T91 金屬管道表面特性對(duì)LIBS 測(cè)量的影響

華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)的用電需求也在不斷提高，越來(lái)越多的高性能發(fā)電機(jī)組被投入運(yùn)行來(lái)滿(mǎn)足社會(huì)的用電需求，這也導(dǎo)致了火電廠(chǎng)的安全運(yùn)行問(wèn)題越發(fā)突出。鍋爐是火電廠(chǎng)中的重要部件，其中過(guò)熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管等高溫承壓管道是鍋爐內(nèi)部的主要組件[1]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示，鍋爐的高溫承壓管的爆漏事件占火電廠(chǎng)機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件的50%左右[2]。所以，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鍋爐內(nèi)高溫高壓管道的失效情況，對(duì)保證火電廠(chǎng)的安全運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是利用脈沖激光作用于樣品表面，激發(fā)包含光譜信息的等離子體，通過(guò)光譜分析以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定性和定量分析，是新型的激光光譜無(wú)損、快速檢測(cè)技術(shù)[3]。姚順春等[4]研究了不同金屬組織和不同球化程度的鍋爐受熱面材料樣品在脈沖激光作用下形成的等離子體特性，通過(guò)分析譜線(xiàn)強(qiáng)度、等離子體溫度以及激光燒蝕體積等激光等離子體特性，得到了不同失效狀態(tài)的樣品與等離子體特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為L(zhǎng)IBS 技術(shù)應(yīng)用于火電廠(chǎng)的高溫承壓材料的失效預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

支持向量機(jī)(SVM)是機(jī)器學(xué)習(xí)中一種重要的分類(lèi)算法，韋麗萍等[5]將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用于燃煤熱值的定量分析，選擇了44 種不同熱值含量的煤樣，提出了基于k折交叉驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化支持向量機(jī)算法，取得了良好的分析精確度和準(zhǔn)確度。陸盛資等[6]將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用到不同老化等級(jí)的T91 金屬樣品的分類(lèi)中，分析對(duì)比了不同老化等級(jí)樣品的等離子體光譜特性，利用不同光譜變量集建立了SVM 金屬受熱面老化等級(jí)預(yù)測(cè)模型。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，將激光誘導(dǎo)擊穿光譜應(yīng)用到火電廠(chǎng)高溫承壓的實(shí)際管道失效檢測(cè)中，選擇不同老化等級(jí)的T91 鋼樣品作為SVM 老化等級(jí)預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練集，對(duì)來(lái)自火電廠(chǎng)的2 種不同老化等級(jí)的T91 鋼管道的表面采用打磨與未處理2 種處理方法[7]，研究實(shí)際運(yùn)行管道表面特性對(duì)于激光光譜的影響和將LIBS 技術(shù)直接應(yīng)用于工程實(shí)際的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與樣品

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為L(zhǎng)IBS 臺(tái)式硬件集成一體機(jī)，該設(shè)備為美國(guó)Applied Spectra 公司的J200 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析設(shè)備，圖1 為L(zhǎng)IBS 系統(tǒng)簡(jiǎn)要原理圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

J200LIBS 一體機(jī)使用Nd:YAG 調(diào)Q 脈沖激光器作為激光光源，其波長(zhǎng)為266 nm，脈沖激光寬度為4 ns。該一體機(jī)擁有自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，可以通過(guò)移動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)來(lái)控制樣品表面距離激光聚焦透鏡的距離，保持聚焦激光在樣品表面上的焦深為恒定。一體機(jī)光譜儀的最小門(mén)寬為1.1 ms，波長(zhǎng)覆蓋范圍為185～1 045 nm，分辨率為0.05 nm。本次實(shí)驗(yàn)的激光能量為4.3 mJ，激光脈沖頻率為3 Hz。脈沖激光與光譜儀之間的延遲時(shí)間設(shè)置為0.5 μs。

1.2 樣品

本實(shí)驗(yàn)選取了老化等級(jí)為1～5 的12 個(gè)T91鋼樣品，樣品標(biāo)簽與老化等級(jí)如表1 所示。

表1 樣品的老化等級(jí)

這8 個(gè)訓(xùn)練集樣品，包括3 個(gè)電廠(chǎng)真實(shí)運(yùn)行后的鑲嵌打磨管樣，以及5 個(gè)人工制備的高溫時(shí)效試樣。在Li 的研究中[8]，詳細(xì)介紹了獲取這些不同老化等級(jí)T91 鋼人工試樣的熱處理過(guò)程，這里僅作簡(jiǎn)要敘述。為了得到不同老化等級(jí)的T91 試樣，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T4338-2006[9]，將由日本住友金屬公司制作的T91 原管切割處理，然后將鋼帶在700 ℃、2 500 N，675 ℃、3 500 N，650 ℃、4 500 N，600 ℃、7 500 N 的加熱溫度和機(jī)械負(fù)荷的不同組合下進(jìn)行處理。這樣，得到不同老化狀態(tài)的鋼材樣品。對(duì)不同老化狀態(tài)的T91 鋼材進(jìn)行金相檢驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 884-2004[10]，將所有樣品定性分為5 個(gè)老化等級(jí)。對(duì)每個(gè)人工制備樣品表面的100 個(gè)不同位置進(jìn)行100 次激光脈沖燒蝕，每個(gè)位置獲取12 800 幅原始的光譜。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)選取了來(lái)自2 根分別取自某火電廠(chǎng)鍋爐高溫過(guò)熱器與高溫再熱器的T91 鋼換熱管，作為被預(yù)測(cè)的樣品，如圖2 所示。參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 884-2004，對(duì)鋼材依次進(jìn)行取樣、鑲嵌制樣、粗磨、細(xì)磨、拋光、浸蝕、觀察拍照，得到其老化等級(jí)分別為1、3。對(duì)表面未做任何處理的原始管道樣品的部分表面進(jìn)行手工稍作打磨至出現(xiàn)金屬光澤，從而得到老化等級(jí)為1 和3 的打磨樣品與未處理樣品，如圖3 所示。激光脈沖對(duì)4 個(gè)樣品表面的100 個(gè)不同位置分別進(jìn)行200 次燒蝕。

圖2 高溫過(guò)熱器T91 鋼管與高溫再熱器T91 鋼管

圖3 高溫過(guò)熱器T91 鋼管與高溫再熱器T91 鋼管的打磨樣品與未處理樣品

圖3 中，其上方區(qū)域?yàn)槲刺幚聿糠郑路匠霈F(xiàn)金屬光澤區(qū)域?yàn)榇蚰ゲ糠帧?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜特性

T91 實(shí)際管道具有代表性的波長(zhǎng)范圍為185～700 nm 的光譜數(shù)據(jù)平均后獲得如圖4 所示光譜圖?？梢钥吹綐悠坊w元素(Fe)和合金元素(Cr、Mn 和Mo)的大量特征譜線(xiàn)都能被很好地在光譜圖中被探測(cè)和分辨。

圖4 樣品具有代表性的光譜

在一定條件下，脈沖激光燒蝕不同老化等級(jí)的金屬樣品的差異可以通過(guò)樣品間的某些代表性元素的平均譜線(xiàn)強(qiáng)度的差異來(lái)體現(xiàn)。分為5 種老化等級(jí)的10 個(gè)樣品的代表性元素的平均譜線(xiàn)強(qiáng)度變化如圖5 所示。其中，1～10 樣品編號(hào)的大小隨老化等級(jí)的增大而增大。5 個(gè)人工時(shí)效試樣按老化等級(jí)1～5 對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)為1、4、6、8、9；3 個(gè)實(shí)際管道鑲嵌試樣按老化等級(jí)1、2、5 對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)為2、5、10；2 個(gè)打磨實(shí)際管道試樣按老化等級(jí)1、3 對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)為3、7。觀察圖5 中平均譜線(xiàn)強(qiáng)度與老化等級(jí)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這些基體元素的譜線(xiàn)強(qiáng)度與老化等級(jí)存在較好的正相關(guān)性。但并不能直接利用這種正相關(guān)性預(yù)測(cè)樣品的老化等級(jí)，因?yàn)楣庾V信息中包含了大量的干擾信息，需要對(duì)信息進(jìn)行篩選和處理才可能得到理想的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖5 譜線(xiàn)強(qiáng)度與金屬老化等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)性

T91 實(shí)際管道隨著激光脈沖數(shù)的增加，打磨樣品與未處理樣品的代表元素譜線(xiàn)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)稍作打磨后的實(shí)際運(yùn)行管道的譜線(xiàn)強(qiáng)度的波動(dòng)較小，比較穩(wěn)定。這與之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[6,11]。而未打磨處理的實(shí)際管道的譜線(xiàn)強(qiáng)度有明顯的變化，特別是在前100 激光脈沖段內(nèi)有較大的變化，且與稍作打磨的實(shí)際管道樣品有較大差別，而在100～200 的激光脈沖段，未打磨處理的樣品與打磨樣品的譜線(xiàn)強(qiáng)度與變化趨于一致?？赡艿脑蚴窃谇?00 脈沖段，實(shí)際管道表面特性對(duì)激光脈沖的燒蝕造成了影響，導(dǎo)致了與打磨的樣品出現(xiàn)了譜線(xiàn)強(qiáng)度上的差別[12]。在100 次激光脈沖燒蝕后，實(shí)際管道表面的氧化層被擊穿，激光作用于管道真實(shí)表面，導(dǎo)致譜線(xiàn)強(qiáng)度與打磨后的趨于統(tǒng)一。由此，選取未打磨的實(shí)際管道的100～200 次激光脈沖的光譜數(shù)據(jù)，作為有效的光譜數(shù)據(jù)，在老化等級(jí)模型中進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖6 隨著激光脈沖數(shù)的增加，打磨樣品與未處理樣品的代表元素譜線(xiàn)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

2.2 SVM 老化等級(jí)預(yù)測(cè)模型結(jié)果

支持向量機(jī)(SVM)是機(jī)器學(xué)習(xí)中一種重要的分類(lèi)算法，由Corte 等[13]于1995 年首先提出，在面對(duì)小樣本、非線(xiàn)性及高維的分類(lèi)問(wèn)題時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)。SVM 核函數(shù)的選擇和核函數(shù)參數(shù)的設(shè)置對(duì)其分類(lèi)準(zhǔn)確率有很大影響?？紤]到在線(xiàn)分析對(duì)分析速度的要求，而且LIBS 光譜數(shù)據(jù)屬于高維數(shù)據(jù)，本文的核函數(shù)選擇了線(xiàn)性核函數(shù)[14]。另外，本文選擇了互信息這一特征選擇方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維[15?17]。本文的光譜數(shù)據(jù)處理算法均通過(guò)使用Scikit-learn[18]工具包編寫(xiě)的Python 語(yǔ)言腳本實(shí)現(xiàn)。

本文將8 個(gè)樣品作為訓(xùn)練集樣品，選取了第30～100 次的脈沖光譜數(shù)據(jù)，平均后作為訓(xùn)練集的樣品輸入到SVM 模型[19]。為了估計(jì)與提高SVM模型的性能，對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行交叉驗(yàn)證[20?21]。將來(lái)自老化等級(jí)分別為1、3 的電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行管道的4 個(gè)樣品作為預(yù)測(cè)樣品，選取了第100～200 次的脈沖光譜數(shù)據(jù)，平均后作為預(yù)測(cè)集的樣品輸入到SVM 模型，結(jié)果列于表2。

表2 SVM 老化等級(jí)模型的交叉驗(yàn)證與預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2 可知，由3 個(gè)電廠(chǎng)真實(shí)運(yùn)行后的管樣，以及5 個(gè)人工制備的高溫時(shí)效試樣組成的老化等級(jí)模型，在5 折交叉驗(yàn)證的表現(xiàn)中較好，準(zhǔn)確率達(dá)到0.922 5，說(shuō)明老化等級(jí)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力。預(yù)測(cè)老化等級(jí)分別為1 和3 的實(shí)際運(yùn)行管道的打磨與未處理樣品，都得到了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明老化等級(jí)模型在不同的樣品中保持了較好的穩(wěn)定性與泛化能力，同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)打磨與未處理樣品的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率差別較小，說(shuō)明選取未打磨的100～200 脈沖激光段得到的光譜數(shù)據(jù)可得到較好的模型預(yù)測(cè)結(jié)果，從而避免表面未處理樣品的表面特性對(duì)LIBS 測(cè)量的干擾，得到較好的老化等級(jí)模型預(yù)測(cè)效果。

2.3 SVM 老化等級(jí)模型的魯棒性分析

為了研究SVM 金屬老化等級(jí)模型在不確定性的擾動(dòng)下保持性能不變的能力，需要對(duì)預(yù)測(cè)模型的魯棒性進(jìn)行評(píng)估。本文利用隨機(jī)算法，挑選部分訓(xùn)練集的光譜數(shù)據(jù)去建立SVM 老化等級(jí)模型，3 次隨機(jī)挑選的樣品占原訓(xùn)練集樣品的百分比為85%、50%、25%，即選取每個(gè)樣品100 個(gè)測(cè)量點(diǎn)中的85、50 和25 個(gè)光譜數(shù)據(jù)樣本用于建立3 個(gè)不同的SVM 預(yù)測(cè)模型，其中每個(gè)百分比設(shè)置將重復(fù)5 次測(cè)量點(diǎn)挑選和建模，平均后以獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果[6]。

魯棒性分析的結(jié)果如圖7 所示，SVM 老化等級(jí)模型的訓(xùn)練集5 折交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率以及預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率隨著用于建立模型的光譜樣本數(shù)的減少而減少，但利用85%、50%的測(cè)量點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)所建立預(yù)測(cè)模型依然擁有較高的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定的表現(xiàn)。這個(gè)結(jié)果意味著SVM 預(yù)測(cè)模型擁有較為可靠的特征提取能力和泛化能力，說(shuō)明SVM 老化等級(jí)模型檢測(cè)結(jié)果的有效性是可信的。

圖7 不同百分比的測(cè)量點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)建立的SVM 預(yù)測(cè)模型的平均準(zhǔn)確率

3 結(jié)論

1)將LIBS 技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行管道的老化等級(jí)預(yù)測(cè)，對(duì)比表面打磨處理樣品與表面未處理樣品的Fe、Cr 等代表管道重要性質(zhì)的基體及合金元素譜線(xiàn)的譜線(xiàn)強(qiáng)度隨脈沖數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)表面特性的影響在前100 的激光脈沖內(nèi)較為明顯，在100～200 的激光脈沖段，打磨與未打磨樣品的譜線(xiàn)趨于相同。

2)在此現(xiàn)象下，將表面未處理樣品的100～200 激光脈沖段光譜數(shù)據(jù)輸入SVM 老化等級(jí)模型，得到了與打磨樣品相似且良好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

以上結(jié)果表明，選取合適的激光脈沖段可避免金屬管道的表面特性對(duì)LIBS 測(cè)量的影響，直接測(cè)量未處理表面的金屬管道樣品可以得到較好的老化等級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果，為L(zhǎng)IBS 技術(shù)應(yīng)用到火電廠(chǎng)金屬管道受熱面失效檢測(cè)提供了方案。