張佳賀 崔 巍 冷德成

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶石化公司化肥廠）

制氫轉(zhuǎn)化爐在石油化工和煉油行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，而轉(zhuǎn)化爐的核心是其管系。 制氫轉(zhuǎn)化爐的爐管長時(shí)間處于高溫、高壓和臨氫狀態(tài)。 在這樣的工作環(huán)境下時(shí)常會(huì)發(fā)生氧化、腐蝕及高溫蠕變等損傷，在爐管壁處形成微孔洞，隨著微孔洞的進(jìn)一步擴(kuò)展、連接，最終生成了微裂紋，而微裂紋在高溫、高壓和臨氫的工作狀態(tài)下極易擴(kuò)展致使?fàn)t管開裂失效，引發(fā)制氫裝置停車，影響企業(yè)的生產(chǎn)過程，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)捎诒芤l(fā)重大安全事故，對環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅［1～5］。 因此，制氫轉(zhuǎn)化爐爐管定期檢驗(yàn)與防護(hù)對保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

目前，對于制氫轉(zhuǎn)化爐爐管的檢測，通常采用超聲法、渦流法等無損檢測方法，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)與不適用性，例如超聲波檢測對于即將穿孔的缺陷檢測信號弱，存在盲區(qū)，且對管壁的平整度要求較高［6～9］。興起于20 世紀(jì)60 年代的漏磁檢測技術(shù)，集無損檢測、磁性物理學(xué)及金屬學(xué)等學(xué)科于一體，以其高精度、可靠性及易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到罐區(qū)儲(chǔ)罐底板、儲(chǔ)罐罐壁和管道的檢測中，而由于結(jié)構(gòu)的限制和實(shí)施的難度，將漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用到檢測制氫轉(zhuǎn)化爐爐管的研究較少，目前尚無專門用于制氫轉(zhuǎn)化爐爐管漏磁掃描檢測的裝置［10～12］。

制氫反應(yīng)爐爐管較長， 且具有彎曲部分，難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁檢測，而能同時(shí)檢測爐管直管部分與彎曲部分的漏磁檢測儀種類較少，因此，筆者設(shè)計(jì)了一種制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)檢測裝置，并闡述其檢測方法。

1 檢測裝置

筆者設(shè)計(jì)的爬行式制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)漏磁檢測裝置如圖1 所示，包括主檢測裝置、副檢測裝置、仿生爬行裝置、萬向節(jié)和編碼結(jié)構(gòu)。 仿生爬行裝置包括電機(jī)、曲軸、支架Ⅰ、支架Ⅱ和3 對足（1 對前足、1 對中足、1 對后足）。電機(jī)連接曲軸，3對足（前足、中足、后足）依次沿曲軸長度方向設(shè)置，并在曲軸帶動(dòng)下沿行進(jìn)方向前后擺動(dòng)，主檢測裝置設(shè)置在前足與中足之間，后足與副檢測裝置之間設(shè)置萬向節(jié)，副檢測裝置末端設(shè)置編碼結(jié)構(gòu)；主檢測裝置沿軸向磁化被檢爐管，副檢測裝置沿周向磁化被檢爐管，副檢測裝置通過輔助主檢測裝置檢測出爐管壁中沿各個(gè)方向產(chǎn)生的缺陷。

圖1 爬行式制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)漏磁檢測裝置

1 對前足從支架Ⅰ的底板兩側(cè)伸出， 前二連桿位于兩前足之間，通過曲軸鉸接，兩端通過伸縮球桿連接支架Ⅰ；1 對中足從支架Ⅱ的底板前端兩側(cè)伸出，中二連桿位于兩中足之間，通過曲軸鉸接，兩端連接支架Ⅱ；1 對后足從支架Ⅱ的底板后端兩側(cè)伸出， 后二連桿位于兩后足之間，通過曲軸鉸接，后二連桿的兩端通過另外的伸縮球桿連接支架Ⅱ。

主檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中心的主支撐環(huán)側(cè)面與環(huán)面開設(shè)有螺紋孔，側(cè)面與主隔板相連接，外環(huán)面套有環(huán)形銜鐵，環(huán)形銜鐵沿軸向分別套有兩個(gè)環(huán)形永磁體，環(huán)形銜鐵、環(huán)形永磁體、磁化氣隙和被檢爐管內(nèi)表面形成了閉合的磁回路，并沿軸向磁化被檢爐管。 環(huán)形銜鐵外還套有探頭固定環(huán)、多個(gè)探頭沿固定環(huán)周向排列形成一圈檢測環(huán)， 兩個(gè)主隔板分別套有主環(huán)形橡膠刷，主環(huán)形橡膠刷與被檢爐管內(nèi)壁柔性接觸。

圖2 主檢測裝置結(jié)構(gòu)

副檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中心的副支撐環(huán)側(cè)面與環(huán)面開設(shè)有螺紋孔，側(cè)面與副隔板相連接，4 個(gè)弧形銜鐵固定于副支撐環(huán)外環(huán)面且沿周向排列，每個(gè)弧形銜鐵分別固定一對塊狀永磁體，弧形銜鐵、塊狀永磁體、磁化氣隙和被檢爐管內(nèi)表面形成了4 個(gè)閉合的磁回路，分4 個(gè)部分沿周向磁化被檢爐管。 每對永磁體中間設(shè)置多個(gè)檢測探頭排列形成的檢測結(jié)構(gòu)、多個(gè)檢測探頭排列于探頭固定結(jié)構(gòu)之上，探頭固定結(jié)構(gòu)通過螺栓與弧形銜鐵連接，兩個(gè)副隔板分別套有副環(huán)形橡膠刷，副環(huán)形橡膠刷與被檢爐管內(nèi)壁柔性接觸。

圖3 副檢測裝置結(jié)構(gòu)

1 對前足、1 對中足、1 對后足具有彈性，且套有橡膠套，增加與爐管壁間的摩擦力。 萬向節(jié)由側(cè)板Ⅰ、萬向連桿、十字軸、側(cè)板Ⅱ和橡膠支撐筒構(gòu)成， 側(cè)板Ⅰ通過螺栓與支架Ⅱ的后板相連接，側(cè)板Ⅱ通過螺栓與副檢測裝置的側(cè)板相連接，橡膠支撐筒套于側(cè)板Ⅰ、Ⅱ之間。

編碼結(jié)構(gòu)包括支架Ⅲ、彈簧、拉桿、編碼器和編碼器輪。 支架Ⅲ固定在副檢測裝置末端上，彈簧置于支架Ⅲ底座上，彈簧連接拉桿，拉桿另一端與支架Ⅲ的支桿鉸接， 支桿另一端為編碼器座，編碼器和編碼器輪安裝于編碼器座上，支架Ⅲ上所設(shè)置的彈簧與拉桿使得編碼器與編碼器輪能夠隨著被檢爐管的形狀上下移動(dòng)且時(shí)刻與爐管壁貼合。 編碼器采用e6a2 型旋轉(zhuǎn)光電脈沖編碼器，所選擇的采樣間距為2mm。

2 檢測方法

將爬行式制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)漏磁檢測裝置放入待檢爐管內(nèi)（圖4），再將系統(tǒng)電源和工程計(jì)算機(jī)打開并進(jìn)入檢測界面；打開電機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)1 對中足左右擺動(dòng)，1 對前足與1 對后足前后擺動(dòng)，當(dāng)1 對中足向左擺動(dòng)時(shí)，右前足和右后足向后擺動(dòng)， 左前足和左后足向前擺動(dòng)，由于主檢測裝置、副檢測裝置通過各自的環(huán)形橡膠刷與爐管內(nèi)壁柔性接觸，右前足和右后足接觸爐管壁，而左前足和左后足與爐管壁分離，由此帶動(dòng)主檢測裝置、副檢測裝置向前行進(jìn)；反之，當(dāng)1 對中足向右擺動(dòng)時(shí)，左前足和左后足向后擺動(dòng)，右前足和右后足向前擺動(dòng)，此時(shí)，左前足和左后足接觸爐管壁， 而右前足和右后足與爐管壁分離，帶動(dòng)主檢測裝置、副檢測裝置向前行進(jìn)；通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制行進(jìn)速度，改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向前進(jìn)和后退。

圖4 裝置在爐管彎曲處爬行示意圖

前進(jìn)或后退過程中，主檢測裝置和副檢測裝置分別將爐管內(nèi)壁沿軸向和周向磁化，形成飽和的軸向勵(lì)磁場和周向勵(lì)磁場； 當(dāng)缺陷存在時(shí)，磁力線會(huì)溢出爐管內(nèi)壁表面，形成漏磁場，此時(shí)，主檢測裝置的探頭和副檢測裝置的探頭會(huì)捕捉到漏磁場信號；由于主檢測裝置對于沿周向開展的缺陷的探測能力較弱，容易引起漏查，這時(shí)引入沿周向勵(lì)磁的副檢測裝置探測到沿周向開展的缺陷的明顯的漏磁信號，提高檢測精度。

編碼器輪時(shí)刻貼緊爐管內(nèi)表面，編碼器輪前進(jìn)時(shí)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器每旋轉(zhuǎn)一定角度就會(huì)向數(shù)據(jù)采集卡的信號接收器發(fā)送一個(gè)電脈沖信號，這個(gè)電脈沖信號將會(huì)被數(shù)據(jù)采集卡處理成里程數(shù)據(jù)；同時(shí)，探頭所探測到的信號將被傳遞到數(shù)據(jù)采集卡的信號接收端，并被數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成漏磁數(shù)據(jù)；兩組檢測裝置的兩組漏磁數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到工程計(jì)算機(jī)，完成了沿各個(gè)方向開展的缺陷掃查；編碼器隨著編碼器輪旋轉(zhuǎn)最終產(chǎn)生的里程數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到工程計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對缺陷的定位；兩組檢測裝置探測到的數(shù)據(jù)由工程計(jì)算機(jī)處理生成兩組檢測報(bào)告，通過兩組報(bào)告的整合最終實(shí)現(xiàn)對爐管缺陷的全面檢查。

3 結(jié)論

3.1 筆者設(shè)計(jì)的六足爬行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了檢測裝置在制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)行進(jìn)的功能，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向可以將檢測裝置調(diào)節(jié)到合適的行進(jìn)速度，并控制裝置的前進(jìn)和后退。 足部結(jié)構(gòu)具有彈性， 可保證裝置在爐管內(nèi)穩(wěn)定前行，并更好地貼合爐管內(nèi)直管部分和彎曲部分的形狀。足部套有橡膠套，防止足部與爐管內(nèi)管壁打滑。

3.2 通過以主檢測裝置為主，以副檢測裝置為輔助的方式，能夠探測到沿各個(gè)方向開展的缺陷的明顯漏磁場信號， 降低了對爐管缺陷的漏查，實(shí)現(xiàn)對制氫轉(zhuǎn)化爐爐管缺陷的全面檢測。

3.3 爬行機(jī)構(gòu)采用仿生結(jié)構(gòu)，前足、中足和后足均通過弧形細(xì)桿與相應(yīng)的支架連接，弧形細(xì)桿相當(dāng)于腿，支架相當(dāng)于腹部，弧形細(xì)桿與相應(yīng)的足連接于支架底板，而僅通過電機(jī)、曲軸和二連桿來驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕且非常靈活，同時(shí)將主檢測裝置設(shè)置于前足與中足之間，主檢測裝置在前拉后推中行進(jìn)非常穩(wěn)健，通過萬向節(jié)來適應(yīng)彎曲管道變化，且副檢測裝置具有編碼器輪，編碼器輪還起到了平衡的作用，且能時(shí)刻跟隨前進(jìn)或后退，隨著變化，使所設(shè)計(jì)的檢測裝置能自如地在制氫轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)行進(jìn)。

3.4 由于爬行機(jī)構(gòu)采用仿生結(jié)構(gòu)， 中足為支點(diǎn)，前足、后足擺動(dòng)前進(jìn)，弧形細(xì)桿、足與管道內(nèi)壁相適應(yīng)，前進(jìn)平穩(wěn)，且將電機(jī)設(shè)置在前部軸線部位，無需電機(jī)殼，輕便靈巧，同時(shí)也降低了電機(jī)的功率，節(jié)省了能耗。