CN109900781A - 奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物多通道定量电磁检测方法 - Google Patents
奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物多通道定量电磁检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
为解决对奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞率无法精确定量检测的问题，本发明提供了一种奥氏体不锈钢管内氧化皮多通道检测精确定量磁性检测方法。通过制作不同规格、不同堵塞率的标准人工试样，后使用检测仪器进行测量，将检测结果进行拟合的方法，使多通道传感器检测到的磁性信号与氧化皮管内横截面积堵塞百分比形成正比关系。与现有氧化皮堵塞率定量检测技术相比，本发明的检测技术具有更高的定量精度；检测过程中只需沿待检测管纵向扫查即可，较现有检测技术提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明属于电厂锅炉高温受热面无损检测的技术领域。涉及一种锅炉奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞面积与管内孔面积之比(本文下面简称堵塞面积堵塞率)的定量方法。
背景技术
超临界/超超临界火电机组的锅炉在高温环境下，受热面管道内表面受到严重的水蒸气氧化影响，造成管道内壁氧化膜(氧化皮)发生剥落与堆积，导致了管壁局部高温蠕变，容易发生爆管事故。因此及时检测与评估管道内氧化皮(铁磁性堵塞物)的堆积程度，对维护管道的安全运行具有重要意义。
锅炉管内氧化皮堵塞的无损检测方法主要有射线检测和磁性检测。射线检测虽然能够显示出管内氧化皮堆积状态，但检测工艺比较复杂、检测时间长、对检测环境要求高及对人体伤害较大，不适用于工业现场检测。
磁性检测技术主要使用单通道检测技术，通过对奥氏体不锈钢管外壁施加磁场将堆积的氧化皮进行磁化，利用单通道测磁元件测量管外壁的磁场变化，实现对奥氏体受热面管内氧化皮堵塞率的测量。现探测器由磁化器和测量磁场原件组成，磁化器由永久磁铁和衔铁组成，形成“π”字形磁化装置，测量磁场元件放置在待测管外壁，测量管外壁轴向磁场强度，如图1所示。待检测管为奥氏体不锈钢(如：TP347)，属于顺磁材料，导磁率较低，管内氧化皮主要成分为Fe3O4，属于良导磁材料。氧化皮对磁场分布的影响如图2所示，当管内无氧化皮时，测量点处的测磁元件会检测到沿管壁的轴向磁场，如图2(a)所示。当管内有氧化皮时，由于氧化皮导磁性较强，磁力线会向氧化皮中偏聚，磁力线分布如图2(b)所示，测磁元件检测到的磁场强度则会下降。所以可以通过测量轴向磁场强度的下降，判断管内有无氧化皮堵塞。但计算和实验结果表明，如果氧化皮横截面堵塞率达到10％，单通道检测方法的数值就会达到饱和。
现对氧化皮堵塞量危害程度的判断是通过对横截面积堵塞率的定量检测得出的，标准“DL 1324-2014锅炉奥氏体不锈钢管内氧化皮堆积磁性检测技术导则”规定：(1)当横截面堵塞率小于20％时，处置建议是：无需处理；(2)当横截面堵塞率大于20％，小于50％时，处置建议是：监督运行，必要时可割管清理；(3)当横截面堵塞率大于50％时，处置建议是：割管清理。所以检测设备对氧化皮横截面积堵塞率的定量测量十分重要，但现有磁性检测技术无法对氧化皮堵塞面积精确定量，导致误判事故频频发生，影响电厂检测效率。当管内氧化皮堆积厚度较大时，单通道氧化皮检测技术检测到的信号很容易趋于饱和(当横截面堵塞率大于10％，检测值便趋于饱和)，仅能判断管内有无氧化皮，难以实现对管内氧化皮堵塞率的定量检测。
发明内容
为解决对奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞率无法精确定量检测的问题，本发明提供了一种奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物(氧化皮)多通道检测精确定量的磁性检测方法。通过制作不同规格、不同堵塞率的标准人工试样，后使用检测仪器进行测量，将检测结果进行拟合的方法，使多通道传感器检测到的磁性信号与氧化皮管内横截面积堵塞百分比形成正比关系。
本发明技术方案如下：
一种奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物多通道定量电磁检测方法，其特征在于：检测奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物导致多通道磁场变化信号，再通过多通道数据融合算法，计算出铁磁性堵塞物堵塞面积与管内孔面积之比，即横截面积堵塞率。
本发明所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
①检测磁通密度：检测奥氏体不锈钢管内多个测量点上的磁通密度Bn；
②制作标定试样：采用有机玻璃制作标定试样，根据不同规格的管道，制作不同堵塞率的标准人工试样；
③标定曲线制作：使用检测仪器对不同规格、不同堵塞率的标准人工试样进行测量，后将检测结果做最小二乘法曲线拟合，得出标定曲线，所述标定曲线为多通道磁通密度差之和与堵塞面积堵塞率的关系，其中堵塞面积比为堵塞面积与管内截面积πr2之比，用a％表示；
④将校准后的标定曲线输入到软件中，实际检测时，在软件中输入管直径和管壁厚，调取相关标定曲线，通过在检测过程中得到的多个通道磁通密度检测结果，即可得到相应的堵塞面积比。
其中，步骤①中磁通密度的检测方法为：在被检管的周向上设置多个磁桥路，每个磁桥路能够检测被检管某个角度范围内的磁通密度Bn，布置这些磁桥路在被检管的周向位置，使得它们各自的检测区域相互连接起来，对管内铁磁性堵塞物的检测区域无空白，实现对管内铁磁性堵塞物的全程检测。
本发明采用多通道铁磁探测仪检测不锈钢管内多个测量点上的磁通密度Bn，多通道铁磁探测仪由探测仪和探头组成，如图3所示，所述探头包括外壳1.1、铁磁探测器1.2和手柄1.3，其中外壳1.1采用铝材成型，并经表面喷砂处理，外壳1.1的一端为内侧具有与受检管道外径相同直径的圆弧形状，其内部设有多个铁磁探测器1.2(优选3-6个，各探测器中心之间的周向距离为20°～60°)。铁磁探测器1.2是用来探测铁磁性物体的传感器，由磁化器和磁场测量器件组成。两个条状钕铁硼永久磁铁和一个条状磁轭组成“П”字形磁化器，在两个磁铁的中间，放置一个SHJ5型霍尔元件作为磁场测量器件，如图4所示。外壳1.1的另一端为长条形手柄1.3。
所述根据国内锅炉过热器、再热器的标准尺寸，探头弧形部分的内径尺寸为38mm、46mm、54mm、61mm、65mm，探头弧形部分的高度小于20mm，周向覆盖150°。
除固定各单磁桥路之外，本发明所述探头还具有以下特点：
(1)探头在工作时从管道的底面贴靠于受检管道上，与管道外壁紧密接触，以便减小检测信号的波动。为此，探头内侧具有与受检管道外径相同直径的圆弧形状。
(2)在实际应用中，由于锅炉内过热器、再热器管段之间距离狭窄，为了使探头在现场检测具有良好的适应性，减小了探头厚度，做成小型化。
(3)为了便于操作，在探头一侧做一手柄，也为接插件提供了足够的安装空间。
(4)探头所检测对象为奥氏体不锈钢管中的氧化皮，该氧化皮为铁磁性材料，为了提高检测精度，探头用材料全部为非铁磁性材料。
铁磁探测器在探头壳内的分布如图5所示(以五通道为例)，多个探测器位于同一个圆周上，相邻探测器的中心(霍尔元件)之间的周向距离为30°。一般来说检测点越多、越密集，检测精度越高；但是检测点距离太近，相邻探测器之间容易发生互相干扰，实验结果表明，相距30°检测效果较好。
本发明的多通道检测技术目的是解决单通道检测技术测量值的容易饱和的问题。如图5所示，当氧化皮堆积厚度超过堵塞面积比10％时，处于高位置的氧化皮堆积(图5中用蓝颜色表示的氧化皮堆积，位于中间层)因为距离远，对位于0°的探测器的作用极其微弱，0°探测器的输出信号趋于饱和。另一方面，这部分氧化皮处在30°和-30°探测器的探测范围之内，这两个探测器有输出信号，多个探测器的输出信号之和在增加。0°探测器的作用主要是测量堵塞面积比为0～10％的氧化皮堆积(图5中用紫颜色表示的氧化皮堆积，位于最下层)，30°和-30°探测器的作用主要是测量堵塞面积比为10％～30％的中层氧化皮堆积(图5中用蓝颜色表示的氧化皮堆积，位于中间层)，60°和-60°探测器的作用主要是测量堵塞面积比为30％～50％的高层氧化皮堆积(图5中用红颜色表示的氧化皮堆积，位于最上层)。总之，以多个探测器输出信号之和为基础的多通道检测，扩大了单通道检测方法的测量范围，从堵塞面积比10％提高到堵塞面积比50％。
步骤②中标定曲线的计算为：假定在被测管内有铁磁性堵塞物(氧化皮)的情况下，设在多个测量点上铁磁探测器测得的磁通密度分别用符号B1(a％)，B2(a％)……Bn(a％)来表示，这里Bn表示磁通密度，下标1，2……n表示各通道的编号(在此以五通道为例，对应于铁磁探测器的位置-60°、-30°、0°、30°、60°)，a％表示堵塞面积与πr2之比，r表示被测管的内径。其中a％称为堵塞面积比，将：
ΔBn(a％)＝Bn(0)-Bn(a％) (1)
要利用关系检测管道堵塞程度a％，必须具有对该关系的具体的表述，最好是解析公式，否则必须绘出关系曲线。本发明用标准试块校准标定曲线的方法对磁学方法探测氧化皮堆积率进行数值模拟，得出多通道检测的关系曲线。
具体实现方法为：由于电厂内使用的奥氏体不锈钢管型号较为具体，选取某一型号待检测管，制作该型号管所对应的标定试样，共六组试样，分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％堵塞率，使用不同堵塞率与0％堵塞率试块检测值和的差值，得出堵塞率10％、20％、30％、40％、50％所对应的检测总值，即的对应关系，利用最小二乘法算法进行曲线拟合，得出关系曲线。将电厂内所有标准型号的管制作成标准试样，使用仪器进行标定测量，形成多条关系曲线，将曲线存储到检测仪器中。
实际检测中，只需输入待检测管的直径和管壁厚，即可调取相关管径和壁厚管的关系曲线。得到多通道检测总值与无氧化皮时多通道检测总值相减，即查表即可得到氧化皮实际堵塞面积比a％。
从图6中单通道和多通道检测的标定曲线可以看出，较小的堵塞面积比a％变化，能引起多通道磁通密度差之和的较大的变化，因此可以通过测量间接地测量堵塞面积比。单通道检测堵塞面积比a％变化引起的磁通密度差ΔB的变化很小，因此通过测量ΔB定量堵塞面积比误差很大，没有实用价值，但是可以通过单通道检测确定有无氧化皮堵塞。
标定试样的制作：目的在于制作标准的标定曲线，即关系曲线。为此制作了氧化皮堵塞标定试样，标定试样的各个零件及其组装如图7所示。一根标定试样由四种用有机玻璃制作的部件组装而成，以方便观察氧化皮的分布，其中直棒12与有机玻璃管11内径相配合，有较小的负公差，所述直棒12设有多根，每个直棒12截面弓形面积不同(优选有5根，去掉的弓形的面积分别是原始圆面积的10％、20％、30％、40％、50％)。组装时首先将一个圆片13用胶液粘接在有机玻璃管11的一端，以封闭管的一端。将直棒12插入有机玻璃管11内，将组装件开口向上放置，将氧化铁屑14(一般为取自现场的氧化皮)填加到组装件内，将直棒12与管内壁之间的间隙填满。最后用胶液将另一个圆片13粘接在组装件的开口上，胶液凝结牢固之后，一个标定试样制作完毕。
多通道铁磁探测仪的组成如图8所示。多通道铁磁探测仪由探测仪和探头组成，其中，传感器单元由磁路和霍尔测磁元件组成，当管内有氧化皮时，由于氧化皮具有较高的导磁性，会影响磁路中的磁场变化，霍尔元件就会检测到这个磁场的变化量，经过前置放大器进行电信号放大，避免探头和仪器间因信号传输产生的噪声。多芯数据线将多个通道的检测信号传输到检测主机中，进行偏置放大，后通过多通道数据采集模块将多通道电信号转换成数字信号传输到下位机CPU控制单元中，控制单元通过计算机传输协议将数据传输到上位机工控电脑中。工控电脑中执行上位机的应用程序，实时将检测结果进行查表运算，即关系值，得出氧化皮堵塞率。
本发明的有益效果是：
(1)与现有氧化皮堵塞率定量检测技术相比，本发明的检测技术具有更高的定量精度；
(2)本发明的多通道检测技术，管周向覆盖率更高，检测过程中只需沿待检测管纵向扫查即可，较现有检测技术提高了检测效率；
(3)设计相关的标定试样，使用其校准现有的检测算法，使检测技术精度更高。
附图说明
图1单通道氧化皮检测模型。
图2氧化皮对磁场分布的影响，其中(a)、不锈钢管内无氧化皮磁力线分布图，(b)、不锈钢管内有氧化皮磁力线分布图。
图3探头外观。
图4铁磁探测器图结构简图(左图为正视图，右图为侧视图)。
图5氧化皮堆积的形状和多个探测器围绕被检测管的分布。
图6单通道和多通道检测氧化皮堵塞面积比的标定曲线。
图7标定试样的制作方法。
图8多通道铁磁探测仪的组成示意图。
图9弯管No.1氧化皮堵塞的X射线照片。
附图标记：1、探头，1.1、外壳，1.2、铁磁探测器，1.3、手柄，2、管壁，3、氧化皮，4、测量磁场元件，5、磁铁，11、有机玻璃管，12、直棒，13、圆片，14、氧化铁屑。
具体实施方式
实施例
多通道定量电磁检测方法，具体步骤如下：
①检测磁通密度：采用多通道铁磁探测仪检测奥氏体不锈钢管内5个测量点上的磁通密度Bn(如图5所示)；
所用多通道铁磁探测仪由探测仪和探头组成，所述探头包括外壳1.1、铁磁探测器1.2和手柄1.3，其中外壳1.1采用铝材成型，外壳1.1的一端为内侧具有与受检管道外径相同直径的圆弧形状，其内部设有5个铁磁探测器1.2，所述铁磁探测器1.2为霍尔元件，各探测器中心之间的周向距离为30，其可检测范围覆盖管子周向150°；外壳1.1的另一端为长条形手柄1.3。
②制作标定试样：采用有机玻璃制作标定试样(如图7所示)，，根据不同规格的管道，制作不同堵塞率的标准人工试样，所述标定试样由有机玻璃管11、直棒12、圆片13和氧化铁屑14组成；其中有机玻璃管11与被检管规格相同，直棒12为一圆棒沿长度方向去掉一部分后剩余的部分，其截面为弓形，弓形半径与被检管内径相同，圆片13为与有机玻璃管11外径相同的圆片；两个圆片13分别设置在有机玻璃管11的两端，直棒12设置在有机玻璃管11内部，直棒12与有机玻璃管11内部之间的间隙填满氧化铁屑14；所述直棒12共有5根，每个直棒12截面弓形面积分别原始圆棒面积的50％、60％、70％、80％、90％；
③标定曲线制作：使用检测仪器对不同规格、不同堵塞率的标准人工试样进行测量，后将检测结果做最小二乘法曲线拟合，得出标定曲线，所述标定曲线为多通道磁通密度差之和与堵塞面积堵塞率的关系，其中堵塞面积比为堵塞面积与管内截面积πr2之比，用a％表示；
④将校准后的标定曲线输入到软件中，实际检测时，在软件中输入管直径和管壁厚，调取相关标定曲线，通过在检测过程中得到的多个通道磁通密度检测结果，即可得到相应的堵塞面积比。
使用多通道铁磁探测仪共检测了15根管的转弯部位，以堵塞面积比a％≥20％为报废标准。对多通道铁磁探测仪检测过的15根管中的3根管进行了X射线检测，这3根管的堵塞检测结果列于表1。图9是1号管转弯处的X射线照片。用表2中的数据计算得出，以X射线法的检测结果为基准，多通道铁磁探测仪测量堵塞面积比的标准误差(绝对误差)是3.9％。另用称重法加以补充。堵塞超标的管道必须将氧化皮清除，清除的方法是在弯管的上部大约1米处将管道切开，用软管将一块钕铁硼永久磁铁吊入管内，将氧化皮吸住提上来。这种清除并不彻底，还有少量残余，对于经过多通道铁磁探测仪检测和X射线检测的3条管道，称重结果列于表2。从表2中的数据可以看出，清除前后用多通道铁磁探测仪测得的堵塞面积比之差近似地和清除取出的氧化皮的重量成正比。称重法从另一个角度证明了多通道铁磁探测仪检测的有效性。
表1多通道铁磁探测仪与X射线摄影法两种方法测得的堵塞面积比
表2多通道铁磁探测仪测得的再热器管道堵塞面积比和取出的氧化皮重量
到目前为止，为5家发电厂的大修进行了过热器和再热器管的堵塞检测，共发现超标堵塞(堵塞面积比a％≥20％)30多处，经过解剖验证，无一误报，由此可见，本发明所述仪器在防止过热器管和再热器管爆裂事故方面，已经发挥并将继续发挥重要的作用。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物多通道定量电磁检测方法，其特征在于：检测奥氏体不锈钢管内铁磁性堵塞物导致多通道磁场变化信号，再通过多通道数据融合算法，计算出铁磁性堵塞物堵塞面积与管内孔面积之比，即横截面积堵塞率。
2.按照权利要求1所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
①检测磁通密度：检测奥氏体不锈钢管内多个测量点上的磁通密度Bn；
②制作标定试样：采用有机玻璃制作标定试样，根据不同规格的管道，制作不同堵塞率的标准人工试样；
③标定曲线制作：使用检测仪器对不同规格、不同堵塞率的标准人工试样进行测量，后将检测结果做最小二乘法曲线拟合，得出标定曲线，所述标定曲线为多通道磁通密度差之和与堵塞面积堵塞率的关系，其中堵塞面积比为堵塞面积与管内截面积πr2之比，用a％表示；
④将校准后的标定曲线输入到软件中，实际检测时，在软件中输入管直径和管壁厚，调取相关标定曲线，通过在检测过程中得到的多个通道磁通密度检测结果，即可得到相应的堵塞面积比。
3.按照权利要求2所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于，步骤①中磁通密度的检测方法为：在被检管的周向上设置多个磁桥路，每个磁桥路能够检测被检管某个角度范围内的磁通密度Bn，布置这些磁桥路在被检管的周向位置，使得它们各自的检测区域相互连接起来，对管内铁磁性堵塞物的检测区域无空白，实现对管内铁磁性堵塞物的全程检测。
4.按照权利要求3所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于：采用多通道铁磁探测仪检测不锈钢管内多个测量点上的磁通密度Bn，多通道铁磁探测仪由探测仪和探头组成，所述探头包括外壳(1.1)、铁磁探测器(1.2)和手柄(1.3)，其中外壳(1.1)采用铝材成型，外壳(1.1)的一端为内侧具有与受检管道外径相同直径的圆弧形状，其内部设有多个铁磁探测器(1.2)，外壳(1.1)的另一端为长条形手柄(1.3)。
5.按照权利要求4所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于：外壳(1.1)内部设有3-6个铁磁探测器(1.2)，所述铁磁探测器(1.2)为霍尔元件，各探测器中心之间的周向距离为20°～60°。
6.按照权利要求4所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于：所述探头弧形部分的内径尺寸为38mm、46mm、54mm、61mm、65mm，探头弧形部分的高度小于20mm，周向覆盖150°。
7.按照权利要求2所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于，步骤③中标定曲线的制作方法为：假定在被测管内有铁磁性堵塞物的情况下，设在多个测量点上铁磁探测器测得的磁通密度分别用符号B1(a％)，B2(a％)……Bn(a％)来表示，这里Bn表示磁通密度，下标1，2……n表示各通道的编号，对应于铁磁探测器在被测管的位置，a％表示堵塞面积与πr2之比，称为堵塞面积比，r表示管的内径，其中：
ΔBn(a％)＝Bn(0)-Bn(a％)(1)
利用关系检测管道堵塞程度a％，针对不同型号管子的铁磁性堵塞物堆积率制作不同横截面堵塞率的标准试样并测量、存储的方法，得出多通道检测的关系曲线。
8.按照权利要求1所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于，步骤③中所述标定试样由有机玻璃管(11)、直棒(12)、圆片(13)和氧化铁屑(14)组成；其中有机玻璃管(11)与被检管规格相同，直棒(12)为一圆棒在长度方向去掉一部分后剩余的部分，其截面为弓形，弓形半径与被检管内径相同，圆片(13)为与有机玻璃管(11)外径相同的圆片；
两个圆片(13)分别设置在有机玻璃管(11)的两端，直棒(12)设置在有机玻璃管(11)内部，直棒(12)与有机玻璃管(11)内部之间的间隙填满氧化铁屑(14)。
9.按照权利要求8所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于：所述直棒(12)设有多根，每个直棒(12)截面弓形面积不同。
10.按照权利要求8或9所述多通道定量电磁检测方法，其特征在于：所述直棒(12)共有5根，每个直棒(12)截面弓形面积分别原始圆棒面积的50％、60％、70％、80％、90％。
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