本发明公开了一种非金属杂质检测方法，包括以下步骤:1)将 平板电容器与直流电源连接，使平板电容器的两电极板之间形成稳定 电场;将平板电容器与信号处理装置连接，以在信号处理装置中显示 平板电容器的电容值的信号波形;2)使被测导磁件从平板电容器的两 电极板之间通过;3)观察信号处理装置中获得的平板电容器的电容值 的信号波形是否存在突变区域，以判断被测导磁件上是否存在非金属 杂质。本发明通用性强，信号处理装置集成信号读取和输出功能，用 于检测杂质的装置具有体积小、重量轻、通用性强、造价低等优点， 能极好地

本发明公开了一种非金属杂质检测方法，包括以下步骤：1)将 平板电容器与直流电源连接，使平板电容器的两电极板之间形成稳定 电场；将平板电容器与信号处理装置连接，以在信号处理装置中显示 平板电容器的电容值的信号波形；2)使被测导磁件从平板电容器的两 电极板之间通过；3)观察信号处理装置中获得的平板电容器的电容值 的信号波形是否存在突变区域，以判断被测导磁件上是否存在非金属 杂质。本发明通用性强，信号处理装置集成信号读取和输出功能，用 于检测杂质的装置具有体积小、重量轻、通用性强、造价低等优点， 能极好地

一、 成果简介石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热器，采用石墨改性碳纤维增强的聚四氟乙烯制成。该换热器可用于石油化工、制药、冶炼等行业中有特殊要求（如强酸、强碱等）的冷凝、冷却、加热等多种工艺操作中。该产品已申请发明专利，年产800台规模，设备投资需100万元。二、 结构板翅式换热器是由翅片由翅片、隔板、封条组成，是在金属平板（称为隔板）上放一翅片，然后再在其上放一金属平板，两边以封条密封而组成一个通道。对各个通道进行不同方式的叠置和排列，钎焊成整体，就可得到板翅式换热器板束。为使流体分布更加均匀，在流道的两端部均设置导流片，并在板束两端配置适当流体出入口分头和接管，组成完整的板翅式换热器。

1 研究背景 1.1 高压力、大直径和高可靠性的非金属压力管道需求迫切 管道作为五大运输方式之一，是输送石油、天然气、饮用水等重要能源和资源的主要手段，对国民经济的发展和稳定至关重要，被称为国民经济的“生命线”。我国压力管道发展迅猛，应用规模不断增大，在石油、天然气和饮用水输送等重大工程建设中发挥了不可替代的作用。在油气领域，国内油气管道已形成纵横东西、贯通南北、连接海外的管道输送网络。目前我国的原油管道1.9×104km，成品油管道2×104km，天然气干线管道4.8×104km，油气管道的总长度稳居全球前五名。以西气东输三线为例，其西起新疆霍尔果斯，东至福建省福州市，全长5220km，设计年输量3×1010m3。此外，油田集输管网和城镇燃气管网的管道长度已达到数十万公里，且仍在不断增长，成为油气管道重要组成部分。在水资源输送领域，为解决我国的水资源时空分布不均问题，我国已经实施了多项跨流域、跨地区的长距离管道输水工程，如南水北调工程、广东省的“东深引水工程”和“西江引水工程”、天津的“引滦入津工程”和山东的“引黄济青工程”。以南水北调中线工程为例，年均输送生活、工业用水6.4×1010m3，农业用水3×1010m3，供水范围内总面积15.5万平方千米，惠及沿线6000万人口。 以聚乙烯及其增强复合管为代表的非金压力属管道具有耐腐蚀、抗震、柔性好、寿命长等优势，在越来越多的应用领域替代金属管道，成为世界各国竞先研发的未来管道发展方向。全球非金属管道的年均增速约5.9%，我国聚乙烯管道年平均增速更是达15%。 随着聚乙烯及其增强复合管的不断发展，其在燃气和输水等领域应用不断扩展。在燃气领域，在燃气领域，美国、英国、丹麦等的城市燃气管道中聚乙烯管应用比例均接近100%，而我国新铺设的中低压城市燃气管90%以上采用聚乙烯管材。在输水领域，我国城市建筑排水管道85%采用塑料管，城市排水管道的塑料管使用量达到50%，城市供水管道（DN400mm以下）80%采用塑料管，村镇供水管道90%采用塑料管，逐渐占据主导地位。目前，多数国家已经在燃气和给水领域选择聚乙烯管逐渐替代金属管道，实现以塑代钢。 近年来，非金属压力管道逐渐在更高压力、更大直径和更高安全性要求的油气集输、核电冷却水输送等领域广泛应用。如在油田的油气集输及开采领域，用于油气田注水的非金属压力管道（直径50-75mm），工作压力已经达到32MPa；用于油田站内给水的非金属压力管道（直径315mm），工作压力已经达到2MPa；用于油田集输管的非金属压力管道（直径50-75mm），工作压力已经达到4MPa，平均工作温度高达60℃。在核电站冷却水输送领域，美国的Callaway核电站率先铺设聚乙烯管道的外围冷却水系统，我国新建的AP1000核电站（浙江三门核电、山东海阳核电）外围冷却水输送均采用聚乙烯管道（直径752mm，径厚比DR9）。由于聚乙烯管道具有耐海水及微生物腐蚀、抗震等优势，许多现有核电站冷却水管道系统也逐渐更换为聚乙烯管道，如2017年大亚湾核电站成功将其核安全相关的反冲洗系统管道更换为200mm，DR9的聚乙烯管道。 1.2 管道系统安全性的要求日益迫切 随着聚乙烯管道系统在燃气、供水等领域的应用日益广泛，其安全问题受到越来越多的关注。根据中国城市规划协会地下管线专业委员会的统计报告，2009年至2013年中国城市管线典型事故共计75起，而其中导致人员死伤的27起。南京“7.28”管道泄漏爆炸事故共造成22人死亡，120人住院治疗，爆燃点周边部分建筑物受损，直接经济损失4784万元。台湾“8.1”燃气泄漏爆炸事故中多条街道陆续发生可燃气体外泄，并引发多次大爆炸，造成32人死亡，321人受伤，经济损失高达1.4亿元。类似的管道泄漏导致爆燃的事故给全社会带来了重大的公共环境和人身安全的威胁。 随着聚乙烯管道系统在燃气、供水等领域的应用日益广泛，全社会对管道系统安全性的要求也日益迫切。 1.3 焊接过程的温度控制是提升管道系统可靠性的关键 当我们追溯这些事故的源头，会发现有53%的聚乙烯管道系统故障发生在管道的接头处——即管材与管材焊接的部位（来自塑料管道数据库委员会PPDC）。接头作为管道系统中质量最薄弱的环节，其焊接质量影响到整个管道系统的安全运行。 电熔焊接是目前聚乙烯管道最常用的连接方式之一。它通过预埋在电熔套筒内部的电阻丝加热电熔套筒的内表面及管材的外表面，使二者吸收热量并熔融，而后固定、冷却。 在电熔焊接过程中，温度是最重要的参数，也是造成接头失效最本质的原因。不合理的焊接工艺导致的焊接过程的温度控制不当，引发冷焊和过焊等缺陷。内部温度过高会使得金属丝周围的聚乙烯材料因温度过高而裂解，从而导致接头强度不足，产生过焊现象；内部温度不足则会导致熔合区深度和界面强度不足，产生冷焊现象。冷焊缺陷很难从外观上或通过常规液压试验分辨，但其可能导致焊接接头在服役过程中沿熔合面发生贯穿裂纹扩展失效，具有很大的安全隐患。 1.4 应用过程的安全状态监测是保障管道系统安全运行的关键 接头是管道系统的薄弱环节。美国塑料管研究所（PPI）技术总监Sarah Patterson在2016年美国机械工程师协会（ASME）压力容器与管道（PVP）50周年会的大会报告上指出，非金属管道的无损检测与安全监测研究是今后塑料管道技术发展应用的重要课题。 在接头安全监测方面，管道的服役过程安全监测研究主要有以下四种：（1）基于应变的监测技术：主要采用应变片等传感器测量管道应变。该方法技术成熟，但测点多、电路复杂，且仅能获得材料表层局部的应变信息。（2）连续碳纤维复合材料自监测技术：如内嵌连续碳纤维的复合材料，可以实时提供结构应变信息。采用连续碳纤维自监测的应变灵敏度系数小于传统应变片，且应变检测范围很小。（3）基于埋入传感器的监测技术：如利用嵌入式光纤光栅的管道应变场监测。光纤检测集成度高、精度高，已经在管道、桥梁等结构的智能监测中得到广泛应用。（4）基于导电填充材料的监测技术：在不导电的聚乙烯或其他非金属基体树脂中掺入少量导电纤维或颗粒，从而在材料中建立导电传感网络，当材料产生变形或局部损伤时，导电网络相应地产生导通节点数变化或局部断开，通过测量材料宏观电阻变化可以获得材料应变或局部损伤等信息。 基于导电填充材料的智能监测技术一直是混凝土结构与生物传感器领域的前沿与热点。其关键问题是如何通过合理的传感器设计，在不影响监测对象本身工作特性的同时，有效地提取监测对象的服役状态和结构损伤信息。开展结构安全监测技术研究，智能监测感知压力容器与管道结构失效特征参量，实现损伤失效的预警和运行的自主优化，是未来压力容器行业重要的研究方向。 2 智慧管件系统解决方案 非金属管道的智慧管件系统包含管件焊接过程的温度场智能调控和管件使用过程的损伤自监测两个功能，如图1所示。 2.1 焊接过程温度场调控 电熔焊接过程从本质上是电阻丝通电生热、聚乙烯材料相变熔合的过程，熔区温度在时间和空间上的变化很大程度上体现出焊接过程的发展。如图2所示，智能焊机的“智能”正是来源于我们所提出的熔区复合温度场理论模型。该模型能够根据采集到的实际电压电流数据，小成本、高精度地实时推演焊接过程的发展。不同于传统焊机对被控对象内部情况的“一无所知”，智能焊机首次采用基于熔区温度场的方式在线监测焊接过程，使得参数的调节和设计有坚实的理论依据。 在温度场模型的基础上，本作品能实现对焊接过程的质量控制。在焊接接头性能与加工条件的研究上，团队通过热重分析和凝胶渗透色谱分析研究PE100在不同温度焊接后的热降解行为，得出典型工业级PE100材料的允许焊接最高温度在270℃的结论。同时，通过超声检测和梯度试验的方法证实了管材熔区深度与焊接界面强度的关联。 基于上述理论研究和多次实践，对聚乙烯最高温度和熔区拓展深度进行控制是应对过焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊机对质量进行控制的思路即通过实时温度场计算聚乙烯最高温度和熔区边界，让最高温度在不超过270℃，熔区深度控制在2～3mm。为使焊接效率最高，通过由调整次数、焊接时长、最高温度等指标组成的代价函数对不同调整策略进行评价，从而获得最优的电压调整策略。通过这种温度主动控制的方式，管道焊接缺陷产生的概率下降超80%。 1.1 服役过程安全状态自监测 为了实现管道系统服役过程的安全状态自监测，采用短切碳纤维（SCF）增强聚乙烯复合材料（PE-SCF）制备电熔管件。由于碳纤维SCF具有良好的导电性，随着纤维含量的不断增加，填充在聚合物基体内部的短碳纤维能够形成良好的导电网络，如图3所示。PE-SCF复合材料内部SCF导电网络的破坏与重组赋予了该材料压阻效应，能够用于监测PE-SCF复合材料承受的载荷。图4为循环拉伸载荷下PE-SCF的应变和电阻响应与时间的关系。可以看出，PE-SCF复合材料的监测电阻能够及时反映材料承受的应变。随着应变增加，材料的电阻值增加；应变降低，材料的电阻值也降低；并且监测电阻对应变变化的响应具有很好的稳定性。PE-SCF复合材料在拉伸力作用下发生变形，部分短碳纤维导电网络断开，导致材料的电阻率增加。随着应变的降低，短碳纤维之间的接触恢复到初始状态，电阻值也随之恢复。结果表明PE-SCF应变与电阻变化之间存在确定的关联机制，初步论证采用PE-SCF复合材料制备具有自监测功能的电熔接头具有可行性。 图5显示了爆破试验过程中所监测到的PE-SCF电熔接头的电阻和压力变化曲线。结果表明，随着内部压力的升高，两个电极之间的电阻会不断增加，电阻变化率曲线的斜率也迅速增加。这是因为在加压初始阶段，电阻变化主要由基体的弹性变形引起，在这种情况下，材料内部的导电网络仍然完整，因此电阻不会产生很大变化。当压力继续增加时，材料内部形成微裂纹，导致局部导电网络的破坏，电阻变化率显著增加。初步实验表明，利用电阻变化率监测PE-SCF电熔接头的内压载荷及结构损伤状态具有可行性。 图6显示了峰值内压为5MPa时的循环加载实验期间，电熔接头上监测到的电阻变化曲线。可见电熔接头表面电极之间的电阻变化趋势与接头内部的压力变化趋势一致，且每个周期的峰值电阻十分稳定。基于电阻测量的内压监测灵敏度系数约为29.56%/MPa。实验结果表明，载荷和监测到的电阻信号存在较为稳定的关联关系，因而用电阻变化监测电熔接头内部压力的变化是可行的。 上述测试结果表明，采用PE-SCF复合材料制备电熔管件，利用PE-SCF材料的压阻效应，能够实现基于电阻测量的管道系统在服役过程中的内压及安全状态实时监测，提升了管道系统的服役安全性。  

本材料采用无机高分子材料与各种高硬度陶瓷颗粒（硬度Hv1800～2800）在常温复合固化而成。由于采用与金属结合力极强的高分子树脂，因此特别适用于对磨损后部件的修复。

铁路作为一种现代化交通运输工具，在世界范围内具有广阔的发展前景。目前铁路发展的整体趋势是高速和重载化，对重轨钢质量提出了更高的要求，不仅要求高洁净度，高强度、高韧性，而且必须具有良好的抗疲劳性能。重轨钢生产过程及使用过程中，非金属夹杂物是影响其质量最重要的原因之一，常引起探伤不合、易产生疲劳裂纹等，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下三个难题：（1）夹杂物尺寸大且化学成分复杂；（2）冶炼工艺复杂，尤其在于脱氧及精炼等重要环节；（3）尖晶石类夹杂物突出，严重恶化钢轨性能。因此，合理控制重轨钢中的非金属夹杂物，对重轨钢产品质量的提生及铁路事业的进步具有重要意义。（1）重轨钢冶炼脱氧及原辅料成分设计技术。重轨钢采用无铝脱氧工艺，但是在脱氧剂的使用方式及用量上缺乏理论指导，因此，重轨钢脱氧过程中必须对脱氧剂的使用方式及用量进行合理优化控制，本项目提出仅在转炉出钢时加入少量硅钙钡脱氧剂控氧，同时配合精炼扩散脱氧，能将钢中 T.O. 含量控制在 10 ppm以下，不仅有效节约了生产成本，而且促进了夹杂物的去除、有效降低了夹杂物的尺寸。在重轨钢冶炼原材料的控制方面，国内企业生产时更倾向于买价格低廉的铁合金等原材料，从而降低生产成本，但是对于铁合金及铁合金对重轨冶炼的影响研究几乎为空白。本项目提出了使用低铝铁合金，降低钢中的酸溶铝含量，抑制钢中高 Al 2 O 3 夹杂物的形成，从而提升夹杂物变形能力，有效防止因脆性夹杂物造成的疲劳缺陷。（2）重轨钢中硫化物夹杂控制技术. 由于 MnS 有良好的变形能力，而且重轨钢轧制过程中变形量大，MnS 夹杂物可能延伸很长，可能成为夹杂物超标和引起超声波探伤不合的重要原因之一。此外，大尺寸长条状 MnS 可能成为裂纹的起点，在应力作用下首先在和钢基体的交界处形成裂纹源。本项目首先通过优化精炼造渣制度进一步去除钢中 S 含量，提出将钢中得 S 降低到 40ppm 以下。其次，通过对重轨钢连铸坯及钢轨硫化物的分布进行研究分析，从而对冷却制度进行优化，提出先若冷后强冷的原则，使激冷层优先析出的大量细小的 MnS，减小其他凝固区的 S 的压力，从而来控制重轨钢中硫化物。此外，还提出了使用 CSC（Comparison-Segmentation-Combination）方法，计算了 MnS 在不同温度下在不同温度范围内的准确的热力学生成曲线，并研究了热处理工艺升温速率、保温温度和保温时间等对 MnS 夹杂物的影响，促进已生成的长条状 MnS 向弥散的纺锤形转变，从而达到控制 MnS 形态的目的。（3）重轨钢中尖晶石类夹杂控制技术 重轨钢采用无铝脱氧工艺，但是钢中发现MgO-Al 2 O 3 夹杂物，且部分尺寸较大，严重影响产品质量。本项目首先对重轨钢中尖晶石夹杂物的形成机理进行研究，得出重轨钢中危害较大的尖晶石类夹杂物来源于钢中复杂氧化物夹杂在降温冷却过程中的析出，从而提出使用低铝低镁合金，VD 前扒渣降低耐材侵蚀等减少夹杂物中 Al 2 O 3 和 MgO 含量，抑制尖晶石夹杂物的析出。此外，VD 前扒渣也有利于控制复杂氧化物夹杂中 CaO 含量的成分，对控制夹杂物的尺寸及提高产品质量有重要作用。

随着我国电力工业的不断发展，大型发电机组的制造的水平不断提高，对我国取向硅钢产品的性能提出了更高的要求。相比于一般钢铁产品，取向硅钢的制造工艺和设备复杂，生产过程影响因素众多，对化学元素和析出相的控制提出了极高的要求，因此被称为“钢铁中的艺术品”。目前，我国能够生产取向硅钢的企业只有宝武集团、首钢集团等少数企业。取向硅钢的磁性能受到钢成分和析出相的影响很大。其中由于其钢中非金属夹杂物和析出相控制存在以下两个难题：（1）取向硅钢在冶炼过程中，钢中化学成分要求实现窄成分控制，尤其是在精炼过程中对酸溶铝（[Al] s ）和钛（[Ti]）含量等的控制。其中钢中[Al] s 和[Ti]含量对硅钢铁损和磁感强度的影响很大，目前取向硅钢的[Al] s 很难稳定的达到的要求，钢中[Al] s 的命中率不高，同时[Ti]控制也不稳定。本项目通过洁净钢的冶炼技术，确定当前取向硅钢中影响硅钢磁性的主要元素为酸溶铝和钛含量，其控制目标为[Al] s =0.0265%±0.001%和[Ti]＜25 ppm。（2）取向硅钢精炼渣成分设计技术。本项目首先通过工业实验数据和热力学计算研究了精炼渣对钢中酸溶铝和钛含量的变化的影响。通过动力学计算，重点研究了钢包镇静过程的不同时刻，钢中酸溶铝和钛含量的变化规律，为取向硅钢冶炼过程中酸溶铝和钛含量的变化的精准控制提供理论指导。本项目得出增加精炼渣碱度可以增加取向硅钢中[Al] s 含量。为了降低取向硅钢中[Ti]含量，应当严格控制精炼渣中 TiO 2 含量。，从而更系统准确地确定了有利于控制取向硅钢中[Al] s 和[Ti]含量的最优精炼渣成分。

石油和天然气是重要的能源矿产和战略资源，与国民经济、社会发展和国家安全息息相关。在石油天然气的运输过程中，管道输送具有经济性、安全性和连续性等优点。管线钢主要用于加工制造油气管线，性能上要求高强度、高韧性、良好的焊接性能和良好的抗腐蚀性能。而非金属夹杂物是影响管线钢性能的主要因素之一，主要危害有：（1）会造成水口结瘤，影响生产顺行；（2）能够能够导致管线钢产生疲劳裂纹；（3）会影响管线钢的冲击韧性；（4）会降低管线钢的抗腐蚀性能，尤其是 A 类和 B 类夹杂物，会造成氢致裂纹的产生；（5）会恶化管线钢的焊接性能。因此，开发了管线钢中非金属夹杂物控制关键技术，为我国管线钢产品质量的提升做出了贡献。（1）管线钢精准钙处理模型以及在线指导软件。钙处理是管线钢夹杂物的最主要方式，通过钙处理能够将 MnS 夹杂物改性为 CaS，将 Al 2 O 3 为主的夹杂物改性为钙铝酸盐，从而降低夹杂物对管线钢性能的危害。然而在大部分企业生产过程中，钙处理过程的钙线喂入量都缺乏一个标准，主要是依靠经验进行操作。由于各炉次的钢渣成分和温度等的差异，导致不同炉次间的钙处理效果波动很大，有些炉次钙处理后产品性能还发生恶化。本项目建立了管线钢精准钙处理模型，通过对管线钢不同钢液成分和温度条件下钙处理窗口进行的计算，确定了管线钢的不同成分条件下最优的喂钙线量。与国外同类型模型相比，考虑的工艺条件更完全，考虑的反应物和产物也更全面，因此也更接近生产实际，准确率更高。同时，以管线钢精准钙处理模型为基础开发出了钙处理在线指导软件，可实现管线钢生产过程中针对每一炉次的工况条件进行精准喂钙量的在线指导，并已实现了在管线钢生产中的在线应用，计算结果更直观。（2）低钙含量处理控制管线钢 B 类夹杂物技术。传统的管线钢钙处理一般都是采用高钙处理路线来使夹杂物改性为高 CaO 含量的较高熔点钙铝酸盐，如图 2中窗口 B 所示。但是在高钙含量处理时容易在钙处理后生成大尺寸钙铝酸盐夹杂物，而且在钙处理后的过程中由于钢中 Ca 的挥发或者钢液二次氧化的消耗，钢中钙含量会有所降低，导致高熔点钙铝酸盐往液态钙铝酸盐转变，当尺寸较大时会在轧板中形成 B 类夹杂物，危害产品性能。因此，本项目从另一角度考虑，开发了低钙含量处理控制管线钢 B 类夹杂物技术，如图 2 中窗口 C 所示，即高 Al 2 O 3一侧的 50%液相点至 100%液相开始点所对应的 T.Ca 含量范围。在此情况下，夹杂物由部分液相和部分固相组成，这样既不会在浇铸过程发生水口结瘤，又不至于在轧制过程中形成 B 类夹杂，同时由于喂入的钙含量较低，整体上夹杂物尺寸要更小。此技术应用到企业的管线钢生产实践中，能够有效减小夹杂物尺寸和降低 B 类夹杂物评级。（3）含 Ca 硅铁钙处理技术。在管线钢生产过程中会添加大量的合金，合金的纯净度会对钢液成分甚至钢中夹杂物产生重要影响，一般来说这种影响是有害的或者是无用的。本项目针对硅铁合金中含有一定量的 Ca，通过研究变废为宝，开发了含 Ca 硅铁钙处理技术，并应用于管线钢的生成，实现了用硅铁合金代替钙线来进行管线钢夹杂物的钙处理改性，降低生产成本。首先通过钙处理模型计算得到夹杂物改性所需的钙含量，然后在总的硅铁加入量不变的情况下根据硅铁合金中的 Ca 含量计算得到在出钢工序和钙处理工序的硅铁合金分配量，进而实现夹杂物的精准钙处理改性，如图 3 所示。此技术的优点包括：（1）总的硅铁合金加入量不变，不会增加额外成本；（2）减少甚至取消了钙线的喂入，降低了生产成本；（3）硅铁合金钙处理过程钙的收得率高，而且不会造成钢液的喷溅，因此不会恶化钢液的洁净度。

采用激光切割技术，完成厚度范围为百微米至十余毫米的多种高硬脆非金属材料（金属/ 非金属等硬脆性难加工材料）的直线、曲线、角型等自由路径的切割、打孔等。其技术创新点在于：（1）可实现   多种厚度、多种材料的切割，且材料规格不局限于板材，管材与弧面材料亦可进行加工。（2）可以直接   实现材料自由路径切割，而不局限于直线路经。（3）切割质量高，对于厚度较薄的材料可以保证较高的   切面粗糙度，对于较厚的材料可以保证切割后切割路径边缘无裂纹产生。（4）具有提供特殊硬脆性材料   精细加工研发工艺方案和设备系统开发的能力。