程東岳

(浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020)

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電磁超聲高溫測厚技術在導熱油爐能效測試中的應用

程東岳

(浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020)

在不切斷工藝管道的條件下，對導熱油爐進行能效測試的關鍵是準確測量高溫導熱油的循環(huán)流量，而循環(huán)流量測試的難點之一是高溫管道實際壁厚的測量。本文介紹了一種基于磁致伸縮效應的電磁超聲(EMAT)測厚技術，檢測過程無需使用耦合劑，且支持非接觸檢測，能夠對運行中的高溫管道進行壁厚測量。文章結合高溫導熱油循環(huán)母管的測厚應用實例，對電磁超聲測厚技術的原理、特點等進行闡述，分析總結了利用電磁超聲測厚的技術優(yōu)點。

電磁超聲；高溫測厚；能效測試

0 引言

導熱油爐具有工作壓力低、熱傳導效率高等優(yōu)點，已廣泛應用于石化、紡織、印染和橡膠等行業(yè)。鍋爐熱效率是衡量鍋爐能否高效運行的主要指標，隨著經濟的發(fā)展，國家對鍋爐熱效率的要求也不斷提高，《特種設備安全法》明確對鍋爐節(jié)能提出了要求。而在能效測試時，由于導熱油介質溫度較高，循環(huán)母管實際壁厚的測量始終是一個技術難點，采用常規(guī)測量方法往往存在可操作性差、結果誤差大，甚至無法測量等一系列問題。本文采用電磁超聲技術對高溫管道進行壁厚測量，操作簡便且無需使用耦合劑，通過現(xiàn)場應用證明了測量方法的可靠性。

1 能效測試中壁厚測量存在的問題

在進行能效測試時，由于循環(huán)母管溫度達280℃以上，采用高溫流量檢測儀進行流量在線測試時，必須對管道實際壁厚進行測量，才能準確進行循環(huán)流量測試。在實際測厚過程中主要存在以下問題：

1)采用傳統(tǒng)壓電超聲高溫測厚儀僅能測量280℃以內管道壁厚，當超過280℃時測量結果誤差變大，甚至無法正確顯示讀數；

2)由于傳統(tǒng)壓電超聲高溫測厚儀需要使用耦合劑，耦合劑的性能對測厚影響較大，隨著溫度的升高，導致探頭與管道耦合不良，使儀器讀數不穩(wěn)定；

3)傳統(tǒng)壓電超聲高溫測厚儀對管道表面粗糙度要求較高，需要對高溫管道表面進行打磨除銹后才能進行測厚，耗費人力較大且檢測效率低。

4)非接觸空氣耦合超聲技術受空氣與檢測對象之間巨大的特性聲阻抗差影響，尚無法應用到金屬及高密度氧化物的檢測中，目前僅在復合材料中應用廣泛。

2 電磁超聲高溫測厚技術原理

電磁超聲測厚的基本原理是利用電磁效應來產生聲波，在通電線圈外附加永久磁體，通過改變線圈與磁體的結構以產生不同模式和類型的聲波(如圖1所示)；電磁超聲探頭由線圈和磁體構成，測量時將探頭置于被測工件表面，對探頭內的線圈通以交變電流，產生交變磁場，此時感應出渦流并分布于工件表面；若在線圈上再增加一個垂直于被測工件表面的磁場B，將會在工件內產生洛倫茲力FL，使其內部自由電子開始高速運動，并與晶格離子發(fā)生碰撞，引起質點的振動，從而產生超聲波；另外，外加磁場和交變磁場共同作用同樣會產生磁致伸縮力FM，也能產生超聲波；聲波向下傳播遇到工件底面后被反射回來，回波在磁場中產生渦流并被線圈接收，接收到的微弱信號經由前置放大器放大后，可以用示波器進行觀察，通過計算超聲波在工件上下表面間的傳播時間，即可換算得到工件厚度[1]。

圖1 電磁超聲測厚技術原理

聲波在不同溫度的材料中，傳播速度會隨著材料的溫度變化而變化，即使是同種材料在不同的溫度下，其聲速值也會發(fā)生變化，因此電磁超聲在高溫測厚時需要通過溫度差進行聲速補償計算，其補償后聲速近似計算公式為：

(1)

式中：Vtwo為材料溫度變化后聲速值；V0為材料起始參考溫度下聲速值；Ttwo為材料溫度變化后溫度值；T0為材料起始參考溫度值。

3 電磁超聲測厚技術優(yōu)點

隨著科技的進步，電磁超聲的換能效率得到了提高，換能器的體積也逐漸減小，目前已經克服了在被檢工件內激發(fā)信號弱的問題，在缺陷檢測、高溫測厚等領域得以迅速發(fā)展。電磁超聲靠電磁效應激發(fā)和接收超聲波，能量轉換在被檢工件內直接進行，不需要耦合介質進行耦合，而傳統(tǒng)的壓電超聲能量轉換發(fā)生在壓電晶片上，聲波進入被檢工件需要耦合劑耦合。這種在工件內部激發(fā)超聲波的電磁超聲測厚技術具有無需耦合劑、不受表面條件限制、支持非接觸檢測、適合高溫環(huán)境等優(yōu)點，最高測厚溫度可達800℃，測量精度達到0.01mm，解決了導熱油爐高溫管道實際壁厚的測量難點。

4 高溫測厚應用實例

對某印染企業(yè)導熱油爐進行能效測試，設計壓力1.1MPa，最高工作溫度350℃，管道規(guī)格為273.0mm×10.0mm，采用礦物導熱油作為熱載體。通過紅外測溫儀測得管道壁溫為323℃，對管道進行打磨除銹后，采用MMX-6型高溫測厚儀(采用常規(guī)壓電超聲探頭)進行壁厚測量，測厚儀顯示異常無法讀數，而采用Powerbox-H型電磁超聲測厚儀對同一管道進行測厚時，檢驗所得掃描信號完好，回波清晰可見，數據結果穩(wěn)定，通過檢測該高溫管道實際壁厚為9.80mm。現(xiàn)場測試情況如圖2所示。圖2(a)顯示為管道的壁溫實測值；圖2(b)為高溫管道電磁超聲測厚儀現(xiàn)場測厚。

圖2 高溫管道電磁超聲現(xiàn)場測厚

5 結束語

電磁超聲高溫測厚技術是一種較為先進而又實用的壁厚測量方法，可廣泛應用于鍋爐能效測試、石化裝置RBI(基于風險評估的設備檢驗技術)風險評估等領域。我院已成功將電磁超聲技術多次運用到導熱油爐的能效測試中，取得了良好的測試效果，相信這項技術將在特種設備檢驗檢測中發(fā)揮更大的作用。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.05