一种爬行式制氢转化炉炉管内漏磁检测装置及其检测方法

张佳贺 崔 巍 冷德成

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆石化公司化肥厂）

制氢转化炉在石油化工和炼油行业中应用十分广泛，而转化炉的核心是其管系。 制氢转化炉的炉管长时间处于高温、高压和临氢状态。 在这样的工作环境下时常会发生氧化、腐蚀及高温蠕变等损伤，在炉管壁处形成微孔洞，随着微孔洞的进一步扩展、连接，最终生成了微裂纹，而微裂纹在高温、高压和临氢的工作状态下极易扩展致使炉管开裂失效，引发制氢装置停车，影响企业的生产过程，造成经济损失，甚至会由于爆管引发重大安全事故，对环境和人民生命财产安全构成严重威胁［1～5］。 因此，制氢转化炉炉管定期检验与防护对保证设备安全稳定运行意义重大。

目前，对于制氢转化炉炉管的检测，通常采用超声法、涡流法等无损检测方法，每种方法都有优点与不适用性，例如超声波检测对于即将穿孔的缺陷检测信号弱，存在盲区，且对管壁的平整度要求较高［6～9］。兴起于20 世纪60 年代的漏磁检测技术，集无损检测、磁性物理学及金属学等学科于一体，以其高精度、可靠性及易于自动化等特点，被广泛应用到罐区储罐底板、储罐罐壁和管道的检测中，而由于结构的限制和实施的难度，将漏磁检测技术应用到检测制氢转化炉炉管的研究较少，目前尚无专门用于制氢转化炉炉管漏磁扫描检测的装置［10～12］。

制氢反应炉炉管较长， 且具有弯曲部分，难以实现内壁检测，而能同时检测炉管直管部分与弯曲部分的漏磁检测仪种类较少，因此，笔者设计了一种制氢转化炉炉管内检测装置，并阐述其检测方法。

1 检测装置

笔者设计的爬行式制氢转化炉炉管内漏磁检测装置如图1 所示，包括主检测装置、副检测装置、仿生爬行装置、万向节和编码结构。 仿生爬行装置包括电机、曲轴、支架Ⅰ、支架Ⅱ和3 对足（1 对前足、1 对中足、1 对后足）。电机连接曲轴，3对足（前足、中足、后足）依次沿曲轴长度方向设置，并在曲轴带动下沿行进方向前后摆动，主检测装置设置在前足与中足之间，后足与副检测装置之间设置万向节，副检测装置末端设置编码结构；主检测装置沿轴向磁化被检炉管，副检测装置沿周向磁化被检炉管，副检测装置通过辅助主检测装置检测出炉管壁中沿各个方向产生的缺陷。

图1 爬行式制氢转化炉炉管内漏磁检测装置

1 对前足从支架Ⅰ的底板两侧伸出， 前二连杆位于两前足之间，通过曲轴铰接，两端通过伸缩球杆连接支架Ⅰ；1 对中足从支架Ⅱ的底板前端两侧伸出，中二连杆位于两中足之间，通过曲轴铰接，两端连接支架Ⅱ；1 对后足从支架Ⅱ的底板后端两侧伸出， 后二连杆位于两后足之间，通过曲轴铰接，后二连杆的两端通过另外的伸缩球杆连接支架Ⅱ。

主检测装置结构如图2 所示，其中心的主支撑环侧面与环面开设有螺纹孔，侧面与主隔板相连接，外环面套有环形衔铁，环形衔铁沿轴向分别套有两个环形永磁体，环形衔铁、环形永磁体、磁化气隙和被检炉管内表面形成了闭合的磁回路，并沿轴向磁化被检炉管。 环形衔铁外还套有探头固定环、多个探头沿固定环周向排列形成一圈检测环， 两个主隔板分别套有主环形橡胶刷，主环形橡胶刷与被检炉管内壁柔性接触。

图2 主检测装置结构

副检测装置结构如图3 所示，其中心的副支撑环侧面与环面开设有螺纹孔，侧面与副隔板相连接，4 个弧形衔铁固定于副支撑环外环面且沿周向排列，每个弧形衔铁分别固定一对块状永磁体，弧形衔铁、块状永磁体、磁化气隙和被检炉管内表面形成了4 个闭合的磁回路，分4 个部分沿周向磁化被检炉管。 每对永磁体中间设置多个检测探头排列形成的检测结构、多个检测探头排列于探头固定结构之上，探头固定结构通过螺栓与弧形衔铁连接，两个副隔板分别套有副环形橡胶刷，副环形橡胶刷与被检炉管内壁柔性接触。

图3 副检测装置结构

1 对前足、1 对中足、1 对后足具有弹性，且套有橡胶套，增加与炉管壁间的摩擦力。 万向节由侧板Ⅰ、万向连杆、十字轴、侧板Ⅱ和橡胶支撑筒构成， 侧板Ⅰ通过螺栓与支架Ⅱ的后板相连接，侧板Ⅱ通过螺栓与副检测装置的侧板相连接，橡胶支撑筒套于侧板Ⅰ、Ⅱ之间。

编码结构包括支架Ⅲ、弹簧、拉杆、编码器和编码器轮。 支架Ⅲ固定在副检测装置末端上，弹簧置于支架Ⅲ底座上，弹簧连接拉杆，拉杆另一端与支架Ⅲ的支杆铰接， 支杆另一端为编码器座，编码器和编码器轮安装于编码器座上，支架Ⅲ上所设置的弹簧与拉杆使得编码器与编码器轮能够随着被检炉管的形状上下移动且时刻与炉管壁贴合。 编码器采用e6a2 型旋转光电脉冲编码器，所选择的采样间距为2mm。

2 检测方法

将爬行式制氢转化炉炉管内漏磁检测装置放入待检炉管内（图4），再将系统电源和工程计算机打开并进入检测界面；打开电机开关，调节电机的旋转方向和转速，电机的转动带动曲轴转动，进而带动1 对中足左右摆动，1 对前足与1 对后足前后摆动，当1 对中足向左摆动时，右前足和右后足向后摆动， 左前足和左后足向前摆动，由于主检测装置、副检测装置通过各自的环形橡胶刷与炉管内壁柔性接触，右前足和右后足接触炉管壁，而左前足和左后足与炉管壁分离，由此带动主检测装置、副检测装置向前行进；反之，当1 对中足向右摆动时，左前足和左后足向后摆动，右前足和右后足向前摆动，此时，左前足和左后足接触炉管壁， 而右前足和右后足与炉管壁分离，带动主检测装置、副检测装置向前行进；通过控制电机的转速控制行进速度，改变电机的旋转方向前进和后退。

图4 装置在炉管弯曲处爬行示意图

前进或后退过程中，主检测装置和副检测装置分别将炉管内壁沿轴向和周向磁化，形成饱和的轴向励磁场和周向励磁场； 当缺陷存在时，磁力线会溢出炉管内壁表面，形成漏磁场，此时，主检测装置的探头和副检测装置的探头会捕捉到漏磁场信号；由于主检测装置对于沿周向开展的缺陷的探测能力较弱，容易引起漏查，这时引入沿周向励磁的副检测装置探测到沿周向开展的缺陷的明显的漏磁信号，提高检测精度。

编码器轮时刻贴紧炉管内表面，编码器轮前进时带动编码器旋转，编码器每旋转一定角度就会向数据采集卡的信号接收器发送一个电脉冲信号，这个电脉冲信号将会被数据采集卡处理成里程数据；同时，探头所探测到的信号将被传递到数据采集卡的信号接收端，并被数据采集卡转换成漏磁数据；两组检测装置的两组漏磁数据由数据采集卡发送到工程计算机，完成了沿各个方向开展的缺陷扫查；编码器随着编码器轮旋转最终产生的里程数据由数据采集卡发送到工程计算机，实现了对缺陷的定位；两组检测装置探测到的数据由工程计算机处理生成两组检测报告，通过两组报告的整合最终实现对炉管缺陷的全面检查。

3 结论

3.1 笔者设计的六足爬行结构实现了检测装置在制氢转化炉炉管内行进的功能，通过控制电机的旋转速度和方向可以将检测装置调节到合适的行进速度，并控制装置的前进和后退。 足部结构具有弹性， 可保证装置在炉管内稳定前行，并更好地贴合炉管内直管部分和弯曲部分的形状。足部套有橡胶套，防止足部与炉管内管壁打滑。

3.2 通过以主检测装置为主，以副检测装置为辅助的方式，能够探测到沿各个方向开展的缺陷的明显漏磁场信号， 降低了对炉管缺陷的漏查，实现对制氢转化炉炉管缺陷的全面检测。

3.3 爬行机构采用仿生结构，前足、中足和后足均通过弧形细杆与相应的支架连接，弧形细杆相当于腿，支架相当于腹部，弧形细杆与相应的足连接于支架底板，而仅通过电机、曲轴和二连杆来驱动，结构简单、重量轻且非常灵活，同时将主检测装置设置于前足与中足之间，主检测装置在前拉后推中行进非常稳健，通过万向节来适应弯曲管道变化，且副检测装置具有编码器轮，编码器轮还起到了平衡的作用，且能时刻跟随前进或后退，随着变化，使所设计的检测装置能自如地在制氢转化炉炉管内行进。

3.4 由于爬行机构采用仿生结构， 中足为支点，前足、后足摆动前进，弧形细杆、足与管道内壁相适应，前进平稳，且将电机设置在前部轴线部位，无需电机壳，轻便灵巧，同时也降低了电机的功率，节省了能耗。