專利名稱：基于sh波的工業鍋爐水垢厚度檢測系統及方法
技術領域：
本發明屬于超聲導波無損檢測領域，具體涉及一種利用SH波(水平剪切波)檢測 工業鍋爐水垢厚度的方法。
背景技術：
鍋爐是一種重要的換能設備，在工業生產和日常生活中發揮著不可替代的作用。 特別是在電力工業中，鍋爐機組是火力發電廠的三大主力之一。然而在鍋爐的運行過程中， 由于水中含有溶解度較小的鈣、鎂鹽類，經過不斷的蒸發、濃縮，當水中的雜質的濃度達到 飽和程度時，就會產生沉淀，粘附在鍋爐內壁形成一層硬皮，這便是水垢。水垢對于工業生產有巨大的危害首先，水垢的導熱能力比鋼鐵的導熱能力差幾 十倍甚至幾百倍，覆蓋在鍋爐內壁的水垢使得受熱面的傳熱性能變差，燃料釋放出的熱能 不能迅速傳導到水中，而是隨著煙氣排出，浪費大量能量。其次，水垢的存在會使爐壁金屬 過熱，產生蠕變，有可能導致鍋爐破裂甚至爆炸。由此可見，水垢對于工業生產的安全性也 帶來了很大的危害。針對水垢必須定期做出檢測，在國內目前檢測中，人們往往采用離線的檢測方式。 將整個鍋爐系統停機，截取爐管樣本，然后用測微器或顯微鏡測定樣品上的水垢厚度，或是 將整個樣本上的水垢全溶解下來，按樣本重量的減量求出單位面積上水垢的重量。這種方 法一方面通過檢測爐管來間接檢測鍋爐，測量精度難以保證；另一方面采用取樣的方法是 一種有損檢測法，需要經過停爐、取樣、修補、探傷等多種工作，既費時有費力。國外目前在水垢檢測方面采用的方法是按照水垢的狀態和厚度編制相應的計算 機數控軟件配以超聲波檢測儀，利用超聲回波的方法達到了對水垢的無損檢測。其核心是 利用超聲波在金屬-水垢界面和水垢-空氣界面的反射回波時間差來確定水垢的厚度。但 是當水垢厚度薄的情況下，反射波重疊，難以分辨，測量精度受到限制。
發明內容
本發明的目的在于克服了以上兩種方法的缺點，提出了一種利用SH波的方法對 鍋爐水垢進行檢測的方法。本發明的技術方案，具體見圖1，包括函數發生器、功率放大器、轉換開關、EMAT傳 感器、示波器和計算機，其中EMAT傳感器安裝在鍋爐壁的外側，和轉換開關相連接，轉換開 關與示波器和功率放大器相連接，函數發生器的輸出端和功率放大器的輸入端連接，計算 機和示波器連接。其中的EMAT傳感器為激勵SH波的專用傳感器，包括高頻傳感器和低頻傳感器。本發明所提供的方法為利用上述的檢測系統進行工業鍋爐水垢厚度的檢測，具體包括如下步驟1)由鍋爐壁厚度、材料參數，代入雙層固體結構頻散方程(1)，計算求解SH波在不 同水垢厚度時的頻散曲線
<formula>formula see original document page 4</formula>式中一 ^j^^y-^r)’ CT(n)是第η層介質中的橫波波速 ，對于給定的材
料，Ctω為常數；當η = 1時，代表水垢層，η = 2時，代表爐壁層九為水垢層厚度，h2為鍋 爐壁厚，因而(1)式中只是變量角頻率w和相速度Cp的函數；通過對(1)式進行數值求解， 得到在雙層介質中，SH波的頻散曲線；2)根據1)中頻散曲線，提取出SHO模態曲線并繪制其在不同水垢厚度情況下的頻 散曲線圖，找到高、低兩個檢測頻率；3)根據2)中頻散曲線，繪制在高低兩個檢測頻率時，SHO模態群速度隨水垢厚度 變化的曲線圖；4)由函數發生器產生漢寧窗調制的特定周期的正弦波激勵信號，分別輸入示波器 和功率放大器；先采用高頻檢測頻率進行檢測，即激勵信號及EMAT傳感器的中心頻率均等 于高頻檢測頻率，如果檢測對應的厚度小于臨界厚度，說明此時水垢厚度較薄，則所測厚度 即為水垢厚度；如果檢測得到的厚度大于臨界厚度，則需換用低頻檢測頻率重新進行檢測， 得到水垢厚度；5)激勵信號經過功率放大器放大，接入轉換開關，然后施加于EMAT傳感器上，激 勵產生SH波；6)經過SH波在結構中的傳播后，EMAT傳感器接收到結構中的回波信號，此回波信 號再次經過轉換開關，接入示波器；7)由激勵波形與接收的SHO模態回波波形的時間差At，以及波傳播距離s，可以 求得群速度，Vg=8)根據3)中繪制的群速度與水垢厚度對應曲線，即可求得水垢厚度。本發明具有的有益效果是，相較于截取爐管樣本法，它是一種無損檢測的方法，不 需要對結構進行任何破壞，即可實現檢測，而且可以進行在線檢測，無需使整個鍋爐系統停 機。相較于超聲波檢測法，本發明中采用高低兩個頻率段進行檢測，對剛開始形成的薄水垢 和長期沉淀的厚水垢，均能達到良好的測量精度。另外，由于SH波是在板中傳播的一種波， 具有對板層表面附著物敏感的特性，且SH波是一種橫波，無法在液體(非常粘稠的液體除 外)中傳播，因此利用它檢測鍋爐水垢時，檢測結果不受鍋爐內部儲水或是蒸汽的影響。以下結合
和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1 檢測裝置示意2 :SH波在雙層結構中的波動模型
圖3 (a) :8mm單層不銹鋼板相速度曲線圖3 (b) :8mm單層不銹鋼板群速度曲線圖4 (a) 0. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖4 (b) 0. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖5 (a) Imm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖5 (b) Imm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖6 (a) 1. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖6 (b) 1. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖7 (a) :2mm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖7 (b) :2mm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖8 (a) 2. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖8 (b) 2. 5mm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖9 (a) :3mm水垢時8mm不銹鋼板的相速度曲線圖9 (b) :3mm水垢時8mm不銹鋼板的群速度曲線圖10 =SHO模態在不同水垢厚度情況下的頻散比較圖11 :500kHz頻率時不同厚度水垢條件下SHO模態群速度分布圖12 :2MHz頻率時不同厚度水垢條件下SHO模態群速度分布圖中，1-函數發生器，2-功率放大器，3-轉換開關，4-EMAT傳感器，5_示波器， 6_計算機。
具體實施例方式本發明的具體實施步驟包括步驟一頻散曲線的繪制由SH波在雙層結構中的波動模型中推導出的頻散方程式(9)，對鍋爐爐壁和水垢 構成的結構建立模型，本例以8mm鋼板作為鍋爐爐壁，選取0. 5mm-3mm大理石(化學成分為 碳酸鈣，與普通水垢的成分相同)作為水垢，對于水垢的厚度選取為0-3mm間，每0. Imm繪 制一幅頻散曲線。不同水垢厚度下的SH波頻散曲線如附圖3-9所示。鋼板和大理石的聲學參數如下表
材料密度g/cm3) 縱波波速(qm/ms)橫波波速(q m/ms)
鋼7.9325.965.6
大理石2.93.262.7步驟二 繪制SHO模態在不同水垢厚度情況下的頻散曲線圖從步驟一中獲得的頻散曲線中抽取出SHO模態的頻散曲線，繪制于同一幅曲線圖中，即得到SHO模態在不同水垢厚度情況下的頻散曲線圖。如圖10中所示。由此圖，我們可以分別抽取群速度變化最大的兩個頻率點(高頻和低頻)作為檢測頻率，本例中為500kHz 禾口 2MHz。步驟三繪制SHO模態群速度隨水垢厚度變化的曲線圖步驟二中已經獲得檢測頻率，并且已知SHO模態在不同水垢厚度情況下的頻散曲 線圖。據此繪制在檢測頻率下，SHO模態群速度隨水垢厚度變化的曲線圖。如圖11和圖12。可以發現，在特定頻率下水垢厚度的增加與群速度有較好的線性關系。在低頻 500kHz時(見圖11)，水垢厚度在0.6-2. 5mm范圍內時，隨著水垢厚度的增加，群速度呈 近似線性地遞減，而在0-0. 6mm范圍內時，隨著水垢厚度的增加，群速度變化很小，因而 500kHz的頻率可以用來檢測0. 6-2. 5mm范圍的水垢厚度。在高頻2MHz時(見圖12)，水垢 厚度在0-0. 6mm范圍內時，隨著水垢厚度的增加，群速度呈近似線性地遞減，因而2MHz的頻 率可以用來檢測0-0. 6mm范圍的水垢厚度。高低兩個頻率在水垢厚度檢測中，恰好互補，高 頻檢測頻率對于較薄水垢(小于0.6mm)有良好的檢測效能，低頻檢測頻率對于較厚水垢 (0. 6mm-3mm)有良好的檢測效能。本例中0. 6mm為高、低頻檢測的臨界厚度。如果爐壁厚度 不是本例中的8mm厚，那么高、低檢測頻率及臨界厚度應根據步驟一和步驟二重新計算。步驟四利用檢測系統測量鍋爐結構中的群速度對于檢測薄水垢的情況(水垢厚度小于臨界厚度)，采用高頻檢測頻率進行檢測， 即激勵信號(漢寧窗調制的特定周期的正弦波)和EMAT傳感器的中心頻率均等于高頻檢 測頻率。反之，對于檢測厚水垢的情況(水垢厚度大于臨界厚度)，采用低頻檢測頻率進行 檢測。檢測過程為，由函數發生器產生漢寧窗調制的特定周期的正弦波激勵信號，分別輸入 與示波器和功率放大器。經過功率放大器的信號，接入轉換開關，然后施加于EMAT傳感器 上，激勵產生SH波，結構中將會傳播特定模態的SH波，經過一段傳播路徑后，EMAT傳感器 接收到結構中的回波信號，此回波信號再次經過轉換開關，接入示波器。由激勵波形與接收
的SHO模態回波波形的時間差，以及波傳播距離，可以求得波速，、。根據步驟三中繪
制的群速度與水垢厚度對應曲線，即可求得水垢厚度。
權利要求
基于SH波的工業鍋爐水垢厚度檢測系統，包括函數發生器(1)、功率放大器(2)、轉換開關(3)、EMAT傳感器(4)、示波器(5)和計算機(6)，其特征在于EMAT傳感器(4)安裝在鍋爐壁的外側，和轉換開關(3)相連接，轉換開關(3)與示波器(5)和功率放大器(2)相連接，函數發生器(1)的輸出端和功率放大器(2)的輸入端連接，計算機(6)和示波器(5)連接。
2.根據權利要求1中所述的基于SH波的工業鍋爐水垢厚度檢測系統，其特征在于所 述的EMAT傳感器為激勵SH波的專用傳感器，包括高頻傳感器和低頻傳感器。
3.基于SH波的工業鍋爐水垢厚度檢測方法，利用權利要求1所述的檢測系統進行工業 鍋爐水垢厚度的檢測，其特征在于，該方法是按照如下步驟進行的1)由鍋爐壁厚度、材料參數，代入雙層固體結構頻散方程(1)，計算求解SH波在不同水 垢厚度時的頻散曲線<image>image see original document page 2</image>=《⑴ cos(《(％ )2 Sin^2A2) - (^⑴匆)qi2) cos(q(1\) = O式中一)，CT(n)是第η層介質中的橫波波速，對于給定的材料，CT(n)為常數；當η = 1時，代表水垢層，η = 2時，代表爐壁層九為水垢層厚度，h2為鍋爐壁厚， 因而(1)式中只是變量角頻率w和相速度Cp的函數；通過對(1)式進行數值求解，得到在 雙層介質中，SH波的頻散曲線；2)根據1)中頻散曲線，提取出SHO模態曲線并繪制其在不同水垢厚度情況下的頻散曲 線圖，找到高、低兩個檢測頻率；3)根據2)中頻散曲線，繪制在高低兩個檢測頻率時，SHO模態群速度隨水垢厚度變化 的曲線圖；4)由函數發生器產生漢寧窗調制的特定周期的正弦波激勵信號，分別輸入示波器和功 率放大器；先采用高頻檢測頻率進行檢測，即激勵信號及EMAT傳感器的中心頻率均等于高 頻檢測頻率，如果檢測對應的厚度小于臨界厚度，說明此時水垢厚度較薄，則所測厚度即為 水垢厚度；如果檢測得到的厚度大于臨界厚度，則需換用低頻檢測頻率重新進行檢測，得到 水垢厚度；5)激勵信號經過功率放大器放大，接入轉換開關，然后施加于EMAT傳感器上，激勵產 生SH波；6)經過SH波在結構中的傳播后，EMAT傳感器接收到結構中的回波信號，此回波信號再 次經過轉換開關，接入示波器；7)由激勵波形與接收的SHO模態回波波形的時間差At，以及波傳播距離s，可以求得群速度，^;8)根據3)中繪制的群速度與水垢厚度對應曲線，即可求得水垢厚度。
全文摘要
本發明屬于超聲導波無損檢測領域，具體涉及一種利用對板層表面附著物敏感的SH波檢測工業鍋爐水垢厚度的方法。本發明首先利用雙層結構中SH波傳播的頻散方程，繪制出不同水垢厚度情況下的頻散曲線，得到SH0模態群速度隨水垢厚度增加時的變化曲線，進而求得高低兩個檢測頻率，分別對應檢測較薄水垢和較厚水垢。其檢測系統如圖示，由函數發生器(1)、功率放大器(2)、轉換開關(3)、EMAT傳感器(4)、示波器(5)和計算機(6)組成。利用該系統測量出鍋爐與水垢組成的結構中SH0模態的群速度，對應上述計算求得的群速度與水垢厚度對應曲線，即可求得水垢厚度。從而實現對工業鍋爐水垢厚度的在線、無損檢測。
文檔編號G01N29/12GK101819032SQ20101015975
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者何存富, 吳斌, 周進節, 宋國榮, 李楊, 鄭陽 申請人:北京工業大學