CN104634316B - 水平热力管道保温层下沉检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用水平热力管道壁面温差检测保温层下沉的方法。自然对流和管道保温层材料下沉作为影响水平热力管道外表面温度分布的两个主要因素，都会导致管道外表面顶部的温度高于底部，结合热力管道漏热的热通路分析和水平管道自然对流规律，通过测量水平热力管道顶部和底部温度检测管道保温层材料下沉深度。通过温度计测量管道表面温度，再结合测量得到的表面温度和空气的热物理性质计算管道中心到管道顶部和底部外表面的距离，最终计算出保温材料下沉的深度。本发明具有操作简单，实用性强，准确性高等特点，能够准确检测出管道保温材料的下沉深度。

Description

水平热力管道保温层下沉检测方法

技术领域

本发明涉及一种热力管道保温层材料下沉检测方法，特别是利用测量管道表面温差计算管道保温层材料下沉的检测方法。

背景技术

火力发电厂的高温管道温度远远高于环境温度，为了提高发电效率，保证生产安全，常常需要在管道外面布置保温层。

目前常用的保温材料主要有硅酸铝材料、复合硅酸盐材料，岩棉材料等，在保温层布置施工时整个管道周向厚度相同，因此管道各部分保温均匀，保温效果较好。长时间使用之后，受到重力的影响，管道保温层会出现材料下沉的状况，顶部外表面也常常出现破损的现象，保温材料下沉不仅严重影响保温效果，还会导致管道顶部温度过高，造成安全隐患。

通过比较测量到的管道表面温度差距和理论计算得到的管道表面温度差距进行比较判断管道保温层材料是否发生下沉，并可以得到下沉的深度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种检测管道保温层下沉的检测方法。

水平热力管道保温层下沉检测方法包括如下步骤：

1)通过温度计和热成像仪测量管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s；

2)利用步骤1)测量得到的外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot和环境温度T_s计算得到管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot；

3)利用步骤2)得到的管道顶部空气对流换热系数h_top、管道底部空气对流换热系数h_bot以及步骤1)测量得到的管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s计算得到管道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot；

4)根据步骤3)得到的道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot计算得到管道下沉深度L_fall。

所述的步骤1)为：把温度计贴在水平热力管道保温层外表面同一截面顶部和底部测量管道保温层外表面顶部温度T_w，top和管道保温层外表面底部的温度T_w，bot，另外把一支温度计放置在距离管道2m以外的位置，测量环境温度T_s，使用热成像仪拍摄管道保温层外表面底部温度，调整热成像仪内拍摄保温层外表面底部的热辐射率至热像仪拍摄温度与温度计测量保温层外表面底部的温度T_w，bot相同，此时热成像仪内显示的热辐射率即为管道表面热辐射率ε。

所述的步骤2)为：管道顶部对流换热系数h_top和管道底部的对流换热系数h_bot由以下式子求得

$h_{\mathrm{top}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{air}}}{2R_1}0.2454*(\mathrm{Gr}*\mathrm{Pr})^0.247.........1$

$h_{\mathrm{bot}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{air}}}{2R_1}0.43775*(\mathrm{Gr}*\mathrm{Pr})^0.247.........2$

其中Gr为管道流动过程中的格拉晓夫数，其计算公式为

$\mathrm{Gr}=\frac{8\mathrm{g\β}(\frac{T_{w,\mathrm{top}}+T_{w,\mathrm{bot}}}{2}-T_s)R_1^3}{{\mathrm{\γ}}^2}$

被测量管道的设计外表面半径R₁和重力加速度g已知，外表面顶部温度T_w，top和管道外表面底部的温度T_w，bot由步骤(1)测量得到，结合已知的与管道壁面平均温度对应的管道周围空气热传导系数λ_air、管道周围空气热膨胀系数β、管道周围空气运动粘度γ和管道周围空气普朗特数Pr，由公式1和公式2求得管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot。

所述的步骤3)为：通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小由以下公式计算

$q_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,\mathrm{top}})}{R_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}.........3$

$q_{\mathrm{bot}}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,\mathrm{top}})}{R_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}.........4$

通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小也可以由管道外部自然对流和辐射漏热进行计算

q_top＝h_top(T_w，top-T_s)+q_ra，top………5

q_bot＝h_bot(T_w，bot-T_s)+q_ra，bot………6

结合公式3和公式5得到管道顶部保温层外表面温度T_w，top和管道圆心到外表面顶部距离R_1，top之间的关系为

$T_{w,\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\λ}{T}_0+h_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)T_s+q_{\mathrm{ra},\mathrm{top}}{h}_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}.........7$

结合公式4和公式6得到管道底部保温层外表面温度T_w，bot和管道圆心到外表面底部距离R_1，bot之间的关系为

$T_{w,\mathrm{bot}}=\frac{\mathrm{\λ}{T}_0+h_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)T_s+q_{\mathrm{ra},\mathrm{bot}}{h}_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}.........8$

公式7中顶部辐射散热流密度q_ra，top和公式8中的底部辐射散热流密度q_ra，bot计算公式为

$q_{\mathrm{ra},\mathrm{top}}=\mathrm{\ϵ\σ}(T_{w,\mathrm{top}}^4-T_s^4)$

$q_{\mathrm{ra},\mathrm{bot}}=\mathrm{\ϵ\σ}(T_{w,\mathrm{bot}}^4-T_s^4)$

管道外表面顶部温度T_w，top、管道底部外表面的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s由步骤1)测量得到，斯特潘玻尔兹曼常数σ已知，由此可以计算出顶部辐射散热流密度q_ra，top和底部辐射散热流密度q_ra，bot；被测量管道的保温层材料导热率λ、管道内部半径R₀、管道内部介质温度T₀已知，管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot由步骤2)计算得到，环境温度T_s由步骤1)测量得到，根据公式7和公式8可以得到管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot。

所述的步骤4)为：管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot由步骤3)计算得到，通过公式求得下沉深度L_fall。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)操作简单，只需要通过测量管道壁面温度就可以判断管道内部材料的下沉情况，不会破坏管道表面。

2)实用性强，对于发生保温材料下沉的管道，可以分析出下沉的程度，根据需求决定是不是需要进行整修。

3)准确性高，通过表面温度差距进行检测，可以准确分析出管道保温层材料的下沉深度。

附图说明

图1是本发明的管道下沉截面示意图。

具体实施方式

水平热力管道保温层下沉检测方法包括如下步骤：

1)通过温度计和热成像仪测量管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s；

2)利用步骤1)测量得到的外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot和环境温度T_s计算得到管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot；

3)利用步骤2)得到的管道顶部空气对流换热系数h_top、管道底部空气对流换热系数h_bot以及步骤1)测量得到的管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s计算得到管道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot；

4)根据步骤3)得到的道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot计算得到管道下沉深度L_fall。

所述的步骤1)为：把温度计贴在水平热力管道保温层外表面同一截面顶部和底部测量管道保温层外表面顶部温度T_w，top和管道保温层外表面底部的温度T_w，bot，另外把一支温度计放置在距离管道2m以外的位置，测量环境温度T_s，使用热成像仪拍摄管道保温层外表面底部温度，调整热成像仪内拍摄保温层外表面底部的热辐射率至热像仪拍摄温度与温度计测量保温层外表面底部的温度T_w，bot相同，此时热成像仪内显示的热辐射率即为管道表面热辐射率ε。

所述的步骤2)为：管道顶部对流换热系数h_top和管道底部的对流换热系数h_bot由以下式子求得

$h_{\mathrm{top}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{air}}}{2R_1}0.2454*(\mathrm{Gr}*\mathrm{Pr})^0.247.........1$

$h_{\mathrm{bot}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{air}}}{2R_1}0.43775*(\mathrm{Gr}*\mathrm{Pr})^0.247.........2$

其中Gr为管道流动过程中的格拉晓夫数，其计算公式为

$\mathrm{Gr}=\frac{8\mathrm{g\β}(\frac{T_{w,\mathrm{top}}+T_{w,\mathrm{bot}}}{2}-T_s)R_1^3}{{\mathrm{\γ}}^2}$

被测量管道的设计外表面半径R₁和重力加速度g已知，外表面顶部温度T_w，top和管道外表面底部的温度T_w，bot由步骤(1)测量得到，结合已知的与管道壁面平均温度对应的管道周围空气热传导系数λ_air、管道周围空气热膨胀系数β、管道周围空气运动粘度γ和管道周围空气普朗特数Pr，由公式1和公式2求得管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot。

所述的步骤3)为：通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小由以下公式计算

$q_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,\mathrm{top}})}{R_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}.........3$

$q_{\mathrm{bot}}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,\mathrm{top}})}{R_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}.........4$

通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小也可以由管道外部自然对流和辐射漏热进行计算

q_top＝h_top(T_w，top-T_s)+q_ra，top………5

q_bot＝h_bot(T_w，bot-T_s)+q_ra，bot………6

结合公式3和公式5得到管道顶部保温层外表面温度T_w，top和管道圆心到外表面顶部距离R_1，top之间的关系为

$T_{w,\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\λ}{T}_0+h_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)T_s+q_{\mathrm{ra},\mathrm{top}}{h}_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{\mathrm{top}}{R}_{1,\mathrm{top}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{top}}}{R_0}\right)}.........7$

结合公式4和公式6得到管道底部保温层外表面温度T_w，bot和管道圆心到外表面底部距离R_1，bot之间的关系为

$T_{w,\mathrm{bot}}=\frac{\mathrm{\λ}{T}_0+h_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)T_s+q_{\mathrm{ra},\mathrm{bot}}{h}_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{\mathrm{bot}}{R}_{1,\mathrm{bot}}\ln \left(\frac{R_{1,\mathrm{bot}}}{R_0}\right)}.........8$

公式7中顶部辐射散热流密度q_ra，top和公式8中的底部辐射散热流密度q_ra，bot计算公式为

$q_{\mathrm{ra},\mathrm{top}}=\mathrm{\ϵ\σ}(T_{w,\mathrm{top}}^4-T_s^4)$

$q_{\mathrm{ra},\mathrm{bot}}=\mathrm{\ϵ\σ}(T_{w,\mathrm{bot}}^4-T_s^4)$

管道外表面顶部温度T_w，top、管道底部外表面的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s由步骤1)测量得到，斯特潘玻尔兹曼常数σ已知，由此可以计算出顶部辐射散热流密度q_ra，top和底部辐射散热流密度q_ra，bot；被测量管道的保温层材料导热率λ、管道内部半径R₀、管道内部介质温度T₀已知，管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot由步骤2)计算得到，环境温度T_s由步骤1)测量得到，根据公式7和公式8可以得到管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot。

所述的步骤4)为：管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot由步骤3)计算得到，通过公式求得下沉深度L_fall。

实施例

某电厂热力管道为单层保温层结构，管道内部介质温度T₀为623K，管道内部半径R₀为0.225m，管道保温层材料为硅酸铝材料，保温层材料导热率λ为0.162W/(m*K)，管道的设计外表面半径R₁为0.465m，该地重力加速度g为9.8m/s²，斯特潘玻尔兹曼常数σ为5.67*10^-8W/(m²*K⁴)。

由步骤1)的方法测量管道外表面顶部温度T_w，top为323K，管道底部外表面的温度T_w，bot为315K，环境温度T_s为298K，热辐射率ε为0.8。

根据步骤2)的计算方法，先查找文献得到管道周围空气热传导系数λ_air为0.02693W/(m*K)，管道周围空气热膨胀系数β为0.003K^-1，管道周围空气运动粘度γ为0.0000165m²/s，管道周围空气普朗特数Pr为0.7064，则得到管道周围格拉晓夫数Gr为1.82*10⁹，由公式1计算可以得到管道顶部对流换热系数h_top为1.26W/(m²*K)，由公式2计算可以得到管道底部对流换热系数h_bot为2.25W/(m²*K)。

根据步骤3)的计算方法，由步骤1)测量得到热辐射率ε为0.8，管道外表面顶部温度T_w，top为323K，管道底部外表面的温度T_w，bot为315K，环境温度T_s为298K，斯特潘玻尔兹曼常数σ为5.67*10^-8W/(m²*K⁴)，则顶部辐射散热流密度q_ra，top为136.0W/m²，底部辐射散热流密度q_ra，bot为88.88W/m²。由步骤2)得到管道顶部对流换热系数h_top为1.27W/(m²*K)，管道底部对流换热系数h_bot为2.25W/(m²*K)，已知保温层材料导热率λ为0.162W/(m*K)，管道内部半径R₀为0.225m，由公式7可得管道圆心到外表面顶部距离R_1，top为0.4368m，由公式8可得圆心到外表面底部距离R_1，bot为0.4962m。

根据步骤4)的计算方法，管道保温层下沉深度为L_fall为0.0297m。

Claims (2)

1.一种水平热力管道保温层下沉检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过温度计和热成像仪测量管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s；

2)利用步骤1)测量得到的外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot和环境温度T_s计算得到管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot；

3)利用步骤2)得到的管道顶部空气对流换热系数h_top、管道底部空气对流换热系数h_bot以及步骤1)测量得到的管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s计算得到管道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot；

4)根据步骤3)得到的管道圆心到保温层外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot计算得到管道下沉深度L_fall；

所述的步骤2)具体为：管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot由以下式子求得

$h_{top}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{air}}{2R_1}0.2454*(Gr*\mathrm{Pr})^\mathrm{0.247...1}$

$h_{bot}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{air}}{2R_1}0.43775*(Gr*\mathrm{Pr})^\mathrm{0.247...2}$

其中Gr为管道流动过程中的格拉晓夫数，其计算公式为

$Gr=\frac{8g\mathrm{\β}\left(\frac{T_{w,top}+T_{w,bot}}{2}-T_s\right)R_1^3}{{\mathrm{\γ}}^2}$

被测量管道的设计外表面半径R₁和重力加速度g已知，外表面顶部温度T_w，top和管道外表面底部的温度T_w，bot由步骤1)测量得到，结合已知的与管道壁面平均温度对应的管道周围空气热传导系数λ_air、管道周围空气热膨胀系数β、管道周围空气运动粘度γ和管道周围空气普朗特数Pr，由公式1和公式2求得管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot；

所述的步骤3)具体为：通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小由以下公式计算

$q_{top}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,top})}{R_{1,top}\ln \left(\frac{R_{1,top}}{R_0}\right)}\mathrm{...3}$

$q_{bot}=\frac{\mathrm{\λ}(T_0-T_{w,bot})}{R_{1,bot}\ln \left(\frac{R_{1,bot}}{R_0}\right)}\mathrm{...4}$

通过管道保温层外表面顶部导热热流密度q_top和通过管道保温层外表面底部导热热流密度q_bot大小也可以由管道外部自然对流和辐射漏热进行计算

q_top＝h_top(T_w，top-T_s)+q_ra，top………5

q_bot＝h_bot(T_w，bot-T_s)+q_ra，bot………6

结合公式3和公式5得到管道顶部保温层外表面温度T_w，top和管道圆心到外表面顶部距离R_1，top之间的关系为

$T_{w,top}=\frac{{\mathrm{\λT}}_0+h_{top}{R}_{1,top}ln\left(\frac{R_{1,top}}{R_0}\right)T_s+q_{ra,top}{h}_{top}{R}_{1,top}ln\left(\frac{R_{1,top}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{top}{R}_{1,top}ln\left(\frac{R_{1,top}}{R_0}\right)}\mathrm{...7}$

结合公式4和公式6得到管道底部保温层外表面温度T_w，bot和管道圆心到外表面底部距离R_1，bot之间的关系为

$T_{w,bot}=\frac{{\mathrm{\λT}}_0+h_{bot}{R}_{1,bot}ln\left(\frac{R_{1,bot}}{R_0}\right)T_s+q_{ra,bot}{h}_{bot}{R}_{1,bot}ln\left(\frac{R_{1,bot}}{R_0}\right)}{\mathrm{\λ}+h_{bot}{R}_{1,bot}ln\left(\frac{R_{1,bot}}{R_0}\right)}\mathrm{...8}$

公式7中顶部辐射散热流密度q_ra，top和公式8中的底部辐射散热流密度q_ra，bot计算公式为

$q_{ra,top}=\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(T_{w,top}^4-T_s^4)$

$q_{ra,bot}=\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}\left(T_{w,bot}^4-T_s^4\right)$

管道外表面顶部温度T_w，top、管道外表面底部的温度T_w，bot、热辐射率ε和环境温度T_s由步骤1)测量得到，斯特潘玻尔兹曼常数σ已知，由此可以计算出顶部辐射散热流密度q_ra，top和底部辐射散热流密度q_ra，bot；被测量管道的保温层材料导热率λ、管道内部半径R₀、管道内部介质温度T₀已知，管道顶部空气对流换热系数h_top和管道底部空气对流换热系数h_bot由步骤2)计算得到，环境温度T_s由步骤1)测量得到，根据公式7和公式8可以得到管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot；

所述的步骤4)具体为：管道圆心到外表面顶部距离R_1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R_1，bot由步骤3)计算得到，通过公式求得下沉深度L_fall。

2.根据权利要求1所述的一种水平热力管道保温层下沉检测方法，其特征在于：所述的步骤1)为：把温度计贴在水平热力管道保温层外表面同一截面顶部和底部测量管道保温层外表面顶部温度T_w，top和管道保温层外表面底部的温度T_w，bot，另外把一支温度计放置在距离管道2m以外的位置，测量环境温度T_s，使用热成像仪拍摄管道保温层外表面底部温度，调整热成像仪内拍摄保温层外表面底部的热辐射率至热像仪拍摄温度与温度计测量保温层外表面底部的温度T_w，bot相同，此时热成像仪内显示的热辐射率即为管道表面热辐射率ε。