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安全检测技术课件第6章_图文

安全检测技术课件第6章_图文

第6章 生产装置安全检测

第6章 生产装置安全检测
6.1 超声检测技术 6.2 射线检测技术 6.3 磁粉检测技术 6.4红外检测与红外诊断技术 6.5 设备故障专家诊断技术

第6章 生产装置安全检测

6.1 超声检测技术
6.1.1 超声检测技术概述

1. 超声检测的基础知识
1) 超声波的产生与接收?

超声波的产生是把电能转变为超声能的过程, 它利用 的是压电材料的逆压电效应,目前在超声检测中普遍应用的 产生超声波的方法是压电法。压电法利用压电材料施加交变 电压,它将发生交替的压缩或拉伸,由此而产生振动,振动 的频率与交变电压的频率相同。当施加在压电晶体上的交变 电压频率在超声波频率范围内时,产生的振动就是超声波振 动。如果把这种振动耦合到弹性介质中,那么在弹性介质中 传播的波就是超声波。

第6章 生产装置安全检测 2) 超声波的种类? 超声波在介质中传播有不同的方式,波型不同,其振

动方式不同,传播速度也不同。空气中传播的声波只有疏
密波,声波的介质质点的振动方向与传播方向一致, 叫做 纵波。可在固体介质中传播的波除了纵波外还有剪切波, 又叫横波。此外,还有在固体介质的表面传播的表面波和 薄板中传播的板波。 ? 在超声检测中, 直探头产生的是纵波, 斜探头产生的 是横波。

第6章 生产装置安全检测 3)波速? 声波在介质中是以一定的速度传播的,在空气中的声速 为 340m/s , 水 中 的 声 速 为 1500m/s , 钢 中 纵 波 的 声 速 为 5900m/s,横波的声速为3230m/s,表面波的声速为3007m/s。 声速是由传播介质的弹性系数、密度以及声波的种类决定的, 它与频率和晶片没有关系。横波的声速大约是纵波声速的一 半,而表面波声速大约是横波的0.9。

第6章 生产装置安全检测 4)波的透射、反射与折射? 当超声波从一种介质传播到另一种介质时,若垂直入射, 则只有反射和透射。反射波与透射波的比率取决于两种介质 的声阻抗。例如当钢中的超声波传到底面遇到空气界面时,

由于空气与钢的声速和密度相差很大,超声波在界面上接近
100%的反射,几乎完全不会传到空气中(只传出来约0.002 %),而钢同水接触时,则有88%的声能被反射,有12%的

声能穿透进入水中。计算声压反射率R和声压透射率D的公
式为

Z 2 ? Z1 R? Z 2 ? Z1

(6-1)

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2Z 2 D? Z 2 ? Z1
式中:Z1、Z2为两种介质的声阻抗。?

(6-2)

当倾斜入射时,除反射外,投射波会发生折射现象, 同时伴随有波形转换。假如介质为液体、气体时,反射波 和折射波只有纵波。?

斜探头接触钢件时,因为两者都是固体,所以反射波
和折射波都存在纵波和横波,如图6-1所示。

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图6-1固体和固体间的折射和反射

第6章 生产装置安全检测 图中:i——入射角;β——反射角;θ——折射角。 此时,反射角和折射角的大小由两种介质中的声速决定。

折射角的计算公式为

sin ?L sin ?L sin ? s ? ? C1 CL2 CS 2
式中:C1——入射波声速;? α——入射角;? γ——反射角;? L——纵波;? S——横波。

(6-3)

第6章 生产装置安全检测 2.超声检测的优点 (1)适应范围广。无论是金属、非金属,还是复合材料都 可应用超声波进行无损检测。? (2)不会对工件造成损坏。施加给工件的超声强度低,最 大作用应力远低于弹性极限,不会对工件使用造成任何影响。 (3)仅需从一侧接近被检工件,便于复杂形状工件的检 测。? (4)穿透能力强、灵敏度高。能够检验极厚部件,不适 宜检验较薄的工件,能够检出微小不连续性缺陷,对面积型 缺陷的检出率较高,而对体积型缺陷的检出率较低。? (5)对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质 等参量较之其他无损检测方法有综合优势。

第6章 生产装置安全检测 (6)检验成本低、速度快,能快速自动检测。?

(7)检测仪器体积小,质量轻,现场使用较方便。
(8)对人体及环境无害。

第6章 生产装置安全检测 3.超声检测技术的局限性? 超声检测技术也有一定的局限性。检测条件会限制超声

技术的应用,特别在涉及以下因素之一时:?
(1)试件的几何形状(尺寸、外形、表面粗糙度、复杂 性及不连续性取向)不合适; (2)不良的内部组织(晶粒尺寸、结构孔隙、夹杂物含 量或细小弥散的沉淀物)。

第6章 生产装置安全检测 6.1.2超声检测的方法 1.超声检测的基本方法

1)脉冲反射法?
脉冲反射法是目前应用最为广泛的一种超声波检测法。 它的探伤原理是:将具有一定持续时间和一定频率间隔的超 声脉冲发射到被测工件上,当超声波在工件内部遇到缺陷时, 就会产生反射,根据反射信号的时差变化及在显示器上的位 置就可以判断缺陷的大小及深度。图6-2为脉冲反射法原理图。

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图6-2脉冲反射法原理图

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2)共振法
若某一频率可调的声波在被测工件内传播,当工件的厚 度是超声波的半波长的整数倍时,将引起共振,检测仪器会 显示出共振频率。利用相邻的两个共振频率之差,按下式可 计算出被测工件的厚度:

c c ?? ? ? 2 2 f 0 2( f m ? f m ?1 )
式中:f0——工件的固有频率;? fm、fm-1?——相临两共振频率;? c——被检工件的声速;? λ——波长;? δ——工件厚度。

?

第6章 生产装置安全检测 3)穿透法? 穿透法又叫透射法,它是根据脉冲波穿透工件后的能 量变化来判断工件缺陷情况的。穿透法检测可以用连续波, 也可以用脉冲波,常使用两个探头,分别用于发射和接收 超声波,这两个探头被放置在工件两侧。若工件内无缺陷, 超声波穿透工件后衰减较小,接收到的超声波较强;若超 声波在传播的路径中存在缺陷,则超声波在缺陷处就会发 生反射或折射,并部分或完全阻止超声波到达接收探头。 这样,根据接收到超声波能量的大小就可以判断缺陷位置 及大小。

第6章 生产装置安全检测 穿透法的优点是适于探测较薄工件的缺陷和检测超声 衰减大的匀质材料工件;设备简单,操作容易,检测速度

快;对形状简单、批量较大的工件容易实现连续自动检测。
穿透法的缺点是不能探测缺陷的深度;不能检测小缺

陷,探伤灵敏度较低;对发射探头和接收探头的位置要求
较高。穿透检测法灵敏度低,也不能对缺陷定位。?

第6章 生产装置安全检测 4)接触法? 接触法就是利用探头与工件表面之间的一层薄的耦合 剂直接接触进行探伤的方法。耦合剂主要起传递超声波能 量的作用。耦合剂要求具有较高的声阻抗且透声性能好, 一般为油类,如硅油、甘油、机油。图6-3为接触法探伤原 理图。?

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图6-3接触法探伤原理图

第6章 生产装置安全检测 5)液浸法? 液浸法就是将探头与工件全部浸入液体,或将探头与工

件之间局部充以液体进行探伤的方法。液体一般用水,故又
称水浸法。用液浸法纵波探伤时,当超声束达到液体与工件 的界面时会产生界面波,如图6-4所示。由于水中声速是钢

中声速的1/4,声波从水中入射钢件时,产生折射后波束变
宽。为了提高检测灵敏度,常用聚焦探头。

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图6-4液浸法探伤

第6章 生产装置安全检测 2.超声波探伤仪 1)A型显示探伤仪?

A型显示探伤仪可使用一个探头兼作收发,也可使用两
个探头,一发一收,使用的波型可以是纵波、横波、表面波

和板波。多功能的A型显示探伤仪还有一系列附加电路系统,
如时间标距电路、自动报警电路、闸门选择电路、延迟电路 等。?

第6章 生产装置安全检测 2)B型显示探伤仪? 在A型显示探伤中,横轴为时间轴,纵轴为信号强度。 若将探头移动距离作横轴,探伤深度作纵轴,可绘制出探伤 体的纵截面图形,这种方式称为B型显示方式。在B型显示 中,显示的是与扫描声束相平行的缺陷截面。? B型显示不能描述缺陷在深度方向的扩展。当缺陷较大 时,大缺陷后面的小缺陷的底面反射也不能被记录。? 若将一系列小的晶片排列成阵,并依次通过电子切换来 代替探头的移动,即为移相控制式或相控阵式探头,它们被 广泛用于B型扫描显示和一些其他扫描方法中。近年来,B 型扫描显示已经在电脑式探伤仪中通过B型扫描程序得以实 现。

第6章 生产装置安全检测 3)C型显示探伤仪? C型显示探伤仪使探头在工件上纵横交替扫查,把在探

伤距离特定范围内的反射作为辉度变化并连续显示,可绘制
出工件内部缺陷的横截面图形。这个截面与扫描声束相垂直。 示波管荧光屏上的纵、横坐标,分别代表工件表面的纵、横

坐标。?
若将B型和C型显示两者结合起来,便可同时显示被检

测部位的侧面图和顶视图,此种方法被称为复二维显示方式。
在复二维显示中,常用多笔放电式记录仪描绘图形。

第6章 生产装置安全检测 4)连续波探伤仪? 对时间而言,连续波探伤仪发射的是连续的且频率不 变(或在小范围内周期性频率微调)的超声波。其结构比 脉冲波探伤仪简单,主要由振荡器、放大器、指示器和探

头组成。检测灵敏度较低,可用于某些非金属材料检测。

第6章 生产装置安全检测 5)调频波探伤仪? 对时间而言,调频波探伤仪周期性地发射连续的频率可 调的超声波,其工作原理与调频雷达类似,主要由调频器、 振荡器、混频器、低频放大器和探头组成,由电表、耳机、 喇叭或频率计指示。当调频波进入工件并由缺陷返回后,其 反射波与发射波的频率不同,经过混频器输出二者的差频, 由指示器显示。此类仪器现在已很少使用。

第6章 生产装置安全检测 3.采用超声波检测技术时应注意的事项? 1)检测条件的选择? 在进行超声波检测之前,应了解被检工件的材料特性、 外形结构和检测技术要求;熟悉工件在加工的各个过程中可

能产生的缺陷和部位,以作为分析缺陷性质的依据。

第6章 生产装置安全检测 2)检测仪的选择? 超声波检测仪是超声波检测的主要设备。目前国内外检

测仪种类繁多,性能也各不相同。使用时应优先选用性能稳
定、重复性好、可靠性高的仪器。此外,检测前也应根据探 测要求和现场条件来选择检测仪:?

(1)对于定位要求高的情况,应选择水平线性误差小
的仪器;?

(2)对于定量要求高的情况,应选择垂直线性好、衰
减器精度高的仪器;?

第6章 生产装置安全检测 (3)对于大型零件的检测,应选择灵敏余量低、信噪 比高、功率大的仪器;?

(4)为了有效地发现表面缺陷和区分相邻缺陷,应选
择盲区小、分辨率好的仪器;? (5)对于室外现场检测,应选择重量轻、荧光屏亮度 好、抗干扰能力强的便携式检测仪。

第6章 生产装置安全检测 3)探头的选择?

根据检测目的和技术条件选择合适的探头,从探头的 形式、探头的频率以及探头的晶片尺寸三个方面选择。?
在选择探头频率时应注意:对同种材料而言,频率愈 高,超声衰减愈大;对同一频率而言,晶粒愈粗,衰减愈 大。对于细晶粒材料,选用较高频率可提高检测灵敏度, 因为频率高,波长短,检测小缺陷的能力强,同时频率愈 高,指向性愈好,可提高分辨力,并能提高缺陷的定位精 度。但是,提高频率会降低穿透能力和增大衰减,因此, 对粗晶和不致密材料及厚度大的工件,应选用较低的探测 频率。

第6章 生产装置安全检测 4)检测方法和耦合剂的选择? 应针对工件的具体情况选择合适的检测方法,常用的检 测方法有:脉冲反射法、共振法、穿透法、接触法和液浸法。 探头与试件的耦合方式有:液体耦合、空气耦合等。另 外,在一些特殊条件(如高温)下,还需要选择特殊的耦合 剂。?

对于应用最多的液体耦合,影响声耦合的主要因素有:
(1)耦合层厚度;? (2)表面粗糙度;? (3)声阻抗;? (4)工件表面形状等。

第6章 生产装置安全检测 6.1.3生产装置的超声检测 1.钢壳和模具的超声波检测 大型结构部件钢壳和各种不同尺寸的模具均为锻件。锻 件探伤采用脉冲反射法,除奥氏体钢外,一般晶粒较细,探 测频率多为2~5MHz,质量要求高的可用10MHz。锻 件通常采用接触法探伤,用机油作耦合剂,也可采用水浸法。 在锻件中缺陷的方向一般与锻压方向垂直,因此,应以锻压 面作主要探测面。锻件中的缺陷主要有折叠、夹层、中心疏 松、缩孔和锻造裂纹等。钢壳和模具探伤以直探头纵波检测 为主,以横波斜探头作辅助探测。但对于筒头模具的圆柱面 和球面壳体,应以斜探头为主。为了获得良好的声耦合,斜 探头楔块应磨制成与工件相同曲率。钢壳的腰部带有异型法 兰环,当用直探头探测时,在正常情况下不出现底波,若有 裂纹等缺陷存在,便会有缺陷波出现。其探伤情况如图6-5 所示。

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图6-5异型法兰探伤

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2.小型压力容器壳体的超声波检测?
小型压力容器壳体是由低碳不锈钢锻造成型的,经机械加 工后成半球壳状。对此类锻件进行超声波探伤,通常以斜探头 横波探伤为主,辅以表面波探头检测表面缺陷。对于壁厚3m m以下的薄壁壳体可只用表面波法检测。探伤前必须将斜探头 楔块磨制成与工件相同曲率的球面,以利于声耦合,但磨制后 的超声波束不能带有杂波。通常使用易于磨制的塑料外壳环氧 树脂小型K值斜探头,K值可选,范围为1.5~2,频率为2.5~ 5MHz。探伤时采用接触法,用机油耦合。图6-6为探伤操作 情况。探头一方面沿经线上下移动,一方面沿纬线绕周长水平 移动一周,使声束扫描线覆盖整个球壳。在扫查过程中通常没 有底波,但遇到裂纹时会出现缺陷波。可以制作带有人工缺陷、 与工件相同的模拟件调试灵敏度。

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图6-6小型球壳的探伤

第6章 生产装置安全检测 3.复合构件检测

某些结构件是将两种材料粘合在一起形成的复合材料。 复合材料粘合质量的检测,主要有脉冲反射法、脉冲穿透 法和共振法。?
两层材料复合时,粘合层中的分层(粘合不良)多与 板材表面平行,用脉冲反射法检测是一种有效的方法。用 纵波检测时,若两种材料的声阻抗相同或相近,且粘合质 量良好,产生的界面波很低,底波幅度较高。当粘合不良 时,界面波较高,而底波较低或消失。若两种材料的声阻 相差较大,在复合良好时界面波较高,底波较低。当粘合 不良时,界面波更高,底波很低或消失。

第6章 生产装置安全检测 当第一层复合材料很薄,在仪器盲区范围内时,界面波 不能显示。这时粘合质量的好坏主要用底波判别。一般说来 粘合良好时有底波,粘合不良时无底波。但第二层材料对超 声衰减大时,也可能无底波,如图6-7所示。

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图6-7第一层较薄时的探测 (a)粘合良好;(b)粘合不良

第6章 生产装置安全检测 当第二层复合材料很薄时,界面波(I)与底波(B)相邻 或重合,如图6-8所示。对于很薄的复合材料,也可用双探

头法检测。如用横波检测,可用两个斜探头一发一收,调整
两探头的位置,使接收探头能收到粘合不良的界面波。

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图6-8第二层较薄时的探测 (a)粘合良好;(b)粘合不良

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4.结构件焊缝的检测
在科研生产过程中,经常遇到焊接结构件,如试验筒体、 大型测试刚架、焊接容器和壳体等。焊缝形式有对接、角接、 搭接、丁字接和接管焊缝等。超声波检测常遇到的缺陷有气 孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。? 焊缝探伤主要用斜探头(横波),有时也可使用直探头 (纵波)。探测频率通常为2.5~5MHz。探头角度的选择 主要依据工件厚度。在缺陷定位计算中,可以使用探头折射 角的正弦和余弦,也可使用正切值,它等于探头入射点至缺 陷的水平距离与缺陷至工作表面垂直距离之比。一般说来, 板材厚度小时选用K值大的探头,板材厚度大时选用K值小 的探头。仪器灵敏度调整和探头性能测试应在相应的标准试 件上进行。

第6章 生产装置安全检测 例如:某化工厂采用超声波检测技术,对由16MnR材质

制造,壁厚24mm,工作压力12.6MPa,工作介质为压缩氦气,
-5℃低温条件下工作的多台压力容器进行无损检测。主要针 对压力容器的焊缝缺陷进行检测。?

检测结果表明,超声波探伤是压力容器焊接质量控制中
的一种有效的检验技术。通过熟练掌握超声波无损检测技术 能检测出压力容器焊接接头补焊焊道中的埋藏缺陷,并且具 有指向性较强、灵敏度高、探测可靠性较高、探测效率高、 成本低和设备轻便等特点。

第6章 生产装置安全检测 5.港口集装箱龙门桥吊缺陷的超声检测 港口龙门桥吊是用于起吊集装箱从岸上到船或从船上 到岸的可延伸、可行走的起重机。港口龙门桥吊主要采用 钢板、钢管、法兰盘等进行焊接和拼装而成。主要件之间 的连接采用焊接与法兰盘螺栓连接相结合,有的也采用焊 接方式进行连接。由于工作环境、运行情况以及本身结构 状态的限制,对每条主要焊缝的质量要求都非常严格。? 采用超声检测技术对法兰盘与主梁焊接连接处的焊缝 缺陷、盘管焊缝缺陷、吊机上行车行驶轨道对接焊缝缺陷 进行检测,能够及时发现隐患,预防重大事故的发生。

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6.2射线检测技术
6.2.1射线检测技术概述 1. 射线检测技术的特点

射线检测诊断使用的射线主要是X射线、γ 射线和其他 射线。射线检测诊断成像技术主要有实时成像技术、背散射 成像技术、CT技术等。该技术的主要优点如下。? (1)几乎适用于所有材料,而且对试件形状及其表面粗

糙度均无特别要求。对于厚度为0.5mm的钢板等,均可检查
其内部质量。?

第6章 生产装置安全检测 (2)能直观地显示缺陷影像,便于对缺陷进行定性、定 量与定位分析。?

(3)射线底片也就是检测结果可作为档案资料长期保存 备查,便于分析事故原因。?
(4)对被测物体无破坏、无污染。? (5)检测技术和检测工作质量可以自我监测。

第6章 生产装置安全检测 2.射线检测技术的局限性 (1)射线在穿透物质的过程中被吸收和散射而衰减,使 得可检查的工件厚度受到制约。 (2)难于发现垂直射线方向的薄层缺陷,当裂纹面与射 线近于垂直时就很难检查出来。 (3)对工件中平面型缺陷(裂纹未熔合等缺陷)也具有 一定的检测灵敏度,但与其他常用的无损检测技术相比,对 微小裂纹的检测灵敏度较低,? (4)检测费用较高,其检验周期也较其他无损检测技术 长。?

(5)射线对人体有害,需作特殊防护。?

第6章 生产装置安全检测 6.2.2射线检测的基本原理和方法 1.射线检测的基本原理

各种射线检测方法的基本原理都是相同的,都是利用
射线通过物质时的衰减规律,即当射线通过被检物质时, 由于射线与物质的相互作用,发生吸收和散射而衰减。其 衰减程度根据其被通过部位的材质、厚度和存在缺陷的性 质不同而异。因此,可以通过检测透过被检物体后的射线

强度的差异,来判断物体中是否存在缺陷。图6-9为射线检
测的原理图。

第6章 生产装置安全检测

图6-9射线检测的原理图

第6章 生产装置安全检测 当一束强度为I0的均匀射线通过被检测试件(厚度为d) 后,其强度将衰减为

I d ? I 0 e ? ud

(6-5)

式中:u为被检物体的线吸收系数。 如果被测试件表面局部凸起,其高度为h时,则射线 通过h部位后,其强度将衰减为

I h ? I 0e

?u ( d ? h )

(6-6)

又如在被测试件内有一个厚度为 x 的线吸收系数为u′的某种 缺陷,则射线通过x部位后,其强度衰减为

I x ? I 0e

[ ? u ( d ? x ) ?u ' x ]

(6-7)

式中:u′为被检物体缺陷处的线吸收系数。

第6章 生产装置安全检测 由于u≠u′,则由式(6-5)、(6-6)、(6-7)可得

Id ? Ih ? I x

(6-8)

因而,在被检测试件的另一面就形成了一幅射线强度
不均匀的分布图。通过一定方式将这种不均匀的射线强度 进行照相或转变为电信号指示、记录或显示,就可以评定

被检测试件的内部质量,达到无损检测的目的。

第6章 生产装置安全检测 2.射线检测的方法? 射线检测的方法主要有透视照相法、电离检测法、X射 线荧光屏观察法和电视观察法以及正在发展中的工业射线C T(计算机层析成像)技术等。 照相法是指将射线感光材料(通常用射线胶片)放在被 透照试件的后面接受来自透过试件后不同强度分布的射线。 因为射线强度与胶片乳剂的摄影作用在正常条件下成正比, 所以胶片在射线作用下形成潜影,经暗室处理后,就会显示 出物体的结构图像。根据底片上影像的形状及其黑度的不均 匀程度,就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、 形状、大小和位置。图6-10为射线照相原理示意图。

第6章 生产装置安全检测

图6-10射线照相原理示意图

第6章 生产装置安全检测 2)电离检测法?

X射线通过气体时,撞击气体分子,使其中某些原子失
去电子而变成离子,同时产生电离电流。如果让穿过工件的 射线再通过电离室,那么在电离室内便产生电离电流。不同 的射线强度穿过电离室后产生的电离电流也不相同。电离检 测法就是利用测定电离电流的方法来测定X射线强度的,根 据射线强度的不同可以判断工件内部质量的变化。检测时, 可用探头(即电离室)接收射线,并转换为电信号,经放大 后输出。电离检测法检测原理如图6-11所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-11电离检测法检测原理

第6章 生产装置安全检测 此法的特点:能对产品进行连续检测,便于自动化操作, 可采用多探头,效率高,成本低。但它只适用于形状简单、 表面平整的工件,在一般情况下对缺陷性质判别较困难。因 此,在探伤方面应用并不广泛,但可研制成各种专用的检测 设备,如用于自动检查子弹壳的X射线装置。该装置由德国 塞福特公司研制,用于分选子弹壳,每小时可检测的子弹壳 达7200个。X射线束通过铅制狭缝后,透过子弹壳的X射线 由探头接收。探头采用闪烁探测器,由碘化钠晶体和光电倍 增管组成。当遇到子弹壳壁有缺陷时,则壁厚变薄,探头便 输出一个较强的电信号,触发分选机构,从而自动将废品分 选出来。

第6章 生产装置安全检测 3)荧光屏观察法? 荧光屏观察法是将透过被检测物体后的不同强度的射 线投射在涂有荧光物质的荧光屏上,激发出不同强度的荧 光来,成为可见影像,从荧光屏上直接辨认缺陷。它所看 到的缺陷影像与照相法在底片上所得到的影像黑度相反。

第6章 生产装置安全检测

图6-12荧光屏观察法检测示意图

第6章 生产装置安全检测 荧光屏观察法的相对灵敏度大约为7%左右。它具有成 本低、效率高、可连续检测等优点,适用于形状简单、要求

不很严的产品探伤。近来,对此装置进一步采用了电子聚焦
荧光辉度倍增管配合小焦点的X光机,使荧光屏的亮度、清 晰度有所增加,灵敏度达2%~3%。在荧光屏上观察时,

为了减少直射X射线对人体的影响,在荧光屏后用一定厚度
的铅玻璃吸收X射线,并将图像再经过45°的二次反射后 进行观察,如图6-12所示。从荧光屏上观察到的缺陷,如需 要备查时,可用照相或录像法将其摄录下来。

第6章 生产装置安全检测 4)电视观察法 电视观察法是荧光屏直接观察法的发展,实际上就是

将荧光屏上的可见影像通过光电倍增管增强,再通过电视
设备进行显示。电视观察法的自动化程度高,而且无论静 态或动态情况都可进行观察,但检测灵敏度比照相法低, 对形状复杂的零件检查也比较困难。

第6章 生产装置安全检测 5)工业射线CT(计算机层析成像)技术? 射线照相一般仅能提供定性信息,不能用于测定结构

尺寸、缺陷方向和大小。它还存在三维物体二维成像、前
后缺陷重叠的缺点。CT技术是断层照相技术,又称计算 机层析成像技术,它根据物体横断面的一组投影数据,经 过计算机处理后,得到物体横断面的图像。所以,它是一 种由数据到图像的重建技术。它比射线照相法能更快、更

精确地检测出材料和构件内部的细微变化,消除了照相法
可能导致的检查失真和图像重叠,并且大大提高了空间分 辨力和密度分辨力。

第6章 生产装置安全检测

图6-13 射线CT工作原理示意图

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3.射线检测设备
现代工业射线照相检测设备器材主要由射线源、胶片 和金属增感屏组成。? 过程设备的射线检测对象主要是材质、壁厚、形状和 尺寸不同的容器和管子的对接接头、对接焊缝和其他形式 接头,T形和角接接头则需特殊的透照技术。为保证过程设 备的制造质量和安全使用,在制造阶段就要根据容器的结 构特点,选用适当的射线设备、器材、几何布置和曝光条 件,对被检焊缝进行透照检查。为保证检测结果的有效性 和可靠性,通常要对射线透照工艺和透照质量进行适当控 制。只有自身质量符合要求的射线底片,才有条件按标准 对焊接质量进行评定和验收。

第6章 生产装置安全检测 6.2.3生产装置的射线检测 1.射线检测技术在压缩机入口分液罐检测中的应用? 采用射线检测技术可以对压缩机入口分液罐进行检测, 其中,对容器环焊缝的检测难度相对较大。在实际的检测过 程中,可根据现场的具体情况,设计检测方案。? (1)对接环焊缝进行检测时,采用射线或轴向X射线机内 透中心法(或偏心法)进行透照。? (2)容器对接纵缝进行检测时,采用定向射线机进行直缝 透照。

第6章 生产装置安全检测 2.射线检测技术在航空航天工业中的应用? 射线检测技术中的CT技术在航空航天领域不但用来检 测精密铸件的内部缺陷、评价烧结件的多孔性、检测复合材 料件的结构并控制其制造工艺,而且近年来已将射线CT技 术引入更高层次的探测对象。美国肯尼迪空间中心就采用射 线CT装置来检测火箭发动中的电子束焊缝、飞机机翼的铝 焊缝。该装置还能发现涡轮叶片内0.25mm的气孔和夹杂物, 也可用来检测航天飞机发动机出口锥等。

第6章 生产装置安全检测 3.射线检测技术在核工业中的应用? CT技术的应用日渐增多,例如用来检测反应堆燃料 元件的密度和缺陷,确定包壳管内芯体的位置,检测核动 力装置及其零部件的质量,并用于设备的故障诊断和运行 监测。中子CT技术还可以用来检查燃料棒中铀分布的均 匀和废物容器中铀屑的位置。

第6章 生产装置安全检测 4.射线检测技术在钢铁工业中的应用 CT技术在钢铁工业中的应用已十分广泛,从分析矿石 含量到冶炼过程中各项技术标准的实现,以及各种钢材的质 量保证程度,都可以通过CT扫描进行检测。例如1989年美 国IDM公司研制的IRIS系统,用于热轧无缝钢管的在线质 量控制,25ms即可完成一个截面的图像。它由1024×1024 图像显示器显示,光盘存储,可以实时测量管子的外径、内 径、壁厚、偏心和椭圆度等。它还可以同时测量轧制温度, 管子的长度和质量,以及检测腐蚀、蠕变、塑性变形、锈斑 和裂纹等缺陷。美国和德国还用中子CT装置进行钢管在线 质量监测,每隔1cm给出一组层析数据和图像,发现偏心、 厚度不均和缺陷时,由计算机自动调整生产工艺参数。

第6章 生产装置安全检测 5.射线检测技术在机械工业中的应用? 射线检测技术在机械工业中常用于检测和评价铸件和 焊接结构的质量。图6-14所示为采用射线CT装置在线检 测汽缸体铸件的质量。特别是用来检测微小气孔、缩孔、 夹杂和裂纹等缺陷,并用于进行精确的尺寸测量,也可用 于汽缸盖、铝活塞等铸件的检测。

第6章 生产装置安全检测

图6-14用于汽缸体铸件在线检测的射线CT装置

第6章 生产装置安全检测

6.3磁粉检测技术
6.3.1磁粉检测技术概述

1.磁粉检测技术的特点
磁粉检测对工件中表面或近表面的缺陷检测灵敏度最高, 对裂纹、折叠、夹层和未焊透等缺陷较为灵敏,能直观地显 示出缺陷的大小、位置、形状和严重程度,并可大致确定缺 陷性质,检查结果的重复性好。?

一般来说,采用交流电磁化可以检测表面下2mm以内的 缺陷,采用直流电磁化可以检测表面下6mm以内的缺陷。随 着缺陷的埋藏深度的增加,其检测灵敏度迅速降低。因此, 它被广泛用于磁性材料表面和近表面缺陷的检测。

第6章 生产装置安全检测 2.磁粉检测法的局限性? 磁粉检测法只适用于检测铁磁性材料及其合金。另外,

磁粉探伤仅局限于对铁磁材料的表面和近表面缺陷进行检
测,所以在现代工业中经常遇到的奥氏体不锈钢、铝镁合 金制品中的缺陷不能应用磁粉探伤进行检测,而只能使用 其他的探伤方法(如渗透检测、射线检测等方法)进行检 测。另外,磁粉检测法的局限性还表现在单一的磁化方法 检测受工件几何形状影响(如键槽),会产生非相关显示,通 电法和触头法磁化时,易产生打火烧伤。

第6章 生产装置安全检测 3.磁粉检测的适用范围?

(1)未加工的原材料(如钢坯)、半成品、成品及在役与
使用过的工件都可用磁粉检测技术进行检查。? (2)管材、棒材、板材、型材和锻钢件、铸钢件及焊接 件都可应用磁粉检测技术来检测缺陷。? (3)被检测的表面和近表面的尺寸很小,间隙极窄的铁 磁性材料,可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹和目测难 以发现的缺陷。?

第6章 生产装置安全检测

(4)可用于检测马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢材料,
但不适用于检测奥氏体不锈钢(如1Crl8Ni9)和用奥氏体不 锈钢焊条焊接的焊缝,也不适用于检测铜、铝、镁、钛合

金等非磁性材料。?
(5)可用于检测工件表面和近表面的裂纹、白点、发纹、 折叠、疏松、冷隔、气孔和夹杂等缺陷,但不适于检测工 件表面浅而宽的划伤、针孔状缺陷、埋藏较深的内部缺陷 和延伸方向与磁力线方向夹角小于20°的缺陷。?

第6章 生产装置安全检测 6.3.2磁粉检测的基本原理和方法

1.磁粉检测的基本原理
磁粉检测是将铁磁性金属制成的工件置于磁场内,则工 件将被磁化,其磁感应强度为??

B=uH
式中:B——工件的磁感应强度;?

(6-9)

H——外加磁场(磁化磁场)强度;? u——材料的导磁率。

第6章 生产装置安全检测 磁感应强度B的大小,不但决定着工件能否进行磁粉检 测,而且会对检测灵敏度产生很大的影响。铁磁性物质的导 磁率很大,能产生一定的磁感应强度,因而能进行磁粉检测, 并能获得必要的灵敏度。铁磁性材料的导磁率u1,导磁率高

的物质具有低顽磁性,容易被磁化;导磁率低的物质具有高
顽磁性,难被磁化。

第6章 生产装置安全检测 磁粉检测的三个必要的步骤为:?

(1)被检验的工件必须得到磁化;?
(2)必须在磁化的工件上施加合适的磁粉;? (3)对任何磁粉的堆积必须加以观察和解释。 当材料或工件被磁化后,若在工件表面或近表面存在裂 纹、冷隔等缺陷,便会在该处形成一漏磁场。此漏磁场将吸

引、聚集检测过程中施加的磁粉,从而形成缺陷显示。?

第6章 生产装置安全检测 因此,磁粉检测首先是对被检工件加外磁场进行磁化。 工件被磁化后,在工件表面上均匀喷洒微颗粒的磁粉(磁粉

平均粒度为5~10μ m),一般用四氧化三铁或三氧化二铁
作为磁粉。如果被检工件没有缺陷,则磁粉在工件表面均匀 分布。当工件上有缺陷时,由于缺陷(如裂纹、气孔、非金

属夹杂物等)内含有空气或非金属,其磁导率远远小于工件
的磁导率,因此,位于工件表面或近表面的缺陷处产生漏磁 场,形成一个小磁极,如图6-15所示。磁粉将被小磁极所

吸引,缺陷处由于堆积比较多的磁粉而被显示出来,形成肉
眼可以看到的缺陷图像。

第6章 生产装置安全检测

图6-15缺陷漏磁场的产生 (a)表面缺陷;(b)近表面缺陷

第6章 生产装置安全检测 最后需要对检测过程中出现的磁粉堆积加以观察并做出 合理的解释。? 另外,要增强磁粉检测的有效性,还应安排好磁粉检测 的时机。一般来说,磁粉检测时机的安排应遵循以下原则: (1)磁粉检测工序应安排在容易产生缺陷的各道工序(如 焊接、热处理、机加工、磨削、矫正和加载试验)之后进行, 但应在涂漆、发蓝、磷化等表面处理之前进行。? (2)对于有产生延迟裂纹倾向的材料,磁粉检测应安排在 焊接完24h后进行。? (3)磁粉检测可以在电镀工序之后进行。对于镀铬、镀镍 层厚度大于50μ m的超高强度钢(抗拉强度等于或超过1240hWa) 的工件,在电镀前后均应进行磁粉检测。

第6章 生产装置安全检测 2.磁粉检测缺陷发现的条件 1)取决于工件缺陷处漏磁场强度是否足够大?

磁粉检测中能否发现缺陷,首先决定于工件缺陷处漏磁 场强度是否足够大。要提高磁粉检测的灵敏度,即提高发现 更细小缺陷的能力,就必须提高漏磁场的强度。缺陷处漏磁 场的强度主要与被检工件中的磁感应强度B有关,工件中磁 感应强度越大,则缺陷处的漏磁场强度越大。一般情况下, 工件中磁感应强度达到0.8T(特)左右即可保证缺陷处的漏 磁场能够吸附磁粉。

第6章 生产装置安全检测

2)取决于缺陷本身的状况?
缺陷处漏磁场的大小还取决于缺陷本身的状况(例如缺 陷的宽窄、深度与宽度之比、缺陷埋藏深度以及倾角方向 等),因此,对于具有相同磁感应强度的被检工件,在不同 缺陷处的漏磁场强度也有差异。由于空气的磁导率远比工件 的磁导率低,因而缺陷孔隙处不容易使磁力线通过,就会产 生对原来均匀分布的磁力线的干扰,使一部分磁力线被“挤 到”裂纹尖端的下面,一部分穿过裂纹气隙,另一部分被 “挤出”工件表面后再进入工件,如图6-15(a)所示。 这后两部分磁力线在工件表面形成漏磁场。有些靠近工件表 面的缺陷虽然没有暴露到工件表面,但当工件被磁化时,缺 陷处靠近工件表面的受干扰的磁力线有可能被挤出工件表面, 如图6-15(b)所示,这样在工件表面上也会有漏磁场产 生。但当缺陷离工件表面较深时,受干扰的磁力线没有被挤 出工件表面,就不会产生漏磁场。也就是说,离工件表面比 较深的缺陷用磁粉检测检查不出来。

第6章 生产装置安全检测 3)取决于缺陷的形状和位置? 同样深度的缺陷由于形状与位置不同,能检出的程度 也不一样。例如,当被检工件近表面缺陷的方向与磁场相 垂直时就容易被检出。当然,能检出缺陷的深度与工件的 磁感应强度有关,磁感应强度愈大,愈能检出埋藏深度大 的缺陷。对于夹杂物,如果它的磁导率与工件材料的磁导 率相差不大,缺陷就不容易被显示。这种情况在检测某些 合金钢材料工件时有可能会遇到。工件表面缺陷处的漏磁 场密度与缺陷深度几乎成正比关系。缺陷深度愈长,愈容 易显示。缺陷深度与宽度之比很重要,实践证明,缺陷的 深度与宽度之比愈小,则引起的漏磁愈少,两者之比小于 或等于1时所引起的漏磁极少,不容易引起磁痕。

第6章 生产装置安全检测 3.磁粉检测方法? 磁粉检测工艺是指从磁粉检测的预处理、磁化工件(包

括选择磁化方法和磁化规范)、施加磁粉或磁悬液、磁痕分
析评定、退磁以及后处理的整个过程。? 根据磁粉检测所用的载液或载体的不同,可将磁粉检测 分为湿法和干法检测;根据磁化工件和施加磁粉、磁悬液的 时机不同,又可分为连续法和剩磁法检测;根据硫化硅橡胶

液内配与不配磁粉,磁粉检测可分为磁橡胶法与磁粉探伤—
橡胶铸型检测。?

第6章 生产装置安全检测 1)连续法磁粉检测? Ⅰ.定义?

在外加磁场磁化的同时,将磁粉或悬磁液施加到工件上
进行磁粉检测的方法称为连续法磁粉检测。? Ⅱ.应用范围? 连续法磁粉检测适用于所有铁磁性材料的磁粉检测,对 于形状复杂以及表面覆盖层较厚的工件,也可以应用连续法 进行磁粉检测。另外,当使用剩磁法检验设备功率达不到时, 也可以应用连续法磁粉检测。?

第6章 生产装置安全检测

Ⅲ.操作程序?
在外加磁场作用下进行连续法磁粉检测(用于光亮工件) 时,操作程序如图6-16所示。?

图6-16外加磁场作用下的连续法磁粉检测操作程序

第6章 生产装置安全检测

图6-17外加磁场中断后的连续法磁粉检测操作程序

第6章 生产装置安全检测 Ⅳ.操作要点? 湿连续法磁粉检测时,先用磁悬液润湿工件表面,在通

电磁化的同时浇磁悬液,停止浇磁悬液后再通电数次,待磁
痕形成并滞留下来时停止通电,然后进行检验。? 干连续法磁粉检测时,在对工件通电磁化后再开始喷撒 磁粉,并在通电的同时吹去多余的磁粉,待磁痕形成和检验 完后再停止通电。?

第6章 生产装置安全检测 Ⅴ.连续法磁粉检测的优点? 连续法磁粉检测适用于任何铁磁性材料的检测,无论是

湿法还是干法检验,都可以应用,能发现近表面的缺陷,且
在各种磁粉检测方法中的检测灵敏度最高。另外,连续法磁 粉检测还可用于多向磁化,而且交流磁化不受断电相位的影 响。? Ⅵ.连续法磁粉检测的局限性?

连续法磁粉检测的缺点是检测效率低,易产生非相关显
示,而且目视可达性差。

第6章 生产装置安全检测

2)剩磁法磁粉检测?
Ⅰ.定义? 在停止磁化后,再将磁悬液施加到工件上进行磁粉检测 的方法称为剩磁法磁粉检测。? Ⅱ.剩磁法磁粉检测的应用范围? 凡经过热处理(淬火、回火、渗碳、渗氮及局部正火等) 的高碳钢和合金结构钢,矫顽力在1000A/m以及剩磁在0.8T 以上,都可进行剩磁法检验。剩磁法磁粉检测可用来检测因 工件几何形状限制而使连续法难以检验的部位,如螺纹根部 和筒形件的内表面等。另外,剩磁法磁粉检测还可用于评价 连续法检验出的磁痕显示的性质,判断其属于表面还是近表 面缺陷显示。

第6章 生产装置安全检测 Ⅲ.剩磁法磁粉检测的操作程序? 剩磁法磁粉检测的操作程序为:预处理→磁化→施加磁

悬液→检验→退磁→后处理。?
剩磁法磁粉检测的通电时间为0.25~1s,磁悬液需浇注

2~3遍,以保证工件各个部位的充分润湿。若是将工件浸入
磁悬液中,则应在10~20s后再取出检验。另外,磁化后的 工件在检验完毕前,不能与任何铁磁性材料接触,以免产生

磁写。

第6章 生产装置安全检测 Ⅳ.剩磁法磁粉检测的优点? 剩磁法磁粉检测的优点是检测效率、灵敏度、缺陷显示 的重复性以及可靠性都比较高,目视可达性也好,而且易于 实现自动化检测。? Ⅴ.剩磁法磁粉检测的局限性? 剩磁法磁粉检测的缺点是只能对剩磁和矫顽力达到要求 的材料进行检测,使用范围受限制,而且检测缺陷的深度小, 发现近表面缺陷的灵敏度低,也不适用于干法检验,不能用 于多向磁化,而且交流磁化受断电相位的影响。

第6章 生产装置安全检测 3)湿法磁粉检测? 将磁粉悬浮在载液中进行磁粉检测的方法称为湿法磁 粉检测。? 磁悬液应采用软管浇淋或浸渍法施加于试件,使整个 被检表面被完全覆盖。?

湿法磁粉检测适用于大批量工件的检查,而且对表面 微小缺陷(如疲劳裂纹、磨削裂纹、焊接裂纹和发纹等)的 检测效果好,特别适合对锅炉压力容器上的焊缝、宇航工 件等灵敏度要求高的工件进行检测。?
湿法磁粉检测的局限性是检验大裂纹和近表面缺陷的 灵敏度不如干法磁粉检测。

第6章 生产装置安全检测 4)干法磁粉检测? 以空气为载体进行磁粉检测的方法称为干法磁粉检测。 磁粉应直接喷撒在被检区域,并除去过量的磁粉。轻轻 地振动试件,使其获得较为均匀的磁粉分布。应注意避免使 用过量的磁粉,不然会影响缺陷的有效显示。?

干法磁粉检测适用于表面粗糙的大型锻件、铸件、结构
件和大型焊接件焊缝的局部检查及灵敏度要求不高的工件的 检测,可用于检测大缺陷和近表面缺陷。?

第6章 生产装置安全检测 干法磁粉检测的优点是适于现场检验,检验大裂纹的

灵敏度高,而且当用干法+单相半波整流电检验工件近表面
缺陷时,灵敏度很高。? 干法磁粉检测的缺点是检验微小缺陷的灵敏度不如湿 法,而且磁粉不易回收,会造成污染和浪费,同时干法也 不适用于剩磁法检验。

第6章 生产装置安全检测 5)磁粉探伤—橡胶铸型法(MT—RC法)? MT—RC法是将磁粉检测显示出来的缺陷磁痕“镶嵌”在 室温硫化硅橡胶加固化剂后形成的橡胶铸型表面,然后再对 磁痕显示用目视或光学显微镜观察,进行磁痕分析。? 应用MT—RC法可记录缺陷的磁痕,适用于剩磁法检测, 可检测工件上孔径不小于3mm的内壁和难以观察到的部位的 缺陷。? MT—RC法的检测灵敏度高,而且能比较精确地测量橡胶 铸型上裂纹的长度。同时,MT—RC法的工艺稳定可靠,不受 固化时间的影响,磁痕显示重复性好,而且橡胶铸型可作为 永久记录长期保存。?

第6章 生产装置安全检测

6)磁橡胶法(MRI法)?
MRI法是将磁粉弥散在弥散在室温硫化硅橡胶液中,加 入固化剂后,再倒入受检部位。磁化工件后,在缺陷漏磁场 的作用下,磁粉在橡胶液重新迁移和排列。橡胶铸型固化后 即可获得一个含有缺陷磁痕显示的橡胶铸型,用于进行磁痕 分析。? MRI法适用于水下检测,可检测小孔的内壁和难以观测 到的部位的缺陷,而且可以间断跟踪检测疲劳裂纹的产生和 扩展速度。? MRI法的局限性也很多,除具有和MT—RC法同样的缺点外, MRI法的固化时间与磁化时间也难以控制,检测灵敏度也要 比MT—RC法。

第6章 生产装置安全检测 4.磁粉检测设备? 磁粉检测设备类繁多,用途各异,但都由主体装置和附 属装置所组成。? 主体装置也称为磁化装置。磁化装置有多种形式,如降 压变压器式、蓄电器充放电式、可控制单脉冲式、电磁铁式 和交叉线圈式。目前在固定式磁粉探伤设备中,用得比较多 的是降压变压器式;而在携带式小型磁粉探伤设备中,用得 比较多的是电磁铁式。

第6章 生产装置安全检测 附属装置则包括退磁装置、工件夹持装置、磁悬液喷 洒装置、剩磁测定装置和缺陷图像观察装置等。降压变压 器式磁化装置已被国内生产的大部分磁粉探伤设备所采用。 这种装置一般采用220V或380V交流输入,然后变为低电压 大电流输出,最后再经整流器进行单向半波、单向全波或 三相全波整流。电力变压器是磁化装置的核心,由于磁粉 检测采用的是瞬时功率(也称暂载功率),因此,其结构 尺寸比一般变压器要小得多。交叉线圈式磁化装置不仅可 以无接触地磁化工件,而且可以同时检测工件上任何方向 的表面和近表面缺陷,实现一次全方向磁粉检测。特别是 对于批量大的小型工件,配以适当的夹具可大大提高检测 效率。

第6章 生产装置安全检测 1)固定式磁粉探伤机? 固定式磁粉探伤机的尺寸和质量都比较大,一般均可

对被检工件分别实施轴向磁化、纵向磁化和轴向、纵向联
合磁化。还可以进行交流或直流退磁。固定式磁粉探伤机 一般都用磁悬液显示工件缺陷。这类探伤机一般也带有一 对与电缆相接的磁锥,可用来对大工件局部磁化或绕电缆 法检测,使其具有一定的机动性。采用的磁化电流一般为 4000~6000A的交流电或直流电,最高可达20000A。

第6章 生产装置安全检测 2)移动式磁粉探伤机? 移动式磁粉探伤机具有比较大的灵活性和良好的适应 性,可在工作场地许可的范围内自由移动,便于检测不容 易搬动的大型工件。? 3)可携带手提式磁粉探伤机? 可携带手提式磁粉探伤机灵活性最大,适用于野外和 高空操作,缺点是磁场强度比较小,磁化电流一般为750~ 1500A的半波整流电或交流电。移动式磁粉探伤机采用的 磁化电流大小介于固定式和手提式之间,为1500~4000A 的半波整流电或交流电。

第6章 生产装置安全检测 6.3.3生产装置的磁粉检测 1.磁粉检测技术在压力容器探伤中的应用 目前磁粉检测技术已成功地应用于压力容器的探伤中。 例如对液化气储罐的焊缝进行检测,对丁字口部位作射线检 测,对其余焊缝作100%磁粉检测。从检测的结果来看,应用 X射线检测没有发现缺陷,用磁粉检测却发现了表面裂纹。 而裂纹等开口缺陷是一种危害性最大的缺陷,它除降低焊接 接头的强度外,还因裂纹的末端呈尖锐的缺口,在焊接承载 后,引起应力集中,成为结构断裂的起源。另外,某化工公 司采取荧光磁粉检测,成功地检测出钢制乙烯球罐上的裂缝。 这说明,磁粉检测技术在压力容器无损检测中效果非常?显 著。?

第6章 生产装置安全检测 2.磁粉检测技术在锻件探伤中的应用? 锻造是当金属加热到极热或软化状态时,用锻锤或锻压 机把它加工成为所要求形状的过程。锻造缺陷主要有两类, 即锻造折叠和锻裂。 ? 电站用的大型转子,由于锻造时没有墩粗工艺,只有拔 长,所以缺陷大都是沿轴向分布的纵向缺陷。磁粉探伤时用 产生磁场的清洗干净的胶皮电缆线直接穿入孔内,用直流电 进行磁化,磁悬液通过油泵注入铁管,从铁管的铜喷头向上 喷出,转子放置时一端稍放低一点,以便多余的磁悬液流出。 在逐次连续磁化过程中,把磁悬液喷头从转子一端移至另一 端,使整个内孔上半部均匀地喷上磁悬液。取出电缆线后用 潜望镜观看。内孔上半部检查后,再将转子旋转180°,重 复上述过程再探一次,这样整个内孔全部检查完了。

第6章 生产装置安全检测 磁化电流的选择原则上保持试件内表面磁化强度近 8000A/m。实际采用的电流是:当中心孔直径为100mm 时,磁化直流电流为2200A;当中心孔直径为150mm时, 磁化直流电流为2400~2800A。检查完毕后,必须退磁, 并且把剩磁退净。退磁用交流电,电流为2000~3000A, 通电后把电流慢慢调到零。中心孔磁粉探伤法如图6-18所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-18转子中心孔磁粉探伤

第6章 生产装置安全检测 湿式连续法的磁化时间为7s,断续通电,喷头慢慢从 一端移至另一端。120mL磁膏溶于10L石油内(二次提炼

的石油)。?
验收标准是,原则上不允许有任何缺陷。? 只是当其他方法发现问题时,转子外圆磁粉探伤检查才 作为验证的手段。采用触头刺入局部磁化法,电流为2000A。 当采用交流电磁化时,两极间距为200mm;当采用直流电

磁化时,两极间距为250~300mm。磁粉探伤用湿法或干法
均可。

第6章 生产装置安全检测 3.磁粉检测技术在疲劳缺陷探伤中的应用 在运转中的试件上的疲劳裂纹,一般是出现在与试件运

动方向(即受压力的方向)相垂直的方向。如图6-19所示的
是一个驱动轴上出现疲劳裂缝的情况。有的疲劳裂纹出现在 交变应力变化最大的方向。如图6-20所示的是承受着复合应

力并频繁启停的旋转主轴,其疲劳裂纹又常出现在主轴的轴
向。

第6章 生产装置安全检测

图6-19驱动轴上的裂纹

第6章 生产装置安全检测

图6-20复合应力作用下疲劳裂纹的情况

第6章 生产装置安全检测

6.4红外检测与红外诊断技术
6.4.1红外检测与诊断技术概述 1.红外检测与诊断技术的特点?

红外检测作为众多检测方法中的一种,在功能上和其 他检测方法相比,有其独到之处,可完成X射线、超声波、 声发射及激光全息检测等技术无法胜任的检测工作。? 相对于常规测温技术,红外检测技术具有以下特点。

第6章 生产装置安全检测 1)非接触性? 红外检测的实施是不需要接触被检目标的,被检物体可 静可动,可以是具有高达数千摄氏度的热体,也可以是温度 很低的冷体。所以,红外检测的应用范围极广,且便于在生 产现场进行对设备、材料和产品的检验和测量。

第6章 生产装置安全检测 2)安全性极强? 由于红外检测本身是探测自然界无处不在的红外辐射, 因此它的检测过程对人员和设备材料都丝毫不会构成任何 危害。而它的检测方式又是不接触被检目标的,因而被检 目标即使是有害于人类健康的物体,也将由于红外技术的 遥控遥测而避免了危险。

第6章 生产装置安全检测 3)检测准确? 红外检测的温度分辨率和空间分辨率都可以达到相当 高的水平,检测结果准确度很高,无论是国外还是国内, 在不少行业中都把红外热像的判读当做“确诊率”的关键。 例如,它能检测出0.1℃,甚至0.01℃的温差;能在数毫 米大小的目标上检测出其温度场的分布;可以检测小到 0.025mm左右的物体表面,这在线路板的诊断上十分有用。 从某种意义上说,只要设备或材料的故障缺陷能够影响热 流在其内部传递,红外检测方法就不受该物体的结构限制 而能够探测出来。

第6章 生产装置安全检测 4)检测效率高? 红外检测设备与其他设备相比是比较简单的,而其检测 速度却很高,如红外探测系统的响应时间都是以μ s或ms计, 扫描一个物体只需数秒或数分钟即可完成。特别是在红外设 备诊断技术的应用中,往往是在设备的运行当中就已进行完 了红外检测,对其他方面很少带来麻烦,而检测结果的控制 和处理保存也相当简便。?

第6章 生产装置安全检测 2.红外检测与诊断技术的局限性 1)温度值确定存在困难? 红外检测技术可以检测到设备或结构热状态的微小差异 及变化,但很难精确确定被测对象上某一点的确切的温度值。

原因是物体红外辐射除了与其温度有关外,还受到其他很多
因素的影响,特别是受到物体表面状况的影响。所以,当需 要对设备温度状态作热力学温度测量时,必须认真解决温度

测量结果的标定问题。

第6章 生产装置安全检测 2)物体内部状况难以确定?

红外检测直接测量的是被测物体表面的红外辐射,主要 反映的也是表面的状况,对内部状况不能直接测量,需要经 过一定的分析判断过程。对于一些大型复杂的热能动力设备 和设备内部某些故障的诊断,目前尚存在若干困难,甚至还 难以完成运行状态的在线检测,需要配合其他常规方法做出 综合诊断。?
3)价格昂贵? 虽然由于技术的发展,红外检测仪器(如红外热成像仪) 的应用越来越广泛,但与其他仪器和常规检测设备相比,其 价格还是很昂贵。

第6章 生产装置安全检测 6.4.2红外检测与诊断的基本原理和方法 1.红外检测与诊断的基本原理? 任何物体由于其自身分子的运动,不停地向外辐射红 外热能。而且,物体的温度越高,发射的红外辐射能量就 越强。当一个物体本身具有不同于周围环境的温度时,不 论物体的温度高于环境温度,还是低于环境温度,也不论物 体的高温是来自外部热量的注入,还是由于在其内部产生 的热量造成的,都会在该物体内部产生热量的流动。热流 在物体内部扩散和传递的路径中,将会由于材料或设备的 热物理性质不同,或受阻堆积,或通畅无阻传递,最终会 在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”,从而在物体 表面形成不同的温度分布,通过红外成像装置以热图像的 方式呈现出来,俗称“热像”。

第6章 生产装置安全检测 在生产过程及物体运动的过程中,热和温度的变化无处 不在,温度检测与控制是生产正常进行的重要保证。当设备 产生故障时,如磨损、疲劳、破裂、变形、腐蚀、剥离、渗 漏、堵塞、松动、熔融、材料劣化、污染和异常振动等,绝 大部分都直接或间接地会引起温度的相关变化。设备的整体 或局部的热平衡也同样要受到破坏或影响,通过热的传播, 造成外表温度场的变化。因此,不同的温度分布状态与设备 运行状态紧密相关,包含了设备运行状态的信息。红外检测 诊断技术正是通过对这种红外辐射能量的测量,测出设备表 面的温度及温度场的分布,通过对被测对象红外辐射特性的 分析,就可以对其热状态做出判断,进而确定被测对象的实 际工作状态,这就是红外检测与诊断的基本原理。? 红外诊断技术主要完成检出信息、信号处理、识别评估、 预测技术等任务。

第6章 生产装置安全检测

图6-21红外检测与诊断技术的构成

第6章 生产装置安全检测

2)主动式红外检测?
主动式红外检测是在进行红外检测之前对被测目标主 动加热。加热源可来自被测目标的外部或在其内部,加热 的方式有稳态和非稳态两种。红外检测根据不同情况可在 加热过程当中进行,也可在停止加热且有一定延时后进行。 根据探测形式的不同,主动式红外检测又可分为双面 法(透射式)和单面法(后向散射式)两种。? (1)单面法:对被测目标的加热和红外检测在被测目 标的同一侧面进行。? (2)双面法:相对于上述单面法而言,双面法是把对 被测目标的加热和红外检测分别在目标的正、反两个侧面 进行。

第6章 生产装置安全检测

3.红外检测工作的内容及要求
1)红外检测的工作内容? 在设备故障的红外诊断技术中,其红外检测的工作内容 主要包括日常巡检、定期普测、重点跟踪、配合检修和新设 备基础检测等。红外诊断技术主要完成检出信息、信号评价、 识别评价、预测技术等任务。? Ⅰ.日常巡检?

日常巡检由运行人员或红外专责人员进行,即应用简易
或便携式的红外检测仪对巡视的运行设备关键部位进行红外 测温,并记录存档。

第6章 生产装置安全检测

Ⅱ.定期普测?
根据设备重要性的大小和新旧程度制定出设备全面普 测的周期,使用红外热成像设备对运行设备进行细致而全 面的红外检测并记录存档。? Ⅲ.重点跟踪?

在日常巡检和定期普测的基础上,对发现有过热疑点
的设备要进行重点跟踪检测。对情况比较严重的设备要连 续跟踪检测,记录存档,观看发展趋势。

第6章 生产装置安全检测 Ⅳ.配合检修?

当设备准备检修时,红外检测应配合检修工作进行。如
可在停机检修前进行检测,以确认检修目标和方位。也可在 检修后进行,以检查大修的效果和质量。? Ⅴ.基础检测? 对于新投运的设备,待其运行进入稳定状态(尤其是热 的稳定状态)后,为掌握设备的性能,要进行红外检测、记 录存档,用做该设备的红外基础资料,为今后分析故障缺陷 和预测寿命打下基础。?

第6章 生产装置安全检测 2)红外检测的基本要求? 对红外检测的基本要求分为五个方面,即对红外检测 仪器的要求、对被检测设备的要求、对检测环境的要求、 对检测周期的要求和对操作方法的要求。? Ⅰ.对红外检测仪器的基本要求? 应根据相应的检测内容和要求配备相应的检测仪器。

第6章 生产装置安全检测 Ⅱ.对检测环境的要求? 进行红外检测时,应考虑被测物周周环境的影响。?

(1)检测目标及环境温度不宜低于5℃。如果必须在低 温下进行红外检测,应注意仪器自身的工作温度范围,还 应考虑水汽、结冰等将影响检测结果的可信度。?
(2)环境湿度不应大于85%,风速不应大于0.5m/s, 不应有雷、雨、雾、雪。若检测中风速变大,应记录风速, 必要时应对检测结果按风速加以修正。? (3)户外设备检测宜在日出之前、日落之后或阴天情况 下进行。

第6章 生产装置安全检测 (4)室内外设备检测要避免灯光的照射。? (5)注意其他高温辐射体的干扰,在可能的条件下应采 取遮挡措施。

第6章 生产装置安全检测 Ⅲ.对检测周期的要求? 红外检测的周期取决于检测对象的重要性及其环境条件。 对于关键性和枢纽性的设备、运行环境恶劣的设备及老旧设 备,检测周期应缩短;对于新建、大修后的设备,要及时进 行红外检测;检测中发现热异常的设备,要跟踪检测。?

第6章 生产装置安全检测 Ⅳ.对操作方法的要求? 从全面扫描到局部精确检测。全面扫描有两种方式,

一是依靠广大的基层工作人员使用简单的点温仪进行;另
一种是由专职人员使用热像仪进行普查。对于大型设备, 进行红外检测一般要先用热像检测仪器,对所有应测部位

实施全部扫描,找出设备热态异常部位,然后对异常部位
和重点设备进行精密红外检测。精密检测有以下几点注意 事项。? (1)针对不同的检测目标选择不同的温度参照体;

第6章 生产装置安全检测 (2)检测设备发热点、正常设备的对应点及环境温度参 照体的温度值时,应注意使用同一台仪器;?

(3)如进行同类设备比较时,应保持各测点的测距、测
量方向和测量高度的一致;?

(4)注意选择最合适的测温范围,使热像的温度分辨率
达到最佳状态,以便于精密诊断设备的故障;? (5)要从不同方位对热异常部位进行检测,以找出最热 点的温度值。

第6章 生产装置安全检测

Ⅴ.对被检测设备的要求? 检测时应打开遮挡红外辐射的盖板;设计新设备时应 考虑红外检测的可能性。

第6章 生产装置安全检测 4.红外诊断的基本方法 红外诊断技术是设备诊断技术的一种,它是利用红外技 术来了解和掌握设备在使用过程中的状态,确定其整体和局 部是否正常,早期发现故障及其原因,并能预测故障发展趋 势的技术。 ?红外诊断技术主要包括简易红外诊断技术和精密红外诊 断技术。简易红外诊断和精密红外诊断二者的内容和作用是 不同的,但它们又有着紧密的联系。简易诊断是精密诊断的 基础,无论是从红外诊断技术的发展过程来看,还是在实际 应用当中,红外精密诊断都离不开红外简易诊断。红外简易 诊断工作是大量普及的,它一般要应用于所有相关的设备, 由于面广点多,所以它不可能解决难度大的故障诊断,而难 度大的故障诊断正是红外精密诊断技术的工作内容。

第6章 生产装置安全检测 1)简易红外诊断? 进行简单红外诊断时,使用各种性能的红外点温仪以及

性能结构比较简单的热成像仪器。简易红外诊断的目的和要
求主要是:? (1)设备热异常的早期检出;? (2)设备热状态监测;? (3)设备状态劣化倾向的定量管理;? (4)筛选需要进行精密红外诊断的设备。?

第6章 生产装置安全检测 2)精密红外诊断? 精密红外诊断多用在大型、关键设备和要求测温精度较 高的设备上进行,主要目的是:?? (1)确定设备热异常发生的部位;?

(2)诊断热异常的原因;?
(3)诊断缺陷性质,预测缺陷的发展趋势和设备的寿命。

第6章 生产装置安全检测 Ⅰ.表面温度判断法? 表面温度判断法是遵照已有的标准,对设备显示温度 过热的部位进行检测并按相关的规定判断它的状态正常与 否。利用这种方法可以判定设备故障部位的情况,但不可 能充分显示红外诊断技术超前诊断的优越性。

第6章 生产装置安全检测 Ⅱ.相对温差判断法? 相对温差判断法是为了排除设备负荷不同、环境温度

不同对红外检测和诊断结果造成的影响而提出的。当环境
温度过低或设备负荷较小时,设备的温度必然低于高环境 温度和高负荷时的温度。但大量事实说明,此时的温度值

没有超过允许值,然而这并不能说明设备没有缺陷存在,
因此往往在负荷增长之后或环境温度上升后,就会引发设 备事故。“相对温差”是指两台设备状况相同或基本相同

(指设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷)的
两个对应测点之间的温差。

第6章 生产装置安全检测 Ⅲ.同类比较法? 同类比较是指在同一类型被检设备之间进行比较。所

谓“同类”设备,是指它们的类型、工况、环境温度和背
景热噪声相同或相近,可以相互比较的设备。具体做法是 将同类设备的对应部位温度值进行比较,这样更容易判断 出设备状态是否正常。在进行同类比较时,要注意排除它 们同时存在热故障的可能性。

第6章 生产装置安全检测 Ⅳ.热谱图分析法?

热谱图分析法是根据同类设备在正常状态和异常状态下 热谱的差异来判断设备是否正常的方法。?
Ⅴ.档案分析法? 档案分析法是通过将测量结果与设备的红外诊断技术档 案相比较来进行分析诊断的方法。这种方法有利于对重要的、 结构复杂的设备进行正确的诊断。应用这种方法的前提要求 比较高,需要预先为诊断对象建立红外诊断技术档案,从而 在进行诊断时可以分析该设备在不同时期的红外检测结果, 包括温度、温升和温度场的分布有无变化,掌握设备热态的 变化趋势,同时还应参考其他相关检测结果以综合分析判断。

第6章 生产装置安全检测

5.红外仪器简介
红外测量仪器种类繁多、功能各异,根据检测对象和要 求的不同,可以设计成不同类型的仪器。一个比较完整的红 外仪器通常包括光学系统、调制盘、红外探测器、电子处理 线路和显示记录装置等部分。其中,光学系统用于收集目标 红外辐射并将它会聚到红外探测器上;调制盘对入射的连续 红外辐射进行调制,使直流信号变成交流信号。在一些较精 密的红外仪器中,还采用了参考黑体,在调制器阻断目标辐 射期间,让探测器接收参考黑体的辐射,以作为辐射测量的 基准。红外探测器接收经过调制的红外辐射,并转变成电信 号。电子处理线路将来自探测器的电信号进行放大,并进行 各种信号处理。显示记录装置将经过处理的信号进行显示和 记录。

第6章 生产装置安全检测 用于红外检测的仪器目前可分四类。按检测物体的点、 线和面分,依次有红外点温仪(又称红外测温仪)、红外

行扫仪、红外热电视和红外热像仪。顾名思义,红外点温
仪用于检测物体的点温,红外行扫仪用于检测物体的线温, 而红外热电视和红外热像仪则可以检测物体的二维温度场。

第6章 生产装置安全检测 1)红外点温仪? 红外点温仪被用于测量物体的一个点,即相对非常小 的面积的温度。毫无疑问,这种红外仪器每次仅可测量物 体上极小的部分,很局限。当需要检测物体大面积的温度 时,必须进行人工扫描,即按一定的方向和路线在被检测 区域内选择多点,实施多次测量才能完成。看起来这是相 当麻烦的,但由于红外点温仪的价格低廉、轻巧便携、坚 固耐用、使用十分方便,因而成为设备巡察和维护人员的 得力工具。所以红外点温仪成为现场检测的通用手段,它 是进行红外简易诊断的主要工具,是实施红外诊断技术的 基础和必备的手段。

第6章 生产装置安全检测 2)红外行扫仪?

如果手持红外点温仪对被测物体进行扫描,则可得到 被测物体沿扫描线的一维温度分布,这就是红外行扫描仪 的基本原理。?
在实际应用中,红外行扫仪将一条被测物一维温度分 布的迹线叠加到目标的可见光图像上。与红外点温仪相比, 红外行扫仪虽然结构要复杂些,但功能有明显的提高。与 热像仪相比,其功能显然达不到热像仪的水平,但行扫仪 结构简单、价格便宜、不需制冷、使用方便。

第6章 生产装置安全检测 3)红外热电视? 红外热电视是利用热释电(热电转换)效应的原理制成 的热成像装置,它接收被测目标物体表面红外辐射,并把目 标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号。它的核心 器件是红外热释电摄像管,其次还有扫描器、同步器、前置 放大、视频处理及电源、A/D转换、图像处理、显示器等。 红外热电视将被测目标的红外辐射线通过透镜聚集成像到热 释电摄像管,采用常温热电视探测器和电子束扫描及靶面成 像技术来实现其技术功能。红外热电视的基本结构框图如图 6-22所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-22红外热电视的基本结构框图

第6章 生产装置安全检测 4)红外热像仪? 热成像系统是接收物体发出的热辐射,并将其转换为可 见热图像的装置。红外热像仪发展到现在已有两代产品。第 一代红外热像仪就是光机扫描热像仪,它通过机械光学系统 将被测目标进行二维扫描,达到对目标温度的面检。光机扫 描热像仪的成像清晰度相当好,取得的热信息丰富,再加上 微机技术的发展,使光机扫描热像仪的功能达到了前所未有 的高度,它在红外诊断技术的发展中发挥了相当出色的作用。 但是,由于光机扫描热像仪扫描系统的繁杂,对制造、使用 和维护都十分不便,为此又研制出了第二代红外热像仪。其 特点是革除了高速运动的机械扫描机构,采用自扫描的固体 器件做成凝视型的红外焦平面热像仪。到目前为止,红外焦 平面热像仪还在发展当中,且不断地从军用转向民用。和接 触式测温方法相比,红外热像仪有着响应时间快、非接触、 使用安全及使用寿命长等优点。

第6章 生产装置安全检测 表6-1常见红外仪器的分类及其特点
类别 性能 红外点温仪 温度点检 使用便捷 价格低廉 效率较低 红外热电视 1.显示二维热像 2.价格适中 光机扫描热像仪 显示二维热像 热像质量较高 运动部件多 焦平面热像仪 显示二维热像 结构轻巧 热像质量高 价格较高

特点

距离系数 测温范围 关键技术指标

是否具有测温功 能

测温范围 温度分辨率 空间分辨率 测温准确度

测温范围 温度分辨率 空间分辨率 测温准确度 功耗使用方便度

第6章 生产装置安全检测 表6-1常见红外仪器的分类及其特点
1.瞄准方式: 1.型式:平移式 无瞄准器、望 斩波式 远镜式、激光 2.使用方式: 式 便携式、固定式 2.使用方式: 便携式、固定 式 1.输出信息: 1.图象显示:模 模拟量、数字 拟量、数字量 量 2.记录:无存贮 2.记录方式: 和可存贮 无存贮 按制冷方式分: 制冷剂外置、内 循环制冷、热电 制冷 按制冷方式分: 内循环制冷、 热电 制冷

型式

输出方式

1. 图像存 贮能力 2. 图像处 理能力

1. 图像存 贮能力 2. 图像处 理能力

第6章 生产装置安全检测

6.4.3生产装置的红外检测
1.红外检测技术在石化工业生产装置安全检测中的应用 石化生产的工艺流程大都存在着热交换关系,进行红外 检测的石化设备应该是其故障与温度变化密切相关的设备。 例如,各种反应器、加热炉、催化装置、烟机等,多是在热 状态下工作,其设备外壁表面的温度分布如何,主要是由内 部工作温度、设备结构、材料热阻以及壁面环境温度所决定 的。当设备内部的温度可以监测、环境影响一定的情况下, 设备表面的温度分布变化就直接反映了设备结构热阻的变化。 总之,凡是热辐能量和温度与设备故障信息有关的装置、设 备、管线、建筑物等,均可采用红外检测。因此,红外检测 在石化工业中获得了广泛的应用,并取得了显著的效益。

第6章 生产装置安全检测 (1)石化企业中的催化装置、裂化装置及连接管等都 是与热关联的重要生产设备,因此都可以用红外热像仪来 监测。热像中明亮过分的区域表明材料或炉衬已因变薄而 温度升高,由此可掌握生产设备的现场状态,为维修提供 可靠信息。同时也可监视生产设备沉积、阻塞、热漏、绝 热材料变质及管道腐蚀等有关情况,以便有针对性地采取 措施,保证生产的正常进行。?

第6章 生产装置安全检测 (2)用于炉罐容器液面、料位的检测。容器内液面或 物料界面的不准确,极大地影响了设备长期满负荷运行,

某些检测方法也极不安全。例如,焦炭塔物料界面的高度
仅仅根据进料时间估计和控制,由于考虑到物料界面过高 会影响生产,因此实际控制的最高界面总大大低于设计允

许高度,使塔不能满负荷运行;又如氢氟酸储罐的液面检
测,由于所储介质为腐蚀性很强的氢氟酸,其液面高度的 检测采用液面计进行,液面观察极不安全。而这些液面或

料位都可以采用性能好的热像仪实时地、非接触地安全而
准确地检出。

第6章 生产装置安全检测 目前,红外检测技术已成功地应用于国内石化生产装置 安全检测的以下几方面:? ①石化设备的缺陷检测和故障诊断;? ②加氢反应器缺陷检测;? ③压力容器内衬里缺陷的定量诊断;? ④气化炉炉顶故障的诊断;? ⑤尤里卡装置裂解分馏塔底结焦状况的红外检测;?

⑥设备衬里损坏状况的热像评估;?
⑦加氢反应器正常热像与故障热像。

第6章 生产装置安全检测 应用红外检测技术对石化生产装置进行安全检测时, 应注意以下事项。? (1)红外检测时间和地点的选择。 对于露天设备的检测时间,宜选择日出前、日落后或 阴天无太阳光干扰的情况,并且无雨、雪、雾和大风的干

扰。检测地点的确定应建立在对被测设备现场认真勘察的
基础上,力求位置便于检测,无遮挡物,避开强辐射体的 影响。

第6章 生产装置安全检测 (2)红外检测的准备工作。 红外检测的准备工作除了配备红外检测仪器外,尚需 配备一个精度较高的面接触型点温计、风速仪和激光测距 仪(必要时可备有正像经纬仪)。此外,应了解被测设备 所在装置的工艺流程和故障史、维修史,掌握设备运行参 数,做好与检测有关的情况记录。

第6章 生产装置安全检测 (3)红外检测的实施。红外检测的实施是按照“定设

备、定部位、定参数、定标准、定人员、定仪器、定周期、
定路径巡检及数据采集”的方针进行的。对被测设备进行 红外检测时,一般包括确定表面发射率、确定测温范围、

确定适宜的中心温度和扫描方式等内容。

第6章 生产装置安全检测 2.红外检测技术在冶金工业生产装置安全检测中的应 用? 冶金生产不仅大都与温度有密切关系,而且还是综合性 的联合企业,除了冶金炉窑等专用设备外,还有电力和化工 的设备。因此,红外检测和诊断技术的应用有着特殊广泛的 范围。? 冶金专用设备的红外检测的应用范围主要包括:? (1)内衬缺陷的诊断。 包括高炉、热风炉、转炉、钢水包、铁水包和回转窑的 内衬缺陷。

第6章 生产装置安全检测 (2)冷却壁损坏的诊断。 高炉的冷却壁损坏,过去采用检测冷却水的方法监测, 与红外热像检测相比是不直观的。

而红外检测可以给出温度的具体分布,因而可以定量 地说明冷却壁的损坏程度。?
(3)内衬剩余厚度的估算。? (4)高炉炉瘤的诊断。? (5)工艺参数的控制和检测。? (6)热损失计算。

第6章 生产装置安全检测

3.红外检测技术在电力工业生产装置安全检测中的应用
电力设备在正常运行时,与温度有着密不可分的关系, 在其故障发展和形成过程中,绝大多数都与发热升温紧密相 连。电力设备到处可见的导线和连接件以及很多裸露的工作 部件,在成年累月的运行中,受环境温度变化、污秽覆盖、 有害气体腐蚀、风雨雪雾等自然力的作用,再加上人为设计、 施工工艺不当等因素,均会造成设备老化、损坏和接触不良, 必将导致设备的介质损耗增大或漏电流增大和接触电阻增大 等缺陷,从而引起相应的局部发热面温度升高。若未能及时 发现、制止这些隐患的发展,其结果必然会因恶性循环而引 发连接点熔焊、导线断裂,甚至设备爆炸起火等事故。对于处 在设备外壳内部的各种部件,如导电回路、绝缘介质和铁芯 等,当它们发生故障时也会产生不同的热效应。

第6章 生产装置安全检测 设备因故障而发热异常,致使设备温度升高,并且超过 正常值时,就设备材料而言,它的强度、稳定性、导电性或

绝缘性能都会降低。同时,随着承受高温的时间增长,其各
种有关性能将变差,最终会导致设备的部分功能或全部功能 失效。?

目前,红外检测技术在电力设备安全检测方面越来越多
地发挥着重要的作用。

第6章 生产装置安全检测 (1)发电机故障的诊断。 发电机的故障主要包括定子线棒接头、定子铁芯绝缘,

电刷和集电环、端盖、轴承和冷却系统堵塞等。?
(2)变压器热故障的诊断。?

(3)断路器内部故障的诊断。
断路器内部载流回路接触不良造成过热的故障,采用红 外热像方法,一般都可以很方便地确诊。?

第6章 生产装置安全检测 (4)互感器内部故障的诊断。?

(5)避雷器内部故障的诊断。?
(6)电力电容器内部故障的诊断。? (7)电缆内部故障的诊断。? (8)瓷绝缘故障的诊断。? (9)导流元件和设备外部故障的诊断。

第6章 生产装置安全检测

4.火车轴箱温度检测?
火车车体的自重和载重都是由车辆的轴箱传递到车轮 的。在火车运行中,由于机械结构、加工工艺、摩擦及润 滑状态不良等原因,轴箱会产生温度过高的热轴故障,如 不及时发现和处理,轻则得甩掉有热轴故障的车辆,重则 导致翻车事故,造成生命危险和财产的损失。为防止燃轴 事故,利用红外测温技术制成了热轴探测仪,可以方便精 确地检测轴箱温度。仪器安放在车站外两侧,当火车通过 时,探测器逐个测出各个车轴箱的温度,并把探测器输出 的每一脉冲(轴箱温度的函数)输送到站内检测室,根据 脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置,以便采取措 施。

第6章 生产装置安全检测

6.5设备故障专家诊断技术
6.5.1设备故障专家诊断系统 1.设备故障专家诊断系统的结构 专家系统在设备故障诊断领域的应用非常广泛,目前已 成功推出的有旋转机械故障诊断专家系统、往复机械故障诊 断专家系统、发电机组故障诊断专家系统、汽车发动机故障 诊断专家系统等。设备故障诊断专家系统除了具备专家系统 的一般结构外,还具有自己的特殊性,其结构框图如图6-23 所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-23设备故障专家诊断系统结构简图

第6章 生产装置安全检测 2.设备故障专家诊断系统的诊断推理与控制策略 故障诊断专家系统不但要拥有大量的专业知识,而且还 要具有选择和运用诊断知识解决实际问题的能力。把这种选 择知识和运用知识的过程称为基于知识的推理。? 基于知识的推理以知识表示为基础,知识表示方法的不 同,决定了选择知识和运用知识方法的不同。因此,专家系 统可以将基于知识的推理方式分为基于规则的推理、基于模 型的推理、基于案例的推理和不精确推理等。? 在设备故障诊断系统中,借助多种数学原理和系统理论, 形成了多种不同的诊断方法。如将模糊数学理论应用于故障 诊断,形成了模糊诊断方法;将人工神经网络用于故障诊断, 开发了神经网络智能诊断系统;利用灰色系统理论进行故障 诊断,形成了灰色诊断方法。

第6章 生产装置安全检测 6.5.2设备故障的模糊诊断技术 1.模糊故障诊断原理 设备在运行过程中,故障征兆与引起的原因之间往往 并不是一一对应的关系,特别是大型的复杂设备,这种不

确定性就显得更加明显。利用故障征兆与引起原因之间的
这种不确定性来进行的诊断就是模糊故障诊断。

第6章 生产装置安全检测 目前,用于智能故障诊断的模糊技术主要有两种方法: 一种是基于模糊理论的诊断方法,它是将模糊集划分成不 同水平的子集,以此来判断故障可能属于哪个子集;另一 种是基于模糊关系及逻辑运算的诊断方法,即先建立征兆 与故障类型之间的因果关系矩阵R,再建立故障与征兆的模 糊关系方程,即

Y ? X ?R

(6-10)

式中:X——故障征兆模糊集,是诊断的输入;? Y——故障原因模糊集,是诊断的输出;? R——模糊关系矩阵;? ?。——模糊逻辑算子。

第6章 生产装置安全检测

图6-24模糊故障诊断系统的基本结构

第6章 生产装置安全检测 1)模糊化接口? 模糊化接口的作用是将实际工程中精确的、连续变化 的输入量转化成模糊量,以便进行模糊推理。模糊化实质 上是通过人的主观评价,将一个实际测量的精确数值映射 为该值对于其所处域上模糊集的隶属函数。? 图6-25所示的是以温度为输入模糊变量的隶属函数。 温度模糊子集为(很冷、较冷、正好、较热、很热),其 隶属函数为梯形分布。

第6章 生产装置安全检测

图6-25温度模糊子集的隶属函数

第6章 生产装置安全检测 2)模糊规则库? 模糊规则库由一系列模糊语义规则和事实组成,它包含 了模糊推理机进行工作时所需要的事实和推理规则。

第6章 生产装置安全检测 3)模糊推理机? 模糊推理机是模糊系统的核心,其作用是利用知识库 中的规则对模糊量进行运算,以求得模糊输出。它实质上 是一套决策逻辑,通过模仿人脑的模糊性思维方式,应用 模糊规则库的模糊语言规则,推出系统在新的输入或状态 作用下应有的输出或结论。模糊推理机采用基于规则的推 理方式,每一条规则可有多个前提和结论,各前提的值等 于它的隶属函数值。在推理过程中,对于一条规则取各个 前提的最小值为规则的值。结论的模糊输出变量值等于本 条规则的最小值,而每一个输出模糊变量的值等于相应结 论的最大值。

第6章 生产装置安全检测 4)非模糊化接口? 非模糊化接口的作用是将模糊推理得到的模糊输出转 换成非模糊值(清晰值),即用来实现从输出域上的模糊 子空间到普通清晰子空间的映射。为了便于将输出模糊变 量转换成精确量的非模糊化过程,输出变量的模糊子集隶 属函数可以采用单点定义法,这样便于采用加权平均进行 非模糊化。

第6章 生产装置安全检测 2.模糊故障诊断方法 1)基于模糊模式识别的故障诊断方法?

在故障诊断范畴里,所谓“模式”,是指反映一类事物 特征并能够与别类事物相区分的样板。模式识别就是对故障 进行区分和归类,以达到辨识目的的一种科学方法。故障诊 断的模式识别由两个过程组成:一是学习过程,即把所研究 对象的状态分为若干模式类;二是识别过程,即用模式的样 板对待检测状态进行分类决策。在故障诊断的实际问题中, 当诊断对象的故障(故障原因、故障征兆等)是明确、清晰 和肯定的,即模式是明确、清晰和肯定的,可以应用故障模 式识别的诊断方法。当诊断对象的模式具有模糊性时,则可 以用模糊模式识别方法来处理。模糊模式识别方法大致可分 为两种:一种是模糊模式识别的直接法;另一种是模糊模式 识别的间接法。正确地提取状态特征并根据特征量构造判别 函数,是模式识别的关键。

第6章 生产装置安全检测 2)基于模糊推理的故障诊断方法? 基于模糊推理的诊断方法不需要建立被监控对象精确的 数学模型,而是运用隶属函数和模糊规则进行模糊推理,就 可以实现故障诊断。但是,对于复杂的诊断系统,要建立正 确的模糊规则和隶属函数是非常困难的,而且需要花费很长 的时间。对于更多的模糊规则和隶属函数集合而言,难以找 出规则与规则之间的关系,也就是说规则有“组合爆炸”的 现象发生。另外,由于系统的复杂性和耦合性,使得时域、 频域特征空间与故障模式特征空间的映射关系往往存在着较 强的非线性,这时隶属函数形状不规则,只能利用规范的隶 属函数形状来加以处理,如用三角形、梯形或直线等规则形 状来组合予以近似代替,从而使得非线性系统的诊断结果不 够理想。基于直接推理模糊诊断的基本思想是利用模糊关系 矩阵R将故障与征兆联系起来,然后利用模糊关系方程,由征 兆和模糊关系矩阵求出故障。?

第6章 生产装置安全检测 2.神经网络故障诊断的局限性? 神经网络故障诊断也有许多局限性,如训练样本获取

困难,网络学习没有一个确定的模式,学习算法收敛速度
慢,不能解释推理过程和推理结果,在脱机训练过程中训 练时间长,为了得到理想的效果,要经过多次实验,才能

确定一个理想的网络拓扑结构。?

第6章 生产装置安全检测 3.神经网络故障诊断原理 1)神经元模型

作为神经网络基本单元的神经元模型如图6-26所示。?
从图中可以看出,神经元模型有三个基本要素:?

(1)一组连接权。连接强度由各连接权值表示,权值
为正表示激励,为负表示抑制。

第6章 生产装置安全检测

图6-26神经元模型

第6章 生产装置安全检测 (2)一个求和单元。用于求取各个输入信息的加权和 (线性组合)。? (3)一个非线性激励函数。非线性激励函数起非线性 映射作用,并抑制神经元输出幅度在一定的范围之内。? 神经元的输入与输出关系可以表示为

? n ? yk ? f ? ? ?kj x j ? ? k ? ? ? ? j ?1 ?

(6-11)

式中:xj为神经元的输入信号;ωkj为从神经元k到神经元j的连接 权值;θk为神经元的阈值;f()为激励函数(或传递函数);yk 为神经元k的输出。如果采取不同形式的激励函数?f(),则将 导致不同的模型。

第6章 生产装置安全检测 2)网络拓扑结构? Ⅰ.层状结构? 层状结构的NN由若干层构成。其中一层为输入层,另 一层为输出层,介于输入层与输出层之间的为隐层。每一 层都包含一定数量的神经元。在相邻层中,神经元单向连 接,而同层内的神经元相互之间无连接关系。根据层与层 之间有无反馈连接,又进一步将其分为前馈网络和反馈网 络。? 前馈网络(FeedforwardNetwork,FN)也称前向网络。 其特点是各神经元接收前一层的输入,并输出给下一层, 没 有 反 馈 ( 即 信 息 的 传 递 是 单 方 向 ) 。 BP (BackPropagation)网络是一种最为常用的前馈网络。具 有两个隐层的前馈网络如图6-27所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-27多层前馈神经网络结构

第6章 生产装置安全检测 Ⅱ.网状结构?

网状结构是一种互连网络。其特点是任何两个神经元之 间都可能存在双向连接关系;所有的神经元既可作为输入节 点,也可作为输出节点。这样,输入信号要在所有神经元之 间往返传递,直到收敛为止。其结构如图6-28所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-28网络结构神经网络

第6章 生产装置安全检测 Ⅲ.神经网络(NN)的工作过程? NN的工作过程可分为两个阶段:第一阶段是学习期,此

时各计算单元状态不变,各连线上的权值通过学习来修改;
第二阶段是工作期,此时连接权值固定,计算单元状态变化, 以达到某种稳定状态。从作用效果看,前馈网络主要是函数 映射,可用于模式识别和函数逼近。NN可用做各种联想储 存器和用于求解优化问题。

第6章 生产装置安全检测 3)神经网络故障诊断原理? 神经网络是由多个神经元按一定的拓扑结构相互连接 而成的。神经元之间的连接强度体现了信息的存储和相互 关联程度,且连接强度可通过学习而加以调节。三层前向 神经网络如图6-29所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-29三层神经网络

第6章 生产装置安全检测 输入层:从监控对象接收各种故障信息及现象,并经 归一化处理,计算出故障特征值为

X ? ( x1 , x2 ?, xn )

(6-12)

中间层:从输入得到的信息经内部学习和处理,转化为

有针对性的解决办法。中间层可以是一层,也可以根据不同
问题采用多层。中间层含有隐节点,它通过数值ωij连接输入 层,通过阈值θi连接输出层。选用S型函数,可以完成输入模

式到输出模式的非线性映射。

第6章 生产装置安全检测 输出层:通过神经元输出与阈值的比较,得到诊断结果。 输出层节点数m为故障模式的总数。若第j个模式的输出为
Y ? (0 0 0 1?0 1 0?0 0)

(6-13)

即第j个节点输出为1,其余输出均为0,它表示第j个故障存 在(输出0表示无故障模式)。

第6章 生产装置安全检测 利用NN进行故障诊断的基本思想是:以故障特征作为 NN输入,诊断结果作为NN输出。首先利用已有的故障征兆 和诊断结果对NN进行离线训练,使NN通过权值记忆故障征 兆与诊断结果之间存在的对应关系;然后将得到的故障征兆 加到NN的输入端,就可以利用训练后的NN进行故障诊断, 并得到相应的诊断结果。可以看出,神经网络进行故障诊断 是利用它的相似性、联想能力和通过学习不断调整权值来实 现的。给神经网络存入大量样本,NN就对这些样本进行学 习,当n个类似的样本被学习后,根据样本的相似性,把它 们归为同一类的权值分布。当第n+1个相似的样本输入时, NN会通过学习来识别它的相似性,并经权值调整把这个样 本归入一类。NN的归类标准表现在权值的分布上。当部分 信息丢失时,如n个样本中丢失了n1 个(n1<n),那么NN还 可通过另外n-n1个样本去学习,并不影响全局。

第6章 生产装置安全检测 4.神经网络故障诊断方法? 1)模式识别故障诊断? 神经网络模式(Pattern)一般指某种事物的标准形式 或 使 人 可 以 照 着 做 的 标 准 样 式 。 模 式 识 别 (PatternRecognition,PR)是研究模式的自动处理和判读 的数学技术问题,它既包含简单模式的分类,也包含复杂模 式的分析。模式识别故障诊断神经网络就是从模式识别的角 度,应用神经网络作为分类器进行故障诊断的。

第6章 生产装置安全检测 我们知道,状态监测的任务是使设备系统不偏离正常功 能,并预防功能失败,而当系统一旦偏离正常功能,则必须

进一步分析故障产生的原因,这时的工作就是故障诊断。如
果事先已对设备可能发生的故障模式进行了分类,那么诊断 问题就转换为把设备的现行工作状态归入哪一类的问题。从

这个意义上讲,故障诊断就是模式的分类和识别。

第6章 生产装置安全检测 和传统的模式识别技术相比,人工神经网络作为一种自 适应模式识别技术,不需要预先给出关于模式的先验知识和 判别函数,它可以通过自身的学习机制自动形成所要求的决 策区域。网络的特性由其拓扑结构、节点特性、学习和训练 规则所决定,NN能充分利用状态信息,并对来自不同状态的 信息逐一训练以获得某种映射关系,同时网络还可连续学习。 当环境改变时,这种映射关系还可以自动适应环境变化,以 求对对象的进一步逼近。例如,使用来自设备不同状态的振 动信号,通过特征选择,找出对于故障反应最敏感的特征信 号作为神经网络的输入向量,建立故障模式训练样本集,对 网络进行训练。当网络训练完毕时,对于每一个新输入的状 态信息,网络将迅速给出分类结果。

第6章 生产装置安全检测 2)知识处理故障诊断? 神经网络知识处理故障诊断,就是从知识处理的角度, 建立基于神经网络的故障诊断系统。知识处理通常包括知 识获取、知识存储及推理三个步骤。? 在NN的知识处理系统中,知识是通过系统的权系矩阵 加以存储,即知识是表示在系统的权系矩阵之中的。知识 获取的过程就是按一定的学习规则,通过学习逐步改变其 权系矩阵的过程。由于神经网络能进行联想和记忆推理, 因而具有很强的容错性。对于不精确、矛盾和错误的数据, 它都能进行推理,并能得出很好的结果。

第6章 生产装置安全检测 由于神经网络具有很强的并行性、容错性和自学习能力, 因此可建立一个神经网络推理机系统,通过对典型样本(实 际生产过程中采集的数据)的学习,完成知识的获取,并将 知识分布存储在神经网络的拓扑结构和连接权值中,进而避 免了传统专家系统知识获取过程中的概念化、形式化和知识 库求精三个阶段的不断反复。神经网络训练完成后,输入数 学模式,进行网络向前计算(非线性映射),就可得到输出 模式。再对输出模式进行解释,将输出模式的数学表示转换 为认识逻辑概念,即完成了传统专家系统的推理过程,就可 得到诊断结果。在这里,专家系统主要用来存储神经网络的 连接权矩阵元素值、训练样本、诊断结果和解释神经网络输 出,并做出诊断报告。

第6章 生产装置安全检测

6.5.4装置故障专家诊断技术应用
1.汽轮机叶片脱落故障专家诊断 某石化公司尿素生产装置中的二氧化碳压缩机由一台工 业汽轮机驱动。汽轮机与低压缸用齿式联轴节连接,低压缸 经增速箱与高压缸连接。汽轮机和低压缸工作转速 7200r/min,高压缸工作转速13900r/min。某日,该机组运 行中汽轮机的振动突然增大。汽轮机入口端Y向轴振动峰峰 值达77μ m,超过了66μ m的报警值;X向轴振动峰峰值为 63μ m。而此前两个方向的振动峰峰值分别为34μ m和31μ m。

故障专家诊断系统通过对机组数据进行分析,并利用诊 断知识进行推理,判断汽轮机振动增大的主要原因是由于转 子上的部件脱落造成的。停机解体抢修,发现汽轮机转子的 次末级断了两个叶片。

第6章 生产装置安全检测 1)启动诊断? 状态监测程序负责实时检测机组的各项参数,当发现 机组透平入口端转子Y向振动幅值超标后,即向系统发出报 警信息,启动专家系统进行故障诊断。

第6章 生产装置安全检测 2)征兆自动获取? 系统首先对振动较大的测点的振动信号进行频谱分析,

得到的分析结果是:振动信号中转子的转速频率成分(倍
频)较大,其他频率成分不明显。征兆获取程序将当前各 频率成分的幅值与机组正常状态相应频谱的幅值进行比较,

利用事先确定的模糊算法,计算出征兆存在的可信度。其
中,征兆“机组轴振动一倍频幅值较大”存在的可信度 CF=0.92。

第6章 生产装置安全检测 3)自动诊断? 推理机首先采用正向推理,将获取的征兆事实与知识 库中的诊断规则进行匹配,激活规则R012,得到初步诊断 结果:存在不平衡故障。? 规则R012 如果机组轴相对振动一倍频幅值较大,

那么存在不平衡故障(CF=0.9)。? 根据式CF(H)=CF(H,E)×max{0,CF(E)},系统自动计 算出不平衡故障存在的可信度为0.9×0.92≈0.83。

第6章 生产装置安全检测 是一个故障类,包含多种具体故障,如:热态不平衡、 初始弯曲、质量偏心、部件结垢、部件脱落等,它们具有

一些共性特征,但也具有各自的特点。为了确定究竟是哪
种故障原因,系统采用反向推理,通过人机对话获取更多 的征兆事实,对初始集中的故障进行验证,提高诊断结果

的精确性和准确性。如:通过人机对话得到如下征兆事实:
(1)转速不变时,转子振动幅值突然变化,CF=0.90; (2)转速不变时,转子振动的一倍频相位突然变化, CF=0.80。

第6章 生产装置安全检测 规则R104 如果存在不平衡故障转速不变时,转子振

动幅值突然变化,那么存在部件脱落故障(CF=1.0)。?

规则R105
(CF=1.0)。?

如果存在不平衡故障且转速不变时,转子

振动的一倍频相位突然变化,那么存在部件脱落故障

系统利用不精确推理模型,计算出在规则R104和R105 单独作用下,部件脱落故障存在的可信度分别为0.90和

0.80,进而计算出在这两条规则综合作用下,部件脱落故
障存在的可信度为:0.9+0.8-0.9×0.8=0.98。

第6章 生产装置安全检测 2.旋转机械故障专家诊断 旋转机械是工程中广泛应用的一类机械。旋转机械转 子的主要故障有:转子不平衡、转子不对中、油膜振荡、 转子裂纹等。通过对转子故障机理的研究,在很多文献中 给出了旋转机械常见故障的标准特征谱,如表6-2所示(表中 数字是指出现的概率)。

第6章 生产装置安全检测 表6-2旋转机械常见故障的标准特征谱
故障特征

0.01~
f

0.40~ 0.49

故障类型 1.不平蘅 2.不对中 3.转子轴向碰磨 4.亚谐共振 5.推力轴承损坏 6.轴承座松动 7.不等轴承刚度 8.基础共振 9.联轴节损坏 10.机壳变形

0.39

f

f

振动频率( 代表工频) 0.51~ f 3~ 奇数 0.50 f f f f 1 2 f f 0.99 5 倍 0.90 0.05 0.05 0.40 0.50 0.10 0.05 1.00 0.10 0.10 0.90 0.10 0.80 0.10 0.30 0.05 0.20 0.10 0.10 0.05 0.30 0.10 0.10 0.10

f

>5

0.10

0.05

0.1 0

0.90 0.20 0.20 0.60 0.20 0.90

0.10

0.10

第6章 生产装置安全检测 下面给出应用BP神经网络实现旋转机械转子故障的诊 断方法。?

第一步:给出BP神经网络训练的特征频率,如表6-2所
示。? 第二步:确定BP神经网络的层数。因为一个三层的? BP网络可以完成任意维数的映射,所以选用三层BP神经网 络系统——输入层、隐层、输出层。

第6章 生产装置安全检测 第三步:确定输入层和输出层节点数。BP网络的输入 层节点数目选用转子的故障特征频率项数,在本例中输入层

为9个节点数(对应表6-2中特征频率)。输出层神经元数目
的确定可以采用两种方法:一种是根据输出故障种类而定; 另一种是根据故障种类采用二进制编码法。在本例中采用的 输出故障种类为10类(表6-2中故障类型),对应的输出层 神经元数为10。输出层采用的激励函数为线性函数f(x)=x。 第四步:确定隐层节点数。采用前面介绍的方法,选用 不同隐层节点数,采用如图6-30所示的神经网络学习和匹 配程序,给出的神经网络学习的误差曲线如图6-31所示。

第6章 生产装置安全检测

图6-30神经网络学习和匹配程序框图 (a)神经网络学习;(b)匹配

第6章 生产装置安全检测

图6-31神经网络学习的误差曲线


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