加熱爐管漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)研制

郭 鍇武新軍劉 冉田亞團李 濤高麗巖（.華中科技大學 機械科學與工程學院 武漢 430074）（.中國石油化工股份有限公司天津分公司 天津 3007）

加熱爐管漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)研制

郭 鍇1武新軍1劉 冉1田亞團2李 濤2高麗巖2
（1.華中科技大學 機械科學與工程學院 武漢 430074）
（2.中國石油化工股份有限公司天津分公司 天津 300271）

加熱爐作為石化裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，保證其爐管正常使用對整套裝置的安全運行具有重要意義。然而，由于爐管被彎頭封閉為一體，且部分被封裝在爐墻內(nèi)部，不宜在外部進行檢測，目前缺乏對爐管進行有效的檢測手段?；诖?，本文提出將漏磁內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)用于爐管檢測，設(shè)計了一套漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)，并對其性能進行測試。測試結(jié)果表明該內(nèi)檢測系統(tǒng)可檢出φ6mm通孔信號，為加熱爐管檢測提供了一種有效方法。

加熱爐管 通過性 SD卡 漏磁 內(nèi)檢測

加熱爐是石化裝置常用設(shè)備之一，而爐管作為加熱爐的關(guān)鍵部件，其狀況直接關(guān)系到整個設(shè)備的安全運行［1］。近年來隨著高硫油煉制的增加，設(shè)備腐蝕日趨嚴重，加熱爐管失效事故呈上升趨勢。然而，爐管被彎頭封閉為一體，且部分爐管封裝在爐墻內(nèi)部，外部檢測方法不再適用，只能從內(nèi)部對其進行檢測［2］。漏磁檢測作為一種內(nèi)檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于長輸管線檢測中［3］，基于此，本文研究將漏磁內(nèi)檢測應(yīng)用于加熱爐爐管檢測。

與長輸管線不同，加熱爐管管徑小，一般小于200mm，且?guī)в?80°彎頭，因此適用其檢測的漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)不僅要保證一定檢測靈敏度，而且要盡量減小系統(tǒng)尺寸，這對漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)設(shè)計提出了新要求。本文以加熱爐管常用規(guī)格168×8mm為例，在進行通過性分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了漏磁內(nèi)檢測探頭，開發(fā)了基于SD卡的數(shù)據(jù)采集卡及配套軟件，最終研制出了爐管內(nèi)檢測系統(tǒng)。

1　通過性分析

加熱爐爐管結(jié)構(gòu)如圖1所示，爐管帶有180°彎頭，且部分爐管被封裝在爐墻內(nèi)部。在不拆彎頭的情況下，用漏磁內(nèi)檢測對爐管進行檢測時，需要考慮檢測系統(tǒng)在爐管內(nèi)的通過性［4］。漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)在管道中運行時，最易發(fā)生卡堵的位置在如圖2所示的180°彎管中，因此，根據(jù)此位置對系統(tǒng)關(guān)鍵尺寸進行設(shè)計。

圖1　加熱爐爐管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　探頭最易發(fā)生卡堵位置分析

漏磁內(nèi)檢測探頭是檢測系統(tǒng)中最易發(fā)生卡堵的部件，一般包括檢測單元、支撐單元和磁化單元等。其中傳感單元和支撐單元與爐管內(nèi)壁接觸，且具有浮動性以滿足檢測與越障需求，磁化單元等不能浮動。將傳感單元和支撐單元等效為浮動量分別為δ1和δ2的圓柱體，磁化單元等等效為直徑為d的圓柱體，設(shè)管道內(nèi)徑為D，彎頭處中心線曲率半徑為R，建立探頭通過性分析模型，如圖3所示。

設(shè)L’max為圓柱體極限長度，則由圖3幾何關(guān)系得：

將Lmax定義為內(nèi)檢測探頭兩支撐單元之間的總極限長度，則

設(shè)傳感單元極限長度為L1，支撐單元極限長度為L2，則

圖3　探頭通過性分析模型

參考SY/T 0538ü2012 《管式加熱爐規(guī)范》，本文研究的φ168×8mm常用加熱爐管的管內(nèi)徑和彎頭曲率半徑見表1，同時為防止探頭在彎頭處發(fā)生卡堵，設(shè)置傳感單元和支撐單元的浮動量為5mm，圓柱體直徑為100mm。將表1所示的尺寸代入式（2）、式（4）、式（6）及式（7）中，得到各部分極限尺寸見表2。為滿足通過性要求并避免發(fā)生卡堵，探頭實際尺寸應(yīng)小于極限尺寸，則探頭各單元的實際尺寸見表3。

表1　φ168×8mm加熱爐管設(shè)計參數(shù)

表2　φ168×8mm加熱爐管漏磁內(nèi)檢測探頭極限尺寸

表3　φ168×8mm加熱爐管漏磁內(nèi)檢測探頭設(shè)計尺寸

2　系統(tǒng)研制

在通過性分析的基礎(chǔ)上，針對φ168×8mm加熱爐管開發(fā)漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)由漏磁內(nèi)檢測探頭、位置記錄裝置、SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器以及計算機組成。漏磁內(nèi)檢測探頭用于掃查加熱爐管并獲取磁場信號；位置記錄裝置用于記錄內(nèi)檢測探頭位置，便于缺陷識別；SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器用于漏磁數(shù)據(jù)采集及存儲，計算機用于對漏磁數(shù)據(jù)進行顯示與分析。在用該系統(tǒng)對加熱爐管進行檢測時，漏磁內(nèi)檢測探頭對加熱爐管內(nèi)進行掃描，同時位置記錄裝置觸發(fā)SD卡數(shù)據(jù)采集存儲器采集漏磁數(shù)據(jù)，并將其存儲于SD卡中，當探頭完成對整個加熱爐管掃查后，用計算機軟件對存儲于SD卡中的漏磁數(shù)據(jù)進行讀取、顯示分析等處理，最終完成對加熱爐管腐蝕等缺陷的評估。

圖4　加熱爐管漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)

2.1漏磁內(nèi)檢測探頭

漏磁內(nèi)檢測探頭包括磁化單元、傳感單元與支撐單元等，如圖5所示。其中，磁化單元用于磁化爐管，主要由磁鐵和銜鐵組成，磁鐵選用高磁能積、高矯頑力牌號為N52的NdFeB稀土永磁鐵材質(zhì)，具有尺寸小、便攜等優(yōu)點［5］；銜鐵材料選用工業(yè)純鐵，磁導率高且便于加工［6］。傳感單元用于提取管壁漏磁場信號，主要包括磁敏元件、聚磁片及傳感支架等，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于霍爾元件具有體積小、靈敏度高且性能穩(wěn)定特點，所以磁敏元件選用霍爾元件；聚磁片采用高磁導率的低碳鋼材料，鑲嵌于傳感支架弧槽中并位于霍爾元件兩側(cè)，提高霍爾元件處的磁場強度；傳感支架上開有限位槽，槽中穿入調(diào)節(jié)螺釘，通過調(diào)整螺釘旋入深度，來控制傳感單元與管壁的提離距離；傳感支架兩側(cè)彈簧安裝孔，使傳感單元具有浮動能力，以滿足過彎與越障要求。

圖5　漏磁內(nèi)檢測探頭

（a）正面

圖6　傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖

為通過180°彎頭，浮動支撐機構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能小，由于彈性體設(shè)計較為靈活，形式多樣，可以滿足小尺寸要求，因此本文采用彈性體浮動支撐方式。常用于彈性體浮動支撐的材料有聚氨酯和鈹銅。用聚氨酯設(shè)計的蝶形皮碗，富有彈性，密封性好；用鈹銅材質(zhì)制作的簧片支撐輪強度高、耐磨?？紤]內(nèi)檢測系統(tǒng)采用流體壓力驅(qū)動方式，支撐單元應(yīng)采用密封性好的蝶形皮碗，然而，皮碗通過與管壁的過盈量實現(xiàn)密封，摩擦阻力大，為減小運動阻力，本文設(shè)計了如圖5所示的一端為皮碗另一端為簧片的浮動支撐機構(gòu)，這樣既滿足水壓驅(qū)動密封要求，又減小了摩擦阻力。

2.2位置記錄裝置

當漏磁內(nèi)檢測探頭在管道內(nèi)掃查時，需要對信號進行定位分析，本文選用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄探頭的位置信息，從而實現(xiàn)信號定位。其工作原理為：將編碼器與探頭相連，則探頭移動會帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)SD卡數(shù)據(jù)采集存儲器采集漏磁信號，每個脈沖觸發(fā)采集一定的漏磁數(shù)據(jù)。則探頭掃描距離與編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)目相關(guān)，脈沖數(shù)目又與漏磁數(shù)據(jù)存在一定對應(yīng)關(guān)系，因此，通過一定的換算關(guān)系，可以找到漏磁信號與探頭掃描距離的關(guān)系，從而實現(xiàn)定位。根據(jù)上述原理設(shè)計的位置記錄裝置如圖7所示，其中，支撐架與內(nèi)檢測探頭相連，且沿支撐架長腰槽方向設(shè)壓縮彈簧，用于擠壓輪架實現(xiàn)輪子緊貼管道內(nèi)壁，以保證在探頭移動的同時位置記錄裝置輪子也沿管道內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)運動。編碼器的轉(zhuǎn)動軸與輪子的軸相連，當輪子滾動時帶動編碼器旋轉(zhuǎn)。此外，輪架可沿支撐架長腰槽浮動，使該位置記錄裝置具有浮動越障功能。

圖7　位置記錄裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器

考慮加熱爐管復雜工況，采用有線實時通訊方式時，通訊線纜在爐管內(nèi)極易纏繞并卡死，同時由于爐管封閉在爐墻內(nèi)，無線通訊受阻，因此只能采用先掃查存儲數(shù)據(jù)，待掃查完成后分析數(shù)據(jù)的檢測模式?；诖?，本文將SD作為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，并開發(fā)了基于FPGA的SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器。如圖8所示，基于FPGA的SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器包括信號預處理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA與SD卡存儲單元。信號預處理單元負責漏磁模擬數(shù)據(jù)的放大、濾波與多通道選擇，A/D轉(zhuǎn)換單元負責將漏磁模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，F(xiàn)PGA則控制A/D芯片進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字信號存儲至SD卡中，SD卡存儲單元則負責存儲漏磁數(shù)據(jù)。

圖8　基于FPGA的SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4漏磁內(nèi)檢測軟件平臺

為保證數(shù)據(jù)可靠高效存儲，漏磁數(shù)據(jù)直接存儲于SD卡扇區(qū)中，需要采用專門的通訊接口將SD卡磁盤扇區(qū)中的數(shù)據(jù)導出并分析，因此本文在VC平臺下開發(fā)了用于讀取SD扇區(qū)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理的軟件平臺，其界面如圖9所示。

圖9　漏磁內(nèi)檢測軟件平臺界面

軟件平臺主要包括功能按鈕模塊、圖形顯示模塊及屏幕翻頁模塊。功能按鈕模塊用于對漏磁檢測數(shù)據(jù)進行操作，包括讀取SD卡數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及顯示設(shè)置等功能按鈕。點擊讀取SD卡數(shù)據(jù)按鈕時，計算機直接從SD卡扇區(qū)讀取漏磁數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲為自定義格式，且多通道漏磁數(shù)據(jù)以曲線形式顯示在圖形顯示模塊中；點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕對已儲存的漏磁數(shù)據(jù)進行繪圖分析；點擊顯示設(shè)置按鈕來調(diào)整顯示方式包括對圖形整體放大或縮小、圖形顯示范圍及通道選擇顯示等。圖形顯示模塊用于將漏磁數(shù)據(jù)以圖形方式顯示出來，其上面設(shè)有信號閾值線，不同閾值范圍的信號以不同的顏色顯示，便于觀察分析漏磁檢測結(jié)果。屏幕翻頁模塊用于對漏磁數(shù)據(jù)圖片進行翻頁顯示，方便查找漏磁異常信號的位置。軟件平臺操作方便，功能完善，實現(xiàn)了對SD卡扇區(qū)漏磁數(shù)據(jù)的讀取、存儲、顯示的復合功能。

3　實驗驗證

為測試內(nèi)檢測系統(tǒng)的性能，搭建了如圖10所示的漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)測試實驗平臺，平臺由φ168×8mm加熱爐管、漏磁內(nèi)檢測探頭、位置記錄裝置、SD卡漏磁數(shù)據(jù)存儲采集器、計算機、內(nèi)檢測密封驅(qū)動裝置及水壓升壓機組成。其中，水壓升壓機用于將常壓水源加壓以驅(qū)動內(nèi)檢測探頭在爐管內(nèi)行進；內(nèi)檢測密封驅(qū)動裝置用于與管道密封對接，實現(xiàn)將內(nèi)檢測探頭對中導入加熱爐管中且防止泄漏的作用。漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)采用水壓驅(qū)動方式，因此需要對漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)進行防水封裝設(shè)計，漏磁內(nèi)檢測探頭傳感模塊霍爾元件處采用環(huán)氧封裝，霍爾元件通過防水軟管出線，SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲裝置中電路盒蓋板與電路盒腔體之間填充密封墊片；防水軟管與SD卡漏磁數(shù)據(jù)采集存儲裝置通過密封管螺紋連接；編碼器出線端采用防水航插件，防水等級達到IP68。由于漏磁內(nèi)檢測探頭的通過性在加熱爐管漏磁內(nèi)檢測中至關(guān)重要，因此，首先對探頭的通過性進行測試。

圖10　漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)測試實驗平臺

通過性實驗的具體操作流程為：將研制的漏磁內(nèi)檢測探頭放入內(nèi)檢測密封驅(qū)動裝置中，啟動水壓升壓機將常壓水源加壓以驅(qū)動漏磁內(nèi)檢測探頭在管道中行進，直至通過180°彎頭。圖11為內(nèi)檢測探頭通過180°彎頭的情形，表明該漏磁內(nèi)檢測探頭可通過180°彎頭。

圖11　漏磁內(nèi)檢測探頭通過爐管180°彎頭

為進一步測試系統(tǒng)的靈敏度，利用圖10所示的實驗平臺對研制的漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)進行信號測試實驗，其中，加熱爐管上設(shè)有φ6mm通孔缺陷，缺陷位置位于實驗用加熱爐管直管段中間位置。用內(nèi)檢測探頭掃查加熱爐管，得到漏磁數(shù)據(jù)。在漏磁軟件平臺上讀取并分析數(shù)據(jù)，得到結(jié)果如圖12所示，其中，φ6mm通孔缺陷信號可被測出，出現(xiàn)的抖動信號為內(nèi)檢測探頭運動到直管與180°彎頭過渡處的抖動引起的。

圖12　漏磁內(nèi)檢測探頭加熱爐管檢測信號

4　結(jié)論

本文在分析加熱爐管工況的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套加熱爐管漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)。實驗室初步測試表明，該系統(tǒng)可通過180°彎頭，并可檢測出φ6mm通孔信號。下一步的工作一方面將系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場，對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題對系統(tǒng)進行改進，使之能解決工程問題，另一方面通過在磁化器磁鐵上面增加極靴等方式來增強磁化，提高檢測系統(tǒng)靈敏度。

［1］ 夏立，葉宇峰，柳麗萍.超聲導波在加熱爐爐管檢驗中的應(yīng)用［J］.中國特種設(shè)備安全， 2013，29（3）：36-39.

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［國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目：2012YQ09017502］

Development of Magnetic Flux Leakage Internal Testing System for Heating Furnace Tube

Guo Kai1Wu Xinjun1Liu Ran1Tian Yatuan2Li Tao2Gao Linyan2
(1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074) (2. SINOPEC Tianjin Petrochemical Co., Ltd. Tianjin 300271)

Ensuring the safe of furnace tube is of great significance to the safe operation of heating furnace which is one of the key equipment in petrochemical plants. However, as plenty of tubes which are encapsulated inside the furnace wall are welded as a body, there is nearly no effective detection methods for heating furnace tube. Based on this situation， this paper applies magnetic flux leakage internal inspection technology and designs a set of magnetic flux leakage detection system to test the furnace tube. The experimental test has been done and the results show that the detection system can identify the defect signal of φ6mm through-hole. This paper provides an effective method for the heating furnace tube detection.

Heating furnace tube Character of passing through curving pipeline Secure digital card Magnetic flux leakage Internal inspection

X924

B

1673-257X（2016）07-0011-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.003

郭鍇（1991～），男，碩士，從事磁性無損檢測技術(shù)研究工作。
（

2016-05-07）