基于信息融合的鍋爐安全運(yùn)行多參數(shù)檢測(cè)方法

湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 夏向共 張希旺 劉 欣

0 引言

鍋爐壓力容器是在石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門都起著重要作用的設(shè)備。鍋爐作為承壓容器，其動(dòng)力來源于電能與化石燃料產(chǎn)生，產(chǎn)生各行各業(yè)中所需要的大量熱量。在高溫、高壓的作用環(huán)境下，長(zhǎng)期運(yùn)行的鍋爐容易出現(xiàn)泄漏、鍋爐壁變形和腐蝕等，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致爆炸，嚴(yán)重影響了運(yùn)行的安全可靠性。[1-2]。因此，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)的缺陷問題，對(duì)于延長(zhǎng)鍋爐使用壽命、提高鍋爐運(yùn)行的安全可靠性具有重要價(jià)值。

通過監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究鍋爐壁破損情況，合理安排故障維修，以發(fā)現(xiàn)鍋爐在運(yùn)行過程中存在的缺陷問題。運(yùn)行中的鍋爐出現(xiàn)問題的額原因多種多樣，為了及時(shí)對(duì)鍋爐缺陷做到修復(fù)，紀(jì)要有針對(duì)性的去分析故障原因。目前經(jīng)常采用的檢測(cè)方法有：宏觀檢查、壁厚測(cè)量、幾何尺寸測(cè)量、無損檢測(cè)、理化檢測(cè)、垢樣分析等[3]。但這些方法都存在檢測(cè)對(duì)象單一的弊端。

本文提出一種基于融合多參數(shù)分析的鍋爐安全檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法利用超聲波在材料中傳播時(shí)遇到界面（如裂紋、氣孔缺陷）反射回來的回波特征來分析與檢測(cè)被測(cè)物體內(nèi)部的缺陷情況，并結(jié)合射線檢測(cè)對(duì)可疑部位進(jìn)行檢測(cè)，最后將來自多個(gè)不同傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合優(yōu)化處理，這有利于提早發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中的隱患，對(duì)鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行的問題提供了有力的保障。

1 數(shù)字超聲波探傷技術(shù)檢測(cè)

該探傷掃描技術(shù)的工作原理是基于超聲波和計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用超聲波在物體中反射傳播特性來檢測(cè)缺陷的，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)分析數(shù)字信號(hào)，最后消除數(shù)字信號(hào)中的噪聲，再進(jìn)一步處理分析[4]。

超聲波探傷法的原理是超聲波探傷儀產(chǎn)生的數(shù)值信號(hào)脈沖，在合適的耦合方式下入射到被檢測(cè)物體內(nèi)，超聲波信號(hào)在物體內(nèi)產(chǎn)生反射波，通過示波器來分析反射波中蘊(yùn)含的故障信息[4-7]。數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù)可以根據(jù)缺陷的不同顯示方式分為A 型、B 型、C型和 3D 型四種，本文是對(duì)B型超聲波探傷技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的研究探討，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 B型顯示原理框圖

B型顯示超聲波探傷在應(yīng)用過程中，探頭只需要實(shí)現(xiàn)一維掃描即可成像[8]，超聲波探傷傳感器示意圖如圖2所示。

圖2 超聲波探傷傳感器原理圖

由于鍋爐在制造時(shí)是通過鋼結(jié)構(gòu)的焊接構(gòu)成的，在焊縫中會(huì)存在裂縫、氣隙、雜物等缺陷。裂紋、無融合、不完全穿透2 x射線檢測(cè)平面缺陷，應(yīng)力高程度集中、易對(duì)焊接接頭造成損傷，從而造成更大的危害?？紫逗桶枷菔求w積型缺陷，應(yīng)力集中較少，危害較小[9-10]。

檢測(cè)方法如下：首秀根據(jù)鍋爐壁鋼板厚度選擇合適大小的探頭；其次在檢測(cè)剪切波前計(jì)算估計(jì)量，確定區(qū)域邊界線，并利用基于探針的矢量加減過程[11]；第三步是使用彎曲的屏蔽孔調(diào)整掃描線的位置；最后通過示波器分析信號(hào)波形，并在接管和外部墻之間做出區(qū)分，以避免遺漏或錯(cuò)誤判斷。

2 X射線數(shù)字化實(shí)時(shí)成像檢測(cè)

隨著對(duì)工件無損傷技術(shù)的發(fā)展，一種更新進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用而生—X射線數(shù)字化實(shí)時(shí)成像檢技術(shù)。在鍋爐缺陷檢測(cè)時(shí)，用X射線掃面鍋爐壁，由于缺陷與正常鋼結(jié)構(gòu)存在不同程度的吸收能力，會(huì)形成一個(gè)存在明顯區(qū)別的X射線圖像，該圖像通過圖像增強(qiáng)器轉(zhuǎn)換成可見光圖像，通過A/D轉(zhuǎn)換將可見光轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像來進(jìn)行故障分析[12]。

X射線檢測(cè)管和圖像監(jiān)測(cè)接收系統(tǒng)被安裝在同一個(gè)框架上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)的發(fā)射射線與管子饋送方向構(gòu)成可以調(diào)整大小的角，為了使前后的焊縫圖像不會(huì)重疊，可以調(diào)整焊縫為橢圓形中。[13]。為了使被檢測(cè)工件全方位成像，本文在每個(gè)對(duì)接焊縫上裝配了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以360°連續(xù)成像，系統(tǒng)實(shí)施圖如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)方案圖

3 基于信息融合的鍋爐故障診斷方法

信息融合是基于多種傳感器將不同的信息源信號(hào)進(jìn)行整合優(yōu)化，得出最有效的信息。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于利于多種不同類型傳感器協(xié)同作用，收集優(yōu)化目標(biāo)信號(hào)，提高系統(tǒng)的有效性[14]，信息融合原理圖如圖4所示。

圖4 信息融合原理圖

依據(jù)鍋爐缺陷原理以及信息融合的工作原理及，提出了如圖5所示的信息融合鍋爐缺陷檢測(cè)模型。

圖5 基于信息融合的鍋爐故障診斷模型

3.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是將原始數(shù)據(jù)信號(hào)中未知的、隱含的有效信息進(jìn)一步挖掘，被挖掘出的信息能夠有效地用于信息管理及分析控制等方面。

3.2 基于數(shù)據(jù)層融合的故障報(bào)警

數(shù)據(jù)層的信息融合主要功能是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)越限報(bào)警。在二元假設(shè)前提下，對(duì)于鍋爐的某些故障失效狀態(tài)，其監(jiān)測(cè)的區(qū)域可以被劃分為Z0和Z1[15]。當(dāng)傳感器接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)在Z0區(qū)域時(shí)，可以診斷為運(yùn)行正常，否則運(yùn)行出現(xiàn)故障。通過實(shí)現(xiàn)兩區(qū)域的合理劃分，可以減小實(shí)驗(yàn)的誤差率。

3.3 基于特征層數(shù)據(jù)融合的故障診斷

基于特征層與決策層融合的故障診斷方法需要檢測(cè)層分析的結(jié)果，同時(shí)需要數(shù)據(jù)庫中故障診斷的信息知識(shí)。該數(shù)據(jù)庫的診斷信息知識(shí)既包括常見的故障類型，也包括通過數(shù)據(jù)挖掘得來的新的故障數(shù)據(jù)信息[16]。當(dāng)鍋爐運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲等干擾信號(hào)，這些外在因素使得在數(shù)據(jù)信號(hào)分析時(shí)產(chǎn)生影響[17-19]，所以需要進(jìn)一步的特征層的信息融合，即故障診斷。

4 實(shí)例分析

湖南省某廠1#鍋爐是一次中間再熱自然循環(huán)、平衡通風(fēng)鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量1151t/h，主蒸汽溫度540℃，過熱蒸汽壓力17.37MPa，再熱蒸汽流量1035t/h，再熱蒸汽進(jìn)/出口壓力4.3MPa/4.11M Pa，再熱蒸汽進(jìn)/出口溫度335.6℃/540℃，給水壓力19.595MPa，給水溫度278℃，排煙溫度128攝氏度，2012年10月投入生產(chǎn)。

2014年2月11日上午10時(shí)，發(fā)現(xiàn)1#轉(zhuǎn)爐低溫過熱器處有異常聲音。在測(cè)試過程后期，密切關(guān)注1＃機(jī)組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，清除明顯不良數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析，并將檢測(cè)結(jié)果與先前訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提升特性的有效性。測(cè)試結(jié)果顯示，一些指標(biāo)超過了關(guān)注值。初步判斷是低溫過熱器失效。

停爐檢查可以分為以下幾步：首先通過超聲波探傷檢測(cè)，判斷低溫過熱器和中隔墻管子是否有損壞，接著從管子損壞進(jìn)行初步判斷，定位塊與管子的焊縫有拉裂紋，通過是否有被蒸汽吹損的痕跡，判斷焊縫裂口是不是管子損壞的裂紋源；最后利用X射線成像技術(shù)對(duì)破裂管子的化學(xué)成分和機(jī)械性能進(jìn)行分析，看其是否達(dá)要求。

將診斷過程中得到的特征測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并通過推理與實(shí)際故障進(jìn)行對(duì)比分析，將分析結(jié)果通過數(shù)據(jù)挖掘模塊存入專家系統(tǒng)中。

實(shí)驗(yàn)證明，使用單一參數(shù)信息很難準(zhǔn)確的判斷事故原因和故障位置點(diǎn)，而通過信息融合，將多種參數(shù)進(jìn)行綜合判斷可以有效降低故障率，提高判斷精度。

5 結(jié)論

通過分析數(shù)字超聲波探傷技術(shù)，信息融合技術(shù)，X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像探測(cè)與特點(diǎn)，提出了基于信息融合的鍋爐故障診斷通用模型及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，為鍋爐事故預(yù)防提供了一個(gè)技術(shù)上可行的有效途徑。并通過實(shí)驗(yàn)證明，信息融合技術(shù)可以提高鍋爐故障診斷中診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。