CN1208617C - 奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法及装置，涉及磁性无损检测技术领域。本发明从非磁性的奥氏体不锈钢管外部施加一个稳恒磁场，将管道内部呈强磁性的内氧化物磁化，从管道外部利用磁场敏感元件检测被磁化的氧化物产生的杂散磁场信号，并通过磁场敏感元件将其转化为电信号进行检测。实施本方法的专门检测装置，包括至少一个探头(1)和与探头连接的直流电源(4)，以及与探头相连接的输出直流电压检测仪表(5)，探头(1)中还包括一个稳恒磁场源(2)和至少一个磁场敏感元件(3)。本发明可以高灵敏、快捷、安全地对奥氏体不锈钢管道内氧化物进行无损检测。

Description

奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法及装置

技术领域：本发明涉及磁性无损检测技术领域，特别适用于对奥氏体不锈钢管道的内氧化物进行无损检测。

背景技术：电厂锅炉中的奥氏体不锈钢管道在运行过程中内壁发生氧化。由于氧化产物与钢管之间热膨胀系数的差别较大，在管道温度变化时，氧化皮会因由此产生的热应力而剥落，并在管道下弯头附近沉积下来。为了保证锅炉的正常运行，需要一种确定锅炉管道内氧化物的无损检测方法。

日本Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.Ltd.研究所的Ohtomo等人在研究报告“Magnetic Measurement of Internal Scale in Austenitic Stainless Steel Tubes”中指出：目前比较普遍采用γ射线探伤装置对锅炉管道内沉积的氧化物进行无损检测，其缺点是使用γ射线存在危险性、并且检测费用昂贵。将这种具有多用途的方法用于检测锅炉管道内氧化物时，其灵敏度低，对于数量较少的沉积氧化物难于从图象上辨认确定，尤其当管壁厚度增大时问题更突出，容易发生漏检。对于仍然附着在管壁上的内氧化物薄层、尤其是均匀的氧化皮，γ射线探伤方法几乎无法检测。同时，受到使用γ射线放射源的危害性限制，γ射线探伤检测方法影响锅炉中的其他检修工作，不利于缩短锅炉检修工期，影响电厂经济效益。

Ohtomo等人在上述研究报告中提出了一种磁性无损检测方法。该方法中施加交流磁场作用，检测管道磁导率的变化，从而对管道内氧化物堆积情况进行判断。这种检测方法中，采用交流磁场进行磁化，无磁管道壁因电磁感应而产生涡流，使该交流磁化场以及管内氧化物的感应磁信号都发生衰减；另一方面，交流磁场的幅值强度低，磁场穿透深度小，在检测厚管壁的管道时检测信号弱，影响检测的灵敏度。此外，检测装置的输入-输出均为交流信号，其输出信号为微安级的电流，因而检测装置的信号处理系统比较复杂，检测信号还比较容易受到干扰。检测装置的能量损耗也比较大。

发明内容：本发明提出了针对奥氏体不锈钢管道内氧化物的一种磁性无损检测方法和相应的磁性无损检测装置，利用奥氏体不锈钢管外部稳恒磁场对管内氧化物的磁化来完成对奥氏体不锈钢管道内氧化物的高灵敏、快捷、安全无损检测，并且与其他检修工作没有相互干扰。

本发明从非磁性的奥氏体不锈钢管外部施加一个稳恒磁场，将管道内部呈强磁性的内氧化物磁化，从管道外部利用磁场敏感元件检测被磁化的氧化物产生的杂散磁场信号，并通过磁场敏感元件将其转化为电信号进行检测。该输出信号对没有氧化物的管道检测时获得一个基本输出信号V₀，管道内存在氧化物时得到输出信号V，由这两个信号的差值，检测管道内氧化物的存在。按照检测时外部磁场的磁极与被检测管道的相对位置关系，稳恒磁场有两种布置方式。一种方式是N极和S极中只有一个磁极贴靠到受检测管道外壁上，另一个磁极远离管壁的单磁极方式；另一种是使其N极和S极两个磁极都贴靠到受检测管道外壁上去的双磁极方式。

利用本发明方法构造的检测装置包括：至少一个探头1，当探头1数量大于、等于2个时，其中一个探头1作为检测探头，其余探头1作为参比探头；一个与探头1连接的直流电源4，以及一个与探头1相连接的输出直流电压检测仪表5。本发明的探头1中包括一个稳恒磁场源2和至少一个磁场敏感元件3。

本发明的检测装置中，探头1的稳恒磁场源2优先使用永磁体，也可以用带铁心的线圈来替代，后一种情况中进行检测时线圈中通入直流电流。永磁体优先选用高磁能积的硬磁材料，如NdFeB永磁体或者Sm-Co类型的永磁体，也可以选用Alnico磁体、永磁铁氧体或其它永磁材料。在单磁极方式下，永磁体以长条柱形为佳，其纵向长度最好大于其横向尺度，而横截面以圆形、正方形或矩形为佳，也可以是其它的任何形状。该永磁体沿着其长轴方向充磁磁化。在双磁极方式下，永磁体可以呈U形构成外部磁路。此时，永磁体可以是整体的，也可以由几块拼接起来，尤其是使用磁性能为各向异性的永磁体时，一般需要进行拼接。此时在弯角部位还可以采用软磁材料进行过渡，或者在某些区段中用软磁材料替代永磁材料。其中，所选用软磁材料的饱和磁感应强度最好不低于所选用的永磁材料。但原则上可以使用所有的软磁材料，或者具有较高饱和磁感应强度的其他材料。这里，永磁体要预先充磁磁化，并且在使用多块永磁体时，它们的磁通朝向统一的方向排列起来。

本发明的探头1中的磁场敏感元件3优先选用霍尔元件。在探头1中，霍尔元件相对于稳恒磁场源2的磁极位置完全被固定下来。在霍尔元件与管壁之间留有少量间隙。可以将霍尔元件居中安置在稳恒磁场源2上靠近管壁的磁极面的正上方，并将霍尔元件的磁敏感面正对着磁极面。也可以将其安置于稳恒磁场源2靠近管壁的磁极的附近区域中。霍尔元件的磁敏感面可以选择正对着管内氧化物磁化后产生的杂散磁场的方向，使得霍尔元件的磁敏感面的法向与杂散磁场的方向平行，也可以将霍尔元件取其他方向安置。在双磁极方式下，霍尔元件可以相对于其中任何一个磁极按照单磁极方式中的情况进行安置，还可以安置于U形永磁体的两个磁极之间的中心位置上，其磁敏感面的法向取平行于外管壁切向的方向，安置于贴近管道外壁的位置上。

本发明的另一种检测装置中，使用另一个相同的探头1作为参比探头，与检测探头1组成一个组合探头。将这两个探头1中的两个霍尔元件的输出端负极连接起来，将它们的两个输出端正极连接到检测仪表5上，并且将两个霍尔元件连接到同一个直流电源4上。

本发明的另一种检测装置的实施方式为，单磁极方式的一个检测探头1中配备两个同型号的霍尔元件，它们分别被安置于永磁体的两个异性磁极周围的磁场强度大小相同的位置上，将这两个霍尔元件以类似于上述组合探头中霍尔元件的方式连接起来，并连接到同一个直流电源4上。

霍尔元件的电源输入端子和霍尔电压输出端子通过柔性接线6分别与直流电源4和输出直流电压检测仪表5相连接。使用无磁的金属铝、铜及其它合金、或者通过喷塑制成稳恒磁场源2和霍尔元件及其接线的外部保护壳。可以采用各种方法，比如用各种无磁性的粘结剂、尤其是常温下易于固化的各种有机粘接剂进行粘结，使稳恒磁场源2、霍尔元件的位置固定下来，特别使这二者之间的相对位置保持不变。

外部直流电源4可以选用普通电池、可充电电池或其他各种恒压直流电源。输出直流电压检测仪表5可以选用各种型号的直流电压检测仪表，优先选用通用的便携式数字化检测仪表，其检测精度应当达到毫伏级。

本发明的优点在于：

(1)利用本发明的检测方法与检测装置，对奥氏体不锈钢管道中已经剥落下来而沉积于弯头附近的内氧化物进行无损检测时，安全、可靠、灵敏度高。本发明的检测方法和检测装置中，使用稳恒磁场来诱发直流输出电压信号，磁场强度、电源电压以及输出信号都处于安全范围内；由于检测装置中的霍尔元件对磁场非常敏感，尤其通过两个探头的组合，或者在一个检测探头中安置两个霍尔元件，消除了背底信号，获得只与杂散磁场相关的差动输出霍尔电压，提高了信噪比，使检测装置达到很高的灵敏度，可以检测到数量很少的沉积氧化物、以及诸如壁厚在100mm以上的厚壁管道中的内氧化物。

(2)利用本发明的检测方法与检测装置，同时还可以对仍附着于管壁上的均匀或者不均匀分布的内氧化皮进行无损检测。因为这种形态的内氧化物，受到外部稳恒磁场作用时，可以完全类似于已经剥落沉积下来的氧化物那样被磁化而产生杂散磁场，得益于本发明的检测装置中霍尔元件的高灵敏度，可以利用本发明的方法和装置对附着于管壁上的内氧化皮进行检测。本发明的检测方法和检测装置，工作时无需对检测管道外部进行特殊清理，只要保证没有强磁性物质即可，并且允许检测探头与管道外壁之间有空隙，对检测信号影响小。因而对工作环境要求宽松，大幅度提高检测效率。

(3)本发明的检测装置特别适合于空间狭窄的锅炉等现场中应用。原因是检测装置的检测探头与检测装置的其他部分分割开来，彼此间通过柔性导线连接，检测时，只有检测装置中的检测探头贴靠到钢管外壁上去。而检测探头选用高性能的永磁体作为磁场、以及体积很小的霍尔元件，因此结构紧凑、体积小。

(4)本发明的检测装置可检测壁厚很大的管道中的内氧化物。除了本发明装置的高灵敏度外，还因为进行磁化的稳恒磁场强度很高，可达数千奥斯特；以及采用稳恒磁场进行磁化，相应的杂散磁场信号也是稳恒的，避免了管壁的损耗衰减作用。

(5)本发明的检测装置的输出信号稳定性好、抗干扰性强。这是因为本发明的检测装置采用高强度的稳恒磁场诱导输出信号，源自霍尔元件的输出电压信号为直流信号，检测探头的输出直流电压通常在几毫伏直至上千毫伏之间。这样的输出信号，具有良好的稳定性和抗干扰性。利用本发明的方法及装置进行检测工作时，可同时进行其他检修工作，无相互干扰。

(6)本发明的检测装置的功率损耗可以非常低。因为在比较简单的检测装置中，包括霍尔元件和输出直流电压检测仪表在内的所有元器件都是低功率损耗的负载。因此，本发明的检测装置特别适用于电厂锅炉管道检测这种电源条件受到限制的场合中。

(7)本发明的检测装置检测效率高。由于管道内氧化物的磁化过程以及霍尔元件的输出反应速度都非常快，只要使检测探头从任何一侧接触到管道外壁上就可以立即获得检测数据。

(8)本发明的检测装置检测操作简单。只要完成正确的连接，接通电源即可使用，操作人员无需任何特殊培训即可正确使用。

(9)利用本发明的检测方法和检测装置对管道内氧化物进行判别简单易行，这是因为检测获得的结果为数值化的定量数据。

此外，本发明的检测方法与装置，不仅可以用来对奥氏体不锈钢管道中的磁性内氧化物进行检测，也可以检测其它来源的磁性异物，它还适用于对无磁容器中的任何磁性物质进行无损检测，尤其适用于探测那些壁厚不很大的容器中处于比较靠近内壁位置上、在不很强的磁场下就会被磁化而显示比较高的磁化强度的物质的存在与否。

附图说明：

图1：本发明的单磁极方式检测原理示意图

图2：本发明的双磁极方式检测原理示意图

图3：本发明的单磁极方式检测装置的一种实施例示意图

图4：本发明的双磁极方式检测装置中探头的实施例示意图

图5：本发明的单磁极方式检测装置中探头的另一个实施例示意图

图6：对来自图3和4所示的两个探头的、以及来自图5所示的一个探头中的两个霍尔元件进行连接形成差动输出电压信号时的线路连接示意图

具体实施方式：

图1所示为本发明的单磁极方式检测装置的工作原理示意图。在奥氏体不锈钢管P外面放置一块已经磁化过的永磁体，它在自身周围建立起一个磁场H₁，图1中用实线示意性给出的该磁场H₁的磁通线在局部区域中的分布情况。它不受非磁性的奥氏体不锈钢的影响，穿过管壁P进入内部。非磁性的奥氏体不锈钢发生氧化而形成的氧化物O为亚铁磁性的铁氧体，矫顽力不高，呈软磁性。如果管内存在这样的内氧化物，就会受该磁场作用而被磁化。其结果是在其周围建立起所谓的杂散磁场H₂，其部分区域中的磁通线用虚线示出。该杂散磁场H₂同样穿过无磁的奥氏体不锈钢管壁P。此时，管道外部的磁场H，等于外部磁场与杂散磁场的合成磁场，为H＝H₁+H₂。利用霍尔效应可以由霍尔元件对该磁场进行定量测量。如果管道中没有磁性异物，则杂散磁场H₂为零，输出的霍尔电压信号V₀只与永磁体的磁场H₁有关。通过固定霍尔元件与永磁体之间的相对位置关系，可以使V₀保持恒定，为基本输出信号V₀。而当管道中存在磁性异物时，则杂散磁场H₂不再为零，此时，霍尔元件输出的霍尔电压信号V，同时与永磁体的磁场H₁和杂散磁场H₂有关。该电压与基本输出信号之差(V-V₀)，正比于霍尔元件所在点上的杂散磁场H₂，而且确切地讲，正比于该点上杂散磁场H₂在霍尔元件的磁敏感面法线上的分量。一般情况下，如图1中用A、B标示的位置中，杂散磁场H₂与永磁体的磁场H₁在霍尔元件上产生的霍尔电压的极性是相同的，因此，管内存在磁性物质，会使霍尔元件的输出电压增强，即V＞V₀。

杂散磁场H₂的强度与管道中磁性物质的数量成正比，而霍尔元件的输出电压又正比于测量点上的磁场的强度，因此，霍尔元件的输出电压信号的强度，不仅能提供奥氏体不锈钢管是否有内氧化物，还能在一定程度上定量反映出内氧化物的多少。

图2所示为另一种外磁场的方式及配套的检测方法。为简单起见，这里所有与图1相同或相似之处，采用同样代号表示，不再予以解释。与图1不同之处在于，这里的永磁体呈U形，其两个异性磁极均贴靠到管壁上，检测霍尔元件处于U形内部开口的中间部位上，检测的磁场为其沿着管道外壁切向上的分量。这种情况下，管道中存在强磁性的内氧化物时，霍尔元件输出电压的变化，既可以如图1中那样，理解为氧化物发生磁化-建立杂散磁场H₂所致，如图2中所示，也可以理解为软磁性的管道内氧化物因具有良好的导磁性，使得原来跨越U形磁铁的两个磁极之间的磁通线部分地分流，经过管道内氧化物的“旁路”形成闭合回路。其效果是：管道中存在磁性内氧化物时，降低了霍尔元件处的磁场强度或磁通密度，从而降低了元件的霍尔电压。这种输出电压信号的变化趋势与图1中的布置正好相反。

图3中给出了根据图1所示的本发明的工作原理构造的一种简单的检测装置实施例。该检测装置包括一个检测探头1，一个外接直流电源4及一个直流电压检测仪表5。检测探头1通过导线6与外接电源4和直流电压检测仪表5相连接。

检测探头1中的霍尔元件为一个扁平状的正方形块，它被安放于永磁体的任何一个磁极的端面上，其中心基本上与磁体端面的中心点相重合。霍尔元件的扁平磁敏感面基本垂直于永磁体的纵向轴线安置。永磁体和霍尔元件通过粘结等方法进行位置固定。

使用无磁的金属或合金、或者通过喷塑制成外部保护壳，将永磁体、霍尔元件及必要的连接线封闭在内部，形成保护外套。其外形可以基本上与永磁体相似，最好为柱体。

通过导线与霍尔元件的电源连接端子相连接的外部直流电源4，要满足该霍尔元件对电源的要求。直流电源4可以选用普通电池、充电电池，或者采用直流稳压电源。输出信号检测仪表5为通用的便携式直流电压表，其直流电压的最大量程为10V，最高分辨率为1mV，也可以选用其他分辨率在毫伏级的直流电压检测仪表。

为了在现场工作时测量操作简便，最好使检测探头1作为一个独立部分，将它与直流电源4及电压检测仪表5分开组装，保持检测探头1结构紧凑、体积小、轻便，便于贴靠到检测管道外壁的各部位上去。不过，如果检测工作现场情况比较简单，使得检测探头1的体积、移动的灵巧轻便特性不再很重要，也可以考虑将检测探头1与电源4和检测仪表5部分地、或者全部地组装在一起，其中，要使它们的相对位置完全固定下来，避免由于这种相对位置的变化干扰检测结果。

也可以将此霍尔元件安置于明显偏离磁体的端面中心点的位置A或B处。甚至脱开永磁体的端面而处于其附近的周边位置上，如图1中的位置C或D。此时，霍尔元件的磁敏感面的法线方向偏离了永磁体的磁场方向。其中较佳的位置D上，磁敏感面的法线方向接近杂散磁场的磁通线在该处的方向，又几乎垂直于永磁体磁场的方向，这样可以减小永磁体磁场的作用，提高霍尔元件的对内氧化物的敏感度。此时，外壳构件的形状尺寸则要相应地改变，尽量保持其结构紧凑性。以便贴靠到间隙比较狭小的管道壁上去，并保证永磁体的磁化方向尽量处于管道的径向上。

图4所示为双磁极方式下的一个检测装置中的检测探头1的剖面图。其中，永磁体呈U形，检测时它的两个异号磁极都贴靠到管道壁上去。在该U形磁体的缺口中心位置附近安置着霍尔元件，来检测磁场在管道圆周方向上的分量。该探头1同样要为霍尔元件连接工作电源线和输出信号连接线，以便与如上所述的外部直流电源4和电压检测仪表5相连接。这里，永磁体和霍尔元件被固定密封于一个非磁性的金属壳体的相应槽缝中，并在前后两面封装起来。而在与管道外壁接触的位置上，开出形状适当的凹槽与管道的弯曲相配合，以便永磁体的两个磁极尽量同时接近管道外壁。也可以考虑将永磁体和霍尔元件进行喷塑处理，在实现它们的相对位置固定的同时，保持检测探头1体积小巧从而易于挨靠到测量现场的管道壁上，且便于手持。这里，U形磁体可以由三段拼接而成，而且其中的某些区段也可以用软磁性的材料替代。但是与管道相接触的部分最好是永磁材料。

图5所示为检测装置中探头1的另一个实施例。其中，两个同型号的霍尔元件，分别被安置于长条状永磁体的两个异性磁极端面上“对称”的位置上。通过图6所示的连接方式，将这两个霍尔元件各自的霍尔电压的差动电位作为检测探头1的输出信号，消除掉它们各自的基本输出信号V₀所形成的背底信号。在检测位置上，这两个霍尔元件与管道壁距离不同，其中的一个霍尔元件尽量靠近被检测管壁，而另一个元件则尽量远离管壁。管道中的磁性内氧化物被上述永磁体磁化所产生的杂散磁场，在两个霍尔元件处存在明显差别，因此破坏了它们的输出端电压的原平衡态，形成一个差动电位作为检测探头1的输出信号。这种差动输出方式提高了检测装置的灵敏度。

图6给出了图5中检测探头1的两个霍尔元件的输出端连接方法。其中11、21为两个霍尔元件的电源正极接线端子，12、22两个接线端子为电源输入的负极和输出电压信号的负极，连接在一起为公用接地端，13、23为两个霍尔元件的电压信号输出正极，这两个正极连接到检测仪表5上。霍尔元件上的两个点代表元件的商标面。在图6所示的安置状况下，可以保证探头1中两个霍尔元件的基本输出互相抵消，从而使检测探头1的输出为它们各自的霍尔电压的差动电压信号。

也可以利用图3或图4中所示的检测探头1与另一个相同的参比探头1来实现图6所示的输出连接，从而组成一个与图5所示检测探头1等效的组合探头。使用这样的组合探头测量时，应使检测探头1贴靠到受检测的管壁上，而注意使参比探头1远离任何磁性物质。可以将组合探头中的参比探头1与检测探头1分割开来，通过柔性导线连接，由此保证检测探头1紧凑、体积小的特点。

Claims (8)

1、一种奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法，在管外施加磁场，其特征在于，非磁性的奥氏体不锈钢管外部磁场为稳恒的强磁场，将管道内氧化物磁化，从管道外部利用磁场敏感元件检测被磁化的氧化物产生的杂散磁场信号，并将其转化为电输出信号，该输出信号对没有氧化物的管道检测时获得一个基本输出信号V₀，管道内存在氧化物时得到输出信号V，由这两个信号的差值，检测管道内氧化物的存在。

2、如权利要求1所述的奥氏体不锈钢管内氧化物的磁性无损检测方法，其特征在于，按照检测时外部磁场的磁极与被检测管道的相对位置关系，稳恒磁场的布置方式是N极和S极中只有一个磁极贴靠到受检测管道外壁上，另一个磁极远离管壁的单磁极方式，或是使其N极和S极两个磁极都贴靠到受检测管道外壁上的双磁极方式。

3、为实施权利要求1所述方法的检测装置，其特征在于，包括至少一个探头(1)，探头(1)的数量大于或等于2个时，其中一个探头(1)作为检测探头，其余探头(1)作为参比探头；一个与探头(1)连接的直流电源(4)，以及一个与探头(1)相连接的输出直流电压检测仪表(5)，探头(1)中包括一个稳恒磁场源(2)和至少一个磁场敏感元件(3)，磁场敏感元件(3)选用霍尔元件。

4、如权利要求3所述的检测装置，其特征在于，探头(1)的稳恒磁场源(2)使用永磁体，在单磁极方式下，永磁体呈长条柱形，在双磁极方式下，永磁体呈U形。

5、如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，在单磁极方式下，将霍尔元件居中安置在稳恒磁场源(2)上靠近管壁的磁极面的正上方，并将霍尔元件的磁敏感面正对着磁极面，也可以将其安置于稳恒磁场源(2)靠近管壁的磁极的附近区域中，霍尔元件的磁敏感面选择正对着管内氧化物磁化后产生的杂散磁场的方向。

6、如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，在双磁极方式下，霍尔元件安置于U形永磁体的两个磁极之间的中心位置上，其磁敏感面的法向取平行于外管壁切向的方向，安置于贴近管道外壁的位置上。

7、如权利要求4、6所述的检测装置，其特征在于，在双磁极方式下，具有一个检测探头(1)与一个相同的参比探头(1)，其中检测探头(1)中的霍尔元件与参比探头(1)中的霍尔元件连接到同一个直流电源(4)上，将这两个霍尔元件的霍尔电压输出端的负极(12)、(22)连接起来，并将它们的两个正极(13)、(23)连接到检测仪表(5)。

8、如权利要求4、5所述的检测装置，其特征在于，单磁极方式的一个检测探头(1)中配备两个同型号的霍尔元件，它们分别被安置于永磁体的两个异性磁极周围的磁场强度大小相同的位置上，这两个霍尔元件连接到同一个直流电源(4)上，将它们的电压输出端的负极(12)、(22)连接起来，并将它们的正极(13)、(23)连接到检测仪表(5)。

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