專利名稱：基于libs的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析技術領域，具體涉及基于激光誘導擊穿光譜(LIBS)的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置。
背景技術：
在火力發電行業，金屬材料的安全問題至關重要，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部主要的受熱面結構件，其安全性直接關系到整個電廠的安全。隨著機組大容量、高參數的發展，受熱面需要在更高的溫度和壓力條件下長期運行，同時由于調峰任務的要求，受熱面需要承受更頻繁的交變熱應力作用。在這類工況條件下的長期運行會導致材料的組織和特性指標發生變化，逐漸發生老化和損傷，產生裂紋和內傷。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測技術，現役電廠往往通過降低機組運行參數，未到期更換受熱面管等措施，通過犧牲經濟性來降低受熱面爆管事故發生率。所以預測受熱面材料的高溫失效趨勢，在停爐檢修時快速準確地判斷受熱面的使用狀態，可以減少機組的非計劃停機，提高機組可用率。目前國內外對高溫金屬部件的狀態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。割管檢測主要是檢查化學成分、金相組織及損傷老化評定、常溫和高溫短時力學性能試驗、碳化物相成分與相結構分析、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信息，但這樣會對管段造成破壞，而且有限管段的狀態信息不能完全代表其他管段的使用狀態。現代無損檢測技術是在不損傷被測物體的結構性能和使用性能的基礎上，利用聲、光、電、熱、磁和射線等與物質相互作用的特點，對重要零部件進行檢測和測量，探測材料和設備構件的已有缺陷，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測技術主要有射線檢測、交流電位降法檢測、電磁感應渦流檢測、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，當缺陷出現時，就存在巨大的安全隱患。如果在停爐檢修期間，能在受熱面出現缺陷前預測其失效的趨勢，則可以針對性的重點監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，避免出現重大的安全事故。因此，本實用新型提出了一種基于LIBS技術的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置，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。
實用新型內容本實用新型針對傳統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裝置。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上使用便攜式的LIBS快速失效分析儀對重點區域受熱面管道進行檢測，快速判斷材料的使用狀態，并預測其失效的趨勢。本實用新型的具體技術方案如下。基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置，其包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測模塊、分析模塊和光學組件，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，所述光學組件用于將脈沖激光光源模塊產生的激光匯聚至待檢測的管道上，光學組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發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特性的光譜特征指標，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標。進一步的，所述激光光源模塊包括脈沖激光器。進一步的，所述光譜探測模塊由平面光柵和CXD組成。進一步的，所述分析模塊則包括了基本的控制器和數據采集與處理部件。上述基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢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射的光譜信息，提取表征受熱面管道物理和化學特性的光譜特征指標，利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標，從而預測被檢測管道的失效趨勢。重復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。所述等離子體光譜特性指標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。所述受熱面管道材料的組織和力學性能指標包括組織狀態以及硬度和強度指標。所述組織狀態包括珠光體球化、碳化物相結構類型轉變、馬氏體相變。與現有技術相比 ，本實用新型具有如下優點:本實用新型利用了 LIBS技術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(發出脈沖激光至得到失效趨勢數據的分析時間約為30s)，可以在停爐檢修期間對受熱面管道進行宏觀缺陷出現前存在的失效趨勢進行判斷。通過本實用新型的應用，可以快速判斷受熱面管道材料的失效趨勢，根據實際情況及時更換，以保證鍋爐正常運行的安全性，降低非計劃停機的概率。本實用新型能在現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是本實用新型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據歸類圖。圖3是受熱面材料的激光等離子體光譜特性指標與組織狀態和力學性能指標的關聯性示意圖。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構示意圖。
具體實施方式
[0019]
以下結合附圖和實例對本實用新型的具體實施作進一步說明，但本實用新型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，在進行現場快速分析之前獲取受熱面材料組織和力學性能指標(金相組織、強度和硬度)和激光等離子體光譜特征指標(譜線強度及強度比、等離子體溫度和電子密度)之間的關聯式，其過程包括如下步驟:I)搜集不同服役時間的典型受熱面材料，包括新材料和已經爆管的材料；2)利用現有方法和設備，檢測所搜集的受熱面材料的金相組織、強度和硬度指標；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與材料的金相組織、強度和硬度之間的相關性，獲得相應的關聯式。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據歸類如圖2所示，硬度與譜線強度比之間的關聯性如圖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，所述光學組件用于將脈沖激光光源模塊產生的激光匯聚至待檢測的管道上，光學組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發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特性的光譜特征指標，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標。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據采集與處理部件(如工業級微處理器)，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，以上部件均選用現有成熟產品或模塊進行集成。所述光學組件用于將脈沖激光光源模塊產生的激光匯聚至待檢測的管道上，光學組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發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特性的光譜特征指標，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標。光學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射光譜信號。進一步的，可以通過管道表面聚焦點校準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之間的關聯性用于現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，根據宏觀檢查確定需要檢查的重點區域，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，保持距離在激發脈沖激光聚焦點附近，如圖4所示。2)利用脈沖激光激發受熱面材料形成等離子體，由內置于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特性的光譜數據，提取等離子體光譜特征指標，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與材料組織和力學性能指標之間的關聯式，由被測管道得到的譜線強度比得到相應的硬度值，同時將被測管道整體的光譜數據進行主成份分析(即采用現有的主成分分析法)，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所示的歸類區域中，獲得被測管道所處的狀態。結合這兩種相關性關系，綜合判斷材料的使用狀態，并預測被檢測管道的失效趨勢。
權利要求1.基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置，其特征在于包括電源模塊、脈沖激光光源模塊、光譜探測模塊、分析模塊和光學組件，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，所述光學組件用于將脈沖激光光源模塊產生的激光匯聚至待檢測的管道上，光學組件還用于將所述等離子體膨脹冷卻過程中發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特性的光譜特征指標，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標。
2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的基于LIBS的鍋爐受熱面高溫失效趨勢快速分析裝置，其特征在于所述光譜探測模塊由平面光柵和CCD組成。
4.根據權利要求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據采集與處理部件。
專利摘要本實用新型公開了基于LIBS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，所述分析模塊利用激光等離子體光譜特征指標與材料組織和力學性能指標之間的關聯性，得到被測管道的組織狀態和力學性能指標。本實用新型無需割管即可對受熱面結構特性和機械性能進行快速分析，在宏觀缺陷出現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的發展。
文檔編號G01N21/63GK202939128SQ20122064873
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者姚順春, 陸繼東, 董美蓉, 李軍, 張博 申請人:華南理工大學