CN104040328A - 用于非破坏性检查的设备及方法 - Google Patents

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CN104040328A CN201380004783.4A CN201380004783A CN104040328A CN 104040328 A CN104040328 A CN 104040328A CN 201380004783 A CN201380004783 A CN 201380004783A CN 104040328 A CN104040328 A CN 104040328A
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R.R.莫塞
A.佩拉塔
F.M.多斯桑托斯斯维里奧
P.肖伊雷奇
F.蒙达达
F.罗查特
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Alstom Technology AG
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Abstract

本发明提供了一种使用磁性颗粒来检查铁磁构件的设备及方法，特别是用于发电设备的零件的原地检查，其中设备包括：可动底盘，其限定磁轭，带有在待检查的构件的表面上的中心开口和将磁性颗粒喷射到表面上的排出喷嘴；用于在开口下方的表面的至少一部分上生成磁场的磁场源；以及测量表面上的磁性颗粒的空间分布的表现的探测器。

Description

用于非破坏性检查的设备及方法
技术领域
本发明涉及用于检查金属构件和设备如大功率发电设备的零件(如，涡轮叶片、涡轮转子、电磁发电机、锅炉和管路)的装置及方法。
背景技术
借助于非破坏性方法(NDT)的涡轮构件的原地或现场检查是通常根据计划停机不时执行的维护。为了接近相关构件，许多检查需要拆卸构件，导致了漫长且昂贵的操作。
对于NDT应用，使用的测试方法和技术的选择取决于待检测的缺陷的类型、零件的状态及其几何形状。存在构件的冶金特性、其表面状态或向检查区域的接近限制可用的检查技术的使用的情况，这需要进一步拆卸或甚至从现场移除构件。
对于铁磁构件，仅存在通常用于暴露在表面的缺陷(如，裂缝、孔、裂纹等)的检测的仅一些NDT方法。它们包括利用涡流、超声波探测器或通过磁性颗粒检查(MPI)来测试。
通常，基于涡流的方法使用小线圈来用于扫描三到五毫米宽度的带内的检查区域。单个传感器装置的该相对较小的敏感区域在人工地执行检查时导致耗时的程序。虽然可用具有多个线圈的更大探测器，但它们趋于较重且昂贵，且因此不容易移动和用于现场检查。此外，如涡轮的许多零件那样，涡流由表面的粗糙度和几何形状改变，有效地降低了该方法对于复杂形状的构件或对于暴露于腐蚀或侵蚀的表面的灵敏度。
另一种公知的方法为利用超声波检查。波使用换能器生成，且投射到待检查的构件中。材料中的表面和表面下的间断散射或反射超声波。换能器可检测散射或反射的信号且确定间断的位置和形状。
另一方面，金属颗粒检查(MPI)用于检测铁磁材料如铁、镍、钴或它们的合金中的一些的表面和表面下的间断。该过程将磁场注入零件中。件可由直接或间接的磁化来磁化。直接磁化在电流穿过测试物体且磁场形成在材料中时发生。间接磁化在没有电流穿过测试物体时发生，但磁场从外部源施加。小磁性颗粒在干燥或潮湿环境中传播穿过待检查的构件的表面，且吸引到裂缝和其它表面缺陷周围的区域，因为磁场在这些缺陷处变得不均一。在已经磁化零件之后，其通常需要在使用之前再次消磁。MPI方法和设备的该要求和其它要求受制于若干国家和国际标准，例如，包括ASTM E1444-05标准。
在MPI的一些变型中，表面的特殊照明用于引起颗粒的荧光以增大可见度，且因此增大方法的灵敏度。
常规MPI工具通常是具有大线圈的常见的湿式水平机器。使用简单的轭的手持式装置也是已知的。例如，如果涡轮叶片保持于转子或如果涡轮的定子闭合，则两个类型的已知器具对于发电设备检查是不可能的或难以使用的。
用于本发明相关的各种目的的大致检查工具和方法例如可在美国专利6316845、7624827和7958955及公开的美国申请20080289421、20090314089和20110174565中找到。
美国专利第4950989号和第6316845号中描述了特殊MPI检查工具，其进一步提供了实施磁铁、电磁线圈、轭和磁性颗粒相关的背景信息。
若干发行物中描述了磁性可切换装置，包括名古屋, 2010. World Scientific的编辑H. Fujimoto, M. O. Tokhi, H. Mochiyama和G. S. Virk的Emerging Trends in Mobile Robotics, 375-382页中的F. Rochat, P. Schoeneich, M. Bonani, S. Magnenat, F. Mondada, H. Bleuler和H. Christoph的"Design of Magnetic Switchable Device (MSD) and applications in climbing robot" 。
鉴于已知的现有技术，本发明可认作是解决关于MPI工具和方法的机动性、尺寸和实用性的大致改善的问题，特别是在发电设备、涡轮、锅炉、管路和类似装置的零件的现场和原地的检查的领域中。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种使用磁性颗粒来检查铁磁构件的设备，特别是用于发电设备的零件的原地检查，其中设备包括:可动底盘，其限定磁轭，带有在待检查的构件的表面上的中心开口和将磁性颗粒喷射到表面上的排出喷嘴；用于在开口下方的表面的至少一部分上生成磁场的磁场源；以及测量表面上的磁性颗粒的空间分布的表现的探测器。
底盘的至少一部分有利地由铁磁材料以具有中心开口的环状形状制成。该设计可看作是在基本上平行于表面的平面中形成轭。该环包括沿待检查的表面的方向延伸出环的平面的铁磁材料的延伸部。延伸部优选设计为使得环与表面之间的间隙局部地减小至小于5mm，更优选为小于2mm，且甚至更优选为小于1mm。在变型中，间隙宽度可通过例如使用螺钉或其它调整装置降低或升高底盘来控制。
对于机动性，底盘例如可安装在三个或更多个滚动元件如辊子、轮、球或滑动元件如滑架上。
装置的总体尺寸适用于作为机动装置且优选作为手持装置。为了改善机动性，最长的水平尺寸优选为小于200mm。其高度优选为小于100mm。其重量优选为小于5kg。
用以喷射磁性颗粒的排出开口例如包括附接到磁性颗粒的储槽上的喷嘴。该储槽可安装在底盘上，或作为备选，其可与底盘分开。在后一情况中，管使排出开口与远程的储槽连接。
用于生成磁场的磁场源的优选实施例包括安装在环形框架上或环形框架内的至少两个可旋转地安装的磁铁，优选为在穿过框架的开口的并排位置。在磁铁就位的情况下，铁磁框架形成连续的轭，而没有间隙且具有中心开口。优选的变型包括两对磁铁，其安装成使得各对中的一个磁铁可人工地或利用马达器件与框架主动地旋转，而各对中的另一个磁铁可跟随旋转。磁铁可为永磁铁，或包括电磁线圈。
在本发明的优选实施例中，磁化和消磁通过一个或多个磁铁的旋转实现，优选为以减小的旋转角幅度的旋转顺序。
用以测量空间分布的表现的探测器的优选实施例包括光检测器如相机，用于记录检查下的表面的图像。
在该优选实施例的变型中，用以测量空间分布的表现的探测器还包括高强度辐射源，优选为电磁辐射。该源例如可为发射紫外(UV)光的发光二极管。
底盘还可包括传感器，传感器能够测量位置信息或位置信息的派生信息，如速度和方向，以确定表面上的设备的绝对位置或相对位置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于使用磁性颗粒来检查铁磁构件的方法，特别是用于发电设备的零件如安装在转子上的涡轮的翼型件的原地检查，该方法包括以下步骤：将用于使用磁性颗粒来检查铁磁构件的设备置于翼型件上，其中该设备包括可动底盘，其限定磁轭，带有在待检查的构件的表面上的中心开口和将磁性颗粒喷射到表面上的排出喷嘴、用于在开口下方的表面的至少一部分上生成磁场的磁场源、以及测量表面上的磁性颗粒的空间分布的表现的探测器；以及测量表面上的磁性颗粒的空间分布的表现。
在本发明的该方面中的优选变型中，磁场在场的显著部分经过铁磁材料的环形框架的平面外的延伸部引导到表面中的状态与场的至少大部分局限于环形框架内而不进入表面的状态之间切换。
本发明的这些方面和其它方面将从以下详细描述和下文所列的附图中清楚。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1A和1B示出了根据本发明的示例的用于检查工具的磁性可切换装置；
图2示出了根据本发明的示例的用于检查工具的另一个磁性可切换装置；
图3A-3C示出了根据本发明的示例的消磁过程；以及
图4示出了根据本发明的示例的检查工具的元件的布置。
具体实施方式
在以下的描述中将更详细地描述本发明的示例的方面和细节。首先参照图1A-1B来示出本发明的以下示例所基于的操作原理。附图示出了如可在示例中应用的框架结构和磁铁的顶部和侧部的视图。
在图1A中，示出了铁磁材料的环形框架10。框架的厚度为6mm，且其宽度为45mm且长度40mm。框架10具有20mm宽度和长度的大致正方形开口101。框架具有在待检查的表面11的方向上的铁磁材料的延伸部102。延伸部的高度为大约10mm，给出了框架的顶部到表面11的16.5mm的空隙。延伸部102的底面与表面11之间的间隙可在0或0.1mm到4mm的范围内调整。
具有10mm的直径和6mm的高度的两个盘形永磁铁12,13也嵌入框架中。一个磁铁12承载翅片(未示出)，其将磁铁联接到微电机(未示出)上。微电机可使磁铁12在铁磁框架10内旋转。其它磁铁13类似地安装在框架内。
磁铁12,13布置成形成磁性可切换装置，其可在如分别在图1A和1B中示出的第一状态与第二状态之间切换。在第一状态中，磁铁的极关于彼此旋转，使得如由箭头指示的磁场保持在用作轭的框架10内。在该状态中，无磁场部分或磁场的最小部分引导到铁磁表面11中。在第二状态中，极的定向变化，使得磁场至少部分地引导到延伸部102中且穿过延伸部进入表面11中，提供了表面在延伸部之间的区域即开口下方的区域内的磁化。
通过旋转两个磁铁12,13，磁铁的北极和南极的定向可互换，导致磁场在表面11具有与图1B中所示方向相反的方向。该方向切换可用于以下文更详细描述的方式对表面消磁。
图1A和图1B中所示的操作原理可延伸至两个以上的磁铁。图2中示出了具有四个磁铁的示例，增加了对切换过程的强度和更多控制选择。在图2的示例中，两个磁铁21,22设计成使用马达主动地旋转，而两个磁铁23,24安装成使得它们能够在框架20内旋转。一对中的一个磁铁21,23,22,24的旋转足以引起成对磁铁的旋转，因此并非总是需要向一对的所有磁铁提供旋转马达或手柄。如图2中所示，磁铁21,22,23,24在中心开口外侧的且还与中心开口偏心的点周围旋转。
在示例中，磁铁相对于框架成角(对于磁铁的第一对21,23)或(对于磁铁的第二对22,24)定向。如以上示例中那样，磁铁的极可旋转来在第一状态与第二状态之间切换，且还使磁场的方向反向以提供表面的消磁。
如图3中所示，磁铁的角且因此相对定向确定了磁场强度以及其在检查表面的方向。图3A的两个分支示出了消磁过程中角α和β可如何变化。样品中的所得的磁场强度在图3B的曲线中示出。样品的显著消磁已经在6个循环内实现。图3C中示出了给定循环数目之后的剩余场强度的减小。
图4中示出了列举说明以上原理的检查工具。上文所述的框架结构用作底盘40来提供较小的轻重量和可移动的工具。底盘和安装在其上的元件由圆顶形外壳41保护。外壳41可由任何非磁性材料如塑料或非磁性金属制成。
底盘40其自身包括具有磁铁42、中心开口401和延伸部402的铁框架，如上文所述。此外，喷嘴43安装在底盘40上，磁性颗粒可经过喷嘴43喷洒。喷嘴经过管431排出，管431继而又连接到干磁性颗粒或磁性颗粒432的(湿)悬浮物的远程储槽上。颗粒432优选为荧光的。此类颗粒是已知的，且例如在商标名Magnaglo®14A下市售。
此外，底盘承载相机系统的光学器件44，包括一对UVA LED441，其发射UV辐射，引起磁性颗粒的荧光。相机系统还包括元件如图像传感器和图像显示单元，其取决于尺寸或能量消耗可以或不可安装为设备的零件。在远程的图像检测和显示系统的情况下，光学构件与远程的零件之间的链接442可使用如图所示的光纤线缆442或无线信号传输来产生。
检查工具进一步示为包括三个球形轮45，其安装成使得设备可在待检查的表面46上沿任意方向移动。位置编码器47检测表面46上的设备的运动，且其输出信号可用于记录设备的位置，且因此记录由其检测的表面的任何缺陷461的位置。编码器安装和操作的方式允许在二维或三维空间中记录缺陷位置图。
在操作中，检查工具定位在待查验的表面46上。该表面例如可为固定到发电设备内的涡轮转子上的蒸汽涡轮的叶片。当设备在表面上由手或利用小马达移动时，磁性颗粒432经过喷嘴43喷洒在表面上。由底盘在喷嘴43周围形成的腔限制磁性颗粒传播超过直接地在工具下方的表面46的部分。
磁铁42切换来提供表面内的磁场H，且切换来使表面又消磁或使工具沿表面移动。
使用一对UVA LED441来照明颗粒，且在被照明时，开始发射荧光。相机44提供了由设备横穿的表面46的连续监测，且寄存从磁性颗粒432发射或反射的光的空间分布，因此表现其自身的空间分布。通过目视检查或通过使用基于计算机的图像处理，针对材料中的表面或表面附近的缺陷461的存在可评估图像的顺序。
由位置编码器47测量的关于位置的信息可用于确定和显示检测到的任何缺陷的位置。
本发明仅通过示例的方式在上文描述，且改型可在本发明的范围内制作出，特别是关于底盘和其承载的元件的布置的形状和设计。本发明还在于本文描述或隐含的或附图中示出或隐含的任何独立特征，或任何此类特征的任何组合，或延伸至其等同物的任何此类特征或组合的任何归纳。因此，本发明的幅度和范围不应当由任何上述示例性实施例限制。
在包括附图的说明书中公开的各个特征可由服务于相同的、等同的或类似的目的的备选特征替换，除非另外明确指示。
除非本文明确指示，则说明书各处的现有技术的任何论述都未承认此类现有技术是普遍已知的，或形成该领域中的公知常识的部分。
零件清单
10,20 框架
101 开口
102 延伸部
11 表面
12, 13, 21, 22, 23, 24 磁铁
α,β 角
40 底盘
41 壳
42 磁铁
401 开口
402 延伸部
43 喷嘴
431 管
432 磁性颗粒
44 光学器件
441 LED
442 光纤
45 轮
46 表面
461 表面缺陷
47 位置编码器
H 磁场。

Claims (12)

1. 一种用于使用磁性颗粒(432)来检查铁磁构件的设备，其中所述设备包括：可动底盘(40)，其限定磁轭，带有在待检查的所述构件的表面(46)上的中心开口(401)和将所述磁性颗粒(432)喷射到所述表面(46)上的排出喷嘴(43)；用于在所述中心开口(401)下方的所述表面(46)的至少一部分上生成磁场的磁场源；以及测量所述表面(46)上的所述磁性颗粒(432)的空间分布的表现的探测器，
其中，所述磁场源包括位于由所述中心开口(401)分开的位置处的至少两个磁铁(21,22,23,24)，其中所述至少两个磁铁(21,22,23,24)中的至少一个在所述中心开口(401)外侧的且与所述中心开口(401)偏心的点周围能够旋转地安装于限定所述轭的所述底盘(40)内。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁场源包括磁性可切换装置。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，磁场源包括至少四对磁铁(21,22,23,24)，其中所述对定位在由所述中心开口(401)分开的位置处，其中各个磁铁(21,22,23,24)能够旋转地安装在限定所述轭的所述底盘(40)内。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轭具有限定为包括所述开口(401)的所述平面的平面，且包括平面外延伸部(402)以减小到所述表面(46)的距离。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括使所述设备的底部升离所述表面且使所述设备能够滚动或滑动移动穿过待检查的所述表面的支承元件。
6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备具有小于200mm的最长水平尺寸和小于100mm的高度。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备具有小于5kg的重量。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括连接到磁性颗粒(432)的储槽上且设计成将所述磁性颗粒分布到待检查的所述构件的所述表面(46)上的排出开口。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，测量空间分布的表现的所述探测器包括光学检测器(44)。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，测量空间分布的表现的所述探测器包括光学检测器(44)和照明所述表面的源(441)。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括能够测量位置信息或位置信息的派生信息以确定所述设备在所述表面(46)上的绝对位置或相对位置的传感器(47)。
12. 一种用于现场检查铁磁构件的方法，所述方法包括以下步骤：
将使用磁性颗粒(432)来检查铁磁构件的设备置于所述翼型件上，其中所述设备包括：可动底盘(40)，其限定磁轭，带有在待检查的所述构件的表面(46)上的中心开口(401)和将所述磁性颗粒(432)喷射到所述表面(46)上的排出喷嘴(43)；用于在所述开口(401)下方的所述表面(46)的至少一部分上生成磁场的磁场源；以及测量所述表面上的磁性颗粒的空间分布的表现的探测器；
在表面(46)的至少一部分上生成磁场；以及
测量所述表面(46)上的所述磁性颗粒(432)的空间分布的表现，
使安装在所述底盘(40)上的磁铁(21,22,23,24)在所述中心开口外侧的且与所述中心开口偏心的点周围旋转，以便使所述磁场在磁化与非磁化和/或消磁状态之间切换。
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