CN102980946B - 一种参数可调式炉管蠕变损伤超声检测探头架 - Google Patents
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Abstract
一种参数可调式炉管蠕变损伤超声检测探头架，属于超声无损检测技术领域。由形状、尺寸相同的上、下圆弧钢梁及管柱刚性连接构成探头架架体，管柱上、下端与检测驱动装置连接，圆弧钢梁上对称分布有四段上下对应的同心圆弧槽型滑道，四个包角调节滑块通过圆弧槽型滑道与圆弧钢梁配合，四个安装限位行走轮的倾角调节块其宽度与包角调节滑块相同，其径向中心对称线在与包角调节滑道的交点处共轴，两个有可调滑板的固定超声探头的模块位于上、下钢梁之间，用以调节弹性密封层的柱面曲率。本发明可以适应不同尺寸的炉管，大幅度提高检测效率，并可根据炉管实际使用工况，调整声束透过路径，避免盲区，提高对炉管无损评价的准确度。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，特别是针对高温炉炉管蠕变损伤超声无损检测的探头架。
背景技术
高温炉炉管被广泛应用于石油化工行业的炼油、合成氨、裂解和甲醇等的装置中，其工作过程需承受高温和高压的联合作用，其制作材料多采用奥氏体耐热钢。长期服役后，随着材料组织的劣化，其持久强度、塑性和韧性等力学性能会随之逐渐下降，致使管壁内形成蠕变损伤和裂纹，最终引起炉管爆裂失效，轻则影响生产，重则会引起炉膛爆炸，造成重大安全事故。
为了保证上述装置中炉管的安全运行，世界各国均采用超声无损检测方法对炉管进行定期检查。炉管超声无损检测的原理是利用超声波声束沿管壁弦长方向的传播，按其能量的衰减幅度以判断管壁内的蠕变损伤程度。考虑到任何一个加热炉中炉管的数量少则几十根，多则几百根，竖琴式排列，高度达到十几米，而每次停产的检测时间又往往只有几天，这给炉管超声无损检测的准确性、速度和效率提出了更高的要求。实际的炉管超声无损检测是由驱动装置带动超声探头架沿炉管轴向自动完成的。探头架的功能主要是保证超声探头与被检测炉管规格参数(管径和壁厚)之间具有科学合理的几何位向关系，以使超声无损检测具有最佳的灵敏度和分辨率。在探头架上，超声探头与待测炉管之间附带有耦合水室及其相应的运动密封层，以减少检测运动过程中超声传播的能量损耗。然而，在石油化工企业中，高温炉的炉管存在多种规格，对其中每一种规格炉管实施超声无损检测时均需专门设计相应的探头架，这既增加检测的成本，更不利于检测工作的及时进行。另外，管式换热器中的炉管受高温和高压的联合作用，长时间服役后，其管径会因蠕胀而偏离标称尺寸，若超声无损检测时仍按其标称尺寸设计探头架，则造成声束传播路径的偏差，势必会影响检测精度，甚至产生漏检现象。其次，针对某种规格炉管的超声无损检测，专门为其设计的探头架其沿弦长方向穿过管壁的超声束与管内壁的间距(临界裂纹深度)均为事先设定值，这意味着该探头架只能检测到深度超过上述间距的蠕变裂纹，而实际检测中经常需要改变上述间距，以判断炉管的真实损伤程度。现有炉管超声无损检测技术的上述弊端长期困扰各个检测单位，迄今为止尚无很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在一定范围内参数连续可调的炉管蠕变损伤超声无损检测的探头架。其特点是通过现场测量、确认被测炉管的实际管径和壁厚，并根据管壁中允许存在的最大裂纹深度确定其声束弦与管内壁的间距，然后经计算确定探头架的包角、倾角和入射角，再将其中的各功能部件调节至相应的角度后实施超声无损检测。若经过检测发现某管壁中确实存在蠕变裂纹，还可以不断调节、改变声束弦与管内壁的间距，通过反复检测最终确定蠕变裂纹的深度。
本发明的技术方案是根据超声学的基本原理进行构思和设计的，其发明目的是通过以下构件和机构的组合来实现的。
1)形状、尺寸相同的上、下圆弧钢梁之间由管柱刚性连接构成探头架架体；管柱上、下端与检测驱动装置连接，使探头架能够以管柱中心线为轴自由转动；管柱下端兼作耦合水入口接头，上端封堵，中心为带螺纹盲孔；管柱中间部位开有两个耦合水的出口。
2)在架体的圆弧钢梁上对称分布有四段上下对应的同心圆弧槽型滑道，滑道中线弧半径为R0，作为调节圆弧包角的滑道；与圆弧滑道同心的圆弧钢梁外缘刻有计量包角参数α的角度标尺；
3)四个沿圆弧的包角调节滑块通过圆弧槽型滑道与圆弧钢梁配合，保证其只能沿半径为R0的滑道运动，R0为结构设计参数；包角调节滑块的径向中心线为包角调节参数α的指示线；径向中心线与滑道中线弧的交点为倾角调节的旋转中心，滑块以该点为圆心；按中心线对称分布的圆弧外缘刻有计量倾角参数γ的角度标尺。
4)四个倾角调节块其宽度与包角调节滑块相同，其径向中心对称线在与包角调节滑道的交点处共轴，轴径略小于包角滑道槽宽度和包角调节滑块同心孔径。该同心轴一端焊接固定于倾角调节块上，另一端为螺栓结构，穿过包角调节滑块同轴孔和包角调节滑道槽后，由紧固旋钮同时固定包角调节滑块和倾角调节块的位置或角度；倾角调节块的径向中心对称线作为倾角参数γ指示线，在倾角调节块径向中心对称线的内侧外表面安装有限位行走轮，保证行走轮外缘与被测炉管接触的母线为超声探头发射和接受声束通过管壁的出入射点，限位行走轮与被测炉管接触点距上述调节和紧固同心轴中心的间距rA为结构设计参数；在倾角调节块径向中心对称线的外侧、以超声探头发射和接受声束通过管壁的出入射点为圆心的圆弧外缘上刻有计量超声出入射角度参数β的角度标尺，倾角调节块的板上开有与圆弧外缘同心的圆弧槽型滑道；在倾角调节块径向中心对称线的内侧内表面、以超声探头发射和接受声束通过被测管壁的出入射点为圆心安装有半月形槽式定位轴。
5)四个超声出入射角度调节块，其径向中心对称线的内侧是以半月形槽式定位轴为圆心的凹圆弧，其余形状和尺寸与倾角调节块相同，在其弧形外缘刻有调节出入射角度参数β的指示线；在倾角调节块圆弧滑道槽的相应位置焊接固定有带螺纹滑道轴，滑道轴穿过倾角调节块滑道槽后由紧固旋钮固定超声出入射角度的调节位置。
6)两个固定超声探头的模块位于上、下钢梁之间，其两端面通过螺钉分别将上、下出入射角度调节块连接成一个整体；沿模块的径向中心对称面开有垂直于被测管壁母线的超声探头装配通孔，超声探头通过密封法兰嵌于通孔的外侧，探头发射或接受面朝向被测炉管，控制超声探头的嵌入深度，使之聚焦点或线恰好位于被测炉管外壁的超声束出入射点或母线；超声探头发射或接受面与被测炉管外壁之间的圆柱空间为探头耦合水室，其侧面开有入水口和排气口，入水口通过伸缩软管与管柱中部的耦合水出口相连；该模块面向被测炉管壁的侧面为圆柱曲面，其上附带弹性密封层和表面的耐磨层；模块的两个径向侧面安装有可调节滑板，用以调节弹性密封层的柱面曲率。
本发明的效果和益处是：可以适应不同尺寸的炉管，大幅度提高检测效率，并可根据炉管实际使用工况，调整声束透过路径，避免盲区，提高对炉管无损评价的准确度，保证生产的安全进行。
附图说明
图1(a)是圆弧轨道结构俯视图。
图1(b)是圆弧轨道结构侧视图。
图2是包角调节机构图。
图3(a)是出入射角及倾角调节机构俯视图。
图3(b)是出入射角及倾角调节机构剖视图。
图4(a)是耦合水室密封及探头安装结构剖视图。
图4(b)是耦合水室密封及探头安装结构俯视图。
图5是按实施例一的数据和要求确定探头架的各角度参数示意图。
图6是按实施例二的数据和要求确定探头架的各角度参数示意图。
图中：1 探头架的圆弧钢梁；
2 连接上下圆弧钢梁的空心管柱；
3 探头架下支点转轴兼耦合水入口接头；
4 带螺纹盲孔，用作探头架上支点转轴；
5 圆弧钢梁上的同心圆弧槽型滑道；
6 两个耦合水出口；7 计量包角参数α的角度标尺；
8 包角调节滑块；9 包角调节参数α的指示线，A点倾角调节的回转中心；
10 倾角调节块；
11 倾角调节块回转轴，同时兼作包角调节的滑动轴和两种调节的紧固螺栓；
12 紧固旋钮；13 计量倾角参数γ的角度标尺；
14 以待测管壁入(或出)射点圆心的半月形槽式定位轴；
15 探头架的限位行走轮；16入(或出)射角度调节的滑道槽；
17 调节倾角参数γ指示线；
18 计量入(或出)射角度参数β的角度标尺；
19 入(或出)射角度调节块；20入(或出)射角度调节的紧固螺栓；
21 入(或出)射角度调节的旋钮；
22 调节入(或出)射角度参数β的指示线；
23 固定超声探头的模块；24 固定螺钉；25 待测炉管；
26 弹性密封层和表面耐磨层；27 耦合水室排气孔；28 探头耦合水室；
29 耦合水室进水孔；30 超声探头；31 探头固定和密封法兰；
32 探头连线端子；33 耦合水室柔性进水管；
34 弹性密封层和表面耐磨层曲率调节控制板；35 曲率调节控制板固定旋钮。
具体实施方式
目前石化企业高温炉广泛使用的炉管外径一般在Φ100mm～Φ160mm之间，炉管的壁厚约为其外径的十分之一，据此，设计探头架的参数调节范围可选为，管外径：Φ104mm～Φ152mm；管壁厚：10mm～16mm。根据探头架选用材料的强度指标和刚度要求，其结构设计参数R0确定为100mm，rA确定为24mm。包角α调节范围20°～76°；倾角γ调节范围0°～55°；出入射角β调节范围0°～36°。超声探头选用型号为1Z20SJ-XR12.5(水浸线聚焦)。
实施例一 炉管外径D′＝Φ127mm，管壁厚t＝12.5mm，声束弦距管内壁的间距设定为δ＝2.5mm，炉管材料为奥氏体耐热钢，取其横波声速Vt＝2700m/s，水中声速取V水＝1480m/s，如图5所示，可根据上述数据和要求确定探头架的各角度参数如下：
实施例二 炉管仍为奥氏体耐热钢，其中横波声速Vt和水中声速V水同上。炉管外径D′＝Φ124mm，管壁厚t＝10.5mm，考虑到管比较薄，取声束弦距管内壁间距δ＝2.0mm，声束在管壁内的行程取两个弦长，即中间利用管外壁反射一次，如图6所示，探头架各角度参数确定如下：
Claims (1)
1.一种参数可调式炉管蠕变损伤超声检测探头架，其特征在于：
(1)形状尺寸相同的上、下圆弧钢梁之间由管柱刚性连接构成探头架架体，探头架能够以管柱中心线为轴自由转动；管柱上、下端与检测驱动装置连接，管柱下端兼作耦合水入口接头，上端封堵，中心为带螺纹盲孔；管柱中间部位开有两个耦合水的出口；
(2)在架体的圆弧钢梁上对称分布有四段上下对应的同心圆弧槽型滑道，滑道中线弧半径为R0，作为调节圆弧包角的滑道；与圆弧滑道同心的圆弧钢梁外缘刻有计量包角参数α的角度标尺；
(3)四个沿圆弧的包角调节滑块通过圆弧槽型滑道与圆弧钢梁配合，保证其只能沿半径为R0的滑道运动；包角调节滑块的径向中心线为包角调节参数α的指示线；径向中心线与滑道中线弧的交点为倾角调节的旋转中心，滑块以该点为圆心；按中心线对称分布的圆弧外缘刻有计量倾角参数γ的角度标尺；
(4)四个倾角调节块其宽度与包角调节滑块相同，其径向中心对称线在与包角调节滑道的交点处共轴，轴径小于包角滑道槽宽度和包角调节滑块同心孔径；该同心轴一端固定于倾角调节块上，另一端为螺栓结构，穿过包角调节滑块同轴孔和包角调节滑道槽后，由紧固旋钮同时固定包角调节滑块和倾角调节块的位置或角度；倾角调节块的径向中心对称线作为倾角参数γ指示线，在倾角调节块径向中心对称线的内侧外表面安装有限位行走轮，保证行走轮外缘与被测炉管接触的母线为超声探头发射和接受声束通过管壁的出入射点，限位行走轮与被测炉管接触点距上述调节和紧固同心轴中心的间距rA为结构设计参数；在倾角调节块径向中心对称线的外侧、以超声探头发射和接受声束通过管壁的出入射点为圆心的圆弧外缘上刻有计量超声出入射角度参数β的角度标尺，倾角调节块的板上开有与圆弧外缘同心的圆弧槽型滑道；在倾角调节块径向中心对称线的内侧内表面、以超声探头发射和接受声束通过被测管壁的出入射点为圆心安装有半月形槽式定位轴；
(5)四个超声出入射角度调节块，其径向中心对称线的内侧是以半月形槽式定位轴为圆心的凹圆弧，其余形状和尺寸与倾角调节块相同，在其弧形外缘刻有调节出入射角度参数β的指示线；在倾角调节块圆弧滑道槽的相应位置焊接固定有带螺纹滑道轴，滑道轴穿过倾角调节块滑道槽后由紧固旋钮固定超声出入射角度的调节位置；
(6)两个固定超声探头的模块位于上、下钢梁之间，其两端面通过螺钉分别将上、下出入射角度调节块连接成一个整体；沿模块的径向中心对称面开有垂直于被测管壁母线的超声探头装配通孔，超声探头通过密封法兰嵌于通孔的外侧，探头发射或接受面朝向被测炉管，控制超声探头的嵌入深度，使之聚焦点或线恰好位于被测炉管外壁的超声束出入射点或母线；超声探头发射或接受面与被测炉管外壁之间的圆柱空间为探头耦合水室，其侧面开有入水口和排气口，入水口通过伸缩软管与管柱中部的耦合水出口相连；该模块面向被测炉管壁的侧面为圆柱曲面，其上附带弹性密封层和表面的耐磨层；模块的两个径向侧面安装有可调节滑板，用以调节弹性密封层的柱面曲率。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141015 |