毕业设计（论文）-焦炉煤气管道腐蚀机理研究及在线监测系统设计.doc

学学 号：号：xxxx HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕 业业 论论文文 GRADUATE THESIS 设计题目：设计题目：焦炉煤气管道腐蚀机理研究及在线监测系统设计焦炉煤气管道腐蚀机理研究及在线监测系统设计 学生姓名：学生姓名：xxxxx 专业班级：专业班级：xxxxxxx 学学 院：机械工程学院院：机械工程学院 指导教师：指导教师：xxxxxxxx 2013 年年 05 月月 23 日日 河北理工大学信息学院 - 摘 要 以网络为载体的青少年违法犯罪屡有发生，并呈逐年上升之势。类型也多 种多样。网络是新时代的产物，青少年是祖国的未来，民族的希望。青少年处 在不稳定的时期，很容易走上网络犯罪的道路。青少年的成长关系到国家将来 的繁荣和发展。网络犯罪是一种新型的犯罪活动，这类犯罪的隐蔽性和危害性 较之传统意义上的犯罪更大。青少年成为网络犯罪的主力军，这使得犯罪人口 的年龄前移，从而加剧了社会环境的不稳定性。因此，加强对青少年网络犯罪 现象的研究，采取有效的防控措施，具有十分重要的社会意义。 本文共五部分。第一部分写了民间借贷的研究背景，研究意义，青少年网 络犯罪的概念和研究方法。第二部分写了民间借贷的研究背景和研究意义。第 三部分写了青少年网络犯罪类型及特点。第四部分写了网络对青少年的影响。 第五部分写了我国青少年犯罪的成因关于遏制青少年网络犯罪的具体措施。最 后一部分是总结 关键词 青少年；网络犯罪；对策 Abstract -I- Abstract To the network as the carrier of juvenile delinquency has happened repeatedly, and showed an upward trend. Various types of. The network is the product of the new era, young people are the future of the motherland, the hope of the nation. Youth in the period of instability, easy to go on the network crime. The growth of adolescents in relation to the prosperity and development of the national future. Network crime is a new crime, the crime of concealment and hazard than the traditional sense of the crime more. Young people to become the main force of network crime, the crime of population age advancement, which exacerbated the instability of the social environment. Therefore, strengthening the research on the phenomenon of juvenile cyber crime, take effective prevention and control measures, has important social significance. This paper consists of five parts. The first part of the study background, wrote borrowing the research significance, concepts and research methods of juvenile cyber crime. The second part write the research background and research significance of folk lending. The third part write the types and characteristics of juvenile cyber crime. The fourth part of the influence on the youth. The specific measures wrote the fifth part of the causes of juvenile delinquency in China about the containment of juvenile cyber crime. The last part is the summar. Keywords Adolescent; network crime; countermeasure 目 录 -II- 目 录 毕业论文.I GRADUATE THESIS.I 设计题目：焦炉煤气管道腐蚀机理研究及在线监测系统设计.I 学生姓名：张福强.I 2013 年 05 月 23 日.I 摘 要.I ABSTRACT .II 第 1 章 绪论.1 1.1 研究背景.1 1.2 研究意义.1 1.3 相关问题的研究.2 1.4 对焦炉煤气管道腐蚀的原因及检测.3 第 2 章 焦炉煤气的腐蚀机理.6 2.1 焦炉煤气管道的腐蚀种类及原理.6 2.2 焦炉煤气管道腐蚀的影响因素及自身抵抗因素.6 2.3 焦炉煤气管道腐蚀的物理或化学变化反应过程.8 第 3 章 焦炉煤气管道剩余壁厚的管内的检测方法.10 第 4 章 焦炉煤气管道腐蚀连续检测的具体实施方案.14 4.1 超声波检测技术.14 第五章 超声波检测方案设计.17 5.1 超声波探头的选择.17 5.10 本章小结.26 结 论.27 参考文献.28 谢 辞.29 河北联合大学机械工程学院 -0- 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 从 1970 年 8 月以来，管道运输业在我国范围内得到了飞速发展。它是与铁 路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业。在经济建设中发挥着非常重 要作用。但是随着管道铺设的增多，一些管道的老化，以及不可避免的腐蚀和 损坏，使管道事故频频发生。其中焦炉煤气管道含有 H2S、C02和水等腐蚀性介 质。特别是在积水管段，管道内壁因电化学腐蚀穿孔，由于煤气的成分复杂多 样，内含多种杂质，再加上设计、施工等方面的诸多不合理因素造成腐蚀，腐 蚀问题给企业造成了巨大的经济损失，同时也威胁到了正常的输气生产。因为 煤气具有易燃、易爆、剧毒等方面的有害特性，被腐蚀的煤气管道可能带来的 巨大危害。腐蚀严重时会导致管道穿孔、开裂而使煤气泄漏，造成火灾、爆炸 以及人身中毒、伤亡等恶性事故，因此研究煤气管道内壁的腐蚀及防护具有十 分重要的意义。据统计，一半以上的管道事故是管道内腐蚀造成的。所以，多 年来对输气管道腐蚀控制技术的重点均集中在管道内腐蚀的研究与控制技术的 应用方面。随着内腐蚀控制技术的不断提高，管道内腐蚀事故开始逐年减少。 从另一方面考虑，为了提高能源的利用效率，及时检测管道腐蚀程度，解决管 道问题也是非常重要的。在生产过程中如何对焦炉煤气管道进行合理检测，并 获取及时有效的信息成为一个重要问题。因此，深入研究焦炉煤气管道的腐蚀 机理，合理选择焦炉煤气管道剩余壁厚的管内连续检测方法是本文的重点问题。 1.2 研究意义 随着科技的进步以及国家相关政策法令的出台,如国务院关于特大安全事故行政责任 追究的规定 ，管道使用单位对管道的安全性能越来越重视。随着政府有关职能部门的改革， 对焦炉煤气管道的安全监察也日益重视。经过对旧管道的修复、修理及更换，发现主动进 行有计划的“修复”比管道事故后的“修理”代价小得多，有效地避免了恶性事故的发生，大 大地提高了社会效益和经济效益。而修复的基本要求是对管道的走向与埋深、管道的腐蚀 防护系统进行准确的检测与评价，其结果对管道的安全运行起着关键作用。因而，如何进 行科学有效的检测以及制定综合检测技术与方案，目前尚未全面解决管道腐蚀检测问题的 方法仪器与相应的技术方案。因此，开展管道综合检验检测技术研究具有重要的现实意义 第 1 章 绪论 -1- 1.3 相关问题的研究 目前，管道检测机器人的研究研究得到了世界各国的高度重视，也得到了我们国家部委和相关相关 行业的重视。大量的管道检测维护需求为管道检测机器人的研究研究开发和应用提供了广阔的 市场空间，将逐渐成为一项十分巨大的产业工程。管道检测机器人是集无损检测技术、机 器人控制技术、计算机技术、数据分析和处理等多项技术于一体的实用化工程。国外关于 燃气管道检测机器人的研究研究始于世纪四十年代，由于年代微电子技术、计算机技 术、自动化技术的发展和进步，国外的管道检测机器人技术于年代初得到了迅猛发展， 研制了许多实验样机，取得了大量的研究研究成果，正逐渐接近于应用水平。日本学者于 年研制成功了振动式管道检测机器人，其工作原理是在机器人的外表面装有若干 与机器人本体成一定角度的弹性针，靠弹性针的变形使管道检测机器人压紧在管道内壁上。 管道检测机器人的机身内装有由电动机驱动的偏心重物，当偏心重物旋转时，产生的离心 力使弹性针变形、滑动，从而带动。 管道检测机器人系统的研究研究是一项十分巨大的产业工程，得到了世界各国的高度重视。 经过多年的研究研究与发展，国内外已经在管道检测机器人领域取得了大量的研究研究成果，管道 检测机器人的技术得到了迅猛发展，但从总体技术水平来看，管道检测机器人的研制和开 发在国内外都还处于发展阶段，距离大规模实用化还有一定的差距，主要面临以下几个方 面的问题。 （）能源供给问题由于能源和通信的限制，目前研制的机器人在管道内移动距 离短，较难满足工程实际中长距离检测作业的需求。如果机器人连续进行作业，电池的能 量将无法提供给机器人长时间运行和操作，一旦电池能源消耗过大，机器人就面临着有去 无回的危险。 （）通信问题在通信方面，管道检测机器人在管道内进行检测、维修等作业 时，需要随时与外界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管道内部环境的信息传递给 外部的控制台，并接受操作人员的命令，因此，实现高效、可靠、准确的远程通讯是管道 检测机器人正常工作的必要条件。有线引起摩擦，无线有时距离保证不了。 （）对带有各 种弯管接头的复杂管道的通过性问题从管道机器人的国内外研究研究情况可以看出，机器人的 管内运动机理和驱动方式是各国学者研究研究和关注的一个重要问题。针对不同直径的管道， 各国学者提出了多种不同的运动机理和驱动方式，如振动式，螺旋驱动式、多足爬行式、 多关节蠕动式、磁轮驱动式等，并根据这些运动机理和驱动方式设计了各种行走机构方案， 研制了实验样机。但从已经取得的研究研究成果来看，目前研究研究的管道检测机器人，大部分只 能运行在一般的直管道内，而能够顺利通过工程中广泛应用的弯管、变径管、 “”型管等复 杂管道的管道检测机器人还处在实验开发阶段，通用性和实用性较差，特别是对于主动轮 式管道机器人，国内所做的研究研究，大多针对单一管道环境的假设，在考虑弯管、变径管、 “”型管等各种管道接头的复杂管道环境下，对机器人的运动方式、行走机构、管内运动 控制和导航所做的研究研究很少。这也是制约管道检测机器人实用化的一个重要因素。因此， 河北联合大学机械工程学院 -2- 研究研究适应各种复杂管道环境的机器人仍然有着很高的学术价值和实用价值。 （）在复杂管 道环境下的运动导航及定位问题在复杂的管道环境中，为了减轻操作人员的负担以及提高 机器人的性能，机器人具有管道内自主运动导航及定位能力是非常必要的，但这有赖于先 进的管内环境参数识别技术作保证。当前，国内外围绕管道机器人对复杂管道环境的适应 性来研究研究其管道内运动，控制问题的研究研究尚不多见。目前研究研究的机器人普遍智能化程度较 低，在复杂管道环境下的运动导航及定位自治性差，且受管道任务工作空间的限制，机器 人传感器集成度不高，携带各种传感器和检测作业装置的能力差，所能进行的检测和作业 任务还比较单一。在非结构环境中，视觉对管道检测机器人具有重要意义，利用视觉，可 以识别管内环境（如是否拐弯，是否有支管等） ，识别机器人的姿态（是否有转体，相对于 作业位置的距离等） ，从而进行自主导航控制。因此，在管道检测机器人中采用机器视觉技 术，可以有效地克服现有传感器的不足，有利于提高其控制性能和自主能力，并对管道检 测机器人的智能化进程有重要意义。进入年代后，机器人视觉引导和自适应控制已逐 渐成为机器人研究研究领域中具有较高应用价值和挑战性的一个热点，并取得了很大的成果。 1.4 对焦炉煤气管道腐蚀的原因及检测 焦炉煤气的组成 组分H2COCO2CH4CmHnN2O2 %(V)54.0-59.05.0-8.02.0-4.023.0-27.02.0-3.03.0-6.00.2-0.4 焦炉煤气中的杂志含量（mg/m3） 名称焦油笨萘硫化氢二氧化 碳 二硫化 碳 氨噻吩类 杂质含 量 微量2000- 5000 30010010080-10030020-50 从表中可以看出，焦炉煤气中硫化氢含量偏高，PH 值对腐蚀的影响，大气温度 的影响，煤气流速的影响，管道中冷淋水的影响，煤气中焦油含量的影响。 焦炉煤气的可燃成分种类较多，除 H2和 CH4外，还有少量的 CO 和 CmHn，热 值较其他两种煤气也大很多，而高炉煤气和转炉煤气的主要可燃成分均为 CO， 转炉煤气中 CO 含量较高，因此其毒性在三种煤气中也最大。煤气除上述主要成 分外，还含有多种杂质，各种杂质的存在也是煤气管道腐蚀的最主要原因。焦 炉煤气中杂质种类晟多，一般含有焦油、灰尘、萘、氨、硫化氢、苯类、氰化 第 1 章 绪论 -3- 氢等，其中硫化氢对管道的腐蚀危害最大，各大钢铁企业的焦化厂虽然设有多 种脱硫设备，但由于技术手段的限制，煤气中硫化氢的含量仍然相对较高，较 好的企业能够达到200mgm3的水平，普通的企业仅为400l000mg/m3，甚至更 高。高炉煤气中的杂质主要为灰尘，还有少量的氯化物和硫酸盐、碳酸盐。近 年来随着高炉煤气干法除尘设施的推广和应用，与传统的湿法除尘方式相比， 不但用水量大大降低，高炉煤气中的含尘量得到了有效地控制，一般能够达到 1020mgm3的水平。但高炉煤气干法除尘带来了新的腐蚀问题，煤气中氯化 物在干法除尘中不能被去除，大量存在于高炉煤气中，一般能达到 30005000mg/m3，若不及时处理，一旦氯化物融于凝结水中，不仅腐蚀碳钢材 料的煤气管道，还能腐蚀普通不锈钢材料的波纹管补偿器，危害很大。转炉煤 气中的主要杂质也为灰尘，还含有少量的硫酸盐、碳酸盐，对煤气管道的腐蚀 主要表现为灰尘对管道内壁的冲刷，硫酸盐和碳酸盐为一般酸性腐蚀。 管道发生腐蚀后，通常表现为管壁变薄，出现局部的凹坑和麻点。管道内 腐蚀检测技术主要是针对管壁的变化来进行测量和分析的。在没有开挖的情况 下进行的管道内腐蚀检测。一般有漏磁通法、超声波法、涡流检测法、激光检 测法和电视测量法等。其中目前国内外使用较广泛的是漏磁通法和超声波法， 它们可以提供管道沿线的焊缝、支管接口、阀门、管壁厚度变化、防腐层剥离、 裂缝等信息。 漏磁通法主要是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性上，腐蚀缺陷处的磁 导率要远正常钢管处的磁导率，外加磁场后管道被磁化，当钢管中无缺陷时， 磁力线绝大部分通过钢管，磁力线分布均匀，当钢管内部有缺陷时，磁力线就 会发生弯曲，一部分磁力线泄漏出钢管表面。检测被磁化钢管表面逸出的漏磁 量，就可以判断缺陷是否存在。 超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和 穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。脉冲反射法在垂直 探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波。脉冲反射法有纵波探伤和横波探伤。在 超声波仪器示波屏上，以横坐标代表声波的传播时间，以纵坐标表示回波信号 幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。因此可由缺陷回 波信号的出现判断缺陷的存在；又可由回波信号出现的位置来确定缺陷距探测 面的距离，实现缺陷定位；通过回波幅度来判断缺陷的当量大小。 涡流检测法是将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测的金属管外。 这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状的感应交变电流， 称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流的大小和频 率等有关外，还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以 河北联合大学机械工程学院 -4- 及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其他因素相对不变的条件下，用一探测 线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变化，进而 获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺 陷存在等信息。但由于涡流是交变电流，具有集肤效应，所检测到的信息仅能 反映试件表面或近表面处的情况。 河北联合大学机械工程学院 -5- 第 2 章 焦炉煤气的腐蚀机理 2.1 焦炉煤气管道的腐蚀种类及原理 焦炉煤气管道的腐蚀种类主要有四种。化学腐蚀、电化学腐蚀、生物化学 腐蚀和磨损与应力腐蚀。 化学腐蚀是土壤、空气或管道中各种化学介质与金属接触发生化学作用而 引起的，不发生化学能向电能的转化，腐蚀时整个金属表面流失较均匀，使管 壁变薄。化学腐蚀管道内和管道外都存在化学腐蚀。 电化学腐蚀是由于电极电位的不同，在金属表面形成一种微电池，金属在 电解质溶液中因失去电子而成为离子被溶解，形成阳极，电极电位较高的部位 得到电子，形成阴极，是与电流流动有关的一种腐蚀。大都发生在管道内。 生物化学腐蚀是由细菌生命活动而引起或加速金属破坏的一种腐蚀。自养需 氧型铁细菌和异样厌氧型硫酸盐还原菌为引起腐蚀的最普遍菌种。 磨损与应力腐蚀煤气中一般含有一定浓度的灰尘和其他固体杂质，灰尘等杂质 随煤气在管道内部流动时，将会对煤气管道内壁形成冲刷和磨损，固体杂质含 量越大，煤气流动速度越快，对管道的冲刷和磨损越严重。 几种腐蚀中以电化学腐蚀的危害最大，发生频率最大，往往造成钢管表面出现 凹穴，甚至穿孔。 2.2 焦炉煤气管道腐蚀的影响因素及自身抵抗因素 腐蚀的影响因素焦炉管道腐蚀受管道的材质本身、安装质量及防腐措施效 果直接影响，也与周围介质的特性及环境条件密切相关， 相对湿度 在一定温度下，干燥的空气对钢铁的腐蚀速度是很低的，只有在空气的相 对湿度增加到一定范围时，腐蚀速度才突然升高，这一大气相对湿度范围称为 临界湿度，经测定临界湿度约为 50%-70%。其原因为在低于临界湿度时，金属 表面不存在水膜。因此从本质上看，临界相对湿度也就是形成水膜时的相对湿 度。 温度 当管道表面处在比自身温度高的空气温度中，金属表面可能产生结露现象。 在临界湿度附近能否结露和温度变化有关，平均温度高的地区大气腐蚀速度较 大。温度的影响更主要表现在有温差的情况下，即周期性地在金属表面结露时 腐蚀更为严重。 河北联合大学机械工程学院 -6- 大气成分 工业大气中含有 SO2，H2S,CO2 灰尘等污染物质。其中 SO2 是危害性最大的 一种污染物，其腐蚀机理可由“酸的再生循环”作用来解释：SO2 首先被吸附 在管道表面上与氧一起生成 FESO4，然后 feso4 水解生成游离的硫酸，硫酸又 加速腐蚀钢铁，新生成的-再水解生成游离酸，如此反复循环，加速钢铁的腐 蚀。固体尘粒落在管道表面成为吸附水分子的凝聚中心。据试验测定：在相对 湿度 80%、含有 0.01%二氧化硫的空气中，混入灰尘，煤粒时对钢铁的腐蚀要比 不含这些尘土时增大 50%-100%。 土壤电阻率 电迁移对金属在土壤中腐蚀的电极过程有影响，用土壤电阻率来判断管道在士壤中的 腐蚀速度有时会出现误判的原因，某些酸性土壤中金属材料的腐蚀速度随土壤电阻率的增 大而增大，在某些含盐量高的土壤中金属材料的腐蚀速度不随土壤电阻率的减小而减小却 会增大。一般中性土壤电阻率较小的地带，容易加快电腐蚀。 含水量含氧量 含水量含氧量高的地方容易引起电腐蚀。 微生物 管道的微生物腐蚀（MIC）是在微生物存在的情况下，其在管道中进行生命活动，与 管道内环境相互作用，对管道产生的腐蚀作用。给水管道表面由于利用铸铁作为管材，其 表面如存在生物膜，金属表面与生物膜成为一整体，他们之间的作用使这个整体内部的 pH 值、有机物浓度、无机物浓度、溶解氧等有别于没有生物膜存在情况下的给水管道表面， 从而，使生物膜内部腐蚀的机理和速率与没有生物膜存在情况下有所改变。微生物的代谢 过程与电化学腐蚀同时发生，从而与电化学腐蚀互相促进，导致给水管道的腐蚀。在管道 中，导致腐蚀的两种微生物分别为好氧类细菌，如铁细菌和厌氧类细菌，如硫酸盐还原菌。 地层 地层构造不均匀的地带，如砂土、黏土、细沙、岩石和亚粘土等混合处。 磨损与应力腐蚀。 PH 值 盐、碱含量较高的地带。 壁厚可以直观地反应管道的腐蚀情况和抵抗外腐蚀的能力，因此壁厚是一 个影响管道外腐蚀的主要影响因素。另外，直观感觉天然气管道服役年限越久， 外腐蚀情况越严重。同样微生物细菌活动能促进并且加速腐蚀，即使能减低土 壤中的硫酸盐的细菌水平，也不可能完全遏制微生物细菌活动引发的对管道的 河北联合大学机械工程学院 -7- 腐蚀。 外部涂层是介于环境和管道之间起保护作用的一道屏障。涂层主要把管道 与土壤中的电解液隔离开来，不同类型的涂层具有不同的能力和局限性，但是 无论外部涂层类型和涂层的状况如何，确保系统绝对地正常工作是不可能的。 2.3 焦炉煤气管道腐蚀的物理或化学变化反应过程 化学腐蚀 煤气管道发生主要是酸性化学腐蚀，煤气管道的内表面与酸性气体或电解 质溶液接触发生化学作用而引起的腐蚀。煤气中的酸性物质在遇到冷凝水时溶 解于水中发生电离，电离出 H+，从而使冷凝水呈酸性。其中焦炉煤气主要是硫 化氢融于水后产生 H+，而高炉和转炉煤气主要是氯化物、硫酸盐等强酸弱碱性 的盐融于水后产生 H+，H+的活泼性比铁强，发生下述化学反应，造成管道腐蚀： 2H+Fe2Fe+H2 煤气管道在发生化学腐蚀后，破坏了管道表面的原有保护膜，杂质渗入铁晶体 内部，从而形成原电池，进而发生电化学腐蚀。 电化学腐蚀 金属电化学腐蚀是由于金属与其他杂质之间存在电位差，在有电解质溶液 的情况下形成原电池而发生的金属腐蚀，煤气管道材质一般是碳钢，碳钢主要 是由铁素体和渗碳体两种组织构成的机械混合物。管道接触同一电解质溶液 拎凝水，由于金属本身存在着电化学的不均匀性，即在金属表面或内部的不 同区域具有不同的电极电位，它们与铁元素组成许多对电极，当杂质电极电位 高于铁的电极电位时就会发生腐蚀反应。其主要过程可简单表示为：在阳极区， 铁溶解变成铁离子进入电解质溶液(凝结水)中并产生电子，而在阴极区，阳极 区产生的电子被电解质溶液(凝结水)中能吸收电子的物质(离子或分子)所接受。 当阳极反应与阴极反应等速进行时，腐蚀电流就不断从阴极区流经电解质溶液 (凝结水)进入阳极区，在阳极区产生 Fe(OH)2，其反应式为：Fe2+20H-Fe(OH) 2 因有少量的氧存在，Fe(OH)2会继续反应，生成 Fe(OH)2 如由于氢氧化铁在水 中的溶解度低于氢氧化亚铁，在管道上沉淀析出，开始时是非晶态，并在管壁 表面形成多孔的结合较差的腐蚀产物。该腐蚀产物对管壁并无保护作用，相反 起着传递铁离子和氧的作用，使腐蚀继续蔓延，腐蚀产物与氢氰酸发生络合生 成六氰合铁，进一步加速了管壁的腐蚀。 河北联合大学机械工程学院 -8- 一般认为，电化学腐蚀机理分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，析氢腐蚀发生在金属表面水膜的酸 性较强时，反应方程式为： 正极：2H+2e-=H2 电池反应：Fe2H2O=Fe(OH)2H2 总反应：Fe2+2H2O= Fe(OH)22H+ 吸氧腐蚀发生在管道表面吸附水膜酸性较弱时，反映方程式如下： 负极：Fe2e=Fe2+ 正极：O22H2O4e=4OH- 总反应：2FeO22H2O=2Fe(OH)2 给水管道中由于饮用水的 pH 都在 6-8 之间，主要发生的是吸氧腐蚀。 生物化学腐蚀 金属的微生物腐蚀机理尚不明确，目前有以下几种理论： 阴极去极化理论 浓差电池理论 沉积物下的酸腐蚀理论 阳极区固定理论 局部电池作用 代谢产物腐蚀理论 微生物腐蚀是一种参与电化学腐蚀的过程，因此，微生物腐蚀也是一种电化学腐蚀，由于 微生物是一种生命体，因此，研究微生物腐蚀的机理是一个复杂的过程，想要确定机理的 本质还需要化学学科，腐蚀科学，生命科学，有机科学等各个学科互相帮助，共同努力。 磨损与应力腐蚀 煤气中一般含有一定浓度的灰尘和其他固体杂质，灰尘等杂质随煤气在管 道内部流动时，将会对煤气管道内壁形成冲刷和磨损，固体杂质含量越大，煤 气流动速度越快，对管道的冲刷和磨损越严重。管道在焊接制作和安装过程中 产生的残余内应力，或者是管道在使用过程中所承受的各种应力，使金属品格 歪扭，从而降低了应力部分的金属电极电位，使它变成腐蚀电池阳极，形成裂 纹。 河北联合大学机械工程学院 -9- 第 3 章 焦炉煤气管道剩余壁厚的管内的检测方法 管道发生腐蚀后，通常表现为管壁变薄，出现局部的凹坑和麻点。管道内 腐蚀检测技术主要是针对管壁的变化来进行测量和分析的。在没有开挖的情况 下进行的管道内腐蚀检测。一般有漏磁通法、超声波法、涡流检测法、激光检 测法和电视测量法等。其中目前国内外使用较广泛的是漏磁通法和超声波法， 它们可以提供管道沿线的焊缝、支管接口、阀门、管壁厚度变化、防腐层剥离、 裂缝等信息。 检测方法的比较选择检测方法的比较选择 3.13.1 涡流检测技术涡流检测技术 原理：将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测的金属管外 （见图） 。这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状的感应 交变电流，称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流 的大小和频率等有关外，还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线 圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其他因素相对不变的条件下， 用一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变 化，进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的 变化或缺陷存在等信息。但由于涡流是交变电流，具有集肤效应，所检测到的 信息仅能反映试件表面或近表面处的情况。 漏磁通法漏磁通法 河北联合大学机械工程学院 -10- 漏磁通法检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性上，钢管腐蚀 缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率，钢管在外加磁场作用下被磁化，当钢管 中无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，磁力线分布均匀，当钢管内部有缺陷 时，磁力线发生弯曲，一部分磁力线泄漏出钢管表面。检测被磁化钢管表面逸 出的漏磁量，就可以判断缺陷是否存在。 超声波法超声波法 超声波检测原理：超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声 波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方 法。 脉冲反射法在垂直探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波。脉冲反射法有纵波探 伤和横波探伤。在超声波仪器示波屏上，以横坐标代表声波的传播时间，以纵 坐标表示回波信号幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。 因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在；又可由回波信号出现的位置来 河北联合大学机械工程学院 -11- 确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位；通过回波幅度来判断缺陷的当量大 小。 涡流检测 优缺点：涡流检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测,易于实现自 动化,但不适用于形状复杂的零件,而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷, 检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰。 漏磁通法 漏磁通法检测具有以下特点：测量原理简单，结构容易实现，测量精度较高； 检测时无需耦合剂，可实现非接触测量；不易漏检；受环境温度影响较小；信 号反馈快，易于采集和处理 优缺点：漏磁通法一般只限于管道表面和近表面的检测，管壁太厚，抗干扰能 力差，空间分辨力低。另外，小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但 很严重的缺陷处的信号大得多，所以，往往需要校验，特别是当管材中混有杂 质时，还会得到虚假数据。而漏磁通测量法具有原理简单、结构易于实现、传 感器适应性强、可实现非接触式测量等特点倍受关注。虽然该方法有诸多优点， 但由于实际磁路计算繁杂，影响磁路参数的非确定因素较多，设计时计算量大、 精度受限制，目前关于漏磁通法测量厚度的研究较少，主要集中在缺陷检测。 超声波的特点：超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播， 具有良好的指向性。超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。超 声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以 获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。超声波的能 量比声波大得多。超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声 波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如 果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到 金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收， 通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间 距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。 超声波探伤优点及缺点：超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度 快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显 示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于 保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺 陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。 河北联合大学机械工程学院 -12- 涡流法主要用于生产线上的金属管、棒、线的快速检测以及大批量零件如轴承 钢球、汽门等的探伤（这时除涡流仪器外尚须配备自动装卸和传送的机械装置） 、 材质分选和硬度测量，也可用来测量镀层和涂膜的厚度。 河北联合大学机械工程学院 -13- 第 4 章 焦炉煤气管道腐蚀连续检测的具体实施方案 4.1 超声波检测技术 基本原理 超声波检测步骤超声波检测步骤 1、检测前的准备 熟悉被捡工件（工件名称、材质、规格、坡口形式、焊接方法、热处理 状态、工件表面状态、检测标准、合格级别、检测比例等） ； 选择仪器和探头（根据标准规定及现场情况，确定探伤仪、探头、试块、 扫描比例、探测灵敏度、探测方式） 仪器的校准（在仪器开始使用时，在对比试块或其他等效试块上对扫描 线、灵敏度进行校验，对仪器的水平线性和垂直线性进行测定。 ） 探头的校准（进行前沿、折射角、主声束偏离、灵敏度余量和分辨力校 准。 ）仪器的调整（时基线刻度可按比例调节为代表脉冲回波的水平距离、深 度或声程。 ） 2、检测操作 母材的检验：检验前应测量管壁厚度，至少每隔90测量一点，以便检 验时参考。将无缺陷处二次底波调节到荧光屏满刻度做为检测灵敏度； 焊接接头的检验：扫查灵敏度应不低于评定线（EL 线）灵敏度，探头的 扫查速度不应超过150mm/s，扫查时相邻两次探头移动间隔应保证至少有10%的 河北联合大学机械工程学院 -14- 重叠。 3、检验结果及评级：根据缺陷性质、幅度、指示长度依据相关标准评级。 4、出具检测报告 注：有超标缺陷的焊接接头，其返修部位及返修时受影响的区域，均应按 原检验条件进行复检 超声波的一般特性：机械振动在介质中的传播过程叫做波，人耳能够感受 到频率高于20赫兹，低于20000赫兹的弹性波，所以在这个频率范围内的弹性波 又叫声波。频率小于20赫兹的弹性波又叫次声波，频率高于20000赫兹的弹性波 叫做超声波。次声波和超声波人耳都不能感受。 超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在 均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的 不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发 生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取 向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是 A 扫描式的，所谓 A 扫描显示方式即 显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是 超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在， 造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻 抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又 被探头接收到，在显示器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波 的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的 高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。 超声波检测法主要利用超声波的脉冲反射原理测量管壁腐蚀后的厚度。检 测时将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲，探头首先接收到由管壁内表面反射 脉冲，然后超声探头又会接收到来自管壁外表面的反射脉冲，这个脉冲与内表 面反射脉冲之间的间距反映了管壁的厚度。这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度 和位置的直接检测方法，检测原理简单，对管道材料的敏感性小，不受管道杂 质的影响，能够实现对厚壁大口径管道进行精确检测，还能分辨管道的内外壁 腐蚀、管道的变形、应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷，如夹渣等。 管壁厚度检测一般采用数字式超声波测厚仪，其原理是利用超声波脉冲在 材料中的往返传播时间与声速、声程的关系来计算被检工件的厚度。检测时， 可利用与被测管道材质相同的对比试块进行声速校准，也可在同一管段上材质 相同且厚度已知的法兰上进行声速校准。超声波测厚仪轻便、小巧、测量速度 快，尤其适用于登高作业及需要采集大量数据的场合。但超声波测厚仪对管壁 河北联合大学机械工程学院 -15- 减薄的测定也有一定局限性，试验证明无论何种形式的壁厚减薄，其反射声能 如小于2mm 当量缺陷，则用测厚仪很难检测出。对喷煤管道进行壁厚检测时， 测点附近很可能存在较深的局部减薄，因为测厚仪的点式检测特点有可能产生 漏检。对于存在较严重非均匀磨损减薄的水平弯管段试件，在已知最薄点的情 况下，以超声波测厚仪在管壁外表面进行测试，只有最薄点位于探头晶片中心 位置时才可发现，探头略微移动，示值即发生明显变化。试验证明，现场测试 时找到该点的可能性非常小，但在该点周围减薄区域检测时，可发现壁厚显示 值在5.0-6.4mm，可判断管壁存在非均匀减薄。对于均匀减薄的管壁，超声波测 厚可得到稳定准确的壁厚显示值，但对于非均匀减薄部位，例如存在凹槽状磨 损的弯头部位，测厚值很可能在较小的区域中呈现较大的变化，遇到该情况应 增加测点数量，提高测点密度，以便较准确地判断管壁状况。 采用超声波探伤仪检测壁厚减薄时，探头频率一般选择2.5-5MHz，探头晶 片尺寸根据管壁厚度和管径大小选用20-34mm。现场检测时，在完好均匀管壁处 调节检测灵敏度，使内壁一次回波高度达满屏的80%左右，此时管壁多次底波应 呈有规律的均匀递减。在此灵敏度下扫查管壁，观察反射波形变化，通过波形 幅值、间距和包络线形状等因素综合判定管壁减薄状况，并可通过扫查分析确 定较严重的减薄区域。采用 SCAN340超声探伤仪，以 B2S/24mm 纵波直探头扫查 管壁。 河北联合大学机械工程学院 -16- 第五章 超声波检测方案设计 5.1 超声波探头的选择 探头数量的选择 按探头数目分类定义特点 单探头法使用一个探头兼在发射 和接收超声波的检测方 法称为单探头法 对于与波束轴线垂直的 片状缺陷和立体缺陷的 检出效果好。与波束轴 线平行的片状缺陷难以 检出 双探头法使用两个探头（一个发 射，一个接收）进行检 测的方法称为双探头法 其主要用于发现单 探头法难以检出的缺陷。 多探头法使用二个以上的探头成 对的组合在一起进行检 测的方法，称为多探头 法 例如：相控阵检测方法。 选择方案：综合上面几种探头数量之分，探头数量不为一个时检测的比较全面立体。 本文研究的是焦炉煤气管道在线检测系统设计。最精准的不一定是， 最经济最合适，操作最简便的。本文采用单探头，并利用镜面 反射装置实现对管壁的周向扫描。工作时，探头的一个晶片发 出的宽频超声波经镜面反射，垂直射向管壁，另一个晶片接受 反射回的超声波。 选择理由：多探头与单探头的比较。从空间的角度考虑，多探头可以完成周向测量， 但是探头的数量过多，占用的空间过大。对于一个有限空间的装置来说，占用空间需合理。 从节能的角度考虑，探头数量多，无疑会使检测装置的质量加大，检测装置完成一次完整 的操作，会带动额外的质量而做工，损能严重，耗能量为单探头的十几倍，甚至几十倍。 从经济的角度考虑，购买的探头越多，开支越大。此外，单探头操作起来简单，比多探头 河北联合大学机械工程学院 -17- 更耐用。至于双探头法虽然也比较经济，也比单探头法精确，但是根据实际的需要，不容 易通过装置完成焦炉管道的周向操作。不能完成任务的方案首先要排除。综上，本文选用 单探头和一个镜面装置。 探头型的选择：探头型的选择： 原则为根据检测对象和检测目的的决定：原则为根据检测对象和检测目的的决定：例如：焊缝斜探头，钢 板、铸件直探头，钢管、水浸板材聚焦探头（线、点聚焦） ，近表面缺陷 双直探头，表面缺陷表面波探