變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動監(jiān)測方法

中圖分類號 TQ054 文獻標(biāo)志碼A 文章編號0254-6094(2025)03-0468-06

城市內(nèi)工業(yè)園區(qū)中會存在數(shù)個不同類型的工廠，工廠的長期運行會排出一定量的工業(yè)廢氣，導(dǎo)致我國廢氣排放量逐年增加，因此高體量的廢氣排放及其處理方式已成為環(huán)境保護和能源利用領(lǐng)域的重要議題

變換氣廢熱鍋爐作為一種高效的能量回收裝置，通過回收廢氣中的熱量，實現(xiàn)能量的再利用。然而，變換氣廢熱鍋爐在長期運行過程中，由于廢氣中的腐蝕性物質(zhì)和復(fù)雜多變的工況條件，其換熱管內(nèi)壁容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致泄漏，這不僅影響廢熱鍋爐的換熱效率和使用壽命，還可能對環(huán)境造成二次污染，甚至引發(fā)安全事故。因此，對變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏進行有效監(jiān)測，對于保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行具有重要意義[1.2]。

文獻[3]首先明確研究目標(biāo)，詳細分析了鍋爐運行條件，確定腐蝕泄漏監(jiān)測自標(biāo)；然后根據(jù)目標(biāo)監(jiān)測需求設(shè)計加熱鍋爐管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，將系統(tǒng)應(yīng)用至目標(biāo)中，通過采集鍋爐狀態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)找出鍋爐管道腐蝕位置，實時監(jiān)測管道的工作狀態(tài)。由于在采集鍋爐管道狀態(tài)數(shù)據(jù)時，未能考慮其中無用數(shù)據(jù)帶來的影響，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測時監(jiān)測精度較低。文獻[4]基于不同管道厚度下 L(0，1) 導(dǎo)波的變化規(guī)律，獲取管道反射波走時變化與壁厚損失的關(guān)系；基于關(guān)系分析結(jié)果計算管道壁厚，并聯(lián)合計算結(jié)果以及反射波走時變化建立壁厚損失函數(shù)，量化壁厚損失，實時監(jiān)測管道腐蝕泄漏狀態(tài)。由于在獲取反射波時未能充分考慮周邊干擾因素影響，導(dǎo)致該方法監(jiān)測效果不理想。文獻[5]首先詳細分析管道腐蝕特點，獲取管道局部腐蝕速率；再將局部腐蝕速率作為條件，結(jié)合回歸樹(CART)劃分管道；最后利用熵權(quán)法建立腐蝕狀態(tài)評估模型，并結(jié)合工程實例分析管道腐蝕狀態(tài)的相對等級，實時監(jiān)測管道腐蝕泄漏情況。由于在建立狀態(tài)評估模型時，忽視了管道腐蝕影響因素，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測時監(jiān)測效果較差。文獻6設(shè)計了一種混合傳感器，用于同時測量溫度和管道厚度損失。該傳感器由一個彈簧支撐的圓柱形磁體、一個固定在管道上用于EFPI設(shè)置的反射鏡和一個用于溫度測量的光纖布拉格光柵 (FBG)組成。磁鐵和鋼管之間的磁力是管道壁厚的函數(shù)，可以傳遞到EFPI的空腔長度（磁鐵和反射鏡之間的距離）。由于磁力的增加，空腔長度隨著鋼管腐蝕而減小，因此可直接安裝在現(xiàn)有管道上而不中斷其運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)管道腐蝕監(jiān)測。但是由于在監(jiān)測過程中算法流程較為復(fù)雜，能耗較大，導(dǎo)致該方法的檢測性能并不理想。

為解決上述鍋爐換熱管道腐蝕泄漏監(jiān)測過程中存在的問題，筆者提出一種變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動監(jiān)測方法。

1構(gòu)建自動化監(jiān)測模型

設(shè)計變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動化監(jiān)測模型時，可將模型整體劃分成采集模塊和監(jiān)測模塊兩個部分(圖1)，其中采集模塊主要通過設(shè)計的光纖光柵傳感器采集管道運行過程中內(nèi)部超聲波，監(jiān)測模塊主要根據(jù)采集到的管道內(nèi)部超聲波定位異常位置，計算管道的壁厚損失，從而確定管道腐蝕泄漏狀態(tài)，實現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動化監(jiān)測

2變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動化監(jiān)測方法

2.1 設(shè)計光纖光柵傳感器

利用光纖光柵設(shè)計一種相移光纖光柵傳感器（圖2)，通過將傳感器安裝于換熱管上，實時采集管道運行過程中的超聲波，針對異常波即可定位腐蝕位置，計算獲取管道厚度數(shù)據(jù)[7.8]

分析圖2可知，光纖光柵傳感器在周期結(jié)構(gòu)中心引入π相移跳變，打開反射光譜缺口，將缺口位置看作布拉格波長 λ_B ，其計算式為：

其中， n_eff 為纖芯折射率， A₀ 為光柵周期。

傳感器接收超聲波沖擊時，光纖光柵周期、光纖折射率會發(fā)生變化，令波長偏移，通過監(jiān)測傳感器譜移即可獲取對應(yīng)的應(yīng)變值。因此，設(shè)定光柵長度 L_B 變化量為 ΔL_B ，波長周期記作 ΔT ，獲取光柵中心波長變化規(guī)律如下：

其中，光柵中心波長 λ_B 的變化量為 Δλ_B α_e 為彈性光學(xué)系數(shù) ，_βn，β_λ 分別為熱光學(xué)系數(shù)、熱膨脹率。

由式(2)可知，通過監(jiān)測超聲波引起的傳感器反射光譜中心波長位置量，能夠有效表征光柵感應(yīng)的應(yīng)變值，因此根據(jù)傳感器采集的換熱管內(nèi)部超聲波可實現(xiàn)監(jiān)測變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏變化。

完成傳感器設(shè)計后，聯(lián)合光纖光柵傳感器和激光光源解調(diào)算法對光柵波長實施解調(diào)，根據(jù)光電探測器獲取的光柵反射功率，以電壓漂移形式表述超聲波信號，實現(xiàn)換熱管超聲波信號V的采集：

V_s=Δλ_BCR_DI

其中， R_p 為響應(yīng)因子， C 為換熱管超聲波信號獲取時的傳感器光柵光譜斜率，1為激光功率。

2.2 換熱管腐蝕位置定位

完成換熱管超聲波信號采集后，通過信號變換算法提取信號瞬時特征量[9.10]。過程中為計算瞬時特征量，利用EMD分解算法，將超聲波信號分解成若干IMF分量 x(t) 以及剩余函數(shù)：

x(t)=a(t)cosχ(t)

其中， a(t) 為超聲波信號的IMF幅值， χ(t) 為信號相位。

根據(jù)EMD算法將信號展開分離處理，獲取信號 n_s 個IMF分量 (x₁，x₂，?，x_ns) ，選取其中非線性調(diào)制分量的IMF作為 a(t) ，對其進行Hilbert-Huang變換提取信號瞬時幅值 lA(t) 和瞬時頻率 ω(t) ：

其中， _r(t) 為超聲波信號模 為微分函數(shù)， 為重構(gòu)信號。

完成上述計算后，采集超聲波信號 ?R(t) 不同時刻的瞬時幅值 |A(t)| ，并設(shè)定其上下限范圍為[∣A_min(t)∣，∣A_max(t)∣] ，以此獲取信號瞬時標(biāo)準(zhǔn)化幅值范圍 ∣A_s(t)∣

根據(jù)上述超聲波信號標(biāo)準(zhǔn)化瞬時幅值計算結(jié)果，取出其中極大值用于廢熱鍋爐換熱管腐蝕損傷評價，確定換熱管是否存在腐蝕情況，計算式為：

其中， 為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的信號瞬時標(biāo)準(zhǔn)化幅值， m 為總信號分量。

計算時，若換熱管不存在腐蝕情況，可根據(jù)式（7)計算結(jié)果將其看作換熱管的正常狀態(tài)參考值；若換熱管存在腐蝕情況，可在充分考量檢測精度和環(huán)境的前提下，通過下式辨識腐蝕損傷是否存在：

其中， 為正常狀態(tài)下?lián)Q熱管參考超聲波信號標(biāo)準(zhǔn)化瞬時幅值。

根據(jù)式(8)找出換熱管上所有異常超聲波瞬時幅值對損傷展開分組處理，分組時可根據(jù)最大延時時間 T_max 展開，分組結(jié)果設(shè)定成 ?B₁，B₂，?，B_n 將換熱管腐蝕損傷所在組標(biāo)記成 B_si ，通過縮減超聲波信號步長確定管道腐蝕位置，從而實現(xiàn)腐蝕位置定位。

2.3換熱管管道厚度損失計算

完成腐蝕位置的確定之后，針對該位置超聲波信號開展管道的壁厚損失計算，通過這個計算結(jié)果獲取換熱管的腐蝕狀態(tài)，確定管道是否腐蝕泄漏，實現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管的腐蝕泄漏監(jiān)測[11，12]

當(dāng)管道發(fā)生腐蝕時，由于導(dǎo)波會沿著管壁傳播，腐蝕位置引發(fā)的換熱管截面變化會使傳播特性發(fā)生改變，所以監(jiān)測管道腐蝕位置超聲波信號變化即可以識別出管道腐蝕泄漏損傷。監(jiān)測過程中，首先設(shè)定管道的材料常數(shù)為 ?_?φ 拉普拉斯算子為 abla² ，則換熱管的管道超聲波傳播方程為：

其中， ?_S 為管道材料密度， u_?t 為管道超聲波信號位移、時間系數(shù)。

對式(9)中的 u 進行推導(dǎo)，獲取管道導(dǎo)波的位移頻散方程 |S_ij|=0 ，設(shè)定 S_ij 與管道材料密度、常數(shù)等參數(shù)相關(guān)，以此建立管道導(dǎo)波變化與管道壁厚的關(guān)系方程：

其中， S_g 為導(dǎo)波群速度， S_p 為相速度 ， 為管道超聲波導(dǎo)波信號頻率， d 為管道壁厚。

設(shè)定管道初始壁厚為 d₀ ，初始管道超聲波固定頻率為 f₀ ，管道初始、損傷兩種狀態(tài)的群速度為 ，得到管道壁厚損失函數(shù)為：

其中， a_h 為換熱管初始內(nèi)半徑， a_c 為換熱管腐蝕后內(nèi)半徑， d_n 為管道壁厚損失， d_c 為故障管道壁厚 ??t_n 為相應(yīng)的導(dǎo)波變化， t_c 為管道基準(zhǔn)信號， t_h 為管道實際測量信號， L 為超聲波傳播長度。

最后，根據(jù)上述計算結(jié)果，獲取換熱管的腐蝕位置壁厚損失，通過該值與初始值之間的差值進行結(jié)果辨識，完成對變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏狀態(tài)的實時獲取，實現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動化監(jiān)測。

3實驗

為了驗證所提方法的有效性，進行實驗測試。選取某城市化工廠內(nèi)變換氣廢熱鍋爐為實驗對象，該廢熱鍋爐換熱管長度為 8m ，外徑為 75mm 壁厚為 6mm ，換熱管為耐高溫的合金材質(zhì)。

3.1換熱管超聲波信號提取效果測試

利用所提方法開展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測時，將設(shè)計的光纖光柵傳感器均勻安裝在換熱管上，通過運行傳感器采集換熱管運行超聲波信號。實驗過程中若采集信號中噪聲較大會直接降低后續(xù)的腐蝕泄漏監(jiān)測精度，因此對采集的超聲波信號采集效果展開測試。測試時，光纖光柵傳感器的具體參數(shù)如下：

光柵周期 20μm （20反射光譜帶寬 大于 100nm 量程 ±2×10^-3ε (ε為應(yīng)變)工作溫度范圍 300～600^°C 傳感器尺寸 直徑 1.5mm ，標(biāo)距 25mm ，有效測量距離 15mm

換熱管超聲波信號采集效果如圖3所示?？梢钥闯?，利用所提方法采集的換熱管內(nèi)部超聲波信號與實際換熱管超聲波信號完全一致，表明該方法具備有效性。

3.2 換熱管壁厚測試

利用所提方法開展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測時，設(shè)置管道內(nèi)存在3處腐蝕損傷，通過所提方法對不同腐蝕損傷位置管道厚度開展測試，以驗證所提方法在損傷監(jiān)測時的實際監(jiān)測精度，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，筆者所提方法的計算結(jié)果與實際換熱管腐蝕位置壁厚值能夠完全擬合，這是因為所提方法在換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測時，通過Hilbert-Huang變換提取信號瞬時特征量，完成了腐蝕位置的精準(zhǔn)定位，說明該方法在腐蝕監(jiān)測時監(jiān)測精度較高。

3.3 對比驗證

選取筆者所提方法、文獻[3]方法和文獻[5]方法開展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測對比，以驗證所提方法的優(yōu)越性。將換熱管腐蝕泄漏劃分成安全、比較安全、一般安全、比較危險和非常危險5個等級，并標(biāo)記成等級1、2、3、4、5，將不同方法的監(jiān)測結(jié)果與實際換熱管情況進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。可以看出，文獻[3]方法由于采集鍋爐管道狀態(tài)數(shù)據(jù)時未能考慮其中無用數(shù)據(jù)帶來的影響，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測時精度較低；文獻[5]方法由于在利用熵權(quán)法建立腐蝕狀態(tài)評估模型時，模型自身冗余程度較高，導(dǎo)致該方法在腐蝕監(jiān)測時效果不理想；而筆者所提方法在監(jiān)測過程中使用Hilbert-Huang變換提取信號瞬時特征量，從而有效地確定了管道腐蝕位置。

4結(jié)束語

針對傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的問題，筆者提出一種變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動化監(jiān)測方法。該方法通過設(shè)計相移光纖光柵傳感器并結(jié)合信號處理算法構(gòu)建監(jiān)測模型，實現(xiàn)腐蝕位置定位與壁厚損失計算。實驗結(jié)果表明，所提方法在超聲波信號提取測試中，采集信號與實際信號高度吻合，驗證了傳感器設(shè)計的有效性；在壁厚測試中，計算結(jié)果與實際值擬合良好，證明了腐蝕位置定位及壁厚損失計算的準(zhǔn)確性。綜上所述，筆者所提方法在變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測中具有較高的實用價值，為工業(yè)設(shè)備的安全運行提供了可靠的技術(shù)支持。

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An Auto-monitoring Method for the Corrosion Leakage of Heat Exchange Tubes in Waste Heat Boilers

ZHAI Fa-jun， ZHANG Yuan-yuan (Henan Xinlianxin Chemical Industry Group Co.，Ltd.)

AbstractAn auto-monitoring method for the corrosion leakage of heat exchange tube in transformation gas waste heat boilers was proposed and its auto-monitoring model was established and divided into an acquisition module and a monitoring module.In which，the collection model has a fiber optic grating sensor adopted to collect ultrasonic signals inside the heat exchange tube，and then has them input into the monitoring model to extract instantaneouscharacteristics of themonitored signal.Based on the transformation law between wavelength and pipeline thickness，the specific corrosion location on the pipeline was determined，including the lossquantificationof the pipelinewall thickness at corroded location.Finally，based on the quantitative results，the corosion leakage status of heat exchange tubes in the gas transformation waste heat boiler was collcted at real time to realize auto-monitoring of the corrosion leakage.The experimental results show that，making use of this method monitor the leakage of heat exchange tubes in waste heat boilers has good monitoring effect and high accuracy.

Key words transformer gas waste heat boiler，heat exchange tube，corrosion leakage，auto-monitoring model，corrosion location

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