程?hào)|岳

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020)

?

電磁超聲高溫測(cè)厚技術(shù)在導(dǎo)熱油爐能效測(cè)試中的應(yīng)用

程?hào)|岳

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020)

在不切斷工藝管道的條件下，對(duì)導(dǎo)熱油爐進(jìn)行能效測(cè)試的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量高溫導(dǎo)熱油的循環(huán)流量，而循環(huán)流量測(cè)試的難點(diǎn)之一是高溫管道實(shí)際壁厚的測(cè)量。本文介紹了一種基于磁致伸縮效應(yīng)的電磁超聲(EMAT)測(cè)厚技術(shù)，檢測(cè)過(guò)程無(wú)需使用耦合劑，且支持非接觸檢測(cè)，能夠?qū)\(yùn)行中的高溫管道進(jìn)行壁厚測(cè)量。文章結(jié)合高溫導(dǎo)熱油循環(huán)母管的測(cè)厚應(yīng)用實(shí)例，對(duì)電磁超聲測(cè)厚技術(shù)的原理、特點(diǎn)等進(jìn)行闡述，分析總結(jié)了利用電磁超聲測(cè)厚的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

電磁超聲；高溫測(cè)厚；能效測(cè)試

0 引言

導(dǎo)熱油爐具有工作壓力低、熱傳導(dǎo)效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于石化、紡織、印染和橡膠等行業(yè)。鍋爐熱效率是衡量鍋爐能否高效運(yùn)行的主要指標(biāo)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)鍋爐熱效率的要求也不斷提高，《特種設(shè)備安全法》明確對(duì)鍋爐節(jié)能提出了要求。而在能效測(cè)試時(shí)，由于導(dǎo)熱油介質(zhì)溫度較高，循環(huán)母管實(shí)際壁厚的測(cè)量始終是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，采用常規(guī)測(cè)量方法往往存在可操作性差、結(jié)果誤差大，甚至無(wú)法測(cè)量等一系列問(wèn)題。本文采用電磁超聲技術(shù)對(duì)高溫管道進(jìn)行壁厚測(cè)量，操作簡(jiǎn)便且無(wú)需使用耦合劑，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了測(cè)量方法的可靠性。

1 能效測(cè)試中壁厚測(cè)量存在的問(wèn)題

在進(jìn)行能效測(cè)試時(shí)，由于循環(huán)母管溫度達(dá)280℃以上，采用高溫流量檢測(cè)儀進(jìn)行流量在線測(cè)試時(shí)，必須對(duì)管道實(shí)際壁厚進(jìn)行測(cè)量，才能準(zhǔn)確進(jìn)行循環(huán)流量測(cè)試。在實(shí)際測(cè)厚過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

1)采用傳統(tǒng)壓電超聲高溫測(cè)厚儀僅能測(cè)量280℃以內(nèi)管道壁厚，當(dāng)超過(guò)280℃時(shí)測(cè)量結(jié)果誤差變大，甚至無(wú)法正確顯示讀數(shù)；

2)由于傳統(tǒng)壓電超聲高溫測(cè)厚儀需要使用耦合劑，耦合劑的性能對(duì)測(cè)厚影響較大，隨著溫度的升高，導(dǎo)致探頭與管道耦合不良，使儀器讀數(shù)不穩(wěn)定；

3)傳統(tǒng)壓電超聲高溫測(cè)厚儀對(duì)管道表面粗糙度要求較高，需要對(duì)高溫管道表面進(jìn)行打磨除銹后才能進(jìn)行測(cè)厚，耗費(fèi)人力較大且檢測(cè)效率低。

4)非接觸空氣耦合超聲技術(shù)受空氣與檢測(cè)對(duì)象之間巨大的特性聲阻抗差影響，尚無(wú)法應(yīng)用到金屬及高密度氧化物的檢測(cè)中，目前僅在復(fù)合材料中應(yīng)用廣泛。

2 電磁超聲高溫測(cè)厚技術(shù)原理

電磁超聲測(cè)厚的基本原理是利用電磁效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生聲波，在通電線圈外附加永久磁體，通過(guò)改變線圈與磁體的結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生不同模式和類型的聲波(如圖1所示)；電磁超聲探頭由線圈和磁體構(gòu)成，測(cè)量時(shí)將探頭置于被測(cè)工件表面，對(duì)探頭內(nèi)的線圈通以交變電流，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，此時(shí)感應(yīng)出渦流并分布于工件表面；若在線圈上再增加一個(gè)垂直于被測(cè)工件表面的磁場(chǎng)B，將會(huì)在工件內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力FL，使其內(nèi)部自由電子開(kāi)始高速運(yùn)動(dòng)，并與晶格離子發(fā)生碰撞，引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波；另外，外加磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)共同作用同樣會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮力FM，也能產(chǎn)生超聲波；聲波向下傳播遇到工件底面后被反射回來(lái)，回波在磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流并被線圈接收，接收到的微弱信號(hào)經(jīng)由前置放大器放大后，可以用示波器進(jìn)行觀察，通過(guò)計(jì)算超聲波在工件上下表面間的傳播時(shí)間，即可換算得到工件厚度[1]。

圖1 電磁超聲測(cè)厚技術(shù)原理

聲波在不同溫度的材料中，傳播速度會(huì)隨著材料的溫度變化而變化，即使是同種材料在不同的溫度下，其聲速值也會(huì)發(fā)生變化，因此電磁超聲在高溫測(cè)厚時(shí)需要通過(guò)溫度差進(jìn)行聲速補(bǔ)償計(jì)算，其補(bǔ)償后聲速近似計(jì)算公式為：

(1)

式中：Vtwo為材料溫度變化后聲速值；V0為材料起始參考溫度下聲速值；Ttwo為材料溫度變化后溫度值；T0為材料起始參考溫度值。

3 電磁超聲測(cè)厚技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

隨著科技的進(jìn)步，電磁超聲的換能效率得到了提高，換能器的體積也逐漸減小，目前已經(jīng)克服了在被檢工件內(nèi)激發(fā)信號(hào)弱的問(wèn)題，在缺陷檢測(cè)、高溫測(cè)厚等領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。電磁超聲靠電磁效應(yīng)激發(fā)和接收超聲波，能量轉(zhuǎn)換在被檢工件內(nèi)直接進(jìn)行，不需要耦合介質(zhì)進(jìn)行耦合，而傳統(tǒng)的壓電超聲能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在壓電晶片上，聲波進(jìn)入被檢工件需要耦合劑耦合。這種在工件內(nèi)部激發(fā)超聲波的電磁超聲測(cè)厚技術(shù)具有無(wú)需耦合劑、不受表面條件限制、支持非接觸檢測(cè)、適合高溫環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，最高測(cè)厚溫度可達(dá)800℃，測(cè)量精度達(dá)到0.01mm，解決了導(dǎo)熱油爐高溫管道實(shí)際壁厚的測(cè)量難點(diǎn)。

4 高溫測(cè)厚應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某印染企業(yè)導(dǎo)熱油爐進(jìn)行能效測(cè)試，設(shè)計(jì)壓力1.1MPa，最高工作溫度350℃，管道規(guī)格為273.0mm×10.0mm，采用礦物導(dǎo)熱油作為熱載體。通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)得管道壁溫為323℃，對(duì)管道進(jìn)行打磨除銹后，采用MMX-6型高溫測(cè)厚儀(采用常規(guī)壓電超聲探頭)進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)厚儀顯示異常無(wú)法讀數(shù)，而采用Powerbox-H型電磁超聲測(cè)厚儀對(duì)同一管道進(jìn)行測(cè)厚時(shí)，檢驗(yàn)所得掃描信號(hào)完好，回波清晰可見(jiàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，通過(guò)檢測(cè)該高溫管道實(shí)際壁厚為9.80mm?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖2所示。圖2(a)顯示為管道的壁溫實(shí)測(cè)值；圖2(b)為高溫管道電磁超聲測(cè)厚儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚。

圖2 高溫管道電磁超聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁超聲高溫測(cè)厚技術(shù)是一種較為先進(jìn)而又實(shí)用的壁厚測(cè)量方法，可廣泛應(yīng)用于鍋爐能效測(cè)試、石化裝置RBI(基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù))風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域。我院已成功將電磁超聲技術(shù)多次運(yùn)用到導(dǎo)熱油爐的能效測(cè)試中，取得了良好的測(cè)試效果，相信這項(xiàng)技術(shù)將在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 康宜華，涂君，楊蕓，等.一種簡(jiǎn)便的電磁超聲測(cè)厚實(shí)現(xiàn)方法探究[J].自動(dòng)化儀表，2012，33(10)：83-86

[2] 李爽，曹暉，鄭志受，等.管壁缺陷的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].計(jì)量技術(shù)，2010(5)：19-22

[3] 朱明，袁易全.一種新穎高溫超聲測(cè)厚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究(Ⅱ)—測(cè)控系統(tǒng)與信號(hào)處理技術(shù)[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2001,22(3)：211-218

[4] 鐘定文.鐵磁學(xué)(中冊(cè))[M].北京：科學(xué)出版社，2000

[5] 姚君，范宏，賈慧明.電磁超聲表面波聲場(chǎng)指向性的試驗(yàn)研究[J].鋼鐵，2005，40(1)：55-57

[6] 雷華明，闕沛文.電磁超聲換能器的阻抗測(cè)試方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(1)：15-16

[7] 朱紅秀，吳淼，劉卓然.電磁超聲傳感器機(jī)理的理論研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2005，22(5)：231-234

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.05