CN116818884A - 一种换热管涡流热成像内检装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热管涡流热成像内检装置及方法，涉及换热管无损检测领域，包括探头组件和控制箱，所述探头组件通过控制线与所述控制箱连接；所述探头组件包括探头壳体和位于所述探头壳体内的涡流激励线圈组件、涡流热成像感知模块；所述控制箱包括控制组件、安装座、以及位于安装座上方的旋转电机和位于安装座前方的摩擦轮对。本发明能够对缺陷进行定位、分类和尺寸量化，同时结构简单，操作方便，检测精度高，能够对换热管内全方向缺陷进行检测。

Description

一种换热管涡流热成像内检装置及方法

技术领域

本发明涉及换热管无损检测领域，特别是涉及一种换热管涡流热成像内检装置及方法。

背景技术

换热管是换热器的核心元件，换热器广泛应用于石油化工行业中，换热管的安全状态对换热器生产活动具有关键影响。换热管常处于高温、高压的复杂环境中，受到腐蚀、冲击、振动等多方面因素的综合作用，服役一定时间后产生的裂纹、腐蚀坑等缺陷，会危害换热器设备的安全运行。为保证设备的安全，防止产生事故，对在役换热管在运行过程中所产生的缺陷进行无损检测和安全评估研究具有重要的科学意义和工程实践价值。

对在役换热管的检测方法，通常采用内检测方式，即将检测探头送入换热管内部进行运动扫查检测。然而目前常用的换热管内检测方法主要存在以下问题：缺陷感知能力低，对亚表面缺陷不敏感，检测信号强度受缺陷方向影响大；检测方法难以对换热管进行全覆盖检测，或难以对缺陷进行定位、分类和尺寸量化。

鉴于现有换热管无损检测方法和装置存在的问题，亟需一种能够实现换热管全覆盖缺陷检测，并适用于不同方向、不同深度的换热管缺陷可视化检测识别和定位量化的检测方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热管涡流热成像内检装置及方法，以解决背景技术中存在的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种换热管涡流热成像内检装置，包括探头组件和控制箱，所述探头组件通过控制线与所述控制箱连接；

所述探头组件包括探头壳体和位于所述探头壳体内的涡流激励线圈组件、涡流热成像感知模块；

所述控制箱包括控制组件、安装座、以及位于安装座上方的旋转电机和位于安装座前方的摩擦轮对。

进一步地，所述探头壳体的外尺寸与换热管的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件的外尺寸与所述探头壳体的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件包括环形线圈和立式线圈，所述环形线圈与所述立式线圈连通，所述立式线圈位于所述环形线圈远离所述控制线的一端。

进一步地，所述涡流热成像感知模块包括端部热敏元件阵列和尾部热敏元件阵列，所述端部热敏元件阵列位于所述探头壳体内部靠近所述立式线圈的一端，所述尾部热敏元件阵列位于所述探头壳体内部靠近所述环形线圈的一端，所述端部热敏元件阵列和所述尾部热敏元件阵列分别都沿探头壳体周向等间距排列。

进一步地，所述摩擦轮对的主动轮与所述旋转电机连接，所述摩擦轮对的从动轮与所述安装座连接，所述控制线穿过所述摩擦轮对，所述控制线的一端与所述控制组件连接，所述控制线的另一端与所述探头组件连接。

进一步地，所述控制组件分别与所述旋转电机和所述控制线连接，所述控制组件包括控制系统和电源，所述控制线的内部线路分别与所述涡流激励线圈组件和所述涡流热成像感知模块连接，所述控制组件产生高频交流电信号并通过所述控制线传导给所述涡流激励线圈组件，所述涡流热成像感知模块采集到的信号通过所述控制线回传给所述控制组件进行分析。

一种换热管涡流热成像内检测方法，包括以下步骤：

S1：将探头组件伸入换热管中，通过控制组件产生高频交流电传导给所述涡流激励线圈组件；

S2：通过控制组件启动旋转电机，通过旋转电机驱动所述摩擦轮对的主动轮，进而带动位于所述摩擦轮对之间的控制线运动，使得控制线端部的探头组件匀速的在换热管内移动；

S3：所述涡流热成像感知模块将探头组件所在位置的换热管全周向的表面温度转换为热响应信号，并通过所述控制线输出热响应信号到控制组件进行分析，设探头组件在换热管内位置的轴向坐标为z，周向角度为，所述端部热敏元件采集得到的热响应值记为，尾部热敏元件采集得到的热响应值记为，通过公式/>，其中/>，得到换热管在周向角度/>对应的热响应值为/>，其中/>；

S4：根据S3得到的热响应值，通过公式得到换热管的三维热像，所述三维热像/>与所述涡流热成像感知模块得到的换热管各个位置的热响应值相对应；

S5：设定热响应值门槛上限和下限/>，当/>时，表明缺陷位于换热管内壁区域；当/>时，表明缺陷位于换热管外壁；设定热响应梯度模门槛上限/>，换热管在位置/>的热像梯度模为其热响应值/>沿轴向z和周向/>梯度的模，其中热像梯度模计算公式为/>，当/>时，表明该位置/>处为缺陷边界。

本发明的有益效果是：

1）结构简单，操作方便，可以快速有效的发现换热管内的缺陷。将探头组件放入换热管中，通过控制组件产生高频交流电信号并通过所述控制线传导给所述涡流激励线圈组件，通过涡流激励线圈组件对换热管进行感应加热。此时通过涡流热成像感知模块采集热信号并通过控制线回传给控制组件进行分析，以此来判断出换热管内缺陷的位置和大小。

2）检测精度高，能够对换热管内全方向缺陷进行检测。立式线圈和环形线圈的组合能够对全方向缺陷均敏感，从而有利于缺陷检测和量化。同时通过旋转电机驱动摩擦轮对可以控制探头组件在换热管内匀速运动，保证对换热管加热均匀以及检测准确。

3）能够对缺陷进行定位、分类和尺寸量化，能够对换热管全覆盖可视化缺陷检测。通过设置热响应门槛和热响应梯度门槛，通过判断热响应值来判断缺陷的具体位置和边界，能够适用于不同方向、不同深度的换热管缺陷检测识别和定位量化，提高了换热管内检测的自动化和智能化程度。

附图说明

图1为本发明一种换热管涡流热成像内检装置的示意图；

图2为本发明中探头组件的示意图；

图3为本发明一种换热管涡流热成像内检测方法的工作原理图；

图4为本发明中通过设定热响应值门槛判断缺陷位置的示意图；

图5为本发明中通过设定热响应梯度模门框上限判断缺陷边边界的示意图；

图中，1-换热管、2-探头组件、201-探头壳体、202-涡流激励线圈组件、2021-立式线圈、2022-环形线圈、203-涡流热成像感知模块、2031-端部热敏元件阵列、2032-尾部热敏元件阵列、3-控制线、4-控制箱、401-控制组件、402-安装座、403-旋转电机、404-摩擦轮对、5-热产生、6-热传导、7-热反射、8-缺陷。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：

如图1-图2所示，一种换热管涡流热成像内检装置，包括探头组件2和控制箱4，所述探头组件2通过控制线3与所述控制箱4连接；

所述探头组件2包括探头壳体201和位于所述探头壳体201内的涡流激励线圈组件202、涡流热成像感知模块203；

所述控制箱4包括控制组件401、安装座402、以及位于安装座402上方的旋转电机403和位于安装座402前方的摩擦轮对404。

通过上述技术方案，将探头组件2放入换热管1中，通过控制组件401产生高频交流电信号并通过所述控制线3传导给所述涡流激励线圈组件202，通过涡流激励线圈组件202对换热管1进行感应加热。此时通过涡流热成像感知模块203采集热信号并通过控制线3回传给控制组件401进行分析，以此来判断出换热管1内缺陷8的位置和大小。本装置结构简单，操作方便，可以快速有效的发现换热管1内的缺陷8。

进一步地，所述探头壳体201的外尺寸与换热管1的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件202的外尺寸与所述探头壳体201的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件202包括环形线圈2022和立式线圈2021，所述环形线圈2022与所述立式线圈2021连通，所述立式线圈2021位于所述环形线圈2022远离所述控制线3的一端。

通过上述技术方案，当线圈和缺陷8方向垂直时，热分布畸变产生的热对比最为明显。环形线圈2022对周向缺陷8最为敏感，立式线圈2021对轴向缺陷8最为敏感，斜向缺陷8对环形线圈2022和立式线圈2021的组合敏感。而传统检测方法只使用单一的立式线圈2021或环形线圈2022进行感应加热，至少对一种走向的缺陷8不敏感，而本方案通过立式线圈2021和环形线圈2022的组合能够对全方向缺陷8均敏感，从而有利于缺陷8检测和量化。

进一步地，所述涡流热成像感知模块203包括端部热敏元件阵列2031和尾部热敏元件阵列2032，所述端部热敏元件阵列2031位于所述探头壳体201内部靠近所述立式线圈2021的一端，所述尾部热敏元件阵列2032位于所述探头壳体201内部靠近所述环形线圈2022的一端，所述端部热敏元件阵列2031和所述尾部热敏元件阵列2032分别都沿探头壳体201周向等间距排列。

通过上述技术方案，涡流激励线圈组件202产生高频交流电，在换热管1内壁表面产生涡流并在全周向上对换热管1进行感应加热，而换热管1内外壁的表面和亚表面缺陷8，会在涡流热产生5、热传导6和热反射7过程中产生热分布畸变，从而被端部热敏元件阵列2031和尾部热敏元件阵列2032组合采集到不同的热信号，并回传到控制组件401进行分析，进而可以实现对换热管1不同走向方向轴向、周向、斜向缺陷8的检测。

进一步地，所述摩擦轮对404的主动轮与所述旋转电机403连接，所述摩擦轮对404的从动轮与所述安装座402连接，所述控制线3穿过所述摩擦轮对404，所述控制线3的一端与所述控制组件401连接，所述控制线3的另一端与所述探头组件2连接。

通过上述技术方案，通过控制组件401可以控制旋转电机403的转速，使得探头组件2在换热管1中匀速前进，保证对换热管1加热均匀以及检测准确。

一种换热管1涡流热成像内检测方法，包括以下步骤：

S1：将探头组件2伸入换热管1中，通过控制组件401产生高频交流电传导给所述涡流激励线圈组件202；

S2：通过控制组件401启动旋转电机403，通过旋转电机403驱动所述摩擦轮对404的主动轮，进而带动位于所述摩擦轮对404之间的控制线3运动，使得控制线3端部的探头组件2匀速的在换热管1内移动；

S3：所述涡流热成像感知模块（203）将探头组件（2）所在位置的换热管（1）全周向的表面温度转换为热响应信号，并通过所述控制线（3）输出热响应信号到控制组件（401）进行分析，设探头组件（2）在换热管（1）内位置的轴向坐标为z，周向角度为，所述端部热敏元件阵列（2031）采集得到的热响应值记为/>，尾部热敏元件阵列（2032）采集得到的热响应值记为/>，通过公式/>，其中/>，得到换热管（1）在周向角度/>对应的热响应值为/>，其中/>；

S4：根据S3得到的热响应值，通过公式得到换热管（1）的三维热像，所述三维热像/>与所述涡流热成像感知模块（203）得到的换热管（1）各个位置的热响应值相对应；

S5：设定热响应值门槛上限和下限/>，当/>时，表明缺陷（8）位于换热管（1）内壁区域；当/>时，表明缺陷（8）位于换热管（1）外壁；设定热响应梯度模门槛上限/>，换热管（1）在位置/>的热像梯度模为其热响应值/>沿轴向z和周向/>梯度的模，其中热像梯度模计算公式为/>，当时，表明该位置/>处为缺陷边界。

通过上述技术方案，将探头组件2放入换热管1内，通过控制组件401对涡流激励线圈组件202产生高频交流电，通过涡流激励线圈组件202在换热管1内壁表面产生涡流并在全周向上对换热管1进行感应加热，然后通过尾部热敏元件阵列2032和端部热敏元件阵列2031采集到的热信号响应值相减得到换热管1在周向角度的热响应值，同时三维热像与换热管1各个位置的热响应值相对应，从而可以通过判断三维热像/>的值来判断缺陷8位置。

如图3和图4所示，当缺陷8靠近换热管1内壁时，涡流激励线圈组件202感应加热无法穿过缺陷8，此时热产生5被阻碍，热响应值较低，所以当时，表明缺陷8位于换热管1内壁区域；当缺陷8靠近换热管1外壁时，热产生5遇到缺陷8无法进行后续的热传导6，热产生5通过缺陷8产生热反射7，此时热响应值较高，所以当/>时，表明缺陷8位于换热管1外壁区域。

在判断缺陷8位置后，进一步来判断缺陷8的边界，如图5所示，设定热响应梯度模门槛上限，同时热响应梯度模/>与缺陷8尺寸正相关，当缺陷8处的时，表明该位置/>处为缺陷边界。

通过本方法实现对换热管1全覆盖可视化缺陷8检测，适用于不同方向、不同深度的换热管1缺陷8检测识别和定位量化，操作简单、检测效率高、检测精度高，提高了换热管1内检测的自动化和智能化程度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：包括探头组件（2）和控制箱（4），所述探头组件（2）通过控制线（3）与所述控制箱（4）连接；

所述探头组件（2）包括探头壳体（201）和位于所述探头壳体（201）内的涡流激励线圈组件（202）、涡流热成像感知模块（203）；

所述控制箱（4）包括控制组件（401）、安装座（402）、以及位于安装座（402）上方的旋转电机（403）和位于安装座（402）前方的摩擦轮对（404）。

2.根据权利要求1所述的换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：所述探头壳体（201）的外尺寸与换热管（1）的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件（202）的外尺寸与所述探头壳体（201）的内尺寸相适配，所述涡流激励线圈组件（202）包括环形线圈（2022）和立式线圈（2021），所述环形线圈（2022）与所述立式线圈（2021）连通，所述立式线圈（2021）位于所述环形线圈（2022）远离所述控制线（3）的一端。

3.根据权利要求2所述的换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：所述涡流热成像感知模块（203）包括端部热敏元件阵列（2031）和尾部热敏元件阵列（2032），所述端部热敏元件阵列（2031）位于所述探头壳体（201）内部靠近所述立式线圈（2021）的一端，所述尾部热敏元件阵列（2032）位于所述探头壳体（201）内部靠近所述环形线圈（2022）的一端，所述端部热敏元件阵列（2031）和所述尾部热敏元件阵列（2032）分别都沿探头壳体（201）周向等间距排列。

4.根据权利要求3所述的换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：所述摩擦轮对（404）的主动轮与所述旋转电机（403）连接，所述摩擦轮对（404）的从动轮与所述安装座（402）连接，所述控制线（3）穿过所述摩擦轮对（404），所述控制线（3）的一端与所述控制组件（401）连接，所述控制线（3）的另一端与所述探头组件（2）连接。

5.根据权利要求4所述的换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：所述控制组件（401）分别与所述旋转电机（403）和所述控制线（3）连接，所述控制组件（401）包括控制系统和电源，所述控制线（3）的内部线路分别与所述涡流激励线圈组件（202）和所述涡流热成像感知模块（203）连接，所述控制组件（401）产生高频交流电信号并通过所述控制线（3）传导给所述涡流激励线圈组件（202），所述涡流热成像感知模块（203）采集到的信号通过所述控制线（3）回传给所述控制组件（401）进行分析。

6.一种换热管涡流热成像内检测方法，包括权利要求5所述的一种换热管涡流热成像内检装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将探头组件（2）伸入换热管（1）中，通过控制组件（401）产生高频交流电传导给所述涡流激励线圈组件（202）；

S2：通过控制组件（401）启动旋转电机（403），通过旋转电机（403）驱动所述摩擦轮对（404）的主动轮，进而带动位于所述摩擦轮对（404）之间的控制线（3）运动，使得控制线（3）端部的探头组件（2）匀速的在换热管（1）内移动；

S3：所述涡流热成像感知模块（203）将探头组件（2）所在位置的换热管（1）全周向的表面温度转换为热响应信号，并通过所述控制线（3）输出热响应信号到控制组件（401）进行分析，设探头组件（2）在换热管（1）内位置的轴向坐标为z，周向角度为，所述端部热敏元件阵列（2031）采集得到的热响应值记为/>，尾部热敏元件阵列（2032）采集得到的热响应值记为/>，通过公式/>，其中，得到换热管（1）在周向角度/>对应的热响应值为/>，其中；

S4：根据S3得到的热响应值，通过公式得到换热管（1）的三维热像，所述三维热像/>与所述涡流热成像感知模块（203）得到的换热管（1）各个位置的热响应值相对应；

S5：设定热响应值门槛上限和下限/>，当/>时，表明缺陷（8）位于换热管（1）内壁区域；当/>时，表明缺陷（8）位于换热管（1）外壁；设定热响应梯度模门槛上限/>，换热管（1）在位置/>的热像梯度模为其热响应值/>沿轴向z和周向/>梯度的模，其中热像梯度模计算公式为/>，当时，表明该位置/>处为缺陷边界。