鍋爐爐膛耐火磚剝落的溫度場與紅外檢測

周國強，楊 立，劉莉莉，夏 舸

（海軍工程大學，湖北 武漢 430033）

0 引言

鍋爐目前被廣泛使用在動力、造紙、冶金和化工等領域，鍋爐爐膛工作在高溫、超高壓、受煙氣腐蝕及沖蝕的惡劣的環境中，極易產生高溫腐蝕和磨損，致使耐火磚剝落，嚴重影響其保溫效果，導致事故發生[1]。例如，2004年杭州鋼鐵集團公司的轉爐作業區發生的重大爐壁穿透事故，大量高溫鋼水泄漏，造成重大的經濟損失[2]。

隨著科技的進步和社會的發展，工業生產中對設備安全性和可靠性的要求也在不斷提高，同時，由于生產事故的頻發及其造成的損失愈加嚴重，對于設備狀態的準確檢測和診斷就變得愈加緊迫和重要[3]。

紅外檢測越來越體現出了其獨特的優勢：非接觸、效率高、大面積掃描、無有害射線和使用方便等。紅外熱像檢測已經用于管道檢測的各個方面：如管道漏泄及保溫層的檢測[4]，高溫壓力管道內壁缺陷的檢測[5]，管道內壁水泥襯里局部脫落的檢測[6]等。本文將基于鍋爐爐膛耐火磚剝落的缺陷進行數值計算，獲得鍋爐爐膛外表面的溫度場及“熱像特征”，為爐膛耐火磚壁紅外研究提供依據。

1 求解紅外特征的數理模型

1.1 物理模型

本文研究對象為鍋爐爐墻，某鍋爐爐墻結構示意圖見圖1，相關物性參數見表1。

1.2 數學模型[6]

本文選取長Lx、寬Ly、厚Lz為1000 mm×1000 mm×100 mm的爐墻為研究對象，設定爐墻故障的起始位置坐標為Ldx=500 mm，Ldy=500 mm，Ldz=0 mm，耐火磚破損尺寸為dLx、dLy、dLz（對應：長、寬、厚）.

描述爐墻三維穩態導熱微分方程為：

圖1 某鍋爐爐膛結構示意圖

表1 某鍋爐爐膛物性參數

其中，α1、α2分別為爐膛內和周圍環境的對流換熱系數，tf1、tf2分別為爐膛內和周圍環境氣體溫度。

環境空氣的對流換熱系數的計算[8]:

其中， υ為風速，當風速 υ=0時，α2=11.63。

爐膛的穩態導熱微分方程采用有限體積法對模型進行數值計算，采用三維網格系統來離散求解域，節點P有6個相鄰節點，分別位于東、西、南、北、上、下，e、w、s、n、t、b分別代表控制容積的東側、西側、北側、上側和下側邊界表面。

按節點場變量值整理相關方程式，可得

2 實例模擬計算及分析

2.1 爐膛正常工作時的溫度場

當爐膛耐火磚壁完好時，輸入參數：Ldx=0.5，Ldy=0.5；dLx=0.0，dLy=0.0，dLz=0.0。

經計算得到圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 外表面溫度分布圖

圖3 沿X方向的外表面溫度分布圖

圖4 沿Ldy=0.5時爐墻剖面溫度分布圖

圖5 沿Z方向的溫度分布圖

由圖2和圖3分析可知，爐墻正常工作時，其外表面溫度分布均勻，平均溫度為62.7℃。

由圖4和圖5分析可知，在厚度方向上，溫度近似呈線性遞減變化，其中耐火磚兩側溫差達1500℃左右，而石棉板與鋼板兩側溫差小于100℃，說明耐火磚層在保證爐膛保溫效果方面起到主要作用。

2.2 爐膛耐火磚剝落時的溫度場

耐火磚剝落時，根據耐火磚剝落的深度，設計當某一塊耐火磚剝落深度分別為10 mm、25 mm、34 mm、50 mm、68 mm、75 mm、100 mm七種情況。其中，深度為100 mm時，耐火磚整塊剝落。

以耐火磚剝落深度等于34 mm時為例，經計算得到圖6～9。

圖6 外表面溫度分布圖

圖7 沿X方向的外表面溫度分布圖

圖8 沿Ldy=0.5時爐墻剖面溫度分布圖

圖9 沿Z方向的溫度分布圖

由圖6和圖7分析可知，爐墻耐火磚剝落，剝落深度為34 mm時，故障處外表面出現明顯熱斑，最高溫度達73.7℃，較無故障處明顯升高，溫差達11℃。

由圖8和圖9分析可知，在厚度方向上，故障處剝落空間的溫度與爐內溫度幾乎相等，溫度達到1600℃，從剝落深度為34 mm往外，溫度近似呈線性遞減變化，其中耐火磚兩側溫差達1500℃左右，說明故障處損壞的耐火磚層在保證爐膛保溫效果方面仍能起到一定作用。

3 計算結果分析

本文分別計算了六種剝落情況的結果，分析故障處外表面溫度與剝落深度的關系，見圖10；記錄剝落深度、故障處外表面最高溫度、正常工作處外表面溫度，見表2。

圖10 故障處外表面溫度與剝落深度的關系

表2 故障處剝落程度與溫差的關系圖

由表2和圖10分析可知，耐火磚剝落時，故障處外表面溫度隨剝落深度的增加而增加，其外表面最高溫度與正常工作時外表面溫度的溫差隨故障深度的增加近似呈指數增長，溫差最大可達213.7℃。

爐膛正常工作時，爐膛外表面溫度分布均勻，平均溫度為62.7℃，在厚度方向上，溫度近似呈線性遞減變化，其中耐火磚兩側溫差達1500℃左右，而石棉板與鋼板兩側溫差小于100℃，說明耐火磚層在保證爐膛保溫效果方面起到主要作用。

耐火磚剝落時，故障處外表面溫度隨剝落深度的增加而增加，其外表面最高溫度與正常工作時外表面溫度的溫差隨故障深度的增加近似呈指數增長，溫差最大可達213.7℃。剝落深度在10 mm以上，表面最大溫差達到0.5℃，高于熱像儀的最新小分辨溫差0.2℃，紅外成像儀就可以感應出外表溫度的變化，因而此缺陷就可以很容易地在紅外熱像圖中反映出來。

4 結論

本文通過有限體積法求解導熱微分方程，研究了存在缺陷時鍋爐爐膛外壁面的溫度分布規律，經數值計算可知，耐火磚層在保證爐膛保溫效果方面起到主要作用，且故障處外表面溫度隨剝落深度的增加而增加，其外表面最高溫度與正常工作時外表面溫度的溫差隨故障深度的增加近似呈指數增長。

［1］陳衡，侯敬善.電力設備故障紅外診斷［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［2］吳洪潭.工業設備內壁缺陷形態仿真研究［J］.系統仿真學報，2007，28（2）：304-306.

［3］關榮華，曹春梅，陳衡.工業設備內部缺陷的紅外熱診斷研究 ［J］.激光與紅外 ，2001，31（4）：228-229.

［4］FAN C L，SUN F R，YANG L.Investigation on nonde?structive evaluation of pipelines using infrared thermogra?phy［A］.Proc of the Joint 30th Int Conf on Infrared and Millimeter Waves and 13th Int Conf on Terahertz Electro［C］.Virginia：2005，339-340.

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［7］余佐平.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，1984.

［8］Inagaki T， Iwamoto T.On the NDT and E for the diagno?sis of defects using infrared thermography ［J］.NDT&E International，1999，32（5）：247-257.