电磁超声高温测厚技术在导热油炉能效测试中的应用

程东岳

(浙江省特种设备检验研究院，杭州 310020)



电磁超声高温测厚技术在导热油炉能效测试中的应用

程东岳

(浙江省特种设备检验研究院，杭州 310020)

在不切断工艺管道的条件下，对导热油炉进行能效测试的关键是准确测量高温导热油的循环流量，而循环流量测试的难点之一是高温管道实际壁厚的测量。本文介绍了一种基于磁致伸缩效应的电磁超声(EMAT)测厚技术，检测过程无需使用耦合剂，且支持非接触检测，能够对运行中的高温管道进行壁厚测量。文章结合高温导热油循环母管的测厚应用实例，对电磁超声测厚技术的原理、特点等进行阐述，分析总结了利用电磁超声测厚的技术优点。

电磁超声；高温测厚；能效测试

0 引言

导热油炉具有工作压力低、热传导效率高等优点，已广泛应用于石化、纺织、印染和橡胶等行业。锅炉热效率是衡量锅炉能否高效运行的主要指标，随着经济的发展，国家对锅炉热效率的要求也不断提高，《特种设备安全法》明确对锅炉节能提出了要求。而在能效测试时，由于导热油介质温度较高，循环母管实际壁厚的测量始终是一个技术难点，采用常规测量方法往往存在可操作性差、结果误差大，甚至无法测量等一系列问题。本文采用电磁超声技术对高温管道进行壁厚测量，操作简便且无需使用耦合剂，通过现场应用证明了测量方法的可靠性。

1 能效测试中壁厚测量存在的问题

在进行能效测试时，由于循环母管温度达280℃以上，采用高温流量检测仪进行流量在线测试时，必须对管道实际壁厚进行测量，才能准确进行循环流量测试。在实际测厚过程中主要存在以下问题：

1)采用传统压电超声高温测厚仪仅能测量280℃以内管道壁厚，当超过280℃时测量结果误差变大，甚至无法正确显示读数；

2)由于传统压电超声高温测厚仪需要使用耦合剂，耦合剂的性能对测厚影响较大，随着温度的升高，导致探头与管道耦合不良，使仪器读数不稳定；

3)传统压电超声高温测厚仪对管道表面粗糙度要求较高，需要对高温管道表面进行打磨除锈后才能进行测厚，耗费人力较大且检测效率低。

4)非接触空气耦合超声技术受空气与检测对象之间巨大的特性声阻抗差影响，尚无法应用到金属及高密度氧化物的检测中，目前仅在复合材料中应用广泛。

2 电磁超声高温测厚技术原理

电磁超声测厚的基本原理是利用电磁效应来产生声波，在通电线圈外附加永久磁体，通过改变线圈与磁体的结构以产生不同模式和类型的声波(如图1所示)；电磁超声探头由线圈和磁体构成，测量时将探头置于被测工件表面，对探头内的线圈通以交变电流，产生交变磁场，此时感应出涡流并分布于工件表面；若在线圈上再增加一个垂直于被测工件表面的磁场B，将会在工件内产生洛伦兹力FL，使其内部自由电子开始高速运动，并与晶格离子发生碰撞，引起质点的振动，从而产生超声波；另外，外加磁场和交变磁场共同作用同样会产生磁致伸缩力FM，也能产生超声波；声波向下传播遇到工件底面后被反射回来，回波在磁场中产生涡流并被线圈接收，接收到的微弱信号经由前置放大器放大后，可以用示波器进行观察，通过计算超声波在工件上下表面间的传播时间，即可换算得到工件厚度[1]。

图1 电磁超声测厚技术原理

声波在不同温度的材料中，传播速度会随着材料的温度变化而变化，即使是同种材料在不同的温度下，其声速值也会发生变化，因此电磁超声在高温测厚时需要通过温度差进行声速补偿计算，其补偿后声速近似计算公式为：

(1)

式中：Vtwo为材料温度变化后声速值；V0为材料起始参考温度下声速值；Ttwo为材料温度变化后温度值；T0为材料起始参考温度值。

3 电磁超声测厚技术优点

随着科技的进步，电磁超声的换能效率得到了提高，换能器的体积也逐渐减小，目前已经克服了在被检工件内激发信号弱的问题，在缺陷检测、高温测厚等领域得以迅速发展。电磁超声靠电磁效应激发和接收超声波，能量转换在被检工件内直接进行，不需要耦合介质进行耦合，而传统的压电超声能量转换发生在压电晶片上，声波进入被检工件需要耦合剂耦合。这种在工件内部激发超声波的电磁超声测厚技术具有无需耦合剂、不受表面条件限制、支持非接触检测、适合高温环境等优点，最高测厚温度可达800℃，测量精度达到0.01mm，解决了导热油炉高温管道实际壁厚的测量难点。

4 高温测厚应用实例

对某印染企业导热油炉进行能效测试，设计压力1.1MPa，最高工作温度350℃，管道规格为273.0mm×10.0mm，采用矿物导热油作为热载体。通过红外测温仪测得管道壁温为323℃，对管道进行打磨除锈后，采用MMX-6型高温测厚仪(采用常规压电超声探头)进行壁厚测量，测厚仪显示异常无法读数，而采用Powerbox-H型电磁超声测厚仪对同一管道进行测厚时，检验所得扫描信号完好，回波清晰可见，数据结果稳定，通过检测该高温管道实际壁厚为9.80mm。现场测试情况如图2所示。图2(a)显示为管道的壁温实测值；图2(b)为高温管道电磁超声测厚仪现场测厚。

图2 高温管道电磁超声现场测厚

5 结束语

电磁超声高温测厚技术是一种较为先进而又实用的壁厚测量方法，可广泛应用于锅炉能效测试、石化装置RBI(基于风险评估的设备检验技术)风险评估等领域。我院已成功将电磁超声技术多次运用到导热油炉的能效测试中，取得了良好的测试效果，相信这项技术将在特种设备检验检测中发挥更大的作用。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.05