带金属保护层构件脉冲涡流检测解析模型及应用

发布时间：2020-05-05 12:39

【摘要】：带金属保护层的管道、压力容器等承压构件在千万吨炼油、百万吨乙烯等大型成套装置中大量使用,局部大面积腐蚀引起的壁厚减薄严重影响其安全、可靠运行,因此,需进行定期检测。常规检测方法需要拆除保护层,效率低、成本高,脉冲涡流检测技术因穿透力强,可实现承压构件不停机检测,近年来开始广泛应用。然而,金属保护层的电磁屏蔽特性不仅使脉冲涡流的检测机理更复杂,也严重影响了其穿透能力和检测性能,给传感器研制和信号处理方法提出了挑战。本学位论文围绕带金属保护层构件脉冲涡流检测模型和方法展开研究。首先,根据承压设备结构和材料特点,通过分析构件和保护层所在区域的磁场方向,改进经典截断区域展开式法(Truncated region eigenfunction expansion,TREE),提出基于罗宾边界条件的带保护层构件脉冲涡流检测解析模型,提高了模型求解精度。其次,针对现有模型将构件缺陷等效为均匀壁厚减薄,仅能获取缺陷一维尺寸的问题,提出含二维平底盲孔缺陷构件(以下简称平底盲孔构件)脉冲涡流传感器检测解析模型,并求解了同轴式传感器和非同轴Transmitter-Receiver传感器(以下简称TR传感器)两种情况下模型的解析解,解决了现有方法只适用于非铁磁性材料构件和矩形截面接收线圈TR传感器解析解难于计算的问题。然后,以上述模型为基础,从传感器和信号处理方法两个角度研究减小保护层电磁屏蔽特性的方法。传感器方面,通过研究保护层的屏蔽效能分布和传感器线圈系数特点,分析了同轴传感器和TR传感器的性能,明确了根据保护层材料选取传感器结构的原则;信号处理方面,通过分析脉冲涡流检测信号解析解的组成,提出与保护层等干扰因素无关的特征量—基于归一化信号相似性度量的特征量,并将其用于缺陷评估,结果表明,对于均匀壁厚减薄,其最小能检测减薄量7.5%的缺陷,对于平底盲孔,其能有效检测传感器覆盖区(3倍激励线圈外径)内的缺陷。最后,将上述研究成果集成在一起,开发具有信号仿真和缺陷定量评估功能的脉冲涡流检测信号仿真评估软件平台,并进行现场应用。本论文的研究工作丰富了脉冲涡流检测理论和方法,支持了国际标准《ISO20669:2017 Non-destructive testing—Pulsed eddy current testing of ferromagnetic metallic components》的编制,有助于推动脉冲涡流检测技术在带保护层承压构件检测中的进一步发展和应用。
【图文】：

承压构件,带保护层,典型失效,形式

(a) 压力管道 (b) 内壁腐蚀图 1.1 带保护层承压构件及典型失效形式带保护层承压构件的失效模式大致可分为“动”、“静”两种[4]。“动”指承压构件在生产过程中的频繁加、卸载或使用过程中温度和压力波动造成的交变应力引起的疲劳裂纹[5]。“静”一般指由于冲刷、电化学作用等在承压构件内、外壁均造成的局部大面积腐蚀[6]，如图 1.1(b)所示。腐蚀直接导致设备壁厚减薄，当壁厚减薄达到一定程度时，会突然爆裂，引发事故。某石化企业对锅炉主蒸汽管道的统计分析表明，，由腐蚀引起的壁厚减薄造成的主蒸汽管道事故约占锅炉全部事故的 16.2%[7-8]；某单位对国内 200起压力管道事故进行统计分析，发现腐蚀引起的事故占所有事故的 10.6%；同时对国外399 起压力管道事故进行分析，发现腐蚀造成的管道事故高达 28.1%[9]。因此，检测和承压构件腐蚀缺陷对减少带保护层承压构件事故发生率至关重要。带保护层承压构件的保护层一般由 0.3-1.0 mm 的镀锌铁皮(又名白铁皮)、铝皮或不锈钢皮组成，其内部的绝热层通常由岩棉、聚氨酯、硅酸钙等非导电材料组成，厚度从

涡流检测,求解域,问题,脉冲涡流

华中科技大学博士学位论文。随后李勇将 TREE 法扩展到接收元件为 Hall 元件的情况，并考虑 Hall 元件的实寸，推导了空间中磁感应强度 B 的表达式，为磁敏元件的空间布置提供了理论基础方法的应用促进了解析模型的进一步发展，借助上述方法，脉冲涡流检测中的很多得到了解决。如 de Haan 等[41]从感应电压解析表达式中提取出了与线圈结构相关的式，称为线圈系数，表征了不同波数对脉冲涡流检测信号的贡献程度，并提出利用系数优化线圈参数的方法；陈兴乐等[42]通过比较测量得到的感应电压和解析模型计到的感应电压，确定构件厚度、电导率和磁导率；Tian 等[43]利用脉冲涡流检测解析分析了接收元件为 Hall 元件时，提离交叉点(Lift-Off Invariance, LOI)的特性，提出除提离的方法等。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.28

【参考文献】