專利名稱：基于libs的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置。
背景技術(shù)：
在火力發(fā)電行業(yè)，金屬材料的安全問(wèn)題至關(guān)重要，尤其是被稱為“四管”的水冷壁管、省煤器管、過(guò)熱器管和再熱器管是鍋爐內(nèi)部主要的受熱面結(jié)構(gòu)件，其安全性直接關(guān)系到整個(gè)電廠的安全。隨著機(jī)組大容量、高參數(shù)的發(fā)展，受熱面需要在更高的溫度和壓力條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)由于調(diào)峰任務(wù)的要求，受熱面需要承受更頻繁的交變熱應(yīng)力作用。在這類(lèi)工況條件下的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致材料的組織和特性指標(biāo)發(fā)生變化，逐漸發(fā)生老化和損傷，產(chǎn)生裂紋和內(nèi)傷。一旦失效，輕則意外停爐，重則造成人員傷亡。由于缺乏快速有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，現(xiàn)役電廠往往通過(guò)降低機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，未到期更換受熱面管等措施，通過(guò)犧牲經(jīng)濟(jì)性來(lái)降低受熱面爆管事故發(fā)生率。所以預(yù)測(cè)受熱面材料的高溫失效趨勢(shì)，在停爐檢修時(shí)快速準(zhǔn)確地判斷受熱面的使用狀態(tài)，可以減少機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)，提高機(jī)組可用率。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫金屬部件的狀態(tài)檢測(cè)主要是在停爐檢修時(shí)進(jìn)行，利用具有破壞性的割管檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)。割管檢測(cè)主要是檢查化學(xué)成分、金相組織及損傷老化評(píng)定、常溫和高溫短時(shí)力學(xué)性能試驗(yàn)、碳化物相成分與相結(jié)構(gòu)分析、異種鋼焊接接頭的試驗(yàn)等。通過(guò)割管檢測(cè)可以得到該管段較詳細(xì)的狀態(tài)信息，但這樣會(huì)對(duì)管段造成破壞，而且有限管段的狀態(tài)信息不能完全代表其他管段的使用狀態(tài)?，F(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不損傷被測(cè)物體的結(jié)構(gòu)性能和使用性能的基礎(chǔ)上，利用聲、光、電、熱、磁和射線等與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)，對(duì)重要零部件進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，探測(cè)材料和設(shè)備構(gòu)件的已有缺陷，判斷其位置、大小、形狀和種類(lèi)，并對(duì)材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前采用的無(wú)損檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有射線檢測(cè)、交流電位降法檢測(cè)、電磁感應(yīng)渦流檢測(cè)、磁檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲和紅外檢測(cè)等，以對(duì)高溫受熱面已有的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于高溫受熱面，當(dāng)缺陷出現(xiàn)時(shí)，就存在巨大的安全隱患。如果在停爐檢修期間，能在受熱面出現(xiàn)缺陷前預(yù)測(cè)其失效的趨勢(shì)，則可以針對(duì)性的重點(diǎn)監(jiān)督存在安全隱患的受熱面管道，存在明顯失效趨勢(shì)的可以提前更換部件，避免出現(xiàn)重大的安全事故。因此，本實(shí)用新型提出了一種基于LIBS技術(shù)的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，在停爐檢修期間不需割管即可快速判斷受熱面管道的失效趨勢(shì)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)的鍋爐受熱面高溫失效分析需要割管，而無(wú)損檢測(cè)只能探測(cè)已有缺陷的實(shí)際情況，提出了一種基于LIBS的受熱面高溫失效趨勢(shì)的快速分析裝置。利用激光等離子體光譜受被測(cè)對(duì)象特性變化敏感以及聚焦激光具備的高空間分辨率特征，在停爐檢修期間，基于宏觀檢查的基礎(chǔ)上使用便攜式的LIBS快速失效分析儀對(duì)重點(diǎn)區(qū)域受熱面管道進(jìn)行檢測(cè)，快速判斷材料的使用狀態(tài)，并預(yù)測(cè)其失效的趨勢(shì)。本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下?；贚IBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，其包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊、分析模塊和光學(xué)組件，所述電源模塊分別與脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊和分析模塊連接，分析模塊與光譜探測(cè)模塊連接，光譜探測(cè)模塊還與脈沖激光光源模塊連接，所述光學(xué)組件用于將脈沖激光光源模塊產(chǎn)生的激光匯聚至待檢測(cè)的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過(guò)程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測(cè)模塊，光譜探測(cè)模塊提取表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜特征指標(biāo)，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)。進(jìn)一步的，所述激光光源模塊包括脈沖激光器。進(jìn)一步的，所述光譜探測(cè)模塊由平面光柵和CXD組成。進(jìn)一步的，所述分析模塊則包括了基本的控制器和數(shù)據(jù)采集與處理部件。上述基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置的分析方法具體是 鍋爐停爐檢修期間，脈沖激光光源發(fā)出的激光聚焦于待檢測(cè)的受熱面管道表面，使檢測(cè)的金屬材料被燒蝕氣化并形成等離子體，采集等離子體膨脹冷卻過(guò)程中發(fā)射的光譜信息，提取表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜特征指標(biāo)，利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)，從而預(yù)測(cè)被檢測(cè)管道的失效趨勢(shì)。重復(fù)進(jìn)行上述操作可以對(duì)不同的管道部位進(jìn)行失效趨勢(shì)的快速判斷。所述等離子體光譜特性指標(biāo)包括受熱面組成元素的特征譜線強(qiáng)度和強(qiáng)度比、等離子體溫度和電子密度。所述受熱面管道材料的組織和力學(xué)性能指標(biāo)包括組織狀態(tài)以及硬度和強(qiáng)度指標(biāo)。所述組織狀態(tài)包括珠光體球化、碳化物相結(jié)構(gòu)類(lèi)型轉(zhuǎn)變、馬氏體相變。與現(xiàn)有技術(shù)相比 ，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型利用了 LIBS技術(shù)受被測(cè)對(duì)象特性變化敏感的特點(diǎn)，提供了一種基于LIBS的受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析的方法，相對(duì)已有檢測(cè)方法和儀器，具有無(wú)需割管，攜帶方便，分析速度快(發(fā)出脈沖激光至得到失效趨勢(shì)數(shù)據(jù)的分析時(shí)間約為30s)，可以在停爐檢修期間對(duì)受熱面管道進(jìn)行宏觀缺陷出現(xiàn)前存在的失效趨勢(shì)進(jìn)行判斷。通過(guò)本實(shí)用新型的應(yīng)用，可以快速判斷受熱面管道材料的失效趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)更換，以保證鍋爐正常運(yùn)行的安全性，降低非計(jì)劃停機(jī)的概率。本實(shí)用新型能在現(xiàn)場(chǎng)快速獲得受檢樣品的失效趨勢(shì)，提高停爐期間金屬檢查的效率。

圖1是本實(shí)用新型的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析方法流程圖。圖2基于主成份分析的不同服役時(shí)間受熱面材料整體光譜數(shù)據(jù)歸類(lèi)圖。圖3是受熱面材料的激光等離子體光譜特性指標(biāo)與組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性示意圖。圖4為實(shí)施方式中基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0019]
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。本實(shí)施方式的一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的鍋爐受熱面高溫失效快速分析方法的流程如圖1所示，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速分析之前獲取受熱面材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)(金相組織、強(qiáng)度和硬度)和激光等離子體光譜特征指標(biāo)(譜線強(qiáng)度及強(qiáng)度比、等離子體溫度和電子密度)之間的關(guān)聯(lián)式，其過(guò)程包括如下步驟:I)搜集不同服役時(shí)間的典型受熱面材料，包括新材料和已經(jīng)爆管的材料；2)利用現(xiàn)有方法和設(shè)備，檢測(cè)所搜集的受熱面材料的金相組織、強(qiáng)度和硬度指標(biāo)；3)將以上檢測(cè)過(guò)的受熱面材料進(jìn)行LIBS測(cè)量，分析等離子體光譜特征指標(biāo)與材料的金相組織、強(qiáng)度和硬度之間的相關(guān)性，獲得相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。如基于主成份分析的不同服役時(shí)間受熱面材料整體光譜數(shù)據(jù)歸類(lèi)如圖2所示，硬度與譜線強(qiáng)度比之間的關(guān)聯(lián)性如圖3所示。作為實(shí)例，圖4中的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊、分析模塊和光學(xué)組件，所述電源模塊分別與脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊和分析模塊連接，分析模塊與光譜探測(cè)模塊連接，光譜探測(cè)模塊還與脈沖激光光源模塊連接，所述光學(xué)組件用于將脈沖激光光源模塊產(chǎn)生的激光匯聚至待檢測(cè)的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過(guò)程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測(cè)模塊，光譜探測(cè)模塊提取表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜特征指標(biāo)，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)。其中激光光源模塊以小型緊湊的脈沖激光器為主要部件，光譜探測(cè)模塊由平面光柵和CCD組成，分析模塊則包括了基本的控制器和數(shù)據(jù)采集與處理部件(如工業(yè)級(jí)微處理器)，電源模塊選用緊湊型的蓄電池，為激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊和分析模塊供電，以上部件均選用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品或模塊進(jìn)行集成。所述光學(xué)組件用于將脈沖激光光源模塊產(chǎn)生的激光匯聚至待檢測(cè)的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過(guò)程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測(cè)模塊，光譜探測(cè)模塊提取表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜特征指標(biāo)，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)。光學(xué)組件包括激光聚焦光路和等離子體信號(hào)收集光路，其中利用激光聚焦光路將激光模塊發(fā)出的脈沖激光聚焦至管道表面上形成等離子體，隨后由等離子體信號(hào)收集光路收集管道表面形成的等離子體的發(fā)射光譜信號(hào)。進(jìn)一步的，可以通過(guò)管道表面聚焦點(diǎn)校準(zhǔn)光路確定激光在管道表面上的聚焦點(diǎn)位置。將前述步驟獲得的材料特性與光譜特征指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性用于現(xiàn)場(chǎng)受熱面材料失效趨勢(shì)的快速分析，具體步驟如下所示:I)在電廠停爐檢修期間，根據(jù)宏觀檢查確定需要檢查的重點(diǎn)區(qū)域，將便攜式的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置的激光輸出面向待測(cè)受熱面管道表面，保持距離在激發(fā)脈沖激光聚焦點(diǎn)附近，如圖4所示。2)利用脈沖激光激發(fā)受熱面材料形成等離子體，由內(nèi)置于LIBS快速失效分析儀的光譜探測(cè)模塊采集等離子光譜信息，得到表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜數(shù)據(jù)，提取等離子體光譜特征指標(biāo)，如圖3所示的譜線強(qiáng)度比。3)利用附圖3所示的激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)式，由被測(cè)管道得到的譜線強(qiáng)度比得到相應(yīng)的硬度值，同時(shí)將被測(cè)管道整體的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成份分析(即采用現(xiàn)有的主成分分析法)，并將主成分分析法中的第一主成份和第二主成份代入圖2所示的歸類(lèi)區(qū)域中，獲得被測(cè)管道所處的狀態(tài)。結(jié)合這兩種相關(guān)性關(guān)系，綜合判斷材料的使用狀態(tài)，并預(yù)測(cè)被檢測(cè)管道的失效趨勢(shì)。
權(quán)利要求1.基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，其特征在于包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊、分析模塊和光學(xué)組件，所述電源模塊分別與脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊和分析模塊連接，分析模塊與光譜探測(cè)模塊連接，光譜探測(cè)模塊還與脈沖激光光源模塊連接，所述光學(xué)組件用于將脈沖激光光源模塊產(chǎn)生的激光匯聚至待檢測(cè)的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過(guò)程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測(cè)模塊，光譜探測(cè)模塊提取表征受熱面管道物理和化學(xué)特性的光譜特征指標(biāo)，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，其特征在于所述激光光源模塊包括脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，其特征在于所述光譜探測(cè)模塊由平面光柵和CCD組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，其特征在于所述分析模塊則包括了基本的控制器和數(shù)據(jù)采集與處理部件。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢(shì)快速分析裝置，包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊、分析模塊和光學(xué)組件，所述電源模塊分別與脈沖激光光源模塊、光譜探測(cè)模塊和分析模塊連接，分析模塊與光譜探測(cè)模塊連接，光譜探測(cè)模塊還與脈沖激光光源模塊連接，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標(biāo)與材料組織和力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到被測(cè)管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)。本實(shí)用新型無(wú)需割管即可對(duì)受熱面結(jié)構(gòu)特性和機(jī)械性能進(jìn)行快速分析，在宏觀缺陷出現(xiàn)前判斷其失效的趨勢(shì)，可以有效提高檢修期間金屬檢查的效率，促進(jìn)快速失效分析技術(shù)的發(fā)展。
文檔編號(hào)G01N21/63GK202939128SQ20122064873
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者姚順春, 陸繼東, 董美蓉, 李軍, 張博 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)