CN205506757U - 一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，包括发射探头和接收探头，发射探头上设置有多个声束发射阵元，接收探头上对应设置有多个声束接收阵元，发射探头和接收探头布置在锅炉管待检部位的外壁。本实用新型测量装置体积小，易于携带，对现场检测空间要求低，且该装置操作简单，不受锅炉管的材质、锅炉管有无磁性的限制，现场工作方便，提高了现场锅炉管内氧化皮沉积量的检测效率，为电厂锅炉的正常运行提供了安全保障。

Description

一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置

【技术领域】

本实用新型属于无损检测技术领域，具体涉及一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置。

【背景技术】

火力发电站机组长期在高温环境中运行，高温锅炉管由于承受着较高压力且运行温度在蠕变温度范围内，在锅炉管投入使用后，锅炉管内壁在过热蒸汽混合物环境中会迅速被氧化。同时，在超高温、温度波动较大或压力波动较大的条件下，锅炉管内壁表面氧化会形成多层结构的膜，这种多层膜一方面极大加快了氧化速率，另一方面阻隔了管内介质与管壁的热量交换，导致管壁温度进一步升高，界面反应速率随之加快，极大加速了内管壁的进一步氧化，通常，称这种多层膜结构为氧化皮。另外，在锅炉启停的过程中，温度的变化所诱发的热应力可能导致氧化皮的剥落，通常氧化皮在自身重力和管件震动的作用下剥落后较为平整的沉积于U型管的弯头处，造成堵塞，使管内水蒸气混合物的流量降低，导致管壁温度异常升高，堵塞严重时可导致锅炉管爆裂。

目前，为了预防锅炉管因氧化皮剥落堆积阻塞而导致的爆管事故，国内外常用的无损检测装置有以下几种：

(1)微波诊断技术

微波频率比超声波高，分辨力高，但微波在金属表面会发生全反射，适合于非金属材料渗透测厚，金属测厚是通过混合三通把相同两种微波在被检金属正反两个方向同时反射，最后根据检测到的相位不同来确定试件厚度，不适用于从管子外壁检测锅炉管内壁氧化皮厚度及剥落情况。

(2)涡流检测技术

涡流检测技术应用广泛，是检验管子表面和近表面缺陷的一种探伤装置，但用外套式或点式探头去测量内壁氧化皮厚度，灵敏度无法保证，各种干扰信号难于分析，所以涡流检测不适用于锅炉管内壁氧化皮厚度测量及剥落情况。此外，涡流检测氧化皮是利用电磁感应原理，对于无磁性的奥氏体不锈钢管件，可用此装置，而对于其它有磁性的管件，由于氧化皮和管件都具有磁性使得利用涡流检测氧化皮的装置受到限制。

(3)X射线、工业CT检测技术

射线技术近年来有很大发展，已研制出用拍片方式检测钢管内壁氧化皮厚度及剥落情况，但当氧化皮较薄时，难于精确测量。除此之外，仪器价格昂贵，仪器体积大，受现场条件影响大，不易实现，工作效率低；射线辐射对人体有损害，使得射线检测受到一定限制。

基于上述常用检测手段存在的缺陷，中国专利文献CN104792876A公开了“一种锅炉管内壁氧化层剥落的无损检测装置”，该装置通过采用高频超声波，利用高频超声波经检测点内壁氧化层的内表面及金属层内表面反射后经示波器显示出来，再通过示波器得到的反射回来的两个高频超声波的时间差，根据时间差得到检测点内壁氧化层的厚度，从而判断锅炉管内壁氧化层是否剥落。

上述检测装置通过判断锅炉管内壁氧化皮的剥落情况，能够从一定程度上防范氧化皮脱落堵塞引起的爆管事故，但不能精准地判断剥落后沉积于U型管内的氧化皮的沉积量，无法准确预估锅炉管的寿命。

【实用新型内容】

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种锅炉管内氧化皮沉积量的测量装置，能够准确测量锅炉管内氧化皮的沉积量，为电厂锅炉管安全运行提供准确、可靠的数据。

本实用新型采用以下技术方案：

一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，包括发射探头和接收探头，所述发射探头上设置有多个声束发射阵元，所述接收探头上对应设置有多个声束接收阵元，所述发射探头和接收探头布置在锅炉管待检部位的外壁。

进一步地，所述发射探头和接收探头均设置有与所述锅炉管外壁相贴合的凹弧面，所述声束发射阵元和声束接收阵元分别设置在所述凹弧面内。

进一步地，多个所述声束发射阵元构成的弧线长度及多个所述声束接收阵元构成的弧线长度均不大于待测锅炉管外壁圆周长的四分之一。

进一步地，每个所述声束发射阵元与每个所述声束接收阵元沿所述锅炉管的待检部位截面圆心对称设置。

进一步地，所述声束发射阵元与所述声束接收阵元的数量相等。

进一步地，相邻声束发射阵元之间的间距与相邻声束接收阵元之间的间距相等。

进一步地，相邻声束发射阵元及相邻声束接收阵元之间的间距均为1.5mm～2mm。

进一步地，所述发射探头和接收探头均为相控阵探头。

进一步地，所述发射探头和接收探头发射和接收超声波的频率大于2MHz。

进一步地，所述发射探头中第一个声束发射阵元发出的超声波与水平方向垂直。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型测量装置在锅炉管待测部位的外壁安装发射探头和接收接头，发射探头和接收探头分别设置有发射阵元和接收阵元，通过接收探头接收到的超声波测量氧化皮的沉积厚度。整体装置体积小，易于携带，对现场检测空间要求低，且该装置操作简单，不受锅炉管的材质、锅炉管有无磁性的限制，现场工作方便，提高了现场锅炉管内氧化皮沉积量的检测效率，为电厂锅炉的正常运行提供了安全保障。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本实用新型第一实施例结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例结构示意图。

其中：1.锅炉管；2.发射探头；3.声束发射阵元；4.接收探头；5.声束接收阵元；6.氧化皮。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，为本实用新型专利的第一实施例。

本实用新型提供了一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，包括测量单元和计算单元，测量单元包括对称设置于锅炉管1待检部位外壁的发射探头2和接收探头4，发射探头2上设置有多个声束发射阵元3，接收探头4上对应设置有多个声束接收阵元5，发射探头2连接至计算单元用于计算沉积量，射探头2和接收探头4均为相控阵探头，频率大于2MHz，优选为5MHz。

发射探头2和接收探头均具有一能够与锅炉管外壁相贴合的凹弧面，超发射探头凹弧面内均匀布设有8个所述声束发射阵元3，接收探头凹弧面内均匀布设有8个所述声束接收阵元5，相邻声束发射阵元3之间的间距与相邻声束接收阵元5之间的间距相等，声束发射阵元3发射的超声波能够穿过锅炉管待检部位截面圆心I，且在没有氧化皮阻挡时被声束接收阵元一一对应接收。

利用该测量装置计算锅炉管内氧化皮沉积量时，通过直尺、卷尺等测量装置测量锅炉管1外弧面从铅垂方向顶点起到第一个声束发射阵元3之间的弧长为L1，接收探头4上接收到的首个超声波对应发射探头2上的声束发射阵元编号为N，相邻两声束发射阵元之间的间距为L2，由此可以计算出第一个声束发射阵元3到编号为N的声束发射阵元之间的弧长L3＝(N-1)L2，而锅炉管1外弧面从铅垂方向顶点起到超声波接收探头4接收到的首个超声波对应的编号为N的声束发射阵元的弧长L＝L1+L3＝L1+(N-1)L2。

接收探头接收到的首个超声波的声束与氧化皮表层过锅炉管截面圆心的法线所夹的圆心角：

$\mathrm{\α}=\frac{180L}{\mathrm{\π}R}$

氧化皮堆积高度：

H＝r×(1-cosα)

从而可以计算出锅炉管内氧化皮沉积量为：

$H\%=\frac{H}{2r}=\frac{1-cos\{180\[L1+(N-1)L2\]/\mathrm{\π}R\}}{2}$

其中，L为锅炉管外弧面从铅垂方向顶点到超声波接收探头接收到首个超声波的声束发射阵元之间的弧长；L2为相邻两声束发射阵元之间的间距；r为锅炉管1的内径；R为锅炉管的外圆半径；H％为锅炉管内氧化皮沉积高度占锅炉管内径的百分比。

请参阅图2所示，为本实用新型专利的第二实施例，其与第一实施例的区别为：声束发射阵元的数量和声束接收阵元的数量与第一实施例不同：发射探头凹弧面内均匀布设有32个声束发射阵元，接收探头凹弧面内均匀布设有32个声束接收阵元，且发射探头中第一个声束发射阵元3发出的超声波与水平方向垂直，相邻两声束发射阵元之间的间距L2与相邻两声束接收阵元之间的间距相等，32个声束发射阵元发射的超声波能够穿过所述锅炉管待检部位截面圆心I，且在没有氧化皮阻挡时被32个声束接收阵元一一对应接收。

利用该测量装置计算锅炉管内氧化皮沉积量的方法如下：由于该测量装置的多个声束发射阵元3构成的弧线长度及所述多个声束接收阵元5构成的弧线长度均为所述锅炉管外圆周长的四分之一，规定发射探头的第一个发射阵元的圆心角为0°，第三十二个发射阵元的角度为90°，故1～32号阵元将90°分为31等分，相邻两阵元发射的超声波之间的圆心角为(90/31)°。由几何方法知：

接收探头接收到的首个超声波的声束与氧化皮表层过锅炉管截面圆心的法线所夹的圆心角：

$\mathrm{\α}=\frac{90}{31}\×(N-1)$

氧化皮堆积高度：

H＝r×(1-cosα)

从而可以计算出锅炉管内氧化皮沉积量为：

$H\%=\frac{H}{2r}=\frac{1-cos\[90(N-1)/31\]}{2}$

其中，H％为锅炉管内氧化皮沉积高度占锅炉管内径的百分比。

该实施方式中，接收探头接收到的首个超声波的声束发射阵元编号N为17，从而可以计算出锅炉管内氧化皮沉积量为：

$H\%=\frac{1-cos(1440/31)}{2}\≈15.6\%$

以上内容是结合优选的实施方式对本实用新型作出的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式均应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：包括发射探头(2)和接收探头(4)，所述发射探头(2)上设置有多个声束发射阵元(3)，所述接收探头(4)上对应设置有多个声束接收阵元(5)，所述发射探头(2)和接收探头(4)布置在锅炉管待检部位的外壁。

2.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：所述发射探头(2)和接收探头(4)均设置有与所述锅炉管(1)外壁相贴合的凹弧面，所述声束发射阵元(3)和声束接收阵元(5)分别设置在所述凹弧面内。

3.根据权利要求2所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：多个所述声束发射阵元(3)构成的弧线长度及多个所述声束接收阵元(5)构成的弧线长度均不大于待测锅炉管(1)外壁圆周长的四分之一。

4.根据权利要求2所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：每个所述声束发射阵元(3)与每个所述声束接收阵元(5)沿所述锅炉管(1)的待检部位截面圆心(I)对称设置。

5.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：所述声束发射阵元(3)与所述声束接收阵元(5)的数量相等。

6.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：相邻声束发射阵元(3)之间的间距与相邻声束接收阵元(5)之间的间距相等。

7.根据权利要求1或6所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：相邻声束发射阵元(3)及相邻声束接收阵元(5)之间的间距均为1.5mm～2mm。

8.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：所述发射探头(2)和接收探头(4)均为相控阵探头。

9.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：所述发射探头(2)和接收探头(4)发射和接收超声波的频率大于2MHz。

10.根据权利要求1所述的一种锅炉管内氧化皮沉积量测量装置，其特征在于：所述发射探头(2)中第一个声束发射阵元(3)发出的超声波与水平方向垂直。