熱絕緣體或隔熱層下的鋼管腐蝕問(wèn)題是石油、化工和天然氣行業(yè)中經(jīng)常遇到的一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。目前,用來(lái)檢測(cè)這類(lèi)腐蝕,采用的是一種費(fèi)時(shí)耗力的過(guò)程,首先去掉隔熱層,用常規(guī)無(wú)損評(píng)估(NDE)技術(shù)如視覺(jué)、超聲波或射線照相術(shù)進(jìn)行檢測(cè);然后重敷隔熱層。必要時(shí)可能要關(guān)閉設(shè)備,這進(jìn)一步增加了工廠維護(hù)和運(yùn)行過(guò)程的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)和維護(hù)這些鋼管,因此就需要不要求去掉隔熱層或中斷設(shè)備運(yùn)行的NDE技術(shù)。諸如射線照相術(shù)及低頻渦流技術(shù)在滿足這些目標(biāo)要求方面已顯露希望。在過(guò)去的幾年間,西南研究院(SwRI)一直在研制開(kāi)發(fā)一種新型的NDE技術(shù)(待批),該技術(shù)所用的磁致伸縮位移傳感器是基于鐵磁材料中的磁致伸縮效應(yīng)。這些磁致伸縮探頭(MsS)能在鐵磁材料中產(chǎn)生彈性波(或機(jī)械波),在檢測(cè)時(shí)不需耦合介質(zhì)并且在探頭和檢測(cè)件表面之間有一定的縫隙(約幾個(gè)厘米)。這種新的NDE技術(shù)在對(duì)諸如橋梁鋼索和鋼筋混凝土梁之類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷探測(cè)和動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面顯示了良好的潛力。而且,在裸露鋼索上,這種探頭在單一布置的情況下,檢測(cè)范圍超過(guò)100m,因此是一種非?？焖偌案咝У臋z測(cè)方法。從MsS在鋼纜上的能力看,可以確信該技術(shù)對(duì)隔熱層下鋼管檢驗(yàn)也有良好的潛力,并且能滿足作為一種快速而經(jīng)濟(jì)的NDE技術(shù)和要求。為證實(shí)這種潛力,已在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了簡(jiǎn)單的可行性試驗(yàn)。本文對(duì)該試驗(yàn)設(shè)施和詳細(xì)結(jié)果進(jìn)行了探討。
2、實(shí)驗(yàn)設(shè)施
可行性試驗(yàn)中所用的設(shè)施和裝置。電阻焊制作的鋼管樣管為ASTMA-513GRADEI,6m長(zhǎng),外徑約38mm,壁厚約214mm。MsS由環(huán)繞線圈和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成。在發(fā)射MsS中,線圈使鋼管內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)按時(shí)間變化的磁場(chǎng),通過(guò)磁致伸縮或JOULE效應(yīng),在鋼管材料中產(chǎn)生一個(gè)彈性波。彈性波沿鋼管長(zhǎng)度方向向兩端傳播。在接收MsS中,線圈檢測(cè)鋼管中磁感應(yīng)的變化,這是通過(guò)反向磁致伸縮,或Villari效應(yīng)當(dāng)彈性波通過(guò)線圈環(huán)繞的區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)的。偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將直流磁場(chǎng)引入到鋼管中并使管壁保持磁化狀態(tài)。這個(gè)直流磁場(chǎng)對(duì)改善探頭靈敏度和保持電信號(hào)與彈性波之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系是必要的。
發(fā)射線圈由50匝26號(hào)線組成,接收線圈由160匝32號(hào)線組成。每一個(gè)線圈長(zhǎng)約6.4mm,直徑約為64mm。為了模擬熱隔離層,樣管包裹了一層聚乙烯泡沫材料,這層材料填滿了線圈與鋼管外表面之間約30mm的間隙。發(fā)射線圈和接收線圈分別布置在離鋼管前端50mm和1200mm的位置。偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由帶鋼磁極的磁條組成。偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向沿鋼管長(zhǎng)度方向。
發(fā)射線圈由一個(gè)100kHz電流(峰值約5A)進(jìn)行脈沖激勵(lì),該電流持續(xù)時(shí)間約60Λs,由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大。接收線圈中的逆變電壓被放大(放大倍數(shù)約100dB),并經(jīng)中心頻率為激勵(lì)頻率的帶通濾波器進(jìn)行濾波。濾波后再經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行數(shù)字化及平滑處理。最后用計(jì)算機(jī)顯示并存儲(chǔ)。
選擇脈沖激勵(lì)是為了減少發(fā)射波的耗散,從而提高對(duì)缺陷的檢測(cè)能力。MsS配置及實(shí)驗(yàn)中反復(fù)使用的100kHz激磁方式可在管壁中發(fā)射并檢測(cè)到二次縱波。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果是從一根外表面上有狹長(zhǎng)腐蝕的樣管上獲得的。個(gè)信號(hào)是加到發(fā)射線圈的初始脈沖信號(hào),該脈沖信號(hào)耦合到接收線圈并經(jīng)放大器放大。距初始脈沖約0.21ms的第2個(gè)信號(hào)是發(fā)射的彈性波經(jīng)過(guò)接收MsS時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)。因此在圖中用術(shù)語(yǔ)“一次波”來(lái)專(zhuān)指。第3個(gè)和第4個(gè)信號(hào)是端部反射信號(hào)。第1個(gè)端部反射信號(hào)是彈性波在鋼管遠(yuǎn)端反射后探測(cè)到的信號(hào),第2個(gè)端部反射信號(hào)是1個(gè)端部反射信號(hào)再次經(jīng)鋼管前端反射后檢測(cè)到的信號(hào),因此,這兩個(gè)端部反射信號(hào)是由接收MsS至鋼管前端的,往返行程時(shí)間來(lái)區(qū)分的(約
0.45ms,產(chǎn)生的波速約5.35x105cms-1)。彈性波可用MsS進(jìn)行發(fā)射和探測(cè),即使探頭和鋼管外表面之間間隙相對(duì)較大(本試驗(yàn)13mm),這可與電磁聲傳感器比較,電磁聲傳感器也是一種非接觸傳感器,但它的使用因提離效應(yīng)而局限于很近的距離(典型的不超過(guò)1mm)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別是從帶有模擬腐蝕缺陷和凹槽 缺陷的兩根鋼管上獲得的,模擬腐蝕缺陷是橢圓形的,壁厚是梯度變化(厚度約018mm,對(duì)應(yīng)于33%的壁厚),縱橫比為2:1(縱向和橫向各約為25mm和13mm)。腐蝕缺陷是用磨床加工形成的,距樣管前端的傳感器約3171m。凹槽缺陷距是用一個(gè)直徑25mm,厚0.6mm的砂輪沿鋼管圓周方向加工出來(lái)的,距樣管前端的傳感器約2139m,槽長(zhǎng)約13mm,最深約1.2mm,對(duì)應(yīng)于50%壁厚。兩個(gè)模擬的缺陷都產(chǎn)生了容易探測(cè)到的信號(hào),證明了MsS技術(shù)在隔熱層下鋼管檢驗(yàn)方面具有良好的潛力。每個(gè)圖都顯示了相隔約0.45ms的兩個(gè)缺陷信號(hào),如上述,這0.45ms是缺陷信號(hào)從鋼管前端反射回來(lái)引起的。由從一次波和一次缺陷信號(hào)的時(shí)間差(對(duì)腐蝕缺陷約0.94ms,對(duì)凹槽約0.44ms)決定的接收MsS的缺陷布置與已知缺陷距MsS的位置非常吻合。假設(shè)缺陷信號(hào)幅度與缺陷的橫截面成線性比例關(guān)系,
對(duì)100kHz波來(lái)說(shuō),其端部多次反射的衰減量大約是0.08dBm-1。這就是說(shuō)如果鋼管為100m長(zhǎng),其一次端部反射信號(hào)在幅度上將減少約16dB。因此采用MsS技術(shù),用單個(gè)探頭可一次探測(cè)很長(zhǎng)一段鋼管。
4、總結(jié)和建議
采用MsS技術(shù)對(duì)隔熱層下的鋼管進(jìn)行檢驗(yàn)的簡(jiǎn)單可行性試驗(yàn)表明:
(1)使用MsS技術(shù)可以檢測(cè)薄層和圓周分布的裂縫形缺陷
(2)只需裝一個(gè)探頭即可以檢測(cè)很長(zhǎng)一段鋼管(100m以上)而且,該試驗(yàn)所用的縱波遍布于整個(gè)壁厚。因此,不象渦流探傷只能檢測(cè)內(nèi)表面或外表面的缺陷,MsS技術(shù)對(duì)整個(gè)管體作99%檢測(cè)并可以檢測(cè)內(nèi)外表面缺陷。很長(zhǎng)一段鋼管只用一個(gè)傳感器就可對(duì)整個(gè)管體進(jìn)行檢測(cè),探頭與鋼管外表面之間允許有較大的間隙,被檢材料的溫度可達(dá)到居里溫度(鋼大約為724℃),這些優(yōu)點(diǎn)說(shuō)明MsS技術(shù)對(duì)隔熱層下鋼管進(jìn)行高效的在線探傷具有良好潛力。考慮到MsS的能力和它的潛在的優(yōu)點(diǎn),建議在下列領(lǐng)域繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā):
(1)應(yīng)用于大口徑鋼管和隔熱層的探頭的開(kāi)發(fā)
(2)對(duì)MsS檢測(cè)的能力和局限性進(jìn)行詳細(xì)研究,包括分辨率、缺陷特性、鋼管整體狀態(tài)的評(píng)估以及隔熱層厚度和成分對(duì)探頭特性和性能的影響
(3)其他幾何或結(jié)構(gòu)因素(如彎曲,分支,焊接頭)對(duì)波的傳播的影響以及因此對(duì)鋼管檢驗(yàn)產(chǎn)生的影響進(jìn)行仔細(xì)研究
(4)磁場(chǎng)檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)。因?yàn)榕cEMATs相比,MsS在設(shè)計(jì)和使用上更簡(jiǎn)單,因此在開(kāi)發(fā)MsS儀器方面相對(duì)更容易
(5)MsS在其他領(lǐng)域的應(yīng)用,如發(fā)電廠所用的鋼管檢驗(yàn)(如鍋爐、凝結(jié)器和超熱管)及石油和天然氣用管道方面的檢驗(yàn)。
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