高炉炉衬厚度检测技术性能分析与改进算法研究

杜正聪，辛　强，王　军

高炉炉衬厚度检测技术性能分析与改进算法研究

杜正聪1，辛强2，王军1

（1.攀枝花学院，四川攀枝花617000；2.民航新疆空管局，新疆乌鲁木齐830016）

针对冲击弹性波法高炉炉衬厚度检测技术测试准确度相对较低的问题，分析其影响因素，提出相应的改进方法。通过改进重复反射法提高反射时间的识别准确度，通过多点激振/多通道激振消减周边环境噪声的影响，通过CDP重合法和NMO修正提高冲击弹性波波速的识别准确度。利用改进方法对高炉进行测试，其有效性得以验证。

高炉；厚度检测；冲击弹性波；正常时差

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.027

0　引言

冲击弹性波法是一种基于瞬态应力波的无损检测技术，广泛用于国内外混凝土建筑物结构缺陷检测［1-2］。冲击弹性波具有波长较长、频率响应特性好等特点，被引入高炉炉衬厚度检测，取得了积极的进展。冲击弹性波法高炉炉衬厚度检测技术兼顾了测试成本和测试准确度，不需要在高炉炉衬预先置入大量测杆，降低了生产成本，其测试精度较好，但较之于电阻法、电容法等侵入式检测技术准确度仍较低［3］。冲击弹性波法在高炉炉衬厚度检测中应用前景广阔，值得进一步研究。为了更好地实时监测高炉炉衬厚度和指导企业生产，提高冲击弹性波测试准确度显得尤为重要。在相关文献［4-8］的研究基础上，分析总结了冲击弹性波法高炉炉衬厚度检测技术测试准确度影响因素，及对应改进策略，对高炉进行了测试，准确度得到较好的提高，具有积极的现实意义。冲击弹性波高炉炉衬厚度检测准确度会受到多种因素的影响，其中主要因素有3个，包括准确测定冲击弹性波波速、精确获取冲击弹性波反射时间以及降低周边环境噪声的影响。

图1　弹性介质中P波速度测定示意图（单面）

图2　弹性介质中P波速度测定示意图（双面）

1　冲击弹性波法高炉炉衬厚度测试准确度影响因素分析

1.1冲击弹性波速的确定

不同介质中弹性波波速的测定对测试准确度至关重要，某介质中冲击弹性波波速测定示意图如图1和图2所示。当弹性介质仅具有一个可测面时，可通过图1所示方法确定冲击弹性波速Vp。设两传感器（检波器）之间的距离为L，在两传感器连线延长线上，使用击振锤（产生冲击弹性波）敲击弹性介质表面，根据两传感器测得的冲击弹性波P波信号首波的时间差Δt，计算冲击弹性波速Vp：

当弹性介质中具有两个可测面时可采用图2所示的测试方法。在弹性介质的一侧使用带有检波器的激振锤产生冲击弹性波，在另一相对侧安装传感器以接收弹性波信号。设两传感器测得的P波信号首波时间间隔为Δt，P波从敲击一侧到另一侧的传播时间为t，弹性介质的长度为L，则冲击弹性波速的计算公式如式（2）所示。图3为两传感器P波信号首波时间间隔测定示意图。

图3　两传感器P波信号首波时间间隔测定示意图

在冲击弹性波高炉炉衬厚度检测技术中，冲击弹性波的传播速度主要采用的是纵波（P波）的传播速度。由于高炉炉壁主要由炉壳和砖衬（碳砖）组成，其弹性波速有较大的差异。一般来说，钢质炉壁的弹性波P波波速约为5 500m/s，碳砖的P波波速则在2000～2500m/s。由于砖衬也是复合材料，而且检测通常在热态检测时进行。因此，如何合理地确定计算波速则显得尤为重要。

1.2冲击弹性波反射时间的确定

反射时间的准确测定对提高高炉炉衬厚度测试准确度至关重要。当面积较大、壁厚较薄时，采用重复反射法是一种有效的手段。随着墙厚度的增加，反射信号逐步变弱、有效次数逐渐减少。同时，激振信号与反射信号开始分离，使得分辨反射信号成为可能的同时，频谱分析的准确度有所降低。需要指出的是，高炉的炉衬（包括炉壳和砖衬）厚度变化较大。当有侵蚀时，最小厚度可能低于0.3m；而在炉缸位置，炉衬的厚度可能超过2m。

1.3周边环境因素对测试的影响

在炉缸、炉腹等容易产生破损的地方，一般存在有铁口、渣口、风机口等设施。激振产生的弹性波在这些设施的边界也会产生反射，该反射波通常以表面波为主，对壁厚的测试有不可忽略的影响。

2　提高冲击弹性波高炉炉衬厚度测试准确度的方法

针对上述影响因素，提高壁厚测试准确度的方法主要有3点，即提高反射时间的识别精度和冲击弹性波波速的准确度，以及减少周围环境噪声对测试的影响。

2.1重复反射法的改良

对于激振信号与反射信号开始分离（通常出现在壁厚超过P波波长）的情形，FFT频谱呈等差分布，即具有倍频关系，其相邻峰值间隔Δf即为反射信号的频差。因此，墙体的厚度H可按下式计算：

式中：Δf——幅频曲线上相邻谐振峰之间的频差；

Vp——冲击弹性波P波波速。

图4　多点激振/多通道采集测试示意图

2.2多点激振/多通道采集

为消减周围边界的影响，采用多点激振或多通道采集是一种有效的方法。如图4所示，在传感器的左右两侧分别激振时，从左面边界反射过来的表面波到达传感器时，其波形信号之间就存在相位差Δφ（时间差ΔT）：

其中λR为激振产生的表面波的波长。当相位差Δφ为半个周期（π）时，左右激振从边界反射来的表面波正好反向，叠加后即可相互抵消。根据上式，激振点与受信传感器的间距为λR/4时，具有较好的降噪效果。

不同的激振方式（激振锤或激振锥）在高炉表面激振产生表面波的波长及推荐的间距如表1所示。

表1　激振方式的相关参数

同时，激振布置也对炉衬厚度测试准确度有较大影响，为消减周围边界反射信号的影响，可采用如图5所示的梅花布置。

图5　梅花点激振布置

2.3CDP重合法、NMO修正

冲击弹性波在弹性介质中的传播速度是一个重要的物理量，是试验数据处理和分析的核心内容。基于水平层状介质假设的弹性波具有较低的信噪比，为了提高信噪比，共中心点叠加思想被提出。叠加速度与正常时差（normal move out，NMO）速度相关，NMO速度作为速度模型建立和速度分析处理的基础，具有重要意义。冲击弹性波的传播时间与激振点到接收点（检波器）的距离相关，激振点到接收点的距离称为偏移距。为消除偏移距对冲击弹性波传播时间的影响，需要去除偏移距，此处理方法就叫正常时差修正（NMO修正）。NMO修正前的示意图如图6所示，NMO修正后的示意图如图7所示。共深度点（common depth point，CDP）是指反射点位于激振点与接收点中点的正下方。CDP重合法和NMO修正方法已广泛应用在地震勘探领域［9-11］，其应用于高炉炉衬冲击弹性波波速的测定也值得研究。当弹性波速未知以及边界条件较复杂时，采用单点测试具有较大的局限性；在此，采用CDP重合法和NMO修正可以提高对厚度的测试准确度。当壁背面与测试表面基本平行时，可认为反射点位于激振点与受信点的中间。因此，对称移动激振点与受信点，反射点为共点。CDP重合法测试示意图如图8所示，SR为激振面，OH为反射面，H为共深度点（共反射点），则反射时间的增加量（正常时差，NMO）Δt如下式所示：

将式（6）和式（7）代入式（5）得反射时间的增加量Δt，可以表示为

式中：T0——激振点与受信点距离间隔为0（零偏移距）时的反射时间；

V——NMO修正后的速度；

x——激振点与受信点距离间隔（偏移距）。

通过试算波速V，使得反射信号位于一条平行线上，即可同时推算出V和厚度H。

上述CDP重合法及NMO修正是基于水平层状介质提出的，由于高炉表面横截面为圆弧形，因此，需要通过CDP重合法进行进一步修正。

如图9所示，令P3为激振点，Q3为受信点，D= O1O3=P1P3=Q1Q3，LR=O3Q3，L=O3Q3，高炉外壁直径为R1=OQ1，炉壳内径为R2=OQ2，∠O1O3Q3=α，炉衬内径为R3=OQ3，激振点与受信点间距为x⌒=2LR，VP为冲击弹性波P波速度。则反射时间增量Δt为

图6　NMO修正前的时距曲线

图7　NMO修正后的时距曲线

图8　CDP重合法测试示意图

图9　CDP重合法的曲面修正

3　冲击弹性波法实际工程验证

利用改进方法，对高炉进行检测，以验证其有效性。高炉炉衬厚度解析波形如图10所示。利用激振锤激发冲击弹性波，进而接收在高炉内壁的反射波，以推断炉衬的厚度。高炉炉衬厚度测试结果如表2所示。

由表可知，高炉炉衬测试结果的平均误差约为4.21%，相对于未改进方法约为10.00%的误差，测试准确度有较大提高，说明准确度改进措施可行，对准确监测高炉炉衬厚度变化有积极意义。

4　结束语

冲击弹性波法应用于高炉炉衬厚度检测不仅降低了企业的生产成本，而且具有较好的测试准确度；但较之于电容法电阻法等侵入式检测方法，其测试准确度仍有待进一步提高。在分析研究相关文献的基础上，总结了基于冲击弹性波法的高炉炉衬厚度检测技术测试准确度的影响因素，归纳了相应的改进措施，对高炉进行了现场测试，验证了改进方法的有效性，具有积极意义。

图10　高炉炉衬厚度解析波形

表2　高炉炉衬厚度测试结果

［1］孙其臣.冲击弹性波技术在水工混凝土结构无损检测的应用研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2013.

［2］向阳，史习智.冲击回波信号的波形结构特征提取及分类研究［J］.振动工程学报，2000，13（3）：462-466.

［3］王军，辛强，杜正聪.高炉炉衬厚度检测技术研究现状与展望［J］.钢铁，2014，49（4）：1-5.

［4］张再云.弹性波在不同介质中的传播及稳定性分析［D］.长沙：中南大学，2011.

［5］刘恩才.基于冲击回波法无损检测技术的实验及工程应用研究［D］.长沙：中南林业科技大学，2012.

［6］周凤玺，赖远明.饱和冻土中弹性波的传播特性［J］.岩土学报，2011，32（9）：2670-2674.

［7］蔡明刚.各向异性介质三维倾斜界面共反射点/共转换点道集NMO速度研究［D］.北京：中国地震局地质研究所，2011.

［8］和少伟.弹性介质地震波场的数值模拟［D］.西安：长江大学，2012.

［9］邓帅奇.全空间弹性波场数值模拟与逆时偏移成像方法研究［D］.徐州：中国矿业大学，2012.

［10］王钦.地震资料高精度处理方法研究［D］.西安：西安石油大学，2011.

［11］刘洋.CDP道集地震反射波特征描述及特征提取方法［J］.石油物探，2000，39（1）：10-18.

Performance analysis and improved algorithm research of blast furnace lining thickness detection technology

DU Zhengcong1，XIN Qiang2，WANG Jun1
（1.Panzhihua Univ.，Panzhihua 617000，China；
2.Xinjiang Air Traffic Management Bureau CAAC，Urumqi 830016，China）

An improved method has been presented in this paper in view of the relatively lower test precision of the impact elastic wave detection method for blast furnace lining thickness based on the analysis of the influencing factors of such low precision.The new method comprises the following aspects：the recognition accuracy of reflection time was improved by ameliorating repetitive reflection method，the influence of environmental noise was eliminated by multi-point excitation/multi-channel vibration，and the identification accuracy of impact elastic wave velocity was improved by CDP coincidence method and NMO correction.The effectiveness of this method has been proved by the test of the blast furnaces.

blast furnace；thickness detection；impact elastic wave；NMO

A

1674-5124（2015）09-0120-05

2015-03-01；

2015-04-10

四川省应用基础研究项目（2011JY0115）

杜正聪（1975-），男，四川南充市人，教授，博士，主要从事信号处理算法和无损检测技术。