CN107478147B - 一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法及装置。它主要解决现有手段在对奥氏体锅炉管内氧化皮堆积厚度进行检测时，无法在管道高温服役后管壁出现磁性转化的情况下实现精确定量及大管壁穿透性差的问题。其方法为：在管外扣装一个螺线管式脉冲涡流检测传感器，在脉冲磁场激励下管内氧化皮感生出涡流场并增大传感器电感值，涡流强度和电感增量与氧化皮堆积厚度相关，促使传感器输出的电压信号幅值间接反映出氧化皮的堆积厚度；进一步地，进行堆积模拟检测实验，并差分处理检测信号，获取信号峰值关于氧化皮堆积厚度的标定曲线；现场检测中，根据检测信号峰值查找标定曲线，就可得到被测锅炉管内氧化皮的堆积厚度。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法及装置。
背景技术
无损检测（NDT-Nondestructive Testing）是一种在不损伤被检物使用性能的情况下，探测被检物内部或表面有无缺陷，尺寸是否发生改变，有无堵塞隐患等物理特性的技术。现已被广泛运用于航天航空、建筑、石油化工等各个领域。
近年来，为了提高发电效率以及发展低碳经济，我国新投产的电站机组逐步向大容量、高参数方向发展，超临界、超超临界机组已成为火力发电的主力机组。作为火力发电厂锅炉的关键承压部件，过热器和再热器广泛采用了具有高热强度和高蠕变强度的TP304H、TP347H、TP321H等奥氏体不锈钢材料。由于奥氏体不锈钢抗蒸汽氧化能力差，在长期高温蒸汽作用下管内壁会发生高温氧化。氧化产物与奥氏体不锈钢的晶格结构存在较大差异，导致氧化皮与基体结合不紧密，在载荷迅速变化、锅炉启停等情况下，氧化物易发生脱落，堆积在管道内。堆积厚度过大时会导致管道超温和堵塞，从而引发机组事故，造成财产损失甚至人员伤亡。在锅炉检修期间对管道采取物理切割检查的方式直观简便，但操作时间长，不可恢复，不适用于大面积扫查。因此，迫切需要开发一种用于奥氏体锅炉管内氧化皮堆积厚度测量的无损检测方法及装置，以便及时找出问题管道并进行更换。
目前检查锅炉管内脱落氧化皮的比较常用的无损检测方法是射线检测，射线检测基于管壁与氧化皮对射线吸收程度不同的原理，通过获得的射线底片来判断管内氧化皮的堆积状况，直观可靠，但该方法受锅炉管道管排狭小空间的限制，不能进行全面检测，且存在辐射、工期长等弊端。
近年来许多学者对奥氏体锅炉管内氧化皮堆积厚度的无损检测方法做出了研究，由日本IHI株式会社的Ohtomo等人最早提出的磁性检测法利用氧化皮（主要成分Fe3O4为亚铁磁性）和奥氏体不锈钢（顺磁性）的磁特性差异，利用磁铁对管内堆积的氧化皮进行激磁，再通过获取被磁化氧化物的磁感应强度来判断氧化皮堆积。这种检测方法在氧化皮堆积量较少时灵敏度低，堆积量较多时检测信号又趋于饱和，难以精确定量，且奥氏体锅炉管在高温服役后管壁磁属性会发生转变，从而影响定量检测。公开号为CN1441246A的发明专利申请公开了一种奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法及装置，它通过使用对磁场非常敏感的霍尔元件及两个探头的组合提高了检测的灵敏度和信号穿透能力，但是高温服役后管壁磁属性发生转变从而影响定量检测结果的问题仍没有得到解决。
又如公开号为CN101782420B和CN101799313B的发明专利分别申请公开了一种检测锅炉弯管内氧化皮堆积量的方法和一种锅炉奥氏体不锈钢弯管内氧化皮堆积量的提升力检测法，该两种方法分别利用锅炉管内壁氧化皮堆积量与剩磁场强度之间的关系和不同氧化皮堆积量与其对应磁场提升力值之间的关系，通过对待测管道内氧化皮进行磁化处理后得到的剩磁场强度值和磁场提升值来判断管内氧化皮的堆积量。它们在检测时无需对管道进行特殊处理，对检测环境要求宽松，方便快捷，但是无法排除高温服役后管壁发生磁属性转变对定量检测的影响，同时也无法得知管内氧化皮的具体堆积形态。
又如公开号为CN102538656B的发明专利申请公开了一种奥氏体不锈钢内壁氧化皮厚度测量方法，该方法通过标定系数R和待测管内壁氧化皮厚度磁性当量计算得出待测管内壁氧化皮厚度。它能够有效的对奥氏体不锈钢管内壁氧化皮进行测量并监测氧化皮生长速率，根据管内壁生成氧化皮的厚度提供早期预警，但其仅能对管内壁还没有脱落的氧化皮厚度进行测量，对于已经脱落堆积在管内的氧化皮则无法进行测量。
基于电磁感应原理的涡流检测法也被用于检测锅炉管内氧化皮的堆积厚度。如公开号为CN101587096B的发明专利申请公开了一种对奥氏体不锈钢管内氧化皮厚度分布进行无损检测的方法，它采用多频涡流检测和传感器阵列技术，将各传感器信号处理成管道不同周向位置所对应的氧化皮厚度数据，计算机处理系统再对其数据进行成像处理，显示出不锈钢管内氧化皮的分布状况。优点是在定量检测基础上更可以反映出氧化皮堆积的具体分布状况，但其检测方法也存在一定局限性：常规单频或多频涡流由于趋肤效应的存在，难以穿透较厚的管壁对堆积的氧化皮进行测量，采用低频涡流可提高穿透深度，但检测信号易受周围环境的电磁干扰；为了得到氧化皮具体堆积分布信号，在实施检测时需要对传感器沿管道进行周向旋转，操作较为繁琐；且对奥氏体不锈钢高温服役后磁性发生转变，从而影响定量检测的问题也没有提出解决方案。
又如公开号为CN102033105B的发明专利申请公开了一种基于超低频涡流的奥氏体锅炉管内壁氧化皮堆积测量方法，该方法采用超低频交变磁场来产生涡流，降低了功耗，加强了信号在管壁处的穿透性，使其适用于厚壁奥氏体钢管检测，且其实施时在屏幕上可实时显示管内氧化皮堆积形状对应的二维图像，结果直观可靠。但该方法在高温服役后管壁磁属性发生转变从而影响定量检测的问题方面仍然没有提出解决方案。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，该方法具有如下优势：激励信号为方波，大部分能量集中于低频段，激励磁场能穿透锅炉管管壁到达氧化皮内；瞬时激发能量大，增加了传感器的提离能力，可适应管外壁有煤灰结渣等情况；在时域进行信号分析，便于应用信号差分的方法，消除锅炉管高温服役后磁性转变带来的影响，提高定量检测的准确性。
本发明的另一个目的在于提供一种用于实现上述检测方法的装置，该装置具有结构简单、体积小、使用拆装方便、制作成本低的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法及装置，其检测方法包括如下步骤：
1. 取与待测在役奥氏体锅炉管材质尺寸相同的样管作为对比信号采集对象；
2. 取任意位置的激励与对应接收单元（单激励单接收时无需选择）作为参考信号测量单元；
3. 在样管内无氧化皮堆积的情况下将脉冲涡流传感器环形扣装于样管外壁，对激励单元施加一个脉冲激励信号，样管感应信号被传感器接收单元所拾取，经处理后予以存储；
4. 向所取样管中加入适量氧化皮模拟堆积，记录堆积厚度；
5. 在激励单元中施加脉冲激励信号，测得氧化皮在该堆积厚度下感应电压信号并存储；
6. 改变样管中氧化皮的堆积厚度，多次重复步骤4和5，得到不同堆积厚度下的多个感应电压信号；
7. 将步骤6获得的信号依次与步骤3获得的信号进行差分，提取差分信号峰值，得到峰值与氧化皮堆积厚度的关系曲线，以此作为标定曲线；
8. 将脉冲涡流传感器装于现场待测锅炉管内无脱落氧化皮堆积（如U型管入口垂直上方处）的外管壁处，给传感器施加一个与上述样管检测时相同的脉冲激励信号，存储任意一个接收单元感应电压信号；
9. 将脉冲涡流传感器扣装于锅炉管待测区域，给传感器施加一个与上述检测时相同的脉冲激励信号，逐个存储每个接收单元的感应电压信号直至所有接收单元信号都被存储；
10. 将上一步骤获得的信号依次与步骤8所得信号进行差分处理，得到所有接收单元处差分信号幅值，对照步骤7获得的标定曲线，查找得到被测管道不同位置处氧化皮的堆积厚度。
另一方面，本发明还提供了用于实现上述检测方法的装置，该装置包括：
1. 用于构成传感器线圈的排线，其可弯曲性好，能适应各种形状的管道，并可以通过更换不同线长的排线来实现对不同管径锅炉管的检测；
2. 用于连接排线的连接插座，起连接组成传感器激励与感应（接收）线圈的作用，其体积小，结构简单，使用便捷；
3. 用于区分并构成激励线圈与感应线圈及连接切换开关的电路板，其在激励、感应线圈一体的基础上起区分激励线圈与感应线圈的作用，实现对排线的分路；
4. 用于切换不同激励、接收单元工作的输入、输出信号切换开关（1）和（6），实现实际检测时对各个激励与接收单元工作的启停；
5. 输入激励信号的接口（5），用于连接信号发生装置输入周期性脉冲激励信号，方便实施拆装；
6. 输出感应信号的接口（7），用于连接信号放大装置输出波形信号；
安装步骤：将连接插座置于被测管外壁面，用长度与管径相适应的排线环绕包裹被测管并扣装在连接插座上，最后连接上输入、输出信号的传输线。
附图说明
图1为本发明专利构成脉冲涡流传感器的排线结构图；
图2为脉冲涡流阵列传感器的连接插座结构图；
图3为脉冲涡流阵列传感器结构图；
图4为本发明方法对锅炉管内氧化皮堆积厚度及分布状况进行脉冲涡流检测的示意图；
图5为脉冲涡流单一传感器的连接插座结构图；
图6为脉冲涡流单一传感器结构图；
图7本发明方法对锅炉管内氧化皮堆积平均厚度进行脉冲涡流检测的示意图；
图8是本发明的检测原理示意图；
图9是不同氧化皮堆积高度情况下脉冲涡流单一传感器的多组幅值信号曲线图；
图10是脉冲涡流单一传感器信号峰值与管内氧化皮堆积高度的关系图；
图11是利用本发明方法进行模拟检测的锅炉管试样纵截面示意图；
图12是将脉冲涡流阵列传感器安装在图11管试样时各接收单元信号峰值变化图；
图13是脉冲涡流传感器提离高度变化时检测信号曲线图；
图14是脉冲涡流检测信号峰值与提离高度的关系图；
图中：输入信号切换开关-1、电路板-2、连接插座-3、排线-4、信号输入航空插座-5、输出信号切换开关-6、信号输出接口-7、被测管道-8、脉冲涡流传感器-9、脉冲激励信号电路-10、信号切换电路-11、信号处理电路-12、A/D转换电路-13、数据处理器-14、被测管道-15、管内堆积氧化皮-16。连接插座3、航空插座5、输出接口7均与电路板2焊接，激励线圈与信号切换电路11及信号输入航空插座5相连接，接收线圈与信号切换电路11及信号输出接口7相连接。
具体实施方式
实施例一，参见图7所示，使用脉冲涡流单一传感器对检测区域的氧化皮堆积平均厚度进行检测，一方面其装置使用安装方法包括以下步骤：
将连接插座按轴线方向外置于被测管外壁面；
选取长度与管径尺寸相适应的排线，将其环形绕置于被测管道外侧，排线两端分别扣装于连接插座两侧，构成激励单元与接收单元；
将信号输入接口与信号发生源相连接，将信号输出接口与信号放大装置相连接并继续连接输入到计算机或其他记录设备中。
另一方面，其使用方法包括如下步骤：
1. 取与待测在役奥氏体锅炉管材质尺寸相同的样管作为对比信号采集对象；
2.在样管内无氧化皮堆积的情况下将脉冲涡流单一传感器环形扣装于样管的外管壁，对激励单元施加一个脉冲激励信号，样管感应信号被传感器接收单元所拾取，经处理后予以存储；
3. 向所取样管中加入适量氧化皮模拟堆积，记录堆积厚度；
4. 在激励单元中施加脉冲激励信号，测得在该氧化皮堆积厚度下的感应电压信号并存储；
5. 改变样管中氧化皮堆积厚度，多次重复步骤3、4，得到不同氧化皮堆积厚度下的多个感应电压信号，
6. 将步骤4、5获得的信号依次与步骤2获得的信号进行差分，提取差分信号峰值，得到峰值与氧化皮堆积厚度的关系曲线，以此作为标定曲线；
7. 将脉冲涡流单一传感器装于现场待测锅炉管内无氧化皮堆积（如U型管入口垂直上方处）的外管壁处，给传感器施加一个与上述样管检测时相同的脉冲激励信号，存储接收单元感应电压信号；
8. 将脉冲涡流单一传感器扣装于锅炉管待测区域，给传感器施加一个与上述检测时相同的脉冲激励信号，存储接收单元的感应电压信号；
9. 将上一步骤获得的信号与步骤7所得信号进行差分处理得到差分信号幅值，对照步骤6获得的标定曲线，查找得到被测管道内氧化皮的堆积厚度。
实施例二，参见图4所示，使用脉冲涡流阵列传感器对检测区域内氧化皮堆积厚度及分布状况进行检测，一方面其装置使用安装方法同实施例一，另一方面，其使用方法包括如下步骤：
1. 取与待测在役奥氏体锅炉管材质尺寸相同的样管作为对比信号采集对象；
2. 取任意位置的激励与接收单元（激励与感应线圈）作为参考单元，将与之对应的信号输入、输出切换开关调至开启档位，其余位置开关均保持关闭；
3. 在样管内无氧化皮堆积的情况下将脉冲涡流阵列传感器环形扣装于样管外壁，对激励单元施加一个脉冲激励信号，样管感应信号被传感器接收单元所拾取，经处理后予以存储；
4. 向所取样管中加入适量氧化皮模拟堆积，记录堆积厚度；
5. 在激励单元中施加脉冲激励信号，测得在该氧化皮堆积厚度下的感应电压信号并存储；
6. 改变样管中氧化皮的堆积厚度，多次重复步骤4、5，得到不同氧化皮堆积厚度下的多个感应电压信号；（具体重复次数与每次堆积厚度差异由实际检测要求决定）
7.将步骤5、6获得的信号依次与步骤3获得的信号进行差分，提取差分信号峰值，得到峰值与氧化皮堆积厚度的关系曲线，以此作为标定曲线；
8. 将脉冲涡流阵列传感器装于现场待测锅炉管内无氧化皮堆积（如U型管入口垂直上方处）的外管壁处，给传感器施加一个与上述样管检测时相同的脉冲激励信号，存储任意一个接收单元感应电压信号；
9. 将脉冲涡流阵列传感器扣装于锅炉管待测区域，给传感器施加一个与上述检测时相同的脉冲激励信号，通过切换开关逐个存储各个接收单元的感应电压信号直至所有接收单元信号都被存储；
10. 将上一步骤获得的信号依次与步骤8所得信号进行差分处理，得到所有接收单元处差分信号幅值，对照步骤7获得的标定曲线，查找得到被测管道不同位置处氧化皮的堆积厚度。
Claims (7)
1.一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：采用包括激励单元阵列和接收单元阵列构成的脉冲涡流传感器，且激励单元阵列和接收单元阵列均沿被测管道周向设置，相互间隔微小，共同环形包裹于被测管道外侧；在脉冲涡流传感器激励单元阵列施加脉冲激励信号后，脉冲涡流传感器产生的脉冲磁场穿透管壁作用于管内氧化皮上，由于氧化皮的主要成分Fe3O4为亚铁磁性的半导体氧化物，内部会感生出微弱的涡流场，同时会增加脉冲涡流传感器线圈电感量，堆积越厚则对电感的增强作用越大，涡流产生的二次磁场在接收单元阵列上感应出随时间变化的电压信号，电压信号反映了管内氧化皮堆积的厚度大小，提取此电压信号的峰值，即可获得被测管道内氧化皮的堆积厚度信息；
所述一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，还包括脉冲涡流传感器依次与信号切换电路、脉冲激励电路、信号处理电路、A/D转换电路和计算机相连，脉冲激励电路给脉冲涡流传感器提供周期方波激励信号，脉冲涡流传感器设置在管道的外表面，在管道待测区域内激发感应涡流同时接收感应磁场信号，脉冲涡流传感器的激励单元阵列与接收单元阵列通过信号切换电路将指定位置的磁场信号转化为电压信号后，传送给信号处理电路，信号处理电路对接收的信号进行放大、滤波、比较后，传送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理、从而获得管道待测区域内部氧化皮堆积厚度信息；
所述一种奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，包括以下步骤：
(1)取与待测在役奥氏体锅炉管材质尺寸相同的样管作为对比信号采集对象；
(2)取任意位置的激励单元阵列与对应接收单元阵列作为参考信号测量单元；
(3)在样管内无氧化皮堆积的情况下将脉冲涡流传感器环形扣装于样管外壁，对激励单元阵列施加一个脉冲激励信号，样管感应信号被接收单元阵列所拾取，经处理后予以存储；
(4)向所取样管中加入适量氧化皮模拟堆积，记录堆积厚度；
(5)在激励单元阵列中施加脉冲激励信号，测得氧化皮在该堆积厚度下感应电压信号并存储；
(6)改变样管中氧化皮的堆积厚度，多次重复步骤(4)和(5)，得到不同堆积厚度下的多个感应电压信号；
(7)将步骤(6)获得的信号依次与步骤(3)获得的信号进行差分，提取差分信号峰值，得到峰值与氧化皮堆积厚度的关系曲线，以此作为标定曲线；
(8)将脉冲涡流传感器装于现场被测管道无脱落氧化皮堆积的外管壁处，给脉冲涡流传感器施加一个与上述样管检测时相同的脉冲激励信号，存储任意一个接收单元阵列感应电压信号；
(9)将脉冲涡流传感器扣装于锅炉管待测区域，给脉冲涡流传感器施加一个与上述样管检测时相同的脉冲激励信号，逐个存储每个接收单元阵列的感应电压信号直至所有接收单元阵列的感应电压信号都被存储；
(10)将上一步骤获得的信号依次与步骤(8)所得信号进行差分处理，得到所有接收单元阵列差分电压信号幅值，对照步骤(7)获得的标定曲线，查找得到被测管道不同位置处氧化皮的堆积厚度；
采用奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度检测装置，包括：由激励单元阵列和接收单元阵列构成的脉冲涡流传感器(9)，且激励单元阵列与接收单元阵列呈交叉或上下双层分布，相互间隙微小但又被分隔开来。
2.根据权利要求1所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：所述脉冲涡流传感器设置在被测管道(8)外壁面上；所述激励单元阵列和接收单元阵列均为线圈形式，主要由排线(4)构成，同轴环形包裹于被测管道外壁面；向激励单元阵列的线圈中施加一个周期方波激励信号，激励电流在待测区域产生感应涡流，涡流又感应出二次磁场，管内氧化皮堆积厚度越大，二次磁场越强，对接收单元阵列的线圈电感增强作用越大，两者综合作用，在接收单元阵列的线圈内形成携带氧化皮堆积厚度信息的感应电压信号，分析电压信号幅值变化特征，即可实现对管道(8)内氧化皮堆积厚度的定量检测。
3.根据权利要求1所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：脉冲涡流传感器(9)激励单元阵列与接收单元阵列沿被测管道(8)周向分布，扣装包裹于管道外壁面，被激励单元阵列与接收单元阵列环形包围的区域即为待检测区域。
4.根据权利要求1所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：所述脉冲涡流传感器(9)包括：构成激励单元阵列和接收单元阵列主体部分的排线(4)；用于连接排线和电路板的连接插座(3)；用于控制排线走线形成激励单元阵列和接收单元阵列回路的电路板(2)；用于切换输入信号的切换开关(1)；用于切换输出信号的切换开关(6)；信号输入插座接口(5)；信号输出接口(7)；连接插座(3)、信号输入插座接口(5)与信号输出接口(7)均焊接在电路板(2)上，排线两端扣装于连接插座两边插口处呈可开合式。
5.根据权利要求4所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：用于切换输入信号的切换开关(1)和用于切换输出信号的切换开关(6)根据实际检测需求被一个多通道定时电子切换开关所替代，从而提高检测效率。
6.根据权利要求4所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：排线(4)与构成脉冲涡流传感器的电路板(2)有多种规格，为满足不同需求通过更换不同长度的排线测量不同管径的管道。
7.根据权利要求4所述的奥氏体锅炉管内脱落氧化皮堆积厚度脉冲涡流检测方法，其特征是：构成激励单元阵列和接收单元阵列的线圈由排线(4)、连接插座(3)和电路板(2)构成，线圈形状为近似圆形。
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