CN203337109U

CN203337109U - 基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置

Info

Publication number: CN203337109U
Application number: CN2013204168869U
Authority: CN
Inventors: 李宏强; 孙明成; 张超群; 韩德斌; 赵海; 徐昀
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Northeast Electric Power Research Institute Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Northeast Electric Power Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-07-15

Abstract

本实用新型涉及高温高压金属部件的准在线应变监测领域，尤其涉及一种利用白光散斑的相关技术，非接触、准在线监测电厂高温部件的应变的装置，包括定位基座（2）、应变传感器（3）、定焦距相机（4），本实用新型可以准确地监测电厂高温金属部件长期在高温下运行时的蠕变损伤情况，避免了因高温蠕变导致部件失效损坏而引发的生产事故。监测电厂高温金属部件蠕变应变的目的是为了对设备寿命进行评估，使用蠕变应变积累的实测值来进行寿命评估，就避免了过于保守的评估结果，延长设备使用寿命。电厂可以根据蠕变应变的结果决定设备大修的时间，以设备状态作为检修的依据，减少维修工作量及检修费用，提高电厂经济性。

Description

基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置

技术领域：

本实用新型涉及高温高压金属部件的准在线应变监测领域，尤其涉及一种利用白光散斑的相关技术，非接触、准在线监测电厂高温部件的应变的装置。

背景技术：

金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。对于一般金属，蠕变现象只有在高温条件下才明显表现出来。蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。碳钢在300～400℃时，在应力的作用下即能明显地出现蠕变现象。当温度在高于400℃时，即使应力不大，也要出现较大速率的蠕变。合金钢的温度超过400～450℃时，在一定的应力作用下，就会发生蠕变、温度愈高，蠕变现象愈明显。

电厂高温金属部件长期在高温下运行，材料的高温蠕变损伤是不可避免的问题，金属部件的蠕变损伤逐渐积累，导致高温金属部件不能无限寿命运行。图2是一条典型金属的蠕变曲线。蠕变曲线分为三个阶段。第一阶段的蠕变速率逐渐降低，这一阶段的时间较短；第二阶段的蠕变速率是恒定的，金属部件基本都运行于这一阶段；第三阶段的蠕变速率逐渐增大，处于加速蠕变阶段，在很短的时间内就会导致部件失效。

高温高压火电厂中产生蠕变的部件较多，如主蒸汽管道、锅炉联箱、汽水管通、高温紧固件、汽轮机汽缸等。由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。所以，对于长期运行的高温部件，要进行严格的蠕变监测。当然，一些部件在工作中出现一些塑性变形还是允许的，只要它们在整个工作期限内（例如10万小时），由于蠕变所累积的塑性变形量不超过允许值即可。例如，一般规定主蒸汽管道、高温蒸汽联箱10万小时运行后，总变形量不超过1%；汽轮机汽缸10万小时后的总变形量不超过0.1%；锅炉的合金钢过热器管和再热管，当蠕变胀粗大于2.5%时，需要更换；锅炉的碳钢过热器管和再热器管，当蠕变胀粗大于3.5%时，即行更换。

为了能准确地进行剩余寿命预测，必须采用材料的实际性能作为判断的依据，否则带来不安全的隐患。通常进行剩余寿命预测时，在无法确定材料实际性能的情况下，往往是根据材料的标准值或参考文献的数据，推算出材料性能的最低值进行估算。这样也可能导致过于保守的估计而不能充分发挥设备的潜力。例如要用材料的蠕变强度来做结构的寿命评估，通常把材料的蠕变强度的标准值降低20%作为其最低值。但如果有证据证明材料实际强度并没有降低20%，其蠕变寿命预测就可以增加一倍。如果改用蠕变应变积累的实测值来进行寿命评估，就避免了过于保守的评估结果。

现在国内电厂蠕变应变监测手段主要是测量管径和厚度的变化，但是测量管径和厚度的变化达不到应变监测的精度要求，因此DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》取消了对高温管道安装蠕变测点的强制性规定。

国外电厂采用高温应变片或者电容传感器等测量蠕变。高温应变片则受到高温胶的稳定性和应变片与被测材料热膨胀补偿的影响，测量结果带有许多不确定性。电容传感器在现场的安装和测量也有许多不便的地方，比如需要一条信号线。这两种方法，安装一个测点只能测量一个应变值。

测量应变还有一种非接触的光学的方法。用光学的方法测量位移和应变有基于光相位差分析的干涉法和基于光强度分析的非干涉法。属于前者的有散斑干涉法和云纹干涉法，属于后者的有散斑图像法和云纹法。激光是一种干涉光，激光全息和激光散斑技术测量位移和应变都有很高的精度，精度可以达到激光波长的数量级（十分之几微米）。但是激光使用的光源必须是高度相关的激光光源，微小的振动都会引起记录的失真，难于在工程现场应用。白光散斑使用普通的白光光源，具有和激光散斑几乎相同的功能，适于在工程现场应用。

实用新型专利内容：

本实用新型针对上述现有技术中存在的问题，提供一种利用白光散斑的相关技术，非接触、准在线监测电厂高温部件的应变的装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，包括定位基座、应变传感器、定焦距相机，定位基座焊接在管道上，应变传感器置于定位基座中心位置，同样焊接在管道上，定焦距相机固定在应变传感器正前方，镜头对准应变传感器拍照。

所述应变传感器为铂片制成。

所述应变传感器是通过点焊方式焊接在管道上。

所述定焦距相机为带远心镜头的定焦距相机。

所述定焦距相机通过定位销固定在定位基座上。

本实用新型的优点和有益效果为：

（1）可以准确地监测电厂高温金属部件长期在高温下运行时的蠕变损伤情况，避免了因高温蠕变导致部件失效损坏而引发的生产事故。

（2）监测电厂高温金属部件蠕变应变的目的是为了对设备寿命进行评估，使用蠕变应变积累的实测值来进行寿命评估，就避免了过于保守的评估结果，延长设备使用寿命。

（3）电厂可以根据蠕变应变的结果决定设备大修的时间，例如将大修的间隔从以往的两年改为四年，即以设备状态作为检修的依据，减少维修工作量及检修费用，提高电厂经济性。

附图说明：

图1为本实用新型测量电厂高温管道应变的装置示意图；

图2为典型金属的蠕变曲线图；

图3为散斑相关技术的原理示意图；

图4是主蒸汽管道沿X方向平均位移曲线；

图5是主蒸汽管道沿X方向平均应变曲线。

图中：1、电厂管道；2、定位基座；3、应变传感器；4、定焦距相机。

具体实施方式：

实施例1：

在某一电厂的主蒸汽管道上测量母材和焊缝的应变。主蒸汽管道的材料为12Cr1MoV，温度为540℃，压力为16MPa。

1、把0.1mm厚的铂片传感器3利用点焊机采用点焊的方式焊接在管道1上；

2、定位基座2为圆形金属中心有长方形通孔，将定位基座2同样点焊在管道1上，并使中心长方形通孔对准铂片传感器3中心位置使铂片传感器3露出；

3、定位基座2水平轴向两端各有一个菱形小孔，将带远心镜头的定焦距相机（4）通过定位销固定在定位基座（2）菱形小孔上；

4、利用带定位销的定焦距相机4对变形前后的铂片传感器3拍照；

5、利用计算机对变形前后的散斑图像进行处理获得整个区域的应变场。

从图4和图5可以看到焊缝应变的不均匀性，焊缝热影响区的应变远远大于母材的应变。

将散斑图像相关技术应用到工业现场中需要获得能够用于应变分析的散斑图像。被测量金属的表面的散斑特征不能因为氧化腐蚀而发生变化，解决金属表面在高温下的氧化一个的实用方法是在易氧化的金属表面焊接一层耐高温氧化的金属。铁基合金在500～600℃高温下会生成氧化皮，直接破坏金属表面的散斑；镍基合金在500～600℃高温下会变色发灰，影响散斑特征的识别；铂的延展性好，抗氧化性好，高温下颜色不发生变化，因此非常适合于焊接在基体金属表面，反映基体金属的高温应变。

用点焊机把铂片焊接到基体金属上面。点焊是焊件在接头处接触面的个别点上被焊接起来。点焊由于焊点间有一定的间距，所以只用于没有密封性要求的结构件的焊接。柱状电极紧压焊件并转动，配合脉冲式通电，就能形成一个个连续并重叠的焊点，形成焊缝，这就是缝焊或滚焊。它主要用于有密封要求或接头强度要求较高的薄板的焊接。把采用缝焊的方式把铂片焊接在基体金属，铂片和基体金属的结合面之间没有空隙，因此结合面不会和空气接触，当然也不会发生铂片从基体金属脱落的情况，焊接的可靠性很高。

点焊电极是保证点焊质量的重要零件，它的主要功能有：(1)向工件传导电流；(2)向工件传递压力；(3)迅速传导、散发焊接区的热量。

点焊的方式形成的热影响区极小，不会对基体金属造成伤害，因此在焊完铂片后也不需要对基体金属进行热处理等措施。

图像采集：优选采用定焦距相机加远心透镜。普通镜头用于测量会产生误差，视差和调焦不准是主要误差来源。物方远心透镜可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。物像双远心镜头具有大景深，而且在景深范围内物像倍率不变的特点。远心镜头的照明方法采用同轴照明。

本实用新型的工作原理为：

当一束平行光照射到一个粗糙的表面时，它的反射是不均匀的，由于光的不规则反射，在图像上就会出现一些明和暗的斑点，也就是散斑。这个记录下来的图像也就是这个粗糙的表面的光学指纹。在变形前和变形后进行两次照相，由于结构表面发生变形，散斑的图形也就发生了改变，如图3所示。把这两个散斑图像进行相关分析，就可以得到位移和应变的二维分布。

采用数码相机进行拍摄就直接得到了数码图像。当把两张图片输入到计算机之后，计算机软件就把图像重叠在相同的位置上，自动地进行散斑的相关分析。散斑相关技术的原理就是跟踪每个几何点在变形前和变形后的位移矢量。实际上，这可以通过跟踪每个散斑点在变形前和变形后的位移矢量来实现。因为两个图像都包含同样的散斑点，而这些散斑点就可视为试件表面的指纹，变形前后的试件表面的散斑图像被记录成两个数码图像，分别记为参考图像I₁(r)和当前图像I₂(r)，它们的关系为

I₂(r)= I₁[r-U(r)]

I₁(r)= I₂[r+U(r)]

这里U(r)是像素点r=(x,y) 的位移矢量。在参考图像的像素点周围画出一个子域，并与当前图像的不同的像素点按照预先定义的相关函数来计算两个子域的差值。这三个常用的相关函数是

绝对差值

最小二乘

交叉相关

这里Ω(M×N)是围绕像素点r的子域的面积。实际上，绝对差值和最小二乘的相关函数需要较少的计算，而标准的交叉相关函数则需要较大量的计算。基于这些相关函数，在当前的图像中找出某个相素点，该点能够使两个子域达到最好的匹配，也就是使相关函数获得最大值，这个相素点就记为O^’。当前图像的相素点O^’与参考图像的相素点O的位置差，就是参考图像的相素点O的位移矢量U(r)。计算机程序系统地对图像进行处理就可以获得整个区域的位移场。在位移场确定之后，就可以求得应变分布。

Claims

1.基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，其特征在于包括定位基座（2）、应变传感器（3）、定焦距相机（4），定位基座（2）焊接在管道（1）上，应变传感器（3）置于定位基座（2）中心位置，同样焊接在管道（1）上，定焦距相机（4）固定在应变传感器（3）正前方，镜头对准应变传感器（3）拍照。

2.根据权利要求1所述基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，其特征在于所述应变传感器（3）为铂片制成。

3.根据权利要求1所述基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，其特征在于所述应变传感器（3）是通过点焊方式焊接在管道（1）上。

4.根据权利要求1所述基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，其特征在于所述定焦距相机（4）为带远心镜头的定焦距相机。

5.根据权利要求1所述基于白光散斑技术测量电厂高温管道应变的装置，其特征在于所述定焦距相机（4）通过定位销固定在定位基座（2）上。