CN105258659A - 植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，包括：外壳，包括上壳体及下壳体；永磁体，设置于外壳内，在线圈处产生均匀分布垂直磁场；电磁屏蔽层，设置在永磁体的底部；接线板，设置于永磁体的上部，接线板上设置有多个接线柱；信号线，从上壳体的上端穿入外壳内，并通过接线柱固定于接线板上；紧固帽，套设于上壳体上端的顶端封头处；内紧帽，套设在深入外壳内部的信号线上，与上壳体相配合；限位垫圈，通过其上的台阶与下壳体的内凸起配合进行固定，位于永磁体的下方；一体式线圈，设置在限位垫圈底部，并连接至接线柱；安装辅助装置，用于将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定于管道外壁。

Description

植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器。

背景技术

管道广泛应用于石油、化工、天然气、核电等工业生产以及热力、输水等日常生活中。在服役过程中，由于内部介质、应力集中等众多因素的影响，管道某些部位容易产生腐蚀，导致壁厚减薄甚至穿孔，从而造成油、气、水等泄漏，产生严重的环境污染，甚至危及人们生命的安全事故。所以，对于管道腐蚀状态的监测和评估具有极其重要的意义。

将超声波传感器固置于易腐蚀部位，对管道腐蚀剩余壁厚进行长期在线测量，是进行腐蚀监测的主要技术手段。目前已有采用压电传感器固置于管道易腐蚀部位，进行腐蚀监测的方法。例如GE公司的Rightrax腐蚀监测系统，即采用压电传感器固置于易腐蚀部位，进行腐蚀监测。然而，压电传感器应用于腐蚀监测存在以下主要的问题：首先，对于管道等具有一定弧度的结构，特别是管径较小的情况下，弧度较大，压电传感器直接安装将处于线接触的状态。这就使得需要采用带有一定弧度的耦合楔块，但管道的外径尺寸较多，针对不同管径需要设计不同的或系列化的耦合楔块。即使在采用与管道表面完全吻合的楔块进行耦合的情况下，传感器辐射声波波前也不是完全平行于管道表面入射的(即大部分波动场是斜向入射的)，这会造成入射波中大部分超声波的传播路径长于完全垂直入射时的传播路径，使得回波波包有一定程度的扩散，相较于完全直入射时的波包变胖，造成测厚精度下降。其次，长时间在线监测工况一般较恶劣，经常需要将传感器埋植于保温层中，由于自然的热胀冷缩或是振动，易造成传感器位置滑移，而压电传感器的倾斜、提离对测厚结果影响巨大。

发明内容

本发明提供一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，以解决上述不足。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，包括：

外壳，包括上壳体及下壳体，所述下壳体底部镂空；

永磁体，设置于所述外壳内，在线圈处产生均匀分布垂直磁场；

电磁屏蔽层，设置在所述永磁体的底部；

接线板，设置于所述永磁体的上部，所述接线板上设置有多个接线柱；

信号线，从所述上壳体的上端穿入所述外壳内，并通过所述接线柱固定于所述接线板上；

紧固帽，套设于所述上壳体上端的顶端封头处；

内紧帽，套设在深入所述外壳内部的信号线上，与所述上壳体相配合；

限位垫圈，通过其上的台阶与所述下壳体的内凸起配合进行固定，位于所述永磁体的下方；

一体式线圈，设置在所述限位垫圈底部，并连接至所述接线柱；

保护层，固定于所述外壳的前端并容置于所述下壳体的凹台中，用于覆盖所述一体式线圈。

在一实施例中，所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器还包括：

弹性底部套垫，套设在所述下壳体底部的外侧。

在一实施例中，所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器还包括：安装辅助装置，所述安装辅助装置由固定基座、两块固定翼板、两个支撑垫块、柔性连接带及锁紧器组成；

所述固定基座设置在所述外壳的外围，用于将所述植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定于管道外壁；

所述固定翼板连接于所述固定基座两侧，用于保证所述固定基座在管道安装点的位置保持恒定；

支撑垫块设置于所述固定翼板上，用于防止所述安装辅助装置损伤工件表面；

所述柔性连接带设置于所述固定翼板与锁紧器之间；

锁紧器，设置于所述柔性连接带末端，用于锁紧所述安装辅助装置。

在一实施例中，所述一体式线圈包括：

线圈本体，设置在所述限位垫圈底部的凹台中；

引线，一端连接所述线圈本体；

接线端子，连接所述引线的另一端，与所述接线柱配合。

在一实施例中，所述线圈本体的形状为环形、蝶形、跑道形或折线形，采用单线绕制或双线绕制。

在一实施例中，所述下壳体的内部设有自上而下的走线槽，所述引线设置于所述走线槽中。

在一实施例中，所述下壳体的内部设有自上而下限位槽，所述接线板嵌入所述限位槽中。

在一实施例中，所述弹性底部套垫为具有一定压缩比的非导体耐热材料。

在一实施例中，所述限位垫圈具有上凹台及下凹台，所述永磁体的底部容置于所述限位垫圈的上凹台中，所述线圈本体容置于所述下凹台中。

在一实施例中，所述固定基座上设有锥形孔，套设在所述上壳体的上部，用于压紧所述植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的上端。

在一实施例中，所述两块固定翼板均设有用于放置所述支撑垫块的凹台。

在一实施例中，所述保护层通过粘结方式进行固定。

在一实施例中，所述内紧帽的上端为圆筒状结构，下端为圆台状结构，所述圆筒状结构套设在所述信号线上之后插入所述上壳体上端的顶端封头内。

在一实施例中，所述保护层为绝缘材料。

在一实施例中，所述上壳体上设置内螺纹，所述下壳体设置外螺纹，所述上壳体与下壳体通过螺纹连接。

在一实施例中，所述顶端封头为齿状结构，并设置有外螺纹。

在一实施例中，所述限位垫圈的侧面设有定位面，与所述下壳体内壁的平面相配合，用于防止所述限位垫圈转动。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明提供了一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，通体采用耐高温设计及防拉扯设计，可以对温度在270℃以内的在役管道腐蚀剩余壁厚进行长时间在线监测。传感器执行检测过程中无需耦合剂，无需打磨材料表面，无需专用楔块，直接植入带包覆层的管壁上，可以长时间稳定监测管道被测点的腐蚀剩余壁厚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的外部结构示意图；

图3为本发明实施例的下壳体33的具体结构示意图；

图4为本发明实施例的上壳体41的具体结构示意图；

图5为本发明实施例的紧固帽1的结构示意图；

图6为本发明实施例的内紧帽2的剖面示意图；

图7为本发明实施例的限位垫圈8具体结构示意图；

图8A为本发明实施例一体式双线变径绕制蝶形线圈、引线及端子结构示意图；

图8B为本发明实施例一体式双线绕制环形线圈及引线结构示意图；

图9、图10及图11为本发明实施例的安装辅助装置的结构示意图；

图12为本发明实施例的电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上250℃时的检测信号示意图；

图13为本发明实施例的电磁超声传感器在管径为140mm，壁厚为13.49mm的15CrMo材料上26℃时的检测信号示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，如图1及图2所示，该植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器包括：

外壳11，包括上壳体及下壳体，下壳体底部镂空。

永磁体10，设置于外壳内，永磁体10可以在线圈处产生均匀分布垂直磁场。

电磁屏蔽层9设置在永磁体10的底部。

接线板4，设置于永磁体10的上部，接线板4上设置有多个接线柱3。

信号线12，一端从上壳体的上端穿入外壳内，并通过接线柱3固定连接于接线板4上。

紧固帽1，套设于上壳体上端的顶端封头20所在位置。

内紧帽2，套设在深入外壳11内部的信号线12上，与上壳体相配合。

限位垫圈8，通过其上的台阶与下壳体的内凸起配合进行固定，位于永磁体10的下方，具体位于永磁体10底部的电磁屏蔽层9的下方。

一体式线圈5，设置在限位垫圈8底部，并连接至接线柱3。

保护层6，固定于外壳的前端并容置于所述下壳体的凹台中，用于覆盖一体式线圈，起到保护作用。

图1所示的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，通体采用耐高温设计及防拉扯设计，可以对温度在270℃以内的在役管道腐蚀剩余壁厚进行长时间在线监测。传感器执行检测过程中无需耦合剂，无需打磨材料表面，无需专用楔块，直接植入带包覆层的管壁上，可以长时间稳定监测管道被测点的腐蚀剩余壁厚。

在一实施例中，如图1所示，植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器还包括：弹性底部套垫7，弹性底部套垫7套设在下壳体底部的外侧，以增大外壳底部的支撑面积，采用在压力作用下可进行一定程度的变形的材料制成，使传感器紧密贴合具有一定弧度的管道的表面。弹性底部套垫7为具有一定压缩比的非导体耐热材料，材质可以选择氟橡胶，厚度约3mm。

外壳11可以选用铝合金/不锈钢材料加工制造，具体尺寸可以根据检测工况而定，一实施例中，外径为44mm，壁厚为2mm。

下壳体33的具体结构可以如图3所示，下壳体上设置有内凸起31及凹台32，由于下壳体33的底部镂空，限位垫圈8通过其上的台阶可以与下壳体的内凸起31配合进行固定。保护层6固定于凹台32中。下壳体33的上部34处设置外螺纹，上壳体上设置内螺纹，使得上壳体与下壳体可以通过螺纹连接。

下壳体33的内部还设有自上而下的走线槽，一体式线圈的引线可以通过走线槽中与接线柱进行连接。

外壳材质一般为非铁磁性材料，如选用铝合金/不锈钢材料加工制造，外径例如30mm，壁厚例如2mm。

一实施例中，内凸起31的尺寸如下：高2mm，宽40mm；凹台32的尺寸如下：高0.3mm，宽42mm。

上壳体41的具体结构如图4所示，上壳体41的下端42设有内螺纹，与图3所示的下壳体33的外螺纹配合连接。上壳体41的上端为顶端封头20，信号线12从顶端封头20引入壳体内部。为了密封壳体，顶端封头20套设有紧固帽1。紧固帽1的结构如图5所示，紧固帽1可以用于锁紧一段信号线的外包层，并密封信号线进入壳体处的端口，防止液体渗入。一实施例中，紧固帽1内部空间为圆台型结构。

永磁铁10设置于下壳体内，可以在一体式线圈处产生偏置磁场。垂直偏置磁场由柱状磁铁提供，与一体式线圈配合产生横波；水平偏置磁场由U型磁铁提供，与一体式线圈配合产生纵波。

永磁铁10的材质为衫钴磁铁，形状为圆柱体，外径24mm，高度15mm，磁场分布在线圈处为近似平台状，平台面积可覆盖一体式线圈大小。永磁铁10的表磁不低于3000G，在温度300℃以下连续工作3年无明显退磁。

电磁屏蔽层9套设在永磁铁10的外侧，采用导体材料制成，如铜箔。电磁屏蔽层9完整外包于永磁铁10上，铜箔层厚度约为0.1mm。

图6为本发明实施例的内紧帽2的剖面示意图，如图6所示，内紧帽2的上端为圆筒状结构61，下端为圆台状结构62，圆台状结构62与上壳体的内部配合，圆筒状结构61套设在信号线上之后插入顶端封头20内。由于内紧帽2在壳体11内部固紧信号线外包层端头，使得信号线在外力拉扯作用下，依然能保持原位，防止拉扯力全部由信号线承载。

信号线12为高温信号线，其绝缘层的材质为聚四氟乙烯，信号线芯数为2，由接线柱3固定于接线板4上。信号线12采用内芯屏蔽加外层屏蔽的方式，屏蔽材料为镀锡铁网。下壳体33的内部设有自上而下限位槽(图中未示出)，接线板4可以嵌入该限位槽中进行固定。信号线12的一端连接接线板4，另一端连接主机，该主机为可以产生激励的装置。

限位垫圈8又称为磁铁-线圈固定垫圈，设置在下壳体底部，位于电磁屏蔽层与线圈之间，用于与接线板相配合固定永磁铁10，并用于容置一体式线圈5。限位垫圈8具体结构如图7所示，限位垫圈8上设有一台阶81，通过该台阶81，限位垫圈8可以与下壳体的内凸起配合进行固定。限位垫圈8具有上凹台82及下凹台83，永磁体10的底部容置于上凹台82中，一体式线圈5容置于下凹台83中。

为了防止限位垫圈8转动，限位垫圈8的侧面设有定位面(即限位垫圈8到外侧面不全为圆柱的弧面，具有一部分平面)，相应的在下壳体设有与定位面尺寸相应的平面，定位面与该平面相配合，可以防止限位垫圈8转动。

限位垫圈8的材质可以选择聚酰亚胺。限位垫圈8上个部件的尺寸如下：上凹台82的直径24mm，高10mm；下凹台83的直径38mm，高0.3mm，定位面长5mm，走线槽开设在定位面对侧的下壳体上，开宽6mm。两凹台表面相距2mm。

保护层6通过粘结方式固定于凹台32中，采用绝缘材料，例如为云母，厚度约为0.3mm。

保护层，位于植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的最前端，检测应用中与被检材料直接接触，用于防止一体式线圈的磨损及挤压。由于一体式线圈到材料表面的距离会严重影响植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的转换效率，因此保护层的厚度在满足强度要求的条件下尽量薄。保护层与可变形底部套垫总厚度一般不能超过3mm，且尽可能薄。

一体式线圈5包括：线圈本体、引线及接线端子。线圈本体设置在限位垫圈底部的凹台中；引线设置于下壳体的走线槽中，一端连接线圈本体，另一端连接接线端子，接线端子与接线柱配合连接。

线圈本体的形状可以为环形、蝶形、跑道形或折线形，采用单线绕制或双线绕制。如采用单线绕制，端子数为2，两路分别路用于信号输入输出；如采用双线绕制，端子数3。

图8A为本发明实施例一体式双线变径绕制蝶形线圈、引线及端子结构示意图，图8B为本发明实施例一体式双线绕制环形线圈及引线结构示意图。如图8A所示，一体式线圈5采用柔性PCB印制的蝶形线圈。蝶形线圈本体长30mm，宽22mm，中间排线数14，且采用双层印制。线圈采用双线变径绕制，线圈呈中心对称，单侧为一系列矩形螺旋线，中间排线线宽40mil，其余连接线线宽16mil，最内侧线圈由过孔走线到背面，背面中间排线与正面中间排线严格对齐，下表面连接线与上表面连接线在部分区域形成交叉线。正极输入与负极输出导线位于下表面，地线位于上表面，接线端子印刷电路根据接线板及接线柱尺寸确定。印刷线路板全长80mm。

进行管道在线监测时，需要通过一安装辅助装置将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定在管道外壁上。如图9、图10及图11所示，安装辅助装置由固定基座13、两块固定翼板14、两个支撑垫块15、柔性连接带16及锁紧器17组成。

固定基座13设置在外壳的外围，用于将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定于管道91的外壁。固定基座13上设有锥形孔，尺寸根据上壳体设定，套设在上壳体的上部，用于压紧植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的上端。

固定基座13的材质可以选择为304不锈钢，厚20mm，两侧设置有直径8mm的铰接孔。

固定翼板14通过铰接孔连接于固定基座两侧，用于保证固定基座在管道安装点的位置保持恒定。两块固定翼板均设有用于放置支撑垫块15的凹台(图中未示出)。固定翼板14材质可以与固定基座相同，厚20mm，凹台长30mm，宽30mm，深10mm。

支撑垫块15设置于固定翼板14上，可以防止安装辅助装置损伤工件表面；支撑垫块15的材质可以为聚酰亚胺，与管道外壁接触的端面具有一定弧度。

柔性连接带16为两个，分别设置于固定翼板与锁紧器之间；柔性连接带16的材质为玻璃纤维，采用双层结构，长度由被检管道管径确定。

锁紧器17设置于两个柔性连接带末端，用于锁紧安装辅助装置。锁紧器17的材质与固定基座相同，锁紧器17两侧可以通过双向螺杆连接。

如图10及图11所示，通过安装辅助装置将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定在管道外壁上具体实施步骤为：将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器置于管道上的被监测点，将固定基座13套于植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器上，保证固定基座13的底面与管道外壁接触良好。调节固定翼板14使固定基座13和电植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器牢固地贴合在管道上。调节锁紧器17，使整个装置固定牢固。

通过安装辅助装置将植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定在管道外壁上之后，就可以进行管道检测，图12为本发明实施例的电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上250℃时的检测信号示意图，图13为本发明实施例的电磁超声传感器在管径为140mm，壁厚为13.49mm的15CrMo材料上26℃时的检测信号示意图。图12及图13所示的检测结果表明此电磁超声传感器高温和大曲率下的检测效果良好。

本发明的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，通体采用耐高温设计及防拉扯设计，可以对温度在270℃以内的在役管道腐蚀剩余壁厚进行长时间在线监测。传感器执行检测过程中无需耦合剂，无需打磨材料表面，无需专用楔块，直接植入带包覆层的管壁上，可以长时间稳定监测管道被测点的腐蚀剩余壁厚。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

1.一种植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，包括：

外壳，包括上壳体及下壳体，所述下壳体底部镂空；

永磁体，设置于所述外壳内，在线圈处产生均匀分布垂直磁场；

电磁屏蔽层，设置在所述永磁体的底部；

接线板，设置于所述永磁体的上部，所述接线板上设置有多个接线柱；

信号线，从所述上壳体的上端穿入所述外壳内，并通过所述接线柱固定于所述接线板上；

紧固帽，套设于所述上壳体上端的顶端封头处；

内紧帽，套设在深入所述外壳内部的信号线上，与所述上壳体相配合；

限位垫圈，通过其上的台阶与所述下壳体的内凸起配合进行固定，位于所述永磁体的下方；

一体式线圈，设置在所述限位垫圈底部，并连接至所述接线柱；

保护层，固定于所述外壳的前端并容置于所述下壳体的凹台中，用于覆盖所述一体式线圈。

2.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，还包括：

弹性底部套垫，套设在所述下壳体底部的外侧。

3.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，还包括：安装辅助装置，所述安装辅助装置由固定基座、两块固定翼板、两个支撑垫块、柔性连接带及锁紧器组成；

所述固定基座设置在所述外壳的外围，用于将所述植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器固定于管道外壁；

所述固定翼板连接于所述固定基座两侧，用于保证所述固定基座在管道安装点的位置保持恒定；

所述支撑垫块设置于所述固定翼板上，用于防止所述安装辅助装置损伤工件表面；

所述柔性连接带设置于所述固定翼板与锁紧器之间；

锁紧器，设置于所述柔性连接带末端，用于锁紧所述安装辅助装置。

4.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述一体式线圈包括：

线圈本体，设置在所述限位垫圈底部的凹台中；

引线，一端连接所述线圈本体；

接线端子，连接所述引线的另一端，与所述接线柱配合。

5.根据权利要求4所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述线圈本体的形状为环形、蝶形、跑道形或折线形，采用单线绕制或双线绕制。

6.根据权利要求4所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述下壳体的内部设有自上而下的走线槽，所述引线设置于所述走线槽中。

7.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述下壳体的内部设有自上而下限位槽，所述接线板嵌入所述限位槽中。

8.根据权利要求2所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述弹性底部套垫为具有一定压缩比的非导体耐热材料。

9.根据权利要求4所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述限位垫圈具有上凹台及下凹台，所述永磁体的底部容置于所述限位垫圈的上凹台中，所述线圈本体容置于所述下凹台中。

10.根据权利要求3所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述固定基座上设有锥形孔，套设在所述上壳体的上部，用于压紧所述植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器的上端。

11.根据权利要求3所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述两块固定翼板均设有用于放置所述支撑垫块的凹台。

12.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述保护层通过粘结方式进行固定。

13.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述内紧帽的上端为圆筒状结构，下端为圆台状结构，所述圆筒状结构套设在所述信号线上之后插入所述上壳体上端的顶端封头内。

14.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述保护层为绝缘材料。

15.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述上壳体上设置内螺纹，所述下壳体设置外螺纹，所述上壳体与下壳体通过螺纹连接。

16.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述顶端封头为齿状结构，并设置有外螺纹。

17.根据权利要求1所述的植入式管道腐蚀在线监测电磁超声传感器，其特征在于，所述限位垫圈的侧面设有定位面，与所述下壳体内壁的平面相配合，用于防止所述限位垫圈转动。