换热器管漏磁检测传感器的研制

换热器管漏磁检测传感器的研制

铁磁性器管广泛应用于各种管道中。其腐蚀是管壳式换热器最重要的失败形式，因此往往会造成巨大的经济损失。为了防止安全事故的发生，保证工厂的高效安全运行，应定期检测安装夹中的压力容器。sdgr1-2004年shs01009-2004年shs01008-2004年shs海关装置维护保养规定在换热管件制剂中作出了具体规定。用于制造切割从中的材料主要包括碳、钢、铜、铝、钛等。作为一种传统的制造材料，使用于许多行业。其中，最小圈变换管的检测受到碳铁磁性效应和换热管件结构的影响，传统的漩涡检测方法和超声波检测方法不适用。需要一种特殊的方法来检测铁磁性行业的磁强变化管，其检测长期依赖于国外产品，成本高。因此，有必要对铁磁性行业的测量方法和仪器进行研究，并发现快速、可靠的检测方法，确保换热器的安全高效运行。1漏磁传感器磁路设计在大直径铁磁性管道的在线漏磁检测中,为达到较好的磁化效果,常使用沿周向阵列磁铁的方法来获得所需的励磁源.然而换热器管空间过于狭小,无法容纳足够体积的永磁铁来达到理想的磁化效果,无法应用周向阵列磁铁的方法.为了改善漏磁传感器的磁化能力,采取的磁路设计如图1所示.传感器部分主体由永磁体、衔铁、磁敏元件等组成,2块磁极相对且方向与管道轴线相同的圆柱形永磁铁通过中间衔铁相连,衔铁的中间部分比两端要窄,用来提供磁敏元件和信号电路安装的空间.端部衔铁将轴向的磁场转化为较均匀的周向磁场导入管壁中,使管道得到磁化从而构成整个磁化回路.为使磁化器对整个管壁具有均匀的磁化能力以及避免传感器震动产生噪声干扰,检测过程中保证传感器与管道的同轴是必要的.1.1小孔径铁磁性换热器管漏磁检测可选用的磁化方式有线圈磁化、永磁体磁化等.线圈磁化为常用的磁化方式之一,其优点在于磁化强度可调,磁化能力较强,不足之处在于发热较大,而且在这里受换热器管内部空间狭小的限制,磁化效果不够理想.永磁磁化用永磁铁作为激励源,稀土永磁磁铁,特别是铷铁硼磁铁具有磁能积高,体积小,无需电源,使用方便的优点,在磁性检测中得到广泛的应用.虽然永磁磁化的磁化强度不能调节,但通过适当的磁路设计也可以达到较理想的磁化效果.综合考虑,换热管磁性检测传感器使用永磁铁作为励磁源.在铁磁性管道实际检测中,为了使管壁磁化至饱和及有利于缺陷的检测,经验公式表明,永磁体的横截面至少要达到被测管道管壁横截面积的2倍.对于某些换热器管,在假设管内全被磁铁充满的情况下都无法满足管壁被磁化饱和的要求.实际检测中,由于需要考虑传感器的运动和封装等限制,可采用的最大直径磁铁的截面积更少于理论值,因此,对小管径铁磁性换热器管进行的漏磁检测是在管壁磁化欠饱和的情况下进行的,这大大影响了检测的灵敏度.实际上,这也是小管径铁磁性换热器管漏磁检测主要的困难之一.1.2传感圈与磁敏传感器的选择霍尔元件可测量绝对磁场大小,并与速度无关.但为保证换热管的整个周向无漏检,需要布置一整圈霍尔元件,然而在如此狭小的空间内霍尔元件的布置比较困难,电路处理复杂.霍尔元件的另一个缺点是线性范围有限,当磁感应强度较大时容易饱和而丧失其灵敏度.感应线圈通过切割磁力线产生感应电压,感应电压的大小和线圈的匝数以及穿过线圈的磁通量变化率相关,因此线圈存在速度效应,所得检测信号的大小和传感器移动的速度相关,传感器移动速度的变化也将产生干扰信号.在检测中,保持传感器移动速度的均匀性是非常重要的.感应线圈测量的是磁场的相对变化量,并在空间域上对高频率磁场信号更敏感.根据测量目的不同,感应线圈可以做成多种形式,绝对式线圈可用来测量壁厚的损失,差分线圈可以降低噪声同时增加灵敏度,阵列贴片线圈对管道相对应的局部区域腐蚀敏感且具有空间分辨率.相对于霍尔元件,感应线圈最大的优点在于可以保证检测管道的周向覆盖,同时结构坚固,使用方便.综合考虑各方面的相关因素,磁敏传感器采用感应线圈.1.3漏磁传感器检测灵敏度漏磁检测磁敏元件采用差分线圈和阵列贴片线圈两种形式,线圈均布置于中间衔铁的直径较小部分并处于衔铁的中心或者与衔铁中心对称分布.由于管道内部的轻微腐蚀和传感器运动的不平稳性,加上传感器吸附管道内的铁屑在运动过程中造成的干扰,绝对式线圈在检测过程中噪声非常大,缺陷信号很容易被淹没,而差分线圈可以有效减少这些噪声的影响.下面对差分线圈和阵列贴片线圈在漏磁检测中的不同特点进行研究.采用两个特性一致的线圈反向连接的差分方式,两个线圈都为60匝,采用0.1mm漆包铜线绕制,中间相隔2mm,单个线圈宽约2mm.在Ø38mm×3mm换热管上加工Ø3.2mm、Ø1.6mm、Ø0.8mm通孔缺陷各一个,在实验过程中发现,在距Ø1.6mm通孔不远处存在大面积自然腐蚀缺陷.检测元件采用差分线圈.尽可能保持传感器移动速度恒定使传感器经过缺陷,测得各缺陷的信号大小如图2所示.从图中看出,随着通孔直径的增大,缺陷信号的峰值也变大.对ue07e3.2mm通孔信号检测十分明显.但是对ue07e1.6mm通孔缺陷,信号微弱,且信噪比低,而在自然缺陷处,漏磁传感器检测信号比较杂乱.ue07e0.8mm通孔未能检出.为了研究漏磁检测传感器对裂纹和孔两类不同缺陷类型的检测灵敏度,在ue07e38mm×3mm的换热器管外壁上用数控刻伤机加工长20mm,宽1mm,深度分别为壁厚的10%(0.3mm),20%(0.6mm),40%(1.2mm)的三处横向裂纹,裂纹和原来加工的孔,裂纹和裂纹之间间隔足够的距离从而互不影响.用漏磁传感器对各缺陷处来回反复进行检测,采用差分线圈.测得40%外壁裂纹检测信号如图3(a)所示,从图中可以看出,缺陷信号十分明显,信噪比很高.20%缺陷的检测信号如图3(b)所示,信号依然明显,但是缺陷信号的幅值和灵敏度迅速下降.实验中,10%外壁缺陷未能检出.但是考虑到检测方式为内部检测,因为传感器对管道内表面裂纹的检测灵敏度比外壁裂纹要高,因此漏磁传感器对内部裂纹的检测灵敏度要优于20%壁厚深度.尽管差分线圈可以大大减少传感器在移动过程中的噪声信号,但是由于绕制工艺无法保证两线圈的特性完全一致,且差分线圈对整个圆周方向的噪声干扰都会产生叠加的输出,使得差分线圈在检测中依然有较大的噪声.差分线圈的另一个缺点是它对圆周方向不同位置的缺陷具有相同的输出而没有空间分辨力,阵列贴片式线圈较好地解决了这一问题.采用阵列小型贴片式线圈可以提高检测信号的信噪比同时增加了传感器的空间分辨能力,其不足之处在于输出通道增加使后续的处理电路变得复杂.实验中采用的贴片线圈实物照片如图4所示.分为32mm×9mm×0.1mm和13mm×9mm×0.1mm两种规格,匝数都为15匝,贴片线圈采用小直径的漆包线印制在塑料膜片上进行封装,因而具有良好的柔软性,使用方便.将漏磁传感器中的磁敏元件换成贴片线圈,对缺陷处进行反复检测并保持检测速度的均匀性.图5为ue07e38mm×3mm换热管检测传感器采用贴片线圈检测ue07e3.2mm通孔时所获得的信号图,由它们之间的对比可以看出,受线圈匝数的影响,差分线圈测得的信号峰峰值远大于贴片线圈,但是贴片式线圈的噪声更小,信噪比更好.2磁体设计2.1传感器的安装如前所述,换热器管漏磁内检测传感器主要包括励磁回路和磁敏检测元件两部分,然而如果要满足实用要求,还需要满足以下几点.1)为了实现检测传感器对换热器管整个管壁检测灵敏度的一致性,防止漏检和误报,传感器在检测过程中应尽量保持和换热器管有良好的同轴性.受磁性检测原理的限制,传感器的检测过程振动会产生大量的噪声信号,为了抑制噪声和提高信噪比,传感器在检测过程中应能吸收振动,保持平稳,同时进退灵活,有利于驱动.2)由于换热器管在使用过程中容易发生结垢,内部腐蚀物沉淀,管道变形等失效形式,要求检测传感器能通过一定的变形区域,在空间上具有浮动能力.3)传感器与驱动机构之间的电气和机械连接应该可靠,拆卸维护方便.2.2传感原理及传感器的安装设计进一步完善,针对一般在表面上.上一节所提及的1)、2)两点要求实际上是一致的,即如何设计良好的传感器运动支撑机构以满足传感器运动和检测的要求.对于大直径管道内通过式检测传感器或者虽然被检测的管道内径较小但传感器本身直径不大可以有足够的空间来设计支撑结构时,一般采用支撑结构空间等角度排列的方式实现传感器的对中性,支撑结构通过滚轮与管壁接触,进退灵活,与传感器之间则采用弹簧连接,从而具有良好的浮动能力.另一类小直径内通过式检测传感器比如涡流检测传感器通常采用一种形如花瓣的支撑体,张开的支撑体一端与传感器体相连,另一端与传感器体之间是悬空的,可以压缩.这类支撑体采用特殊材料制作,坚韧耐磨同时具有一定的柔软性,由于涡流传感器与管壁之间无磁吸力,这种方式也能够满足使用的要求.在换热器管漏磁传感器的设计中,由于换热器管磁性检测传感器与被检管壁之间具有较强的磁吸力,而且如前所述,为了保证传感器的灵敏度,磁检测传感器必须满足一定的截面积要求,因此支撑机构的设计空间就受到限制.在狭小的空间内设计机械式的支撑结构比较困难,而涡流传感器所用的支撑体强度不够,因此考虑采用其他的支撑方式.综合比较以上相关因素,设计换热器管漏磁检测传感器的整体结构如图6所示.图中1为端部连接体,通过螺纹孔与气压系统所使用的直通接插件相连.2为耐磨橡胶垫圈,3为端部衔铁,图中橡胶垫圈通过端部连接体与衔铁之间的螺纹连接进行压紧定位,并可以进行压力调节.采用螺旋压紧安装方式的另一个优点是拆卸便捷,当垫圈经过一段时间的使用发生磨损时便于更换.橡胶垫圈能够为传感器提供较好的支撑使传感器保持良好的对中性,在传感器运动的过程中它可以吸收振动.由于橡胶具有柔软性,所以具有一定的空间避让能力,能够通过不超出变形范围的污垢、沉淀或者变径区域.这种结构的缺点在于橡胶垫圈与管壁间的摩擦力较大,对传感器运动存在不利影响.图中4为筒体,材料选用304成型不锈钢管,这种不锈钢不导磁,耐磨,耐腐蚀,在很薄的情况下依然具有较高的机械性能,可以在相同外径下为传感器内部提供更多的空间.磁铁、衔铁、筒体和磁敏元件通过端部衔铁上的螺钉定位在一起,它们组成一个独立的整体,这种模块化的设计使传感器的改进更加方便.根据前述分析,差分线圈和贴片线圈各有优缺点,传感器设计中将它们结合起来,同时使用差分线圈和贴片线圈,线圈的分布如图7所示.信号连接线经过磁铁侧面加工的出线槽、衔铁和端部连接体的中心孔引出.根据上述方案设计出的不同规格的换热器管漏磁检测传感器如图8所示,检测信号经传感器右边的软管电缆引出,同时这里的软管电缆还用来传递动力驱动传感器前进.传感器与软管电缆之间的连接采用可拆卸式,可以根据被测管道的直径更换不同的传感器.3ue06e3.3通孔检测2007年1月29日在天津石化机械研究所对该装置进行初步试验,试验的标样管如图8所示.将材质为20#钢的38mm×3mm×3000mm的换热器管剖成一半,在管道的一端距管道端部400mm的内表面上沿中轴线加工ue07e2mm、ue07e4mm、ue07e6mm、ue07e8mm、ue07e10mm、ue07e12mm的通孔各一个,孔中心之间的距离L为200mm.在管道的另一端距管道端部400mm加工深度分别为壁厚的20%、40%、60%、80%的圆椎盲孔各一个,锥顶角为120°,各缺陷中心的距离和通孔之间的距离也为200mm.利用漏磁检测传感器对上述缺陷标样管进行检测,检测得到的通孔信号如图9(a)所示,圆锥盲孔的检测信号如图9(b)所示.从图中可以看出,检测传感器能够检出ue07e2mm通孔和20%壁厚深度圆锥盲孔,且20%圆锥盲孔信号明显.综合上面现场试