CN110701990A - 基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法与系统，采用了磁场扰动与磁力检测两种原理，系统由上位机、主控箱、磁场扰动圆环阵列传感器、磁力检测圆环阵列以及履带式管道攀爬装置等构成，可用于评估乙烯裂解炉管内壁渗碳层厚度。履带式管道攀爬装置搭载磁场扰动圆环阵列传感器和磁力检测圆环阵列沿炉管攀爬行进过程中，磁场扰动传感器单元的霍尔元件检测炉管表面沿母线方向的磁场强度，以反映内壁渗碳层对永磁体提供的磁场分布扰动程度；磁力检测传感器单元的薄膜压力传感器测量永磁体与炉管的相互作用磁力大小。利用检测得到的磁场强度和磁力沿扫查方向的变化曲线，对炉管环向和母线方向的内壁渗碳层厚度进行定量评价。

Description

基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法与 系统

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管内壁渗碳层厚度评价方法与系统，主要适用于乙烯裂解炉等炉管渗碳层厚度或材料组织状态的无损检测与评价。

背景技术

乙烯裂解炉是石化产业重要基础原料——乙烯生产中的关键设备。作为乙烯裂解炉的核心构件，乙烯裂解炉管工作于高温和复杂化学环境中。在高碳势及热应力作用下，乙烯裂解炉管容易产生渗碳、结焦和热疲劳损伤，严重影响乙烯生产装置的安全和寿命。据统计，炉管渗碳形成渗碳层是引发裂解炉管失效的重要原因。发展适用于工程现场的炉管内壁渗碳层厚度评价方法，对评估乙烯裂解炉管状态，保障乙烯裂解炉管运行安全具有重要意义。

炉管材料大多为顺磁性材料，表现为无磁性或弱磁性。发生渗碳之后，基体材料由顺磁性转变为铁磁性。基于上述材料磁性的转变现象，已发展出涡流、矫顽力检测等方法，用于炉管渗碳层厚度的无损评价。但这些方法仍存在不足，包括：单一原理受多种因素影响，对渗碳层厚度的检测准确性不高；矫顽力测试不能实现连续扫查，对高达10余米的乙烯裂解炉管的检测效率低。

为解决以上问题，本发明提出利用两种全新的磁检测原理，对乙烯裂解炉渗碳层厚度进行无损表征，公布的方案采用了磁场扰动与磁力检测两种方法，设计了炉管自动攀爬系统，搭载圆环式磁场扰动与磁力检测阵列，对炉管渗碳层厚度进行连续无损检测与评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法与系统，解决现有技术中不能实现连续扫查、效率低和检测结果准确性低的问题。

为实现上述目的，提供如下技术方案：

基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，包括上位机、主控箱、磁场扰动检测环和磁力检测环，以及搭载磁场扰动检测环和磁力检测环的履带式管道攀爬装置等。主控箱含运动控制卡和信号采集板卡；由四个环向均布的磁场扰动传感器组成的磁场扰动检测环和由四个环向均布的磁力传感器组成的磁力检测环分别安装在爬行装置前后两端，结合磁场扰动与磁力两种检测技术，通过先后扫查炉管的方式，大大提高检测结果的准确性以及检测效率。

磁场扰动传感器具有一个水平励磁的永磁体，由永磁体提供的沿炉管母线方向的静态磁场受到渗碳层扰动形成的磁场信号被霍尔元件拾取，并以电压信号输出到主控箱，得到的电压信号随炉管渗碳层厚度的变化值，反映该位置炉管的渗碳厚度值。

磁力传感器具有一个垂直励磁的永磁体，由永磁体与渗碳层感应产生的磁力作用在薄膜压力传感器上，磁力随渗碳层厚度变化改变薄膜压力传感器阻值，经由外接电路以电压信号输出到主控箱。

在主控箱中，霍尔元件感应信号与薄膜压力传感器感应信号分别经由计算机系统进行分析处理，最终获得渗碳层实际厚度。通过两种检测技术先后检测同一渗碳位置能够提高检测结果的准确性，该方法能够很好的用于乙烯裂解炉等炉管渗碳层厚度或材料组织状态的无损检测与评价。磁场扰动圆环阵列传感器和磁力检测圆环阵列分别搭载于履带式管道攀爬装置的前后两侧，各圆环阵列内部均包括四个沿管道环向均布的传感器单元，传感器单元的构成如下：

磁场扰动传感器单元具有一个置于炉管外表面的永磁体，提供沿炉管母线方向的静态磁场，一个置于永磁体正下方的霍尔元件测量炉管外表面沿炉管母线方向的磁场强度，并以电压信号输出到主控箱的信号采集卡；

磁力检测传感器单元具有一个置于炉管外表面的永磁体，提供沿炉管径向的静态磁场，炉管材料对永磁体的磁力作用，将导致永磁体与支撑腔体底面产生挤压力，挤压力被置于永磁体和支撑腔体底面之间的薄膜式压力传感器感受，并以电压形式输出到主控箱的信号采集卡。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：但本发明的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法与系统不局限于附图。

附图说明

图1是基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统示意图。

图2是磁场扰动检测环装配示意图。

图3是磁力检测环装配示意图。

图4是磁场扰动传感器结构示意图。

图5是磁力传感器结构示意图。

图6是磁场扰动传感器原理图。

图7是磁力传感器原理图。

附图标记如下：上位机1、主控箱2、信号采集板卡3、信号传输电缆4、乙烯裂解炉管5、磁场扰动检测环6、固定底板7、履带8、直流减速电机9、磁力检测环10、运动控制卡11、上固定架12、下固定架13、锁扣14、螺钉15、封装盖16、磁场扰动传感器17、磁力传感器18、永磁体19-1、永磁体19-2、磁敏元件20、传感器底壳21-1、传感器底壳21-2、雷默接头22、PCB接口转接板23、永磁体托24-1、永磁体托24-2、压缩弹簧25、传感器上壳26-1、传感器上壳26-2、密封盖27、外接电路板28、薄膜压力传感器29、渗碳区域30、氧化层31、磁力线32。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。

1.基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统说明：

如图1所示，基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，由主控箱2作为系统控制核心，上位机1作为扫查结果展示窗口，主控箱2包括信号采集板卡3和运动控制卡11。通过上位机1中的控制程序将命令写入到运动控制卡11，直流减速电机9按照程序给定的命令运行，带动固定底板7上的履带8转动，履带8与乙烯裂解炉管5产生的摩擦力最终使整个扫查装置运动。固定底板7的两端分别安装有磁场扰动检测环6与磁力检测环10，并用信号传输电缆4与信号采集板卡3相连接，最终在上位机1中显示检测结果。

2.磁场扰动检测环与磁力检测环装配说明：

如图2、图3所示，磁场扰动检测环6由四个磁场扰动传感器17、上固定架12和下固定架13组成，磁力检测环10由四个磁力传感器18、上固定架12和下固定架13组成。上固定架12和下固定架13分别安装有两个传感器，且两个传感器之间呈90°夹角分布，通过锁扣14将上固定架12与下固定架13紧密连接，并用封装盖16和螺钉15将传感器固定在上固定架12与下固定架13上。

3.磁场扰动与磁力传感器结构说明：

如图4、图5所示，底壳21-1、上壳26-1和底壳21-2、上壳26-2分别将磁场扰动传感器与磁力传感器内部元件集中封装，为了使传感器与乙烯裂解炉管表面紧贴，于是在底壳21-1与上壳26-1之间安装了一个压缩弹簧25。磁场扰动传感器与磁力传感器内部元件结构分别进行说明：

a.如图4所示，磁场扰动传感器内部水平方向励磁的永磁体19-1由永磁体托24-1固定在霍尔元件20上方，霍尔元件20通过PCB接口转接板23转接到雷默接头22方便与主控箱2连接，PCB接口转接板23固定在底壳21-1的卡槽中。

b.如图5所示，磁力传感器内部垂直方向励磁的永磁体19-2放置在薄膜压力传感器29上，并由永磁体托24-2将永磁体19-2固定在薄膜压力传感器29中间位置，薄膜压力传感器29通过外接电路板28转接到密封盖27上的雷默接头22方便与主控箱2连接，螺钉15将密封盖27固定在底壳21-2侧面。

4.磁场扰动传感器原理说明：

如图6所示，水平方向励磁的永磁体19-1置于乙烯裂解炉管5上方，炉管表面存在氧化层31，当炉管内有渗碳区域30存在时，霍尔元件20附近的磁力线32发生畸变使得磁通密度减小。霍尔元件20测得的磁感应强度变化量通过信号传输电缆4传输到信号采集板卡3上，最终通过上位机1显示炉管渗碳区域30的厚度。

5.磁力传感器原理说明：

如图7所示，垂直方向励磁的永磁体19-2置于乙烯裂解炉管5上方，当炉管内不存在渗碳区域30时，永磁体19-2下面的薄膜压力传感器29只受永磁体19-2自身的重力和因氧化层31产生的磁力，当炉管内有渗碳区域30存在时，薄膜压力传感器29还将受到因渗碳区域30产生的磁力。将薄膜压力传感器29测得的压力变化量通过外接电路板28和信号传输电缆4传输到信号采集板卡3上，最终通过上位机1显示炉管渗碳区域30的厚度。

Claims (7)

1.基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：由主控箱(2)作为系统控制核心，上位机(1)作为扫查结果展示窗口，主控箱(2)包括信号采集板卡(3)和运动控制卡(11)。通过上位机(1)中的控制程序将命令写入到运动控制卡(11)，直流减速电机(9)按照程序给定的命令运行，带动固定底板(7)上的履带(8)转动，履带(8)与乙烯裂解炉管(5)产生的摩擦力最终使整个扫查装置运动。固定底板(7)的两端分别安装有磁场扰动检测环(6)与磁力检测环(10)，并用信号传输电缆(4)与信号采集板卡(3)相连接，最终在上位机(1)中显示检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：磁场扰动检测环(6)由四个磁场扰动传感器(17)、上固定架(12)和下固定架(13)组成，磁力检测环(10)由四个磁力传感器(18)、上固定架(12)和下固定架(13)组成。上固定架(12)和下固定架(13)分别安装有两个传感器，且两个传感器之间呈90°夹角分布，通过锁扣(14)将上固定架(12)与下固定架(13)紧密连接，并用封装盖(16)和螺钉(15)将传感器固定在上固定架(12)与下固定架(13)上。

3.根据权利要求1所述的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：底壳(21-1)、上壳(26-1)和底壳(21-2)、上壳(26-2)分别将磁场扰动传感器与磁力传感器内部元件集中封装，为了使传感器与乙烯裂解炉管表面紧贴，于是在底壳(21-1)与上壳(26-1)之间和底壳(21-2)与上壳(26-2)之间分别安装了一个压缩弹簧(25)。

4.根据权利要求2所述的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：磁场扰动传感器(17)与磁力传感器(18)内部元件结构分别进行说明：

磁场扰动传感器(17)内部水平方向励磁的永磁体(19-1)由永磁体托(24-1)固定在霍尔元件(20)上方，霍尔元件(20)通过PCB接口转接板(23)转接到雷默接头(22)方便与主控箱(2)连接，PCB接口转接板(23)固定在底壳(21-1)的卡槽中。

磁力传感器(18)内部垂直方向励磁的永磁体(19-2)放置在薄膜压力传感器(29)上，并由永磁体托(24-2)将永磁体(19-2)固定在薄膜压力传感器(29) 中间位置，薄膜压力传感器(29)通过外接电路板(28)转接到密封盖(27)上的雷默接头(22)方便与主控箱(2)连接，螺钉(15)将密封盖(27)固定在底壳(21-2)侧面。

5.根据权利要求1所述的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：水平方向励磁的永磁体(19-1)置于乙烯裂解炉管(5)上方，炉管表面存在氧化层(31)，当炉管内有渗碳区域(30)存在时，霍尔元件(20)附近的磁力线(32)发生畸变使得磁通密度减小。霍尔元件(20)测得的磁感应强度变化量通过信号传输电缆(4)传输到信号采集板卡(3)上，最终通过上位机(1)显示炉管渗碳区域(30)的厚度。

6.根据权利要求1所述的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价系统，其特征在于：垂直方向励磁的永磁体(19-2)置于乙烯裂解炉管(5)上方，当炉管内不存在渗碳区域(30)时，永磁体(19-2)下面的薄膜压力传感器(29)只受永磁体(19-2)自身的重力和因氧化层(31)产生的磁力，当炉管内有渗碳区域(30)存在时，薄膜压力传感器(29)还将受到因渗碳区域(30)产生的磁力。将薄膜压力传感器(29)测得的压力变化量通过外接电路板(28)和信号传输电缆(4)传输到信号采集板卡(3)上，最终通过上位机(1)显示炉管渗碳区域(30)的厚度。

7.利用权利要求1所述评价系统进行的基于磁场扰动与磁力双检测环的炉管渗碳层厚度评价方法，其特征在于，采用了磁场扰动与磁力检测两种原理，具体为：

(a)置于顺磁性炉管外表面的永磁体在空间中形成的磁场分布，会受到炉管内壁铁磁性渗碳层的扰动，而导致炉管外表面的磁场强度发生改变，采用磁场扰动圆环阵列传感器检测炉管外表面的磁场扰动程度，即可反映炉管环向和母线方向内壁渗碳层厚度；

(b)置于顺磁性炉管外表面的永磁体与炉管间的相互作用磁力大小与内壁铁磁性渗碳层厚度直接相关，通过磁力检测圆环阵列测量永磁体与炉管间的相互作用磁力大小，即可反映炉管环向和母线方向内壁渗碳层厚度。

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