一种用于高温压力管道损伤检测的电磁超声检测装置

本发明涉及电磁超声检测，具体地涉及一种管道损伤检测装置。

背景技术：

1、高温压力管道所处的工作环境普遍比较恶劣，在介质压力波动、温度波动和管道振动等因素的综合影响下，管道会产生微观损伤。这些微观损伤会随着时间的累积导致材料的力学性能逐渐下降。早期疲劳损伤的产生和累积过程大约占据了管道寿命的80％~90％，而这些早期的疲劳损伤往往不易被及时发现。随着疲劳损伤的不断累积，高温压力管道的承载能力会逐步降低直至突然失效，严重时可能引发泄漏爆炸事故，不仅给生产企业造成巨大的经济损失，更会危及人民群众的生命安全。

2、研究发现，材料力学性能的退化、结构的微小损伤和闭合裂纹的产生等都会造成超声波传播的畸变，引发谐波滋生、边频带形成等非线性声学现象。对此，可通过非线性超声检测技术解决。非线性超声检测技术是利用含缺陷材料的非线性声学响应对材料损伤进行表征与定位的技术。在管道上进行非线性超声检测时，可以使用电磁超声换能器。电磁超声换能器作为一种非接触式换能器，不需要通过耦合剂与被测材料耦合即可进行检测，对管道试件表面的包裹层不敏感，因而适合用于管道超声检测。

3、现有技术中，电磁超声换能器通常采用电磁铁或单一方形永磁体提供偏置磁场来进行检测。但是，由于磁铁下方线圈不同位置的磁通密度相差较大，会导致激励信号不纯净的情况出现；此外，由于电磁铁需要额外电源且永磁体需要使用其余固定装置在管道表面进行固定，使得检测装置难以在管道上随意移动，检测范围受限。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种用于高温压力管道损伤检测的电磁超声检测装置，该电磁超声检测装置采用增强磁通密度设计，可以保证激励信号的纯净，提高了检测准确度；并且该种检测装置中的探头具备环形位移能力，具备较强的灵活性，保证了更大的电磁超声检测范围，大幅提高了工作效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

3、一种用于高温压力管道损伤检测的电磁超声检测装置，包含被测管道和用于固定所述被测管道的管道支架，其特征在于，所述管道支架包含支撑环体、连接在所述支撑环体上的滑动导轨和用于将所述被测管道固定在所述支撑环体中间的多根定位杆；该种电磁超声检测装置还包含安装在所述滑动导轨上的，且进行圆周滑动的电磁超声探头，所述电磁超声探头包含磁铁部和与所述磁铁部连接的线圈部；所述磁铁部包含磁铁卡座和安装在所述磁铁卡座中的磁铁，所述磁铁为三块烧结钕铁硼磁铁制成的方形磁体阵列。

4、由此，被测管道为需要被检测的高温压力管道，通过管道支架将电磁超声探头安装在高温压力管道的外表面的检测位，实现对高温压力管道的检测作业。管道支架包含金属的支撑环体，其上设置有多个安装孔，使得定位杆可以通过上述安装孔穿入，并于末端抵触压紧高温压力管道的外壁，二者可以使用螺纹配合的方式进行安装，通过调整各定位杆的旋入长度可以保证被检测的高温压力管道被固定于管道支架的正中心位置。支撑环体上连接有滑动导轨，滑动导轨围绕支撑环体的内壁环形设置一周，形成一个完整的圆弧支撑轨道。

5、电磁超声探头滑动安装在上述滑动导轨上，可以在滑动导轨上进行圆周位移。电磁超声探头作为激励信号源使用，其包含磁铁部和与磁铁部连接的线圈部，线圈部靠近被测管道设置，但与被测管道的外壁表面不直接接触。磁铁部包含磁铁卡座和安装在磁铁卡座中的磁铁，磁铁包含三块烧结钕铁硼磁铁制成的方形磁体，且三块方形磁体组成hallbach阵列。钕铁硼磁铁是由钕、铁、硼（nd2fe14b）形成的四方晶系晶体，钕铁硼的居里温度为 320℃-460°c,可以很好的在高温管道测试环境中工作。hallbach阵列为海尔贝克阵列，是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场，halbach磁环是将磁铁径向式与平行式排列结合在一起。在本技术中将三块钕铁硼磁铁按照平行式排列可在较小的整体磁体体积下实现预定偏置磁场的激发，相比于电磁铁或单一方形永磁体提供偏置磁场的传统方式，可以提高磁通密度强度，进而保证激励信号的纯净。

6、工作时，线圈部通入一定频率的正弦交变电流，正弦交变电流在被测管道表面感应出涡流，感生涡流在磁铁提供的偏置磁场下产生交变的洛伦兹力会引发质点振动，质点振动会以纵向导波的形式沿被测管道轴向传播，到达被测管道另一侧后发生反射；线圈部再将接收到的振动信号转化为电压信号进行分析。如果被测管道中没有微裂纹等损伤，回波中不会出现倍频非线性分量；如果中存在微损伤，回波中则会出现基频的高阶倍频分量，还会出现缺陷回波。通过现有技术中的上位机和运行在上位机上的非线性超声检测分析软件，对接收到的回波信号进行分析，自动计算得到微损伤的具体位置，完成对被测管道内微损伤的检出与定位和评价。

7、本装置中，通过电磁超声探头在滑动导轨上的圆周滑动，可以对被测管道进行圆周检测，扩大了电磁超声检测范围，不需要多次拆装换位，有利于提高检测效率；线圈部靠近被测管道设置，但与被测管道的外壁表面不直接接触；磁铁部包含磁铁卡座和安装在磁铁卡座中的磁铁，磁铁包含三块烧结钕铁硼磁铁制成的方形磁体，且三块方形磁体组成hallbach阵列，由该阵列排布的磁体避免了磁铁部下方不同位置的磁通密度相差较大而导致的激励信号不纯净的情况发生，检测更加精准，结果更加可靠。

8、作为本发明的优选，所述电磁超声探头包含安装在所述磁铁部上的导轨滑块，所述导轨滑块包含块体、用于扣合所述滑动导轨的滑动槽和安装在所述块体侧面的操作把手。

9、由此，磁铁部远离被测管道的一端安装有导轨滑块，导轨滑块用于带动磁铁部围绕被测管道进行圆周运动，二者可以通过螺栓固定连接。块体上设置有用于扣合滑动导轨的滑动槽，其具有光滑内表面，可以保证滑动导轨与块体之间顺滑的相对运动；块体上的侧面还设置有操作把手，该把手可以为可拆卸安装，其主要用于方便操作人员手动控制电磁超声探头的转动位移，进而对被测管道进行圆周范围的检测。

10、作为本发明的优选，所述磁铁部和所述导轨滑块之间设置有高度垫片，所述高度垫片用于调节所述线圈部和所述导轨滑块的固定间距。

11、由此，针对于不同管径的被测管道，为了保证线圈部与被测管道的间距为最适间距，特在磁铁部和导轨滑块之间设置高度垫片，磁铁部和导轨滑块之间可以采用螺栓式连接，高度垫片可套接在螺栓上，通过增减高度垫片的数量或更改高度垫片的厚度，可以控制线圈部与被测管道之间的距离，从而控制感生涡流的强度，实现对导波强度的控制。

12、作为本发明的优选，所述磁铁部包含用于容纳所述磁铁卡座的磁铁外壳313；所述磁铁外壳侧壁上开设有通线口。

13、由此，磁铁卡座用于固定磁铁，磁铁外壳用于固定磁铁卡座。通过磁铁卡座与磁铁外壳的可拆卸分体式设计，可以方便地更换磁铁卡座以及里面的磁铁，以适应不同管道检测环境，增加整个装置的适用性。并且在复杂的工况下，磁铁外壳可以保护其中的磁铁不受磕碰伤害。磁铁外壳侧壁上开设有通线口，该通线口用于将线圈部连接的电线线缆从远离被测管道的方向引出，配合线缆上的耐高温耐腐蚀保护层，可以最大程度得保证整个装置的工作稳定性。

14、作为本发明的优选，三块所述方形磁体的长度和高度相等，宽度比为2：1：2；且三块所述方形磁体组成hallbach阵列。

15、由此，经过计算机仿真模拟，可以确定当三块方形磁体的长度和高度相同时，三者宽度比为2：1：2时整体磁性强度表现最好，感生涡流在其提供的偏置磁场下产生交变的洛伦兹力引发质点振动最优，可保证激励信号的纯净，提高检测准确度。

16、作为本发明的优选，所述支撑环体上设置有环形的刻度标线；所述导轨滑块上设置有用于对齐所述刻度标线的基准标线。

17、由此，为了方便工作人员识别检测位置，确定被测管道损伤点位置，特设置针对电磁超声探头的定位系统。具体为在支撑环体上设置环形的刻度标线，在导轨滑块上设置用于对齐所述刻度标线的基准标线。当导轨滑块滑动到一个新的位置时，令其基准标线对齐刻度标线上的某个精准刻度，可以确定当前电磁超声探头相对于被测管道圆周的位置，记录该位置即可将缺陷位置确定。

18、作为本发明的优选，所述线圈部包含线圈支架、固定在所述线圈支架中的线圈和扣合在所述线圈支架上的线圈固定板。

19、由此，线圈是由柔性制板技术制作的柔性印刷电路板，其质地较为脆弱，特设置线圈支架对其进行保护和定位，线圈支架上设置有中空半槽，其长度和宽度均与线圈的长宽相匹配，线圈固定板具有同样的长宽，其厚度与中空半槽相适应，将其安装在中空半槽上，可以对其中的线圈进行压紧固位，避免其在转动过程中偏位。

20、作为本发明的优选，所述线圈支架靠近所述被测管道的一侧表面呈弧形设置，且圆弧半径与所述被测管道的管道半径相同。

21、由此，为了使柔性的线圈与被测管道外径形状贴合，使其靠近被测管道的一侧表面呈弧形设置，且圆弧半径与被测管道的管道半径相同，进而保证在被测管道上激发的感生涡流强度，且增加接收的回波信号的强度。

22、作为本发明的优选，所述磁铁卡座与所述磁铁之间、所述线圈支架和所述线圈固定板之间均填充有用于固位减震的耐高温环氧树脂。

23、由此，为了保证电磁超声探头旋转过程中磁铁在磁铁卡座中的位置稳定性，和保证线圈在线圈支架中的位置稳定性，在两个空间中均加入耐高温的环氧树脂。

24、作为本发明的优选，安装在所述支撑环体上的所述定位杆的数量为4至8根，且呈圆周阵列均匀布置。

25、由此，为了在保证支撑环体对被测管道的稳定支撑的前提下尽量减少定位杆的数量，定位杆的数量优选为4-8根，例如当特设6根定位杆时，将每根所述定位杆之间呈60°设置，可较好地保证被测管道位于支撑环体的圆环中心，保证电磁超声探头在转动过程中线圈支架与被测管道的间距保持恒定，提高检测精准度。

26、综上所述，本发明具有如下有益效果：

27、1.通过电磁超声探头在滑动导轨上的圆周滑动，可以对被测管道进行圆周检测，扩大了电磁超声检测范围，不需要多次拆装换位，有利于提高检测效率。

28、2.线圈部靠近被测管道设置，但与被测管道的外壁表面不直接接触，并且线圈支架靠近被测管道的一侧表面呈弧形设置，且圆弧半径与所述被测管道的管道半径相同，可以使柔性的线圈与被测管道外径形状贴合，进而保证在被测管道上激发的感生涡流强度，且增加接收的回波信号的强度。

29、3.磁铁部包含磁铁卡座和安装在磁铁卡座中的磁铁，磁铁包含三块烧结钕铁硼磁铁制成的方形磁体，且三块方形磁体组成hallbach阵列，由该阵列排布的磁体避免了磁铁部下方不同位置的磁通密度相差较大而导致的激励信号不纯净的情况发生，检测更加精准，结果更加可靠。

30、4. 针对于不同管径的被测管道，为了保证线圈部与被测管道的间距为最适间距，特在磁铁部和导轨滑块之间设置高度垫片，磁铁部和导轨滑块之间可以采用螺栓式连接，高度垫片可套接在螺栓上，通过增减高度垫片的数量或更改高度垫片的厚度，可以控制线圈部与被测管道之间的距离，从而控制感生涡流的强度，实现对导波强度的控制。

31、5.在磁铁和磁铁卡座、线圈和线圈支架两个空间中均加入耐高温的环氧树脂，可以保证电磁超声探头旋转过程中各部件的位置稳定性。