鍋爐水冷壁管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

鍋爐水冷壁管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

冷壁管道是水庫(kù)鍋爐的主要部件，長(zhǎng)期在非常惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。例如，在火、煙、飛灰等環(huán)境中。在服務(wù)過程中，由于腐蝕、磨損和腐敗現(xiàn)象，管道變薄，舊油空氣故出現(xiàn)故障。嚴(yán)重影響了電氣工具的安全和運(yùn)營(yíng)。根據(jù)美國(guó)電力研究所的統(tǒng)計(jì),在過去10a(年)里,全美發(fā)生鍋爐爆管事故累計(jì)高達(dá)4萬(wàn)余次,占整個(gè)火電設(shè)備停運(yùn)事故的80%以上。我國(guó)的情況亦如此,從連續(xù)3a全國(guó)火電100MW及以上發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性報(bào)告中可以看到,鍋爐管道爆漏仍然是火電機(jī)組運(yùn)行不可靠的首要因素,每年由于管道爆漏而損失的電量達(dá)133.89億kWh,占鍋爐事故損失電量的83.3%,直接經(jīng)濟(jì)損失近40億元,而這其中水冷壁管變形和爆管就占近40%。為了有效減少和防止鍋爐管道爆漏事故的發(fā)生,加強(qiáng)鍋爐管材運(yùn)行中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)水冷壁管的檢測(cè)和清掃工作基本上是先搭腳手架,再由人工操作。但是,由于水冷壁管數(shù)量多且高度多在幾十米以上,所以人工檢測(cè)不僅周期長(zhǎng)、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高,而且高空作業(yè)環(huán)境惡劣、易出事故,檢測(cè)精度和清掃質(zhì)量也無(wú)法得到保證。因此設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)機(jī)器人,帶動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在水冷壁管上豎直爬行,順利越障和拐彎,實(shí)現(xiàn)水冷壁管質(zhì)量檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化顯得尤為重要。1表面缺陷檢測(cè)方法目前用于電站鍋爐管道無(wú)損檢測(cè)的主要有超聲、射線和紅外熱成像等方法,這些方法雖然各有優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在一些不足。超聲波檢測(cè)雖然精度高,但由于其實(shí)質(zhì)是接觸式點(diǎn)測(cè),所以檢測(cè)鍋爐管道時(shí)工作量大、速度慢、效率低且只適合作一些條件允許的局部檢測(cè);射線和紅外熱成像方法不便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化和裝置小型化。與超聲波和射線檢測(cè)方法相比,磁性無(wú)損檢測(cè)方法不僅工藝簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快,而且對(duì)鍋爐管材內(nèi)外表面的裂紋、腐蝕和凹坑等缺陷具有很好的判斷能力。如果采用磁性無(wú)損檢測(cè)方法,則在研制自動(dòng)爬行機(jī)器人時(shí)也不必另行考慮吸附方法,檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)難度明顯降低,重量和體積得到有效控制。由于受到水側(cè)氫氧腐蝕和火側(cè)高溫氧化的共同作用,水冷壁管內(nèi)外表面極易產(chǎn)生各種凹坑和裂紋等缺陷,造成管壁減薄,強(qiáng)度和剛度下降,甚至導(dǎo)致水冷壁管變形和爆管。歸納起來(lái),水冷壁管缺陷從特征上可分為內(nèi)外表面缺陷(點(diǎn)蝕、坑蝕和裂紋等)和壁厚減薄等。表面缺陷探傷可采用漏磁方法,壁厚減薄則可采用磁橋路檢測(cè)。由于鋼管截面積變化與霍爾元件信號(hào)輸出值呈線性關(guān)系,因此通過磁敏元件輸出值的大小就能實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別和定位,而缺陷的精確測(cè)量則可通過超聲波探頭完成。將兩種方法結(jié)合,即用漏磁方法普查、超聲精檢,既能保證管道缺陷的檢測(cè)效率,又能實(shí)現(xiàn)管道壁厚的精確測(cè)量。檢測(cè)流程如圖1所示。2基于測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)器人檢測(cè)電站鍋爐在役水冷壁管無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括爬行機(jī)器人、磁性探頭、超聲檢測(cè)探頭、數(shù)據(jù)采集裝置、運(yùn)動(dòng)控制單元、信號(hào)處理與檢測(cè)數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)等。2.1磁吸附力計(jì)算模型磁化裝置設(shè)計(jì)含兩方面的內(nèi)容,即①所設(shè)計(jì)的磁路應(yīng)該能對(duì)水冷壁管實(shí)現(xiàn)飽和磁化,以便管壁缺陷產(chǎn)生出足夠的可檢測(cè)和分辨的磁場(chǎng)信號(hào)。②磁路單元還要能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)奈搅?在保證爬壁機(jī)器人安全爬行的同時(shí)盡可能保證可靠性和安全性。磁路設(shè)計(jì)中,磁吸附力大小的計(jì)算是關(guān)鍵,因?yàn)槲搅μ?吸不住;吸附力太大,又會(huì)增大驅(qū)動(dòng)功率。因此,當(dāng)各部分尺寸、材料類型設(shè)定后,便可針對(duì)管排的特殊壁面,選擇合適的磁性材料、磁塊單元和磁路形式,使磁吸附力滿足系統(tǒng)的要求。根據(jù)爬行機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,通過對(duì)其所受力和力矩的計(jì)算,不難得出系統(tǒng)摩擦力F與其重量G(包括自重及懸掛電纜之和)之間的關(guān)系F=nμf>G2即n>G2μfF=nμf>G2即n>G2μf式中n——所用磁塊數(shù)量μ——摩擦系數(shù)f——單個(gè)磁塊的吸附力單個(gè)磁塊的吸附力可由下式計(jì)算得到f=(Bq4965)2Sf=(Bq4965)2S式中Bq——?dú)庀洞磐芏萐——?dú)庀秲蛇叜?dāng)量磁極面積選擇釹鐵硼(NdFeB)永磁材料,則其磁感應(yīng)強(qiáng)度Bq可由下式直接求出Bq=BmAmσAqBq=BmAmσAq式中Bm——工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小Am——極面積σ——漏磁系數(shù)Aq——?dú)庀睹娣e這樣,如果選擇尺寸為40mm×20mm×10mm的單個(gè)磁塊,就很容易計(jì)算出其磁吸附力。綜合考慮水冷壁管的飽和磁化需要,將60個(gè)磁塊按10個(gè)×3個(gè)分別排成兩個(gè)單元構(gòu)成磁化裝置的兩個(gè)磁極,選用A3鋼制造磁軛,以減少磁阻,增大磁通密度,有利于增加磁力。2.2檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法的選擇有很大的關(guān)系,不同的檢測(cè)方法會(huì)給機(jī)器人在吸附方式、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面帶來(lái)很大差異。由于采用了磁性無(wú)損檢測(cè)方法,所以在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人時(shí)不必另行選擇吸附方法和設(shè)計(jì)吸附機(jī)構(gòu),檢測(cè)裝置的重量和體積得到了有效控制,有利于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置小型化和檢測(cè)過程自動(dòng)化。為保證機(jī)器人平穩(wěn)爬行,順利越障和拐彎,減少振動(dòng)和沖擊對(duì)采集信號(hào)的影響,提高檢測(cè)效率,設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由直流電機(jī)4、同步傳動(dòng)系統(tǒng)6、滾輪副(零件8,9,10)、面板2、磁化裝置3和檢測(cè)探頭5等部分組成。帶有減速裝置的直流電機(jī)直接通過兩根同步帶傳遞扭矩,驅(qū)動(dòng)前后四個(gè)滾輪沿管道軸向運(yùn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)三個(gè)磁性檢測(cè)探頭橫掃被測(cè)管道的每個(gè)截面,在線記錄管壁缺陷數(shù)據(jù),通過光電編碼器實(shí)現(xiàn)缺陷的空間定位。其總體尺寸約為380mm×240mm×180mm,進(jìn)出爐膛十分方便。爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):(1)為降低噪聲,保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行,避免出現(xiàn)扭偏和“卡死”現(xiàn)象,選用一臺(tái)直流電機(jī)和同步帶(輪)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前后四個(gè)滾輪副。其中電機(jī)自帶減速裝置,速度可調(diào)。(2)8個(gè)滾輪由同步帶兩兩聯(lián)結(jié)成四組輪副,每組輪副均能繞著驅(qū)動(dòng)齒輪(零件7)的軸心旋轉(zhuǎn),所以機(jī)器人在拐彎或遇到表面障礙物時(shí),滾輪總能與管壁表面保持良好接觸,減少了傾覆和翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生,提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的安全性。(3)由于滾輪的支撐作用,磁化裝置與被測(cè)管道外表面始終保持約6mm的間隙,減小了磁化裝置下表面積塵對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)安全性的影響。(4)半圓形探頭能夠上下靈活浮動(dòng),徑向運(yùn)動(dòng)無(wú)阻卡現(xiàn)象,便于通過表面障礙物。2.3超聲波接頭固定裝置和抬放機(jī)構(gòu)在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境及檢測(cè)精度、靈敏度、信噪比等要求選擇超聲波探頭時(shí),還應(yīng)重點(diǎn)考慮探頭抬放靈活、檢測(cè)時(shí)能與管壁接觸良好、探頭與管壁面的垂直度、自動(dòng)添加空中耦合劑、遠(yuǎn)距離控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。為此①設(shè)計(jì)了超聲波探頭固定裝置和抬放機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)安裝在爬行機(jī)器人本體上,由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)使探頭能適時(shí)抬放、跨越一定高度的障礙,同時(shí)探頭能作左右、上下移動(dòng)和沿管道外表面的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。②改造現(xiàn)有超聲波探頭實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。一般超聲波探頭的串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232口,適用于距離在20m以內(nèi)的數(shù)據(jù)通信,很難滿足遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰６鳵S485串行口則具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單、通信距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),所以設(shè)計(jì)了RS232和RS485的接口轉(zhuǎn)換電路,對(duì)現(xiàn)有超聲波探頭進(jìn)行適當(dāng)改造,解決了系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。2.4分布式檢測(cè)控制模式控制系統(tǒng)主要完成爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、直流電機(jī)速度調(diào)整、爬行糾偏和超聲波探頭多自由度控制等功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),考慮到工作環(huán)境惡劣,干擾因素多而復(fù)雜等因素的影響,整個(gè)系統(tǒng)采用分布式控制模式,由計(jì)算機(jī)控制可編程控制器分別驅(qū)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)器模塊。采用便攜式計(jì)算機(jī)完成爬行裝置工作參數(shù)的設(shè)置和計(jì)算、控制命令的輸出、工作狀態(tài)的顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取與處理、結(jié)果顯示及打印等?？删幊炭刂破饔捎?jì)算機(jī)的控制指令完成機(jī)器人上、下爬行、超聲波探頭驅(qū)動(dòng)和糾偏裝置驅(qū)動(dòng)等功能。2.5數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)處理軟件主要包含信號(hào)標(biāo)定、波形顯示與打印、數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)、信號(hào)分析、文件管理和檢測(cè)報(bào)告生成等功能,其中信號(hào)分析則實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征量的提取、數(shù)字濾波、缺陷形態(tài)參數(shù)反演與爐膛內(nèi)火側(cè)水冷壁管的壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)成像等。3多次檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理在實(shí)驗(yàn)室條件下,選取三根直徑為?60mm、長(zhǎng)4m的新水冷壁管為樣管,按照熱電廠管道焊接標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行焊接。在第一根管道軸向相距300mm的管壁上分別鉆?3.2mm和?1.6mm通孔各一個(gè),在第二根管道軸向相距150mm的管壁外表面分別打上深度為2mm和1mm的凹坑。用前述探頭和相應(yīng)磁性無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了多次檢測(cè),采集了100多組數(shù)據(jù),圖3所示為其中的一組。圖3的信號(hào)波形表明,系統(tǒng)能正確分辨管壁上?3.2mm和?1.6mm的通孔(圖3a中超過報(bào)警線的Ⅰ,Ⅱ兩處)和深度>1mm的腐蝕坑(圖3b中超過報(bào)警線的Ⅲ,Ⅳ兩處)。從圖3c可以看出,系統(tǒng)對(duì)管材的壁厚變化雖然反映不明顯,但還是表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性,主要原因在于:(1)水冷壁管是內(nèi)螺旋管,其內(nèi)部螺紋實(shí)際上相當(dāng)于壁厚有規(guī)律的變化,所以圖3c壁厚檢測(cè)波形的峰、谷值出現(xiàn)了一定的規(guī)律性。(2)由于內(nèi)螺旋管成型過程中棒芯和鋼管的相對(duì)抖動(dòng),造成了內(nèi)螺紋深度和螺距的誤差,反映在信號(hào)上就是幅值和周期的變化。(3)樣管是新管,所以管壁內(nèi)外表面的毛刺和局部不平度等構(gòu)成了較強(qiáng)的背景噪聲,對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生了一定的影響,可采用合