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

程東岳

(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，杭州 310020)

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

程東岳

(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，杭州 310020)

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

電磁超聲；高溫測厚；能效測試

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，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行的主要指標，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對鍋爐熱效率的要求也不斷提高，《特種設(shè)備安全法》明確對鍋爐節(jié)能提出了要求。而在能效測試時，由于導(dǎo)熱油介質(zhì)溫度較高，循環(huán)母管實際壁厚的測量始終是一個技術(shù)難點，采用常規(guī)測量方法往往存在可操作性差、結(jié)果誤差大，甚至無法測量等一系列問題。本文采用電磁超聲技術(shù)對高溫管道進行壁厚測量，操作簡便且無需使用耦合劑，通過現(xiàn)場應(yīng)用證明了測量方法的可靠性。

1 能效測試中壁厚測量存在的問題

在進行能效測試時，由于循環(huán)母管溫度達280℃以上，采用高溫流量檢測儀進行流量在線測試時，必須對管道實際壁厚進行測量，才能準確進行循環(huán)流量測試。在實際測厚過程中主要存在以下問題：

1)采用傳統(tǒng)壓電超聲高溫測厚儀僅能測量280℃以內(nèi)管道壁厚，當超過280℃時測量結(jié)果誤差變大，甚至無法正確顯示讀數(shù)；

2)由于傳統(tǒng)壓電超聲高溫測厚儀需要使用耦合劑，耦合劑的性能對測厚影響較大，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)壓電超聲高溫測厚儀對管道表面粗糙度要求較高，需要對高溫管道表面進行打磨除銹后才能進行測厚，耗費人力較大且檢測效率低。

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

2 電磁超聲高溫測厚技術(shù)原理

電磁超聲測厚的基本原理是利用電磁效應(yīng)來產(chǎn)生聲波，在通電線圈外附加永久磁體，通過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，測量時將探頭置于被測工件表面，對探頭內(nèi)的線圈通以交變電流，產(chǎn)生交變磁場，此時感應(yīng)出渦流并分布于工件表面；若在線圈上再增加一個垂直于被測工件表面的磁場B，將會在工件內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力FL，使其內(nèi)部自由電子開始高速運動，并與晶格離子發(fā)生碰撞，引起質(zhì)點的振動，從而產(chǎn)生超聲波；另外，外加磁場和交變磁場共同作用同樣會產(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，回波在磁場中產(chǎn)生渦流并被線圈接收，接收到的微弱信號經(jīng)由前置放大器放大后，可以用示波器進行觀察，通過計算超聲波在工件上下表面間的傳播時間，即可換算得到工件厚度[1]。

圖1 電磁超聲測厚技術(shù)原理

聲波在不同溫度的材料中，傳播速度會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，其聲速值也會發(fā)生變化，因此電磁超聲在高溫測厚時需要通過溫度差進行聲速補償計算，其補償后聲速近似計算公式為：

(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 電磁超聲測厚技術(shù)優(yōu)點

隨著科技的進步，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)信號弱的問題，在缺陷檢測、高溫測厚等領(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)直接進行，不需要耦合介質(zhì)進行耦合，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厚技術(shù)具有無需耦合劑、不受表面條件限制、支持非接觸檢測、適合高溫環(huán)境等優(yōu)點，最高測厚溫度可達800℃，測量精度達到0.01mm，解決了導(dǎo)熱油爐高溫管道實際壁厚的測量難點。

4 高溫測厚應(yīng)用實例

對某印染企業(yè)導(dǎo)熱油爐進行能效測試，設(shè)計壓力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。通過紅外測溫儀測得管道壁溫為323℃，對管道進行打磨除銹后，采用MMX-6型高溫測厚儀(采用常規(guī)壓電超聲探頭)進行壁厚測量，測厚儀顯示異常無法讀數(shù)，而采用Powerbox-H型電磁超聲測厚儀對同一管道進行測厚時，檢驗所得掃描信號完好，回波清晰可見，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，通過檢測該高溫管道實際壁厚為9.80mm?，F(xiàn)場測試情況如圖2所示。圖2(a)顯示為管道的壁溫實測值；圖2(b)為高溫管道電磁超聲測厚儀現(xiàn)場測厚。

圖2 高溫管道電磁超聲現(xiàn)場測厚

5 結(jié)束語

電磁超聲高溫測厚技術(shù)是一種較為先進而又實用的壁厚測量方法，可廣泛應(yīng)用于鍋爐能效測試、石化裝置RBI(基于風險評估的設(shè)備檢驗技術(shù))風險評估等領(lǐng)域。我院已成功將電磁超聲技術(shù)多次運用到導(dǎo)熱油爐的能效測試中，取得了良好的測試效果，相信這項技術(shù)將在特種設(shè)備檢驗檢測中發(fā)揮更大的作用。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.05