爐結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了用于聲監(jiān)測熔爐及類似設備的多種系統(tǒng)和方法。聲傳感器（及可選地其他傳感器）被安裝至該爐。在該爐中產生的聲發(fā)射事件被分析，以識別超過一個或多個閾的狀況。聲發(fā)射的位置可以被識別和報告?？梢皂憫诼暟l(fā)射而產生輸出信號。聲發(fā)射的位置可以被用來識別該爐中的潛在故障的位置。
【專利說明】爐結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]所描述的實施方案涉及用于監(jiān)測冶金爐的結構完整性和物理變形的系統(tǒng)和方法?！颈尘凹夹g】
[0002]典型的冶金爐是擁有具備多層構造的側壁的容器。外層通常是為了結構性支撐而設置的鋼殼。內層包括由一個或多個耐火磚層構造的耐火襯，所述耐火襯被設置用于保護外部鋼殼免受爐內的熔融材料和侵蝕性化學品的侵害。在一些爐中，在外部鋼殼與耐火襯之間還設置了冷卻層，以防止過量的熱從耐火襯傳遞到外部鋼殼。在一些爐設計中，磚層和/或冷卻元件被設置就位帶有在爐運行期間固化的軟的沙狀材料。
[0003]在冶金爐運行期間，除了導致總體耐火襯厚度損耗的化學降解以外，耐火襯還會因機械應力和熱應力而退化。隨著耐火襯退化，熔融材料和侵蝕性化學品滲入耐火磚之中和/或之間的不斷加寬的空間，從而引起耐火襯中的各層的剝離(即分離)。這樣的剝離可以對外部鋼殼施加擴張性應力，且可以導致該鋼殼的局部變形。耐火襯的退化還可以引起結構性故障，這可以導致外部鋼殼暴露至爐內的熔融材料和侵蝕性化學品。
[0004]此外，如果熔融材料和侵蝕性化學品到達外部鋼殼，則存在對在爐附近工作的人員造成嚴重傷害的危急風險，這是因為該外部鋼殼通常不能可靠地將熔融材料和侵蝕性化學品保持在爐內。還已知由于耐火襯的退化會出現(xiàn)熱轉移性和傳導性的損失，這兩者都會造成鋼殼的變形和故障。
[0005]在包含水冷元件的爐中常見的另一模式的耐火襯退化是耐火襯的水合。在某些溫度，從冷卻元件漏出的水可以與耐火磚反應，導致耐火襯迅速退化?；谘趸V(MgO)的耐火磚尤其易于遭受這一模式的故障。由水合導致的耐火襯擴張可以對鋼殼施加增加的擴張性壓力，且可以造成該殼的局部變形。
[0006]期望監(jiān)測爐一特別是外部鋼殼一的結構整體性，以幫助預測殼破裂的時間和位置。如果不首先清空爐并關停爐參與的工業(yè)過程，則難以對鋼殼的狀況做出可靠和準確的評估。為了例行檢查而關停冶金爐代價不菲，從而操作者試圖利用可以在爐運行時被采用的檢查方法。然而，通常使用爐的惡劣工作環(huán)境會使得所做的測量偏離。例如，已知爐中極高的溫度、振動、環(huán)境噪聲、灰塵以及電危害和機械會扭曲由先前已知的檢查方法產生的結構完整性測量?？梢允褂贸Ｒ?guī)的變形監(jiān)測工具，諸如應變儀，但其只能測量在它們安裝位置附近的變形。而且，常規(guī)的應變儀通常不能區(qū)分外殼的彈性變形和塑性變形。
[0007]尚未開發(fā)出監(jiān)測鋼殼的結構完整性并實時識別初期開裂及其他結構性缺陷的系統(tǒng)性方法。因此，操作者被迫停機并冷卻爐，以不時地核查殼完整性，且可能幾乎沒有或完全沒有對即將發(fā)生的能導致熔融金屬從爐泄漏到周圍環(huán)境(泄出)的殼破裂的預警。

【發(fā)明內容】

[0008]在第一方面，多種實施方案提供了用于監(jiān)測具有爐殼的爐的結構完整性的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:控制器；以及多個聲發(fā)射傳感器，該多個聲發(fā)射傳感器被安裝至所述爐殼，并安裝至所述控制器以向所述控制器提供與在所述爐中產生的聲發(fā)射(AE)事件對應的電信號。
[0009]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些經由前置放大器耦合至所述控制器。
[0010]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些被可移除地安裝至所述爐殼。
[0011]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些被磁性地安裝至所述爐殼。
[0012]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些被永久安裝。
[0013]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些以預先確定的安裝樣式被安裝至所述爐殼。
[0014]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些在與一個或多個爐部件對應的位置被安裝至所述爐殼。
[0015]在一些實施方案中，安裝在所述爐殼上的所述傳感器中的至少一些的間隔是由選自下列因素的一個或多個因素確定的:全部所述傳感器中的一些的特性；所述傳感器中的一些或全部傳感器的分辨率；所使用的傳感器的數目；爐部件的位置；以及所述爐的尺寸。
[0016]在一些實施方案中，所述傳感器中的至少一些對具有高于選定閾的頻率的聲發(fā)射敏感。
[0017]在一些實施方案中，所述控制器包括過濾模塊以過濾所述電信號。
[0018]在一些實施方案中，所述過濾模塊濾除在選定閾以下的信號。
[0019]在一些實施方案中，所述閾選自以下組成的一組:運行(operating)閾AE值；預警(warning) AE閾值；警報(alarm) AE閾值；以及停機(shutdown) AE閾值。
[0020]在一些實施方案中，所述系統(tǒng)包括不同類型的傳感器。
[0021]在一些實施方案中，所述控制器包括用于提供與所述電信號對應的一個或多個輸出信號的輸出模塊。
[0022]在一些實施方案中，當所述傳感器中的至少一個檢測到的AE事件的強度(intensity)超過一個閾時,一個輸出信號被提供。
[0023]在一些實施方案中，所述閾選自以下組成的一組:運行閾AE值；預警AE閾值；警報AE閾值；以及停機AE閾值。
[0024]在一些實施方案中，所述輸出信號中的至少一個選自以下組成的一組:預警信號；警報信號；控制信號；傳感器控制信號；以及反饋信號。
[0025]在一些實施方案中，所述控制器包括用于提供與所述電信號有關的信息的顯示設施。
[0026]在一些實施方案中，所述控制器包括用于估計聲發(fā)射事件的源頭的位置的位置模塊。
[0027]在另一方面，一些實施方案提供了監(jiān)測爐的結構的方法，所述方法包括:將多個聲發(fā)射傳感器安裝到爐殼；從所述聲發(fā)射傳感器中的至少一個接收與在所述爐中產生的聲發(fā)射事件對應的電信號；以及分析所述電信號。
[0028]在一些實施方案中，所述方法包括以預先確定的安裝樣式放置所述傳感器中的至少一些。
[0029]在一些實施方案中，所述方法包括將所述傳感器中的至少一些放置在與一個或多個爐部件對應的位置。
[0030]在一些實施方案中，所述方法包括基于選自下列因素的一個或多個因素來間隔開安裝在所述爐殼上的傳感器:所述傳感器中的一些或全部傳感器的特性；全部所述傳感器中的一些的分辨率；所使用的傳感器的數目；爐部件的位置；以及所述爐的尺寸。
[0031]在一些實施方案中，所述方法包括濾除被少于一個選定數目的傳感器識別的聲發(fā)射。
[0032]在一些實施方案中，所述方法包括濾除與所述爐的正常運行噪聲對應的聲發(fā)射。
[0033]在一些實施方案中，所述控制器包括用于提供與所述電信號有關的信息的顯示設施。
[0034]在一些實施方案中，所述方法包括估計聲發(fā)射事件的源頭的位置。
[0035]在一些實施方案中，所述方法包括識別一個或多個先兆(pre-sursor) AE事件。
[0036]在一些實施方案中，所述方法包括基于爐的運行溫度來應用速度波校正(speedwave correction),以使得所估計的聲發(fā)射事件的源頭的位置精確(ref ine)。
[0037]在一些實施方案中，所述方法包括提供對所估計的聲發(fā)射事件的源頭的位置進行識別的輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]為了更好地理解 申請人:在此描述的教導，現(xiàn)在將僅以舉例方式參考示出了至少一個示例性實施方案的附圖，且在附圖中:
[0039]圖1是裝設于冶金爐上的一個聲發(fā)射(AE)監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖；
[0040]圖2是沿著線2-2所取的圖1的爐的局部截面視圖；
[0041]圖3是圖1的爐的區(qū)域3的放大視圖；
[0042]圖4是用于AE監(jiān)測系統(tǒng)的控制器的一個實施例的示意圖；
[0043]圖5是例示了爐中AE活動隨時間變化的線形圖；
[0044]圖5a是圖5中的區(qū)域5a的放大視圖；
[0045]圖6是例示了運行AE監(jiān)測系統(tǒng)的一個方法的流程圖；且
[0046]圖7是例示了一個示例性AE信號的線形圖。
[0047]為了例示的簡單和清楚，圖中示出的元件未必按比例繪制。例如，為了清楚，一些元件的尺寸可以相對于其他元件被夸大。此外，在認為適當的情況下，參考數字可以在各圖之間重復，以指示對應的或類似的元件。
【具體實施方式】
[0048]下面描述了多種設施或過程，以提供每個所要求保護的發(fā)明的一個實施方案的一個實施例。下面描述的實施方案都不限制任何所要求保護的發(fā)明，且任何所要求保護的發(fā)明可以覆蓋下面未描述的過程或設施。所要求保護的發(fā)明不限于具有下面描述的任何一個設施或過程的全部特征的設施或過程，也不限于對于下面描述的多個或全部設施共同的特征?？赡艿氖牵旅婷枋龅脑O施或過程不是所要求保護的發(fā)明的任何一個實施方案。本文中未要求保護、但在在下面描述的設施或過程中已公開的任何發(fā)明，可以是另一保護文書(例如繼續(xù)專利申請)的主題，且 申請人:、發(fā)明人或擁有人不打算放棄、否認、或通過本文中的公開來向公眾奉獻任何這樣的發(fā)明。
[0049]對于運行著的冶金爐，泄出(run-out)是不希望但常見的現(xiàn)象。當該爐的熔融內容物(content)泄漏到周圍環(huán)境中時，就發(fā)生了泄出。泄出可以導致爐的昂貴的停機時間，且可以對在爐附近工作的操作者造成安全威脅。
[0050]一些泄出可以是由爐的耐火襯之中或耐火襯之間的瑕疵造成的，這允許熔融金屬經由耐火層滲出且接觸爐的鋼外殼。耐火瑕疵可以是由內部耐火襯的廣泛磨損造成的，或者是由耐火襯的水合和物理/化學變形以及弱化造成的，或者是通過該襯中的不連續(xù)性造成的。 申請人:已經發(fā)現(xiàn)，造成泄出的這些機制可以產生聲發(fā)射，且可以導致爐殼變形。
[0051]用于測量爐殼的彈性變形和塑性變形、檢測爐殼的微開裂(micix) cracking)和開裂、檢測由泄出導致的耐火位移和不連續(xù)性的形成、以及檢測耐火磨損的系統(tǒng)和方法的組合可以被用來幫助促進對冶金爐的結構完整性監(jiān)測。這樣的系統(tǒng)可以允許在爐的損壞變得嚴重和/或導致泄出之前及時應用防護措施或安全進程，如果有此要求。
[0052]結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)可以被用來監(jiān)測爐的結構完整性。可選地，該結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)可以被用來實時監(jiān)測爐的狀況。該結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)可以被配置為獨立地或組合地使用多個不同類型的傳感器。合適類型的傳感器可以包括，例如，聲傳感器、振動傳感器、應變儀、光學傳感器和溫度傳感器。在一些情形下，可以有用的是，在一個完整性監(jiān)測系統(tǒng)內包含多個不同類型的傳感器，以幫助促進多個類型的數據的收集?？蛇x地，可以使用常見的系統(tǒng)控制器處理該數據的組合。為了簡單起見，下面描述的結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)的一個實施例被描述為具有單個類型的聲發(fā)射傳感器，然而該完整性監(jiān)測系統(tǒng)的其他實施方案可以包含多個不同的傳感器類型。
[0053]聲發(fā)射測試是一種用于監(jiān)測在外部和/或內部施加的應力下變形的材料的狀況的方法。聲發(fā)射(AE)可以被定義為當材料屈服或塑性變形時由該材料內的能量的快速釋放產生的一種瞬時彈性波。聲發(fā)射感測或監(jiān)測裝備可以“聽”到開裂增長、纖維斷裂以及受壓材料中的許多其他模式的活性損害(active damage)的聲音。通過監(jiān)測來自給定結構的AE信號，在更大結構性故障出現(xiàn)之前，該結構的小尺度損壞可以是可檢測的。多傳感器AE系統(tǒng)還可以被用來定位開裂(或其他這樣的機械故障)的源頭，并預測開裂蔓延的方向。當以此方式使用時，AE可以被用作一種非破壞性測試或監(jiān)測技術，以例如在結構驗收測試和工廠運行中找到缺陷。
[0054] 申請人:已經發(fā)現(xiàn)，AE監(jiān)測系統(tǒng)可以被配置為監(jiān)測冶煉爐的結構完整性。
[0055]常規(guī)的應變儀測量技術能夠檢測熔爐外殼的物理膨脹。然而，已知的基于應變儀的系統(tǒng)主要依賴于材料的尺度變化，不能分辨材料的可逆的彈性變形和潛在成問題的塑性變形。與基于應變儀的系統(tǒng)不同， 申請人:的AE監(jiān)測系統(tǒng)可以被用來檢測由材料中的能量的快速釋放產生的應力波(stress waves),這通常伴隨著塑性變形。當經歷可逆的彈性變形時，材料的內部結構保持大致完好，并且如果釋放聲發(fā)射則釋放非常少的聲發(fā)射。
[0056]通過監(jiān)測在材料內產生的聲發(fā)射，AE監(jiān)測系統(tǒng)可以能夠識別材料從可逆變形到不可逆變形的轉變，并且檢測材料中的活性瑕疵諸如開裂增長(包括微開裂形成和增長)。
[0057]多個傳感器的使用(例如被安排成傳感器陣列以限定感測區(qū))可以幫助便于AE源頭(origin)定位。識別AE信號源頭的源(source)可以幫助識別該材料中的應力集中區(qū)域，這可以導致形成更大開裂及其他缺陷。定位該材料的已經經歷顯著塑性變形的部分可以幫助識別該材料的可能更容易出故障的部分，且可以在出故障之前檢查和修復。
[0058]參看圖1和圖2，AE監(jiān)測系統(tǒng)100被安裝在冶金爐102上，被配置為監(jiān)測該爐的結構完整性。
[0059]在所例示的實施例中，爐102是電氣環(huán)形爐，包括底板104、頂蓋106和外殼108。外殼108可以由任何合適的材料(包括鋼)形成。爐102的內部襯有耐火材料110。耐火材料可以幫助將底板104和外殼108與能夠被容納在該爐中的熔融金屬隔離。在所例示的實施例中，爐102包含多個爐膛耐火層112和壁耐火材料114。
[0060]聲發(fā)射可以由爐102內的多個源產生，所述多個源包括例如外殼108的變形和開裂、耐火材料110的腐蝕、耐火材料110相對于外殼108的移動、冷卻水系統(tǒng)的滲漏以及電極起弧。
[0061]AE監(jiān)測系統(tǒng)100包含被安裝至爐102的多個AE傳感器116。在所例示的實施例中，該AE監(jiān)測系統(tǒng)包含安裝在爐102的外殼108上的十六個AE傳感器116?？蛇x地，所述多個AE傳感器116可以使用合適的可拆卸連接器(包括例如磁體)被可拆卸地安裝至爐外殼108。替代地，這些AE傳感器116中的一些或全部可以被永久安裝至爐外殼108。這些AE傳感器116可運行以將在該爐內產生的聲發(fā)射轉換成對應的電信號。
[0062]每個AE傳感器116被鏈接至對應的AE前置放大器118。為了簡化，圖1中僅例示了單個AE前置放大器118，然而，每個AE傳感器116可被連接至一個對應的AE前置放大器118。AE前置放大器118被配置為從AE傳感器116接收對應的電信號，并且將放大的電信號傳輸至控制器120。所述多個AE前置放大器118使用多個合適的數據線纜被可通信地鏈接至控制器120。在所例示的實施例中，控制器120是計算機。替代地，控制器120可以是任何合適的設施，包括例如PLC。
[0063]可選地，代替被設置為分立的部件，AE前置放大器118可以被集成到AE傳感器116或控制器120中，而不是被設置為分立的部件。
[0064]可選地，AE傳感器116、AE前置放大器118、控制器120、線纜及任何其他系統(tǒng)部件可以被熱屏蔽，以幫助保護這些系統(tǒng)部件免受爐的熱的影響。
[0065]也參照圖3，所述多個AE傳感器116可以按照預先確定的安裝樣式被安裝至外殼108。在所例示的實施例中，這十六個AE傳感器116以大致線性的兩行122a、122b被安裝至爐外殼108。第一行122a的AE傳感器116位于爐102的底板104上方的第一高度124。第一行122b的高度可以基于多個因素被選擇，所述多個因素包括例如爐配置和爐部件(諸如出料口(taphole)、加強層(stiffening layers)、耐火層等等)的位置。在所例示的實施例中，第一行傳感器122a被定位在爐102的底板104上方約150毫米。
[0066]第一行122a中的多個AE傳感器116彼此橫向偏離第一橫向間隔距離126。第一橫向間隔距離126可以基于多個因素被選擇，所述多個因素包括例如AE傳感器116的特性(諸如傳感器分辨率)、所使用的AE傳感器116的數目、爐結構性零件(諸如出料口、加強元件等等)的位置以及爐外殼108的尺寸。在所例示的實施例中，第一橫向間隔距離126約為9000毫米。使用這個橫向間隔距離126使得第一行122a中的多個AE傳感器116能夠繞爐外殼108的周緣總體均等間隔開。替代地，第一行122a中的AE傳感器116之間的橫向間隔距離126不需要是繞爐102的周緣恒定的。
[0067]第二行122b的AE傳感器116被定位在第一行122a上方，并且偏離第一行122a一個豎直偏離距離128。在所例示的實施例中，豎直偏離距離128小于第一橫向間隔距離126，約為1200毫米。可選地，豎直偏離距離128可以在大約5到大約3000毫米之間。
[0068]第二行122b中的AE傳感器116彼此偏離第二橫向間隔距離130?？蛇x地，如所例示的，第二橫向間隔距離130可以大體等于第一橫向間隔距離126。
[0069]可選地，第二行122b中的AE傳感器116可以與第一行122a中的AE傳感器116橫向偏離一個行橫向偏離距離132。在所例示的實施例中，行橫向偏離距離132約為第一橫向間隔距離126的一半。
[0070]參照圖1和圖3，在所例示的配置中，每組三個、橫向相鄰的AE傳感器116 (包括來自兩行122a、122b的傳感器)限定了一個大體三角形的傳感器區(qū)134，在圖1中使用交叉影線(cross-hatching)標示?？蛇x地,所述多個AE傳感器116可以被定位成另一個樣式，以形成不同形狀的傳感器區(qū)。
[0071]AE傳感器116可以是能夠承受爐102的運行環(huán)境的任何合適類型的AE傳感器。AE傳感器116的運行頻率范圍可以被選擇使得它包括爐部件的預期聲發(fā)射頻率，所述聲發(fā)射頻率可以例如在大約20kHz到大約120kHz之間。在一些情況下，相關的聲發(fā)射頻率可以在大約60kHz到大約80kHz之間，或者大于120kHz。在所例示的實施例中，所述傳感器是型號R6a-60kHz壓電共振AE傳感器，具有大約35_100kHz的運行頻率范圍以及大約_65至175攝氏度的運行溫度范圍。
[0072]如果AE監(jiān)測系統(tǒng)100旨在僅監(jiān)測在爐102內產生的聲發(fā)射的一部分(例如由耐火材料Iio狀況的變化和/或外殼108的塑性變形所產生的聲發(fā)射)，則當這些發(fā)射被控制器120處理時，由其他源產生的聲發(fā)射可以被分離出來。
[0073]例如，由電極起弧產生的相對低頻率的發(fā)射(可以是大約50kHz)可以使用控制器120中的過濾模塊來濾除(圖4)，該過濾模塊可以包括例如高通濾波器。其他類型的正常運行噪聲可以使用樣式辨認軟件來識別和移除，該樣式辨認軟件也可以被設置在該過濾模塊中或控制器120的其他部分。
[0074]這樣的不相關的聲信號的例子可以包括機械噪聲、冷卻水流、爐啟動聲音以及出料(tapping)或吹氣(lancing)聲音。使用該過濾模塊中的一個或多個過濾器,并且/或者通過使用補充的“保護傳感器(guard sensor)”來幫助濾除或阻擋不相關的信號，可以消除不相關的聲發(fā)射及其他不想要的系統(tǒng)噪聲。
[0075]可選地，AE傳感器116可以被選擇，以使得它們的運行頻率范圍的低端(例如大約35kHz)高于使用傳統(tǒng)的基于反射的聲監(jiān)測或超聲測試系統(tǒng)產生的預期頻率范圍(例如由錘子、撞錘或其他機械碰撞產生的聲波，預期在大約2kHz到大約25kHz之間)。以此方式選擇AE傳感器頻率范圍可以幫助減少經由所述AE傳感器檢測到相對低頻率的、不想要的和/或干擾聲波。
[0076]可選地，所有AE傳感器116可以是相同的。替代地，多個AE傳感器116可以包括多于一個類型的AE傳感器。
[0077]參照圖4,控制器120的一個實施例包含:輸入模塊136、過濾模塊138、處理器140、存儲模塊142、操作者I/O模塊144和輸出模塊146。
[0078]輸入模塊136可以是能夠被配置為從所述多個AE前置放大器118接收電信號、并且將所述信號傳輸至另一個控制器120部件的任何合適的模塊。輸入模塊136可以是多信道輸入模塊，并且可以包括模擬-數字轉換器及其他合適的部件。
[0079]過濾模塊138可以包含能夠被配置為幫助從AE傳感器116檢測到的AE信號中過濾信號噪聲和標準運行聲音的硬件部件與軟件部件的組合。該過濾模塊可以包含例如:高通、低通和/或帶通濾波器，以及樣式辨認軟件部件。
[0080]處理器140被鏈接至多個其他控制器部件，并且可以是任何合適的處理器。
[0081]存儲模塊142被配置為存儲系統(tǒng)參考值，諸如AE閾值(如下面解釋的)，并且可以被處理器140查詢。存儲模塊142也可以存儲多種其他軟件模塊，包括操作系統(tǒng)和傳感器接口軟件。
[0082]操作者I/O模塊144被配置為使得系統(tǒng)操作者能夠運用AE監(jiān)測系統(tǒng)100，例如以修改AE監(jiān)測系統(tǒng)100的運行參數。I/O模塊144可以包含物理的和圖形的接口部件，包括例如:鍵盤、鼠標、觸屏和顯示監(jiān)視器。
[0083]輸出模塊146被鏈接至處理器140,并且可運行以產生并輸出多種輸出信號148。輸出信號148可以包含多種信號，包括例如:預警信號、警報信號、控制信號(例如以控制爐102的一個或多個功能)、傳感器控制信號和反饋信號。
[0084]AE監(jiān)測系統(tǒng)100也可以包括顯示設施150。該顯示設施可以運行以向系統(tǒng)操作者提供信息。該顯示設施可以包含視覺變換器(visual transducer)(包括例如顯示屏、光和儀表(gauge))、聽覺變換器(包括例如喇叭、鈴和汽笛)及它們的任何組合。
[0085]在使用中，AE監(jiān)測系統(tǒng)100被用來監(jiān)測由爐102產生的聲發(fā)射，并且檢測一個或多個AE事件的出現(xiàn)。AE事件是涉及或可以影響爐的結構完整性的聲發(fā)射(例如由外殼的塑性變形造成的發(fā)射和/或由耐火材料狀況的變化造成的發(fā)射)，與該爐的正常運行聲音和噪聲形成對比。
[0086]爐102中的AE活度(activity)可以通過所檢測到的AE事件的數目來測量。AE強度(intensity)可以通過AE事件信號參數(例如能量、振幅、持續(xù)時間、上升時間等等)的幅度來測量。AE活度和AE強度的監(jiān)測都可以被用來幫助識別結構完整性的變化。
[0087]AE監(jiān)測系統(tǒng)100可以被配置為實時連續(xù)監(jiān)測來自爐102的聲發(fā)射，并且如果檢測到結構完整性的變化則可以產生預警或警報輸出。
[0088]在一些情況下，所述多個AE傳感器116可以檢測通常與爐外殼的結構完整性無關且不被認為是AE事件的其他聲信號。
[0089]再一次參照圖3，在所例示的實施例中，控制器120被配置為使得它將僅當在外殼108上的至少任何三個AE傳感器116處檢測到聲信號時，才將該聲發(fā)射識別為AE事件。用至少三個AE傳感器檢測AE事件可以基于例如每個AE傳感器116測得的到達時間的差異幫助促進對AE事件的源頭(圖形上由點170代表)的三角測量(triangulation)。如果與噪聲相關的信號或弱信號沒有被至少三個AE傳感器116檢測到，則這個配置也可以幫助濾除該與噪聲相關的信號或弱信號的一部分。使用這些AE傳感器的已知位置，AE事件的源頭170相對于AE傳感器116的位置可以被轉換成爐102上的物理位置?？蛇x地，控制器120可以包含位置模塊172，以計算AE事件的源頭170相對于所述至少三個AE傳感器116的位置。
[0090]識別在外殼108和/或耐火材料110上或外殼108和/或耐火材料110內產生的AE事件的源頭170可以幫助使用者定位爐102上經歷相對大量的局部塑性變形、耐火材料磨損或其他結構性變化的區(qū)域。識別這樣的區(qū)域的位置可以幫助便于增加對這樣的區(qū)域的檢查和/或維護。
[0091]爐102的運行溫度可以影響AE (即應力波)在耐火材料110和外殼108中的速率。一旦爐102在運行，就將把根據溫度因素的波速度校正納入考量，例如使用熱校正因子，以幫助便于使用三角測量來進行精確的源頭170定位。這樣的熱校正進程的一個實施例被簡要描述于PCT公布文本W02006/089414 (Sadri等人)中，該PCT公布文本通過引用納入本文。
[0092]使用所述多個AE傳感器116的AE監(jiān)測系統(tǒng)100也可以被配置為監(jiān)測耐火材料磨損。將AE傳感器116放置成預先確定的陣列樣式(或者替代地放置成另一樣式，諸如包含多行和多列的網格)可以幫助便于對由耐火材料磨損產生的或標志著耐火材料磨損的AE事件的源頭170的三角測量和分區(qū)定位(zonal location)。
[0093]超聲波速率測量也可以與活動AE測量聯(lián)合使用。超聲波測量可以幫助校準AE傳感器116。例如，超聲波可以由人工源(諸如在遠離AE傳感器116的已知位置或距離的碰撞)產生。優(yōu)選地，在一個新爐102試運轉之前，應采用一組超聲波速率測量。在這個階段，操作者可以從爐102內部在耐火壁114的已知位置產生碰撞。這些信號可以被安裝在外殼108的外表面上的AE傳感器116檢測到。繼而，可以基于這些初始讀數并且使用熱校正因子來計算速率模型，該速率模型將用于被動(passive) AE監(jiān)測。這些合成超聲信號也可以被分析以得到它們的振幅和頻率范圍。
[0094]參照圖5，一個線形圖例示了由爐102在運行期間產生的AE活動的示意性表示。
[0095]在啟動階段152，例如當該爐首次啟動時，遍布整個爐102可以產生多種聲發(fā)射。這些發(fā)射中的一些可以具有相對高的幅度，如所例示的。
[0096]在啟動期間，運行溫度的上升和由爐102的熔融內容物施加的鐵水靜壓力(ferrostatic pressure)可以造成外殼108彈性擴張,并且可以造成外殼108的某一程度的永久、塑性變形或拉伸。在這個初始擴張過程中，多個AE事件可以作為鋼外殼塑性變形被AE監(jiān)測系統(tǒng)100檢測到。
[0097]當該爐達到大體穩(wěn)態(tài)的運行階段154時，該外殼可能不經歷進一步的塑性變形，并且在該外殼內產生的AE事件的數目將減少和/或基本被消除。在這樣的穩(wěn)態(tài)運行時期期間，AE監(jiān)測系統(tǒng)100從外殼108可檢測到很少的AE活動或檢測不到AE活動。在這個穩(wěn)態(tài)運行階段154期間可以確定針對來自一個給定的爐的聲發(fā)射的穩(wěn)態(tài)基線(baseline),且可確定運行閾AE值156。對于使用AE監(jiān)測系統(tǒng)100被監(jiān)測的任何給定的爐或容器，該閾AE值可以是唯一的。該AE閾值可以被存儲在存儲模塊142中。
[0098]可選地，針對一個給定的爐102可以存儲多個不同的AE值閾。例如，針對一個給定的爐102，可以存儲預警AE閾值156a和更高的警報AE閾值156b兩者。
[0099]盡管爐102正在運行，但該爐的運行狀況隨時間的變化可以對外殼108施加附加的力，這在一些情況下可以導致爐外殼108的不想要的塑性變形。例如，不受控的爐膛耐火材料112擴張可以造成鋼外殼108的鼓肚變形，并且可以造成外殼108與內部耐火材料110的局部分離。外殼108與耐火材料110之間的分離可以降低冷卻效率，并且可以導致對爐外殼108的進一步破壞。在其他實施例中，外殼108變形可以由耐火磚110的水合(即膨脹(swelling))超過計劃內設計限度造成。局部外殼變形的區(qū)域可能會易于出故障，這可以引起泄出。
[0100]爐102內的侵蝕性的熱狀況和化學狀況，以及熔融浴的運動，也可以促成耐火材料Iio的磨損。通常，耐火材料磨損發(fā)生在爐膛112中，靠近出料口，在壁內最大浴水平以下。耐火材料110的磨損可以通過減薄耐火壁114來影響該爐的結構穩(wěn)定性。熱傳遞也被影響，這可以導致甚至進一步的惡化。而且，由于壁114、爐膛112或出料口的減薄，金屬滲漏的潛在風險增大。
[0101]任何上述狀況都可以擾亂爐102的運行狀況，被例示為干擾階段(interruptphase) 158，引起增加的AE活度和/或AE強度。
[0102]如所例示的，如果使用AE傳感器116所檢測到的AE強度被與一個或多個AE閾值156比較，并且超過所述一個或多個AE閾值156，則控制器120可以產生對應的輸出。在所例示的實施例中，干擾階段158中的第一 AE峰超過了警報AE閾值156b，從而可以從控制器120觸發(fā)警報輸出(例如閃爍的紅光和可聽到的鳴笛)。干擾階段158中的接下來四個AE峰(如在圖5中向右所見)超過了預警AE閾156a，但沒有超過警報AE閾156b。檢測這四個峰可以引起從控制器120的預警輸出(諸如計算機屏幕上的預警顯示和閃爍的黃光)。當AE強度下降到預警AE閾以下時，預警輸出停止。
[0103]優(yōu)選地，AE閾值156被設置為使得該爐的提升爐102的基線AE水平的正常運行——例如運行功率的普遍增大(被例示為功率增大階段160)——將不會觸發(fā)預警或警報輸出。
[0104]可選地，緊急事件或停機AE閾值156c可以被存儲在存儲器142中。在嚴重干擾階段162 (諸如可能發(fā)生在泄出之前或泄出期間)中，由爐102產生的AE強度可以顯著增力口。這樣的增加可以超過預警AE閾156a和警報AE閾156b兩者。如果該AE強度達到停機AE閾156c，則控制器120可以可操作以自動干預爐102的運行。例如，控制器120可以被配置為如果來自爐102的AE信號超過停機AE閾156c，則自動減小供應給該爐102的功率。
[0105]優(yōu)選地，AE閾值156被選擇以使得AE監(jiān)測系統(tǒng)100可以在外殼108達到其故障點之前檢測爐102內的AE事件的源，以及可選地定位爐102內的AE事件的源。在這個配置中，AE監(jiān)測系統(tǒng)100可以被用來幫助在這樣的故障發(fā)生之前預測外殼108上潛在的故障點。
[0106]例如，參照圖5a，在嚴重干擾階段162中的與泄出相關的AE事件(它們通常是高強度的)可在實際的外殼108破裂之前被產生并且被檢測到。被例示為預警階段162a的這些較低水平的預兆AE事件的檢測可以允許系統(tǒng)操作者預測泄出(或其他這樣的事件)將要發(fā)生，并且在實際的破裂發(fā)生之前調節(jié)或關停爐102。
[0107]如果爐102隨后被冷卻(例如在停機期間)，則外殼108可以彈性收縮，但可以保持某一程度的塑性變形。當爐102被重新加熱到基本相同的運行狀況時，諸如在隨后的啟動階段152a期間，外殼108可以經歷彈性擴張(這不包括能量從材料內部的快速釋放，從而不產生AE事件)，但不會經歷任何進一步的塑性變形。在這樣的重新加熱階段152a期間，夕卜殼108不會產生超過運行閾AE值156的AE事件，除非例如新的熱擴張超過了原始熱擴張的量。
[0108]參照圖6，一種運行AE監(jiān)測系統(tǒng)100的方法包含檢測來自爐102內部的聲發(fā)射的步驟600。在步驟602，這些聲發(fā)射被轉換成對應的電信號，并且在步驟604，這些電信號被過濾以分離AE事件與背景噪聲及正常運行聲音。在步驟606，所述AE事件被與一個或多個預先確定的AE閾值比較，并且在步驟608，進行查詢以確定所檢測到的AE事件是否超過了一個或多個閾值156。
[0109]如果該AE事件沒有超過AE閾156，則該方法可以回到步驟600，且繼續(xù)監(jiān)測爐102。替代地，如果該AE事件確實超過了 AE閾156，則該方法可以前進到可選的定位步驟610 (其中該AE事件的源頭170的位置被確定)，或者可以直接前進到步驟612 (其中控制器120產生合適的輸出信號)。
[0110]可選地，該AE監(jiān)測系統(tǒng)可以被配置為識別在外殼中出現(xiàn)的破壞(例如開裂)的類型和嚴重性。在這樣的配置中，所述AE事件可以被假定為像點源(point source)—樣運作，并且可以使用SiGMA方法(簡化的用于矩張量(moment tensor)分析的格林函數)來分析。通過對矩張量應用特征值(eigenvalue)分析，AE事件的源可以被分類成張力開裂或剪應力開裂。開裂蔓延的方向可以從特征向量中得出。
[0111]等式I給出了由開裂引起的波動u(x，t)的數學解的一個實例，其使用矩張量Mm被簡化，其中符號*代表時間上的卷積積分，b(y)代表開裂運動向量，Cmu是彈性常量，Gip,q(x, y, t)是格林函數的空間導數，η是開裂表面的法向量，且I是開裂運動的單位方向向量。S(t)是開裂的源-時間函數，且Λ V是開裂體積。
[0112]Uk(X, t) = Gkpj q(x, y, t)Mpq*S(t)
[0113]f FCpqklb (y) Ι,η# = CpqklIkIi1 [ f Fb (y) dF] = CpqklIkIi1 Δ V = Mpq (I)
[0114]從圖7中示出的樣本AE波形看，到達時間Pl和第一運動振幅P2被確定，并且受到進一步的處理。開裂的分類由對矩張量的特征值分析來執(zhí)行，其中X、Y和Z分別表示剪應力比(shear ratio)、偏張力比(deviatoric tensile ratio)和等方張力比(isotropictensile ratio)。根據SiGMA方法，AE源被基于下列標準分類:
[0115]X < 40%被分類為張力開裂；
[0116]40% < X < 60%被分類為混合模式開裂；
[0117]X > 60%被分類為剪應力開裂。
[0118]關于開裂位置、開裂模式以及發(fā)生時間和速度的信息可以幫助促進對爐102內部的導致外殼108變形和故障的現(xiàn)象的更好理解。
[0119]可選地，控制器120可以被適配為與多個其他傳感器和監(jiān)測設備通信，所述其他傳感器和監(jiān)測設備包括例如:機械應變儀、光學應變儀、阻力應變儀、熱傳感器以及拓撲勘測裝備(諸如激光掃描儀)。來自多個傳感器和監(jiān)測設備的信息可以被處理，以幫助監(jiān)測爐102的結構完整性及其他運行特性。
[0120]除了本文描述的實施方案以外，AE裝備可以適合于許多形式的生產品質控制測試，包括焊接監(jiān)測和泄漏監(jiān)測。
[0121]本發(fā)明在這里僅是通過實施例描述的?？梢詫@些示例性實施方案做出多種修改和變更，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的精神和范圍僅受隨附的權利要求限制。
[0122]該完整性監(jiān)測系統(tǒng)可以被配置為獨立地或組合地使用多個不同類型的傳感器。合適類型的傳感器可以包括例如:聲傳感器、振動傳感器、應變儀、光學傳感器和溫度傳感器。在一些情況下，在完整性監(jiān)測系統(tǒng)內包含多個不同類型的傳感器是有用的，以幫助促進多個類型的數據的采集。可選地，數據的這個組合可以使用常規(guī)系統(tǒng)控制器來處理。為了簡化，下面描述的結構完整性監(jiān)測系統(tǒng)的實施例被描述為具有單個類型的傳感器，然而該系統(tǒng)的其他實施方案可以包含多個不同類型的傳感器。
【權利要求】
1.一種用于監(jiān)測具有爐殼的爐的結構完整性的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: -控制器；以及 -多個聲發(fā)射傳感器，被安裝至所述爐殼，并安裝至所述控制器以向所述控制器提供與在所述爐中產生的聲發(fā)射(AE)事件對應的電信號。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些經由前置放大器耦合至所述控制器。
3.根據權利要求1或3所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些被可移除地安裝至所述爐殼。
4.根據權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些被磁性地安裝至所述爐殼。
5.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些被永久安裝。
6.根據權利要求1至5中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些以預先確定的安裝樣式被安裝至所述爐殼。
7.根據權利要求1至6中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些在與一個或多個爐部件對應的位置被安裝至所述爐殼。
8.根據權利要求1至7中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中安裝在所述爐殼上的所述傳感器中的至少一些的間隔是由選自下列因素的一個或多個因素確定的:所述傳感器中的一些或全部傳感器的特性；全部·所述傳感器中的一些的分辨率；所使用的傳感器的數目；爐部件的位置；以及所述爐的尺寸。
9.根據權利要求1至8中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器中的至少一些對具有聞于選定閾的頻率的聲發(fā)射敏感。
10.根據權利要求1至9中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括過濾模塊以過濾所述電信號。
11.根據權利要求1至9中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過濾模塊濾除在選定閾以下的信號。
12.根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述閾選自以下組成的一組:運行閾AE值；預警AE閾值；警報AE閾值；以及停機AE閾值。
13.根據權利要求1至12中任一權利要求所述的系統(tǒng)，包括不同類型的傳感器。
14.根據權利要求1至13中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括用于提供與所述電信號對應的一個或多個輸出信號的輸出模塊。
15.根據權利要求14所述的系統(tǒng)，其中當所述傳感器中的至少一個檢測到的AE事件的強度超過一個閾時，提供一個輸出信號。
16.根據權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述閾選自以下組成的一組:運行閾AE值；預警AE閾值；警報AE閾值；以及停機AE閾值。
17.根據權利要求1至16中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述輸出信號中的至少一個選自以下組成的一組:預警信號；警報信號；控制信號；傳感器控制信號；以及反饋信號。
18.根據權利要求1至17中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括用于提供與所述電信號有關的信息的顯示設施。
19.根據權利要求1至18中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括用于估計聲發(fā)射事件的源頭的位置的位置模塊。
20.一種監(jiān)測爐的結構的方法，所述方法包括: -將多個聲發(fā)射傳感器安裝到所述爐殼； -從所述聲發(fā)射傳感器中的至少一個接收與在所述爐中產生的聲發(fā)射事件對應的電信號；以及 -分析所述電信號。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括以預先確定的安裝樣式放置所述傳感器中的至少一些。
22.根據權利要求20或21所述的方法，還包括將所述傳感器中的至少一些放置在與一個或多個爐部件對應的位置。
23.根據權利要求20至22中任一權利要求所述的方法，包括基于選自下列因素的一個或多個因素來間隔開安裝在所述爐殼上的傳感器:所述傳感器中的一些或全部傳感器的特性；全部所述傳感器中的一些的分辨率；所使用的傳感器的數目；爐部件的位置；以及所述爐的尺寸。
24.根據權利要求20至23中任一權利要求所述的方法，還包括濾除被少于一個選定數目的傳感器識別的聲發(fā)射。
25.根據權利要求20至23中任一權利要求所述的方法，還包括濾除與所述爐的正常運行噪聲對應的聲發(fā)射。
26.根據權利要求20至25中任一權利要求所述的方法，其中所述控制器包括用于提供與所述電信號有關的信息的顯示設施。
27.根據權利要求20至26中任一權利要求所述的方法，還包括估計聲發(fā)射事件的源頭的位置。
28.根據權利要求20至27中任一權利要求所述的方法，還包括識別一個或多個先兆AE事件。
29.根據權利要求20至27中任一權利要求所述的方法，包括基于爐的運行溫度來應用速度波校正，以使得所估計的聲發(fā)射事件的源頭的位置精確。
30.根據權利要求27或29中任一權利要求所述的方法，包括提供對所估計的聲發(fā)射事件的源頭的位置進行識別的輸出。
【文檔編號】G01N29/14GK103547876SQ201280024578
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月22日 優(yōu)先權日:2011年5月20日
【發(fā)明者】P·B·蓋布斯基, A·薩德里, 應慧麗 申請人:哈茨有限公司