CN104407044A - 基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，尤其涉及基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法。基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，包括：激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，所述交变电磁场穿透所述炉管并由所述激励线圈的一侧传到所述激励线圈的另一侧；传感器线圈检测所述目标区域范围内的电磁场信号强度，并将所述电磁场信号强度发送至监测主机；所述监测主机接收所述电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷。利用该方法能够对炉管缺陷进行检测。

Description

基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法

技术领域

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，具体而言，涉及基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法。

背景技术

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位，是人类经济发展的命脉。能源的主要供应者是石油化工，而大型管式燃料加热炉是石油化工企业中广泛应用且必不可少的重要设备，能否实现长周期、满负荷、优质运行，对保证石化企业的安全生产及社会经济的快速发展至关重要。

由于炉管长期在火焰、烟气、飞灰等十分恶劣环境下运行，服役过程中的介质腐蚀、磨损、拉裂等因素的影响，炉管极易发生渗碳、渗碳开裂、弯曲、蠕变开裂、热疲劳开裂、鼓胀、氧化及高温硫腐蚀等失效事故，由金属材料学可知，合金元素在钢中有两种主要的存在形式——存在于固溶体中或形成碳化物，因为形成合金固溶体要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的，在高温下，如果合金原子有充分的活动能力，它就会从固溶体中出来逐渐转移到结构较为稳定的碳化物中。固溶体中合金元素的贫化会使固溶强化这一强化机制削弱，从而会使钢的强度、蠕交极限和持久强度下降，不仅会导致装置的非计划停车给生产上造成巨大的损失，而且还严重影响着石化企业的安全生产。

炉管在使用过程中出现裂纹类和腐蚀类缺陷，炉管的渗碳层也会发生变化。虽然国内外近些年对炉管检测也进行了大量的研究，但仍未有行之有效的方法能够对炉管的缺陷检测。

发明内容

本发明的目的在于提供基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，包括：激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，所述交变电磁场穿透所述炉管并由所述激励线圈的一侧传到所述激励线圈的另一侧；传感器线圈检测所述目标区域范围内的电磁场信号强度，并将所述电磁场信号强度发送至监测主机；所述监测主机接收所述电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷。

优选地，所述交变电磁场的频率≤10Hz。

优选地，所述基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷包括：基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的裂纹类和腐蚀类缺陷、以及对炉管渗碳层变化进行检测。

优选地，所述监测主机接收所述电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，包括：所述监测主机根据接收的所述电磁场信号强度分别生成相位分析图、频率分析图及幅值分析图。

优选地，该方法还包括：利用电磁三维成像技术和/或3D旋转显示技术显示所述炉管缺陷检测图。

优选地，所述激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，包括：利用设置有激励线圈的扫查器在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，其中所述扫查器在检测过程中的扫查速度为每分钟10-15ft(3-4.5m)；所述扫查器的最大穿透能力为0.75”(19mm)碳金属。

优选地，该方法还包括：预先在欲检测炉管上标定基准位置；激励线圈在所述基准位置上激励产生交变电磁场；传感器线圈检测所述基准位置上的电磁场信号强度，并发送至监测主机；所述监测主机接收该电磁场信号强度，并生成基准比对图。

优选地，所述基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷，包括：将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷。

优选地，所述将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷，包括：将所述炉管缺陷检测图与炉管上标定的无缺陷位置的基准比对图进行比较，确定所述欲检测炉管上的裂纹类和/或腐蚀类缺陷。

优选地，所述将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷，包括：将所述炉管缺陷检测图与未服役炉管的基准比对图进行比较，获取所述欲检测炉管的渗碳层变化信息。

本发明实施例提供的基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，基于低频电磁检测技术，使用离散的激励和传感器线圈，激励线圈在较低的频率下激励产生一个交变电磁场，并穿透被测材料，从其一侧传到到另一侧。在没有壁厚减薄和缺陷的地方，电磁场产生一定信号强度衰减，当探头移动到有壁厚减薄和缺陷的地方时，可以检测到一个较强的电磁场信号，利用该方法能够对炉管缺陷进行检测。

附图说明

图1示出了本发明实施例中基于低频电磁技术检测炉管缺陷的流程图；

图2示出了在炉管上设置的模拟裂纹类缺陷的示意图；

图3示出了在炉管上设置的模拟腐蚀类缺陷的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，如图1所示，主要处理步骤包括：

步骤S11：激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，交变电磁场穿透炉管并由激励线圈的一侧传到激励线圈的另一侧；

步骤S12：传感器线圈检测目标区域范围内的电磁场信号强度，并将电磁场信号强度发送至监测主机；

步骤S13：监测主机接收电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，基于炉管缺陷检测图检出欲检测炉管上的缺陷。

上述激励线圈激励产生的交变电磁场的频率≤10Hz，为低频电磁场。

利用本发明实施例的方法能够检测出炉管上的裂纹类和腐蚀类缺陷，且利用该方法能够对炉管渗碳层变化进行检测。

监测主机在接收到电磁场信号强度后，根据电磁场信号强度数据生成炉管缺陷检测图，如相位分析图、频率分析图及幅值分析图。

监测主机上生成的炉管缺陷检测图可利用电磁三维成像技术和/或3D旋转显示技术显示炉管缺陷检测图，由此能够直观显示炉管上的缺陷位置。

激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，包括：利用设置有激励线圈的扫查器在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，其中扫查器在检测过程中的扫查速度为每分钟10-15ft(3-4.5m)；扫查器的最大穿透能力为0.75”(19mm)碳金属。

利用本方法对炉管缺陷进行检测时，预先在欲检测炉管上标定基准位置；激励线圈在基准位置上激励产生交变电磁场；传感器线圈检测基准位置上的电磁场信号强度，并发送至监测主机；监测主机接收该电磁场信号强度，并生成基准比对图。

基于炉管缺陷检测图检出欲检测炉管上的缺陷，包括：将炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定欲检测炉管上的缺陷。

其中，将炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定欲检测炉管上的缺陷，包括：将炉管缺陷检测图与炉管上标定的无缺陷位置的基准比对图进行比较，确定欲检测炉管上的裂纹类和/或腐蚀类缺陷。

另外，将炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定欲检测炉管上的缺陷还可以为：将炉管缺陷检测图与未服役炉管的基准比对图进行比较，获取欲检测炉管的渗碳层变化信息。

基于上述的炉管缺陷检测方法，本发明实施例进一步提供了一组试验，以验证上述基于低频电磁技术在检测炉管缺陷中的效果，同时对上述检测方法进一步进行说明。

该试验利用表1中所示的三组炉管，其中第一组炉管试验的目的是检验低频电磁技术对裂纹类和腐蚀类缺陷的检出能力；第二组试验的目的是检验低频电磁技术对为服役炉管渗碳的检出能力；第三组试验的目的是检验低频电磁技术对已服役炉管渗碳的检出能力。

试验组别	材质	炉管规格	炉管状态	备注
					第一组	HP40Nb	Ф120×10×2000	已服役3年	裂解炉炉管
第二组	HP40Nb	Ф70×6	未服役	裂解炉炉管
					第三组	HP40Nb	Ф80×8.2	已服役3年	裂解炉炉管

表1

该方法利用低频电磁检测技术LEFT(Low FrequencyElectromagnetic Technique)使用离散的激励和接收传感器线圈，激励线圈在较低的频率(≤10Hz)下激励产生一个交变电磁场，并穿透被测材料，从其一侧传到到另一侧。在没有壁厚减薄和缺陷的地方，电磁场产生一定信号强度衰减，当探头移动到有壁厚减薄和缺陷的地方时，可以检测到一个较强的电磁场信号。

炉管上的缺陷是有体积形状的，尤其是壁厚的减薄必须要用三维参量描述其变化，低频电磁检测发展了相位分辨技术，在信号的分析和处理中采用了相位分析、频率分析和幅值鉴别等多种方法，能够对电磁信号的幅度、相位变化进行处理分析，同时电磁三维成像技术，根据缺陷产生机理研究出相应信息处理技术和显示手段，从而得到更可靠的缺陷信息。另外可通过3D旋转显示技术，可以直观的发现缺陷的位置。

低频电磁检测技术目前已经应用与锅炉水冷壁、储罐罐底板、工艺管道与长输管线等的检测。本项目试验性的将其应用与管式燃料加热炉炉管的检测，包括炉管的腐蚀减薄和渗碳等。

本试验采用TS 2000低频电磁检测仪，TS 2000包括基于DSP的8通道电子控制器、采集电脑及低频电磁仪器扫查器。

本试验应用TS 2000低频电磁多通道炉管无损检测系统，适用于从外表面对任何管段的扫查检测，能探测出铁或非铁材料的管道的表面及内部的缺陷并判断缺陷的相对大小。

TS-2000检测系统的特点：干式非接触法,不需耦合剂；均匀的锈皮和涂层对检测没有影响，检测表面不需要打磨；

提供各种与管子直径和轮廓相吻合的扫查器；特殊的扫查器适用于许多不同的检测如:肋片，弯管，空间窄小的区域及小直径管材；扫查速度：每分钟10-15ft(3-4.5m)；扫描器最大穿透能力：0.75”(19mm)碳金属；实时3D彩色显示、可旋转视图观察隐蔽的缺陷、俯视C-scan视图。

第一组人工缺陷检测试验如下：

本组试验对象是加工裂纹状缺陷和平底孔缺陷的裂解炉炉管，缺陷尺寸见如图2及图3所示。

如图2示出了在炉管上设置的模拟裂纹类缺陷的示意图，从左至右分别编号为1-6。

图3示出了在炉管上设置的模拟腐蚀类缺陷的示意图，从左至右分别编号为1-6。

对于裂纹状缺陷检测，样管上裂纹状缺陷有6个，将扫查器在样管上无缺陷处进行标定，将无缺陷处的信号标定为基准信号，按照图2上缺陷的编号，从1号到6号进行依次扫查。

通过检测结果可以得出样管中的裂纹缺陷，低频电磁技术都可以准确的检出，并且可以通过数据图上信号的最大相位值(MaxPhase)，可以得出缺陷信号的最大相位幅度值并不相同，受缺陷大小和缺陷的方位影响比较大；缺陷深度不同，信号强度不同。

1号缺陷的深度为壁厚的50％，2号深度为壁厚的100％、5号缺陷的深度为壁厚的30％，对应的相位幅度值为3.06、7.98和1.31，由此可以得出缺陷形状尺寸越大，造成的信号强度越大。对于同样大小的缺陷，由于取向不同，检测得到的最大相位值也不同，垂直于磁力线方向的缺陷相位大，平行于磁力线方向的缺陷相位值小。

对于腐蚀类缺陷，样管上平底孔状缺陷如图3所示有6个，将扫查器在样管无缺陷处进行标定，将无缺陷处的信号标定为基准信号，按照图3上缺陷的编号，从1号到6号依次进行扫查。

根据样管上6个平底孔状缺陷的检测结果可以得出，对于平底孔模拟腐蚀类缺陷，低频电磁技术也可以准确的检出；检测结果中的最大相位相值基本上也是随着缺陷的增大而增大，这样仪器在样管上标定好后，可以根据信号最大相位幅值来判断缺陷的大小。平底孔类缺陷检测结果的相位最大幅值普遍要比裂纹类的大，由于在现场检测时的扫查速度是差不多的，所以可推测这种差异是由于平底孔类缺陷的体积损失较大，造成缺陷在相位值上的差异。

通过实验，发现在用低频电磁技术检测时需要注意两点：①基准信号需要在样管上标定，这也是诸如涡流检测等多种电磁类检测技术进行检测之前的一个重要程序。低频电磁技术在检测前，经过对不同缺陷的标定，可以在检测中判断出缺陷的大小，为缺陷的判定提供依据。②炉管中裂纹多数起源于距离内表面的三分之一处，由于柱状晶的晶面具有方向性，裂纹多为径向沿着晶界扩展，所以人工径向裂纹缺陷的对比试验数据更有参考意义。③在检测过程要注意检测速度。平底孔类缺陷的波形在感官上要比裂纹类缺陷波程大，说明在标定管上进行标定后，按照一定的速度去检测炉管，通过波形也能判断出缺陷的性质。若检测中扫查速度过快或者扫查过程速度不均衡，不仅会使得无法判断缺陷的性质，也有可能会造成漏检。

第二组未服役裂解炉炉管渗碳检测试验过程及结果分析如下：

第二组样管上的渗碳层厚度如表2所示，扫查器在未服役炉管上进行校准，然后对渗碳5h、8h和10h的炉管进行检测。由于渗碳工艺的影响，所以炉管的内外表面具有一定厚度的渗碳层，为了获得内部的渗碳层数据，在整体检测完之后，将外壁车削2mm后，再次进行检测。

表2

在未渗碳的炉管上对仪器进行校准后，检测渗碳的炉管，信号都会有一个明显的波幅，说明仪器对炉管渗碳有明显的信号反应。对于未服役炉管渗碳而言，随着渗碳层厚度的增加，检测结果波形的最大相位幅值是随着增加的。车削炉管外壁后，检测结果波形的幅度比车削前是减小的，由于渗碳试验室真空渗碳，炉管内外壁同时有渗碳层存在，也说明减少渗碳层厚度后，波形最大相位幅值降低。整组试验的校准是在未渗碳炉管上校准的，故可以排除表面杨梅离子对检测结果的影响。

第三组服役裂解炉炉渗碳检测试验过程及结果分析如下：

本组试验的检测对象为服役3年的裂解炉炉管，更换前最高使用温度为1038℃，介质为富乙烷，烧焦次数为12次。

本组试验的基准信号是在也是在新的裂解炉炉管上调试得到。样管渗碳前和渗碳后的渗碳层厚度如表3所示。

表3

通过本组试验可以发现试验结果和用新炉管试验结果相近，对于使用过的炉管，本身有一定厚度的渗碳层，约550μm左右，低频电磁检测对其有信号反应，随着渗碳层的增加，信号的最大幅值也在增加。

综上可得出：

(1)低频电磁技术可以在不进行表面打磨的情况下，快速、准确的对炉管进行检测；

(2)在制作标准缺陷的样管上对仪器进行标定后，采用适当的扫查速度，低频电磁检测技术不仅可以检测出炉管上满足精度要求的缺陷，而且可以根据缺陷波形的最大相位值和波程判定缺陷的相对大小和类型；

(3)用未服役的炉管对仪器进行标定，将样管的波形信号调为基准信号，检测时根据波形相位的变化，可以判断出被检炉管的渗碳层厚度范围，为炉管的寿命预测提供实际的数据支撑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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.基于低频电磁技术检测炉管缺陷的方法，其特征在于，包括：

激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，所述交变电磁场穿透所述炉管并由所述激励线圈的一侧传到所述激励线圈的另一侧；

传感器线圈检测所述目标区域范围内的电磁场信号强度，并将所述电磁场信号强度发送至监测主机；

所述监测主机接收所述电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交变电磁场的频率≤10Hz。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷包括：基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的裂纹类和腐蚀类缺陷、以及对炉管渗碳层变化进行检测。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监测主机接收所述电磁场信号强度，并生成炉管缺陷检测图，包括：

所述监测主机根据接收的所述电磁场信号强度分别生成相位分析图、频率分析图及幅值分析图。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：利用电磁三维成像技术和/或3D旋转显示技术显示所述炉管缺陷检测图。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励线圈在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，包括：

利用设置有激励线圈的扫查器在欲检测炉管的目标区域上激励产生交变电磁场，其中所述扫查器在检测过程中的扫查速度为每分钟10-15ft(3-4.5m)；所述扫查器的最大穿透能力为0.75”(19mm)碳金属。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：预先在欲检测炉管上标定基准位置；

激励线圈在所述基准位置上激励产生交变电磁场；

传感器线圈检测所述基准位置上的电磁场信号强度，并发送至监测主机；

所述监测主机接收该电磁场信号强度，并生成基准比对图。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述炉管缺陷检测图检出所述欲检测炉管上的缺陷，包括：

将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷，包括：将所述炉管缺陷检测图与炉管上标定的无缺陷位置的基准比对图进行比较，确定所述欲检测炉管上的裂纹类和/或腐蚀类缺陷。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述炉管缺陷检测图与和其所对应的基准比对图进行比较，根据比较的结果确定所述欲检测炉管上的缺陷，包括：将所述炉管缺陷检测图与未服役炉管的基准比对图进行比较，获取所述欲检测炉管的渗碳层变化信息。