基于磁致伸缩超声导波检测技术检测炉管缺陷的方法

摘要

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，尤其涉及基于磁致伸缩超声导波检测技术检测炉管缺陷的方法。该方法包括：MsS超声导波系统的磁场施加装置在待检测的炉管上形成T模态导波，其中磁场施加装置包括薄铁磁性铁钴合金带及磁化装置；MsS超声导波系统的适配器在炉管中发射既定频率的电流脉冲；MsS超声导波系统的回波信号采集装置采集炉管上返回的回波信号；MsS超声导波系统的主机接收回波信号，并生成炉管缺陷检测图；根据炉管缺陷检测图确定炉管的缺陷，其中确定的缺陷包括：裂纹类缺陷及腐蚀类缺陷。利用该方法能够观察整个炉管的状态，实现炉管缺陷的快速检测与定位，克服了相关技术中无法对炉管缺陷进行有效检测的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，具体而言，涉及基于磁致 伸缩超声导波检测技术检测炉管缺陷的方法。

背景技术

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位，是人类经济发展 的命脉。能源的主要供应者是石油化工，而大型管式燃料加热炉是 石油化工企业中广泛应用且必不可少的重要设备，能否实现长周期、 满负荷、优质运行，对保证石化企业的安全生产及社会经济的快速 发展至关重要。

由于炉管长期在火焰、烟气、飞灰等十分恶劣环境下运行，服 役过程中的介质腐蚀、磨损、拉裂等因素的影响，炉管极易发生渗 碳、渗碳开裂、弯曲、蠕变开裂、热疲劳开裂、鼓胀、氧化及高温 硫腐蚀等失效事故，由金属材料学可知，合金元素在钢中有两种主 要的存在形式——存在于固溶体中或形成碳化物，因为形成合金固 溶体要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的，在高温下，如果 合金原子有充分的活动能力，它就会从固溶体中出来逐渐转移到结 构较为稳定的碳化物中。固溶体中合金元素的贫化会使固溶强化这 一强化机制削弱，从而会使钢的强度、蠕交极限和持久强度下降， 不仅会导致装置的非计划停车给生产上造成巨大的损失，而且还严 重影响着石化企业的安全生产。

炉管在使用过程中发生蠕变、热疲劳、弯曲、高温氧化及渗碳 等，最终的物理失效形式均表现为开裂和腐蚀减薄。虽然国内外近 些年对炉管检测也进行了大量的研究，但仍未有行之有效的方法能 够检测出炉管的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供基于磁致伸缩超声导波检测技术检测炉 管缺陷的方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种基于磁致伸缩超声导波检测技 术检测炉管缺陷的方法，包括：MsS超声导波系统的磁场施加装 置在待检测的炉管上形成T模态导波，其中所述磁场施加装置包括 薄铁磁性铁钴合金带及磁化装置；所述MsS超声导波系统的适配器 在炉管中发射既定频率的电流脉冲；所述MsS超声导波系统的回波 信号采集装置采集所述炉管上返回的回波信号；所述MsS超声导波 系统的主机接收所述回波信号，并生成炉管缺陷检测图；根据所述 炉管缺陷检测图确定所述炉管的缺陷，其中确定的所述缺陷包括： 裂纹类缺陷及腐蚀类缺陷。

优选地，所述MsS超声导波系统的磁场施加装置在待检测的炉 管上形成T模态导波，包括：所述薄铁磁性铁钴合金带沿所述炉管 的周长方向粘贴在待检测的所述炉管上，其中所述薄铁磁性铁钴合 金带的长度比所述炉管的周长小3～5毫米；所述薄铁磁性铁钴合金 带被磁化装置磁化形成T模态导波。

优选地，所述薄铁磁性铁钴合金带通过环氧树脂粘贴在待检测 的所述炉管上。

优选地，所述MsS超声导波系统的适配器在炉管中发射既定频 率的电流脉冲，包括：所述薄铁磁性铁钴合金带的外侧覆盖有探头 线圈，所述探头线圈上设置所述适配器；所述适配器通过传感器电 子探头发射既定频率的电流脉冲，其中所述电流脉冲通过设置在所 述炉管中的导波管。

优选地，所述适配器通过传感器电子探头发射既定频率的电流 脉冲，包括：利用所述传感器电子探头发射多组电流脉冲，并采集 每组所述电流脉冲施加时所形成的炉管缺陷检测图；通过比对所述 炉管缺陷检测图对炉管缺陷的检出能力，从多组电流脉冲中确定最 佳施加电流脉冲，并利用所述最佳施加电流脉冲进行炉管缺陷检测。

优选地，发射的多组所述电流脉冲的中心频率为32KHz、64KHz 及128KHz。

优选地，所述MsS超声导波系统的主机接收所述回波信号，并 生成炉管缺陷检测图，包括：根据所述回波信号生成炉管的距离- 波幅曲线图及距离-波幅光谱图。

优选地，所述根据所述炉管缺陷检测图确定所述炉管的缺陷， 包括：根据所述距离-波幅曲线图及距离-波幅光谱图确定缺陷可疑 位置和/或类型。

优选地，该方法还包括：调整所述距离-波幅光谱图的信噪比， 在不同信噪比下的距离-波幅光谱图上确定所述炉管上的缺陷可疑 位置和/或类型。

优选地，所述调整所述距离-波幅光谱图的信噪比包括：调整所 述信噪比分别为0、40％、70％、80％及90％。

本发明实施例提供的基于磁致伸缩超声导波检测技术检测炉管 缺陷的方法，利用磁致伸缩效应，激发能沿有限形状的结构传播的 结构机械弹性波，沿着炉管有限的边界形状传播并被炉管边界约束、 导向。所述磁致伸缩效应是指铁磁物质(磁性材料)由于磁化状态 的改变，其尺寸在各方向发生变化。磁致伸缩材料在磁场作用下， 其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复 伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能(或电磁 信息)转换成机械能或声能(或机械位移信息或声信息)，相反也可 以将机械能(或机械位移与信息)，转换成电磁能(或电磁信息)。 本发明实施例的炉管缺陷检测方法。

根据上述的磁致伸缩原理，利用MsS超声导波技术，在待检测 的炉管上形成T模态导波，利用MsS超声导波系统的适配器在炉管 中发射既定频率的电流脉冲，当电流脉冲通过导波管时，形成与导 波管径向方向分布的磁场，当该磁场与T模态导波相遇时便返回回 波信号，利用该方式超声导波能够覆盖整个炉管，通过回波信号形 成的炉管缺陷检测图能够观察整个炉管的状态，实现炉管缺陷的快 速检测与定位，克服了相关技术中无法对炉管缺陷进行有效检测的 技术问题。

附图说明

图1示出了本发明实施例中基于磁致伸缩超声导波检测技术检 测炉管缺陷的方法的流程图；

图2示出了在炉管上设置的模拟裂纹类缺陷的示意图；

图3示出了在炉管上设置的模拟腐蚀类缺陷的示意图；

图4-6示出了第一组炉管试验过程中生成的距离-波幅曲线图；

图7-9示出了第二组炉管试验过程中生成的距离-波幅曲线图；

图10-12示出了第二组炉管试验过程中生成的距离-波幅曲线 图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细 描述。

本发明实施例中提供了一种基于磁致伸缩超声导波检测技术检 测炉管缺陷的方法，如图1所示，主要处理步骤包括：

步骤S11：MsS超声导波系统的磁场施加装置在待检测的炉管 上形成T模态导波，其中磁场施加装置包括薄铁磁性铁钴合金带及 磁化装置；

步骤S12：MsS超声导波系统的适配器在炉管中发射既定频率 的电流脉冲；

步骤S13：MsS超声导波系统的回波信号采集装置采集炉管上 返回的回波信号；

步骤S14：MsS超声导波系统的主机接收回波信号，并生成炉 管缺陷检测图；

步骤S15：根据炉管缺陷检测图确定炉管的缺陷，其中确定的 缺陷包括：裂纹类缺陷及腐蚀类缺陷。

MsS超声导波系统的磁场施加装置在待检测的炉管上形成T模 态导波，包括：薄铁磁性铁钴合金带沿炉管的周长方向粘贴在待检 测的炉管上，其中薄铁磁性铁钴合金带的长度比炉管的周长小3～5 毫米；薄铁磁性铁钴合金带被磁化装置磁化形成T模态导波，其中 薄铁磁性铁钴合金带通过环氧树脂粘贴在待检测的炉管上。

MsS超声导波系统的适配器在炉管中发射既定频率的电流脉 冲，包括：薄铁磁性铁钴合金带的外侧覆盖有探头线圈，探头线圈 上设置适配器；适配器通过传感器电子探头发射既定频率的电流脉 冲，其中电流脉冲通过设置在炉管中的导波管。

在炉管上设置薄铁磁性铁钴合金带、探头线圈及适配器的具体 实施操作步骤包括：

1)、简单清理炉管用于布置适配器部位的表面灰尘，用卷尺测 量待检测炉管的周长，用金属切割刀轻轻地剪切薄铁磁性铁钴合金 带，使其稍短于被检测炉管的圆周长度，一般地薄铁磁性铁钴合金 带的长度比炉管的圆周长度小3～5毫米。

2)、准备足够的粘贴剂(优选地粘结剂为环氧树脂，对炉管无 影响)用搅棒将粘贴剂均匀地涂抹在薄铁磁性铁钴合金带的接触面， 保证薄铁磁性铁钴合金带的所有接触面被全部涂抹，沿着炉管上所 画的线，将涂抹好粘贴剂的薄铁磁性铁钴合金带放置在管道圆周上， 并压紧在管道上。通过控制塑料薄片，拉住朔料薄片，轻轻地晃动、 旋转薄铁磁性铁钴合金带，调整薄铁磁性铁钴合金带使其沿管道整 齐排列。保证薄铁磁性铁钴合金带的整个长度完全紧贴于管道表面。 在这个过程中，多余的粘接剂从薄铁磁性铁钴合金带下被挤压出来。

3)、用磁化装置进行磁化，把磁化器放在接近薄铁磁性铁钴合 金带终端的位置，以便使磁化器的南北两极平行于薄铁磁性铁钴合 金带的纵向方向排列，以相对恒定的速度(大约每英尺/秒)滑动磁 化器从薄铁磁性铁钴合金带的一端到另一端，重复2到3次。

4)、将薄铁磁性铁钴合金带外侧的塑料薄片从薄铁磁性铁钴合 金带双面胶带区域去除掉，拉住另一端的塑料薄片粘贴在双面胶带 区域，将薄铁磁性铁钴合金带固定好。用一根长的橡胶带将薄铁磁 性铁钴合金带缠绕起来，直到粘接剂凝固。粘接剂凝固后，去除橡 胶带，检查并确认薄铁磁性铁钴合金带被很好地粘接。

5)、连接探头线圈和适配器，在薄铁磁性铁钴合金带的外侧覆 盖探头线圈，将配器与MsS系统通过电缆连接，打开MsS系统， 在计算机屏上显示MsS数据。

MsS系统在监测过程中，适配器通过传感器电子探头发射既定 频率的电流脉冲对炉管进行检测，理论上电流脉冲的频率越高，检 测精度越高，但对于不同的检测对象，最合适的检测频率是不同的， 因此需要根据检测炉管调试电流脉冲的频率以确定出优选检测频 率，具体调试方法为：利用传感器电子探头发射多组电流脉冲，并 采集每组电流脉冲施加时所形成的炉管缺陷检测图；通过比对炉管 缺陷检测图对炉管缺陷的检出能力，从多组电流脉冲中确定最佳施 加电流脉冲，并利用最佳施加电流脉冲进行炉管缺陷检测，一般地， 可选用的多组电流脉冲的中心频率为32KHz、64KHz及128KHz。

MsS超声导波系统的主机接收回波信号，根据回波信号生成炉 管的距离-波幅曲线图及距离-波幅光谱图，因此根据距离-波幅曲线 图及距离-波幅光谱图确定缺陷可疑位置和/或类型。

在根据距离-波幅曲线图及距离-波幅光谱图确定缺陷可疑位置 和/或类型时，还可以通过调整距离-波幅光谱图的信噪比，在不同 信噪比下的距离-波幅光谱图上确定炉管上的缺陷可疑位置和/或类 型，在距离-波幅光谱图上，颜色代表信号的强度，颜色越红，表明 信号越强烈。

上述方法中，调整距离-波幅光谱图的信噪比包括：调整信噪比 分别为0、40％、70％、80％及90％。

利用本发明实施例的该方法对表1中所示的三组炉管进行缺陷 检验，以验证该方法对炉管缺陷检测的有效性。

表1

如表1所示，该三组炉管中第一组炉管试验的目的是检验炉管 中结焦、氧化层等的存在是否会影响磁致伸缩超声导波的产生、传 播和检测。

第二组炉管试验的目的是检验磁致伸缩超声导波检测技术对人 工加工的模拟裂纹类和模拟腐蚀类缺陷的检出能力，其中，第二组 炉管上设置各类缺陷之间具有不同的角度，目的是为了在试验过程 中避免缺陷信号之间的相互干扰。

如图2示出了在炉管上设置的模拟裂纹类缺陷的示意图，从左 至右分别编号为1-6。

图2中炉管上所示的缺陷为槽状缺陷，设置槽状缺陷的目的是 为了模拟炉管在实际使用过程中因蠕变等因素影响而产生的裂纹状 缺陷，缺陷自身轴向成不同的角度是模拟实际使用中炉管的蠕变裂 纹形成的不规则性，不同的壁厚深度是模拟裂纹的扩展过程，从形 成到整个断裂。

图3示出了在炉管上设置的模拟腐蚀类缺陷的示意图，从左至 右分别编号为1-6。

图3中，所示的缺陷为平底孔缺陷，在炉管上设置平底孔缺陷 的目的是为了模拟炉管在实际使用过程中因氧化、冲刷等产生的腐 蚀减薄类缺陷。

第三组试验的目的是检验磁致伸缩超声导波检测技术在炉管中 长距离检出的能力。

试验过程中选用的适配器的中心频率为32KHz、64KHz、 128KHz，分别对样管进行检测，找出最合适的适配器。理论上是检 测频率越高的适配器，检测精度越高，但是对于不同的检测对象， 最适合的检测频率是不同的，需要调试。除了直接观察仪器的采集 结果外，在分析过程中，利用调节不同的信噪比来调节信号的光谱 图，在光谱图上直接观察样管每一部分的信号情况。在光谱图上， 颜色代表信号的强度，颜色越红，标明此处信号越强烈。

第一组炉的试验结果

对第一组炉管分别用中心频率为32KHz、64KHz及128KHz的 适配器进行检测，分别形成的距离-波幅曲线图如图4-6所示。

(1)中心频率为32KHz适配器的检测结果距离-波幅曲线图及 距离-波幅光谱图可以看出，①对于表面不经过处理的炉管，磁致伸 缩超声导波技术是完全可以进行检测的；②检测结果中基波很平稳， 杂波都在闸门线(3％)下，说明炉管经过使用后产生的结焦、氧化 层等对导波在其中的传播影响不大，不会造成大量杂波的产生；③ 中心频率为64KHz和128KHz的适配器能更好的检测对样管做出检 测；④检测出的光谱图，表明128KHz的适配器对炉管进行检测， 缺陷的检出能力最好。

在采集适配器中心频率为128KHz的前提下，对信号进行调节 不同的信噪比，观察光谱图的变化情况。

随着信噪比的调节，光谱图上显示的信号是不同的，信噪比越 高，显示的信号信息越少，但是留下的信号都是幅度高的。随着信 噪比的提高，逐步的将小幅度的噪音信号过滤，留下幅度较大的信 号，表明此处的可疑情况较严重，根据管道的实际结构即可判断此 处为结构信号还是缺陷信号。当信噪比调节到90％时，光谱图上只 留下起始波信号、焊缝信号和端波信号。当信噪比调到70％时，在 起始波信号和焊缝信号之间出现其它信号，对此管段进行宏观检查 和测厚，未发现异常，由此可推测此处可能是由于管道内壁氧化、 结焦和渗碳等因素造成的信号反馈。利用本发明实施例的炉管缺陷 检测方法，通过磁致伸缩超声导波的快速检测，发现缺陷，并利用 分析过程中的光谱图，调节信噪比，确定检测到的重点可疑部位， 避免检测的盲目性。

第二组炉管的试验结果

对第二组炉管分别用中心频率为32KHz、64KHz及128KHz的 适配器进行检测.

对于加工模拟裂纹缺陷炉管的试验结果

1)中心频率为32KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率即为中心频率32KHz，以缺陷1所在的 管端为起始端，检测结果如图7所示。

2)中心频率为64KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率为77KHz，以缺陷1所在的管端为起始 端，检测结果如图8所示。

3)中心频率为128KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率为145KHz，以缺陷1所在的管端为起 始端，检测结果如图9所示。

结合图2中缺陷的形状和数量，中心频率为32KHz的适配器只 能检出一个缺陷，64KHz的适配器可以检出4个，128KHz的适配 器可以检出5个，即中心频率为128KHz的适配器是最适合的。样 管中加工的缺陷有6个，检出5个，对比图2，可以看出是第1个 缺陷没有检测出来。在采集适配器中心频率为128KHz的前提下， 对信号进行调节不同的信噪比，来观察光谱图的变化情况。

4)不同信噪比下的光谱图

采集频率为145KHz，以缺陷1所在的管端为起始端，通过观 察不同信噪比下的光谱图，可以得出，由于1号缺陷距离起始端太 近(距离为200mm)，被起始波信号淹没，故检测不到。同时通过 信号的波幅以及光谱图上的信号颜色会发现磁致伸缩超声导波在检 测时对不同方向的裂纹状缺陷的检出率不同。为了进一步得到更准 确的数据，在6号缺陷所在的样管管端，布置适配器，从另外一个 方向对样管再一次进行检测，因为发现128KHz的适配器信号最好， 故直接采用128KHz的适配器进行检测试验。

5)从样管另一端采用中心频率为128KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率为146KHz，以缺陷6所在的管端为起 始端，从检测出的光谱图中可看出，6个缺陷都可以检出，但是由 于衰减或者缺陷的取向使得在图2中编号为1和2的缺陷信号比较 低，处在了闸门线之下。说明炉管中裂纹状缺陷的取向不会影响信 号的检出，但是会造成信号幅度的下降，单纯的按照距离-波幅图中 来判断缺陷有可能会造成误判。按照之前的思路，调整信噪比，通 过观察光谱图的变化看能否判断可疑的信号源。

调整不同的信噪比，观察整根管段上的缺陷分布情况，可以清 晰的看到6个缺陷的信号，并且随着信噪比的提高，当其它信号被 过滤掉之后，缺陷信号会更加明显。但是随着信噪比的进一步提高 到80％，比较小的缺陷信号也会被过滤掉，说明在检测时选择合适 的信噪比，在光谱图上可以更加直观的对管段情况进行观察和判断。

在现场实际检测时，可根据宏观选取一处进行整体情况的检测。 选取检测点时要尽量的远离可疑部位，使可疑部位在检测盲区之外。

加工模拟腐蚀类缺陷样管的试验结果

检测平底孔缺陷样管的思路和检测裂纹类缺陷的思路是一样 的，故先整理试验数据，然后一起分析。

1)中心频率为32KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率即为中心频率32KHz，以缺陷6所在的 管端为起始端，检测结果如图10所示。

2)中心频率为64KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率为53KHz，以缺陷6所在的管端为起始 端，检测结果如图11所示。

3)中心频率为128KHz适配器的检测结果

检测过程中使用的频率为128KHz，以缺陷6所在的管端为起 始端，检测结果如图12所示。

结合图3中缺陷的大小和数量，通过图10-12可以看出，对于 平底孔状缺陷，中心频率为128KHz的适配器仍是最适合的。样管 中加工的缺陷有6个，全部检出。在采集适配器中心频率为128KHz 的前提下，对信号进行调节不同的信噪比，来观察光谱图的变化情 况。

4)不同信噪比下的光谱图

采集频率为128KHz，以缺陷6所在的管端为起始端，不同信 噪比下的光谱图，可以发现针对腐蚀类缺陷，磁致伸缩超声导波技 术也具有很高的检出精度。但是通过与裂纹类缺陷的检出对比可以 发现，平底孔类缺陷的信号幅度要比裂纹类低，同时光谱图上的颜 色也弱，说明采用此技术裂纹类缺陷的信号幅度更高，裂纹类缺陷 造成的截面损失更大，更容易被检出。试验中的腐蚀类缺陷是用平 底孔模拟的，生成的界面是圆弧状的，当信号前言碰到圆弧状界面 后容易发生绕射，致使信号的降低。炉管在实际使用中，冲刷等造 成的腐蚀界面都是不规则的，也就是说在检测实际应用中存在腐蚀 类的缺陷时，同等的界面损失，信号强度会比试验时大。

第三组样管的试验结果

1)频率选择

任选一根炉管，用32KHz、64KHz和128KHz分别进行检测， 测试最佳使用频率，确定使用中心检测频率为64KHz的适配器信号 是最好的；用128KHz的适配器检测时，杂波较高；32KHz的适配 器信号不能清楚的分辨结构信号，不可用。

采用中心频率为64KHz的适配器对两根炉管进行检测，根据两 根炉管的检测结果得出：磁致伸缩超声导波技术在转化炉炉管中检 测中也是可行的。

综上，采用磁致伸缩超声导波技术对模拟不同工况的三组炉管 进行检测，通过对结果的分析，可以得出如下结论：

(1)对于表面进过简单除尘的炉管，磁致伸缩超声导波技术是 完全可以进行检测的；

(2)利用磁致伸缩超声导波可以对炉管进行快速检测和确定可 疑部位，避免检测的盲目性。通过调节信噪比，逐步的过滤检测到 的信号，改变光谱图上信号的强度颜色，可以更直观的通过图像显 示整根检测管段的情况，确定需核实的可疑部位，避免检测到的盲 目性，提高检测效率。但同时要注意避免改变信噪比的过程中将一 些小缺陷的信号过滤掉。

(3)对服役炉管进行检测，基波很平稳，杂波都在闸门线(3％) 下，说明炉管内壁氧化、结焦等对导波在炉管中的传播影响不大， 不会造成大量杂波的产生；

(4)通过试验的比较，表明中心频率为32KHz的适配器不适 合在炉管检测中应用，64KHz和128KHz为比较适合的检测频率， 根据现场具体情况选用。同时发现裂纹类缺陷的取向不会影响磁致 伸缩超声导波技术的检出，但是会影响信号的幅度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。