传输给仪表盘3处理；在应用过程中，为避免环境因素对温度传感器1或其它部件造成的影响，温度传感器1、温度传感器电缆7、传感器模拟前端4、微处理器5和通信接口6均封装于保护外壳8内，在保护外壳8内的传感器模拟前端4、微处理器5、通信接口6以及温度传感器1之间还填充有隔热泡沫。在本发明中，由于温度传感器1采用高精度的石英晶体温度传感器，还具有分辨力高、线性良好、无辐射、工作稳定以及结构简单等特点。

为更好的实现上述检测装置，本发明还提出了一种基于管道温度场分布的无损检测方法，它针对上述结构而使用，主要包括以下步骤：

(a)合理布置温度测点：四个温度传感器1组成一个测量环布置于管道2外，且位于每个测量环上的相邻温度传感器1的距离均相等，如图2所示；测量环的数量可设为三个或四个，每个测量环之间的间距为10cm，如图1所示；传感器模拟前端4统计每个温度传感器1测得的温度值，传输给微处理器5分析处理，取最高温度值为t_w2max，取剩余温度由低到高排列的前75％的平均值为t_w2；

(b)通过已知数据，利用傅里叶公式求解管壁差值：傅里叶公式的原理如下：某一微元的热流量(单位时间内传导的热量)与该微元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。在本发明中，可将管内流体与管外流体的传热视为稳定传热，因此，如图4所示，两流体的热交换过程则由三个串联的传热过程组成，q＝管内对流＝管壁导热＝管外对流，即：

$q=\frac{T-T_w}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1{h}_1}}=\frac{t_w-t}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_2{h}_2}}$ ①

$\⇒q=\frac{T-t}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1{h}_1}+\frac{1}{2\mathrm{\π\λ}}\ln \frac{d_2}{d_1}+\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_2{h}_2}}$

其中：q——单位管长热流量，W；

h₁——管内流体对流换热系数，W·m^-2·K^-1；

h₂——管外流体对流换热系数，W·m^-2·K^-1；

λ——管道导热系数，W·m^-1·K^-1；

d₁——管道内径，m；

d₂——管道外径，m；

T——管内流体温度，K；

t——管外流体温度，K。

由上述公式可知，管外对流热量的计算公式为：

$q=\frac{t_w-t}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_2{h}_2}}$ ②

本发明的计算步骤如下：

(1)测量管道外径d₂及内径d₁，由(d₂-d₁)/2获得管壁厚度为δ；

(2)查得管外空气的对流换热系数为h₂，测量得管外空气温度为t，t_w＝剩余温度值的平均值为t_w2，已知π＝3.14，将t、h₂、d₂、t_w代入②式中，得单位管长的管道热流量为q；

(3)根据管道材料属性查得管道的导热系数为λ，根据管内流体的属性查得管内流体的换热系数为h₁，将h₁、h₂、λ、d₁、d₂、t、q代入①式中，得管内流体的温度为T；

(4)将t_w2替换为t_w2max，重复步骤(2)求得q’，将h₁、h₂、λ、d₂、t、q’、T代入①式中，得管道2内径为d₁’；

(5)已知管道内径为d₁’以及管道外径d₂，由(d₂-d₁’)/2获得管壁厚度为δ’；

(6)利用求得的管壁厚度获得管壁厚度的差值，即：管壁厚度的差值＝管壁厚度为δ-管壁厚度为δ’，在管壁的实际测量过程中，通过管壁厚度的差值大小即可知道管道2内壁是否有磨损以及脱落，不仅可应用于管壁的无损检测，也可用于普通圆筒壁换热设备的无损检测，应用范围广。

本发明可广泛应用于化工、石油等工业领域中，具有成本低、快速、灵敏度高以及操作安全等独特优势。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，包括设有温度传感器(1)的检测装置，所述的温度传感器(1)设于管道(2)的外壁，而所述的检测装置则与仪表盘(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，三个以上的温度传感器(1)周向分布于管道(2)外壁上，形成测量环。

3.根据权利要求2所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，位于测量环上的温度传感器(1)等间距分布。

4.根据权利要求3所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，所述测量环的数量为一个以上，且每两个测量环之间的间距为8～12cm。

5.根据权利要求4所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，所述的检测装置还包括依次相连的传感器模拟前端(4)、微处理器(5)以及通信接口(6)，所述的传感器模拟前端(4)通过电缆(7)与温度传感器(1)相连；而所述的通信接口(6)则与仪表盘(3)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，在所述的检测装置外还封装有保护外壳(8)。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，所述的温度传感器(1)为精度小于或等于±0.1℃的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于管道温度场分布的无损检测装置，其特征在于，所述的温度传感器(1)为石英晶体温度传感器。

9.一种基于管道温度场分布的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)在管壁外布置温度传感器(1)，作为温度测点，通过电缆(7)将数据传输给传感器模拟前端(4)，统计温度值；

(b)传感器模拟前端(4)将转换后的数据传输给微处理器(5)分析处理，取最高温度值为t_w2max，取剩余温度由低到高排列的前75％的平均值为t_w2；

(c)测量管道(2)外径d₂及内径d₁，由(d₂-d₁)/2获得管壁厚度为δ；

(d)测量管外空气温度，使用统计的温度值t_w2及t_w2max，利用公式求得管壁厚度δ’；

(e)利用求得的管壁厚度得到管壁减薄厚度Δ＝δ-δ’。

10.根据权利要求9所述的一种基于管道温度场分布的无损检测方法，其特征在于，所述的步骤(d)进一步包括：

(d.1)测量得管外空气温度为t，查得管外空气的对流换热系数为h₂，利用公式计算得出单位管长的管道热流量为q；

(d.2)根据管道材料属性查得管道(2)的导热系数为λ，根据管内流体的属性查得管内流体的换热系数为h₁，利用傅里叶公式

计算得出管内流体温度T；

(d.3)将t_w2替换为t_w2max，重复步骤(d.1)求得q’，将(d.2)中傅里叶公式中的q替换为q’，代入T，获得管道(2)内径为d₁’；

(d.4)由(d₂-d₁’)/2获得管壁厚度为δ’。

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