CN104198580A - 磁致伸缩导波传感器及含有传感器的换热管缺陷检测系统 - Google Patents

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本发明公开了磁致伸缩导波传感器及含有传感器的换热管缺陷检测系统，传感器包括外壳，外壳的外侧壁上设置有第一环形布线槽和第二环形布线槽，第一环形布线槽和第二环形布线槽内分别放置有激励线圈和接收线圈，激励线圈和接收线圈均为螺线管线圈，外壳内腔在对应于激励线圈和接收线圈的位置分别放置有激励磁铁和接收磁铁，激励磁铁和接收磁铁均为钐钴永久磁铁，外壳的一端连接有插头连接座，插头连接座上连接有激励插头和接收插头。检测系统包括传感器、功率放大器、信号发生器、计算机、A/D转换器和滤波放大器。本发明通过磁致伸缩效应，直接在换热管内激励出纵向模态超声导波，整个检测过程中传感器与换热管无需接触，提高了检测效率以及适用性。

Description

磁致伸缩导波传感器及含有传感器的换热管缺陷检测系统
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，特别涉及换热管内检测用磁致伸缩导波传感器及含有传感器的换热管缺陷检测系统。
背景技术
换热管在石化行业中被广泛使用，且使用数量正随着行业发展急剧增加。由于换热管工作环境恶劣，经常处于高温、高压的条件下，其应力状况复杂，在应力交互作用下容易产生失效，且腐蚀的积累也极易导致换热管产生失效，因而存在极大的安全隐患，所以对换热管的检测是十分必要的。面前，对于换热管的检测方法主要有远场涡流检测、局部磁饱和涡流检测、内旋转超声相控阵检测以及漏磁检测方法。上述检测方法，其传感器的检测范围有限，因而传感器必须穿过换热管被检区域，才能完成整根换热管的检测，探头的移动过程使得检测效率偏低，且装置较为复杂。另一方面，要求换热管对被检区域内壁进行清洗，也影响了上述方法的检测效率。
超声导波检测具有通过单点激励即可实现长距离检测的优势，将其应用于换热管检测，在检测过程中无需移动探头即可对整根换热管进行检测。现在有一种波检测方法是利用磁致伸缩传感器在波导管中激励扭转波脉冲，通过导波锥与换热管内壁的机械耦合，将波导管中的扭转波脉冲传至换热管，同理接收扭转波回波，完成对换热管的检测。该方法要求换热管内表面与导波锥接触良好，以实现良好的机械耦合，因而对换热管内壁的表面要求较高，对于换热管内表面凹凸不平的情况，表面处理较为繁琐，从而造成了实际操作中的不便。
另外，还有一种技术是用于换热管的检测方法，通过电磁场的能量耦合，基于磁致伸缩效应，在换热管中激励并接收扭转波，完成对换热管的检测。该方法要求导电钢刷与换热管内壁接触良好，以构成直流回路用以提供周向偏置磁场，因而仍需对管道表面进行处理，在实际操作中会带来不便。上述两种传感器均要求良好的表面接触，清洗要求高；且均是利用扭转波检测换热管缺陷，而扭转波对轴向缺陷敏感，而对于周向缺陷并不敏感，因而对其检测对象有较大限制。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供了换热管内检测用磁致伸缩导波传感器及含有传感器的换热管缺陷检测系统，其在检测时将传感器线圈部分放置在管内，无需与换热管机械接触，检测过程中无需移动传感器即可实现对换热管的高效检测；使用钐钴材料的激励磁铁和接收磁铁提供静态偏置磁场，可激励出模态单一的纵向导波，有利于缺陷的检测与识别。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，包括外壳，所述外壳整体呈圆柱形，外壳的外侧壁上设置有第一环形布线槽和第二环形布线槽，所述第一环形布线槽和第二环形布线槽内分别放置有激励线圈和接收线圈，激励线圈和接收线圈均为螺线管线圈，外壳内腔在对应于激励线圈和接收线圈的位置分别放置有激励磁铁和接收磁铁，所述激励磁铁和接收磁铁均为钐钴永久磁铁，所述激励磁铁和接收磁铁均呈圆柱形且极化轴线均平行于外壳的轴线，外壳的一端连接有插头连接座，插头连接座上连接有激励插头和接收插头，激励插头通过激励导线与激励线圈相连接，接收插头通过接收导线与接收线圈相连接。
优选地，所述激励磁铁和接收磁铁之间设置有中间定位件，中间定位件位于外壳内且其两端分别与激励磁铁和接收磁铁相抵接。
优选地，所述外壳远离插头连接座的一端安装有端部定位件，所述端部定位件的一端伸入外壳内与接收磁铁相抵接。
优选地，所述插头连接座靠近外壳的一侧延伸有柱台，所述柱台伸入外壳内部并与激励磁铁相抵接，柱台上设置有便于激励导线和接收导线穿过柱台的走线孔。
优选地，所述插头连接座包括箱体和盖在箱体上盖板，所述激励插头和接收插头均安装在盖板上。
优选地，所述外壳、端部定位件、中部定位件和插头连接座均由绝缘材料制成。
优选地，所述外壳上设置有便于激励导线和接收导线走线的走线长槽，所述第一环形布线槽、第二环形布线槽和走线长槽内均灌封有环氧树脂。
优选地，所述激励磁铁的长度为激励线圈的宽度的两倍以上，所述接收磁铁的长度为接收线圈的宽度的两倍以上。
作为本发明的另一个方案，换热管缺陷检测系统，包括上述磁致伸缩导波传感器；所述磁致伸缩导波传感器的激励插头上连接有功率放大器，所述功率放大器上连接有信号发生器，信号发生器上连接有计算机，计算机控制信号发生器产生正弦脉冲电流信号，电流信号经过功率放大器放大后输入到激励线圈，激励磁铁在换热管中产生沿管道轴向的静态磁场，激励线圈在换热管中产生轴向交变磁场，通过磁致伸缩效应，从而直接在换热管内激励产生沿着换热管轴向传播的纵向模态超声导波；计算机上连接有A/D转换器，所述A/D转换器上连接有滤波放大器，所述滤波放大器与磁致伸缩导波传感器的接收插头相连接，纵向模态超声导波经换热管反射后，反射回波经过接收线圈时，通过逆磁致伸缩效应，引起接收线圈感应电压的变化，产生电信号，此电信号经过滤波放大器和A/D转换器后被计算机接收获得信号波形图。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明由放置在外壳内的激励磁铁和接收磁铁提供轴向静态磁场，由激励线圈和接收线圈提供轴向交变磁场，轴向交变磁场与轴向静态偏置磁场共同作用，通过磁致伸缩效应，直接在换热管内激励出纵向模态超声导波，整个检测过程中传感器与换热管无需接触，提高了检测效率以及适用性。另外，本发明使用了低电导率的钐钴磁铁，激励出的纵向模态超声导波的模态单一，有利于缺陷的检测与识别。
附图说明
图1为本发明的磁致伸缩导波传感器的剖视图；
图2为本发明的换热管缺陷检测系统进行换热管检测的示意图；
图3为实例中所用的标样管示意图；
图4为使用换热管缺陷检测系统在标样管上检测所得信号的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，包括外壳5，所述外壳5整体呈圆柱形，外壳5的外侧壁上设置有第一环形布线槽和第二环形布线槽，所述第一环形布线槽和第二环形布线槽内分别放置有激励线圈7和接收线圈11，所述激励线圈7和接收线圈11均为螺线管线圈。
外壳5内腔在对应于激励线圈7和接收线圈11的位置分别放置有激励磁铁6和接收磁铁10，所述激励磁铁6和接收磁铁10均为钐钴永久磁铁。所述激励磁铁6和接收磁铁10均呈圆柱形且极化轴线均平行于外壳5的轴线。优选地，所述激励磁铁6的长度为激励线圈7的宽度的两倍以上，所述接收磁铁10的长度为接收线圈11的宽度的两倍以上，这样设置可以使激励线圈7和接收线圈11分别靠近激励磁铁6和接收磁铁10的中间，因此激励磁铁6和接收磁铁10的中间部位的外部换热管内的那部分磁力线大致水平，此部分的轴向静态磁场能很好地与激励线圈7及接收线圈11产生的轴向交变磁场配合。
所述激励磁铁6和接收磁铁10之间设置有中间定位件9，中间定位件9位于外壳5内且其两端分别与激励磁铁6和接收磁铁10相抵接。外壳5的一端连接有用于与换热管14管口相抵靠的插头连接座4，插头连接座4还抵靠在外壳5上，插头连接座4与外壳5相抵靠的侧面为换热管贴合面22，检测时，换热管贴合面22抵靠在换热管14的管口上，这样便于传感器的定位，及便于计算激励线圈7和接收线圈11到换热管14管口的距离。优选地，所述插头连接座4靠近外壳5的一侧延伸有柱台20，所述柱台20伸入外壳5内部，柱台20抵住激励磁铁6。柱台20上设置有便于激励导线和接收导线穿过柱台20的走线孔21。所述插头连接座4包括箱体23和盖在箱体23上盖板3，所述激励插头2和接收插头1均安装在盖板3上。激励插头2通过激励导线与激励线圈7相连接，接收插头1通过接收导线与接收线圈11相连接，激励插头2和接收插头1均安装在插头连接座4远离外壳5的一侧。优选地，盖板3安装在插头连接座4远离外壳5的一侧，这样的设计便于激励插头2和接收插头1的安装及激励导线和接收导线的走线。
所述外壳5上设置有便于激励导线和接收导线走线的走线长槽，所述第一环形布线槽、第二环形布线槽和走线长槽内均灌封有环氧树脂8。端部定位件12与外壳5通过螺钉连接，插头连接座4与外壳5通过螺钉连接，箱体23与盖板3通过螺钉连接。所述外壳5远离插头连接座4的一端安装有端部定位件12，所述端部定位件12的一端伸入外壳5内与接收磁铁10相抵接，端部定位件12的另一端与外壳5的端部相抵接，端部定位件12与插头连接座4共同将外壳5封闭。所述外壳5、中间定位件9、端部定位件12和插头连接座4均由绝缘材料制成。
下面结合图2来具体说明使用按照本发明的换热管内检测用磁致伸缩导波传感器对换热管14进行检测的过程。
参照图2，换热管缺陷检测系统，包括上述的磁致伸缩导波传感器，所述磁致伸缩导波传感器的激励插头2上连接有功率放大器15，所述功率放大器15上连接有信号发生器16，信号发生器16上连接有计算机17，计算机17上连接有A/D转换器18，所述A/D转换器18上连接有滤波放大器19，所述滤波放大器19与磁致伸缩导波传感器的接收插头1相连接。
在对换热管14的检测过程中，磁致伸缩导波传感器的外壳5放入换热管14内部，插头连接座4上的换热管贴合面22与换热管14的管口贴合。计算机17控制信号发生器16产生正弦脉冲电流信号。电流信号经过功率放大器15放大后，输入到激励线圈7。激励磁铁6在换热管14中产生沿换热管14轴向的静态磁场，激励线圈7在换热管14内产生轴向交变磁场。在轴向静态磁场和轴向交变磁场的作用下，通过磁致伸缩效应，直接在换热管14内激励产生纵向模态超声导波，沿着换热管14轴向传播。纵向模态超声导波经过换热管14反射后(如果有缺陷，则缺陷和换热管14的两个端部都有反射，如果没有缺陷，则只有换热管14的两个端部反射)，反射回波经过接收线圈11时，通过逆磁致伸缩效应，引起接收线圈11感应电压的变化，产生电信号；电信号经过滤波放大器19和A/D转换器18后，进入计算机17，获得信号波形图，完成整个检测过程。
图3为一个作为标样管的外径25mm，内径20mm的换热管14的示意图，标样管的管长为L2＝2.8m，在距离其左端部约L1＝1.4m的位置有一个横槽缺陷。横槽缺陷长12.5mm，宽1mm，深0.5mm，等效截面积损失为3.7％。
图4为磁铁材料为钐钴时使用换热管缺陷检测系统在标样管上检测所得信号的波形图。图中，通过信号用S1表示，标样管的端部回波用S2表示，刻槽缺陷回波用F1表示。从图中可以看出，该传感器可激励出模态单一的纵向导波，并能检测出横槽缺陷，检测精度良好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：包括外壳(5)，所述外壳(5)整体呈圆柱形，外壳(5)的外侧壁上设置有第一环形布线槽和第二环形布线槽，所述第一环形布线槽和第二环形布线槽内分别放置有激励线圈(7)和接收线圈(11)，激励线圈(7)和接收线圈(11)均为螺线管线圈，外壳(5)内腔在对应于激励线圈(7)和接收线圈(11)的位置分别放置有激励磁铁(6)和接收磁铁(10)，所述激励磁铁(6)和接收磁铁(10)均为钐钴永久磁铁，所述激励磁铁(6)和接收磁铁(10)均呈圆柱形且极化轴线均平行于外壳(5)的轴线，外壳(5)的一端连接有插头连接座(4)，插头连接座(4)上连接有激励插头(2)和接收插头(1)，激励插头(2)通过激励导线与激励线圈(7)相连接，接收插头(1)通过接收导线与接收线圈(11)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述激励磁铁(6)和接收磁铁(10)之间设置有中间定位件(9)，中间定位件(9)位于外壳(5)内且其两端分别与激励磁铁(6)和接收磁铁(10)相抵接。
3.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述外壳(5)远离插头连接座(4)的一端安装有端部定位件(12)，所述端部定位件(12)的一端伸入外壳(5)内与接收磁铁(10)相抵接。
4.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述插头连接座(4)靠近外壳(5)的一侧延伸有柱台(20)，所述柱台(20)伸入外壳(5)内部并与激励磁铁(6)相抵接，柱台(20)上设置有便于激励导线和接收导线穿过柱台(20)的走线孔(21)。
5.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述插头连接座(4)包括箱体(23)和盖在箱体(23)上盖板(3)，所述激励插头(2)和接收插头(1)均安装在盖板(3)上。
6.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述外壳(5)、端部定位件(12)、中部定位件(9)和插头连接座(4)均由绝缘材料制成。
7.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述外壳(5)上设置有便于激励导线和接收导线走线的走线长槽，所述第一环形布线槽、第二环形布线槽和走线长槽内均灌封有环氧树脂(8)。
8.根据权利要求1所述的用于换热管缺陷检测的磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述激励磁铁(6)的长度为激励线圈(7)的宽度的两倍以上，所述接收磁铁(10)的长度为接收线圈(11)的宽度的两倍以上。
9.换热管缺陷检测系统，其特征在于：包括权利要求1～8中任一权利要求所述的磁致伸缩导波传感器；
所述磁致伸缩导波传感器的激励插头(2)上连接有功率放大器(15)，所述功率放大器(15)上连接有信号发生器(16)，信号发生器(16)上连接有计算机(17)，计算机(17)控制信号发生器(16)产生正弦脉冲电流信号，电流信号经过功率放大器(15)放大后输入到激励线圈(7)，激励磁铁(6)在换热管(14)中产生沿管道轴向的静态磁场，激励线圈(7)在换热管(14)中产生沿管道轴向的交变磁场，通过磁致伸缩效应，从而直接在换热管(14)内激励产生沿着换热管(14)轴向传播的纵向模态超声导波；
计算机(17)上连接有A/D转换器(18)，所述A/D转换器(18)上连接有滤波放大器(19)，所述滤波放大器(19)与磁致伸缩导波传感器的接收插头(1)相连接，纵向模态超声导波经换热管(14)反射后，反射回波经过接收线圈(11)时，通过逆磁致伸缩效应，引起接收线圈(11)感应电压的变化，产生电信号，此电信号经过滤波放大器(19)和A/D转换器(18)后被计算机(17)接收获得信号波形图。
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