锅炉水冷壁管无损检测技术研究.docx

锅炉水冷壁管无损检测技术研究 冷壁管道是水库锅炉的主要部件，长期在非常恶劣的环境中运行。例如，在火、烟、飞灰等环境中。在服务过程中，由于腐蚀、磨损和腐败现象，管道变薄，旧油空气故出现故障。严重影响了电气工具的安全和运营。根据美国电力研究所的统计,在过去10a(年)里,全美发生锅炉爆管事故累计高达4万余次,占整个火电设备停运事故的80%以上。我国的情况亦如此,从连续3a全国火电100MW及以上发电机组运行可靠性报告中可以看到,锅炉管道爆漏仍然是火电机组运行不可靠的首要因素,每年由于管道爆漏而损失的电量达133.89亿kWh,占锅炉事故损失电量的83.3%,直接经济损失近40亿元,而这其中水冷壁管变形和爆管就占近40%。为了有效减少和防止锅炉管道爆漏事故的发生,加强锅炉管材运行中的质量监测和检验具有十分重要的现实意义。 传统水冷壁管的检测和清扫工作基本上是先搭脚手架,再由人工操作。但是,由于水冷壁管数量多且高度多在几十米以上,所以人工检测不仅周期长、工作效率低、劳动强度大、费用高,而且高空作业环境恶劣、易出事故,检测精度和清扫质量也无法得到保证。因此设计一个检测机器人,带动检测系统在水冷壁管上竖直爬行,顺利越障和拐弯,实现水冷壁管质量检测的自动化和智能化显得尤为重要。 1 表面缺陷检测方法 目前用于电站锅炉管道无损检测的主要有超声、射线和红外热成像等方法,这些方法虽然各有优点,但同时也存在一些不足。超声波检测虽然精度高,但由于其实质是接触式点测,所以检测锅炉管道时工作量大、速度慢、效率低且只适合作一些条件允许的局部检测;射线和红外热成像方法不便于实现检测自动化和装置小型化。与超声波和射线检测方法相比,磁性无损检测方法不仅工艺简单、检测灵敏度高、检测速度快,而且对锅炉管材内外表面的裂纹、腐蚀和凹坑等缺陷具有很好的判断能力。如果采用磁性无损检测方法,则在研制自动爬行机器人时也不必另行考虑吸附方法,检测装置的设计难度明显降低,重量和体积得到有效控制。 由于受到水侧氢氧腐蚀和火侧高温氧化的共同作用,水冷壁管内外表面极易产生各种凹坑和裂纹等缺陷,造成管壁减薄,强度和刚度下降,甚至导致水冷壁管变形和爆管。归纳起来,水冷壁管缺陷从特征上可分为内外表面缺陷(点蚀、坑蚀和裂纹等)和壁厚减薄等。表面缺陷探伤可采用漏磁方法,壁厚减薄则可采用磁桥路检测。由于钢管截面积变化与霍尔元件信号输出值呈线性关系,因此通过磁敏元件输出值的大小就能实现缺陷识别和定位,而缺陷的精确测量则可通过超声波探头完成。将两种方法结合,即用漏磁方法普查、超声精检,既能保证管道缺陷的检测效率,又能实现管道壁厚的精确测量。检测流程如图1所示。 2 基于测试系统的机器人检测 电站锅炉在役水冷壁管无损检测机器人系统主要包括爬行机器人、磁性探头、超声检测探头、数据采集装置、运动控制单元、信号处理与检测数据成像系统等。 2.1 磁吸附力计算模型 磁化装置设计含两方面的内容,即① 所设计的磁路应该能对水冷壁管实现饱和磁化,以便管壁缺陷产生出足够的可检测和分辨的磁场信号。② 磁路单元还要能够产生适当的吸附力,在保证爬壁机器人安全爬行的同时尽可能保证可靠性和安全性。 磁路设计中,磁吸附力大小的计算是关键,因为吸附力太小,吸不住;吸附力太大,又会增大驱动功率。因此,当各部分尺寸、材料类型设定后,便可针对管排的特殊壁面,选择合适的磁性材料、磁块单元和磁路形式,使磁吸附力满足系统的要求。 根据爬行机构的静力学和运动学模型,通过对其所受力和力矩的计算,不难得出系统摩擦力F与其重量G(包括自重及悬挂电缆之和)之间的关系 F=nμfG2即nG2μfF=nμfG2即nG2μf 式中n——所用磁块数量 μ——摩擦系数 f——单个磁块的吸附力 单个磁块的吸附力可由下式计算得到 f=(Bq4965)2Sf=(Bq4965)2S 式中Bq——气隙磁通密度 S——气隙两边当量磁极面积 选择钕铁硼(NdFeB)永磁材料,则其磁感应强度Bq可由下式直接求出 Bq=BmAmσAqBq=BmAmσAq 式中Bm——工作点磁感应强度大小 Am——极面积 σ——漏磁系数 Aq——气隙面积 这样,如果选择尺寸为40mm×20mm×10mm的单个磁块,就很容易计算出其磁吸附力。综合考虑水冷壁管的饱和磁化需要,将60个磁块按10个×3个分别排成两个单元构成磁化装置的两个磁极,选用A3钢制造磁轭,以减少磁阻,增大磁通密度,有利于增加磁力。 2.2 检测机器人结构设计 检测机器人的结构设计与检测方法的选择有很大的关系,不同的检测方法会给机器人在吸附方式、驱动装置、机械结构设计等多方面带来很大差异。由于采用了磁性无损检测方法,所以在设计爬壁机器人时不必另行选择吸附方法和设计吸附机构,检测装置的重量和体积得到了有效控制,有利于实现检测装置小型化和