專利名稱：基于libs的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析技術(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快速分析方法。
背景技術(shù)：
在火力發(fā)電行業(yè)，金屬材料的安全問題至關(guān)重要，尤其是被稱為“四管”的水冷壁管、省煤器管、過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)系到整個電廠的安全。隨著機組大容量、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期運行，同時由于調(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。在這類工況條件下的長期運行會導(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)測技術(shù)，現(xiàn)役電廠往往通過降低機組運行參數(shù)，未到期更換受熱面管等措施，通過犧牲經(jīng)濟性來降低受熱面爆管事故發(fā)生率。所以預(yù)測受熱面材料的高溫失效趨勢，在停爐檢修時快速準(zhǔn)確地判斷受熱面的使用狀態(tài)，可以減少機組的非計劃停機，提高機組可用率。目前國內(nèi)外對高溫金屬部件的狀態(tài)檢測主要是在停爐檢修時進行，利用具有破壞性的割管檢測和無損檢測等技術(shù)。割管檢測主要是檢查化學(xué)成分、金相組織及損傷老化評定、常溫和高溫短時力學(xué)性能試驗、碳化物相成分與相結(jié)構(gòu)分析、異種鋼焊接接頭的試驗等。通過割管檢測可以得到該管段較詳細的狀態(tài)信息，但這樣會對管段造成破壞，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)代無損檢測技術(shù)是在不損傷被測物體的結(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，對重要零部件進行檢測和測量，探測材料和設(shè)備構(gòu)件的已有缺陷，判斷其位置、大小、形狀和種類，并對材料性能進行評價。目前采用的無損檢測監(jiān)測技術(shù)主要有射線檢測、交流電位降法檢測、電磁感應(yīng)渦流檢測、磁檢測、滲透檢測、超聲和紅外檢測等，以對高溫受熱面已有的缺陷進行檢測。對于高溫受熱面，當(dāng)缺陷出現(xiàn)時，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)測其失效的趨勢，則可以針對性的重點監(jiān)督存在安全隱患的受熱面管道，存在明顯失效趨勢的可以提前更換部件，避免出現(xiàn)重大的安全事故。因此，本發(fā)明提出了一種基于LIBS技術(shù)的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)的鍋爐受熱面高溫失效分析需要割管，而無損檢測只能探測已有缺陷的實際情況，提出了一種基于LIBS的受熱面高溫失效趨勢的快速分析方法。利用激光等離子體光譜受被測對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快速失效分析儀對重點區(qū)域受熱面管道進行檢測，快速判斷材料的使用狀態(tài)，并預(yù)測其失效的趨勢。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下?；贚IBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，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的受熱面管道表面，使檢測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，得到被測管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)，從而預(yù)測被檢測管道的失效趨勢。重復(fù)進行上述操作可以對不同的管道部位進行失效趨勢的快速判斷。進一步的，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度和強度比、等離子體溫度和電子密度。進一步的，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)以及硬度和強度指標(biāo)。進一步的，所述組織狀態(tài)包括珠光體球化、碳化物相結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變、馬氏體相變。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
本發(fā)明利用了 LIBS技術(shù)受被測對象特性變化敏感的特點，提供了一種基于LIBS的受熱面高溫失效趨勢快速分析的方法，相對已有檢測方法和儀器，具有無需割管，攜帶方便，分析速度快(發(fā)出脈沖激光至得到失效趨勢數(shù)據(jù)的分析時間約為30s)，可以在停爐檢修期間對受熱面管道進行宏觀缺陷出現(xiàn)前存在的失效趨勢進行判斷。通過本發(fā)明的應(yīng)用，可以快速判斷受熱面管道材料的失效趨勢，根據(jù)實際情況及時更換，以保證鍋爐正常運行的安全性，降低非計劃停機的概率。本發(fā)明能在現(xiàn)場快速獲得受檢樣品的失效趨勢，提高停爐期間金屬檢查的效率。


圖1是本發(fā)明的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法流程圖。圖2基于主成份分析的不同服役時間受熱面材料整體光譜數(shù)據(jù)歸類圖。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為實施方式中基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式 以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明的具體實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施和保護范圍不限于此。本實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，在進行現(xiàn)場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、強度和硬度)和激光等離子體光譜特征指標(biāo)(譜線強度及強度比、等離子體溫度和電子密度)之間的關(guān)聯(lián)式，其過程包括如下步驟
1)搜集不同服役時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，檢測所搜集的受熱面材料的金相組織、強度和硬度指標(biāo)；
3)將以上檢測過的受熱面材料進行LIBS測量，分析等離子體光譜特征指標(biāo)與材料的金相組織、強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間受熱面材料整體光譜數(shù)據(jù)歸類如圖2所示，硬度與譜線強度比之間的關(guān)聯(lián)性如圖3所示。作為實例，圖4中的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置，包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測模塊、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、光譜探測模塊和分析模塊連接，分析模塊與光譜探測模塊連接，光譜探測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的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測模塊，光譜探測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的管道上，光學(xué)組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發(fā)射的光譜傳送至光譜探測模塊，光譜探測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。進一步的，可以通過管道表面聚焦點校準(zhǔn)光路確定激光在管道表面上的聚焦點位置。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)場受熱面材料失效趨勢的快速分析，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區(qū)域，將便攜式的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置的激光輸出面向待測受熱面管道表面，保持距離在激發(fā)脈沖激光聚焦點附近，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，由被測管道得到的譜線強度比得到相應(yīng)的硬度值，同時將被測管道整體的光譜數(shù)據(jù)進行主成份分析(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所示的歸類區(qū)域中，獲得被測管道所處的狀態(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)測被檢測管道的失效趨勢。
權(quán)利要求
1.基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，其特征在于，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的受熱面管道表面，使檢測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，得到被測管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)，從而預(yù)測被檢測管道的失效趨勢。
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快速分析方法其特征在于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度和強度比、等離子體溫度和電子密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，其特征在于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)以及硬度和強度指標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，其特征在于所述組織狀態(tài)包括珠光體球化、碳化物相結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變、馬氏體相變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析方法，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的受熱面管道表面，使檢測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，得到被測管道的組織狀態(tài)和力學(xué)性能指標(biāo)，從而預(yù)測被檢測管道的失效趨勢。本發(fā)明無需割管即可對受熱面結(jié)構(gòu)特性和機械性能進行快速分析，在宏觀缺陷出現(xiàn)前判斷其失效的趨勢，可以有效提高檢修期間金屬檢查的效率，促進快速失效分析技術(shù)的發(fā)展。
文檔編號G01N21/63GK103018216SQ201210503080
公開日2013年4月3日 申請日期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 申請人:華南理工大學(xué)