在役換熱器管漏磁內檢測傳感器設計

1、在役換熱器管漏磁內檢測傳感器設計武新軍，劉宏偉，康宜華（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）李濤，李春樹（中石化天津分公司機械研究所 天津 300271）摘 要 換熱器管作為換熱器的關鍵部件，對其檢測具有重要意義，本文根據漏磁檢測基本原理，研制了在役換熱器管漏磁內檢測傳感器，包括磁化方式和檢測元件的選取等。并在38mm的換熱管上進行了詳細實驗，結果表明該傳感器可有效檢測出1.6mm的通孔、20%的外壁截面積損失和20%壁厚深度圓錐盲孔。該裝置具有檢測靈敏度高，性能可靠的優(yōu)點，有較好的應用前景。關鍵詞 鐵磁性換熱器管；漏磁檢測；無損檢測；缺陷Design of Magnetic

2、Flux Leakage In-line Testing Tools for In-Service Heat Exchanger tubesWU Xin-jun, LIU Hong-wei, KANG Yi-hua（School of Mechanical Science & EngineeringHuazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）LI Tao, LI Chun-shu(Tianjin Petro-Chemical Corporation, Tianjin 300271, China)Abstr

3、act: Heat exchanger tubes are the key components in industries and their failure cause large economic loss. It is important to research on the in-service inspection method of ferromagnetic tubes. One type of in-line testing tools for in-service ferromagnetic heat exchanger tubes was developed accord

4、ing to the principle of magnetic flux leakage testing. Selection of magnetization method and magnetic sensor is studied. The detailed test was employed on the diameter 38mm of tubes. Testing results indicated that the tool can test down hole diameter 1.6mm, 20% metallic area loss of outer wall and 2

5、0% cone hole depth of wall thickness. It will be employed for its high sensitivity and reliable performance.Keywords: Heat Exchanger Tube; Magnetic flux leakage testing; Nondestructive testing; defect1 引言基金項目：國家自然科學基金資助項目(5067508)鐵磁性換熱器管應用廣泛，其腐蝕是管殼式換熱器最主要的失效形式，常因此造成巨大經濟損失。為了防止安全事故的發(fā)生，保障工廠的高效安全運行，對在役

6、換熱器管進行定期檢測，是非常必要的。國家有關規(guī)程TSG R7001-2004壓力容器定期檢驗規(guī)程和SHS01009-2004管殼式換熱器維護檢修規(guī)程對壓力容器在役檢測進行了具體的規(guī)定。換熱管束制造所用的材料主要有碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼、銅、鋁、鈦等，碳鋼作為一種傳統(tǒng)的制造材料，使用廣泛。其中無縫換熱器鋼管外徑一般小于60mm，對于該類小直徑換熱管的在役檢測，受碳鋼的鐵磁性效應及換熱管束結構的影響，傳統(tǒng)的渦流、超聲等檢測方法并不適用1-3。鐵磁性換熱器管的在役檢測需要特殊的方法，其檢測長期以來依賴于國外產品，花費巨大。因此，有必要開展對在役鐵磁性換熱管檢測方法與儀器的研究，尋找快捷可靠的檢測

7、方法，以保證換熱器的安全高效運行。2 漏磁檢測原理在大直徑鐵磁性管道的在線漏磁檢測中，為達到較好的磁化效果，常使用沿周向陣列磁鐵的方法來獲得所需的勵磁源。然而對于換熱器管來說，由于空間過于狹小，無法容納足夠體積的永磁鐵來達到理想的磁化效果，因此這種周向陣列磁鐵的方法就無法應用。為了改善漏磁傳感器的磁化能力，采取的磁路設計如圖1所示。傳感器部分主體由永磁體、銜鐵、磁敏元件等組成，兩塊磁極相對且方向與管道軸線相同的圓柱形永磁鐵通過中間銜鐵相連，銜鐵的中間部分比兩端要窄，用來提供磁敏元件和信號電路安裝的空間。端部銜鐵將軸向的磁場轉化為較均勻的周向磁場導入管壁中，使管道得到磁化從而構成整個磁化回路。為

8、使磁化器對整個管壁具有均勻的磁化能力以及避免傳感器震動產生噪聲干擾，檢測過程中保證傳感器與管道的同軸是必要的。圖1 漏磁檢測原理示意圖2.1 磁化方式選擇可選用的磁化方式有線圈磁化，永磁體磁化等。線圈磁化為常用的磁化方式之一，其優(yōu)點在于磁化強度可調，磁化能力較強，不足之處在于發(fā)熱較大，而且在這里受換熱器官內部空間狹小的限制，磁化效果不夠理想。永磁磁化用永磁鐵作為激勵源，稀土永磁磁鐵，特別是銣鐵硼磁鐵，具有磁能積高，體積小，無需電源，使用方便的優(yōu)點，在磁性檢測中得到廣泛的應用。雖然永磁磁化的磁化強度不能調節(jié)，但通過適當?shù)拇怕吩O計也可以達到較理想的磁化效果。綜合考慮，換熱管磁性檢測傳感器使用永磁鐵

9、作為勵磁源。在鐵磁性管道實際檢測中，為了使管壁磁化至飽和及有利于缺陷的檢測，經驗公式表明，永磁體的橫截面至少要達到被測管道管壁橫截面積的2倍。對于某些換熱器管，在假設管內全被磁鐵充滿的情況下都無法滿足管壁被磁化飽和的要求，實際檢測中，由于需要考慮傳感器的運動和封裝等限制，可采用的最大直徑磁鐵的截面積更少于理論值，因此，對小管徑鐵磁性換熱器管進行的漏磁檢測是在管壁磁化欠飽和的情況下進行的，這大大影響了檢測的靈敏度，實際上，這也是小管徑鐵磁性換熱器管漏磁檢測主要的困難之一。2.2 磁敏傳感器選擇霍爾元件可測量絕對磁場大小，并與速度無關。但為保證換熱管的整個周向無漏檢，需要布置一整圈霍爾元件，然而在

10、如此狹小的空間內霍爾元件的布置比較困難，電路處理復雜?；魻栐牧硪粋€缺點是線性范圍有限，當磁感應強度較大時容易飽和而喪失其靈敏度。感應線圈通過切割磁力線產生感應電壓，感應電壓的大小和線圈的匝數(shù)以及穿過線圈的磁通量變化率相關，因此線圈存在速度效應，所得檢測信號的大小和傳感器移動的速度相關，傳感器移動速度的變化也將產生干擾信號。在檢測中，保持傳感器移動速度的均勻性是非常重要的。感應線圈測量的是磁場的相對變化量，并在空間域上對高頻率磁場信號更敏感。根據測量目的不同，感應線圈可以做成多種形式，絕對式線圈可用來測量壁厚的損失，差分線圈可以降低噪聲同時增加靈敏度，陣列貼片線圈對管道相對應的局部區(qū)域腐蝕敏

11、感且具有空間分辨率。相對于霍爾元件，感應線圈最大的優(yōu)點在于可以保證檢測管道的周向覆蓋，同時結構堅固，使用方便。綜合考慮各方面的相關因素，磁敏傳感器采用感應線圈。2.3 線圈方式設計漏磁檢測磁敏元件采用差分線圈和陣列貼片線圈兩種形式，線圈均布置于中間銜鐵的直徑較小部分并處于銜鐵的中心或者與銜鐵中心對稱分布。由于管道內部的輕微腐蝕和傳感器運動的不平穩(wěn)性，加上傳感器吸附管道內的鐵屑在運動過程中造成的干擾，絕對式線圈在檢測過程中噪聲非常大，缺陷信號很容易被淹沒，而差分線圈可以有效的減少這些噪聲的影響。下面對差分線圈和陣列貼片線圈在漏磁檢測中的不同特點進行研究。采用兩個特性一致的線圈反向連接的差分方式，

12、兩個線圈都為60匝，采用0.1mm漆包銅線繞制，中間相隔2mm，單個線圈寬約2mm。在38mm3mm換熱管上加工直徑為3.2mm、1.6mm、0.8mm通孔缺陷各一個，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在距1.6mm通孔不遠處存在大面積自然腐蝕缺陷。檢測元件采用差分線圈。盡可能保持傳感器移動速度恒定使傳感器經過缺陷，測得各缺陷的信號大小如圖2所示。從圖中可以看出，隨著通孔直徑的增大，缺陷信號的峰峰值也變大。對3.2mm通孔信號檢測十分明顯。但是對1.6mm通孔缺陷，信號微弱，且信噪比低，而在自然缺陷處，漏磁傳感器檢測信號比較雜亂。0.8mm通孔未能檢出。(a) 3.2mm通孔信號(b) 1.6mm通孔信號(c

13、) 自然缺陷信號圖2 38mm3mm換熱管不同缺陷檢測信號為了研究漏磁檢測傳感器對裂紋和孔兩類不同缺陷類型的檢測靈敏度，在38mm3mm的換熱器管外壁上用數(shù)控刻傷機加工長20mm，寬1mm，深度分別為壁厚的10%（0.3mm），20%（0.6mm），40%（1.2mm）的三處橫向裂紋，裂紋和原來加工的孔，裂紋和裂紋之間間隔足夠的距離從而互不影響。用漏磁傳感器對各缺陷處來回反復進行檢測，采用差分線圈。測得40%外壁裂紋檢測信號如圖3（a）所示，從圖中可以看出，缺陷信號十分明顯，信噪比很高。20%缺陷的檢測信號如圖3（b）所示，信號依然明顯，但是缺陷信號的幅值和靈敏度迅速下降。實驗中，10%外壁缺

14、陷未能檢出。但是考慮到檢測方式為內部檢測，因為傳感器對管道內表面裂紋的檢測靈敏度比外壁裂紋要高，因此漏磁傳感器對內部裂紋的檢測靈敏度要優(yōu)于20%壁厚深度。(a) 40%外壁裂紋檢測信號(b) 20%外壁裂紋檢測信號圖3 漏磁傳感器外部裂紋檢測信號盡管差分線圈可以大大減少傳感器在移動過程中的噪聲信號，但是由于繞制工藝無法保證兩線圈的特性完全一致，且差分線圈對整個圓周方向的噪聲干擾都會產生疊加的輸出，使得差分線圈在檢測中依然有較大的噪聲。差分線圈的另一個缺點是它對圓周方向不同位置的缺陷具有相同的輸出而沒有空間分辨力，陣列貼片式線圈較好的解決了這一問題。采用陣列小型貼片式線圈可以提高檢測信號的信噪比

15、同時增加了傳感器的空間分辨能力，其不足之處在于輸出通道增加使后續(xù)的處理電路變得復雜。實驗中采用的貼片線圈實物照片如圖4所示。分為32mm9mm0.1mm（長寬高）和13mm9mm0.1mm（長寬高）兩種規(guī)格，匝數(shù)都為15匝，貼片線圈采用小直徑的漆包線印制在塑料膜片上進行封裝，因而具有良好的柔軟性，使用方便。圖4 實驗所用貼片線圈將漏磁傳感器中的磁敏元件換成貼片線圈，對缺陷處進行反復檢測并保持檢測速度的均勻性。圖5為38mm3mm換熱管檢測傳感器采用貼片線圈檢測3.2mm通孔時所獲得的信號圖，由它們之間的對比可以看出，受線圈匝數(shù)的影響，差分線圈測得的信號峰峰值遠大于貼片線圈，但是貼片式線圈的噪聲

16、更小，信噪比更好。圖5 38mm3mm換熱管貼片線圈檢測波形3 換熱器管漏磁傳感器設計3.1基本要求如前所述，換熱器管漏磁內檢測傳感器主要包括勵磁回路和磁敏檢測元件兩部分，然而如果要滿足實用要求，還需要滿足以下幾點。a、為了實現(xiàn)檢測傳感器對換熱器管整個管壁檢測靈敏度的一致性，防止漏檢和誤報，傳感器在檢測過程中應盡量保持和換熱器管有良好的同軸性。受磁性檢測原理的限制，傳感器的檢測過程振動會產生大量的噪聲信號，為了抑制噪聲和提高信噪比，傳感器在檢測過程中應能吸收振動，保持平穩(wěn)，同時進退靈活，有利于驅動。b、由于換熱器管在使用過程中容易發(fā)生結垢，內部腐蝕物沉淀，管道變形等失效形式，要求檢測傳感器能通

17、過一定的變形區(qū)域，在空間上具有浮動能力。c、傳感器與驅動機構之間的電氣和機械連接應該可靠,拆卸維護方便。3.2漏磁檢測傳感器設計上一節(jié)所提及的a、b兩點要求實際上是一致的，即如何設計良好的傳感器運動支撐機構以滿足傳感器運動和檢測的要求。對于大直徑管道內通過式檢測傳感器或者雖然被檢測的管道內徑較小，但傳感器本身直徑不大時可以有足夠的空間來設計支撐結構時，一般采用支撐結構空間等角度排列的方式實現(xiàn)傳感器的對中性，支撐結構通過滾輪與管壁接觸，進退靈活，與傳感器之間則采用彈簧連接，從而具有良好的浮動能力。另一類小直徑內通過式檢測傳感器比如渦流檢測傳感器通常采用一種形如花瓣的支撐體，張開的支撐體一端與傳感

18、器體相連，另一端與傳感器體之間是懸空的，可以壓縮。這類支撐體采用特殊材料制作，堅韌耐磨同時具有一定的柔軟性，由于渦流傳感器與管壁之間無磁吸力，這種方式也能夠滿足使用的要求。在換熱器管漏磁傳感器的設計中，由于換熱器管磁性檢測傳感器與被檢管壁之間具有較強的磁吸力，而且如前所述，為了保證傳感器的靈敏度，磁檢測傳感器必須滿足一定的截面積要求，因此支撐機構的設計空間就受到限制。在狹小的空間內設計機械式的支撐結構比較困難，而渦流傳感器所用的支撐體強度不夠，因此考慮采用其他的支撐方式。綜合比較以上相關因素，設計換熱器管漏磁檢測傳感器的整體結構如圖6所示。圖中1為端部連接體，通過螺紋孔與氣壓系統(tǒng)所使用的直通接

19、插件相連。2為耐磨橡膠墊圈，3為端部銜鐵，圖中橡膠墊圈通過端部連接體與銜鐵之間的螺紋連接進行壓緊定位，并可以進行壓力調節(jié)。采用螺旋壓緊安裝方式的另一個優(yōu)點是拆卸便捷，當墊圈經過一段時間的使用發(fā)生磨損時便于更換。橡膠墊圈能夠為傳感器提供較好的支撐使傳感器保持良好的對中性，在傳感器運動的過程中它可以吸收振動。由于橡膠具有柔軟性，所以具有一定的空間避讓能力，能夠通過不超出變形范圍的污垢、沉淀或者變徑區(qū)域。這種結構的缺點在于橡膠墊圈與管壁間的摩擦力較大，對傳感器運動存在不利影響。圖中4為筒體，材料選用304成型不銹鋼管，這種不銹鋼不導磁，耐磨，耐腐蝕，在很薄的情況下依然具有較高的機械性能，可以在相同外

20、徑下為傳感器內部提供更多的空間。磁鐵，銜鐵，筒體和磁敏元件通過端部銜鐵上的螺釘定位在一起，它們組成一個獨立的整體，這種模塊化的設計使傳感器的改進更加方便。1.端部連接體； 2.橡皮墊；3.端部銜鐵；4.傳感器體;5.磁鐵；6.磁敏檢測元件；7；中間銜鐵圖6 檢測傳感器結構根據前述分析，差分線圈和貼片線圈各有優(yōu)缺點，傳感器設計中將它們結合起來，同時使用差分線圈和貼片線圈，線圈的分布如下面示圖7所示。信號連接線經過磁鐵側面加工的出線槽和銜鐵和端部連接體的中心孔引出。圖7 檢測線圈布置示意圖根據上述方案設計出的不同規(guī)格的換熱器管漏磁檢測傳感器如圖8所示，檢測信號經傳感器右邊的軟管電纜引出，同時這里的軟管電纜還用來傳遞動力驅動傳感器前進。傳感器與軟管電纜之間的連接采用可拆卸式，可以根據被測管道的直徑更換不同的傳感器。圖7 漏磁傳感器實物4 現(xiàn)場初步應用2007年1月29日在天津石化機械研究所對該裝置進行初步試驗，試驗的標樣管如圖8所示。將材質為20#鋼的38mm3mm3000mm的換熱器管剖成一半，在管道的一端距管道端部400mm的內表面上沿中軸線加工2mm，4mm，6mm，8mm，10mm，12mm的通孔各一個，孔中心之間的距離L為200mm。在管道的另一端距管道端部400mm加工深度分別為壁厚的20%，40%，60%，80%的圓椎盲孔各一個，錐頂角為120，各缺陷中心的距離和通