基于超聲導(dǎo)波的垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度檢測(cè)技術(shù)

魏佳佳

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力工程系，合肥 230000)

垃圾焚燒鍋爐的高溫過(guò)熱器管排經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道腐蝕失效等問(wèn)題，導(dǎo)致事故頻繁發(fā)生。目前，在檢測(cè)技術(shù)上，可以利用外加磁場(chǎng)，磁化被檢測(cè)高溫過(guò)熱器管排，通過(guò)磁力線的變化，對(duì)管道內(nèi)的腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該技術(shù)成本低，便于檢測(cè)，但是存在分辨率不足等問(wèn)題[1]。還可以采用紅外熱像技術(shù)，利用不同特性的熱源觀察熱圖序列的溫度變化，能夠直觀地看到高溫過(guò)熱器管排被腐蝕程度，但使用成本較高，難以被推廣。

1 垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度檢測(cè)技術(shù)

1.1 基于超聲導(dǎo)波采集高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度數(shù)據(jù)

基于超聲導(dǎo)波對(duì)高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用二維掃描，對(duì)反射鏡進(jìn)行掃描，對(duì)角度進(jìn)行相互交互，由于高溫過(guò)熱器的超聲束會(huì)對(duì)過(guò)熱器的管排內(nèi)部產(chǎn)生超聲的撞擊點(diǎn)，因此需要對(duì)超聲導(dǎo)波的模態(tài)進(jìn)行設(shè)置，超聲導(dǎo)波中主要的模態(tài)曲線如圖1所示。

綜合使用超聲導(dǎo)波中各個(gè)模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將T模態(tài)與L模態(tài)分開(kāi)使用，防止檢測(cè)結(jié)果被干擾，并按照導(dǎo)波的3種振型與激勵(lì)方式進(jìn)行不同方式下的頻率檢測(cè)，結(jié)合其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)能量的不斷衰減過(guò)程對(duì)腐蝕程度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其超聲導(dǎo)波的激勵(lì)方式如圖2所示[2]。

圖2 3種導(dǎo)波振型與激勵(lì)方式

當(dāng)在管道的周圍放置探頭時(shí)，在3種導(dǎo)波激勵(lì)方式下會(huì)形成特定頻率的檢查波形，并沿著管體進(jìn)行傳播[3]。超聲回傳的過(guò)程中，在距離不同情況下形成不同的傳播形態(tài)，當(dāng)管排的橫截面發(fā)生不同時(shí)，產(chǎn)生不同的波形，其波形圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)波檢測(cè)波形

導(dǎo)波在管排內(nèi)的不同的界面上，在超聲檢測(cè)機(jī)器下，通過(guò)加載高壓脈沖，并與磁場(chǎng)相互作用形成不同的反射波形，使用超聲導(dǎo)波采集的數(shù)據(jù)噪聲較大，因此，對(duì)不同的截面使用不同模式。在不同的波形下，導(dǎo)波的傳播速度不同，產(chǎn)生不同截面下的波形數(shù)據(jù)，形成高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)[4]。

1.2 高溫過(guò)熱器管排腐蝕特征識(shí)別

利用信號(hào)處理方法提取回波信號(hào)的特征，并對(duì)特征進(jìn)行識(shí)別。超聲導(dǎo)波采集的數(shù)據(jù)噪聲較大，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理。主要是將較高維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理與投影變換[5]。將采集的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到分類下的波形圖像，采用波數(shù)濾波，對(duì)損傷特征進(jìn)行計(jì)算并聚類，聚類的模型如式(1)所示：

(1)

式中，E為時(shí)域中的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)，F(xiàn)為時(shí)間信號(hào)，C為角頻率的波數(shù)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，選擇合適的閾值并對(duì)函數(shù)進(jìn)行處理，最后選擇新的小波系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，可以得到反射的向波參數(shù)如式(2)所示：

c=∑e*W*A，

(2)

式中，e為波數(shù)域參數(shù)，A為結(jié)構(gòu)中的參數(shù)，按照該參數(shù)可以得到過(guò)熱管排的腐蝕處駐波，函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

式中，P為波的正向傳播的振幅參數(shù)，Z為波性的相位參數(shù)，由此可以得到最小寬度的腐蝕數(shù)據(jù)[6]。在便于駐波部分提取的前提下，先對(duì)分解的層數(shù)進(jìn)行設(shè)定，之后對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行小波分解，對(duì)向波的能量進(jìn)行提取，得到的管排腐蝕特征聚類結(jié)果，如式(4)所示：

(4)

式中，V為管排的腐蝕正向波形矢量，g為管排的截面參數(shù)，λ為不同的波導(dǎo)激勵(lì)方式下的幅度。在此基礎(chǔ)上將時(shí)域特征與提取特征進(jìn)行混合，按照識(shí)別規(guī)則進(jìn)行識(shí)別，得到檢測(cè)特征識(shí)別結(jié)果。

1.3 高溫過(guò)熱器管排腐蝕檢測(cè)深度成像

根據(jù)識(shí)別的高溫過(guò)熱器管排腐蝕特征對(duì)特征進(jìn)行匹配，對(duì)檢測(cè)的深度進(jìn)行成像。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，按照孔徑的聚焦，假設(shè)磁致伸縮導(dǎo)波換能器是在平面內(nèi)，對(duì)激發(fā)的導(dǎo)波進(jìn)行傳播，并進(jìn)行反射，讓不同位置接收器具有一定的延遲，其合成孔徑的聚焦如圖4所示。

圖4 合成孔徑聚焦

當(dāng)正向的移動(dòng)距離與管排腐蝕距離初始零點(diǎn)的距離相同時(shí)，將不同的頻率進(jìn)行調(diào)整并在以初始點(diǎn)為基礎(chǔ)前提下，將伸縮帶材進(jìn)行調(diào)整，其中心頻率與重復(fù)頻率的設(shè)置如表1所示。

表1 導(dǎo)波檢測(cè)腐蝕成像指標(biāo)設(shè)置

按照指標(biāo)形成三維數(shù)組，將三維數(shù)組進(jìn)行分割，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾與轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過(guò)程主要通過(guò)以下方式進(jìn)行，先將導(dǎo)波的識(shí)別特征進(jìn)行矩陣分割，在作為窗函數(shù)的形式下，對(duì)其框架域進(jìn)行轉(zhuǎn)換，空間域的管排處理數(shù)據(jù)表示為：

S=?∑(k+u)2，

(5)

式中，?為波數(shù)的濾波參數(shù)，k為超聲信號(hào)的三維數(shù)組，u為空間域上的過(guò)濾管排腐蝕波形參數(shù)，并將波動(dòng)的方程的參數(shù)進(jìn)行表示，如式(6)所示：

(6)

式中，f為管排腐蝕檢測(cè)的純諧波參數(shù)，I為缺損位置的總波動(dòng)參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到空間域的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，其公式如下所示。

(7)

式中，q為缺陷處反射的腐蝕圖像參數(shù)，x為轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到檢測(cè)的導(dǎo)波腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成數(shù)據(jù)的空間成像參數(shù)，得到高溫過(guò)熱器管排腐蝕檢測(cè)圖像。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度檢測(cè)技術(shù)的有效性，進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 高溫過(guò)熱器管排腐蝕模型

實(shí)驗(yàn)選用的高溫過(guò)熱器管排為SB-407，材質(zhì)為非鐵基母材，規(guī)格為Φ57 mm×7 mm。化學(xué)成分：C0.12，S0.23，Mn0.25，P0.28，Si0.24，Ni0.28，Cr0.38，Cu0.52。力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度520MPa，延伸率35%。

在鋼材的尺寸上，選取其長(zhǎng)度為200 mm的過(guò)高溫過(guò)熱器管排，其他的相關(guān)尺寸如圖5所示。

圖5 高溫過(guò)熱器管排腐蝕

按照參數(shù)對(duì)鋼管的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)管排的表面腐蝕點(diǎn)的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，其腐蝕點(diǎn)的直徑為4 mm，并且呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，在垂直方向上保持15 mm的間距，腐蝕的相關(guān)尺寸及其分布如圖6所示。

圖6 腐蝕點(diǎn)尺寸

在此基礎(chǔ)上，設(shè)置多種不同的徑向深度的管道腐蝕，其深度分別為2～10 mm，其不同的鉆頭尺寸下的不同深度腐蝕深度的管道如圖7所示。

圖7 3 mm與2 mm深度下的腐蝕加工管道

使用二維Von-Karman型對(duì)相關(guān)的模型函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在選擇合適的距離與參數(shù)上構(gòu)建腐蝕區(qū)域的服從隨機(jī)分二維鋼管速度模型，如圖8所示。其中，管道長(zhǎng)度為2 m，模型的網(wǎng)格數(shù)為900*1200，管道的左右兩邊空氣長(zhǎng)度為0.26 m。中間的區(qū)域代表管排被腐蝕。

圖8 腐蝕模型

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在腐蝕的深度為60 mm，縱向深度為2 mm下的垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排，使用3種監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用對(duì)比方法1，即基于深度殘差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管排深度檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 管排腐蝕深度檢測(cè)結(jié)果

由圖9可以看出，使用該技術(shù)進(jìn)行腐蝕深度檢測(cè)，檢測(cè)到的腐蝕深度約為14.2 mm，與實(shí)際腐蝕深度相差很大，其檢測(cè)的誤差很大。

使用對(duì)比方法2，基于紅外熱像的垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度檢測(cè)技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 管排腐蝕深度檢測(cè)結(jié)果

由圖10可以看出，使用該技術(shù)進(jìn)行腐蝕深度檢測(cè)，檢測(cè)到的腐蝕深度約為52.2 mm，與實(shí)際腐蝕深度較小，但還是存在一定差距。

使用文章所設(shè)計(jì)的技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 管排腐蝕深度檢測(cè)結(jié)果

由圖11可以看出，使用該技術(shù)進(jìn)行腐蝕深度檢測(cè)，檢測(cè)到的腐蝕深度約為60.25 mm，與實(shí)際腐蝕深度相差0.25 mm，其檢測(cè)的誤差很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到管排樣品1 的檢測(cè)誤差如表2所示。

表2 樣品1不同徑向深度下檢測(cè)精度

對(duì)管排樣品2的檢測(cè)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到其情況如表3所示。

表3 樣品2不同徑向深度下檢測(cè)精度

可以看出，使用本實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的技術(shù)，對(duì)垃圾焚燒鍋爐高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度進(jìn)行檢測(cè)，其誤差較小，在1.2%～2.7%之間，可以忽略不計(jì)，能夠?qū)贌仩t高溫過(guò)熱器管排腐蝕深度進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。