淮北矿业朱干彬郑刚丰——重介质旋流器内壁损伤智能无损检测研究(朱干彬郑刚丰)

（淮北矿业集团股份有限公司，安徽淮北，235099）

摘要：重介质选煤是一种效率极高的选煤方法，而重介质旋流器的损伤程度在很大程度上影响着分选结果。但由于旋流器体积大，整体结构分段组成，导致其拆分复杂，如果能直接检测出缺陷位置，就可以大幅的减少工作时间，降低生产成本。超声相控阵技术是一种利用声波传播和反射原理，通过多个发射和接收元件控制声波的相位和振幅，实现对被测物体进行成像和检测的技术。其凭借其出色的检测能力和图像成型技术可以高效检测出缺陷位置和缺陷大小，在选煤厂内，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。

关键词：重介质旋流器；缺陷；超声相控阵

1引言

超声相控阵技术发展已有20余年，由于其系统复杂性及其他因素，初期主要应用于医疗领域；随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，例如煤矿行业。

在煤矿行业中，重介质选煤是一种效率极高的选煤方法。作为重介质选煤工艺中的主选设备重介质旋流器以其体积小、分选精度高、无运动部件、处理量大，特别是对难选、极难选煤，以及细粒级较多的氧化煤、高硫煤的分选，有着显著的效果和经济效益，故有非常广泛的应用前景。

旋流器在工作时，大量的煤矿颗粒持续冲击旋流器内表面，在长时间工作下，旋流器内表面会形成损伤，从而影响分选结果。而超声相控阵技术凭借其出色的检测能力和图像成型技术可以高效地检测出缺陷位置和缺陷大小，可以大幅的减少工作时间，降低生产成本。

1.1 研究意义

在我们身边，波传播现象无所不在，声波、光波、电磁波、水波、地震波等等都和我们的日常生活密切相关。波是自然界中物质运动的一种重要存在形式，每种波总是包含源和传播介质物理特性的信息。其次，波又是以可以识别的传播速度，从介质的一部分传到介质的另一部分的任何可以识别的讯号。这个讯号可以是时空中某个物理量(例如位移、应变、应力等等)扰动的任何可识别的特征。在一般情况下，这个讯号可以发生畸变，它的大小和传播速度都可以改变，只要这个讯号仍然可以识别就行。

均匀、各向异性介质材料中应力波传播规律的研究己成为当前地质学、地球物理学、土动力学、复合材料、声学、高速动力学等研究领域中相当热门的研究课题。在实际的工程应用中，存在着一些具有共性的重要或关键性技术问题。例如选煤厂重介质旋流器由于高速旋流的矿浆对旋流器内衬/内壁造成损伤的识别；重大水利工程爆破施工时岩土边坡的稳定性问题；采用爆破技术在油层中制造冲击波以提高出油率时油层中的响应，从而确定爆炸工艺对提高石油生产率的有效性问题;冲击防护;固体火箭发动机燃料的研究;环境保护如地下水污染和核扩散等等。而这些问题的解决都要求对复杂介质体在动载荷作用下的动力学行为进行深入的理论、数值和实验研究。这将对于推动我国在这些工程领域的科技进步、国家经济和社会发展起到重要作用。

重介质选煤是一种效率极高的选煤方法。目前，重介质选煤技术已在全国18个产煤省区的300多座选煤厂和蒙古国的部分选煤厂得到应用，作为重介质选煤工艺中的主选设备重介质旋流器以其体积小、分选精度高、无运动部件、处理量大，特别是对难选、极难选煤，以及细粒级较多的氧化煤、高硫煤的分选，有着显著的效果和经济效益，故有非常广泛的应用前景。

图1 重介质旋流器图2 旋流器内壁及内衬

1.1.1 重介质旋流器的结构特点

重介质旋流器有三个排料口，能以单一低密度悬浮液一次分选出合格精煤、中煤和矸石三种产品，为简化工艺流程及设备布置创造了条件；重介质旋流器主体结构分为两段（如图1），一段旋流器采用了圆筒型—圆筒型旋流器（圆筒之间通过焊接连接）内密度场均匀，对重介质悬浮液的密度变化反应迟钝，但是有利于提高分选精度；二段旋流器采用了圆筒—圆锥型，有利于增加二段实际分选密度差，能同时满足生产低灰精煤和排弃矸石的需要；旋流器无运动部件，旋流器内衬为刚玉材料，紧密粘贴在旋流器内壁使其成为粘合介质体。

1.1.2 重介质旋流器的材料特性

重介质旋流器的主体结构采用碳素结构钢材质，衬里采用氧化铝陶瓷片粘贴（氧化铝陶瓷衬片，如图2），氧化铝陶瓷衬片是经干压成型、1500℃高温焙烧而成的特种耐磨陶瓷，其莫氏硬度为9，硬度仅次于金刚石。

1.1.3 重介质旋流器易受损原因

重介质旋流器在工作时，由煤粒、磁铁矿粉和水构成的矿浆在一定压力下，以5-12m/s甚至更高的速度沿器壁呈切线进入旋流器, 并发生旋转运动，其间产生极大的离心力，其内壁经受高速冲蚀。在离心力的作用下，旋流器内衬经受强冲击载荷作用，尤其是密度大的矸石在离心力的作用下被抛至器壁，致使旋流器内壁在强冲击载荷作用下磨损十分严重，特别是后期磨损会造成旋流器关键部位结构性破坏，可导致内部液流流场改变，从而破坏重介质旋流器分选过程。这不仅影响了正常生产和选煤厂的经济效益, 同时也影响了大型高效重介质旋流器选煤新工艺和设备的推广。尽管各大企业和质检部门也采用不同的方法进行现场检测和寿命预报，但结果不甚理想。同时各种方法也存在各自的优缺点及应用场合的限制，到目前为止还没有一种较为全面、完善的检测技术。

1.1.4 重介质旋流器损伤缺陷形貌

（1）水力、物料磨损冲蚀

在重介质旋流器生产中，一部分高密度物料、磁铁矿粉、水的混合物会贴附于重介质旋流器内壁回旋前进，直至旋流器的一个出料口排出。另一部分物料由于密度较低沿旋流器轴线反方向前进，从另一出口排出。通常认为重介质旋流器耐磨材料在运动过程中，高密度物料、磁铁矿粉在离心力作用下与重介质旋流器内壁发生摩擦，从而造成内衬材料的磨损。由于旋流器内壁附近多为稳定流场，且混合物密度较稳定，内衬磨损情况较均匀、缓慢，磨损后内衬表面光滑。

（2）块煤、矸石冲击

冲击通过观察磨损后的内衬材料，可见内壁磨损后形成的并非是简单的磨削（或磨擦）所形成的光滑的、整齐的表面，而是带有大量由于高速运动的块煤、矸石或金属对其冲击，导致内衬局部出现裂纹，甚至是贯穿性破碎的情况。

然而，建模是超声无损评价中缺陷检测的一种重要手段，因为以建模为基础的研究可以完善检测和数据处理的方法，同时提高检测技术的有效性。许多建模方法已经被用来作为预测缺陷响应和提供深入了解超声波的产生、传播、散射及接收的依据[1]。实际上，目前可以用超声测量模型来模拟超声无损检测系统中的所有要素并可预测测量输出的电压信号[2]。

因此，在冲击载荷作用下利用超声波无损检测新方法对大型密闭复杂粘合介质体（如重介质旋流器）的损伤程度三维成像机理进行研究。这类课题的研究十分必要，不仅具有很高的学术价值，而且具有重要的工程实用价值、会产生巨大的经济效益和社会效益，且对其它类型力学反问题如结构的优化设计、结构的动力修改等有着推广和借鉴作用。

1.2国内外研究现状及分析

进入21世纪以来，国内外科学工作者在无损检测研究以及无损检测在重大工程中的应用等方面取得了巨大成就。这其中关于用高阶纵向导波实现对钢绞线的主动健康监测研究，北京工业大学的吴斌、何存富团队用实验的方法研究了缺陷深度和激励信号周期数对接收到的导波信号幅度的影响[3]。关于结构中的缺陷（包括夹杂和裂纹）的弹性波散射问题的研究，北京交通大学的汪越胜进行过较系统的探讨[4-6]。关于结构损伤检测方面的研究，同济大学的李杰给出了利用随机损伤模型进行混凝土结构损伤非线性行为的数值研究[7]。哈尔滨工业大学的周文松对管道弯曲导致的导波模态转换进行了详细的理论研究[8]。北京航空航天大学的闫蓓对材料空洞和裂纹产生后的损伤程度进行三维定量无损检测的新方法研究[9]。中国科学院声学研究所的张碧星对波在多层非均匀介质中的传播规律方面进行了深入的研究[10]。英国巴斯大学的Meo Michele运用频率扫描方法对复合材料中的冲击损伤进行了系统研究[11]。安徽理工大学的郑钢丰通过对选煤厂设备的不同构件缺陷检测技术和重构结果分析,总结缺陷重构的图像特征[12]。近年来，波在复杂介质中传播课题的研究工作在国内外也有了较大发展，研究出许多理论方法，并得到了分析与实验结果。

2 实验总体系统

2.1实验仪器

实验使用的超声相控阵检测仪为OmniScan MX2, 配套使用5L64-A12型线性阵列探头和SA12-OL型直楔块，如图3所示。

图3 超声相控阵检测设备

2.2超声相控阵工作过程

超声相控阵检测技术的主要设计思想是惠更斯－菲涅尔原理和亥姆霍兹声压积分定理[13]，其关键元件是相控阵探头。它由若干个独立阵元按照一定的顺序排列组成，各阵元具有独立的发射与接收电路，通过控制各阵元的发射与接收延迟时间，实现声束的偏转与聚焦，从而完成扫查成像。

超声相控阵检测系统的核心在于相位调控[14]，它包括发射和接收两部分。如图4所示，相控阵发射时，各阵元被同一频率的脉冲信号激励，在电子系统的控制下按预定的聚焦法则发射超声波，具有不同相位的超声子波在空间叠加干涉，形成一个新的波阵面及合成声束；接收时，依据回波到达各阵元的时间差对回波信号进行延时补偿，然后进行信号合成，将待定方向的回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号削弱，甚至抵消[15]。最后将合成信号以图像方式实时显示出来，实时成像是超声相控阵检测显著优于常规检测的地方。