杜正聰，辛　強，王　軍

高爐爐襯厚度檢測技術性能分析與改進算法研究

杜正聰1，辛強2，王軍1

（1.攀枝花學院，四川攀枝花617000；2.民航新疆空管局，新疆烏魯木齊830016）

針對沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測技術測試準確度相對較低的問題，分析其影響因素，提出相應的改進方法。通過改進重復反射法提高反射時間的識別準確度，通過多點激振/多通道激振消減周邊環(huán)境噪聲的影響，通過CDP重合法和NMO修正提高沖擊彈性波波速的識別準確度。利用改進方法對高爐進行測試，其有效性得以驗證。

高爐；厚度檢測；沖擊彈性波；正常時差

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.027

0　引言

沖擊彈性波法是一種基于瞬態(tài)應力波的無損檢測技術，廣泛用于國內(nèi)外混凝土建筑物結(jié)構缺陷檢測［1-2］。沖擊彈性波具有波長較長、頻率響應特性好等特點，被引入高爐爐襯厚度檢測，取得了積極的進展。沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測技術兼顧了測試成本和測試準確度，不需要在高爐爐襯預先置入大量測桿，降低了生產(chǎn)成本，其測試精度較好，但較之于電阻法、電容法等侵入式檢測技術準確度仍較低［3］。沖擊彈性波法在高爐爐襯厚度檢測中應用前景廣闊，值得進一步研究。為了更好地實時監(jiān)測高爐爐襯厚度和指導企業(yè)生產(chǎn)，提高沖擊彈性波測試準確度顯得尤為重要。在相關文獻［4-8］的研究基礎上，分析總結(jié)了沖擊彈性波法高爐爐襯厚度檢測技術測試準確度影響因素，及對應改進策略，對高爐進行了測試，準確度得到較好的提高，具有積極的現(xiàn)實意義。沖擊彈性波高爐爐襯厚度檢測準確度會受到多種因素的影響，其中主要因素有3個，包括準確測定沖擊彈性波波速、精確獲取沖擊彈性波反射時間以及降低周邊環(huán)境噪聲的影響。

圖1　彈性介質(zhì)中P波速度測定示意圖（單面）

圖2　彈性介質(zhì)中P波速度測定示意圖（雙面）

1　沖擊彈性波法高爐爐襯厚度測試準確度影響因素分析

1.1沖擊彈性波速的確定

不同介質(zhì)中彈性波波速的測定對測試準確度至關重要，某介質(zhì)中沖擊彈性波波速測定示意圖如圖1和圖2所示。當彈性介質(zhì)僅具有一個可測面時，可通過圖1所示方法確定沖擊彈性波速Vp。設兩傳感器（檢波器）之間的距離為L，在兩傳感器連線延長線上，使用擊振錘（產(chǎn)生沖擊彈性波）敲擊彈性介質(zhì)表面，根據(jù)兩傳感器測得的沖擊彈性波P波信號首波的時間差Δt，計算沖擊彈性波速Vp：

當彈性介質(zhì)中具有兩個可測面時可采用圖2所示的測試方法。在彈性介質(zhì)的一側(cè)使用帶有檢波器的激振錘產(chǎn)生沖擊彈性波，在另一相對側(cè)安裝傳感器以接收彈性波信號。設兩傳感器測得的P波信號首波時間間隔為Δt，P波從敲擊一側(cè)到另一側(cè)的傳播時間為t，彈性介質(zhì)的長度為L，則沖擊彈性波速的計算公式如式（2）所示。圖3為兩傳感器P波信號首波時間間隔測定示意圖。

圖3　兩傳感器P波信號首波時間間隔測定示意圖

在沖擊彈性波高爐爐襯厚度檢測技術中，沖擊彈性波的傳播速度主要采用的是縱波（P波）的傳播速度。由于高爐爐壁主要由爐殼和磚襯（碳磚）組成，其彈性波速有較大的差異。一般來說，鋼質(zhì)爐壁的彈性波P波波速約為5 500m/s，碳磚的P波波速則在2000～2500m/s。由于磚襯也是復合材料，而且檢測通常在熱態(tài)檢測時進行。因此，如何合理地確定計算波速則顯得尤為重要。

1.2沖擊彈性波反射時間的確定

反射時間的準確測定對提高高爐爐襯厚度測試準確度至關重要。當面積較大、壁厚較薄時，采用重復反射法是一種有效的手段。隨著墻厚度的增加，反射信號逐步變?nèi)?、有效次?shù)逐漸減少。同時，激振信號與反射信號開始分離，使得分辨反射信號成為可能的同時，頻譜分析的準確度有所降低。需要指出的是，高爐的爐襯（包括爐殼和磚襯）厚度變化較大。當有侵蝕時，最小厚度可能低于0.3m；而在爐缸位置，爐襯的厚度可能超過2m。

1.3周邊環(huán)境因素對測試的影響

在爐缸、爐腹等容易產(chǎn)生破損的地方，一般存在有鐵口、渣口、風機口等設施。激振產(chǎn)生的彈性波在這些設施的邊界也會產(chǎn)生反射，該反射波通常以表面波為主，對壁厚的測試有不可忽略的影響。

2　提高沖擊彈性波高爐爐襯厚度測試準確度的方法

針對上述影響因素，提高壁厚測試準確度的方法主要有3點，即提高反射時間的識別精度和沖擊彈性波波速的準確度，以及減少周圍環(huán)境噪聲對測試的影響。

2.1重復反射法的改良

對于激振信號與反射信號開始分離（通常出現(xiàn)在壁厚超過P波波長）的情形，F(xiàn)FT頻譜呈等差分布，即具有倍頻關系，其相鄰峰值間隔Δf即為反射信號的頻差。因此，墻體的厚度H可按下式計算：

式中：Δf——幅頻曲線上相鄰諧振峰之間的頻差；

Vp——沖擊彈性波P波波速。

圖4　多點激振/多通道采集測試示意圖

2.2多點激振/多通道采集

為消減周圍邊界的影響，采用多點激振或多通道采集是一種有效的方法。如圖4所示，在傳感器的左右兩側(cè)分別激振時，從左面邊界反射過來的表面波到達傳感器時，其波形信號之間就存在相位差Δφ（時間差ΔT）：

其中λR為激振產(chǎn)生的表面波的波長。當相位差Δφ為半個周期（π）時，左右激振從邊界反射來的表面波正好反向，疊加后即可相互抵消。根據(jù)上式，激振點與受信傳感器的間距為λR/4時，具有較好的降噪效果。

不同的激振方式（激振錘或激振錐）在高爐表面激振產(chǎn)生表面波的波長及推薦的間距如表1所示。

表1　激振方式的相關參數(shù)

同時，激振布置也對爐襯厚度測試準確度有較大影響，為消減周圍邊界反射信號的影響，可采用如圖5所示的梅花布置。

圖5　梅花點激振布置

2.3CDP重合法、NMO修正

沖擊彈性波在彈性介質(zhì)中的傳播速度是一個重要的物理量，是試驗數(shù)據(jù)處理和分析的核心內(nèi)容?；谒綄訝罱橘|(zhì)假設的彈性波具有較低的信噪比，為了提高信噪比，共中心點疊加思想被提出。疊加速度與正常時差（normal move out，NMO）速度相關，NMO速度作為速度模型建立和速度分析處理的基礎，具有重要意義。沖擊彈性波的傳播時間與激振點到接收點（檢波器）的距離相關，激振點到接收點的距離稱為偏移距。為消除偏移距對沖擊彈性波傳播時間的影響，需要去除偏移距，此處理方法就叫正常時差修正（NMO修正）。NMO修正前的示意圖如圖6所示，NMO修正后的示意圖如圖7所示。共深度點（common depth point，CDP）是指反射點位于激振點與接收點中點的正下方。CDP重合法和NMO修正方法已廣泛應用在地震勘探領域［9-11］，其應用于高爐爐襯沖擊彈性波波速的測定也值得研究。當彈性波速未知以及邊界條件較復雜時，采用單點測試具有較大的局限性；在此，采用CDP重合法和NMO修正可以提高對厚度的測試準確度。當壁背面與測試表面基本平行時，可認為反射點位于激振點與受信點的中間。因此，對稱移動激振點與受信點，反射點為共點。CDP重合法測試示意圖如圖8所示，SR為激振面，OH為反射面，H為共深度點（共反射點），則反射時間的增加量（正常時差，NMO）Δt如下式所示：

將式（6）和式（7）代入式（5）得反射時間的增加量Δt，可以表示為

式中：T0——激振點與受信點距離間隔為0（零偏移距）時的反射時間；

V——NMO修正后的速度；

x——激振點與受信點距離間隔（偏移距）。

通過試算波速V，使得反射信號位于一條平行線上，即可同時推算出V和厚度H。

上述CDP重合法及NMO修正是基于水平層狀介質(zhì)提出的，由于高爐表面橫截面為圓弧形，因此，需要通過CDP重合法進行進一步修正。

如圖9所示，令P3為激振點，Q3為受信點，D= O1O3=P1P3=Q1Q3，LR=O3Q3，L=O3Q3，高爐外壁直徑為R1=OQ1，爐殼內(nèi)徑為R2=OQ2，∠O1O3Q3=α，爐襯內(nèi)徑為R3=OQ3，激振點與受信點間距為x⌒=2LR，VP為沖擊彈性波P波速度。則反射時間增量Δt為

圖6　NMO修正前的時距曲線

圖7　NMO修正后的時距曲線

圖8　CDP重合法測試示意圖

圖9　CDP重合法的曲面修正

3　沖擊彈性波法實際工程驗證

利用改進方法，對高爐進行檢測，以驗證其有效性。高爐爐襯厚度解析波形如圖10所示。利用激振錘激發(fā)沖擊彈性波，進而接收在高爐內(nèi)壁的反射波，以推斷爐襯的厚度。高爐爐襯厚度測試結(jié)果如表2所示。

由表可知，高爐爐襯測試結(jié)果的平均誤差約為4.21%，相對于未改進方法約為10.00%的誤差，測試準確度有較大提高，說明準確度改進措施可行，對準確監(jiān)測高爐爐襯厚度變化有積極意義。

4　結(jié)束語

沖擊彈性波法應用于高爐爐襯厚度檢測不僅降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且具有較好的測試準確度；但較之于電容法電阻法等侵入式檢測方法，其測試準確度仍有待進一步提高。在分析研究相關文獻的基礎上，總結(jié)了基于沖擊彈性波法的高爐爐襯厚度檢測技術測試準確度的影響因素，歸納了相應的改進措施，對高爐進行了現(xiàn)場測試，驗證了改進方法的有效性，具有積極意義。

圖10　高爐爐襯厚度解析波形

表2　高爐爐襯厚度測試結(jié)果

［1］孫其臣.沖擊彈性波技術在水工混凝土結(jié)構無損檢測的應用研究［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2013.

［2］向陽，史習智.沖擊回波信號的波形結(jié)構特征提取及分類研究［J］.振動工程學報，2000，13（3）：462-466.

［3］王軍，辛強，杜正聰.高爐爐襯厚度檢測技術研究現(xiàn)狀與展望［J］.鋼鐵，2014，49（4）：1-5.

［4］張再云.彈性波在不同介質(zhì)中的傳播及穩(wěn)定性分析［D］.長沙：中南大學，2011.

［5］劉恩才.基于沖擊回波法無損檢測技術的實驗及工程應用研究［D］.長沙：中南林業(yè)科技大學，2012.

［6］周鳳璽，賴遠明.飽和凍土中彈性波的傳播特性［J］.巖土學報，2011，32（9）：2670-2674.

［7］蔡明剛.各向異性介質(zhì)三維傾斜界面共反射點/共轉(zhuǎn)換點道集NMO速度研究［D］.北京：中國地震局地質(zhì)研究所，2011.

［8］和少偉.彈性介質(zhì)地震波場的數(shù)值模擬［D］.西安：長江大學，2012.

［9］鄧帥奇.全空間彈性波場數(shù)值模擬與逆時偏移成像方法研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2012.

［10］王欽.地震資料高精度處理方法研究［D］.西安：西安石油大學，2011.

［11］劉洋.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

四川省應用基礎研究項目（2011JY0115）

杜正聰（1975-），男，四川南充市人，教授，博士，主要從事信號處理算法和無損檢測技術。