杜正聰，辛　強(qiáng)，王　軍

高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)性能分析與改進(jìn)算法研究

杜正聰1，辛強(qiáng)2，王軍1

（1.攀枝花學(xué)院，四川攀枝花617000；2.民航新疆空管局，新疆烏魯木齊830016）

針對(duì)沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度相對(duì)較低的問(wèn)題，分析其影響因素，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。通過(guò)改進(jìn)重復(fù)反射法提高反射時(shí)間的識(shí)別準(zhǔn)確度，通過(guò)多點(diǎn)激振/多通道激振消減周邊環(huán)境噪聲的影響，通過(guò)CDP重合法和NMO修正提高沖擊彈性波波速的識(shí)別準(zhǔn)確度。利用改進(jìn)方法對(duì)高爐進(jìn)行測(cè)試，其有效性得以驗(yàn)證。

高爐；厚度檢測(cè)；沖擊彈性波；正常時(shí)差

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.027

0　引言

沖擊彈性波法是一種基于瞬態(tài)應(yīng)力波的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，廣泛用于國(guó)內(nèi)外混凝土建筑物結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)［1-2］。沖擊彈性波具有波長(zhǎng)較長(zhǎng)、頻率響應(yīng)特性好等特點(diǎn)，被引入高爐爐襯厚度檢測(cè)，取得了積極的進(jìn)展。沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)兼顧了測(cè)試成本和測(cè)試準(zhǔn)確度，不需要在高爐爐襯預(yù)先置入大量測(cè)桿，降低了生產(chǎn)成本，其測(cè)試精度較好，但較之于電阻法、電容法等侵入式檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確度仍較低［3］。沖擊彈性波法在高爐爐襯厚度檢測(cè)中應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)一步研究。為了更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高爐爐襯厚度和指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)，提高沖擊彈性波測(cè)試準(zhǔn)確度顯得尤為重要。在相關(guān)文獻(xiàn)［4-8］的研究基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度影響因素，及對(duì)應(yīng)改進(jìn)策略，對(duì)高爐進(jìn)行了測(cè)試，準(zhǔn)確度得到較好的提高，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。沖擊彈性波高爐爐襯厚度檢測(cè)準(zhǔn)確度會(huì)受到多種因素的影響，其中主要因素有3個(gè)，包括準(zhǔn)確測(cè)定沖擊彈性波波速、精確獲取沖擊彈性波反射時(shí)間以及降低周邊環(huán)境噪聲的影響。

圖1　彈性介質(zhì)中P波速度測(cè)定示意圖（單面）

圖2　彈性介質(zhì)中P波速度測(cè)定示意圖（雙面）

1　沖擊彈性波法高爐爐襯厚度測(cè)試準(zhǔn)確度影響因素分析

1.1沖擊彈性波速的確定

不同介質(zhì)中彈性波波速的測(cè)定對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度至關(guān)重要，某介質(zhì)中沖擊彈性波波速測(cè)定示意圖如圖1和圖2所示。當(dāng)彈性介質(zhì)僅具有一個(gè)可測(cè)面時(shí)，可通過(guò)圖1所示方法確定沖擊彈性波速Vp。設(shè)兩傳感器（檢波器）之間的距離為L(zhǎng)，在兩傳感器連線延長(zhǎng)線上，使用擊振錘（產(chǎn)生沖擊彈性波）敲擊彈性介質(zhì)表面，根據(jù)兩傳感器測(cè)得的沖擊彈性波P波信號(hào)首波的時(shí)間差Δt，計(jì)算沖擊彈性波速Vp：

當(dāng)彈性介質(zhì)中具有兩個(gè)可測(cè)面時(shí)可采用圖2所示的測(cè)試方法。在彈性介質(zhì)的一側(cè)使用帶有檢波器的激振錘產(chǎn)生沖擊彈性波，在另一相對(duì)側(cè)安裝傳感器以接收彈性波信號(hào)。設(shè)兩傳感器測(cè)得的P波信號(hào)首波時(shí)間間隔為Δt，P波從敲擊一側(cè)到另一側(cè)的傳播時(shí)間為t，彈性介質(zhì)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則沖擊彈性波速的計(jì)算公式如式（2）所示。圖3為兩傳感器P波信號(hào)首波時(shí)間間隔測(cè)定示意圖。

圖3　兩傳感器P波信號(hào)首波時(shí)間間隔測(cè)定示意圖

在沖擊彈性波高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)中，沖擊彈性波的傳播速度主要采用的是縱波（P波）的傳播速度。由于高爐爐壁主要由爐殼和磚襯（碳磚）組成，其彈性波速有較大的差異。一般來(lái)說(shuō)，鋼質(zhì)爐壁的彈性波P波波速約為5 500m/s，碳磚的P波波速則在2000～2500m/s。由于磚襯也是復(fù)合材料，而且檢測(cè)通常在熱態(tài)檢測(cè)時(shí)進(jìn)行。因此，如何合理地確定計(jì)算波速則顯得尤為重要。

1.2沖擊彈性波反射時(shí)間的確定

反射時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)提高高爐爐襯厚度測(cè)試準(zhǔn)確度至關(guān)重要。當(dāng)面積較大、壁厚較薄時(shí)，采用重復(fù)反射法是一種有效的手段。隨著墻厚度的增加，反射信號(hào)逐步變?nèi)?、有效次?shù)逐漸減少。同時(shí)，激振信號(hào)與反射信號(hào)開(kāi)始分離，使得分辨反射信號(hào)成為可能的同時(shí)，頻譜分析的準(zhǔn)確度有所降低。需要指出的是，高爐的爐襯（包括爐殼和磚襯）厚度變化較大。當(dāng)有侵蝕時(shí)，最小厚度可能低于0.3m；而在爐缸位置，爐襯的厚度可能超過(guò)2m。

1.3周邊環(huán)境因素對(duì)測(cè)試的影響

在爐缸、爐腹等容易產(chǎn)生破損的地方，一般存在有鐵口、渣口、風(fēng)機(jī)口等設(shè)施。激振產(chǎn)生的彈性波在這些設(shè)施的邊界也會(huì)產(chǎn)生反射，該反射波通常以表面波為主，對(duì)壁厚的測(cè)試有不可忽略的影響。

2　提高沖擊彈性波高爐爐襯厚度測(cè)試準(zhǔn)確度的方法

針對(duì)上述影響因素，提高壁厚測(cè)試準(zhǔn)確度的方法主要有3點(diǎn)，即提高反射時(shí)間的識(shí)別精度和沖擊彈性波波速的準(zhǔn)確度，以及減少周?chē)h(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試的影響。

2.1重復(fù)反射法的改良

對(duì)于激振信號(hào)與反射信號(hào)開(kāi)始分離（通常出現(xiàn)在壁厚超過(guò)P波波長(zhǎng)）的情形，F(xiàn)FT頻譜呈等差分布，即具有倍頻關(guān)系，其相鄰峰值間隔Δf即為反射信號(hào)的頻差。因此，墻體的厚度H可按下式計(jì)算：

式中：Δf——幅頻曲線上相鄰諧振峰之間的頻差；

Vp——沖擊彈性波P波波速。

圖4　多點(diǎn)激振/多通道采集測(cè)試示意圖

2.2多點(diǎn)激振/多通道采集

為消減周?chē)吔绲挠绊?，采用多點(diǎn)激振或多通道采集是一種有效的方法。如圖4所示，在傳感器的左右兩側(cè)分別激振時(shí)，從左面邊界反射過(guò)來(lái)的表面波到達(dá)傳感器時(shí)，其波形信號(hào)之間就存在相位差Δφ（時(shí)間差ΔT）：

其中λR為激振產(chǎn)生的表面波的波長(zhǎng)。當(dāng)相位差Δφ為半個(gè)周期（π）時(shí)，左右激振從邊界反射來(lái)的表面波正好反向，疊加后即可相互抵消。根據(jù)上式，激振點(diǎn)與受信傳感器的間距為λR/4時(shí)，具有較好的降噪效果。

不同的激振方式（激振錘或激振錐）在高爐表面激振產(chǎn)生表面波的波長(zhǎng)及推薦的間距如表1所示。

表1　激振方式的相關(guān)參數(shù)

同時(shí)，激振布置也對(duì)爐襯厚度測(cè)試準(zhǔn)確度有較大影響，為消減周?chē)吔绶瓷湫盘?hào)的影響，可采用如圖5所示的梅花布置。

圖5　梅花點(diǎn)激振布置

2.3CDP重合法、NMO修正

沖擊彈性波在彈性介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)重要的物理量，是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的核心內(nèi)容?；谒綄訝罱橘|(zhì)假設(shè)的彈性波具有較低的信噪比，為了提高信噪比，共中心點(diǎn)疊加思想被提出。疊加速度與正常時(shí)差（normal move out，NMO）速度相關(guān)，NMO速度作為速度模型建立和速度分析處理的基礎(chǔ)，具有重要意義。沖擊彈性波的傳播時(shí)間與激振點(diǎn)到接收點(diǎn)（檢波器）的距離相關(guān)，激振點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離稱(chēng)為偏移距。為消除偏移距對(duì)沖擊彈性波傳播時(shí)間的影響，需要去除偏移距，此處理方法就叫正常時(shí)差修正（NMO修正）。NMO修正前的示意圖如圖6所示，NMO修正后的示意圖如圖7所示。共深度點(diǎn)（common depth point，CDP）是指反射點(diǎn)位于激振點(diǎn)與接收點(diǎn)中點(diǎn)的正下方。CDP重合法和NMO修正方法已廣泛應(yīng)用在地震勘探領(lǐng)域［9-11］，其應(yīng)用于高爐爐襯沖擊彈性波波速的測(cè)定也值得研究。當(dāng)彈性波速未知以及邊界條件較復(fù)雜時(shí)，采用單點(diǎn)測(cè)試具有較大的局限性；在此，采用CDP重合法和NMO修正可以提高對(duì)厚度的測(cè)試準(zhǔn)確度。當(dāng)壁背面與測(cè)試表面基本平行時(shí)，可認(rèn)為反射點(diǎn)位于激振點(diǎn)與受信點(diǎn)的中間。因此，對(duì)稱(chēng)移動(dòng)激振點(diǎn)與受信點(diǎn)，反射點(diǎn)為共點(diǎn)。CDP重合法測(cè)試示意圖如圖8所示，SR為激振面，OH為反射面，H為共深度點(diǎn)（共反射點(diǎn)），則反射時(shí)間的增加量（正常時(shí)差，NMO）Δt如下式所示：

將式（6）和式（7）代入式（5）得反射時(shí)間的增加量Δt，可以表示為

式中：T0——激振點(diǎn)與受信點(diǎn)距離間隔為0（零偏移距）時(shí)的反射時(shí)間；

V——NMO修正后的速度；

x——激振點(diǎn)與受信點(diǎn)距離間隔（偏移距）。

通過(guò)試算波速V，使得反射信號(hào)位于一條平行線上，即可同時(shí)推算出V和厚度H。

上述CDP重合法及NMO修正是基于水平層狀介質(zhì)提出的，由于高爐表面橫截面為圓弧形，因此，需要通過(guò)CDP重合法進(jìn)行進(jìn)一步修正。

如圖9所示，令P3為激振點(diǎn)，Q3為受信點(diǎn)，D= O1O3=P1P3=Q1Q3，LR=O3Q3，L=O3Q3，高爐外壁直徑為R1=OQ1，爐殼內(nèi)徑為R2=OQ2，∠O1O3Q3=α，爐襯內(nèi)徑為R3=OQ3，激振點(diǎn)與受信點(diǎn)間距為x⌒=2LR，VP為沖擊彈性波P波速度。則反射時(shí)間增量Δt為

圖6　NMO修正前的時(shí)距曲線

圖7　NMO修正后的時(shí)距曲線

圖8　CDP重合法測(cè)試示意圖

圖9　CDP重合法的曲面修正

3　沖擊彈性波法實(shí)際工程驗(yàn)證

利用改進(jìn)方法，對(duì)高爐進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證其有效性。高爐爐襯厚度解析波形如圖10所示。利用激振錘激發(fā)沖擊彈性波，進(jìn)而接收在高爐內(nèi)壁的反射波，以推斷爐襯的厚度。高爐爐襯厚度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表可知，高爐爐襯測(cè)試結(jié)果的平均誤差約為4.21%，相對(duì)于未改進(jìn)方法約為10.00%的誤差，測(cè)試準(zhǔn)確度有較大提高，說(shuō)明準(zhǔn)確度改進(jìn)措施可行，對(duì)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高爐爐襯厚度變化有積極意義。

4　結(jié)束語(yǔ)

沖擊彈性波法應(yīng)用于高爐爐襯厚度檢測(cè)不僅降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且具有較好的測(cè)試準(zhǔn)確度；但較之于電容法電阻法等侵入式檢測(cè)方法，其測(cè)試準(zhǔn)確度仍有待進(jìn)一步提高。在分析研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了基于沖擊彈性波法的高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度的影響因素，歸納了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)高爐進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性，具有積極意義。

圖10　高爐爐襯厚度解析波形

表2　高爐爐襯厚度測(cè)試結(jié)果

［1］孫其臣.沖擊彈性波技術(shù)在水工混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用研究［D］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2013.

［2］向陽(yáng)，史習(xí)智.沖擊回波信號(hào)的波形結(jié)構(gòu)特征提取及分類(lèi)研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2000，13（3）：462-466.

［3］王軍，辛強(qiáng)，杜正聰.高爐爐襯厚度檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.鋼鐵，2014，49（4）：1-5.

［4］張?jiān)僭?彈性波在不同介質(zhì)中的傳播及穩(wěn)定性分析［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

［5］劉恩才.基于沖擊回波法無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

［6］周鳳璽，賴(lài)遠(yuǎn)明.飽和凍土中彈性波的傳播特性［J］.巖土學(xué)報(bào)，2011，32（9）：2670-2674.

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［10］王欽.地震資料高精度處理方法研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2011.

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Performance analysis and improved algorithm research of blast furnace lining thickness detection technology

DU Zhengcong1，XIN Qiang2，WANG Jun1
（1.Panzhihua Univ.，Panzhihua 617000，China；
2.Xinjiang Air Traffic Management Bureau CAAC，Urumqi 830016，China）

An improved method has been presented in this paper in view of the relatively lower test precision of the impact elastic wave detection method for blast furnace lining thickness based on the analysis of the influencing factors of such low precision.The new method comprises the following aspects：the recognition accuracy of reflection time was improved by ameliorating repetitive reflection method，the influence of environmental noise was eliminated by multi-point excitation/multi-channel vibration，and the identification accuracy of impact elastic wave velocity was improved by CDP coincidence method and NMO correction.The effectiveness of this method has been proved by the test of the blast furnaces.

blast furnace；thickness detection；impact elastic wave；NMO

A

1674-5124（2015）09-0120-05

2015-03-01；

2015-04-10

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2011JY0115）

杜正聰（1975-），男，四川南充市人，教授，博士，主要從事信號(hào)處理算法和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。