脉冲涡流测厚技术在压力容器中的应用.docx
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脉冲涡流测厚技术在压力容器中的应用
脉冲涡流测厚技术
在压力容器检测中的应用
摘要：
对于承压设备来说，壁厚检测是一项非常重要的项目。
通常情况下，只有在拆除绝缘层和表面处理后，才可使用超声波测厚仪进行检测。
而本文讨论的是一种新型的壁厚检测技术即脉冲涡流检测技术，利于该技术进行壁厚检测时不用拆除绝缘层，是一种即可行、简便、高效又经济、实用的方法。
关键词：
脉冲涡流超声波腐蚀测厚
CorrosionDetectionByMeansofPulsedEddyCurrentTechnique
Abstract:
Corrosiondetectionisaveryimportantitemforpressure-bearingequipment.Inusual,ultrasonicthicknessgaugesareusedforcorrosiondetectionafterallinsulationsremovalandsurfacetreatment.Herediscussedisanadvancedtechniqueofcorrosiondetection,pulsededdycurrentdetection,whichisafeasible,convenient,efficient,cost-effectiveandpracticalmethodwithoutremovinganyinsulationandpreparingsurface.
Keywords:
PulseEddyCurrent（PEC）UltrasonicCorrosion
ThicknessMeasurement
1前言
按照国家的现行检验规程，目前针对特种设备的定期检验，都是以宏观检验和壁厚测量为主，并规定在必要时可以辅以其它的专项检验措施如无损检测（包括UT、RT、MT、PT以及声发射和漏磁检测等）、理化检验（光谱、金相和应力测试等）或压力试验等。
其中，测厚是一项非常重要的检验项目，通过这种简单的手段可以很容易并十分快捷地了解设备的腐蚀状况。
然而，由于很多的特种设备如大部分压力容器和压力管道都带有绝缘层（热绝缘、腐蚀绝缘等），按照常规的方法在进行壁厚测量工作时，就必须去除设备外附的保温结构或防腐结构，有的还要对检测部位进行打磨（打磨会对设备本体造成一定程度的损伤）以适于测量。
在检测完成后还要花费很多的时间、人力和物力去恢复其原始的状态，结果证明这些工作都大大地增加了检测的成本。
此外，这种检测工作的模式还存在另外一些弊病：
那就是检测不全面，检测时间长，检测的效率较低。
另一方面，近年来很多用户对“降低成本，提高效率”的呼声越来越强，这也就在一定程度上确定了无损检测技术的发展趋势。
针对以上存在的问题，应该采用高科技检测设备，运用具有针对性的检验工作模式，建立一个不拆绝缘层的承压设备壁厚检测方法和评价体系，近而推动以“高效率、高质量、低成本”为主旨的后检测技术时代的发展。
因此，脉冲涡流检测技术也就应运而生，利于该技术进行壁厚检测时不用拆除绝缘层，本文就对此项技术进行简要介绍。
2检测原理
本文讲述的不拆绝缘层承压设备壁厚采用的是一种脉冲涡流检测法。
该方法的原理是利用脉冲发射机激发出一个变化的直流脉冲磁场，该磁场可以穿过一定厚度的保护层和保温层而诱发被测物体表面产生涡流，所诱发的涡流会从上表面向下表面扩散，但是强度会逐渐变弱。
同时，在涡流扩散的过程中又会产生与激励磁场方向相反的逆磁场，利用接收元件便可监控涡流磁场在金属壁厚中的衰减，将衰减信号与相关因素建立一种函数关系,通过对衰减信号的推导导出被穿透物体的厚度的检测方法。
图1为物体内涡流扩散及磁场产生的示意图，图2为系统工作机理图。
因为涡流信号在到达被测物体的边界时会发生突然衰变，所以磁场强度会迅速减弱。
一般来说，涡流信号在被测物件中的衰减时间与涡流的强度没有关系，而是和被测物体的本身的特性如电导率、磁导率以及被测物件的壁厚成一定的函数关系：
公式
（1）
其中，τ是衰减时间；c为常数；μ0为绝对磁导率；μr为相对磁导率；σ为电导率；d为壁厚
图1涡流扩散及其磁场示意图
壁厚
信号处理
待检工件
信号接收
脉冲信号
提离
高度
图2：
脉冲涡流检测系统工作机理
从公式
（1）可知，μ0、μr、σ是计算厚度值d的重要参数，然而在实际的检验工作中这些参数的实际数值不是很容易获得。
而如果在检验开始时先设定一个参考值（也是通过测量获取的），作为其它测量值的比对，这样在测量同一种材料时通过把一定信号特征的瞬态响应时间和参比值加以比较，即可计算出测量区域的厚度值。
在不知道被测物体壁厚的时候，可以用百分数形式显示。
另外，这种测量方法给出的是平均壁厚值而不是某一点的厚度值，因此不适合于局部腐蚀（尤其是点蚀或坑蚀）的测量。
图3为不同腐蚀形式的测量效果。
均匀减薄
平均壁厚
最小壁厚
最小壁厚
平均壁厚
平均壁厚
检测区域
检测区域
检测区域
最小壁厚
不均匀减薄
局部腐蚀
图3不同腐蚀形式中平均壁厚与最小壁厚的区别
从图3可以看出：
当物体表面同时存在有不同的腐蚀形式时，平均壁厚值与最小壁厚值的差别可能很大。
如图3所示，最终的检测结果为被检测区域的平均壁厚，对于不同的腐蚀情况，检测结果也有区别：
①如果被检测区域发生均匀腐蚀，检测结果能够比较客观的反映腐蚀状况；
②如果被检测区域发生不均匀腐蚀，检测结果就不能够比较客观的反映腐蚀状况，但在不停机的前提下检测结果具有一定的参考价值，可以判断被检容器是否发生腐蚀；
③如果被检测区域发生局部腐蚀或者点蚀，检测结果经过主机处理后给出被检测区域的平均壁厚不能反映真实的腐蚀状况，也不能准确确定局部腐蚀或者点蚀的具体部位，如果容器发生此种类型的腐蚀就需要停机做常规传统的全面检验。
3检测设备
锅炉压力容器检测站2007年4月25日至2007年5月24日对哈萨克斯坦中油阿克纠宾股份公司扎那诺尔油田油气处理厂七套装置及其他共253台压力容器进行在线不停机检测，获取了大量的基本数据,进行压力容器进行在线不停机检测使用的就是脉冲涡流检测法，使用的设备名称叫InCoTest，该设备正是应用了脉冲涡流检测技术，设备由荷兰生产，该系统的设备组成可见下图：
图4InCoTest设备组成图
该检测系统主要是由主机、电源系统（充电电池）、探头等组成。
主机是一台脉冲发射机，用于激发出一个变化的直流脉冲磁场；探头起到发射和接收涡流涡流信号的作用；主机上的电脑则是固定的数学建模，将衰减信号与相关因素通过数学推导给出被穿透物体的厚度。
图5：
具体检测实例（卧式铝皮保温容器）
图6：
具体检测实例（立式硅酸盐保温容器）
图5是检测时的主机屏幕显示。
左上部分为测量的数据结果；左下部分是以颜色表示的数据阵列；右上部分是系统控制参数；右下部分是信号的衰减曲线，曲线拐点对应的就是与壁厚有关的特征时间。
图5InCoTest主机屏幕显示
4技术具体应用
4.1同种曲率半径不同类型保温材料的压力容器壁厚检测
超声波测厚与脉冲涡流测厚检测结果比较
保温类型
工件工称
壁厚（mm）
超声波检测壁厚（mm）
涡流检测
壁厚（mm）
超声波检测与涡流检测误差（%）
铁皮保温
10
9.2
9.9
+7.6
20
19.2
20.1
+3.7
30
29.0
30.4
+4.8
铝皮保温
10
9.4
9.8
+4.3
20
19.3
19.7
+2.1
30
29.3
30.0
+5.8
硅酸盐保温
10
9.0
9.5
+5.6
20
19.1
20.8
+8.9
30
29.0
30.2
+4.2
从上表可看出，对于常见的铁皮、铝皮及硅酸盐三种保温材料，脉冲涡流测厚对铝皮保温的压力容器检测偏差最小，检测效果最好。
4.2同种保温下不同曲率半径的压力容器壁厚检测
超声波测厚与脉冲涡流测厚检测结果比较
容器半径
（mm）
工件工称
壁厚（mm）
超声波检测壁厚（mm）
涡流检测
壁厚（mm）
超声波检测与涡流检测误差（%）
R≤800
10
9.2
10.5
+14.1
20
19.2
21.6
+12.5
30
29.0
31.8
+9.7
80010
9.4
10.6
+12.8
20
19.3
20.9
+8.3
30
29.3
31.7
+9.7
120010
9.5
10.6
+11.6
20
19.2
21.6
+12.5
30
29.5
31.6
+7.1
200010
9.5
10.5
+10.5
20
19.1
20.7
+8.4
30
29.0
30.5
+8.6
R≥3000
10
9.0
9.4
+4.4
20
19.1
20.1
+5.2
30
29.4
31.2
+6.1
注:
以上数据均为铝皮保温容器所测得。
从上表可看出，对于不同曲率半径的压力容器，容器的曲率半径越大,脉冲涡流测厚的误差越小，检测效果越好。
这种情况也说明脉冲涡流测检测时探头与容器吻合程度会直接影响检测结果，容器的曲率半径越大，探头与容器吻合面越接近于平面，吻合程度就越好，因此检测结果越精确。
4.3同种保温材料同种曲率半径不同壁厚的压力容器壁厚检测
超声波测厚与脉冲涡流测厚检测结果比较
序号
工件工称
壁厚（mm）
超声波检测壁厚（mm）
涡流检测
壁厚
超声波检测与涡流检测误差（%）
备注：
容器半径（mm）
1
6
5.8
6.8
17.2
1200
2
8
7.6
8.8
+15.7
1200
3
10
9.8
11.0
+12.2
1320
4
12
12.4
13.6
+9.7
1400
5
14
14.0
15.3
+9.3
1500
6
16
15.5
17.2
+11.6
1500
7
18
17.8
20.0
+12.4
1580
8
20
19.5
21.1
+13.3
1580
9
22
21.4
23.3
+8.9
1600
10
24
23.8
25.3
+6.3
1720
11
26
25.2
27.0
+7.1
1720
12
28
27.9
29.6
+6.1
1860
13
30
29.3
31.2
+7.2
1860
14
32
31.0
33.0
+6.5
1920
14
34
33.0
35.1
+6.4
1920
注:
以上数据均为铝皮保温容器,容器曲率半径尽量选择相同,但由于没有足够数量的压力容器.因此,测得以上数据压力容器曲率半径在1200mm至1920mm之间。
从上表可看出，对于同种保温材料同种曲率半径的压力容器，容器的壁厚越大,脉冲涡流测厚的误差越小，检测效果越好。
4.4同种保温材料同种曲率半径相同壁厚的压力容器在不同操作温度下壁厚检测
超声波测厚与脉冲涡流测厚检测结果比较
容器操作温度
（℃）
工件工称
壁厚（mm）
超声波检测壁厚（mm）
涡流检测
壁厚（mm）
超声波检测与涡流检测误差（%）
-29
22
21.2
23.5
+10.8
+20
20
19.4
21.6
+6.3
+50
22
21.0
23.0
+8.7
+80
20
19.8
21.2
+7.1
+100
20
19.0
20.5
+7.9
+120
22
21.8
23.6
+8.3
+150
24
23.2
25.1
+8.2
注:
以上数据均为铝皮保温容器,容器曲率半径及公称壁厚尽量选择相同,但由于没有足够数量的压力容器，因此,测得以上数据压力容器曲率半径在1500mm至1800mm之间，公称壁厚在20mm至24mm之间。
从上表可看出，对于同种保温材料同种曲率半径相同壁厚的压力容器,无论容器的操作温度多高,脉冲涡流检测误差没有规律性变化，说明脉冲涡流检测不受容器温度的影响。
4.5同种保温材料同种曲率半径相同壁厚的压力容器在不同保温层厚度下壁厚检测
超声波测厚与脉冲涡流测厚检测结果比较
容器保温层
厚度（mm）
工件工称
壁厚（mm）
超声波检测壁厚（mm）
涡流检测
壁厚（mm）
超声波检测与涡流检测误差（%）
80
20
19.3
20.5
+6.2
100
20
19.0
20.4
+7.4
120
22
21.6
23.5
+8.8
150
24
23.0
25.4
+10.4
200
24
23.2
无法测得
/
250
24
23.2
无法测得
/
注:
以上数据均为铝皮保温容器,容器曲率半径及公称壁厚尽量选择相同,但由于没有足够数量的压力容器，因此,测得以上数据压力容器曲率半径在1500mm至1800mm之间，公称壁厚在20mm至24mm之间。
从上表可看出，对于同种保温材料同种曲率半径相同壁厚的压力容器,保温层厚度越厚,脉冲涡流检测误差越大，当保温层厚度大于150mm时,就无法测得有效读数,说明脉冲涡流检测不适应于保温层厚度大于150mm的压力容器。
通过具体应用发现,脉冲涡流检测结果受保温材料类型、保温材料厚度、被检测压力容器曲率半径、被检测压力容器工程壁厚四个因素影响，被检测压力容器操作温度则对脉冲涡流检测结果没有直接影响。
5解决技术难题
5.1防止探头打滑，使探头与容器良好吻合
在检测过程中，技术人员发现如何使探头与被检测部位良好吻合成为最大的技术难题。
由于压力容器被检测部位全部是曲面，而探头与容器接触面则是一个平面，检测过程中技术人员需要手持探头靠在被检测部位，而大量的被检测部位的在容器正下方或者侧面，探头与被检测部位接触后仪器需要约二十秒反应时间，在这个时间内技术人员手持要保持稳定，不能有丝毫晃动，否则检测数据就发生漂移，需要重新检测。
在工作刚开始阶段，由于上述原因，大量的测点都需要重新测量，现场技术人员经过仔细分析，找到了对策，解决了这个难题：
1、在各种规格不同的探头与容器接触面上配备一个防滑垫，这样做不仅有效防止了打滑问题，同时解决了5.2中所述问题。
2、用紧绳器固定探头。
做一个类似长途货车紧固货物的紧绳器，但紧绳器的绑带则要窄很多，使之能与探头上的把手相匹配，对于一些特殊检测部位（尤其如被检容器的正下方），将紧绳器穿过探头，然后把探头移到被检测部位，找准检测位置后进行紧固，这样就很好的解决了在这些特殊部位打滑的问题。
5.2防止铁皮保温的压力容器涡流信号在铁皮中流失
现场容器主要保温材料是铝皮和铁皮，铝是一种不导磁的材料，但是铁就不一样了，脉冲涡流检测利用了电磁感应原理，往容器内部渗透的是一种涡流信号，但是接收到信号的实际是一种磁信号，对于不导磁的铝皮保温容器，脉冲信号100%可以透过铝皮保温向探头传播，但是对于导磁的铁皮保温容器，保温材料会吸收相当一部分脉冲信号，这导致剩余信号很弱，甚至无法使探头接收。
5.1中所叙述加防滑垫的方法不仅可以防止探头打滑，而且可以避免探头与容器直接接触，有效的解决了涡流信号在铁皮中流失的问题。
5.3发现缺陷信号后对有缺陷容器的处理
新厂1#、2#天然气处理装置检测过程中发现5台容器有缺陷信号，经过仔细分析缺陷信号，发现上述缺陷是真实存在的，但是如何判断缺陷面积大小及性质成为给5台容器下结论的关键。
经过分析，技术人员决定对缺陷容器从内部及外部同时进行超声波测厚并辅助使用超声波探伤仪（直探头）进行扫查，由此来判断5台有缺陷容器缺陷大小及性质。
容器从内部进行检查，未发现严重的大面积均匀腐蚀及点状腐蚀现象，仅存在轻微的表面均匀腐蚀（如下图所示），同时从内部和外部对缺陷部位进行了壁厚检测，综合内、外部壁厚检测的结果，将二者相加结果正好是容器公称壁厚，由此判定产生此种现象的原因是容器母材内部存在夹层。
同时使用超声波探伤仪用直探头对缺陷部位进行扫查，扫查发现夹层与自由表面的夹角小于10度。
综合以上检测结果，再参考相关标准，技术人员对5台存在缺陷的压力容器给出可以继续使用的结论（后来得知此举为业主挽救了四百余万元的设备，不包括停厂更换容器的损失）。
图6对有缺陷容器进行精确检测
由此，技术人员总结出一整套涡流测厚综合方法
是
停机拆除保温陷
涡流测厚判断是否缺陷
超声波精确测厚
无
超声波探伤仪扫查缺陷面积
给出检测结论
出具检测报告
在哈萨克斯坦中油阿克纠宾股份公司扎那诺尔油田油气处理厂七套装置及其他共253台压力容器在线不停机检测过程中，技术人员发现上述方法是具体可行的。
6应用前景
应用此项技术在不停机不拆保温层情况下进行检测，能为业主节约了宝贵的生产时间。
应用传统方法检测需要拆除保温，这将花费大量的人力物力，更要耗费大量时间，最主要的是检测需要在停机或者停厂条件下进行,而停止生产进行检测是业主最不愿意看到的情况,因为这样会给业主带来大量的经济损失。
因此，不停机不拆保温层情况下利用脉冲涡流对压力容器、压力管道进行测厚的检测检测方法有着广阔的应用前景。
就本次哈萨克斯坦中油阿克纠宾股份公司扎那诺尔油田油气处理厂七套装置及其他共253台压力容器进行在线不停机检测，应用此项技术检测253台压力容器共耗时30天，使用检测人员3人,如果利用传统检测方法同样需要检测人员3人,但需要至少十个辅助人工,至少花费60天时间方可完成。
同样的做法，在国内压力容器年度检测过程中也可以加入上述检测方法，即在年度检验的同时利用脉冲涡流对容器壁厚进行检测，在确保压力容器更加安全的运行的同时可以获得巨大的经济效益。
7结论
以上介绍了脉冲涡流测厚技术这种无损检测新技术。
在具体检测过程中，该技术受保温材料类型、保温材料厚度、被检测压力容器曲率半径、被检测压力容器工程壁厚等因素影响较为严重，而且对容器发生局部腐蚀和点蚀的部位不能精确检测，因此该项技术存在一定局限性，从实际应用角度出发，该技术并不能完全替代超声波测厚技术。
但是由于该技术不用拆除绝缘层就可以进行壁厚检测的特点，可以大大节省检测成本，并提高检测效率，因此该项技术无损检测领域必然将得到越来越广泛的应用。
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