CN105229460B - 检测关于金属的主体的壁厚的、随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测关于金属的主体(1)的，特别是管道的壁厚的，随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的方法。对于所述方法，对主体(1)外表面上的温度进行测量，以便由此确定温度曲线和应力曲线。另外还在外表面的至少一个测量点上使用了电磁超声换能器(3‑6)，以便结合温度测量的结果确定关于主体(1)的壁厚的应力和/或应力梯度的时间分布。即使在应力快速变化时，该方法也能对管道进行疲劳监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，其用于检测关于金属的主体(特别是管道)的壁厚的、随时间变化的热机械应力和/或应力梯度，其中在主体外表面的至少一个测量点上对表面温度进行测量，由此确定在内表面与外表面之间的温度曲线。
特别是在核电站、常规电站和太阳热能发电厂、化工厂或者风力发电厂的管道上，检测随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的意义重大，因为从应力或应力梯度的时间变化，也称之为应力时间序列，可推断出相应元件的疲劳状态。但最大应力，其关于元件的老化，通常出现在管道或所连接的元件的内表面上，例如由于管道中流动的介质快速的温度变化所导致，从而使得直接测量在技术上是不可能的或只有通过不成比例的巨大成本才可行。
背景技术
例如从J.Rudolph等人在2012年3月21日在由韩国科学技术研究院(KAIST)核电和量子工程系的Dr.Soon Heung Chang编辑且出版商为InTech的《Nuclear Power Plants(核电站)》中第293至316页发表的“AREVA Fatigue Concept–A Three Stage Approach tothe Fatigue Assessment of Power Plant Components(AREVA疲劳概念–电站部件疲劳评定的三阶段法)”一文中已知的是，对管道或其它主体的疲劳现象进行监控，通过测量管道外表面上的表面温度推断出所要求组件中的应力时间序列。在这种情况下，通过有限元法根据表面温度的测量计算出局部应力。
但是通过此类技术，因测量原理方面的原因不能对某些快速的应变结果进行检测且从而不能对其进行评估，所述应变结果例如可能会通过管道中冷热流的瞬态混合过程产生，并导致管道内表面上发生高循环的温度变化。然而，此类高频的混合过程在运行过程中，因为低应变振幅的相关发生频率也可导致疲劳应力高甚至是穿透壁的裂缝。
从WO 2011/138027 A1中已知一种用于非破坏性的材料检验的方法，通过所述方法可在产生由应力引起的疲劳损伤方面对工件(所述工件受到高的机械应力和热应力，例如发电厂、化工厂或炼油厂的管道)进行检验。对于此方法，使用了两个按照分离的发射-接收-布置的电磁超声换能器，以便将偏振的超声波发射进工件中，并以脉冲-回波-技术和透射技术来测量超声波的飞行时间和振幅。这种情况下也实施涡流阻抗测量，以便将测量变量与相应的参考数据进行比较。通过与参考数据进行比较，继而可以识别出工件壁的微观结构中的可能变化。但此处所描述的方法不能够检测关于管道的壁厚的、随时间变化的热机械应力梯度。
WO 2004/109222 A2描述了一种用于检测金属的主体，特别是铁路轨道的材料特性的方法，对于所述方法，用电磁超声换能器来进行测量，以确定材料特性，特别是材料的应力、密度或刚度。另外还对测量点的温度进行了测量，以便由于可能的温度效应而对超声测量进行校准。
US 5 570 900 A描述了一种借助电磁超声换能器来确定工件上应力的方法。在该公开内容中主要涉及测量装置的机械结构，超声换能器通过其附着在工件上。
本发明的目的在于，提出一种检测关于金属的主体(特别是管道)的壁厚的、随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的方法，通过所述方法也可从外表面检测快速源自主体内部的、关于壁厚的应力变化。
发明内容
所述目的通过权利要求1所述的方法得以实现。该方法的有利实施形式是从属权利要求的内容或者可以从以下说明书或实施例获悉。
在提出的用于检测关于金属的主体的壁厚(关于主体的横截面或关于管道壁的厚度)的、随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的方法中组合了两种不同的测量方法。一方面测量了主体外表面上的表面温度，由此确定内表面与外表面之间的温度曲线。另一方面除了用电磁超声换能器进行的测量之外，还在外表面的至少一个测量点上进行测量，以便通过所测定的温度和从中确定的温度曲线根据附加测量来确定关于主体的壁厚的应力和/或应力梯度的时间曲线。在这种情况下，确定应力和/或应力梯度所需的信息在从温度测量中获得的信息与测量数据的组合中获得，所述测量数据用电磁超声换能器获得。应力和/或应力梯度优选通过分析超声飞行时间的、超声振幅的和/或涡流阻抗的测量并结合温度测量来确定。
使用电磁超声换能器具有的优点是，在操作条件下，例如当温度高于200℃时、当受到辐射应力时或者当主体内的操作压力较高时也可对管道进行测量。电磁超声换能器特别提供以下可能性，即通过快速采集测量数据也可检测快速的应力变化，例如由于主体内部突然出现的温度变化所致的应力变化。
因此原则上可识别出高周疲劳(HCF)应变集合(Beanspruchungskollektive)并对其进行评估。这里实施的超声飞行时间测量、幅度测量和/或涡流阻抗测量具有的优点是，藉此也可对主体内表面上不可直接接近的应力进行检测。这时超声飞行时间测量、超声振幅测量能以分开的发射器-接收器-布置或以脉冲-回波-技术或结合两种技术来进行。此外也可将发射和接收的振幅记录下来，并因此在分析时将其用作附加参数。
为此，在本方法中通过用电磁超声换能器进行附加测量，特别是通过用它们来实施超声飞行时间、超声振幅和/或涡流阻抗的测量，来填补管道当前纯粹以温度为基础的监测法中关于应力快速变化方面的不足。电磁超声检测法结合温度监控扩展了已知疲劳监测系统的意义。为此，还可记录至今为止尚不检测的高频的与疲劳有关的应变-时间函数(应力-时间序列)。这样一来就可推断出与疲劳相关的应力并由此推断出相应主体或管的疲劳状态的时间曲线。通过使用电磁超声换能器可将超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗的测量结合在传感器系统或者测试头中。
对于所提出的方法利用了以下事实，即能够利用从温度测量中得到的数据，特别是能够利用可由该数据推导出的关于主体的壁厚的温度曲线和应力曲线，以便从超声或涡流的测量的测量数据确定关于主体的壁厚的、特别是在高频的应力变化时的应力或应力梯度。若没有来源于温度测量的额外信息，则不可能具有当前的准确性，因为必须补偿温度对超声或涡流阻抗的测量数据的影响，以便获得准确度。
下面借助对管道的测量或监控来对本方法及其实施形式进行阐述。但这种阐述可以很容易转移到其它主体上。
优选使用层模型来确定应力或应力梯度。通过所述层模型以迭代数字方式确定关于管道的壁厚的应力或应力梯度。这时在使用温度测量数据和从中获得的信息的情况下预先将模型校准，方式是使用整个测量系统来测量定义的已知实际应力且检测获得的数据并将其存档。更具体地，为此使用根据温度测量以数字形式获得的、关于管道的壁厚的温度曲线和应力曲线(其在不同层中逐段地被近似为常数)，以及经过温度校正的超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗被用作模型输入变量
层模型提供层特定的应力曲线和层特定的超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗作为输出变量，其进行了温度补偿。为了在应用情况下可快速地确定管道壁中的应力曲线，根据在各层中测定的超声飞行时间、超声振幅以及涡流阻抗推断出相应的应力。为了确定层中的应力与层特定的超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗值之间的关系，需要迭代优化层模型。为了进行优化可以使用两种不同的方法。
第一种方法是以模式识别方法为基础，所述方法借助相似度检查允许得出对各层应力的结论。在这种情况下，层相关的应力曲线通过算法与层相关的超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗变量连接，所述算法将层相关的数据相互关联并从而跨越由层相关变量构成的测试变量区域。此种多维度的测试变量区域在优化阶段或在校准时被迭代跨越，且随后被用于以下目的，即对实际测量在空间维度中的相似性进行评估。
第二种方法是物理方法。其前提是了解或确定在不同的操作温度下管材料的声弹性常数和电导率，并且允许通过迭代适配模型从中确定每层的应力状态，方式是通过同样经过温度补偿的声弹性常数计算经过温度补偿的超声飞行时间，并且如有必要还额外使用超声振幅和涡流阻抗。
基于物理定律或模型识别方法对层模型进行迭代优化具有的优点在于，较高的测量速度以及可立即使用与管壁的整体厚度相关的信息。此外，迭代优化还允许使用先前的测量数据(测量历史)和在评估时刻的测量数据(超声和涡流变量，以及外壁上的瞬时温度)以提高模型的准确度。特别地，通过采用层模型还获得了在管内壁上的应力或应力梯度，所述管内壁对应层模型的最内层。
为了用电磁超声换能器来进行测量，不同布置和结构形式的换能器是可能的。原则上，可用作电磁超声换能器的是不同的组合换能器，例如由至少一个高频(HF)线圈和电磁体或一个或多个永磁体组成的组合换能器，其中高频线圈既可用于发射和/或接收电磁激励的超声波又可用于涡流阻抗的测量。此外示例性地还可使用组合换能器，其由至少两个高频线圈和一个电磁体或两个高频线圈和一个或多个永磁体构成。其中高频线圈在这种情况下被用于发送和/或接收电磁激励的超声波，并且另一个高频线圈被用作单独的涡流线圈。可以用与生成超声波一样的脉冲或者也可以通过单独的涡流发生器来进行涡流激励。根据现有技术，本领域技术人员已知合适的超声换能器。
特别有利地，在各个测量点使用至少两个电磁超声换能器，这些换能器在脉冲-回波-操作中在不同的偏振方向上运行。在所述换能器中，高频线圈既用作发射线圈又用作接收线圈。换能器被设计或布置成使得其垂直地将彼此垂直的线性偏振的横波发射到管中。优选使其中一个超声换能器的横波在管的轴向方向上偏振，并且使另一个超声换能器的横波在管的圆周方向上偏振。通过这种方式，可对在所述方向上产生的不同应力进行最佳检测。
另外优选地，在相应的测量点使用按照分开的发送-接收-布置的两对电磁超声换能器。对于这对换能器，其中一个换能器被用作发射器且另一个被用作接收器。在声传输时，换能器可通过两种不同的波类型来工作，既可通过瑞利横波又可通过水平偏振的横波。通过两个彼此成90°度角的偏振，优选在管的轴向方向和圆周方向上来操作这两对附加的电磁超声换能器，以便检测管壁中的应力。为此，其被布置成十字形。
也存在还将偏振的超声波发射到管壁中的可能性。因此，例如当壁厚较小时也可使用板波(SH/Lamb-板波)来代替瑞利波或掠射的水平偏振波。对于垂直引入来说有可能使用径向偏振波。
超声换能器，下面也称之为测试头，优选为带状围绕在管的圆周上。测试头沿着圆周在管上放置得越密，则沿着管道圆周用于应力确定的横向分辨率就越高。
也可同时使用多个具有组合换能器的测试带用于附加的冗余信息。每个带的测试头或换能器的类型的变化也会带来附加的冗余信息。通过使用不同测试头类型、不同波类型和/或不同测量频率的数据可获得附加的信息。
在另一种实施形式中(该实施形式可在管道为铁磁材料的情况下使用)，使用具有电磁体的组合换能器，通过其对磁滞进行调制，以便能够将重叠磁导率(评估关于定义的操作点或磁场的磁导率)和/或动态的磁致伸缩(评估关于定义的操作点或磁场的超声振幅)作为额外的近表面变量进行测量。
附图说明
下面借助实施例并且结合附图再次对提出的方法进行更详细的描述。图中显示：
图1示出了根据所提出方法的实施形式的在测量点上超声测试头布置的两个示例；
图2示出了测试头或测量点在管圆周上的分布的示例；
图3以示意图示出了通过管道的层模型来确定应力或应力梯度；
图4示出了其中一个测试头的结构示例，所述测试头被用于产生垂直引入的线性偏振横波；
图5示出了测试头结构的另一个示例，所述测试头被用于产生垂直引入的线性偏振横波；
图6示出了用于产生瑞利波的测试头的结构示例；以及
图7示出了用于产生水平偏振横波的测试头的结构示例。
具体实施方式
在所提出的方法中，公知的用于在管道上进行疲劳监控的温度测量与在管道壁中的超声飞行时间、超声振幅、和/或涡流阻抗的测量相结合，所述测量通过电磁超声换能器来进行。根据需要选择在管外侧上的测量点。图1以示意图示出了管1的一部分，在管的外侧上示出了用于实施超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗的测量的测试头布置。图1a和1b在这里示出了在相应测量点上的两种不同布置可能性。图中同样还示意性地示出了所使用的传感器2，其用于同时测量在所述测量点上的外表面温度。温度传感器，例如热电偶形式的温度传感器，也可以集成到测试头中。此外，在每个测量点上也可存在多个温度传感器2。当然，温度测量也可以直接在测量前或测量后用超声测试头来进行。
从图1中可见，可使用不同的超声换能器或测试头来进行超声和/或涡流的测量。在这种情况下，可以涉及具有分开的发送和接收换能器3a、3b、4a、4b的分开的发射-接收-布置，并且可涉及集成的发射-接收-布置5、6，这些布置按照脉冲-回波-操作来运行。用分开的发射和接收换能器3a、3b或4a、4b可以在管壁的轴向方向上生成瑞利波或水平偏振横波。测试头在声传输时工作，其中超声波由发射器3a、4a发射出来，并在管壁中传播后在管的轴向方向上被相应的超声接收器3b、4b再次接收。在这种情况下，为了检测管壁中的应力分别使用具有彼此成90°角偏振的两对发射换能器3a、4a和接收换能器3b、4b–所述偏振是沿管的轴和在管的圆周方向上的。为此，这两对测试头被布置成十字形，如图1a和1b中清晰可见的。两个另外的超声换能器5、6是集成的发射和接收换能器，其将具有不同(彼此垂直)的偏振方向的线性偏振横波垂直地发射到管中。在所述传感器中，高频线圈既用于发射超声信号又用于接收在管道内壁上反射的超声信号。此时，其中一个换能器5产生在管的圆周方向上线性偏振的横波，另一个换能器6产生在管的轴向方向上线性偏振的横波。涡流阻抗的测量可用已知的方式通过集成的高频线圈来实施。当然也可使用组合换能器，在所述换能器中设置了附加的高频线圈来进行涡流阻抗测量。图1a和1b示出了所使用的测试头的不同取向或布置，正如其可在本方法中使用一样。图1c再次示例性地显示了通过管的截面，所述管具有被相应放置的测试头。所述测试头优选带状地在管外壁的不同测量点上使用，如在图1c中用箭头示意性所示的。
为此，图2示出测量点的位置，或是图1所示测试头布置7在管1的圆周上的位置。十字形的测试头布置7沿管的圆周放置得越密，则沿管圆周的横向分辨率就越高。为此，图2示例性地在左侧的部分图中示出了测试头布置7或测量点在管1上的四种不同分布，其用a)至d)表示。测量点或测试头布置7较高的密度会导致分辨率更高。图的右边部分再次以通过管1的截面示出了所述布置。这时也存在的可能性是，如果存在管的对称应力的话，则具有测试头的管只占一半或只占四分之一。如果是非对称应力，则测试头应分布在管的整个圆周上，如图2所示。如果预期在管道上沿着管轴产生不均匀的应力，则通过沿着管轴使用多个测试头带也可检测所述不均匀的应力。
如有必要也可简化图1所示的测试头的十字形布置，简化的方式是不使用具有测试头3a、3b、4a、4b的分开的发射-接收-布置。但是在这种情况下，可能无法获得有关沿着管轴的局部应力的信息。当然也有可能的是，检测关于管壁的厚度的、相对的应力变化。
图3示意性地显示了在确定管内侧的应力或应力梯度时基于层模型的方法。对于此种示意性描述的层模型9，管壁被分成了不同的层，如图所示。所测定的涡流阻抗、所测定的超声飞行时间、超声振幅、根据温度测量获得的温度曲线、以及根据温度测量获得的应力曲线被用作模型输入变量8。层模型9继而传送作为模型输出变量10的层相关的涡流阻抗、层相关的超声飞行时间、超声振幅和层相关的应力曲线，其中层模型的最内层上的应力曲线对应于在管内侧上的应力或应力梯度。
图4至7示出了超声换能器或测试头的示例，如其可在所提出的方法得以使用一样。附图显示，不同的换能器类型可被用于测量超声飞行时间的、超声振幅的测量，以及也用于测量涡流阻抗。图4示出了垂直引入超声换能器的结构示例，所述超声换能器会产生线性偏振的横波。该换能器具有位于高频线圈12上方的磁体11。所述磁体可以是永磁体–如图所示–也可以是电磁体。通过磁体在管壁中产生静态的磁场B0，如图所示。通过在示出的横截面中可识别的高频线圈12上的交变电压在管壁中激励出超声波，其振动方向或偏振14和传播方向15同样在附图中示出。从图的右侧部分可以看出，在高频线圈12与磁体11之间也可使用附加的集中器13以便放大静态的磁场。
图5示出了此类超声换能器的替代性实施形式，所述换能器被用于垂直引入线性偏振的横波。在本实施例中，在高频线圈12上方使用了两个磁体11。
图6示出了电磁超声换能器的结构示例，用所述换能器生成了瑞利波。对于所述换能器，使用了弯曲的高频线圈11，该高频线圈在顶视图的右边部分可以看出。超声波的传播方向15以及超声波的振动方向14也在图中示出。
图7示出了用于产生水平偏振横波的超声换能器的示例。对于所述超声换能器，使用了永磁体11，该永磁体具有按照周期性布置的交变极，如图中可以看出的。然后通过位于其下方的高频线圈12生成超声波，其传播方向15沿管表面再次示意性地在图中示出。
图4至7的换能器是现有技术已知的，因此在这里不再对其结构和功能进行更详细的讨论。
通过所示的各个单独的超声换能器可在频率不同且到管道的穿透深度不同时可实现涡流阻抗测量。涡流阻抗的测量在这种情况下可通过为生成超声而使用的换能器的高频线圈来实施。然而当然还有可能的是，在换能器上布置单独的高频线圈用于所述涡流测量。
参考标记列表
1 管线
2 温度传感器
3a 超声换能器(发射器)
3b 超声换能器(接收器)
4a 超声换能器(发射器)
4b 超声换能器(接收器)
5 超声换能器(发射器/接收器)
6 超声换能器(发射器/接收器)
7 测试头布置
8 模型输入变量
9 层模型
10 模型输出变量
11 磁体
12 高频线圈
13 集中器
14 振动方向/偏振
15 超声波的传播方向
Claims (12)
1.一种用于检测关于金属的主体(1)的壁厚的，随时间变化的热机械应力和/或应力梯度的方法，对于所述方法，测量了所述主体(1)外表面上的至少一个测量点处的温度，并且还用电磁超声换能器在所述测量点的区域中进行附加测量，以便通过所测量的温度根据附加的测量来确定关于所述主体(1)的壁厚的应力和/或应力梯度，其中根据所测量的温度确定在内表面与外表面之间的温度曲线，并且将所述温度曲线用于根据附加测量来确定关于所述主体(1)的壁厚的应力和/或应力梯度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述电磁超声换能器来实施超声飞行时间、超声振幅和/或涡流阻抗的测量，其中通过分析所述超声飞行时间、超声振幅和/或涡流阻抗的测量结合所测量的温度或所获得的温度曲线来确定所述应力和/或应力梯度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述应力或应力梯度的确定以所述主体(1)的壁的层模型(9)为基础，所述层模型将所获得的温度曲线和从所述温度曲线推导出来的应力曲线以及所测量的并经过温度校正的超声飞行时间、振幅和涡流阻抗用作输入变量(8)，并且提供层相关的超声飞行时间、超声振幅、涡流阻抗和应力曲线作为输出变量(10)，其中通过迭代优化所述层模型、根据层相关的超声飞行时间、超声振幅和涡流阻抗确定层相关的应力曲线。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述电磁超声换能器分别将两个相互垂直的线性偏振横波垂直地发射到所述主体(1)的壁中，以便测量按照脉冲-回波-操作的超声飞行时间和超声振幅。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在作为主体(1)的管上进行测量时，其中一个横波在所述管的轴向上线性偏振，并且另一个横波在所述管的圆周方向上线性偏振。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，另外使用了按照分开的发射-接收-布置的两对电磁超声换能器，所述两对电磁超声换能器生成瑞利波或水平偏振的横波，其中所述两对电磁超声换能器彼此成90°角布置在所述测量点上。
7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在分布在所述外表面的多个测量点上使用电磁超声换能器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，金属的主体(1)是管道。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，另外使用了按照分开的发射-接收-布置的两对电磁超声换能器，所述两对电磁超声换能器生成瑞利波或水平偏振的横波，其中所述两对电磁超声换能器彼此成90°角布置在所述测量点上。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在分布在所述外表面的多个测量点上使用电磁超声换能器。
11.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在分布在所述外表面的多个测量点上使用电磁超声换能器。
12.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在分布在所述外表面的多个测量点上使用电磁超声换能器。
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