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超声波高温测厚仪原理与技术分析

超声波高温测厚的场合
    ○石化、炼化、化工、制药等行业的塔、罐体、管道。
    ○在役运行时,这些容器管道内的介质(无论液态还是汽态)处于高温状态,传导到金属外壁,温度 仍有数百摄氏度。
    ○高温加剧腐蚀,同时介质的流动是靠压力驱动——因此,这些容器管道壁厚减薄的程度必须予以监 控,尤其是管道的弯道部位以及三通等阀体的弯头部位。

超声测厚的原理
    ○原理:

    备注:t0点是发射的起始时间点(始脉冲),t1点是第一次底面反射回波被接收到的时间点。两者的 时间差乘以声速,再除以2,就是超声波在工件一个单程传递的路程,即厚度值。
    ○要点:1,由于超声波在空气中难以传播,因此探头与被测面之间必须涂抹耦合剂、“挤掉”空气间 隙,使超声波有效地传播进入被测件内部,并获得底面(即,内壁)的反射号;2,该反射信号必须足 够稳定、明确、清晰,仪器才能辨识并进行计算,从而显示厚度值。

高温状态下的影响因素

(1)关于耦合剂
    ○高温时,耦合剂中的水分瞬间蒸发,于是,失去“挤掉”空气间隙的效果。因此,仪器只能“看到 ”一闪即逝的反射信号、往往来不及辨识计算。
    ○为了保护探头底面不被“烫伤”,所谓的超高温耦合剂往往掺杂一些矿物颗粒,以确保探头底面不 会直接接触到高温的被测面,但这也导致矿物颗粒在高温下(耦合剂水分被瞬间蒸发后)容易碳化并 粘连到探头底面,反而影响测量(相当于探头底面有了“麻点”)。

(2)关于探头
    ○探头内置“晶振片”,靠它产生和接收超声信号。晶振片有一个物理参量,“居里温度点Tc”,这 代表在该温度值以下,晶振片产生的超声波,其声阻抗比较适当、也即传播的难易程度适当。不同材 质的晶振片,其Tc值不同。
    ○现有的晶振片材质中,Tc值能达到500℃的,其另外一个参量,“机械品质因子θm”却非常高,达 10的6次方,导致无法获得有效的信号分辨力——超声测厚仪使用的晶振片,其θm都在1000以下,否则 厚度的起测点就得在500mm以上。因此,现有的所谓“高温”探头,都无法在最本质的晶振片上获得突 破,目前所解决,都只不过是对探头本身的保护,比如,探头底面的保护膜不容易被“烫坏”、外壳 加装保护套,等等。——都没有办法解决超声信号在高温介质中的有效传播(发射与接收)的问题。

(3)关于被测面的状况
    ○当探头置放在被测面表面,超声波以垂直于该接触点切线的方向传播,到底面(内壁),同样以垂 直切线的方向原路反射——这个效果是最理想的(仍参见原理图)。这个效果,在平面测量、以及大 直径的筒、管、罐测量中,比较容易实现。
    ○但是对于弯道和弯头部位(尤其是90℃外凸的那个点),很显然,往往难以摆正探头位置。
    ○另外,现场环境下,被测表面的油渍、漆面(尤其是鼓包),都会对测量带来影响。

(4)关于被测物体的材质
    ○任何情况下,超声波的传递,都要受到被测物体材质的影响,从而带来散射效果、声速的变化。只 不过,在大多数情况下,这些影响带来的干扰不大、引起的细微误差都在可忽略的范围内。
    ○但是,由于要耐受高温高压腐蚀,有些部件,其材质所带来的影响不能被忽略。比如,我们曾经遇 到过,高标号的不锈钢阀门,信号的散射衰减极其严重。

(5)关于仪器——通常的问题
    ○通常的超声波测厚仪,都是读数型的——在“看到”一个稳定、明确、清晰的反射信号后,“盯着 ”它,进行计算,最终显示出来的,只是一个计算的结果。
    ○在高温状态下,由于前述几个因素,导致反射信号达不到“稳定、明确、清晰”的程度,仪器无法 “看到”信号、或者无法“盯着”它、或者“看花眼”了,于是出现“无读值”、“读值错误”等现 象

(6)关于仪器——初级解决办法
    ○原来的仪器,它的“眼睛”只能“扑闪扑闪”每秒钟“看”四次信号,现在, 我们让它快点“扑闪 ”,每秒钟“看”20次信号,——这叫扫查功能;
    ○信号太弱,“看”不到。那就把信号增强,——这叫增益调节功能;
    ○由于信号出现很短暂,仪器刚读完这个信号,他就消失了,仪器不敢确定。那就让它把读到信号先 显示出来——这叫“读值保持”;
    ○以上,就是时代TIME243X超声波测厚仪在应对高温测厚时的办法,同时也目前是全球各款同档仪器 的解决办法。

(7)关于仪器——高级解决办法
    ○前面提到,测量能实现,本质上就是“看”信号。读数型仪器,可能会“看”不到、“看”不清、 “看”花了(其实可能有信号闪现)。
    ○那么,我们让仪器把它所能捕捉的信号都显示出来,不让它自己判断、改由操作者来判断——这就 是A扫描测厚仪。
    ○A扫测厚仪带来的改进:最本质的,就是信号可以由操作者自己观察,不用担心读数型仪器错过、漏 过信号。在功能上,除了同样具备扫查、读值功能外,增益可以数字调节而不是分档调节(这样更精 确),另外,增加了杂波屏蔽功能,可以让仪器读取指定的信号。时代TIME2460和TT500就是这样的仪 器。

实测中的要点
    ○选择合适的耦合剂。测量前,耦合剂应涂抹在探头底面, 然后迅速对被测位置进行 “点测”,一 接触上,马上移开探头(不要因为没出现信号或者读值,就使劲按压,这样没有用,这时耦合剂早已 干结)。移开探头后,马上用棉纱布将被测点和探头底面擦净,避免耦合剂被测面和探头底面形成结 垢、影响下一次的耦合。
    ○对于弯道和弯头部位,应在90℃外凸处和侧面各测一次,以供验证。
    ○通过多次的现场实测,目前,各种仪器(包括进口的)、各种探头(即便是标称到500℃的探头), 在350℃以上的表面(用红外测温仪测量),都难以实现有效测量。

市场现状
    ○用户不是超声测量的专业人士(不一定会去研究原理技术、晶振片材质),因此,出于对进口品牌 的信赖(某种程度上是迷信),看到标称500℃的探头就认为真能测量;
    ○用户购买了这样的探头,即便不能测量,也不会再说什么,因为,在他看来,他已经尽力了、已经 买了最好的仪器(进口的)、用了最好的探头。
    ○以上两点,掩盖了这样一个事实:“标称500℃的探头并不能真的测量500℃的高温表面、并没有真 正改善高温状态下超声传播特性”。于是,“后来者”继续去寻找“进口500 ℃高温探头”,这就是 市场现状。
    ○我们建议:“眼见为实”,在购买之前,现场实证。拿红外测温仪测量一下表面温度,就在那个500 ℃的位置进行测厚,看看效果究竟如何。

总结
    ○耦合效果很重要。高温下,耦合剂中水分的瞬间蒸发,造成耦合剂干结、碳化,使“耦合”失效。 
    ○高温探头并没有从原理上解决超声波在高温下传播的问题,只解决了对探头的保护问题。也就是说 ,“更能耐受高温”不等同于“更能在高温材质中有效地传播信号”。
    ○被测面和被测材质,应现场判断。漆皮鼓包、内外壁不平行、强散射性材质等,导致无法测量,是 很正常的事,不要试图解决。
    ○仪器厂商只能从仪器主机的性能功能上去考虑解决办法,比如:扫查、增益、读值保持、A扫,等等 。

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