CN113324855B - 一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气轮机燃烧室隔热瓦块使用性能的定量无损检测方法。通过对相同砖型瓦块整砖弹性模量示值E’和该瓦块真实弹性模量值E的测试以及二者之间的相关性拟合，在不破坏隔热瓦块结构的情况下可由整砖的弹性模量示值E’推测材料的弹性模量值E，利用使用性能与弹性模量E之间的关系，获得具有合适使用性能隔热瓦块的E’数值范围。采用本方法可以快速、无损、定量的评价耐火制品的性能。

Description

一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法

技术领域

本发明涉及一种耐火材料检测方法，特别涉及一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块的定量无损测试方法。

背景技术

燃气轮机可广泛应用于电力、船舶、航空等众多领域，特别是在能源电力工业中发挥着不可或缺的作用。在燃气轮机运行的过程中，燃烧室发挥着十分重要的作用，它是整个燃气轮机所有部件中运行温度最高的一个，工作环境及其苛刻。在燃烧室内部，温度超过1500~1600℃，因此必须使用耐火隔热瓦块来抵挡高温和化学腐蚀，耐火隔热瓦块通过金属支撑件固定在燃烧室的金属壳体上，为了保护金属支撑件及金属壳体，在耐火隔热瓦块的背面设置有空气冷却系统。耐火隔热瓦块的厚度约40mm，在燃烧室正常工作时，其工作面与背衬面的温差高达1000℃。因此，在使用过程中，耐火隔热瓦块不仅要承受长时间的高温、腐蚀，还需要承受温度梯度带来的巨大热应力和高温气流的冲刷。如果燃烧室众多隔热瓦块中有一块因为质量问题出现局部剥落，剥落部分将会在高速气流作用下对涡轮引起非常严重的损坏，导致巨大的损失。因此，隔热瓦块需不仅要具有优异的性能并且不同瓦块的性能要求非常稳定。目前该瓦块性能指标的测试都是破坏性的，抽样检测的结果不能完全代表到每一块瓦块砖。基于隔热瓦块的应用现状，如果能够在使用前对所有隔热瓦块进行性能及稳定性的无损检测，就可以避免因为耐火材料的性能稳定性原因而导致损失，这将是非常有益的。

当前耐火材料的无损检测方法主要有超声波法、回声锤法、X射线法等，这些方法一般只能定性的判断材料内部是否有缺陷，很难用来判断材料的性能优劣。同时，由于耐火材料属于非均一体，结构复杂，其内部含有大量的颗粒、气孔和微裂纹等缺陷，具有颗粒粗、界面多、声衰减大、密度不均匀等特点，耐火材料的内部结构特点导致现有的无损检测方法在缺陷的定性判断上也存在较大的偏差。专利CN 101609067A（一种耐火砖内部缺陷无损量化检测方法及装置）中通过利用超声波的音频信号比较可以判断耐火转内部是否存在缺陷，并通过音频数值来定量比较耐火砖的缺陷，但这种音频数值并未与实际性能对应起来，所谓的定量比较并没有实际意义，因此，该方法无法对耐火砖性能进行定量表征。同时该方法的测试受耐火砖的形状和尺寸所限。

弹性模量又称杨氏模量，它是无机材料的一种最重要、最具特征的力学参数，是物体弹性变形难易程度的表征。已有大量文献表明，相同材质耐火材料的弹性模量与其力学性能有非常好的相关性，同时，也能直接参与表征材料的热震稳定性性能。另外弹性模量的测试（GB/T 30758-2014, 耐火材料动态杨氏模量试验方法（脉冲激振法））具有操作简便、无损测量等优点，因此可以利用弹性模量来定量、无损的评价隔热瓦块的关键使用性能（热震稳定性能）及性能的稳定性。但当前耐火材料弹性模量测试的标准中对测试试样有明确的限制和要求（形状：长条状；测试样品长度为65～250mm，宽度为20～80mm，长度/厚度>3.5），虽然弹性模量测试过程对测试样品是无损的，但制备成标准的测试样品对耐火材料产品而言是破坏性的。因此，在耐火材料领域，现在尚未形成针对耐火材料整砖产品进行弹性模量的无损测试方法，从而也无法利用弹性模量来定量、无损的评价耐火材料的性能和稳定性，尤其是异形、结构复杂的隔热瓦块产品。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块的定量无损测试方法。

本发明为完成上述目的采用如下技术方案：

一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块的定量无损测试方法该方法由以下技术要点及步骤来实现：

S1:选择相同砖型的燃烧室用隔热瓦块，利用HEMT弹性模量测量仪测试其弹性模量示值；同时该过程可以直接看到所测试试样的频谱图，从而判定是否存在缺陷；若该实验用隔热瓦块存在缺陷，需要再次选择，直至选择没有缺陷的隔热瓦块，对于没有缺陷的隔热瓦块进行多个振动激发点采集多个弹性模量示值E’，并选用频率波动较稳定的两个振动激发点的弹性模量示值E’记录下来；

S2: 将步骤S1所测试的隔热瓦块进行破坏性制样，制备成多个具有标准测试形状的长条状试样，使用HEMT弹性模量测量仪测试多个试样的弹性模量标准值，记为E；

S3:通过测试，拟合出相同砖型隔热瓦块整砖弹性模量无损测量示值E’与其真实值E的相关关系式，对于燃气轮机燃烧室用隔热瓦块，经测试拟合后的关系式为：

；

S4:得到弹性模量无损测量示值E’与其真实值E的相关关系式后，对于相同砖型的燃气轮机燃烧室用隔热瓦块，利用已知的瓦块关键使用性能，即抗折强度、热震稳定性能和弹性模量真实值E之间的关系，将其带入E’与E的相关关系式中，通过无损测试的 E’数值定量的判断隔热瓦块的性能优劣；

材料理论断裂强度

与弹性模量E的正比例相关关系式，式中，rs为表面断裂能，c为裂纹长度：

经实际测试，所获得的隔热瓦块真实弹性模量E与抗折强度

的关系式为：

；

由此可以得出

，从而可用整砖的E’值来无损的定量表征隔热瓦块的抗折强度；

材料的热应力断裂抵抗因子R与弹性模量E的关系，R数值越大，材料的热震稳定性能越好。式中，

为泊松比，瓦块材料取值范围在0.15~0.2；

为热膨胀系数，同一材质其为固定值；

。

在S4步骤中通过瓦块的性能要求指标，反推出符合性能要求的E’数值范围，通过E’数值范围来无损的定量判断瓦块的性能优劣，并定量的比较相同砖型瓦块性的稳定性。

S1、S2步骤中弹性模量的测试数值通过脉冲激振法获得，对于复杂形状瓦块的振动激发点和音频接收点需要通过测试比较进行选择，选择后需要对相同砖型瓦块的振动激发点和音频接收点进行固定所述S1测试过程，对于相同砖型瓦块，输入相同的长度、宽度、高度及质量参数，由于隔热瓦块的形状复杂，长度、宽度、高度等参数可取近似值。根据弹性模量测试原理知识，当在试样中心位置施加机械力作用后，中心位置和试样的端部为反节点位置，此处试样振幅最大，可分别为非接触测量时的振动激发点和频率采集点。对于相同砖型的E’数值测量中选取相同的振动激发点和频率采集点。

所述S4中已知的抗折强度或热震稳定性能与弹性模量真实值E之间的关系，也可以通过对步骤S2无损测试后的标准样条进行破坏性的抗折强度和热震稳定性能测试获得。

本方案基于：利用隔热瓦块的使用性能与其弹性模量E的相关性，以及弹性模量E与整砖弹性模量示值E’的相关性，通过对E’的实际无损测试，表征隔热瓦块的关键使用性能是否合格，并通过对相同砖型E’数值的比较，定量的判断相同砖型隔热瓦块的性能稳定性。

通过本方案，可以快速、无损、定量的判断隔热瓦块的使用性能、性能稳定性及是否存在内部缺陷，从而避免隔热瓦块在使用过程中因性能异常给燃气轮机造成的巨大损失。同时，本方案也为耐火材料性能的整砖无损测试提供了新的方法，该方法同样适用于类似工况下的其他耐火制品，如作为窑具材料使用的推板等。

附图说明

图1为某砖型隔热瓦块的三维图。

图2 、图3为某砖型隔热瓦块弹性模量示值测试过程中的频谱图。

具体实施方式

以某砖型隔热瓦块为例（如图1），使用HEMT型号弹性模量测量仪，测量并输入该砖型瓦块的质量、长度、宽度、高度数值等参数，振动激发点选择对角线中心的8位置处，频率采集点选择0~7位置。选择相同砖型的隔热瓦块，不同频率采集点的数据见表1。通过统计比较，发现当振动激发点为8位置，采集点为1或5位置时，瓦块的评论一致且稳定性最好，其他测试点的频率波动较大，因此，针对该砖型瓦块，以1或5为接收点时测量弹性模量示值E’为准,数值见表2。

表1 相同砖型隔热瓦块不同频率采集点的数据统计。

将9块瓦块破坏，每块瓦块上制取3根25 X 25 X 150mm尺寸的标准测试样条，将样条烘干后进行瓦块弹性模量真实值E的测试，以3根样条的平均值作为E值，见表2。

表2整砖与标准试样弹性模量值对比表。

将整砖和标准试样测试结果进行拟合计算，所得拟合关系式为

。从拟合结果来看，二者呈线性相关，相关系数高达0.996。随机抽选该型号瓦块对拟合结果进行破坏性测试验证，所计算出的E值与测试出的E值误差在3%以内。

根据采购指标中对瓦块关键性能抗折强度和热震稳定性能的指标要求，以及已知的该材质瓦块抗折强度、热震稳定性能与其真实弹性模量E之间的关系,当弹性模量E在15～17GPa时，瓦块具有最好的使用性能。根据拟合关系式，此时瓦块的整砖弹性模量示值E’约为17～20GPa。因此，将该范围值作为该砖型隔热瓦块的性能筛选值，所筛选瓦块的E’值分布越集中，可反映瓦块的性能更接近，因此使用时的稳定性更好。

使用8位置为振动激发点，1或5位置为频率接收点进行整砖弹性模量值的批量测试，图2所示，为正常瓦块的频谱图，成主单峰分布，图3为内部具有缺陷的瓦块频谱图，呈多峰分布。因此，在测试过程中，可以通过频谱图快速、无损的判断瓦块是否存在内部缺陷。

Claims (4)

1.一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法，其特征在于：测试方法具体步骤如下：

S1:选择相同砖型的燃烧室用隔热瓦块，利用HEMT弹性模量测量仪测试其弹性模量示值；同时该过程可以直接看到所测试试样的频谱图，从而判定是否存在缺陷；若该实验用隔热瓦块存在缺陷，需要再次选择，直至选择没有缺陷的隔热瓦块，对于没有缺陷的隔热瓦块进行多个振动激发点采集多个弹性模量无损测量示值E’，并选用频率波动较稳定的两个振动激发点的弹性模量无损测量示值E’记录下来；

S2: 将步骤S1所测试的隔热瓦块进行破坏性制样，制备成多个具有标准测试形状的长条状试样，使用HEMT弹性模量测量仪测试多个试样的弹性模量示值，记为E；

S3:通过测试，拟合出相同砖型隔热瓦块整砖弹性模量无损测量示值E’与其弹性模量示值E的相关关系式，对于燃气轮机燃烧室用隔热瓦块，经测试拟合后的关系式为：

；

S4:得到弹性模量无损测量示值E’与其弹性模量示值E的相关关系式后，对于相同砖型的燃气轮机燃烧室用隔热瓦块，利用已知的瓦块关键使用性能，即抗折强度、热震稳定性能和弹性模量示值E之间的关系，将其带入弹性模量无损测量示值E’与弹性模量示值E的相关关系式中，通过无损测试的弹性模量无损测量示值 E’数值定量的判断隔热瓦块的性能优劣；

材料理论断裂强度

与弹性模量示值E的正比例相关关系式，式中，rs为表面断裂能，c为裂纹长度：

经实际测试，所获得的隔热瓦块弹性模量示值E与抗折强度

_F的关系式为：E=1801.78

_F +2.04071；

由此可以得出

，从而可用整砖的弹性模量无损测量示值E’值来无损的定量表征隔热瓦块的抗折强度；

材料的热应力断裂抵抗因子R与弹性模量示值E的关系，R数值越大，材料的热震稳定性能越好；式中，

为泊松比，瓦块材料取值范围在0.15~0.2；

为热膨胀系数，同一材质其为固定值；

。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法，其特征在于：在S1步骤弹性模量无损测量示值E’测试过程中，通过频谱图判断隔热瓦块内部是否存在缺陷。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法，其特征在于：在S4步骤中通过瓦块的性能要求指标，反推出符合性能要求的弹性模量无损测量示值E’数值范围，通过弹性模量无损测量示值E’数值范围来无损的定量判断瓦块的性能优劣，并定量的比较相同砖型瓦块性能的稳定性。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室用隔热瓦块性能的定量无损测试方法，其特征在于：S1、S2步骤中弹性模量的测试数值通过脉冲激振法获得，对于复杂形状瓦块的振动激发点和音频接收点需要通过测试比较进行选择，选择后需要对相同砖型瓦块的振动激发点和音频接收点进行固定。

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