大型承压设备不停机电磁无损检测技术及应用

作者:武新军       发布于:2016-06-02 08:00:00       浏览次数:2502次

机械学院科研进展简报

2016年第4期(总第22期)

编辑:科研管理科   日期:2016年5月20日


    一、项目简介

大型承压设备主要指广泛应用于大型火电机组、大型石油和化工成套等装置(如千万吨炼油、百万吨乙烯、百万吨煤液化等)中的锅炉、压力容器和管道等关键部件,具有高温、高压、深冷、大型化(如最大加氢反应器外径6800mm、厚度450mm、长度90m、重达2000多吨)及灾变后果严重等特点。近年来,能源需求的急剧增加和国家能源战略的实施,使这些装置面临逐步延长运行周期的巨大压力。以往采用每年停产进行检验维修来保证这些设备的安全,但传统的检测方法可达性差、效率低,难以满足不停机检测的要求,严重影响了我国的能源安全保障。

在国家系列科研项目的支持下,基于承压设备广泛使用铁磁材料和电磁检测具有非接触、速度快和穿透深的特点,项目组根据我国的具体情况,摒弃了发达国家采用的定点壁厚监测的技术方案,提出了利用常见材料损伤的不同电磁响应特征来实现大型承压设备不停机检测的创新路线。

具体创新点如下:

1)   揭示了大型承压设备常用材料腐蚀和应力损伤在不同电磁激励下的响应规律。

2)   开发了具有自主知识产权的三种电磁检测仪器与系统。

3)   提出了适用于不同材料腐蚀与应力损伤的四种电磁检测和结果评价方法。

4)   研究建立了大型承压设备不停机电磁无损检测技术与标准体系。

    本项目获得发明专利13项,其它知识产权7项,发表论文56篇,获省部级一等奖3项和2015年国家科技进步二等奖1项。成果已在数十家石油、化工和电力企业近百套大型成套装置上得到成功应用,对其运行周期科学延长3至6年发挥了关键作用,解决了长期困扰政府和企业的瓶颈性技术难题,极大地推动了承压设备安全科学技术的进步。

    在国际上首次制定了脉冲涡流和磁致伸缩导波检测标准,在ISO/TC135/SC4完成脉冲涡流国际标准提案,形成了大型承压设备不停机电磁无损检测标准体系。提出的主要标准如下:

① GB/T 26954-2011 焊缝无损检测 基于复平面分析的焊缝涡流检测

② GB/T 26641-2011 无损检测 磁记忆检测 总则

③ GB/T 12604.10-2011 无损检测 术语 磁记忆检测

④ GB/T 28705-2012 无损检测 脉冲涡流检测方法

⑤ GB/T 28704-2012 无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法

⑥ JB/T 10658-2006 无损检测 基于复平面分析的焊缝涡流检测

⑦ ISO/NP 20669 Non-destructive testing — Pulsed eddy current testingof ferromagnetic material components

本项目参加单位有中国特种设备检测研究院、华中科技大学、清华大学、爱德森(厦门)电子有限公司、江西省锅炉压力容器检验检测研究院、河北省锅炉压力容器监督检验院等。

下面对武新军教授团队承担的主要工作做一些介绍。

二、关键技术及主要创新点

创新一:揭示了大型承压设备常用金属材料腐蚀和疲劳损伤在不同电磁激励下的响应规律。

(1)建立了脉冲大电流激励大提离下的腐蚀减薄多涡流环检测模型

从经典涡流环等效理论与系统理论出发,将脉冲涡流信号等效为阶跃电流激励下的高阶系统的响应,得到了一种金属减薄损伤的多涡流环响应模型,扩展了涡流环理论,获得了承压设备常用金属材料在不同提离状态下不同厚度的脉冲涡流信号响应规律。

               1 多涡流环脉冲涡流检测模型


(2)获得了交流大电流和恒定磁场激励下管道腐蚀缺陷的磁致伸缩超声导波响应规律。

采用传递矩阵法推导出带保温层管道多层结构的频散方程,获得了频散曲线。

采用交流大电流和恒定磁场复合激励,获取材料空间磁场分布特性,阐明了基于时空变换技术的磁致伸缩导波单方向激励和接收原理,建立了磁致伸缩导波单方向检测模型。

磁致伸缩导波单方向控制方程如下

创新二:开发了具有自主知识产权的脉冲涡流和磁致伸缩导波高端电磁检测仪器与系统。

   (1)研制了可穿透保温层的壁厚减薄脉冲涡流检测系统,可检出保温层下5%的腐蚀减薄,打破国外技术垄断。

    提出了一种基于检测信号与周期延拓的纯噪声信号相差分的中值滤波算法,提高了脉冲涡流检测信号的信噪比。

     发明了基于局部磁饱和的瞬变磁场屏蔽效应削弱技术,突破了白铁皮的限制。

   2)研制出了可用于管道腐蚀非接触的远距离快速检测的磁致伸缩超声导波检测系统,可远距离非接触检测管道3%的横截面损失,打破国外技术垄断。

        研制了非接触式磁致伸缩导波传感器。

     开发了大功率电磁超声导波激励装置。

创新三:探明了大型承压设备不同工况下电磁检测信号的影响因素及其作用机制,提出了适用于不同材料腐蚀与疲劳损伤电磁检测和结果评价方法。

(1)参与提出了脉冲涡流腐蚀检测和评价的方法,获取了不同保温工况的影响特征,创建了脉冲涡流检测工艺,参与相关国家与国际标准制订。

2)提出了一种基于距离波幅衰减特性的超声导波信号分级方法,实现了对实际缺陷产生的管道横截面积损失的评价。获取了现场不同管道工况的最佳工作参数,创建了导波检测工艺,参与相关国家与国际标准制订。

针对压力管道的运行特点,对不同规格的铁磁性管道上不同直径、深度和数量的刻槽和锥形孔反射导波信号的灵敏度、衰减特性和信号特征进行了系统研究,并对数十千米压力管道检测数据进行分析和拆除保温层进行超声测厚验证。