CN105606520A - 用于机器的内部结构的腐蚀传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机器的内部结构的腐蚀传感器。该腐蚀传感器可以包括测试帽，该测试帽具有被配置成由于腐蚀性影响而比该内部结构的材料更快出现故障的材料和几何形状中的至少一种。安装件将该测试帽固定就位在开口中，该开口位于该机器限定操作环境的部分中。室邻近测试帽并且位于该测试帽和安装件中的至少一个中。测试帽的故障所造成的室中的环境变化指示超过腐蚀阈值并且例如能够通过温度变化或压力变化被感测到。

Description

用于机器的内部结构的腐蚀传感器

技术领域

本发明大体涉及腐蚀传感器(corrosionsensor)，并且更具体地，涉及用于诸如压缩机之类的机器的内部结构的腐蚀传感器。

背景技术

在恶劣环境中操作的机械和设备通常经受过快的腐蚀速率，如果不加以监测或控制，这样的腐蚀速率可能造成机械和设备的提前老化以及最终故障。例如，在燃气涡轮机中，气体沿对气流进行压缩的压缩机中的流动路径流动。压缩机包括多个可能是腐蚀对象的诸如叶片翼型件和喷嘴之类的内部结构。具体而言，在压缩机中进行压缩的空气的成分有时可能驱动点蚀，从而产生腐蚀并且随后由于高应力而开始裂缝。

在一些设置中，腐蚀传感器可以被安装在除了内部结构之外的金属表面上，以监测任何总体腐蚀的存在和/或速率。例如，传统的腐蚀传感器(可以被称为“试件(coupon)”)可以包括与金属需求分析类似的金属电极或者可以包括通过介电材料分开的交替的电极层。在任何情况下，电极都可以具有能够与所述电极附接到其上的金属表面相比的氧化电位，使得金属表面上的总体腐蚀速率可以近似于电极上的总体腐蚀速率。由于传统的腐蚀传感器不是应力加载的，因此其不像所关注的内部结构那样暴露于机械和热载荷。因此，它们对于预测部件故障而言通常是不准确的。在这种设置中，预防不可预见的停机时间的唯一机构是通常定期的目视检查，这增加了停机时间。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于机器的内部结构的腐蚀传感器，该腐蚀传感器包括：测试帽(testcap)，该测试帽具有被配置成由于腐蚀性影响而比内部结构的材料更快出现故障的材料和几何形状中的至少一种；安装件(mount)，该安装件用于将测试帽固定就位在开口中，该开口位于机器暴露在至少类似于内部结构的操作环境的操作环境的部分中；和室，该室邻近测试帽并且位于该测试帽和安装件中的至少一个中，其中由于测试帽的故障而造成的室中的环境变化指示了超过腐蚀阈值(corrosionthreshold)。

其中，所述测试帽包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分具有比所述第二部分大的厚度。

其中，所述第二部分包绕所述第一部分。

其中，所述材料和所述几何形状中的至少一个被选择成基于期望的腐蚀性影响在所述测试帽的故障和所述内部结构的故障之间产生预定的时间间隔。

其中，所述测试帽包括平面表面，所述平面表面与限定所述操作环境的所述机器的部分的内部表面共面。

其中，所述测试帽和所述安装件通过钎焊(brazing)联接。

其中，所述腐蚀传感器还包括环境变化传感器，所述环境变化传感器被配置成识别指示超过所述腐蚀阈值的环境变化。

其中，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的热电偶，其中所述环境变化包括由所述热电偶测量到的温度的变化。

其中，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的压力传感器，其中所述环境变化包括由所述压力传感器测量到的压力的变化。

其中，所述环境变化传感器包括电子量表(electricgauge)，所述电子量表测量跨过所述测试帽的选定电气参数，其中所述环境变化包括所述选定电气参数的变化。

其中，所述安装件将所述测试帽定位在使得所述测试帽暴露于比所述内部结构更大的应力下的位置处。

其中，所述开口的尺寸小于所述测试帽，使得所述测试帽暴露于比所述内部结构更大的应力下。

其中，所述安装件通过螺纹(threadably)联接到所述开口中。

本发明的第二方面提供了一种用于机器的内部结构的腐蚀传感器，该腐蚀传感器包括：测试帽，该测试帽具有被配置成由于腐蚀性影响而比内部结构的材料更快出现故障的材料和几何形状中的至少一种；安装件，该安装件联接到测试帽，以通过螺纹将测试帽固定就位在开口中，该开口位于该机器暴露在至少类似于内部结构的操作环境的操作环境的部分中；和室，该室邻近测试帽并且位于该测试帽和安装件中的至少一个中，其中由于测试帽的故障而造成的室中的环境变化指示超过腐蚀阈值，其中安装件将测试帽定位在使得该测试帽暴露于比内部结构更大的应力(stress)下的位置处。

其中，所述测试帽包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分具有比所述第二部分大的厚度，并且所述第二部分包绕所述第一部分。

其中，所述测试帽包括暴露于所述操作环境的平面表面，并且所述平面表面与限定所述操作环境的所述机器的部分的内部表面共面。

其中，所述腐蚀传感器还包括环境变化传感器，所述环境变化传感器被配置成识别指示超过所述腐蚀阈值的环境变化。

其中，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的热电偶，其中所述环境变化包括由所述热电偶测量到的温度的变化。

其中，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的压力传感器，其中所述环境变化包括由所述压力传感器测量到的压力的变化。

其中，所述环境变化传感器包括电子量表，所述电子量表测量跨过所述测量帽的选定电气参数，其中所述环境变化包括所述选定电气参数的变化。

本发明的说明性方面被设计成解决本发明中所描述的问题以及/或者其它尚未讨论的问题。

附图说明

通过下文的结合示出了本发明的各个实施例的附图对本发明的各个方面的详细描述，本发明的这些和其它的特征将变得更加易于理解，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的腐蚀传感器的剖视图。

图2示出了根据本发明的各个备选实施例的腐蚀传感器的剖视图。

图3示出了图1的腐蚀传感器的沿图1的线A-A截取的平面图。

图4示出了图2的腐蚀传感器的沿图2的线B-B截取的平面图。

应当注意到，本发明的附图并不成比例。附图旨在仅示出本发明的典型方面，并且因此不应当被认为对本发明的范围构成限制。在附图中，相似的附图标记在附图中代表相似的元件。

具体实施方式

如上所述，本发明提供用于机器的内部结构的腐蚀传感器。腐蚀传感器用于指示其腐蚀的内部结构可以包括处于机器中的操作环境内的任何元件。“操作环境”可以包括同样可能暴露于应力的机器内的任何内部的通常恶劣的环境。总体而言，机器的操作环境和结构造成内部结构的腐蚀不能被容易地观察到，因此需要不必要的停机时间来检查腐蚀。如本发明中所描述的腐蚀传感器提供了在不造成不必要的停机时间的前提下识别腐蚀的方式。为了描述的目的，将参照燃气涡轮机压缩机来描述腐蚀传感器。在该例子中，内部结构例如可以包括翼型件、喷嘴、壳体的一部分等。要强调的是，尽管腐蚀传感器将被描述成应用于燃气涡轮机压缩机，但是本发明的教导内容能够适用于具有暴露在恶劣环境以及多种多样的应力下的内部结构的很多种机器。例如，其它的机器可以包括燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、燃烧器、加热/通风设备、泵、压缩机、往复式发动机、齿轮箱等。因此，根据本发明的实施例的腐蚀传感器可以应用于其上的内部结构的种类非常广泛。

参照图1，示出了根据本发明的实施例的腐蚀传感器100的剖视图。如上所述，腐蚀传感器100被示为应用于呈燃气涡轮机压缩机形式的机器104的内部结构102(为了清楚起见示意性地示出)。例如，内部结构102可以包括燃气涡轮机压缩机的翼型件，该翼型件可以由诸如钢之类的材料制成。内部结构102还能够是静止喷嘴、壳体的一部分等。内部结构102可以是机器104的静止和/或移动部件。

为了描述的目的，腐蚀传感器100已被描述成定位在机器的壳体106中，该壳体限定或封闭了壳体106的内侧110上的操作环境108并限定区域112，该区域112具有相对于操作环境108与被密封的操作环境108不同的环境(即压力、温度、应力等)。区域112可以位于诸如壳体106之类的机器的一部分的外部、或者整个机器104的外部(即机器的大气环境)。

腐蚀传感器100可以包括测试帽120，该测试帽120具有被配置成由于腐蚀性影响(corrosiveinfluence)而比内部结构102的材料更快出现故障的材料和几何形状中的至少一种。具体而言，该材料和几何形状中的至少一种可以被选择成基于期望的腐蚀性影响、例如机器104内的已知的工作环境(温度、压力、操作流体等)来产生测试帽120的故障与内部结构102的故障之间的预定时间间隔。在一个实施例中，测试帽120材料能够被配置成以多种方式比内部结构102的材料更快地出现故障。在一个例子中，当内部结构102包括由特定的钢制成的压缩机的翼型件时，测试帽120可以由相同的钢或者将观察到相比该特定的钢略微稍快的腐蚀的材料制成。例如，测试帽120可以由AISI403(马氏体不锈钢Fe12Cr0.11C)制成，该AISI403具有相比由GTD-450(沉淀硬化不锈钢Fe15.5Cr6.3Ni0.8Mo0.03C)制成的翼型件较小的耐腐蚀性。在另一个例子中，测试帽120可以具有被构造成相比内部结构102较快地发生故障的几何形状，例如尺寸、形状、表面轮廓、表面粗糙度、工作流体的迎角等。例如，测试帽102可以比内部结构102略薄，以便具有相比所关注的内部结构102的特定区域更高的应力。通过该方式，测试帽102先于内部结构的特定区域出现故障。测试帽120比内部结构102薄多少可以由多种因素(例如但不限于所研究的材料、机器的类型、操作环境、期望多早指示腐蚀、壳体106的材料等)来限定。在任何情况下，测试帽120的尺寸都能够保证其相比内部结构(例如，翼型件的特定区域)更早地展示出与由内部结构102暴露于其中的操作环境所产生的故障相关的腐蚀。如可以在本发明中的其它部分所描述的那样，在本发明的范围内还可以采用提供测试帽120相比内部结构102更快的故障的其它的材料和几何形状。

腐蚀传感器100还可以包括安装件130，该安装件130将测试帽120固定就位在开口132中，该开口132位于机器暴露在至少类似于内部结构102(并且优选地与其基本相同)的操作环境108的操作环境的部分(例如，壳体106)中。安装件130可以由能够选择性地固定在壳体106内的任何合适的材料(例如诸如钢、铝、镍或其合金之类的金属、硬塑料等)制成。壳体106可以由足以稳定地定位安装件130并且安全地封闭操作环境108的任何材料制成，例如根据机器的类型：金属、硬塑料等。当需要时，安装件130可以使用任何现在已知或者今后开发的解决方案联接到测试帽120。在一个实施例中，安装件130通过钎焊联接到测试帽120。

安装件130可以通过多种方式将测试帽120连接在开口132中。在图1中，安装件130通过螺纹联接在开口132的外部134中。在该情况下，开口132的内部136不具有螺纹。在一个例子中，开口132可以呈这样的开口的形式：具有六角紧固特征的管道镜塞通常将在不使用管道镜时定位在该开口中。安装件130的外端138可以包括诸如六角头部之类的紧固特征或类似特征，使得安装件130可以被紧固到开口132中。图2示出了备选的实施例，其中安装件130例如可以焊接或钎焊到开口132的外部134中(即，当安装件130和测试帽120包括兼容材料(compatiblematerials)时)。此处，内部136的直径比外部134小。应当理解，多种机构可以用于将安装件130固定在壳体106中，并且这些机构被认为全部属于本发明的范围内。

安装件130还可以将测试帽120定位在使得该测试帽120暴露于比内部结构102更大的应力下的位置处。例如，在一个实施例中，开口132、并且具体而言内部136可以具有比测试帽120小的尺寸，使得测试帽暴露于比内部结构102更大的应力下。例如，测试帽120可能由于开口132的内部136内的过盈配合(即，如图所示的没有间隙)而受到压缩应力。多种其它的机构可以用于以大于内部结构102的方式来对测试帽120施加应力，使得测试帽120比内部结构102更早地指示腐蚀。例如，另一种提供应力(在测试帽120中引发的载荷)的方式可以包括使用这样的材料：该材料具有将在经受与内部102相同的温度环境时造成更高应力的不同的热膨胀系数。另一个例子可以包括将腐蚀传感器100安装到作为机器104的移动结构的内部102上，使得移动所产生的载荷对测试帽102产生应力。例如，内部结构102能够是机器104的旋转结构，使得腐蚀传感器100所经历的离心载荷向测试帽120提供应力。

回到图1，腐蚀传感器100还包括室139，该室邻近测试帽120并且位于测试帽120和安装件130中的至少一个中。如图所示，安装件130包括孔140，该孔从测试帽120延伸到形成室139的一部分的区域112。在该例子中，孔140和测试帽120的内侧共同形成室139。应当理解，室139可以通过多种备选的方式产生(例如如果期望采用图示的结构布置的话，仅由测试帽120的内侧或者仅由孔140产生)。在任何情况下，由于测试帽120的故障而造成的室139的环境变化都指示超过腐蚀阈值——从而指示存在超过可接受水平的腐蚀。测试帽120的“故障”可以呈多种形式，例如但不限于断裂(break)或裂痕(crack)144(示于图3和图4中)、逐渐变薄等。因此，室139中的环境变化也可以呈多种形式，并且多种环境变化传感器(多个环境变化传感器)150可以用于感测变化。当断裂或裂痕出现时，从操作环境108逸出的气体可以起到加热该室139内(例如，孔140和可能安装件130本身内)的气体的作用并且/或者可以改变室139内的压力。在一些情况下，断裂或裂痕还能够改变室139内的光照强度，例如发射率、亮度、颜色或者其它的光照特性。如将要描述的那样，通过环境变化传感器150(或者传感器152、154)来检测温度、压力、光照强度等的变化，从而指示存在故障，并且因此指示超过腐蚀阈值。更具体地，在一个实施例中，环境变化传感器150可以包括与室139可操作地联接的热电偶，即，使得室139内或者该室的表面上的温度能够被测量到。在这种情况下，指示超过腐蚀阈值的测试帽120的故障可以由热电偶所测量到的温度的变化来指示。温度的变化例如能够由测试帽120的逐渐变薄或者断裂/裂痕造成。任何形式的控制系统(未示出)都可以采用热电偶，以确定温度的变化。在备选实施例中，环境变化传感器150可以包括与室139可操作地联接的压力传感器，即，使得室139内的压力能够被测量到。此处，指示超过腐蚀阈值的测试帽120中的故障可以由压力传感器152所测量到的压力的变化(例如由于测试帽120中的逐渐变薄以及/或者断裂/裂痕造成)来指示。此外，任何形式的控制系统(未示出)都可以采用压力传感器，以确定压力的变化。类似地，当测试帽120故障之后发生光照强度变化时，环境变化传感器150可以包括能够检测该变化的任何类型的光传感器。在另一个实施例中，环境变化传感器150可以包括电子量表，该电子量表测量跨过测试帽120的选定电气参数。在该情况下，指示腐蚀的测试帽120中的故障可以通过选定电气参数(例如电子量表所测量到的电阻、电流、阻抗)的变化来指示。在图2中所示的备选实施例中，环境变化传感器150(图1)可以由分别操作性地联接到孔140和位于操作环境内108内的温度或压力传感器152、154代替，使得能够确定孔140内以及操作环境108中的温度或压力并且进行比较以识别测试帽120中的故障。无论所使用的传感器的类型如何，在测试帽120接收使其出现故障(例如，裂痕、开口、变薄等)的充分腐蚀的情况下，环境变化传感器150(或者传感器152、152)都指示表示发生腐蚀的变化，使得能够进行腐蚀性测量。尽管本发明中已列举了特定的环境变化传感器类型，但是多种其它的传感器也可以被采用并且被认为属于本发明的范围内。

进一步关于测试帽120几何形状，可以采用有助于在需要时保证超过腐蚀阈值的多种其它的几何形状(或形状)。所述几何形状可以被选择成例如通过材料的厚度、所暴露的表面积、由形状所产生的应力等来提供测试帽和内部结构102的故障之间更大或更小的时间间隔。在图1中以剖面并且在图3中以平面图(planview)示出的一个实施例中，测试帽120可以包括第一部分160和第二部分162。如图1中最佳可见，第一部分160可以具有比第二部分162大的厚度。在一个实施例中，较薄的第二部分162包绕较厚的第一部分160；然而并非在所有的情况下都是如此，因为较厚的部分可能不同心地定位。首先，较厚的部分160可以具有保证腐蚀指示所需的任何平面或剖面形状。例如，第一部分160可以具有圆形的平面形状、和梯形的剖面形状。第一部分160还能够成基本圆柱形，以便具有矩形剖面。在任何情况下，侧壁166都可以从部分160、162延伸以与安装件130相配合。侧壁166可以以本发明中所描述的任何方式联接到安装件130。通过这种方式，第二部分162可以承受故障(failure)、例如裂痕，从而指示相比内部结构102(和第一部分160)较早的腐蚀。此外，部分160、162可以提供另一种机构，以向测试帽120施加比施加于内部结构102更大的应力。例如，可以通过第一部分160在测试帽120的中心处对其硬化，以提供径向“波纹管(bellows)”，施加未被应用于内部结构102的拉伸弯曲应力。此外，部分160、162可以有助于保持测试帽120不被分解或断裂，以免使得其一部分进入操作环境中，从而可能造成额外的损坏。在图2中以剖面示出并且图4中以平面图示出的备选实施例中，当额外应力不能借助于部分160、162保证时，测试帽120可以具有基本均匀的厚度，即部分160、162均具有相同的厚度。

进一步关于测试帽120的形状，如图1和图2中所示，测试帽120可以包括暴露于操作环境108的平面表面170。在理想情况下，测试帽120和平面表面170以与内部结构102基本相同的方式(例如气流路径的接近角、温度、压力、湿度等)暴露于操作环境108。在一个例子中，平面表面170可以与限定操作环境108的机器的部分(例如壳体106)的内部表面110、172共面。在备选实施例中，如图2中所示，平面表面170可以延伸到超过内部表面110的操作环境108中。可能还期望平面表面170处于多种其它的位置处，例如略微位于内部表面110(未示出)内、成角度等。如果需要的话，测试帽120还可以具有成形为模仿内部结构102的表面。尽管图示为具有基本圆形的平面图形状，但是应当理解，测试帽120和开口132不必在所有的情况下都成圆形。

本发明中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的并且不期望对本发明构成限制。当在本发明中使用时，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，当本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，特别指存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件，但是不排除存在或另有一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或其组。

所附权利要求中所述的相应的内部结构、材料、动作、以及所有的方法或步骤加功能元件的等同形式都旨在包括用于结合如具体要求保护的其它要求保护的元件组合来执行功能的任何内部结构、材料、或动作。对本发明的描述是为了说明和描述的目的，但是不旨在穷尽或者将本发明限制于所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，多种改型和变型对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。实施例被选择和描述成以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域其他的普通技术人员能够理解，对具有多个改型的各个实施例的公开适用于能够构想的特定使用。

Claims (10)

1.一种用于机器的内部结构的腐蚀传感器，所述腐蚀传感器包括：

测试帽，所述测试帽具有被配置成由于腐蚀性影响而比所述内部结构的材料更快出现故障的材料和几何形状中的至少一种；

安装件，所述安装件用于将所述测试帽固定就位在开口中，所述开口位于所述机器暴露在至少类似于所述内部结构的操作环境的操作环境的部分中；和

室，所述室邻近所述测试帽并且位于所述测试帽和所述安装件中的至少一个中，

其中由所述测试帽的故障造成的所述室中的环境变化指示超过腐蚀阈值。

2.根据权利要求1所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述安装件联接到所述测试帽以通过螺纹将所述测试帽固定就位在开口中，其中所述安装件将所述测试帽定位在使得所述测试帽暴露于比所述内部结构更大的应力下的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述测试帽包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分具有比所述第二部分大的厚度，所述第二部分包绕所述第一部分。

4.根据权利要求1或2所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述材料和所述几何形状中的至少一个被选择成基于期望的腐蚀性影响在所述测试帽的故障和所述内部结构的故障之间产生预定的时间间隔。

5.根据权利要求1或2所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述测试帽包括暴露于所述操作环境的平面表面，所述平面表面与限定所述操作环境的所述机器的部分的内部表面共面。

6.根据权利要求1或2所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述腐蚀传感器还包括环境变化传感器，所述环境变化传感器被配置成识别指示超过所述腐蚀阈值的环境变化。

7.根据权利要求6所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的热电偶，其中所述环境变化包括由所述热电偶测量到的温度的变化。

8.根据权利要求6所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述环境变化传感器包括与所述室可操作地联接的压力传感器，其中所述环境变化包括由所述压力传感器测量到的压力的变化。

9.根据权利要求6所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述环境变化传感器包括电子量表，所述电子量表测量跨过所述测试帽的选定电气参数，其中所述环境变化包括所述选定电气参数的变化。

10.根据权利要求1所述的腐蚀传感器，其特征在于，所述安装件将所述测试帽定位在使得所述测试帽暴露于比所述内部结构更大的应力下的位置处，所述开口的尺寸小于所述测试帽使得所述测试帽暴露于比所述内部结构更大的应力下。