CN114544028A - 基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，涉及温度监控领域，包括利用光纤温度传感器获取工件温度信息，将工件温度信息传输至热处理主机，通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，建立异常升温特征数据库，在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能；本发明将过去单点测温升级为全面覆盖、温度场测量，测量范围覆盖广，防止漏件，消除监控盲区，及时发现欠温超温区域，为更加有效的进行应对处理提供依据，大幅提高工件区域控温精度；并通过全过程记录温度场、实际升降温曲线、电缆电压、电流参数、各项操作数据，绘制温度曲线进行智能对比识别，从而实现远程热处理状态监控，集中管理，故障追溯，应急终止。
Description
技术领域
本发明涉及温度监控技术领域，尤其涉及基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法。
背景技术
热处理是一种有效消除焊接应力、改善金属组织新能的工艺方法，热处理形式多种多样，但是能够用于工程现场焊后热处理的主要有高温回火、后热处理两种。焊后硬度检测是衡量热处理质量的重要指标之一，焊态工件焊缝硬度值较高，工件残余应力较高。
然而，实际操作过程中由于加热片质量、保温棉差异、人工操作手法等因素，导致被处理工件受热不均、散热不均，但受限于现有仪器控温、监温测点数量不足、检测区域代表性不足且无法智能监控，最终可能出现工作局部超温、欠温现象的发生，导致热处理工艺失败；并由于热处理机与热处理工件所处环境温度不同，环境温度补偿不同，最终导致热处理检测到的温度与工件处测温出现偏差；热电偶出现异常时，常规热处理机无法自动识别，做出保护动作。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在无法对工件实现多点测温，测温数据存在偏差，以及难以对异常状态自动识别的缺点，而提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，步骤如下：
S1、利用光纤温度传感器获取工件温度信息；
S2、将工件温度信息传输至热处理主机；
S3、通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控；
S4、在热处理机内部建立异常升温特征数据库；
S5、在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能。
优选地，所述利用光纤温度传感器获取工件温度信息，具体包括：
将光纤缠绕在工件表面记录下光纤标尺在管道表面的分布位置，得出光纤标尺上各点的温度值，即网格化的温度场分布图。
优选地，所述将工件温度信息传输至热处理主机，具体包括：
采用低延时的无线5G数据传输方式，将光纤解调器数据传输至热处理综合数据分析主机。
优选地，所述通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控，具体包括：
设置目标温度和升温时间，根据目标温度与实际温度差值，绘制热处理热循环温度曲线，当差值接近0时，则停止加热。
优选地，所述建立异常升温特征数据库，具体包括：
通过记录不同的热处理工况，收集升、降温与电缆功率的跟随情况，以此建立特征数据库。
优选地，所述在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能，具体包括：
预设热循环温度和时间的曲线，并设定偏差阈值及延时时间，将实际温度偏差及延时时间与选定的偏差阈值及延时时间进行对比，当出现偏差时及时进行判断、警示以及停止热处理机转运。
优选地，该方法包括温度监控系统，所述温度监控系统，包括：
温度获取模块：用于利用光纤温度传感器获取工件温度信息；
信息传输模块：用于将工件温度信息传输至热处理主机；
温度调控模块：用于通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控；
特征数据模块：用于建立异常升温特征数据库；
预警停运模块：用于在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能。
优选地，所述温度调控模块还包括：
温度设定子模块：用于设置目标温度和升温时间；
温度调控子模块：用于根据目标温度与实际温度差值，调整热处理机动力电缆电压、电流参数和热处理功率；
恒温停运子模块：用于当目标温度与实际温度差值接近0时，向热处理机发布停止加热指令。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明通过将过去单点测温升级为全面覆盖、温度场测量，测量范围覆盖广，防止漏件，消除监控盲区，及时发现欠温超温区域，分布情况，为更加有效的进行应对处理提供依据；且利用多点测温，大幅提高工件区域控温精度。
2、本发明通过全过程记录温度场、实际升降温曲线、电缆电压、电流参数、各项操作等数据，并绘制温度曲线进行智能对比、识别，异常报警，以备事故追溯，从而实现远程热处理状态监控，集中管理，故障追溯，应急终止。
附图说明
图1为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤流程示意图；
图2为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的预警、停运判定流程示意图；
图3为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的工作原理示意图；
图4为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的热循环温度曲线示意图；
图5为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的升降温示意图；传统工件的升降温温度测量采取K型热电偶进行局部点测量
图6为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的光纤测温原理示意图；
图7为本发明提出的传统工件的升降温局部点测量示意图；
图8为本发明提出的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的升降温面测量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图6，基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，步骤如下：
S1、利用光纤温度传感器获取工件温度信息，具体包括：
具体地，将带有标尺的光纤均匀缠绕在工件表面，并记录下光纤标尺在管道表面的分布位置；光纤温度传感器内部的光栅测温模块将会感应温度变化情况，并通过成熟的光纤解调器技术转变为温度值，进而可以得出光纤标尺上各点的温度值，即网格化的温度场分布图。
S2、将工件温度信息传输至热处理主机，具体包括：
具体地，利用成熟的数据采集卡将K型热电偶测得的工件的温度数据进行收集，采用低延时的无线5G数据传输方式，将光纤解调器数据传输至热处理综合数据分析主机，确保热处理主机接收到的温度数值与工件实际温度保持同步、数值一致；
S3、通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控，具体包括：
具体地，设置目标温度T1,和升温时间t1；
设置目标温度T2和升温时间t2，其中当T2=T1时则为恒温；
设置目标温度T3和升温时间t3，其中当T3=T2则为恒温，T3＜T2则为降温，T3＞T2则为升温；
热处理机根据目标温度与实际温度差值，绘制热处理热循环温度曲线，并调整热处理机动力电缆电压、电流参数和热处理功率，当差值较大时增加电缆输出功率同时保证升温速率不超过设定值，当差值接近0时，则停止加热。
S4、在热处理机内部建立异常升温特征数据库，具体包括：
具体地，通过记录不同的热处理工况，收集升、降温与电缆功率的跟随情况，以此建立特征数据库，并将数据库信息储存在热处理机中；当开展一项热处理工作时，可输入对应工况将实际升降温情况与数据库进行对比、分析，当出现较大偏差时及时进行判断、警示；
其中，数据库记录特征值包括：工件材质、厚度、加热方式、升温降温速率和环境温度。
S5、在热处理机内部在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能，具体包括：
具体地，预设热循环温度和时间的曲线，并设定偏差阈值及延时时间，当开展一项热处理工作时，可根据部件厚度输入对应的监控数值，将实际温度偏差及延时时间与选定的偏差阈值及延时时间进行对比，当出现偏差时及时进行判断、警示以及停止热处理机转运。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明：
S1、利用光纤温度传感器获取工件温度信息，具体包括：
具体地，将带有标尺的光纤均匀缠绕在工件表面，并记录下光纤标尺在管道表面的分布位置；光纤温度传感器内部的光栅测温模块将会感应温度变化情况，并通过成熟的光纤解调器技术转变为温度值，进而可以得出光纤标尺上各点的温度值，即网格化的温度场分布图；随即通过将光纤标尺与工件相对位置进行标记记录，可以将网格化温度场与工件、控温加热片进行对应，以此可以选取控温加热片覆盖区温度测点最高点为控温温度值以指导区域加热片升降温；
其中，光纤温度传感器接收不同感温状态下的入射光脉冲以及拉曼散射光，以此通过分析拉曼散射光强度的分布情况，从而更有效的感应温度变化情况。
S2、将工件温度信息传输至热处理主机，具体包括，
传统热处理工艺，将工件热处理温度数据信息是通过金属补偿导线将工件上的K型热电偶与远方热处理主机进行有线连接读取实时温度数据；该项目用成熟的数据采集卡将K型热电偶测得的工件的温度数据进行收集，利用5G无线数据传输模块，将测得的数据传输至远方主机，解决有线连接多带来的各种弊端。由于5G数据传输具备低延时等特点，因此工件温度数据，与远方主机获取数据可以较好的保持一致，其精度完全可以满足热处理需要；
S3、通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控，具体包括：
具体地，设置目标温度T1,和升温时间t1；
设置目标温度T2和升温时间t2，其中当T2=T1时则为恒温；
设置目标温度T3和升温时间t3，其中当T3=T2则为恒温，T3＜T2则为降温，T3＞T2则为升温；
热处理机根据目标温度与实际温度差值，绘制热处理热循环温度曲线，并调整热处理机动力电缆电压、电流参数和热处理功率，当差值较大时增加电缆输出功率同时保证升温速率不超过设定值，当差值接近0时，则停止加热。
其中，升温速率、降温速率的控制要求如下：
具体地，采用柔性陶瓷电加热或远红外辐射加热时，焊接热处理升温速率、降温速率为6250/δ，单位为°C/h，其中δ坡口处焊件厚度；用中频感应加热时，焊接热处理升温速率为8000/δ，单位为°C/h,降温速率为6250/δ，单位为°C/h，其中升温、降温速率最大不大于300°C/h；当壁厚大于100mm时，升温速率、降温速率按60°C/h进行控制，300°C以下不控制升温和降温速率；
其中当管子外径不大于108mm且厚度不大于时，若采用感应加热或火焰加热，可不控制升温速度；对管座或返修焊件，应按主管的壁厚计算焊接热处理的升温速率、降温速率；
加热炉进行焊后热处理时，加热过程焊件应随炉升温，冷却过程焊件应随炉降温，直到300°C以下方可出炉冷却；
焊后热处理恒温过程中，恒温区任意两热温度显示数据的差值应符合规定的温度范围，且不超过50°C。
S4、建立异常升温特征数据库，具体如下：
通过热处理机记录不同的热处理工况，收集升、降温与电缆功率的跟随情况，以此建立热处理机特征数据库；当开展一项热处理工作时，可输入对应工况将实际升降温情况与数据库进行对比、分析，当出现较大偏差时及时进行判断、警示。
其中，数据库记录特征值包括：工件材质、厚度、加热方式、升温降温速率和环境温度；
特征值归类原则如下：
壁厚偏差处于同一范围；
其中，壁厚偏差分两种，工件厚度50mm及以上时，偏差在10mm以内；工件厚度小于50mm时，偏差在6mm以内；
同一种加热方式归为一类，如电加热、感应加热；
升、降温速率10℃/h以内；
环境温度偏差在5℃以内。
S5、在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能，具体如下：
预设热循环温度和时间的曲线，并设定偏差阈值及延时时间，阈值及延迟时间数据选定根据如下；
即当热处理部件厚度≥50mm时，偏差阈值选择10℃，延迟时间选择15秒，当热处理部件厚度≤50mm时，偏差阈值选择15℃，延迟时间选择10秒；
当开展一项热处理工作时，可根据部件厚度输入对应的监控数值，将实际温度偏差及延时时间与选定的偏差阈值及延时时间进行对比，当出现偏差时及时进行判断、警示以及停止热处理机转运。
参照图7、图8，发电厂核心部件主蒸汽管道为高合金、大口径、厚壁管道，其主蒸汽管道材质为SA335-P92,规格为D559*102mm，其对接焊缝为环形外径559mm，厚度102mm，宽度约50mm，其热处理加热宽度为600mm，加热面积π*D*宽度=1.05平方米，此加热区域最高升温温度达770℃；
传统工件的升降温温度测量采取K型热电偶进行局部点测量，测点分控温测点和监温测点，前者用于机器升降温控制，后者用于代表点温度监视，点的选取要求有一定代表性，以确保工件的热处理温度达到工艺要求水平，一方面可能出现控温测点温度与监温测点温度不一致，偏离工艺要求温度偏差范围，传统热处理设备是无法进行有效的预警提示，需要人工判断；另一方面，由于监温、控温测点数量限制，且为点测温，测量代表性不足，大量未监测到的区域，同样可能出现温度偏离工艺要求的情况，直接后果便是，工件局部热处理质量不达标，导致热处理失败；
而在本方法中，一方面，能够解决温度测量全面、准确的问题，
主要是通过光纤实现加热区域的多点测温、近似实现面测温，保证加热区域普遍都能监视到；另一方面，基于准确测温前提下，基于试验、经验数据，建立了壁温异常与实际效果的对比数据库，从而给出了热处理不同阶段温度异常预警阈值，将实际温度偏差及延时时间与选定的偏差阈值及延时时间进行对比，当出现偏差时及时进行判断、警示以及停止热处理机转运。
为了达到以上技术目的，本申请实施例还提出了一种温度监控系统；
温度监控系统，包括：
温度获取模块：用于利用光纤温度传感器获取工件温度信息；
信息传输模块：用于将工件温度信息传输至热处理主机；
温度调控模块：用于通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控；
特征数据模块：用于建立异常升温特征数据库；
预警停运模块：用于在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能。
其中，温度调控模块还包括：
温度设定子模块：用于设置目标温度和升温时间；
温度调控子模块：用于根据目标温度与实际温度差值，调整热处理机动力电缆电压、电流参数和热处理功率；
恒温停运子模块：用于当目标温度与实际温度差值接近0时，向热处理机发布停止加热指令。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机可读指令，处理器执行计算机可读指令时实现基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时实现基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，步骤如下：
利用光纤温度传感器获取工件温度信息；
将工件温度信息传输至热处理主机；
通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控；
在热处理主机内部建立异常升温特征数据库；
在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述利用光纤温度传感器获取工件温度信息，具体包括：
将光纤缠绕在工件表面记录下光纤标尺在管道表面的分布位置，得出光纤标尺上各点的温度值，即网格化的温度场分布图。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述将工件温度信息传输至热处理主机，具体包括：
采用低延时的无线5G数据传输方式，将光纤解调器数据传输至热处理综合数据分析主机。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述通过热处理机制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控，具体包括：
设置目标温度和升温时间，根据目标温度与实际温度差值，绘制热处理热循环温度曲线，当差值接近0时，则停止加热。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述建立异常升温特征数据库，具体包括：
通过记录不同的热处理工况，收集升、降温与电缆功率的跟随情况，以此建立特征数据库。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能，具体包括：
预设热循环温度和时间的曲线，并设定偏差阈值及延时时间，将实际温度偏差及延时时间与选定的偏差阈值及延时时间进行对比，当出现偏差时及时进行判断、警示以及停止热处理机转运。
7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，该方法包括温度监控系统，其特征在于，所述温度监控系统，包括：
温度获取模块：用于利用光纤温度传感器获取工件温度信息；
信息传输模块：用于将工件温度信息传输至热处理主机；
温度调控模块：用于制定热处理热循环温度曲线，并对温度进行调控；
特征数据模块：用于建立异常升温特征数据库；
预警停运模块：用于在热处理机内部建立超限故障预警和超限延迟停运热处理功能。
8.根据权利要求7所述的基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法，其特征在于，所述温度调控模块还包括：
温度设定子模块：用于设置目标温度和升温时间；
温度调控子模块：用于根据目标温度与实际温度差值，调整热处理机动力电缆电压、电流参数和热处理功率；
恒温停运子模块：用于当目标温度与实际温度差值接近0时，向热处理机发布停止加热指令。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如权利要求1至6中任一项所述基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述基于分布式光纤的管道热处理温度监控方法的步骤。
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