CN105546359B - 便携式承压工业管道在线恒磁检测装置 - Google Patents

便携式承压工业管道在线恒磁检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，包括磁化机构和探测机构；磁化机构包括一导磁手柄、两块恒磁铁、两块磁化极靴；导磁手柄的两端分别与两块恒磁铁的上侧连接，每块恒磁铁的下侧与一块磁化极靴连接；探测机构包括探头和隧道磁电阻电桥阵列；探头的两端与位于导磁手柄两端的磁化极靴的内侧连接，探头位于两块磁化极靴的中间位置；探头底部贴合被检测管道外壁，探头的内腔装有隧道磁电阻电桥阵列。本发明结构简单、易于制造、运行故障率低、安全可靠、节能环保。

Description

便携式承压工业管道在线恒磁检测装置
技术领域
本发明涉及一种便携式承压工业管道在线恒磁检测装置。
背景技术
在线承压工业管道在高温、高压、高负载和受腐蚀等环境下连续运行，管道内若存在缺陷、严重腐蚀，会造成泄漏、爆裂，甚至引发灾难。必须采用高可靠的检测仪器，全面检测管道各处的质量情况，保证承压工业管道的安全运行。
现有技术及其不足：
目前，国际上通常采用涡流和超声检测两大常规方法对在线承压工业管道检测。
1、涡流检测是采用交流磁化器对管道进行磁化。由于金属管道是电导体，管道表面圆周方向可以等效成一圈圈的闭合回路，所以交流磁化场在管道的表面会产生感生电流，电流的方向沿管道表面的圆周方向旋转，就像一圈圈的漩涡，这种情况下产生的感生电流被称为涡流。涡流通过导体的缺陷位置处会引起涡流变化，从而在检测传感器中引起感生电流的变化。但是由于涡流的趋肤效应，这些涡流只能在管道的外表面形成，管道的深层次缺陷不会引起涡流变化，所以涡流检测只能发现管道材料表面和近表面的缺陷，却发现不了管道深层次和内壁缺陷。
2、超声检测是用电脉冲激发超声束，探头的透镜将声束聚焦，通过油、水等介质耦合到管壁上，通过声波在管道壁内的发射和折射情况来检测管道壁内的缺陷有无和位置。一方面对在线管道各处涂敷介质很困难，另一方面介质耦合声波的性能对检测结果影响很大，也很难对在线锅炉管道全面检测；其外，管道内高压蒸汽或水流形成的声波严重干扰超声信号，不利于超声信号的提取和识别。还有，聚焦后的声束也只能在管道的局部传送，所以超声检测是一种对管道局部区域检测的方法，不能全面检测管道各点缺陷。
上述现有技术的不足可以归纳为只能进行外表面检测或局部检测，以及耦合剂影响检测性能等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种便携式承压工业管道在线恒磁检测装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，包括磁化机构和探测机构；
磁化机构包括一导磁手柄(1)、两块恒磁铁(2)、两块磁化极靴(3)；导磁手柄的两端分别与两块恒磁铁的上端连接，每块恒磁铁的下端再与一块磁化极靴连接；
探测机构包括探头(12)和隧道磁电阻电桥阵列(13)；探头的两端与位于导磁手柄两端的磁化极靴(3)的内侧连接，探头位于两块磁化极靴的中间位置；探头底部贴合被检测管道的外壁，探头的内腔装有隧道磁电阻电桥阵列(13)。
作为优选，位于导磁手柄(1)两端的两块恒磁铁的极性按串联的形式连接，使得两块恒磁铁的磁性是叠加增强的，实现对管道壁的充分磁化。
作为优选，磁化机构还包括具有导磁性能的磁短路环(4)；两只磁短路环分别环套在导磁手柄(1)的两端；
磁短路环可沿导磁手柄向下滑动并套在位于导磁手柄两端的恒磁铁(2)的周围，使得恒磁铁一极发出的磁场通过磁短路环直接耦合到恒磁铁另一极；或
磁短路环也可沿导磁手柄向上滑动并远离位于导磁手柄两端的恒磁铁(2)的周围，使得恒磁铁一极发出的磁场通过被检管道壁耦合到恒磁铁另一极，实现对被检管道壁的磁化。
作为优选，磁化机构还包括滚轮(5)；两组滚轮分别固定在磁化极靴(3)的外侧，使得磁化极靴(3)与被检测管道保持设定的距离且可以沿管道表面轴向或周向移动。
作为优选，探测机构还包括固定支架(7)、探头限位架(9)、探头固定螺杆(10)、探头压迫弹簧(11)；探头限位架(9)的两侧在固定支架(7)下部两侧滑槽中移动，探头固定螺杆(10)上部与固定支架(7)上的螺孔以螺纹连接，下部穿过探头限位架上的通孔与位于探头限位架下方的探头(12)连接，探头压迫弹簧(11)装在固定支架与探头限位架之间且套在探头固定螺杆上，探头压迫弹簧将探头(12)压迫并贴合在被检测管道的外壁。
作为优选，导磁手柄(1)的横截面和两块恒磁铁(2)的横截面均为具有相同直径的圆形。
作为优选，隧道磁电阻电桥阵列(13)是由多只的隧道磁电阻构成的多组电桥。
作为进一步优选，电桥为惠斯通电桥。
本发明的有益效果是：
1、采用恒磁铁和便携式的磁路组成轻便的磁化器，对管道进行稳恒磁场磁化，既能激发管道外表面，又能激发管道内壁和壁内任何位置的缺陷在管道外表面空间形成缺陷磁场，满足对在线工业管道的可靠和全面检测要求；
2、检测时不需要外施电源磁场和任何检测耦合剂，既节省电源和检测费用，又保证检测结果稳定可靠；
3、恒磁铁的稳恒磁场不受在线管道内的高压蒸汽或水流形成的声波干扰，既可以对管道零部件检测，又可以对在线运行中的管道实施现场检测；
4、采用多组隧道磁电阻电桥构成探头，当管道内没有缺陷时，管道外表面无缺陷磁场，各电桥都平衡，没有信号输出；当管道内有缺陷时，在管道外表面形成缺陷磁场，总有电桥失衡，输出缺陷信号；这样检测装置既可以沿管道外表面迅速移动检测，也可以停止在管道任何地点实现静止检测。
5、整个检测装置，小巧轻便，便于操作，同时具有结构简单、易于制造、运行故障率低、安全可靠、节能环保等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的结构示意图。
图2是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的磁场示意图(磁化状态)。
图3是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的磁场示意图(非磁化状态)。
图4是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的探测机构示意图。
图5是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的探头结构示意图。
图6是本发明便携式承压工业管道在线恒磁检测装置实施例的惠斯通电桥电路图。
图中标记，1-导磁手柄，2-恒磁铁，3-磁化极靴，4-磁短路环，5-小滚轮，6-管道，7-探头固定支架，8-滑动导槽，9-探头限位架，10-探头固定螺杆，11-探头压迫弹簧，12-探头，13-隧道磁电阻电桥阵列，14-缺陷，15-缺陷磁场。
具体实施方式
图1是一种便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，由便携式磁化机构和对管道的探测机构两部分组成。
便携式磁化机构呈U字状，由1个U字形的用于连接恒磁铁且具有高导磁的导磁手柄1、两块圆形恒磁铁2、两块高导磁的磁化极靴3、两块磁短路环4和两组滚轮5组成。
U字形的导磁手柄由工业纯铁棒制成，能将两块恒磁铁2的磁场按极性串联方式连接起来以加强磁势强度，同时U字形状的中段当作方便携带的手柄使用。
两块圆形恒磁铁2的圆心都有安装圆孔，将每一块圆形恒磁铁的上端通过一根穿过安装圆孔的非磁性螺栓分别安装到U字形导磁手柄1的两端，再通过该根非磁性螺栓将圆形恒磁铁的下端分别安装在两块磁化极靴的上端。磁化极靴3的下端贴近被检测管道6的外表面，并且与管道的表面的曲率相似，将恒磁铁2发出的磁场耦合到管道壁上。上述安装必须按恒磁铁的极性串联的形式连接，保证两块圆形恒磁铁的磁性是叠加增强的，实现对管道壁的充分磁化。在两块磁化极靴3贴近被检测管道处的外侧还分别设置了两只V形的小滚轮5，其作用一方面避免了磁化装置不会被吸附到被检测的管道6上难以移动或提起，同时也方便操作人员通过导磁手柄1推动整个检测装置沿着管道移动，对管道进行检测。
在圆形恒磁铁2的两端还套有一个铁制的磁短路环4，磁短路环4可以套在圆形恒磁铁2的两端，或沿着导磁手柄上拉离开圆形恒磁铁2的两端。当磁短路环4拉到导磁手柄的上端时，恒磁铁的磁场通过磁化极靴被耦合到管道壁上，属于对管道磁化和检测状态(图2)；当磁短路环套合到恒磁铁2的两侧时，将恒磁铁一极发出的磁场通过磁短路环直接耦合到另一极，只有很少磁场被耦合到管道壁上，便于轻松将检测装置提取离开管道，属于对管道的非磁化和非检测状态(图3)。
在图4中，探测机构由探头固定支架7、探头限位架9、探头固定螺杆10、探头压迫弹簧11、探头12组成。非铁磁质的探头固定支架7两端设置两个固定孔，通过螺丝分别固定在两个磁化极靴3之间，保证探头12处于两只磁化极靴的中点最佳磁化和最佳检测位置。探头固定支架7内侧垂直方向设置滑动导槽8，将探头限位架9限制在其内，只能沿滑动导槽上下滑动，不能左右摆动或旋转。非铁磁质的探头限位架9呈H字形，中间设有通孔让一只探头固定螺杆10穿过，探头固定螺杆10上端与探头固定支架7上的螺孔连接，其下端安装探头12，中间套上探头压迫弹簧11，拧动探头固定支架施加向下的作用力到探头限位架9上，保证安装在探头限位架9下方的探头12能可靠地贴合在被检测管道6的外表面。探头限位架9下侧的开口与探头片形状匹配，将探头12限制在其内，只能上下移动，不能左右摆动或旋转，保证探头能可靠贴合在被检测管道的外表面。
如图5所示，探头12是非磁性材料加工成的弧形片状工件，其内弧曲率与被检测管道外圆曲率相匹配以保证探头沿管道圆周方向能贴合被检测管道，从弧形片状工件外弧的中部沿弧形方向加工成矩形沟槽，沟槽底部与内弧表面留有1mm左右厚度，沟槽内设置探测元件。
在探头内部设置的探测元件即为隧道磁电阻电桥阵列13。本实施例具体就是由隧道磁电阻(TMR)组成惠斯通电桥，再由多个惠斯通电桥构成电桥阵列。
隧道磁电阻元件受到变化磁场作用，电阻(电导)会发生线性变化。隧道磁电阻构成的惠斯通电桥由于受到管道外壁空间缺陷磁场的作用而失衡，失衡程度与缺陷磁场也呈线性关系。另外由隧道磁电阻构成的惠斯通电桥消耗的电源极其微弱，因此，隧道磁电阻电桥构成的探头比其他磁敏探头具有灵敏度高、线性好和功损低和热稳定好等特点。
如图6所示，由4只隧道磁电阻TMR1～4组成惠斯通电桥，管道表面无缺陷磁场时，电桥平衡，输出为零；管道表面有缺陷磁场时，电桥失衡，输出缺陷信号。
本实施例的作用原理：
恒定磁场的边界条件
在两种不同磁介质的分界面两侧，磁感应强度和磁场强度的法向和切向分量，满足下列的边界条件：
(1)磁感应强度的法向分量连续，而磁场强度的法向分量不连续：
(2)磁场强度的切向分量连续，而磁感应强度的切向分量不连续。
就是说，如果由本实施例的磁化器外施的稳恒磁场从磁导率大的铁磁性管道6进入磁导率小的管道内宿缺陷14的边界时，磁场严重偏向法线，被折射出管道外壁空间成为缺陷磁场15；如果磁感应线从磁导率小的缺陷14进入磁导率大的铁磁性管道6时，磁感应线严重偏离法线，强烈汇聚在管道壁内。这样便可以通过本发明的磁化器在管道外壁空间对管道施加稳恒磁化场，同时在磁化器之间设置隧道磁电阻电桥阵列，检测被缺陷14折射到管道外表面的缺陷磁场15。
使用方法：
1、对管道的检测状态
见图1：将承压工业管道便携式在线检测装置的两块磁化极靴3的靠近被检测管道6，让其下侧的两只V形小滚轮5压在管道外表面，调整探头固定螺杆10，使探头12与被检测管道外表面贴合。再将两块磁短路环4拉到导磁手柄1的上端并固定，两块恒磁铁2的磁场按极性串联方式连接起来对处于两块磁化极靴3之间的管道壁进行充分的磁化，管道壁内如果存在缺陷14，根据恒定磁场的边界条件，缺陷14将一部分磁场折射到管道外表面，形成缺陷磁场15，同时被在磁化器之间设置隧道磁电阻电桥阵列13检测。通过操作人员或者机械装置，沿管道轴向或者圆周推动便携式的电磁检测装置通过管道全部外表面，检测的结果由专用软性形成反映缺陷的位置和严重程度的图形，实现对在线承压工业管道的可靠、方便和全面的检测。
2、非检测状态
见图2：将两只磁短路环4套合在恒磁铁2两侧时，从恒磁铁一极发出的磁场通过磁短路环直接耦合到另一极，只有很少磁场被耦合到管道壁上，可以轻松将检测装置提取离开管道。
本实施例具有以下技术特点：
1、采用恒磁铁和便携式的磁路组成轻便的磁化器，对管道进行稳恒磁场磁化，既能激发管道外表面，又能激发管道内壁和壁内任何位置的缺陷在管道外表面空间形成缺陷磁场，满足对在线工业管道的可靠和全面检测要求；
2、不需要外施电源磁场和任何检测耦合剂，既节省电源和检测费用，又保证检测结果稳定可靠；
3、恒磁铁的稳恒磁场不受在线管道内的高压蒸汽或水流形成的声波干扰，既可以对管道零部件检测，又可以对在线运行中的管道实施现场检测；
4、采用多组隧道磁电阻电桥构成探头，当管道内没有缺陷时，管道外表面无缺陷磁场，磁电阻电桥平衡，没有信号输出；当管道内有缺陷时，在管道外表面形成缺陷磁场，磁电阻电桥失衡，传感器有缺陷信号输出，这样检测装置既可以沿管道外表面迅速移动检测，也可以停止在管道任何地点实现静止检测。
5、由恒磁铁和便携式的磁路组成便携式承压工业管道恒磁在线检测装置，轻便小巧，便于操作，同时具有结构简单、易于制造、运行故障率低、安全可靠、节能环保等优点。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：包括磁化机构和探测机构；
所述磁化机构包括一导磁手柄(1)、两块恒磁铁(2)、两块磁化极靴(3)；所述导磁手柄的两端分别与两块恒磁铁的上端连接，每块恒磁铁的下端再与一块磁化极靴连接；
所述探测机构包括探头(12)和隧道磁电阻电桥阵列(13)；所述探头的两端与位于导磁手柄两端的磁化极靴(3)的内侧连接，探头位于两块磁化极靴的中间位置；探头底部贴合被检测管道的外壁，探头的内腔装有隧道磁电阻电桥阵列(13)。
2.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：位于导磁手柄(1)两端的两块所述恒磁铁的极性按串联的形式连接，使得两块恒磁铁的磁性是叠加增强的，实现对管道壁的充分磁化。
3.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述磁化机构还包括具有导磁性能的磁短路环(4)；两只所述磁短路环分别环套在导磁手柄(1)的两端；
磁短路环可沿导磁手柄向下滑动并套在位于导磁手柄两端的恒磁铁(2)的周围，使得恒磁铁一极发出的磁场通过磁短路环直接耦合到恒磁铁另一极；或
磁短路环也可沿导磁手柄向上滑动并远离位于导磁手柄两端的恒磁铁(2)的周围，使得恒磁铁一极发出的磁场通过被检管道壁耦合到恒磁铁另一极，实现对被检管道壁的磁化。
4.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述磁化机构还包括滚轮(5)；两组所述滚轮分别固定在磁化极靴(3)的外侧，使得磁化极靴(3)与被检测管道保持设定的距离且可以沿管道表面轴向或周向移动。
5.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述探测机构还包括固定支架(7)、探头限位架(9)、探头固定螺杆(10)、探头压迫弹簧(11)；所述探头限位架(9)的两侧在固定支架(7)下部两侧滑槽中移动，所述探头固定螺杆(10)上部与固定支架(7)上的螺孔以螺纹连接，下部穿过探头限位架上的通孔与位于探头限位架下方的探头(12)连接，所述探头压迫弹簧(11)装在固定支架与探头限位架之间且套在探头固定螺杆上，探头压迫弹簧将探头(12)压迫并贴合在被检测管道的外壁。
6.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述导磁手柄(1)的横截面和两块恒磁铁(2)的横截面均为具有相同直径的圆形。
7.根据权利要求1所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述隧道磁电阻电桥阵列(13)是由多只的隧道磁电阻构成的多组电桥。
8.根据权利要求7所述的便携式承压工业管道在线恒磁检测装置，其特征在于：所述电桥为惠斯通电桥。
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