CN101819032A - 基于sh波的工业锅炉水垢厚度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声导波无损检测领域，具体涉及一种利用对板层表面附着物敏感的SH波检测工业锅炉水垢厚度的方法。本发明首先利用双层结构中SH波传播的频散方程，绘制出不同水垢厚度情况下的频散曲线，得到SH0模态群速度随水垢厚度增加时的变化曲线，进而求得高低两个检测频率，分别对应检测较薄水垢和较厚水垢。其检测系统如图示，由函数发生器(1)、功率放大器(2)、转换开关(3)、EMAT传感器(4)、示波器(5)和计算机(6)组成。利用该系统测量出锅炉与水垢组成的结构中SH0模态的群速度，对应上述计算求得的群速度与水垢厚度对应曲线，即可求得水垢厚度。从而实现对工业锅炉水垢厚度的在线、无损检测。

Description

基于SH波的工业锅炉水垢厚度检测系统及方法

技术领域

本发明属于超声导波无损检测领域，具体涉及一种利用SH波(水平剪切波)检测工业锅炉水垢厚度的方法。

背景技术

锅炉是一种重要的换能设备，在工业生产和日常生活中发挥着不可替代的作用。特别是在电力工业中，锅炉机组是火力发电厂的三大主力之一。然而在锅炉的运行过程中，由于水中含有溶解度较小的钙、镁盐类，经过不断的蒸发、浓缩，当水中的杂质的浓度达到饱和程度时，就会产生沉淀，粘附在锅炉内壁形成一层硬皮，这便是水垢。

水垢对于工业生产有巨大的危害：首先，水垢的导热能力比钢铁的导热能力差几十倍甚至几百倍，覆盖在锅炉内壁的水垢使得受热面的传热性能变差，燃料释放出的热能不能迅速传导到水中，而是随着烟气排出，浪费大量能量。其次，水垢的存在会使炉壁金属过热，产生蠕变，有可能导致锅炉破裂甚至爆炸。由此可见，水垢对于工业生产的安全性也带来了很大的危害。

针对水垢必须定期做出检测，在国内目前检测中，人们往往采用离线的检测方式。将整个锅炉系统停机，截取炉管样本，然后用测微器或显微镜测定样品上的水垢厚度，或是将整个样本上的水垢全溶解下来，按样本重量的减量求出单位面积上水垢的重量。这种方法一方面通过检测炉管来间接检测锅炉，测量精度难以保证；另一方面采用取样的方法是一种有损检测法，需要经过停炉、取样、修补、探伤等多种工作，既费时有费力。

国外目前在水垢检测方面采用的方法是按照水垢的状态和厚度编制相应的计算机数控软件配以超声波检测仪，利用超声回波的方法达到了对水垢的无损检测。其核心是利用超声波在金属-水垢界面和水垢-空气界面的反射回波时间差来确定水垢的厚度。但是当水垢厚度薄的情况下，反射波重叠，难以分辨，测量精度受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服了以上两种方法的缺点，提出了一种利用SH波的方法对锅炉水垢进行检测的方法。

本发明的技术方案，具体见图1，包括函数发生器、功率放大器、转换开关、EMAT传感器、示波器和计算机，其中EMAT传感器安装在锅炉壁的外侧，和转换开关相连接，转换开关与示波器和功率放大器相连接，函数发生器的输出端和功率放大器的输入端连接，计算机和示波器连接。

其中的EMAT传感器为激励SH波的专用传感器，包括高频传感器和低频传感器。

本发明所提供的方法为利用上述的检测系统进行工业锅炉水垢厚度的检测，具体包括如下步骤：

1)由锅炉壁厚度、材料参数，代入双层固体结构频散方程(1)，计算求解SH波在不同水垢厚度时的频散曲线：

$\left|A\right|=\left|\begin{array}{cccc}{q}^{\left(1\right)}\cos \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)& -q^{\left(1\right)}\sin \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)& 0& 0\\ 0& 1& 0& -1\\ q^{\left(1\right)}& 0& q^{\left(2\right)}& 0\\ 0& 0& q^{\left(2\right)}\cos \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)& q^{\left(2\right)}\sin \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)\end{array}\right|---\left(1\right)$

$=q^{\left(1\right)}\cos \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right){\left(q^{\left(2\right)}\right)}^2\sin \left(q^2{h}_2\right)-\left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)q^{\left(2\right)}\cos \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)=0$

式中C_T ⁽ⁿ⁾是第n层介质中的横波波速，对于给定的材料，C_T ⁽ⁿ⁾为常数；当n＝1时，代表水垢层，n＝2时，代表炉壁层；h₁为水垢层厚度，h₂为锅炉壁厚，因而(1)式中只是变量角频率w和相速度C_p的函数；通过对(1)式进行数值求解，得到在双层介质中，SH波的频散曲线；

2)根据1)中频散曲线，提取出SH0模态曲线并绘制其在不同水垢厚度情况下的频散曲线图，找到高、低两个检测频率；

3)根据2)中频散曲线，绘制在高低两个检测频率时，SH0模态群速度随水垢厚度变化的曲线图；

4)由函数发生器产生汉宁窗调制的特定周期的正弦波激励信号，分别输入示波器和功率放大器；先采用高频检测频率进行检测，即激励信号及EMAT传感器的中心频率均等于高频检测频率，如果检测对应的厚度小于临界厚度，说明此时水垢厚度较薄，则所测厚度即为水垢厚度；如果检测得到的厚度大于临界厚度，则需换用低频检测频率重新进行检测，得到水垢厚度；

5)激励信号经过功率放大器放大，接入转换开关，然后施加于EMAT传感器上，激励产生SH波；

6)经过SH波在结构中的传播后，EMAT传感器接收到结构中的回波信号，此回波信号再次经过转换开关，接入示波器；

7)由激励波形与接收的SH0模态回波波形的时间差Δt，以及波传播距离s，可以求得群速度，

8)根据3)中绘制的群速度与水垢厚度对应曲线，即可求得水垢厚度。

本发明具有的有益效果是，相较于截取炉管样本法，它是一种无损检测的方法，不需要对结构进行任何破坏，即可实现检测，而且可以进行在线检测，无需使整个锅炉系统停机。相较于超声波检测法，本发明中采用高低两个频率段进行检测，对刚开始形成的薄水垢和长期沉淀的厚水垢，均能达到良好的测量精度。另外，由于SH波是在板中传播的一种波，具有对板层表面附着物敏感的特性，且SH波是一种横波，无法在液体(非常粘稠的液体除外)中传播，因此利用它检测锅炉水垢时，检测结果不受锅炉内部储水或是蒸汽的影响。

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1：检测装置示意图

图2：SH波在双层结构中的波动模型

图3(a)：8mm单层不锈钢板相速度曲线

图3(b)：8mm单层不锈钢板群速度曲线

图4(a)：0.5mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图4(b)：0.5mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图5(a)：1mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图5(b)：1mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图6(a)：1.5mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图6(b)：1.5mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图7(a)：2mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图7(b)：2mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图8(a)：2.5mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图8(b)：2.5mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图9(a)：3mm水垢时8mm不锈钢板的相速度曲线

图9(b)：3mm水垢时8mm不锈钢板的群速度曲线

图10：SH0模态在不同水垢厚度情况下的频散比较

图11：500kHz频率时不同厚度水垢条件下SH0模态群速度分布

图12：2MHz频率时不同厚度水垢条件下SH0模态群速度分布

图中，1-函数发生器，2-功率放大器，3-转换开关，4-EMAT传感器，5-示波器，6-计算机。

具体实施方式

本发明的具体实施步骤包括：

步骤一：频散曲线的绘制

由SH波在双层结构中的波动模型中推导出的频散方程式(9)，对锅炉炉壁和水垢构成的结构建立模型，本例以8mm钢板作为锅炉炉壁，选取0.5mm-3mm大理石(化学成分为碳酸钙，与普通水垢的成分相同)作为水垢，对于水垢的厚度选取为0-3mm间，每0.1mm绘制一幅频散曲线。不同水垢厚度下的SH波频散曲线如附图3-9所示。

钢板和大理石的声学参数如下表：

步骤二：绘制SH0模态在不同水垢厚度情况下的频散曲线图

从步骤一中获得的频散曲线中抽取出SH0模态的频散曲线，绘制于同一幅曲线图中，即得到SH0模态在不同水垢厚度情况下的频散曲线图。如图10中所示。由此图，我们可以分别抽取群速度变化最大的两个频率点(高频和低频)作为检测频率，本例中为500kHz和2MHz。

步骤三：绘制SH0模态群速度随水垢厚度变化的曲线图

步骤二中已经获得检测频率，并且已知SH0模态在不同水垢厚度情况下的频散曲线图。据此绘制在检测频率下，SH0模态群速度随水垢厚度变化的曲线图。如图11和图12。

可以发现，在特定频率下水垢厚度的增加与群速度有较好的线性关系。在低频500kHz时(见图11)，水垢厚度在0.6-2.5mm范围内时，随着水垢厚度的增加，群速度呈近似线性地递减，而在0-0.6mm范围内时，随着水垢厚度的增加，群速度变化很小，因而500kHz的频率可以用来检测0.6-2.5mm范围的水垢厚度。在高频2MHz时(见图12)，水垢厚度在0-0.6mm范围内时，随着水垢厚度的增加，群速度呈近似线性地递减，因而2MHz的频率可以用来检测0-0.6mm范围的水垢厚度。高低两个频率在水垢厚度检测中，恰好互补，高频检测频率对于较薄水垢(小于0.6mm)有良好的检测效能，低频检测频率对于较厚水垢(0.6mm-3mm)有良好的检测效能。本例中0.6mm为高、低频检测的临界厚度。如果炉壁厚度不是本例中的8mm厚，那么高、低检测频率及临界厚度应根据步骤一和步骤二重新计算。

步骤四：利用检测系统测量锅炉结构中的群速度

对于检测薄水垢的情况(水垢厚度小于临界厚度)，采用高频检测频率进行检测，即激励信号(汉宁窗调制的特定周期的正弦波)和EMAT传感器的中心频率均等于高频检测频率。反之，对于检测厚水垢的情况(水垢厚度大于临界厚度)，采用低频检测频率进行检测。检测过程为，由函数发生器产生汉宁窗调制的特定周期的正弦波激励信号，分别输入与示波器和功率放大器。经过功率放大器的信号，接入转换开关，然后施加于EMAT传感器上，激励产生SH波，结构中将会传播特定模态的SH波，经过一段传播路径后，EMAT传感器接收到结构中的回波信号，此回波信号再次经过转换开关，接入示波器。由激励波形与接收的SH0模态回波波形的时间差，以及波传播距离，可以求得波速，

根据步骤三中绘制的群速度与水垢厚度对应曲线，即可求得水垢厚度。

Claims (3)

1.基于SH波的工业锅炉水垢厚度检测系统，包括函数发生器(1)、功率放大器(2)、转换开关(3)、EMAT传感器(4)、示波器(5)和计算机(6)，其特征在于：EMAT传感器(4)安装在锅炉壁的外侧，和转换开关(3)相连接，转换开关(3)与示波器(5)和功率放大器(2)相连接，函数发生器(1)的输出端和功率放大器(2)的输入端连接，计算机(6)和示波器(5)连接。

2.根据权利要求1中所述的基于SH波的工业锅炉水垢厚度检测系统，其特征在于：所述的EMAT传感器为激励SH波的专用传感器，包括高频传感器和低频传感器。

3.基于SH波的工业锅炉水垢厚度检测方法，利用权利要求1所述的检测系统进行工业锅炉水垢厚度的检测，其特征在于，该方法是按照如下步骤进行的：

1)由锅炉壁厚度、材料参数，代入双层固体结构频散方程(1)，计算求解SH波在不同水垢厚度时的频散曲线：

$\left|A\right|=\left|\begin{array}{cccc}{q}^{\left(1\right)}\cos \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)& -q^{\left(1\right)}\sin \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)& 0& 0\\ 0& 1& 0& -1\\ q^{\left(1\right)}& 0& q^{\left(2\right)}& 0\\ 0& 0& q^{\left(2\right)}\cos \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)& q^{\left(2\right)}\sin \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)\end{array}\right|---\left(1\right)$

$=q^{\left(1\right)}\cos \left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right){\left(q^{\left(2\right)}\right)}^2\sin \left(q^2{h}_2\right)-\left(q^{\left(1\right)}{h}_1\right)q^{\left(2\right)}\cos \left(q^{\left(2\right)}{h}_2\right)=0$

式中

C_T ⁽ⁿ⁾是第n层介质中的横波波速，对于给定的材料，C_T ⁽ⁿ⁾为常数；当n＝1时，代表水垢层，n＝2时，代表炉壁层；h₁为水垢层厚度，h₂为锅炉壁厚，因而(1)式中只是变量角频率w和相速度C_p的函数；通过对(1)式进行数值求解，得到在双层介质中，SH波的频散曲线；

2)根据1)中频散曲线，提取出SH0模态曲线并绘制其在不同水垢厚度情况下的频散曲线图，找到高、低两个检测频率；

3)根据2)中频散曲线，绘制在高低两个检测频率时，SH0模态群速度随水垢厚度变化的曲线图；

4)由函数发生器产生汉宁窗调制的特定周期的正弦波激励信号，分别输入示波器和功率放大器；先采用高频检测频率进行检测，即激励信号及EMAT传感器的中心频率均等于高频检测频率，如果检测对应的厚度小于临界厚度，说明此时水垢厚度较薄，则所测厚度即为水垢厚度；如果检测得到的厚度大于临界厚度，则需换用低频检测频率重新进行检测，得到水垢厚度；

5)激励信号经过功率放大器放大，接入转换开关，然后施加于EMAT传感器上，激励产生SH波；

6)经过SH波在结构中的传播后，EMAT传感器接收到结构中的回波信号，此回波信号再次经过转换开关，接入示波器；

7)由激励波形与接收的SH0模态回波波形的时间差Δt，以及波传播距离s，可以求得群速度，

8)根据3)中绘制的群速度与水垢厚度对应曲线，即可求得水垢厚度。

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