一種爬行式制氫轉化爐爐管內漏磁檢測裝置及其檢測方法

張佳賀 崔 巍 冷德成

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶石化公司化肥廠）

制氫轉化爐在石油化工和煉油行業中應用十分廣泛，而轉化爐的核心是其管系。 制氫轉化爐的爐管長時間處于高溫、高壓和臨氫狀態。 在這樣的工作環境下時常會發生氧化、腐蝕及高溫蠕變等損傷，在爐管壁處形成微孔洞，隨著微孔洞的進一步擴展、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下極易擴展致使爐管開裂失效，引發制氫裝置停車，影響企業的生產過程，造成經濟損失，甚至會由于爆管引發重大安全事故，對環境和人民生命財產安全構成嚴重威脅［1～5］。 因此，制氫轉化爐爐管定期檢驗與防護對保證設備安全穩定運行意義重大。

目前，對于制氫轉化爐爐管的檢測，通常采用超聲法、渦流法等無損檢測方法，每種方法都有優點與不適用性，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，且對管壁的平整度要求較高［6～9］。興起于20 世紀60 年代的漏磁檢測技術，集無損檢測、磁性物理學及金屬學等學科于一體，以其高精度、可靠性及易于自動化等特點，被廣泛應用到罐區儲罐底板、儲罐罐壁和管道的檢測中，而由于結構的限制和實施的難度，將漏磁檢測技術應用到檢測制氫轉化爐爐管的研究較少，目前尚無專門用于制氫轉化爐爐管漏磁掃描檢測的裝置［10～12］。

制氫反應爐爐管較長， 且具有彎曲部分，難以實現內壁檢測，而能同時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，筆者設計了一種制氫轉化爐爐管內檢測裝置，并闡述其檢測方法。

1 檢測裝置

筆者設計的爬行式制氫轉化爐爐管內漏磁檢測裝置如圖1 所示，包括主檢測裝置、副檢測裝置、仿生爬行裝置、萬向節和編碼結構。 仿生爬行裝置包括電機、曲軸、支架Ⅰ、支架Ⅱ和3 對足（1 對前足、1 對中足、1 對后足）。電機連接曲軸，3對足（前足、中足、后足）依次沿曲軸長度方向設置，并在曲軸帶動下沿行進方向前后擺動，主檢測裝置設置在前足與中足之間，后足與副檢測裝置之間設置萬向節，副檢測裝置末端設置編碼結構；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方向產生的缺陷。

圖1 爬行式制氫轉化爐爐管內漏磁檢測裝置

1 對前足從支架Ⅰ的底板兩側伸出， 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。

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

圖2 主檢測裝置結構

副檢測裝置結構如圖3 所示，其中心的副支撐環側面與環面開設有螺紋孔，側面與副隔板相連接，4 個弧形銜鐵固定于副支撐環外環面且沿周向排列，每個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表面形成了4 個閉合的磁回路，分4 個部分沿周向磁化被檢爐管。 每對永磁體中間設置多個檢測探頭排列形成的檢測結構、多個檢測探頭排列于探頭固定結構之上，探頭固定結構通過螺栓與弧形銜鐵連接，兩個副隔板分別套有副環形橡膠刷，副環形橡膠刷與被檢爐管內壁柔性接觸。

圖3 副檢測裝置結構

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。 萬向節由側板Ⅰ、萬向連桿、十字軸、側板Ⅱ和橡膠支撐筒構成， 側板Ⅰ通過螺栓與支架Ⅱ的后板相連接，側板Ⅱ通過螺栓與副檢測裝置的側板相連接，橡膠支撐筒套于側板Ⅰ、Ⅱ之間。

編碼結構包括支架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且時刻與爐管壁貼合。 編碼器采用e6a2 型旋轉光電脈沖編碼器，所選擇的采樣間距為2mm。

2 檢測方法

將爬行式制氫轉化爐爐管內漏磁檢測裝置放入待檢爐管內（圖4），再將系統電源和工程計算機打開并進入檢測界面；打開電機開關，調節電機的旋轉方向和轉速，電機的轉動帶動曲軸轉動，進而帶動1 對中足左右擺動，1 對前足與1 對后足前后擺動，當1 對中足向左擺動時，右前足和右后足向后擺動， 左前足和左后足向前擺動，由于主檢測裝置、副檢測裝置通過各自的環形橡膠刷與爐管內壁柔性接觸，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，由此帶動主檢測裝置、副檢測裝置向前行進；反之，當1 對中足向右擺動時，左前足和左后足向后擺動，右前足和右后足向前擺動，此時，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，帶動主檢測裝置、副檢測裝置向前行進；通過控制電機的轉速控制行進速度，改變電機的旋轉方向前進和后退。

圖4 裝置在爐管彎曲處爬行示意圖

前進或后退過程中，主檢測裝置和副檢測裝置分別將爐管內壁沿軸向和周向磁化，形成飽和的軸向勵磁場和周向勵磁場； 當缺陷存在時，磁力線會溢出爐管內壁表面，形成漏磁場，此時，主檢測裝置的探頭和副檢測裝置的探頭會捕捉到漏磁場信號；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，這時引入沿周向勵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。

編碼器輪時刻貼緊爐管內表面，編碼器輪前進時帶動編碼器旋轉，編碼器每旋轉一定角度就會向數據采集卡的信號接收器發送一個電脈沖信號，這個電脈沖信號將會被數據采集卡處理成里程數據；同時，探頭所探測到的信號將被傳遞到數據采集卡的信號接收端，并被數據采集卡轉換成漏磁數據；兩組檢測裝置的兩組漏磁數據由數據采集卡發送到工程計算機，完成了沿各個方向開展的缺陷掃查；編碼器隨著編碼器輪旋轉最終產生的里程數據由數據采集卡發送到工程計算機，實現了對缺陷的定位；兩組檢測裝置探測到的數據由工程計算機處理生成兩組檢測報告，通過兩組報告的整合最終實現對爐管缺陷的全面檢查。

3 結論

3.1 筆者設計的六足爬行結構實現了檢測裝置在制氫轉化爐爐管內行進的功能，通過控制電機的旋轉速度和方向可以將檢測裝置調節到合適的行進速度，并控制裝置的前進和后退。 足部結構具有彈性， 可保證裝置在爐管內穩定前行，并更好地貼合爐管內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，實現對制氫轉化爐爐管缺陷的全面檢測。

3.3 爬行機構采用仿生結構，前足、中足和后足均通過弧形細桿與相應的支架連接，弧形細桿相當于腿，支架相當于腹部，弧形細桿與相應的足連接于支架底板，而僅通過電機、曲軸和二連桿來驅動，結構簡單、重量輕且非常靈活，同時將主檢測裝置設置于前足與中足之間，主檢測裝置在前拉后推中行進非常穩健，通過萬向節來適應彎曲管道變化，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，且能時刻跟隨前進或后退，隨著變化，使所設計的檢測裝置能自如地在制氫轉化爐爐管內行進。

3.4 由于爬行機構采用仿生結構， 中足為支點，前足、后足擺動前進，弧形細桿、足與管道內壁相適應，前進平穩，且將電機設置在前部軸線部位，無需電機殼，輕便靈巧，同時也降低了電機的功率，節省了能耗。