[发明专利]基于纵向导波的热载体炉管道积碳量检测仪及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于管道超声导波无损检测领域，具体涉及一种利用管道中传播的纵向导波检测热载体炉管道积碳量的仪器和方法。

背景技术

有机热载体加热炉又称导热油炉(指液相炉),是一种重要的换能设备,是以煤、油、燃气、电等为燃料,以导热油为介质,利用循环油泵强制导热油进行液相循环,将热能传递给用热设备后再返回加热炉重新加热的热转换设备，现已越来越多地应用于石油化工、纺织、印染、轻工、建材、食品加工等工业领域，在工业生产和日常生活中发挥着不可替代的作用。然而，在有机热载体炉生产中导热油在加热过程中会出现结焦,导致传热过程恶化,流体流速降低,传热膜温度上升,极易造成加热炉管的某些部位局部过热,管材抗拉强度降低,产生鼓包、裂纹、胀粗等缺陷,最终导致爆管发生。有机热载体在物理性质和化学性质上具有有毒、易燃、渗透性极强的特点,因此有机热载体炉一旦发生事故,往往会造成灾难性后果,导致巨大的财产损失,严重威胁工作人员的生命安全,同时会造成极大的环境污染。

管道积碳层的无损检测重要而迫切，众多学者都在结构污垢检测方面做了卓有成效的工作。国外以英国Imperial College London的J.Ma为代表，曾从多个方面分析了运用超声导波检测管道内壁污垢是否存在的可行性，并依据不同厚度污垢的纵向导波频散特性来判断管道内污垢的大致特性。但美中不足的是，其针对管道积碳层厚度的检测并没有提出一种可行而精确的方法；国内北京工业大学的郑阳和李扬利用SH波对板结构表面可能存在的水垢进行了厚度检测，但此种方法用到的SH波是用于板结构中的波，其检测对象为板表面的水垢层，因此不适用于管道中积碳层厚度的检测。此外，之前研究者们所采用的环状传感器、磁致伸缩传感器、EMAT传感器、柔性传感器等难以适用于工程现场空间紧密、管道外表面情况复杂的情况，布置效率低，换能效果较差。因此目前在国内针对热载体炉管道积碳层存在的风险通常只采取整体定期化学清洗的方法来降低爆管发生的概率。此方法往往将整个热载体炉停机，在所有管道中注入化学液剂将其中的积碳层溶解下来。这种方法一方面需要停炉、溶解、冲洗等多种工作，容易产生环境污染，极为费力；另一方面定期清理的方法针对性很弱，极为费时。

发明内容

本发明的目的在于解决有机热载体炉管道积碳层厚度精确检测和传感器布置效率低的难题，提出了利用高效的、适用于工程现场的斜入射式压电超声传感器激励纵向导波的有机热载体炉管道积碳量的检测仪及检测方法，可以大大提高热载体炉管道积碳厚度检测的准确性和检测效率，极大保障有机热载体炉的安全运行，并大大改善有机热载体炉积碳层清理费时费力的现状。

本发明的技术方案如下：

基于纵向导波的热载体炉管道积碳量检测仪，具体见图1，包括任意函数信号发生器（1）、功率放大器（2）、斜入射式压电超声发射传感器（3）、斜入射式压电超声接收传感器（4）、示波器（5）和计算机（6），其特征在于：任意函数信号发生器（1）的输出端分别和功率放大器（2）以及示波器（5）的输入端连接，斜入射式压电超声发射传感器（3）安装于热载体炉管道的外壁，与功率放大器（2）的输出端连接，斜入射式压电超声接收传感器（4）安装在热载体炉管道的外壁，与示波器（5）连接，计算机（6）和示波器（5）连接。

其中斜入射式压电超声发射传感器和斜入射式压电超声接收传感器由人工按压，通过耦合剂耦合在热载体炉管道的外侧。斜入射式压电超声发射传感器和斜入射式压电超声接收传感器用于激励和接收纵向导波，可以定向激励特定模态特定频率的纵向导波，由于检测时需要分别激励高检测频率f_h和低检测频率f_l，因此在检测时，根据需要激励的检测频率将斜入射式压电超声发射传感器采用为高频传感器或者低频传感器。同样，斜入射式压电超声接收传感器采用为高频传感器或者低频传感器。

基于纵向导波的热载体炉管道积碳层厚度检测方法，具体见图2，包括以下步骤：

1）运用数值计算软件分别以密度ρ、纵波速度c_L和横波速度c_S为管道和积碳层的物理参数，以积碳层内径r₁、积碳层外径r₂和管道外径r₃为尺寸参数建立管道—积碳层双层结构波动模型，根据管道—积碳层双层结构波动模型建立管道—积碳层双层结构中纵向导波的频散方程，然后对建立的频散方程数值求解，绘制不同厚度积碳层下管道中纵向导波的群速度曲线系列图；