CZ156294A3

CZ156294A3 - Corrosion and a part material disintegration velocity in jet operation monitoring method and apparatus for making the same

Info

Publication number: CZ156294A3
Application number: CZ941562A
Authority: CZ
Inventors: Graham Anthony Whitlow; Suh Yong Lee; Patrick Jerome Gallagher; William Michael Cox; Wai Yeung Mok
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1996-02-14
Also published as: CZ291083B6; EP0643825A1; WO1994012862A1; JPH07502830A

Description

ZPŮSOB monitorování KOROZÍ ’-mKÍASE^A ZAŘÍZENÍ Kj£ PROVÁDĚNI TOHOTO íz|8sÓHJ

TTÍBftLOblast techniky ’— ° <c

Vynález se týká způsobu monitorování koroze v sysťemécft— o vysoké teplotě v reálném čase. Vynález se rovněž týká zařízení ke převádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Koroze je problém vyskytující se běžně při provozu spalovacích zařízení provozovaných při vysoké teplotě. Viz například publikaci G.A. Whitlow a spol.: On-line Materials Surveillance For Improved Reliability In Power Generation Systems, NACE 1991 Corrosion Conference, Paper 254. S ohledem na dobu, po kterou byly vyráběny boilery, by bylo možno očekávat, že problémy koroze byly účinně vyřešeny. Není tomu tak z důvodů mnoha Činitelů, které zahrnují plynulé zvyšování hodnoty návrhů a používání různých paliv. Meze pracovních materiálů jsou rychle dosaženy jestliže složení nebo teplota spalovaného plynu se může měnit mimo úzké provozní meze. Plynulá snaha o zlepšenou tepelnou účinnost vyžaduje stále vyšší teploty spalování a teploty páry se také stále zvyšují. Provozní meze dosažitelné v minulosti při dočasném překročení teploty plynu nebo paliva byly překonány když zlepšená řídicí technika umožnila udržovat boilery blíže u jejich krajních mezí. Protože stále je možnost zlepšení, mohou být provozní meze ve velkých moderních spalovacích zařízeních rychle překročeny. Výsledky mohou být zničující a ke předejití takovým událostem, je třeba vynaložit velké množství práce.

Obvyklý přístup k výběru materiálu spočívá na předešlých zkušenostech s podobnými systémy. Ve mnohých případech starší zařízení bylo menší, a pracovalo při nižších teplotách. Nová zařízení se typicky navrhují extrapolací ze předešlé zkušenosti. Nicméně mnohé činitele se změní když se zvětší výkon zařízení. Tak například napájecí systém navrhovaný pro moderní “jednoíku by měl být nastavitelný pro větší množství paliva a tvrdší ekologické podmínky. Nejvýznamnější je, že objem spalovací komory může vyžadovat zvětšení. To často způsobuje změnu závislosti proudění, plynu, zejména během období sníženého výkonu když je nutné vyrábět páru při poměrně stálém stupni

-2prehřátí. Změna vyzkoušené jednotky vytváří novou generaci problémů, které musí být řešeny. Instalace hořáků s nízkým obsahem NO ve spalinách ve stávajícím boileru může mít podobný

X účinek. Vystavené podmínky spalování mohou podporovat sulfidací stěn trubek, zničení nebo napadení roztavenou solí v zařízení, které dříve nejevilo žádné poškození. í, ^: Tradičné byly používány ..dva. způsoby bo je s_ těmito problémy. [ Nejjednodušší způsob je použití materiálu trubek s vyšší odolností vůči korozi..To je však nákladné a může vyžadovat vyřazení pro umožnění výměny trubek v peci. Alternativní způsob spočívá v pokusu o řízení prostředí spalování v rozsahu mezí právě používaného materiálu. Tento přístup je zajímavý, protože je méně nákladný, a když je úspěšný, nevyžaduje vyřazení za účelem výměny trubek. Je žádoucí lépe znát příčiny poruchy před určením alternativního materiálu, aby se předešlo divokým investicím při použití velmi nevhodné slitiny. Zkušenost ukázala, že levnější. materiály se ukázaly vhodnými- pro mnohem-tvrdší provozní . podmínky když byly použity.se zlepšeným řízením nebo se přísadami potlačujícími korozi.

Pro zjištování korozivity spalin se v normální praxi užívá kombinace prohlížení,.určení úbytku-hmotnosti a metalografie pro stanovení ochranných-opatření- a určení jejich účinnosti.

Taková inspekce často vyžaduje vyřazení boileru a metalografie může vyžadovat odebrání vzorku Části trubky. Žádný způsob není -uz.půs.o.he.n._k. zajištění okamžitého oznámený nebo oznámení v reálném Čase rychlosti, jakou se mění tlouštka stěny trubky za provozu.

Tato nevýhoda je nepřípustná ze dvou důvodů: předně, výsledkyjsou opožděné, takže zmenšování tlouštky stěny trubek může plynule pokračovat, a dále, protože výsledky vyžadují čas, aby byly dosažitelné, a je určena pouze střední hodnota korozivity systému. Účinky nepravidelných přechodných.podmínek, které způsobují největší část poškození, nejsou zřejmé a jejich příčiny tudíž nejsou vyloučeny. Obvyklý způsob volby a ocenění materiálů je tudíž výrazně omezen rozsahem, na který může ovlivnit návrh a provoz spalovacího zařízení, které mají být optimalizovány.

Moderní elektrochemické metody monitorování koroze používané pro nízké teploty, jsou popsány v patentovém spisu Spojeni ných států amerických číslo 4,575>679 a ve britském patentovém j spisu Číslo 2,118,3O9B, nejsou však použitelné v aplikacích /

-3pro vysoké teploty jako 29O°C a více.

Úkolem předloženého vynálezu je vytvořit způsob a zařízení pro monitorování koroze v systémech o vysoké teplotě v reálném čase pro teploty nad 29O°C pro zajištění plynulého oznamování rychlosti koroze nebo porušení a přechodná zvětšení rychlosti & porušení pro jeho přímé spojení s prostředím spalování vysky|í tujícím se v tomto čase a pro udržování změn rychlosti koroze * v mezích vymezených odolností použitého materiálu proti korozi.

Podstata vynálezu

Vynález řeší úkol tím, že vytváří způsob oznamování stavu materiálu a rychlosti rozkladu materiálu součásti ve proudovém procesu provozovaném při teplotě nad 29O°C, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje kroky:

opatření Čidla majícího množství navzájem vzdálených elektrod ze stejného materiálu jako je součást, oddělení elektrod elektrickými izolátory na vysokou teplotu, umístění čidla do zmíněného proudového procesu, udržování Čidla obecně na teplotě součásti, přijímání signálů z elektrod oznamujících alespoň jednu z množiny veličin zahrnující vazební proud, šum proudu, šum napětí a Šum odporu a monitorování oznamujících signálů pro vytvoření časových změn, které oznamují změny rychlosti znehodnocení součásti v reálném čase.

Vynález dále vytváří zařízení pro monitorování koroze při teplotách nad 290° C v reálném čase, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje tři elektrody oddělené vysokoteplotními izolátory a uložené v prostředí o vysoké teplotě, první smyčku spojující dvě z elektrod s měřidlem napětí uzpůsobeným k oznamování šumu napětí mezi zmíněnými dvěma elektrodami a druhou smyčku připojující třetí elektrodu k některé sousední elektrodě s ampérmetrem uzpůsobeným k oznamování šumu proudu mezi oběma takto zapojenými elektrodami.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je znázorněn na výkresech, kde obr.l je schematický pohled na čidlo použité pro určení koroze v zařízení prav cujícím při vysoké teplotě, v reálném čase, obr.2A-znázorňuje závislost odporu na čase, obr,25 znázorňuje odpor přenosu zá1 těže v závislosti na čase, obr.2C znázorňuje vazební proud

-4v závislosti na čase, obr,2D znázorňuje šum napětí'v závislosti na čase, obr.2E znázorňuje šum proudu v závislosti na Čase, v

obr.2F znázorňuje teplotu v závislosti na čase, obr,2 znázorňuje obvod koroze se připojeným zdrojem střídavého výkonu a obr,4 je schematický pohled na spalovnu pevného městského odpadu opatřenou vysokoteplotním čidlem koroze v reálném čase 4 řídicím systém vstřikování přísady potlačující korozi, ||

Příklad provedeni vynálezu

Na obr.1 je znázorněno čidlo 1, které je umístěno ve prostředí o vysoké teplotě pro získání oznámení o korozi v reálném Čase, Čidlo 1 obsahuje množství elektrod la, lb, lc, Id,

3e a 3f vyrobených ze stejného materiálu jako je materiál použitý ve procesu o vysoké teplotě, který probíhá při teplotě nad 29O°C, například materiál vnějšího povrchu trubek přehří- ' ’ ' ' vače v boileru, kde je koroze působena procesy jako je rozrušování roztavenou solí,. sulfidace při: vysoké teplotě, oxidace . a působení chloru nebo.chlorovodíku a jiné procesy, koroze při:, vysoké teplotě. Trubky přehřívače jsou užity jako příklad, avšak způsob podle vynálezu může být použit i pro jiné konvekČní úseky potrubí, radiační úseky stěn membránových.trubek, .součásti vysokoteplotních plynových turbin, zplynovací systémy, palivové články ohřívače v procesech chemické výrobya podobné, typy/ spalovacích a výrobních zařízení pro vysoké teploty. Elektrody 3a-3f jsou navzájem odděleny elektrickým izolačním materiálem £odolným’vůči teplotě. Vedení £ přenosů tepla nebo jiný prostředek přenosu tepla, je uspořádán, je-li to žádáno, pro udržování elektrod 3a-3f ne stejné teplotě kovu jako prvek procev su bud přiváděním nebo odváděním tepla Q pcdle požadavku*

Materiál z procesu tvoří nános d na elektrodách 3a-3f a produkty koroze p na povrchu elektrod 3a-3f. V jedné z elektrod,

3a je umístěn termočlánek 2 nebo jiný prvek pro měření teploty pro měření a dodávání signálu pro řízení teploty T elektrod 3a-3f. Dvě z elektrod, 3e a 3f mohou mít zdroj 11 střídavého elektrického proudu k nim připojený a tento obvod také obsahuje měřidlo 13 napětí a měřidlo 15 proudu.

Tři z elektrod, 3b, 3c a 3d jsou elektricky spojeny, aby tvořily dvě paralelní smyčky, přičemž jedna z elektrod, 3c í je společná oběma smyčkám. Jedna ze smyček obsahuje voltmetr 17, j

-5který oznamuje změny napětí nebo změny šumu napětí, V zatímco druhá smyčka obsahuje ampérmetr 1£, který oznamuje změny proudu nebo šum proudu, I_n, a ampérmetr 21, který oznamuje střední hodnotu proudu, I, ve smyčce. Tato oznámení proudu mohou pocházet z jediného ampérmetru, avšak jsou znázorněna dvěma různými ampérmetry nebo měřidly proudu. Rozličná oznámení mohou být v analogové nebo číslicové formě, takže mohcu být vysílána do počítače 23, který může provádět rozličné matematické operace s oznámenými hodnotami, aby je uvedl do formy snadno porovnatelné se dříve oznámenými hodnotami, takže změny oznámených hodnot se stanou zřejmými a mohou být určeny rychlosti koroze nebo změny rychlosti koroze v reálném čase.

Obr.3 znázorňuje náhradní obvod k obvodu spojujícímu elektrody 3e a 3f> kde výsledný odpor R_s, odpor korozivní sloučeniny, je část odporu náhradního obvodu a zahrnuje kapacitu elektrod a odpor pro přenos zátěže, R spolu se spojkou ředění,rW, když je zdroj 11 střídavého výkonu zařazen do obvodu. Výsledný odpor, R , znázorněný v obr.2A, je vynesen v závislosti na čase a je odváděn z čidla 1 umístěného v blízkosti trubek přehřívače boileru ohřívaného spalováním odpadu, kde kouřové plyny jsou vyvíjeny spalováním pevného městského odpadu. Zvětšování výsledného odporu mají obvykle vztah ke přístupu začátku koroze..

Sum napětí, V , je změna napětí oznamovaná voltmetrem 17 znázorněným v obr.l. Šum napětí je změna napětí vyvolaná elektrochemickou korozí elektrod 2 bez přivádění jakéhokoli výkonu z vnějšku k elektrodám 2· Obr.2D znázorňuje změnu šumu napětí v Čase. Zvětšování a zmenšování šumu napětí oznamují začátek koroze.

v

Sum proudu, I ,1 je změna proudu oznamovaná ampérmetrem 21 a je vyvíjena elektrochemickou korozí elektrod bez přiváděni jakéhokoli výkonu z vnějšku. 0br.2E znázorňuje šum proudu během delší časové periody. Zvětšení Šumu proudu, I , jsou závislá na zvětšení elektrochemické korozní aktivity (rychlosti) na povrchu prvků čidla 1.

v

Sum odporu, R , je hodnota odporu vypočítaná z Chmova zákona použitímsoučasných změn šumu napětí, V a šumu proudu, * ·*

Sum odporu, R_r je nepřímo úměrný rychlosti koroze v Čidlu 1 a dává informaci podobnou odporu přenosu zátěže nebo polarizačního odporu když elektrolyty jsou aktivním korozivním mechanismem

-6Zmenšení hodnoty šumu odporu, R_n, oznamuje zvětšení rychlosti koroze a to může být podle Faradayova zákona závislé na rychlosti ztráty kovu,_

Jeden nebo několik signálů oznamujících korozi může být využito ve spojení s provozními parametry jako je teplota, tlak, procentní podíl C^, CO nebo CO2, přímá analýza nebo jiné provozní parametry pro řízení procesu a tím udržování žádaných provozních parametrů ve přijatelných mezích v reálném čase, čímž se počítá s korozí v reálném čase a se přechodnými podmínkami, které způsobují největší podíl koroze. Takové řízení může reagovat na začátek koroze a zajistit zlepšení při řízení procesů při vysokých teplotách.

Na obr.4 je znázorněna spalovna 31 pevného městského odpadu,, ve které.se pevný městský.odpad,neba_jiný hořlavý materiál přivádí do otáčivé pece 33 a v ní spaluje. Produkty spalování proudí z otáčivé' pece. 33 do boileru 33 majícího .přehří.vač 37 · - . Produkty spalování proudící kolem, prehrívače 37 nejen že mají vysokou teplotu, ale často obsahují korozivní prvky způsobující, procesy jako rozrušení roztavenou solí, sulfidaci při vysoké teplotě, oxidaci a napadení chlorem nebo chlorovodíkem a jiné vysokoteplotní procesy. .

Provozní parametry jsou ovládány požadavky norem pro turbiny (neznázorněné) a místního znečistění.vzduchu, takže za účelem minimalizace koroze se ke spalitelnému pevnému odpadu '““přidávají “pří sady' pro“ po tl^:a'Čení^rkoro'ze' jako -dolomí 17 - vápno,.....vá--*’— penec, oxid hořečnatý nebo jiné korozi potlačující látky při vstupu do otáčivé pece 22· Přísady pro potlačení koroze se přivádějí do vstupního konce otáčivé pece 33 pneumatickým potrubím 39 majícím ventil 41 nebo jiný prostředek ovládající rychlost nebo množství přísad přiváděných do otáčivé pece 22- Ventil 41 je regulován údaji vyvíjenými čidlem 1.

Jeden nebo několik signálů oznamujících korozi může být využito počítačem 23 pro ovládání ventilu 41 a řízení množství nebo rychlosti přivádění přísad pro potlačení koroze do otáčivé pece 33 aby bylo zajištěno udržování koroze na velmi nízké úrovni s minimálním přiváděným množstvím přísad pro potlačování koroze. Přísady omezují účinnost jednotky, jsou drahé a zvyšují množství popela, takže udržování co možná nízkého přidávaného li množství přísad snižuje provozní náklady a chrání součásti proti korozi následkem vysoké teploty.

Podle jiného praktického provedení způsobu podle předloženého vynálezu může být monitorována koroze ve vodou chlazených a plynem chlazených jaderných reaktorech v reálném čase, & ve přímém provozu při teplotách 2SO°C a vyšších, nebo ve chla|| dicích okruzích jaderných reaktorech s tlakovou-vodou nebo při a teplotách 538°C nebo vyšších v jaderných reaktorech na vroucí vodu

Ačkoliv bylo popsáno přednostní převedení předloženého vynálezu, odborníkovi školenému v oboru bude zřejmé, že je možno provést řadu obměn, ani? by se vybočilo z rámce myšlenky vynálezu.

Claims

_1 . Způsob monitorování koroze_a rychlosti rozkladu ma-_ teriélu součásti ve proudovém procesu provozovaném při teplotě nad 2SO°C, vyznačující se tím, že obsahuje kroky: opatření čidle majícího množství, navzájem vzdálených elektrod ze stejného materiálu jako součást, oddělení elektrod elektrickými izolátory na vysokou teplotu, umístění čidla do zmíněného proudového procesu, udržování Čidla obecně na teplotě,součásti, přijímání signálů z- elektrod oznamujících alespoň jednu z množiny veličin zahrnující vazební proud, šum proudu, šum napětí a Šum odporu a monitorování oznamujících signálůprc vytvoření časových změn, které oznamují změny rychlosti znehodnocení součásti v reálném Čase.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, ze- obsahuje krok využití signálů šumu proudu a šumu napětí pro výpočet šumu odporu.
3, Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že přes dvě elektrody se přeloží střídavý signál pro určení jejich impedance pro pomoc výpočtu výsledného odporu, který může být použit ve spojení s jinými oznamovacími signály pro oznámení rychlosti koroze součásti v reálném Ča3e.

41 ’Ζρύ sob - -p od l^:e“nár c'-kír i~ ‘vy ž n ačii ;yí cí” ^:s e ”ť í m,‘' ž e o bs ahu je·' kr ok™”'' využití signálů oznamujících korozi ve spojení s operačními paremetry procesu pro udržování rychlostí koroze na minimu a řízení procesu s přijatelnými provozními parametry.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující ne tím, že krok řízeirí procesu v závislosti na uignálu z elektrod zahrnuje využití odezvy množství veličin z množiny zahrnující šum proudu, šum napětí, vazební proud a šum odporu, a odezvy z množství parametrů procesu.
6. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že krok řízení procesu závislosti na signálu z elektrod zahrnuje využití signálů oznamujících Šum odporu.

-91.1
7. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že krok řízení procesu v závinlosti na signálu z elektrod zahrnuje využití signálů oznamujících Čum napětí, Sum proudu a Čum odporu.

S. Zpísob podle nároku 4, vyznačující se tím, ze krok řízení procesu v závislosti na signálu z elektrod zahrnuje využití signálů oznamujících ta odporu, šum napětí a ta proudu kdy? není žádný vnější zdroj energie připojen na elektrody Čidla, vyvíjející tyto signály.

'9·. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že krok. řízení parametrů procesu zahrnuje využití signálu oznamujícího alespoň. jednu veličinu z množiny zahrnující teplotu, tlak, procentní podíl kyslíku, oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého, v> proudu tekutiny proudící kolem součásti ε. kolem čidla.
10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje kroky:

opatření prostředku pro přidání inhibitoru koroze k palivům před spalováním, opatření či dis majícího množství navzájem vzdálených elektrod ze stejného materiálu jako součást, které je ve styku s proti uk tyspal ováni, oddělení elektrod elektrickými izolátory pro vysoké teploty, umístění čidla do styku s produkty spalování, udržování čidlo obecně no. teplotě součásti, příjímání signálů z elektrod oznamujících alespoň jednu z mno Siny veličin zahrnující vazební proud, čum proudu, čum napětí a čum odporu a využití změn alespoň jednoho z oznamujících signálů pro ovládání přidávání inhibitorů koroze ze součástí.

palivu pro potlačení koro-
11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že krok přijímání signálů z elektrod oznamujících alespoň, jednu z množiny veličin zahrnující vazební proud, šum proudu, šum napětí a Šum odporu zahrnuje při jímání signálů z několika těchto veličin.
12. Způsob podle nároku '11, vyznačující se tím, že krok využití změn v oznamujících signálech zahrnuje využití změn ve množství oznamujících signálů.

-ΙΟΙ?. Způsob podle nároku 12, vyzradojící se tím, že krok využití •ZTOř-n v czupcujících signáls-ch pro cvládání-přidávání Inhibitorů koroze zahrruje využití oznamujících signálů k řízení přidávání množství inhibitorů koroze k palivům..
14. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že krok využití zněn oznamujících signálů pro řízení přidávání inhibitorů koroze zahrnuje využití oznamujících signálů pro řízení množství přidávaných inhibitorů koroze k palivům.
15. Zařízení k provádění způsobu podle kteréhokoli z nároků

1 až 14, vyznačující se tím, že obsahuje tri elektrody oddělené izolátory pro vysoké teploty a uložené v prostředí o vysoké teplotě, prvr.í smyčku spojující dvě z elektrod s měřidlem napětí uzpůsobeným k oznamování šumu napětí mezí těmito dvěma elektrodami a druhou smyčku připojující třetí elektrodu k některé, sousední elektrodě s ampérmetrem uzpůsobeným k oznamování rumu proudu mezi oběma takte zapojenými elektrodami.
16. Zařízení podl.e nároku 15, vyznačující se tím, ře smyčky v

obsahují nánosy 2 prostředí pokrývající elektrody a přemo3tující izolátory.
17. Zařízení, podle nároku 15, vyznačující se tím, že druhá smyčka je spojena s ampérmetrem· uzpůsobeným k oznamování střední hodnoty proudu ve smyčce.