主動溫差激勵(lì)狀態(tài)下有機(jī)熱載體鍋爐的結(jié)垢檢測技術(shù)研究

姚國平 余煥偉 鄭小騰

(紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興 312071)

主動溫差激勵(lì)狀態(tài)下有機(jī)熱載體鍋爐的結(jié)垢檢測技術(shù)研究

姚國平 余煥偉 鄭小騰

(紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興 312071)

以導(dǎo)熱油為介質(zhì)的有機(jī)熱載體鍋爐因其運(yùn)行溫度高，使用不當(dāng)易發(fā)生有機(jī)熱載體裂解和性能劣化、受熱面結(jié)垢、過熱，且較難通過宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常導(dǎo)致鍋爐失效和火災(zāi)。本文提出了一種主動溫差激勵(lì)的方法，研究了溫差激勵(lì)下受熱面結(jié)垢區(qū)域的外壁溫度變化，并結(jié)合檢驗(yàn)實(shí)例探索了一種有機(jī)熱載體鍋爐結(jié)垢檢驗(yàn)新方法。

有機(jī)熱載體鍋爐 結(jié)垢 過熱 主動溫差激勵(lì)

有機(jī)熱載體鍋爐俗稱導(dǎo)熱油鍋爐，以導(dǎo)熱油為循環(huán)介質(zhì)供熱的熱能設(shè)備，具有高溫（320℃以上）低壓（0.3MPa~0.5MPa）的優(yōu)點(diǎn)，是一種安全、高效、節(jié)能的供熱設(shè)備。但是，由于有機(jī)熱載體鍋爐需要以導(dǎo)熱油為介質(zhì)，在爐內(nèi)高溫燃?xì)饣蚧鹧娴沫h(huán)境中被加熱，使用不當(dāng)易發(fā)生有機(jī)熱載體裂解和性能劣化、受熱面結(jié)垢、過熱[1，2]，從而引發(fā)嚴(yán)重后果。現(xiàn)有的有機(jī)熱載體鍋爐外檢很難檢查出鍋爐受熱面管的過熱，而有機(jī)熱載體鍋爐一般為強(qiáng)制循環(huán)，煙道布置密排的蛇形對流受熱面管，所發(fā)生超溫過熱現(xiàn)象即使在停爐狀態(tài)也難以通過內(nèi)檢檢查發(fā)現(xiàn)，因此，很有必要開發(fā)一種新的有機(jī)熱載體鍋爐結(jié)垢（過熱）檢驗(yàn)方法。

紅外熱波檢測技術(shù)是建立在電磁輻射和熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)上的一門無損檢測技術(shù)，主要是根據(jù)被探測物體的溫度場來確定缺陷的存在和形狀[3]。該技術(shù)在國外已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電力、石油管道等領(lǐng)域，對被檢對象的裂紋、疲勞、腐蝕和焊接狀況進(jìn)行檢測等，具有非接觸、精度高、圖像直觀、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4-7]。本文將紅外熱波無損檢測技術(shù)引入有機(jī)熱載體鍋爐檢測領(lǐng)域，采用主動溫差激勵(lì)的方法使受熱面管結(jié)垢區(qū)域外壁溫度分布發(fā)生改變，再通過紅外熱成像儀對外壁溫度進(jìn)行對比檢測，找到溫度分布異常的結(jié)垢區(qū)域；采用有限差分的方法建立管壁結(jié)垢時(shí)的導(dǎo)熱油流動傳熱分析模型，對導(dǎo)熱油鍋爐受熱面管的過熱結(jié)垢進(jìn)行模擬及反演預(yù)測，為有機(jī)熱載體鍋爐的紅外熱波檢測提供理論指導(dǎo)。

1 紅外熱波無損檢測實(shí)例

鍋爐型號YJW-12000(1000)J，介質(zhì)為聯(lián)苯-聯(lián)苯醚，燃料為水煤漿；鍋爐本體為強(qiáng)制液相循環(huán)，出口配閃蒸罐，工藝系統(tǒng)為氣相介質(zhì)循環(huán)。該爐型有雙對流管束（下稱蛇形管）在尾部左右對稱布置，每組蛇形管在爐頂布置4個(gè)檢查孔、側(cè)墻和后墻各置1個(gè)檢查孔；檢測對象為一組介質(zhì)同向流動的并列蛇形管。選取尾部左側(cè)蛇形管組作為檢查對象，外觀檢查對流管部位檢查孔的布置及孔內(nèi)外周邊情況，該爐型有雙對流管束在尾部左右對稱布置，每組對流管束在爐頂布置4個(gè)檢查孔、側(cè)墻和后墻各布置1個(gè)檢查孔。對檢查孔進(jìn)行編號，分別為頂左1~頂左4、側(cè)左1、后左1，頂右1~頂右4、側(cè)右1、后右1。

根據(jù)便于對流管束最大溫差比較，同時(shí)盡可能體現(xiàn)對比作用的原則，本次檢驗(yàn)中選取同一管子的上、下部位的頂左1、側(cè)左1檢查孔和相近管子的上、下部位的頂左4、后左1檢測孔，位置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測孔位置示意圖

2 紅外熱波無損檢測結(jié)果分析

由于檢測對象已經(jīng)停爐一段時(shí)間，整體爐溫較低，因此本次試驗(yàn)采用“升溫激勵(lì)法”：導(dǎo)熱油溫度從常溫升至40℃，40℃恒溫，升至60℃，60℃恒溫，升至80℃， 80℃恒溫。按上下或前后兩處作為對比組，利用紅外熱成像儀測量并記錄前述四個(gè)孔內(nèi)管子的溫度變化情況，選取反映存在溫差異常的檢測記錄片斷，見表1。

表1 蛇形管不同測溫點(diǎn)的典型紅外測溫溫度值(℃)

表1中上下測點(diǎn)指同一蛇形管片的上下段，檢測序號指測點(diǎn)按時(shí)間順序編號（間隔時(shí)間為10s~15s），從紅外測溫?cái)?shù)據(jù)可以看出：1)同一蛇形管中，上管段溫度高于下管段溫度；2)同一時(shí)刻，爐后、爐側(cè)蛇形管的上部區(qū)域溫度相近；3)同一時(shí)刻，側(cè)面蛇形管的下部區(qū)域溫度較低。4）測試期間除爐后下部管段因位置原因在測試中難以測得即時(shí)時(shí)刻的溫度最高值，導(dǎo)致偏差較大外，其它各管段的溫度測量值標(biāo)準(zhǔn)差都不超過0.4℃。

導(dǎo)熱油在蛇形管內(nèi)是從上部流向下部，爐后和爐側(cè)蛇形管的上部區(qū)域?qū)?yīng)著蛇形管的入口初始段，兩處的檢測溫度相近，其檢測結(jié)果平均值分別為78.5℃和78.8℃，這與導(dǎo)熱油從集箱分流到各支蛇形管的實(shí)際相符。爐后和爐側(cè)蛇形管的下部區(qū)域的溫度理論上也應(yīng)一致，但紅外檢測結(jié)果表明其溫度平均值分別為74.5℃和71.1℃，二者存在較大的溫度差異，進(jìn)一步試驗(yàn)排除了由于爐門開關(guān)等因素的影響，認(rèn)為此處溫度異常與該部位管段內(nèi)外導(dǎo)熱性能相關(guān)，是受管壁過熱結(jié)垢引起的。對懷疑結(jié)垢的左側(cè)蛇形管溫差最大部位進(jìn)行復(fù)膜金相檢測，如圖2所示，圖2中金相組織為鐵素體+少量碳化物，其中黑色的碳化物組織主要富集在晶粒的交界面，表明碳原子已向晶界擴(kuò)散或從鐵的固溶物中析出，這說明此處已發(fā)生長期過熱，定義為疑似結(jié)垢過熱區(qū)。

圖2 左側(cè)蛇形管溫差最大部位的復(fù)膜金相組織

3 導(dǎo)熱油鍋爐受熱面管結(jié)垢后壁溫模擬

3.1 導(dǎo)熱油及受熱面管溫度場模擬

當(dāng)采用紅外熱波法檢測有機(jī)熱載體鍋爐是否存在管壁結(jié)垢時(shí)，需要利用導(dǎo)熱油對受熱面管進(jìn)行溫度激勵(lì)，如果管路系統(tǒng)溫度較高，可以采用低溫導(dǎo)熱油，反之采用高溫導(dǎo)熱油。取導(dǎo)熱油流體及管壁的徑向步長Δr=4mm，流動步長Δx=10mm，利用編寫的有限差分計(jì)算程序?qū)Ω邷貙?dǎo)熱油流過250m鋼制盤管時(shí)的溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算，主要參數(shù)如下：盤管壁厚3mm，內(nèi)徑為30mm，導(dǎo)熱系數(shù)λg=60w/(m·℃)，密度ρg=7850kg/m3，比熱容Cg=460J/kg·℃；導(dǎo)熱油為聯(lián)苯-聯(lián)苯醚，導(dǎo)熱系數(shù)λf=0.098w/(m·℃)，密度ρf=990kg/m3，比熱容Cf=1901J/kg·℃，流速v=0.04m/s，導(dǎo)熱油的入口溫度T0=20℃，管壁溫度初值T1=200℃。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可以看出，隨著導(dǎo)熱油流動，熱量不斷從管壁傳向中心流體，由于熱傳導(dǎo)系數(shù)的差異，管壁溫度在徑向方向基本趨于一致，而導(dǎo)熱油溫度在徑向方向有較大差別。

圖3 導(dǎo)熱油流體及受熱面管的溫度分布圖

當(dāng)導(dǎo)熱油管壁有油垢存在時(shí)，由于油垢的熱阻作用，在導(dǎo)熱油的溫差激勵(lì)下此處管壁溫度表現(xiàn)出明顯差異。圖4模擬的是250m長導(dǎo)熱油管0.6~0.7倍管段處存在1mm厚油垢層時(shí)的溫度分布情況，可以看出此處管壁的溫度要明顯高于其臨近管壁，呈現(xiàn)出“熱島”現(xiàn)象。如果能通過紅外熱成像儀檢測到這種管壁外側(cè)溫度差異，也可以反過來判斷管壁內(nèi)側(cè)是否有油垢存在。

圖4 存在油垢時(shí)的導(dǎo)熱油及受熱面管的溫度分布圖

3.2 現(xiàn)場檢測實(shí)例的溫度場模擬

利用開發(fā)的有限差分計(jì)算程序?qū)募溟_始30m管段內(nèi)的導(dǎo)熱油流體及受熱面管的溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，從導(dǎo)熱油流體中心到爐管壁外側(cè)的溫度徑向分布如圖5所示，在管長2.5m~3.5m處對應(yīng)著蛇形管上部區(qū)域的外管壁模擬溫度在79.0℃~78.0℃，這與實(shí)際檢測溫度基本相符；在管長6.0m~7.0m處對應(yīng)著蛇形管下部區(qū)域的外管壁模擬溫度在75.5℃~74.0℃，這與爐后蛇形管下部區(qū)域的壁溫測量值基本相符，但明顯高于爐側(cè)蛇形管下部區(qū)域的壁溫測量值。

圖5 導(dǎo)熱油流體及蛇形管的溫度分布圖

圖6顯示的是當(dāng)6.0m~7.5m管段處有2.5mm厚的環(huán)形油垢時(shí)的溫度徑向分布模擬圖，由于油垢的熱阻和吸熱作用，此處的管壁溫度要比附近溫度要低，大約為69.5℃~67.0℃。圖7顯示的是不同油垢厚度時(shí)的管壁外側(cè)溫度曲線圖，其中0.5mm厚油垢對應(yīng)的管壁外側(cè)溫度是74.0℃~69.5℃，1.0mm厚油垢對應(yīng)72.0~68.5℃，1.5mm厚油垢對應(yīng)71.0℃~68.0℃，2.5mm厚油垢對應(yīng)69.5℃~67.0℃。對比爐側(cè)蛇形管下部區(qū)域的壁溫測量平均值71.1℃，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可以初步推斷此處蛇形爐管可能存在一定厚度的油垢。

圖6 存在油垢時(shí)的導(dǎo)熱油及蛇形管的溫度分布圖

圖7 存在不同厚度油垢時(shí)的蛇形管管壁外側(cè)溫度曲線

有機(jī)熱載體鍋爐受熱面管結(jié)垢時(shí)，其導(dǎo)熱特性會急劇下降，采集其升溫或降溫過程中的紅外熱波圖像，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)在不排空導(dǎo)熱油的情況下對鍋爐結(jié)垢過熱區(qū)的檢測，這對于受熱面管內(nèi)油垢的存在和厚度的快速檢測都有實(shí)際意義。但是，紅外熱波具有光波的特性，容易受被檢對象的位置、幾何形狀、溫度、導(dǎo)熱性能等因素影響，其檢測結(jié)果往往需要進(jìn)行對比試驗(yàn)才能確定。

4 結(jié)束語

本文的研究結(jié)果表明，利用油垢熱阻較大的特性，對有機(jī)熱載體爐受熱面管段進(jìn)行主動溫差激勵(lì)后，可以在不排空導(dǎo)熱油的狀態(tài)下通過紅外熱波無損檢測的方法快速評判其結(jié)垢情況，從而為查找過熱區(qū)域和鍋爐清洗決策提供依據(jù)，但對于結(jié)垢的定位和定量檢測，還需進(jìn)行大量的檢測應(yīng)用和對比分析，并建立相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

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[浙江省質(zhì)監(jiān)科技計(jì)劃項(xiàng)目：20130280]

Research on the Scaling Inspection Technology of Organic Heat Transfer Material Boiler under Active Temperature Difference Excitation

Yao Guoping Yu Huanwei ZhengXiaoteng
(Shaoxing Special Equipment Testing Institute Shaoxing 312071)

Heat transfer oil as a medium of the organic heat transfer material boiler serves at a high operating temperature, and the undeserved application of which would lead to failure and fire disaster of the boiler due to organic heat carrier pyrolysis and deterioration, heat exchangers scaling and overheating, which are difficult to find through macroscopic examination. In this paper, a new method of active temperature difference excitation is proposed, and the temperature distribution of the outer wall of the heating surface tube is studied under an active temperature difference excitation, then a new scaling test method of organic heat carrier boiler is explored with a test case.

Organic heat transfer material heater Scaling Overheating Active excitation of temperature difference

X924.2

B

1673－257X(2015)10-0015-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.003

姚國平（1967～)，男，本科，副教授，高級工程師，主要從事鍋爐檢驗(yàn)工作。

2015-05-12 ）