主動溫差激勵狀態下有機熱載體鍋爐的結垢檢測技術研究

姚國平 余煥偉 鄭小騰

(紹興市特種設備檢測院 紹興 312071)

主動溫差激勵狀態下有機熱載體鍋爐的結垢檢測技術研究

姚國平 余煥偉 鄭小騰

(紹興市特種設備檢測院 紹興 312071)

以導熱油為介質的有機熱載體鍋爐因其運行溫度高，使用不當易發生有機熱載體裂解和性能劣化、受熱面結垢、過熱，且較難通過宏觀檢驗發現，常導致鍋爐失效和火災。本文提出了一種主動溫差激勵的方法，研究了溫差激勵下受熱面結垢區域的外壁溫度變化，并結合檢驗實例探索了一種有機熱載體鍋爐結垢檢驗新方法。

有機熱載體鍋爐 結垢 過熱 主動溫差激勵

有機熱載體鍋爐俗稱導熱油鍋爐，以導熱油為循環介質供熱的熱能設備，具有高溫（320℃以上）低壓（0.3MPa~0.5MPa）的優點，是一種安全、高效、節能的供熱設備。但是，由于有機熱載體鍋爐需要以導熱油為介質，在爐內高溫燃氣或火焰的環境中被加熱，使用不當易發生有機熱載體裂解和性能劣化、受熱面結垢、過熱[1，2]，從而引發嚴重后果?，F有的有機熱載體鍋爐外檢很難檢查出鍋爐受熱面管的過熱，而有機熱載體鍋爐一般為強制循環，煙道布置密排的蛇形對流受熱面管，所發生超溫過熱現象即使在停爐狀態也難以通過內檢檢查發現，因此，很有必要開發一種新的有機熱載體鍋爐結垢（過熱）檢驗方法。

紅外熱波檢測技術是建立在電磁輻射和熱傳導理論基礎上的一門無損檢測技術，主要是根據被探測物體的溫度場來確定缺陷的存在和形狀[3]。該技術在國外已被廣泛應用于航空、航天、電力、石油管道等領域，對被檢對象的裂紋、疲勞、腐蝕和焊接狀況進行檢測等，具有非接觸、精度高、圖像直觀、檢測范圍廣等優點[4-7]。本文將紅外熱波無損檢測技術引入有機熱載體鍋爐檢測領域，采用主動溫差激勵的方法使受熱面管結垢區域外壁溫度分布發生改變，再通過紅外熱成像儀對外壁溫度進行對比檢測，找到溫度分布異常的結垢區域；采用有限差分的方法建立管壁結垢時的導熱油流動傳熱分析模型，對導熱油鍋爐受熱面管的過熱結垢進行模擬及反演預測，為有機熱載體鍋爐的紅外熱波檢測提供理論指導。

1 紅外熱波無損檢測實例

鍋爐型號YJW-12000(1000)J，介質為聯苯-聯苯醚，燃料為水煤漿；鍋爐本體為強制液相循環，出口配閃蒸罐，工藝系統為氣相介質循環。該爐型有雙對流管束（下稱蛇形管）在尾部左右對稱布置，每組蛇形管在爐頂布置4個檢查孔、側墻和后墻各置1個檢查孔；檢測對象為一組介質同向流動的并列蛇形管。選取尾部左側蛇形管組作為檢查對象，外觀檢查對流管部位檢查孔的布置及孔內外周邊情況，該爐型有雙對流管束在尾部左右對稱布置，每組對流管束在爐頂布置4個檢查孔、側墻和后墻各布置1個檢查孔。對檢查孔進行編號，分別為頂左1~頂左4、側左1、后左1，頂右1~頂右4、側右1、后右1。

根據便于對流管束最大溫差比較，同時盡可能體現對比作用的原則，本次檢驗中選取同一管子的上、下部位的頂左1、側左1檢查孔和相近管子的上、下部位的頂左4、后左1檢測孔，位置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測孔位置示意圖

2 紅外熱波無損檢測結果分析

由于檢測對象已經停爐一段時間，整體爐溫較低，因此本次試驗采用“升溫激勵法”：導熱油溫度從常溫升至40℃，40℃恒溫，升至60℃，60℃恒溫，升至80℃， 80℃恒溫。按上下或前后兩處作為對比組，利用紅外熱成像儀測量并記錄前述四個孔內管子的溫度變化情況，選取反映存在溫差異常的檢測記錄片斷，見表1。

表1 蛇形管不同測溫點的典型紅外測溫溫度值(℃)

表1中上下測點指同一蛇形管片的上下段，檢測序號指測點按時間順序編號（間隔時間為10s~15s），從紅外測溫數據可以看出：1)同一蛇形管中，上管段溫度高于下管段溫度；2)同一時刻，爐后、爐側蛇形管的上部區域溫度相近；3)同一時刻，側面蛇形管的下部區域溫度較低。4）測試期間除爐后下部管段因位置原因在測試中難以測得即時時刻的溫度最高值，導致偏差較大外，其它各管段的溫度測量值標準差都不超過0.4℃。

導熱油在蛇形管內是從上部流向下部，爐后和爐側蛇形管的上部區域對應著蛇形管的入口初始段，兩處的檢測溫度相近，其檢測結果平均值分別為78.5℃和78.8℃，這與導熱油從集箱分流到各支蛇形管的實際相符。爐后和爐側蛇形管的下部區域的溫度理論上也應一致，但紅外檢測結果表明其溫度平均值分別為74.5℃和71.1℃，二者存在較大的溫度差異，進一步試驗排除了由于爐門開關等因素的影響，認為此處溫度異常與該部位管段內外導熱性能相關，是受管壁過熱結垢引起的。對懷疑結垢的左側蛇形管溫差最大部位進行復膜金相檢測，如圖2所示，圖2中金相組織為鐵素體+少量碳化物，其中黑色的碳化物組織主要富集在晶粒的交界面，表明碳原子已向晶界擴散或從鐵的固溶物中析出，這說明此處已發生長期過熱，定義為疑似結垢過熱區。

圖2 左側蛇形管溫差最大部位的復膜金相組織

3 導熱油鍋爐受熱面管結垢后壁溫模擬

3.1 導熱油及受熱面管溫度場模擬

當采用紅外熱波法檢測有機熱載體鍋爐是否存在管壁結垢時，需要利用導熱油對受熱面管進行溫度激勵，如果管路系統溫度較高，可以采用低溫導熱油，反之采用高溫導熱油。取導熱油流體及管壁的徑向步長Δr=4mm，流動步長Δx=10mm，利用編寫的有限差分計算程序對高溫導熱油流過250m鋼制盤管時的溫度場進行模擬計算，主要參數如下：盤管壁厚3mm，內徑為30mm，導熱系數λg=60w/(m·℃)，密度ρg=7850kg/m3，比熱容Cg=460J/kg·℃；導熱油為聯苯-聯苯醚，導熱系數λf=0.098w/(m·℃)，密度ρf=990kg/m3，比熱容Cf=1901J/kg·℃，流速v=0.04m/s，導熱油的入口溫度T0=20℃，管壁溫度初值T1=200℃。計算結果如圖3所示，可以看出，隨著導熱油流動，熱量不斷從管壁傳向中心流體，由于熱傳導系數的差異，管壁溫度在徑向方向基本趨于一致，而導熱油溫度在徑向方向有較大差別。

圖3 導熱油流體及受熱面管的溫度分布圖

當導熱油管壁有油垢存在時，由于油垢的熱阻作用，在導熱油的溫差激勵下此處管壁溫度表現出明顯差異。圖4模擬的是250m長導熱油管0.6~0.7倍管段處存在1mm厚油垢層時的溫度分布情況，可以看出此處管壁的溫度要明顯高于其臨近管壁，呈現出“熱島”現象。如果能通過紅外熱成像儀檢測到這種管壁外側溫度差異，也可以反過來判斷管壁內側是否有油垢存在。

圖4 存在油垢時的導熱油及受熱面管的溫度分布圖

3.2 現場檢測實例的溫度場模擬

利用開發的有限差分計算程序對從集箱開始30m管段內的導熱油流體及受熱面管的溫度分布進行數值模擬，從導熱油流體中心到爐管壁外側的溫度徑向分布如圖5所示，在管長2.5m~3.5m處對應著蛇形管上部區域的外管壁模擬溫度在79.0℃~78.0℃，這與實際檢測溫度基本相符；在管長6.0m~7.0m處對應著蛇形管下部區域的外管壁模擬溫度在75.5℃~74.0℃，這與爐后蛇形管下部區域的壁溫測量值基本相符，但明顯高于爐側蛇形管下部區域的壁溫測量值。

圖5 導熱油流體及蛇形管的溫度分布圖

圖6顯示的是當6.0m~7.5m管段處有2.5mm厚的環形油垢時的溫度徑向分布模擬圖，由于油垢的熱阻和吸熱作用，此處的管壁溫度要比附近溫度要低，大約為69.5℃~67.0℃。圖7顯示的是不同油垢厚度時的管壁外側溫度曲線圖，其中0.5mm厚油垢對應的管壁外側溫度是74.0℃~69.5℃，1.0mm厚油垢對應72.0~68.5℃，1.5mm厚油垢對應71.0℃~68.0℃，2.5mm厚油垢對應69.5℃~67.0℃。對比爐側蛇形管下部區域的壁溫測量平均值71.1℃，根據模擬計算結果可以初步推斷此處蛇形爐管可能存在一定厚度的油垢。

圖6 存在油垢時的導熱油及蛇形管的溫度分布圖

圖7 存在不同厚度油垢時的蛇形管管壁外側溫度曲線

有機熱載體鍋爐受熱面管結垢時，其導熱特性會急劇下降，采集其升溫或降溫過程中的紅外熱波圖像，對這些數據進行分析并結合模擬計算結果，可實現在不排空導熱油的情況下對鍋爐結垢過熱區的檢測，這對于受熱面管內油垢的存在和厚度的快速檢測都有實際意義。但是，紅外熱波具有光波的特性，容易受被檢對象的位置、幾何形狀、溫度、導熱性能等因素影響，其檢測結果往往需要進行對比試驗才能確定。

4 結束語

本文的研究結果表明，利用油垢熱阻較大的特性，對有機熱載體爐受熱面管段進行主動溫差激勵后，可以在不排空導熱油的狀態下通過紅外熱波無損檢測的方法快速評判其結垢情況，從而為查找過熱區域和鍋爐清洗決策提供依據，但對于結垢的定位和定量檢測，還需進行大量的檢測應用和對比分析，并建立相應的檢測標準。

[1] 姚國平.有機熱載體鍋爐受熱面過熱檢驗與分析[J].中國特種設備安全，2010，26(9)：30-32.

[2] 姚國平.有機熱載體鍋爐安全操作技術（浙江省特種設備作業人員培訓教材之二）[M].浙江：浙江省質量技術監督局，2009：38-52.

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[4] 張建合，郭廣平.國內外飛速發展的熱像無損檢測技術[J].無損探傷，2005，29(1)：1-4.

[5] 趙璐.航空發動機渦輪葉片裂紋紅外熱波無損檢測研究[D].長春：長春理工大學，2010.

[6] 趙石彬，張存林，伍耐明，等.紅外熱波無損檢測技術用于聚丙烯管道缺陷的檢測[J].光學學報，2010，30(2)：456-460.

[7] 王超，馬曉波，陳德珍.鋼中非金屬夾雜缺陷的紅外熱波無損檢測[J].鋼鐵研究，2014，42(4)：22-26.

[8] 周英，胡三木，姚國平，等.有機熱載體鍋爐及系統清洗導則[S].浙江：浙江省地方標準，2015.

[浙江省質監科技計劃項目：20130280]

Research on the Scaling Inspection Technology of Organic Heat Transfer Material Boiler under Active Temperature Difference Excitation

Yao Guoping Yu Huanwei ZhengXiaoteng
(Shaoxing Special Equipment Testing Institute Shaoxing 312071)

Heat transfer oil as a medium of the organic heat transfer material boiler serves at a high operating temperature, and the undeserved application of which would lead to failure and fire disaster of the boiler due to organic heat carrier pyrolysis and deterioration, heat exchangers scaling and overheating, which are difficult to find through macroscopic examination. In this paper, a new method of active temperature difference excitation is proposed, and the temperature distribution of the outer wall of the heating surface tube is studied under an active temperature difference excitation, then a new scaling test method of organic heat carrier boiler is explored with a test case.

Organic heat transfer material heater Scaling Overheating Active excitation of temperature difference

X924.2

B

1673－257X(2015)10-0015-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.003

姚國平（1967～)，男，本科，副教授，高級工程師，主要從事鍋爐檢驗工作。

2015-05-12 ）