（机械电子工程专业论文）hp裂解炉管渗碳层厚度测试方法的实验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 啪| i | f j i | i i i i i j i i i i f f j j i i i i i f f f | | i | i i 删 y 2 2 5 4 3 7 6 裂解炉管是石油化工裂解装置中的重要构件，在高温、氧化和渗碳介质中 并承受各种应力的条件下长期工作。管道内介质中的碳原子由碳势高的管内气氛 向炉管中扩散形成渗碳现象，渗碳会劣化炉管的材质并形成裂纹和空洞，最终导 致炉管的损坏。因此寻找一种能对裂解炉管渗碳层厚度进行无损检测的方法和装 置，在炉管可能发生损坏前就及时发现并更换是非常重要的。 目前针对裂解炉管渗碳层厚度进行磁性方法检测手段由于没有考虑到表面 氧化层磁性的影响和不同炉管材料成分和结构上的差异，且检测时采用的激励频 率为单一的低频率交流信号，信号的的信息量小，没有从根本上消除氧化层的影 响，其检测的结果不可靠。 为了解决目前难以对裂解炉管渗碳层厚度进行有效检测的问题，本文基于 涡流无损检测方法，以h p 合金系列裂解炉管内壁渗碳层为检测对象，进行了相 应的实验研究和数值模拟分析。其主要工作与结论如下： ( 1 ) 设计了以传统感应式线圈为敏感元件的检测探头和低通滤波信号调理 电路。通过实验研究了激励频率、激励电压、激励线圈匝数、裂解炉管管径等影 响因素对检测精度的影响。结果表明，使用线圈式传感器作为检测探头检测裂解 炉管渗碳层厚度时，激励线圈匝数对输出影响最大，其次为激励频率，激励电压 对测量影响最小。 ( 2 ) 设计了以巨磁阻元件为敏感元件的涡流检测探头和以相敏检波器为核 心的信号调理电路，通过实验，研究了激励频率、提离效应、终端效应和由磁滞 效应等因素对检测精度的影响。结果表明激励频率影响最大，当激励频率为 2 0 2 0 0 h z 时，随着渗碳层厚度的增减，基于g m r 的涡流检测探头输出电压的大 小也随之增减，在此频率范围外的激励频率下，探头的输出电压无明显变化。 ( 3 ) 在实验研究基础上，建立裂解炉管渗碳层涡流检测磁路数值模拟模型， 通过模拟，分析不同激励频率下探头磁路的磁场分布，进行检测激励磁路的优化， 以提高检测精度。 ( 4 ) 以m s p 4 3 0 单片机为核心，以i c l 8 0 3 8 作为信号发生器配以后继的功 率放大模块来实现正弦信号激励源，以z f 6 0 0 $ 相敏检波器加低通滤波实现锁相 l 摘要 放大技术的信号调理，并设计了便携式裂解炉管渗碳层厚度检测系统的硬件和软 件。应用中发现基于相敏检波的锁相放大电路与传统信号调理电路相比能较好对 夹杂着干扰信号的探头输出电压进行信号调理。裂解炉管渗碳层检测系统在实验 室的条件下可以分辨出0 2 m m 的渗碳层厚度差异。 关键词：渗碳层裂解炉管磁感应涡流m s p 4 3 0 硕士学位论文 a b s t r a c t c r a c k i n g f h r n a c et u b e ( c f t ) i so n eo ft h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t s f o r p e t r o c h e m i c a lc r a c k i n gd e v i c e ，w h i c hw o r ka t c o n d i t i o n so fh i g h t e m p e r a t u r e ， o x i d a t i o n , c a r b u r i z a t i o nm e d i u ma n db e a r i n gv a r i o u ss t r e s s e s t h ec a r b o na t o mi n m e d i u m 诵也m g hl e v e lc a r b o np o t e n t i a lp e n e t r a t e di nt u b ea n df o r m e dc o k ea n d c a r b u r i z a t i o n c a r b u r i z a t i o nc a nd e t e r i o r a t et h eq u a l i t yo ft u b em a t e r i a l sa n df o r m c r a c ka n dc a v i t y i ti sv e r yi m p o r t a mt os e e kam e t h o da n dd e v i s ead e v i c ew h i c hc a ni n s p e c tt h e t h i c k n e s so fc a r b u r i z a t i o nl a y e ri nt h ec r a c k i n gf u r n a c et u b e s 、析t l ln o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g a tp r e s e n t , c f tc a r b u r i z a t i o nl a y e rt h i c k n e s si n s p e c t i o nm e t h o db ym a g n e t i cd o n o tt a k ei n t oa c c o u n tt h ee f f e c to ft h es u r f a c eo x i d el a y e ra n dt h ed i f f e r e n c e so ft u b e m a t e r i a lc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r a l m o r e o v e r , t h ef r e q u e n c yo fe x c i t i n gf r e q u e n c yi sas i n g l el o w - f r e q u e n c y s i g n a l 、i t l ls m a l la m o u n to fi n f o r m a t i o n i td on o tc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ei n f l u e n c e o fo x i d i z el a y e r , a n dt h et e s tr e s u l t si su n r e l i a b l e i no r d e rt or e s o l v et h ec u r r e n tp r o b l e mi ne f f e c t i v ec a r b u r i z a t i o nt h i c k n e s s i n s p e c t i o no fc f t , t h i sp a p e rs t u d i e st h eh pc f tc a r b u r i z e dl a y e rt h i c k n e s sb ye d d y c u r r e n tm e t h o d t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) ap r o b ew a sd e s i g n e db yc o n v e n t i o n a li n d u c t i o nc o i l t h ee f f e c t so f e x c i t a t i o nf r e q u e n c y , e x c i t a t i o nv o l t a g e ，e x c i t a t i o nc o i lt u r n s ，c f td i a m e t e r , o nt h e i n s p e c t i o na c c u r a c yw e r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h ee x c i t a t i o nc o i lt u r n sh a v et h e g r e a t e s ti m p a c to nt h eo u t p u t , f o l l o w e db ye x c i t a t i o nf r e q u e n c y , e x c i t a t i o nv o l t a g eh a s t h ei m p a c to ft h em i n i l n u l i l ( 2 ) ap r o b ew a sd e s i g n e db yt h eg m rs e n s o r , a n dap h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t o rw a s d e s i g n e df o rt h ec o r eo f t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h ee f f e c t so ff a c t o r ss u c ha s e x c i t a t i o nf r e q u e n c y , l i f t o f fe f f e c t ，e n d - e f f e c ta n dh y s t e r e s i se f f e c to nt h ei n s p e c t a c c u r a c yw e r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a ti nt h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c yo f2 0 2 0 0 h z ，t h e s e n s o ro u t p u tv o l t a g ec a nb e t t e rr e f l e c tc h a n g e si nt h et h i c k n e s so fc a r b u r i z a t i o n i l l a b s t r a c t l a y e r w i t h o u tt h er a n g eo f e x c i t a t i o nf f e q u e n c y t h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ep r o b eh a s n os i g n i f i c a n tc h a n g e ( 3 ) a ni n s p e c t i n gm a g n e t i cc i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do ne x p e r i m e n t sd a t a w a sb u i l d e d w es i m u l a t e dt h em a g n e t i cf i e l di nv a r i o u so fe x c i t a t i o n 丘e q u e n c y a i m i n gt oo b t a i nt h eo p t i m a li n c e n t i v em a g n e t i ct oi m p r o v et h ei n s p e c ta c c u r a c y ( 4 ) am s p 4 3 0w a st a k e na s t h ec o r eo fs y s t e m ，埘也t h ei c l 8 0 38s i g n a l g e n e r a t o ra n daf o l l o w - u pp o w e ra m p l i f i e rm o d u l et oa c h i e v et h es i n u s o i d a ls i g n a l e x c i t a t i o n t h ep h a s e s e n s i t i v ed e t e c t o rz f 6 0 0 8a n dl o w - p a s sf i l t e rw a st a k e nt o a c h i e v et h e s i g n a lc o n d i t i o n i n g ap o r t a b l ec f tc a r b u r i z a t i o nt h i c k n e s si n s p e c t s y s t e ma n d i t sd a t ap r o c e s s i n ga n di t sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r es y s t e mw e r ed e s i g n e d t h ep h a s e l o c k e da m p l i f i e rc f f c u i tb a s e do np h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t o rc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a ls i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tc a nb eb e t t e rc o n d i t i o nt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e m i x e ds i g n a lo ft h ep r o b eo u t p u tv o l t a g es i g n a l c a r b u r i z e dl a y e rt h i c k n e s si n s p e c t s y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n si nt h el a b o r a t o r yc a ni d e n t i f ya0 2 m md i f f e r e n c ei n t h i c k n e s so ft h ec a r b u r i z a t i o nl a y e r k e y w o r d s ：c a r b u r i z e dl a y e rc r a c k i n g ；f u r n a c 2t u b e ；m a g n e t i ci n d u c t i o n ；e d d y c u r r e n t ：m s p 4 3 0 i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 渗碳层厚度检测方法国内外进展2 1 2 1 无损检测方法综述2 1 2 2 裂解炉管渗碳损伤无损检测方法3 1 2 3 裂解炉管渗碳层厚度无损检测技术总结7 1 2 4 裂解炉管渗碳层厚度无损检测方法选择1 l 1 3 本论文研究的难点及关键1 2 1 4 本文的研究思路和内容1 2 1 4 1 研究思路1 2 1 4 2 本文研究内容13 第二章感应式线圈传感器设计与实验研究1 4 2 1 前言。 2 2 感应式线圈传感器结构设计1 4 2 2 1 感应式线圈传感器工作原理1 4 2 2 2 感应式线圈传感器结构1 5 2 3 感应式线圈传感器实验系统1 6 2 4 感应式线圈传感器单因素影响实验研究1 7 2 4 1 线圈匝数的影响1 7 2 4 2 被测管径的影响1 8 2 4 3 激励电压频率的影响1 8 目录 2 4 4 激励电压幅度的影响1 9 2 4 5 渗碳厚度变化的影响2 0 2 5 感应式线圈传感器多因素影响实验研究2 l 2 6 d 、l ；：3 第三章磁敏电阻涡流传感器的设计与实验研究2 4 3 1 前言2 4 3 2 磁敏电阻涡流传感器工作原理2 4 3 3 磁敏电阻涡流传感器设计2 5 3 3 1磁敏电阻传感器用磁敏元件。2 6 3 3 2 磁敏电阻传感器用前置信号放大电路的设计。2 9 3 3 3磁敏电阻传感器用聚磁元件。3l 3 3 4 磁敏电阻传感器用偏磁元件。31 3 4 巨磁阻涡流探头实验系统的组成3 2 3 4 1 实验目的。3 2 3 4 2 实验对象。3 3 3 4 3 实验条件。3 3 3 5 直流实验数据分析与结论3 4 3 5 1直流实验数据分析3 4 3 5 2 实验结论3 7 3 6 巨磁阻涡流探头交流激励下各影响因素实验研究3 8 3 6 1 实验步骤3 8 3 6 2 激励电压频率的影响3 9 3 6 3 终端效应影响4 2 3 6 4 提离效应影响4 3 3 6 5 磁敏元件敏感方向的影响4 4 3 6 6 探头正反行程的影响4 5 硕士学位论文 3 7 小结4 8 第四章检测探头电磁场数值模拟4 9 4 1 前言。4 9 4 2 电磁场数值模拟的理论基础4 9 4 3 探头磁路电磁场数值模拟的有限元模型。5 1 4 3 1 探头磁路数值模拟的有限元模型51 4 3 2 探头磁路数值模拟的结果与分析5 2 4 4d 、结6 0 第五章便携式渗碳层厚度检测仪设计6 1 5 11 打言6 1 5 2 基于单片机的测试系统的总体设计6 1 5 3 基于单片机的测试系统的硬件电路设计6 2 5 3 1正弦激励电路设计。6 2 5 3 2 信号调理电路设计6 5 5 3 3 系统控制和处理模块设计6 7 5 3 4 输入输出和通讯模块设计6 9 5 4 基于单片机的测试系统的软件设计7 l 5 4 1 软件的总体框架7 1 5 4 2a d 转换和数据处理7 2 5 4 3 串口通讯。7 3 5 5 小结7 4 第六章结论与展望7 5 6 1结论7 6 6 2 展望7 6 参考文献7 7 研究成果及参加项目8 1 目录 致谢8 2 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 先进流程制造业追求生产过程的高效化和绿色化( 安全和环保) ，工艺条件 的极端化和系统规模的大型化已成为实现这一目标的必然途径【1 1 ，这也使得大型 流程工业装备面临安全可靠运行的问题。 乙烯是石油化学工业中最重要的基础原料，占有重要的地位，随着乙烯装置 规模的不断扩大，我国年乙烯生产能力达到5 3 3 万吨，占亚洲的1 7 和全球的 4 6 ，居世界第4 位【2 1 ，到2 0 1 0 年，我国乙烯装置的平均规模将达到5 4 万吨年。 届时我国乙烯生产能力将达到1 4 5 5 万屯年，位居世界第二位【3 】乙烯装置中关 键设备裂解炉的规模也相应扩大，裂解炉大型化成为乙烯工业发展必然趋势。为 了得到高的乙烯收率，国际上通过设计先进的大型裂解炉，实现高效的烃类热裂 解反应，如l u m m u s 公司的s r t 一裂解炉、l i n d e 公司的p y r o c r a c k l 1 裂解炉、 k t i 公司的g k - v 裂解以及k w k e l l o g g 公司的毫秒炉等【3 1 。这些大型化的裂解 炉特点是能在较短的停留时间内使裂解原料升到很高的温度，从而提高其裂解深 度。大型化裂解炉的特点使得裂解炉关键的构件裂解炉管应具有耐高温和高 传热强度的性能。 裂解炉炉管在高温裂解介质环境下工作，承受高温复杂环境所引起的各种损 伤，如微观组织劣化、结焦渗碳、弯曲变形、高温蠕变断裂等，这将引起裂解炉 管材料的塑性降低和发生脆性断裂，在开停车期间或在运行过程中发生断裂失 效，导致非计划性停车，一方面可以造成大量炉管的断裂失效，带来重大的经济 损失，另一方面，运行过程中由于炉管断裂造成裂解反应气泄漏，引起裂解炉内 的燃烧，诱发安全事故，会给生产带来巨大的损失，为了探索裂解炉管在运行中 各种损伤破坏机理和预防早期断裂失效，国内外从渗碳炉管的检侧、炉管断裂分 析以及焊接修复等方面进行了许多研究工作，以保证裂解炉长期安全可靠运行 陆7 】 o 在炉管选材方面，早期的裂解炉管材料是h k 型( c r 2 5 n i 2 0 ) ，但随着裂解反应 温度的提高，对裂解炉管耐热和抗渗碳能力提出了更高的要求，目前主要的使用 1 第1 章绪论 材料是抗渗碳和蠕变断裂强度高于h k 型的h p 型( c r 2 5 n i 3 5 和c r 3 5 n i 4 5 ) 【7 1 。 在微观组织劣化方面，研究表明炉管组织中骨架状碳化物是不稳定的，经高温长 期运行后，骨架状碳化物就会转变成网链状，运行时间越长，网链状碳化物会进 一步变成块状，出现蠕变孔洞，材料的强度和塑韧性下降【8 9 1 。日本曾对裂解炉 管的失效形式进行统计，渗碳及其引起的开裂失效占4 9 【l o 】，渗碳的研究主要 集中在渗碳机理和规律以及渗碳层组织方面【1 1 , 1 2 】，研究表明渗碳层中的碳化物主 要成分为m ，c ，而非渗碳层中的碳化物则为m ：，c 。 鉴于渗碳是裂解炉管主要 的损伤形式，有些研究人员着眼于渗碳层厚度的无损检测技术的研究，借此进行 裂解炉管寿命的评估和预测，保证裂解炉安全可靠运行，对提高乙烯工业重大装 备水平和保障大型裂解装置的安全可靠性具有重要的经济和社会意义。渗碳层厚 度的无损检测技术的研究主要有磁力测量【1 3 1 4 1 、电磁测量【1 5 】以及涡流探测方法 1 6 1 ，这些方法以在实验室中进行研究和标定居多，目前尚不能在工程中广泛应用。 这使得在役裂解炉管渗碳层无损检测成为亟待解决的技术问题。 1 2 渗碳层厚度检测方法国内外进展 1 2 1 无损检测方法综述 随着科学和工业技术的迅速发展，高温、高压、搞速度和高负荷已成为现代 工业的重要标志，但它是建立在材料高质量的基础上的，为了确保这种优异的质 量，必须采用不破坏产品原来形状，不改变其使用性能的检测方法，对产品进行 百分之百的检测( 或抽检) ，以确保其可靠性和安全性，这种技术就是无损检测 技术【1 7 1 。 无损检测技术就是在不损伤被测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺 陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零 部件、结构件等内部和表面的缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、 尺寸、分布及变化做出判断和评价。 无损检测技术的应用范围十分广泛，在机械制造、石油化工、造船、汽车、 航空航天和核能等工业中得到了普遍的应用。无损检测工序在材料和产品的静态 和动态检测以及质量管理中，已成为不可缺少的重要环节。 2 硕士学位论文 1 2 2 裂解炉管渗碳损伤无损检测方法 随着过程强化理论的发展和机械加工技术的提高，化工、航空航天、汽车工 业等过程工业领域 裂解炉管裂纹主要集中在焊缝和弯头部位，无损检测一般采取射线探伤，对 于乙烯裂解炉管焊接裂纹，我国一般根据中石化乙烯裂解炉幅射管维护检修规 程规定，焊缝射线探伤采用g b 3 3 2 3 8 7 标准，采用x 射线探伤，通过选择 合理的透照工艺参数如照射角度来提高裂纹的检出率，照射角小于1 0 0 时，裂纹 的检出率较高且变化不大：照射角超过1 5 0 时，裂纹的检出率随照射角的增大而显 著降低。因而控制好照射角非常重要【l 引。某石化企业用x 射线对焊接裂纹进行 探伤，照射角小于1 0 0 时，裂纹检出率达到7 0 ，照射角超过1 5 0 时，检出率为 5 0 i 1 9 1 。 幅射段弯头内壁裂纹由于现场工作条件的限制，采用便携式的) ，射线探伤， 易于操作，缺陷显示直观，但但当缺陷( 裂纹) 与尉线照射方向有一定角度时，可 能会产生漏检，并且从底片黑度来推测裂纹深度是不够可靠的。对于内壁裂纹超 声检测精度远大于射线检测但幅射段弯头材料晶粒粗大，同时又伴有晶粒的各向 异性，使用超声探伤时，会使超声波强烈散射，消耗大部分能量并产生草状回波， 使缺陷信号掩埋在杂波信号里，从而影响对缺陷的判定。中国石化总公司在1 9 9 1 年研制出用于幅射段弯头内壁裂纹检测的超声检测探头，对于裂纹深度大于l 3 壁厚的弯头能较准确地判定( 对大于1 2 壁厚的，按规程要求及时更换上新的弯 头) 【1 9 1 。 裂解炉管渗碳层厚度无损检测国外在上世纪8 0 年代初就开始展开研究，国 内也有大连理工大学在8 8 年申请了相关的专利2 0 1 ，这些研究有一个共同的特点， 都是基于磁性法的无损检测技术。裂解炉管所使用的材料属于f e c r - n i 奥氏体 钢，是顺磁性材料( 相对磁导率为1 ) 。但当这种材料渗碳后，基体中碳化物增 加，碳化物中以c r 元素为主，使基体含铬量降低，基体材料将由顺磁性变为铁 磁性( 相对磁导率为5 - 2 0 ) ，这为对渗碳层采用磁性无损方法检测提供了基础。 最早推出市场的渗碳层厚度检测装置是日本k e t t 研究所研制的l s t 一 2 2 0 0 h 型渗碳层自动检测装置，它通过一个激励线圈向裂解炉管发射激励磁场， 而其磁通密度是由与线圈与渗碳层这样的铁磁性材料间的距离来决定的。线圈靠 3 第1 章绪论 近铁磁性材料，磁通密度增加，从而使励磁线圈与放置在炉管表面的检测线圈之 间的祸合系数增大。磁线圈加一交流电压时检测线圈的感生电压就会随着探头 ( 线圈) 与铁磁性材料的距离减4 , c 渗碳层厚度的增加) 而增大。计算感应检测线圈 感应电动势检测裂解 炉管的渗碳层厚度见图1 1 ，但这种装置存在着2 个突出问题。首先是测量 准确性差，这是由于他们没能很好地消除表面氧化层磁性的影响，以及没有考虑 到由于炉管材料和几何形状不同产生的差另l j 2 。其检测电路采用放大加低通滤 波，再将滤波后的模拟电压直接送入交流电压表显示，检测电路比较简单。 图1 1 感应线圈式探头 f i g 1 - 1t h e i n d u c t i o nc o i lp r o b e 1 9 8 1 年美国埃克森研究和工程公司在在欧洲专利局申请了用于裂解炉管渗 碳层检测的技术，该技术充分考虑到裂解炉管表面氧化层的影响，利用涡流检测 中的趋肤效应，分别采用高频交流激励磁场，促使炉管中的磁通集中分布在炉管 的表面氧化层，低频的交流激励磁场促使炉管中的磁通穿透表面氧化层至炉管内 壁，再对检测线圈感应出来的电动势进行差分处理，得到反映渗碳层厚度的模拟 电压信号，其传感器结构与图一类似，信号处理电路上将差分后的模拟电压信号 经模数转换后在微处理器中进行数字滤波，提高了检测精度【捌。 国内的大连理工大学在1 9 8 8 年研制出解炉管渗碳层厚度自动检测装置，其 主要技术特点是对炉管表面氧化层进行饱和磁化来消除氧化层的影响【2 0 1 ，其激励 磁场为8 0 h z 的交流电磁场，磁场传感器为感应式线圈，传感器结构件图1 2 所 示【2 0 】。采用交流磁场激励的情况下，对磁场传感器和信号处理电路都有很高信噪 比要求，特别是在低频交流磁场下，感应式线圈的信噪比很低，如果裂解炉管渗 碳层厚度低于0 5 m m ，往往很难检出【2 0 2 3 】，日本k u b o t a 公司与1 9 9 2 年推出了基 于直流激励的裂解炉管渗碳层，如图1 3 所示该技术采用恒磁场作为激励源，利 用霍尔传感器检测检测裂解炉管表面的漏磁场，在消除表面氧化层方面，该技术 4 硕士学位论文 认为，当条形永磁体轴线与炉管表面相平行时，其磁场有能力穿透氧化层和未渗 碳管壁到达内壁渗碳层，而当条形永磁体轴线与炉管表面垂直时，其磁场仅集中 在氧化层附近，由于是恒磁场，无法使用线圈作为传感器，所以采用霍尔传感器， 在对两种情况的激励磁场下的传感器输出作差分处理后得到反映渗碳层厚度的 电信号【2 4 1 。 磁芯 图1 - 2 改进式感应线圈探头 f i g 1 2t h ei m p r o v e di n d u c t i o nc o i lp r o b e 图1 3l 、2 为永磁体，1 4 、1 8 为霍尔传感器 f i g 1 - 3 1 、2p e r m a n e mm s g n e t ，1 4 、1 8h a l ls e n s o r ( 摘自u sp a t e n tn u m b e ru s 5 1 0 5 5 1 5 1 ) 裂解炉管渗碳层厚度检测的精度不仅与检测激励磁场和传感器有关，还与 后续的检测信号处理电路的检测精度密切相关，新西兰的k js t e v e n s 在裂解炉 管的外壁上放置一个缠有7 0 0 匝漆包线的6 6 m m 长，2 7 m m 宽，3 2 m m 高的c 型 铁芯，对线圈施加2 0 到6 0 0 h z 的正弦交流信号，用锁相放大器来测量在不同渗 5 第1 章绪论 碳层厚度下线圈的阻抗变化，并将检测信号送入d p s 卡中进行数字信号处理， 取得了良好的检测结剽2 5 ，2 6 1 ，见图1 - 4 。该检测技术从本质上来说应该是属于单 线圈的涡流检测，传感器的结构简单，在低频率下检测的精度较低，但由于其检 测信号处理电路是基于互相关检测技术的锁相放大电路，能够检测微弱的信号， 并用d p s 卡进行了数字滤波才达到的良好的检测效果。 图1 _ 4 使用锁相放大器渗碳层检测系统 f i g 1 - 4c a r b u r i z e dl a y e rm e a s u r es y s t e mb a s e dl o c k - i na m p l i f i e r 随着材料科学的进步，特别是纳米技术的出现和巨磁阻抗现象的发现，带 来了新型的巨磁阻传感器，因其在低频和恒定磁场具有优异信噪比和对磁场方向 的敏感性使得其非常适合检测厚的不锈钢下缺陷和腐蚀。国外的研究人员做了大 量的研究工作，其中影响比较大的是美国n a s a 的研究报告，报告中w m c h e s k i 等人采用磁屏蔽和磁聚集来配置巨磁阻传感器，并通过对巨磁阻传感器施加于激 励磁场反方向同频率同相位的磁场来实现自调零和减小输出电压波纹，使其能够 检测到深埋于非铁磁性材料1 0 m m 的缺陷1 2 7 1 ，见图1 5 ：巴西s i l v a a 巨磁阻用于 裂解炉管的渗碳层检测，其方法为将巨磁阻传感器放置于炉管表面并使其敏感轴 方向平行炉管表面，在巨磁阻传感器正上方放置一磁铁产生恒定的激励磁场，通 过计算i n d e x = ( b , , 一) 来确定渗碳层厚度，其中为远离炉管的磁场 强度，k 为炉管表面的磁场强度。其检测结果由于检测手段简单，只能将 炉管的渗碳层分为3 个阶段，渗碳轻微i n d e x 约在0 1 左右，中等渗碳i n d e x 约 在0 5 左右，严重渗碳时i n d e x 在0 7 到1 o 【2 8 】，见图1 - 6 。日本h i r o n o b uy a m a d a 等人也做过类似的研究，使用巨磁阻传感器在低频交流磁场下检测2 m m 到1 0 m m 6 硕士学位论文 的多层结构( m u l t i - l a y e r e d ) 和连续( c o n t i n u o u s ) 铝板下的缺陷进行涡流无损检 测，研究表明多层结构铝板下的缺陷检测深度大于连续结构【2 9 1 ，在文献1 2 5 , 2 6 作 者在对裂解炉管渗碳层厚度涡流检测进行数值模拟时，就将其模型简化为多层平 板结构，其模拟结果也于实验吻合，表面巨磁阻传感器在裂解炉管渗碳层涡流检 测中取代传统的感应线圈传感器将会进一步提高检测的精度。 图i 5 美国n a s a 不锈钢深埋缺陷检测系统 f i g 1 5n a s ad e e pd e f e c td e t e c t i o ns y s t e mo fs t a i n l e s ss t e e l 图l - 6 巴西s i l v a a 巨磁阻渗碳层检测示意图 f i g 1 6d i a g r a mo fb r a z i ls i i v a ad e t e c t i o no fc a r b u r i z e dl a y e rb a s e do ng m r ( 摘自n d t & e3 9 ( 2 0 0 6 ) 5 6 9 5 7 7 ) 1 2 3 裂解炉管渗碳层厚度无损检测技术总结 如上所述的裂解炉管渗碳层厚度检测方法都属于磁性无损检测，按照检测 系统的结构，可分成传感器、磁化方式、信号处理电路3 个部分。 7 第1 章绪论 渗碳层厚度检测用传感器最常用的感应式线圈传感器和磁敏电阻传感器， 在性能上有各自的特点： 感应式线圈感应线圈传感器在无损检测中长期的通常包括一个线圈和一个 软磁性铁心，线圈响应磁场而输出的电压的可用法拉第定律( 1 ) 【3 0 1 表示： = n m 2 警，2 厂 ( 1 1 ) 为线圈匝数，舸z 为线圈面积，可见增加线圈匝数来提高信号的幅度，但线 圈的电阻也会随之变大，噪声的幅度见公式( 2 ) 【3 0 】： 圪咖= 4 4 k ：r a f 芘， ( 1 - 2 ) 也随之增加，传感器的信噪比s n r 为p 0 】： 三 s n r = 叫芘r 2 厂 ( 1 3 ) 因为感应线圈的s n r 随着线圈大小的减少迅速减少并且随着频率减少而线 性减小，这就使的感应式传感器缺乏处理高分辨率和低频率的情况能力。而在渗 碳层厚度无损检测中，由于要检测的部位位于炉管的内壁，所以需要低频率的交 流磁场来进行激励，激励磁场对被测导体的穿透能力受趋肤深度6 的限制，公式 1 3 1 】( 1 - 4 ) ： 5 = x l n f z o ( 1 - 4 ) 厂= 1 6 p 2 ，t 。 ( 1 - 5 ) 厂为激励磁场频率j u 和仃分别导体的磁导率和电导率，除非激励磁场的频率非常 低，否则高电导率材料的趋肤深度将会相当小，例如为了让铝合金趋肤深度达到 l 厘米( p = 1 和o = 1 7 x 1 0 1 7s e c 一1 ) 操作频率必须低于1 0 0 赫兹。公式( 1 5 ) 3 1 l 为简化的激励速深度频率计算公式，p 为电阻率，裂解炉管的厚度一般在6 m m 以上，新炉管电阻率一般为p 炉瞥= 3 1 0 - 6 q m ，代入( 1 5 ) 得f = - 2 0 h z ，如上 文所解释，一般的感应式传感器检验这样低频磁场下检测精度很难保证。 磁敏电阻目前在渗碳层厚度无损检测上使用最多的是巨磁阻传感器，这种 传感器是直接根据磁电阻效应直接测量磁场强度，而不是像感应线圈那样根据磁 8 硕士学位论文 场的变化来检测，因此巨磁阻传感器的频率响应范围从d c - - m h z ，具有良好的 低频响应使其非常适合检测这类深埋的缺陷。虽然根据磁电阻效应的高低可简单 的判断传感器的灵敏度，但我们更放心的判断依据是单位磁场变化下的电阻变化 即检测灵敏度，理论上磁阻传感器的灵敏度不随频率的变化而变化，但传感器的 灵敏度不仅和材料的磁阻效应有关还与传感器的背景噪声有关，所以多数磁阻传 感器的灵敏度由于l 厂噪声随着频率降低而减小，在高频下，有会被由传感器内 阻所引起的热噪声所限制，在拐点频率以下以低频率噪声为主，原因可认为是传 感器铁磁层磁性能的不稳定或内部部件电导率随时间的变化，拐点频率一般为 1 0 h z 到1 m h z 。尽管热噪声与传感器的检测电阻有关，但传感器低频下的灵敏 度与传感器检测部件体积的平方根成正比，所以增加检测部件的材料用量可以提 高传感器的低频性能，但这是在增大了传感器体积和制造成本，牺牲了高频性能 的基础上的，要根据实际情况进行取舍。图1 7 是几种商用的磁阻传感器的测灵 敏度与频率之间的关系，由于传感器的检测部件的体积不一样，所以不能说那种 灵敏度较高1 30 1 。磁化是实现磁性无损检测的第一步，它决定了被测量对象( 如 渗碳层、裂纹) 能否产生足够的可被测量和可分辨的磁场信号，同时影响着检测 信号的性能特性和检测装置的结构特性。主要包括磁化方式、磁化强度和励磁磁 路结构设计等方面。 l o 、 n 工1 0 - e , - 1 0 越 游l o 腻 1 0 图1 7 灵敏度与频率之间的关系 f i g 1 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e n s i t i v i t ya n df r e q u e n c y ( 摘自n v e a a 0 0 2 使用手册) 磁化方式按所用励磁磁源分为下述几种【3 2 】： 9 第1 章绪论 ( 1 ) 交流磁化在被测构件中，交流磁场易产生集肤效应和涡流，且磁化 的深度随电流频率的增高而减小，因此在种磁化方法适合检测构件表面或近表层 裂纹等缺陷，但交流磁化强度容易控制，在配置了灵敏度高的传感器下，材料内 部深埋的缺陷也可以检测到。 ( 2 ) 直流磁化分为直流脉动电流磁化法和直流恒定电流磁化法。前者在 电气实现上比后者简单，一般用于剩余磁场检测法中构件的磁化，在有源磁场检 测中，这一磁化会在检测信号中产生很强的交流磁场信号，增加检测信号处理的 复杂性，降低检测信号的信噪比。直流恒定电流磁化法对电流源具有较高的要求， 激励电流一般为几安培甚至上百安培。与交流磁化方式一样，直流磁化法磁化强 度可通过控制电流的大小方便地调节，但随着连续使用时间的加长，电磁铁的发 热是难以避免的。 ( 3 ) 永磁磁化永磁磁化以永久磁铁作为励磁源，它是一种不需电流源的 磁化方式，与直流恒定电流磁化方式具有相同的特性，但在磁化强度的调整上不 及直流磁化方式方便，其磁化强度一般通过磁路设计来保证。 磁化强度选择在磁性检测中，虽然检测目的不同，但磁化强度的选择首先 以缺陷或结构特征产生的磁场能否被检测到为前提，一般要求以足够强的磁场进 行励磁以获得磁敏感器件可以测量的磁场。另外，检测信号的信噪比和检测装置 的经济性等也应成为考虑的因素。很明显，随着磁化强度的加强，磁化器的体积 重量和成本将随之升高，通常需要激励磁场的强度要使被测材料到到深度次饱 和。 在磁性检测中，磁化被测构件的方式有直接通电流法、线圈法和磁扼法【3 3 】 等，其中磁