带保温结构的热力管道泄漏检测方法
【专利摘要】本发明涉及热力管道泄漏检测技术领域，是一种带保温结构的热力管道泄漏检测方法，包括以下步骤：第一步，带保温结构热力管道发生泄漏后导热换热过程包括管壁狭缝射流冲击换热和保温层导热换热；第二步，分析管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面形成的流场分布；第三步，通过红外热辐射测得热力管道表面温度场的分布，并得到管道轴向的温度场变化过程。本发明对热力管道发生泄漏的检测方法具有无接触，其检测灵敏度和准确度高且原理明确，能够直观准确的确定是管道发生泄漏还是保温结构损坏引起的温度变化并确定管道泄漏的具体位置，有效降低热力管道泄漏所带来的安全危害和运行风险。
【专利说明】
带保溫结构的热力管道泄漏检测方法
技术领域
[0001] 本发明设及热力管道泄漏检测技术领域，是一种带保溫结构的热力管道泄漏检测 方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国对电力需求的日益增长W及电力设备的复杂化，对电力设备的可靠性和 安全性要求也越来越高。热力管道作为火电厂的重要部件之一，其安全性和可靠性已是发 电厂各技术部口最关屯、的问题，不仅影响电厂安全运行，同时还对现场工作人员造成安全 隐患。近年来，某些火电厂热力管道多次发现裂纹，直接影响了电厂正常带负荷运行。随着 火电厂运行参数的升高，高溫、高压蒸汽管道的布置也越来越多，作为安全生产的必要环节 之一，对热力管道的定期检查W及在运行过程中对热力管道泄露的预防与监测越来越受到 重视，设备运行过程中，制造管道和容器的材料由于长期受到冲刷、磨损和腐蚀等因素的影 响，会逐渐减薄而降低强度，金属高溫高压设备还可能会受溫度急剧变化而产生裂纹，或因 支吊架失效或膨胀受阻的应力而导致产生裂纹等，运些微小的裂纹积累下来就会发展成严 重缺陷，形成安全生产的隐患。现有检测方法虽然提出热成像溫度检测，即检测溫度的异常 升高，但是并没有关注受保溫结构的影响W及狭缝泄漏所造成的溫度场的变化，因而无法 分清是由于保溫结构损坏，还是由于管道泄漏所造成的溫度变化，同时也无法判断出管道 泄漏点的具体位置。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，克服了上述现有技术之 不足，其能有效解决现有的热力管道检测技术不能查找出热力管道溫度异常变化的原因的 问题W及无法确定热力管道泄漏点的具体位置的问题。
[0004] 本发明的技术方案是通过W下措施来实现的：一种带保溫结构的热力管道泄漏检 测方法，包括W下步骤：
[0005] 第一步，带保溫结构热力管道发生泄漏后导热换热过程包括管壁狭缝射流冲击换 热和保溫层导热换热；
[0006] 第二步，分析管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面形成的流场分布，同时根据实验 数据拟合得出管壁狭缝喷嘴表面离开被冲击物体的相对距离不同时的Nu数在冲击表面的 分布，即管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分布；
[0007] 第Ξ步，采用红外热成像技术，通过测量热力管道表面发射出的红外热福射，测得 热力管道表面溫度场的分布，并得到管道轴向的溫度场变化过程；
[000引第四步，通过测得的热力管道表面溫度场分布与管壁狭缝冲击射流在冲击表面对 流换热系数分布的对比，得出热力管道的管壁是否发生泄漏并通过判断得出管壁泄漏具体 位置。
[0009]下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
[0010] 上述第一步中，设定热力管道各向同性，设定热力管道保溫结构为一个均匀的物 体，垂直方向上的热性质为均一的，则发生泄漏后带保溫结构热力管道的热传导方程如下：
[0011]
[0012] 此式中hr为泄漏的管壁狭缝产生射流冲击换热系数，单位为W/(m2 · K);qm为泄漏 高溫高压蒸汽质量流量，单位为kg/s;(3p为泄漏高溫高压蒸汽比热容，单位为J/kg · KdTf为 管道内高溫高压蒸汽溫度，°C ; Tw单位为保溫层外壁面溫度，单位为°C ; δι为热力管壁厚度， 单位为m; δ2为保溫层内壁面与管壁间的距离，单位为m; δ3为保溫层厚度，单位为m; λι为管壁 导热系数，单位为W/(m · Κ) ;λ2为保溫层内壁面与管壁间空气导热系数，单位为W/(m · Κ) ;λ3 为保溫层导热系数，单位为W/(m · Κ);
[0013] 在此过程中，在泄漏点附近任一点管壁垂直方向热流密度一定，泄漏瞬间过程Tw 保溫层外壁面溫度将会随热阻的转变而溫度逐渐增高，并随着时间的发展而稳定在一个较 高值；由上式可W得出：当发生泄漏后，Tw将与沿管道方向各点的热阻相关，即与狭缝泄漏 所产生的射流冲击换热系数hr分布相关，在热力管道上将产生与换热系数hr分布一致的溫 度分布。
[0014] 上述第二步中，管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分 布，即当管道存在焊缝裂口或砂眼时，在换热表面的局部产生强烈换热效果的射流冲击，汽 体在压差作用下通过圆形或窄缝形喷嘴呈一定倾角地喷射到被加热的表面上，被冲击的壁 面正对喷嘴的地区为滞止区，与射流中屯、对应的点为滞止点，在喷嘴离开被冲击物体的相 对距离H/D的改变下，被空气冲击的物体表面局部Nu数与离开滞止点的距离的变化也发生 变化，得到单个圆形或窄缝形喷嘴冲击射流所形成的表面Nu数的分布，其中ReD，N邮的公式 为
[0015]
[0016] Re为雷诺数，Nu为努塞尔数，D为圆形或窄缝形喷嘴直径，Η为喷嘴至冲击表面距 离，R为冲击表面离开滞止点的距离，λ为导热系数，hr是离开滞止点为r处的局部表面传热 系数，狭缝所产生的D与λ是固定不变的，那么hr与Nu为一一的对应关系，Nu数分布即是hr的 分布，Ue为射流出口的平均流速。
[0017] 上述第Ξ步中，红外成像技术采集到的热力管道管壁溫度的分布根据斯式藩-玻 尔兹曼定律得出，公式如下：
[001 引
[0019]式中，0成为黑体福射常数，其值为5.67 X l〇-8W/(m2 · K4);Co称为黑体福射系数，其 值为5.67W/(m2 · K4)，下角码b表示黑体。
[0020]本发明通过将带保溫结构热力管道发生泄漏的过程分解为狭缝射流冲击换热和 保溫层间导热，根据测得的热力管道表面溫度场分布与狭缝冲击射流在冲击表面对流换热 系数分布的对比，得出热力管道是否发生泄漏并判断得到管道泄漏位置。本发明对热力管 道发生泄漏的检测方法具有无接触，其检测灵敏度和准确度高且原理明确，能够直观准确 的确定是管道发生泄漏还是保溫结构损坏引起的溫度变化并确定管道泄漏的具体位置，有 效降低热力管道泄漏所带来的安全危害和运行风险。
【附图说明】
[0021] 附图1为本发明单个圆形喷嘴射流流场示意图。
[0022] 附图2为本发明单个圆形喷嘴冲击射流所形成的表面局部Nu数的分布图。
[0023] 附图3为本发明带保溫结构热力管道发生泄漏示意图。
[0024] 附图4为附图3的A-A向剖视图。
[0025] 附图中的编码分别为：1为保溫层，2为管壁，3为高溫高压蒸汽，4为红外热福射，5 为管壁狭缝。
【具体实施方式】
[0026] 本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体 的实施方式。
[0027] 在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1 的布图方式来进行描述的，如:前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图 方向来确定的。
[0028] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
[0029] 实施例：如附图1、2、3、4所示，一种带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，包括W 下步骤：
[0030] 第一步，带保溫结构热力管道发生泄漏后导热换热过程包括管壁2狭缝射流冲击 换热和保溫层1导热换热；
[0031] 第二步，分析管壁狭缝5喷嘴冲击射流在冲击表面形成的流场分布，同时根据实验 数据拟合得出管壁狭缝5喷嘴表面离开被冲击物体的相对距离不同时的Nu数在冲击表面的 分布，即管壁狭缝5喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分布；
[0032] 第Ξ步，采用红外热成像技术，通过测量热力管道表面发射出的红外热福射4,测 得热力管道表面溫度场的分布，并得到管道轴向的溫度场变化过程；
[0033] 第四步，通过测得的热力管道表面溫度场分布与管壁狭缝5冲击射流在冲击表面 对流换热系数分布的对比，得出热力管道的管壁2是否发生泄漏并通过判断得出管壁2泄漏 具体位置。
[0034] 可根据实际需要，对上述带保溫结构的热力管道泄漏检测方法作进一步优化或/ 和改进：
[0035] 如附图1、2、3所示，在第一步中，设定热力管道各向同性，设定热力管道保溫结构 为一个均匀的物体，垂直方向上的热性质为均一的，则发生泄漏后带保溫结构热力管道的 热传导方程如下：
[0036]
[0037] 此式中hr为泄漏的管壁狭缝5产生射流冲击换热系数，单位为W/(m2 · K);qm为泄漏 高溫高压蒸汽3质量流量，单位为kg/s;cp为泄漏高溫高压蒸汽3比热容，单位为J/kg · KdTf 为管道内高溫高压蒸汽3溫度，°C ; TV单位为保溫层1外壁面溫度，单位为°C ; δι为热力管壁2 厚度，单位为πι;δ2为保溫层1内壁面与管壁2间的距离，单位为πι;δ3为保溫层1厚度，单位为m; λι为管壁2导热系数，单位为W/(m · Κ);λ2为保溫层1内壁面与管壁2间空气导热系数，单位为 W/(m · Κ) ;λ3为保溫层巧热系数，单位为W/(m · Κ);
[0038] 在此换热过程中，带保溫结构热力管道发生泄漏后由保溫层导热换热形式转变为 管壁狭缝射流冲击换热与保溫层导热换热相结合为主的换热过程;在泄漏点附近任一点管 壁2垂直方向热流密度一定，泄漏瞬间过程IV保溫层1外壁面溫度将会随热阻的转变而溫度 逐渐增高，并随着时间的发展而稳定在一个较高值；由上式可W得出：当发生泄漏后，Tw将 与沿管道方向各点的热阻相关，即与管壁狭缝5泄漏所产生的射流冲击换热系数hr分布相 关，在热力管道上将产生与换热系数hr分布一致的溫度分布。
[0039] 未发生泄漏时带热力管道的热传导过程，公式如下：
[0040]
[0041 ]式中：Tf为管道内蒸汽溫度，单位为°C ; Tw为保溫层外壁面溫度，单位为°C ; δι为热 力管壁厚度，单位为Π 1;δ2为保溫层内壁面与管壁间的距离，单位为Π 1;δ3为保溫层厚度，单位 为m;、为管壁导热系数，单位为w/(m · Κ);λ2为保溫层内壁面与管壁间空气导热系数，单位 为W/(m · Κ);λ3为保溫层导热系数，单位为W/(m · K);q为未发生泄漏状况下的散热损失，单 位为W/nf。
[0042] 在运个过程中，沿管道方向各点参数是一样的，因而保溫层1外表面溫度基本一 致，同时热力管道的外表面溫度并不会随时间发生较大变化，即Tw在时间轴和管道长度方 向并不会有较大差异，同时q值是受Tw所决定的。
[0043] 如附图1、2、3所示，在第二步中，管壁狭缝5喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处 的对流换热系数分布，即当管道存在焊缝裂口或砂眼时，在换热表面的局部产生强烈换热 效果的射流冲击，汽体在压差作用下通过圆形或窄缝形喷嘴呈一定倾角地喷射到被加热的 表面上，被冲击的壁面正对喷嘴的地区为滞止区，与射流中屯、对应的点为滞止点，在喷嘴离 开被冲击物体的相对距离Η / D的改变下，被空气冲击的物体表面局部Nu数与离开滞止点的 距离的变化也发生变化，得到单个圆形或窄缝形喷嘴冲击射流所形成的表面Nu数的分布， 其中ReD，NuD的公式为
[0044]
[0045] Re为雷诺数，Nu为努塞尔数，D为圆形或窄缝形喷嘴直径，Η为喷嘴至冲击表面距 离，R为冲击表面离开滞止点的距离，λ为导热系数，hr是离开滞止点为r处的局部表面传热 系数，狭缝所产生的D与λ是固定不变的，那么hr与Nu为一一的对应关系，Nu数分布即是hr的 分布，Ue为射流出口的平均流速。
[0046] 根据附图2可W得到：当喷嘴表面离开被冲击物体的相对距离H/化k较大时（附图2 中为10)，局部表面传热系数从滞止点的最高值向四周单调地下降，随着r的增加，下降趋势 逐渐减缓，在同一r/D下，局部表面传热系数随Ren的升高而升高；当H/D减小到5左右时，随 着R州的增加，局部表面传热系数的分布开始出现第二个峰值，运一趋向随着Reo的升高而逐 渐明显；当H/D减小到1左右时，第二个峰值处的表面传热系数在Reo较高时，已经与滞止点 处的值相接近。射流离开喷嘴后由于气流的卷吸作用而使流动中的端流度急剧增加，同时 气流到达壁面上时，气流壁面间的剧烈冲击作用也会使气流中的扰动增加。运些因素综合 作用的结果，导致在一定的条件下局部表面传热系数的分布出现第二个峰值。
[0047]如附图1、2、3所示，在第Ξ步中，红外成像技术采集到的热力管道管壁2溫度的分 布根据斯式藩-玻尔兹曼定律得出，公式如下：
[004引
[0049] 式中，0成为黑体福射常数，其值为5.67Xl(T8W/(m2 · K4);Co称为黑体福射系数，其 值为5.67W/(m2 · K4)，下角码b表示黑体。
[0050] 如附图1、2、3所示，本发明的工作原理是：一切物体只要其溫度高于绝对零度- 273.15Γ都会连续不断的向外界发射红外福射能量，在常规条件下任何物体都会由于其自 身的分子、原子无规则运动而连续的向周围空间福射热红外能量。福射波长的分布及福射 能量的大小与物体表面溫度高低关系十分密切，福射能量越大，物体表面溫度越高，所W， 通过测量物体自身向其周围空间福射红外能量的大小，就可W准确的检测出物体表面溫度 的高低。红外热成像就是通过红外探测器接收被测物体的红外热福射，得到被测管道表面 的溫度分布场信息。本发明的热力管道外壁面不断地向外福射红外热福射，通过红外热成 像原理准确检测热力管道外壁面福射出来的红外能量，由斯式藩-玻尔兹曼定律即得到热 力管道管壁表面保溫层溫度分布状况;根据得到的热力管道保溫层1外壁面保溫层1溫度场 分布与管壁狭缝5喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分布，通过对热力 管道保溫层1外壁面溫度分布与管壁狭缝5喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换 热系数分布的对比分析，并对比未发生泄漏时的保溫层1外表面溫度W及热力管道的外表 面溫度，能够直观的得出管道管壁2是否泄漏W及管壁2泄漏点的具体位置。
[0051] W上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据 实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
【主权项】
1. 一种带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，其特征在于包括W下步骤： 第一步，带保溫结构热力管道发生泄漏后导热换热过程包括管壁狭缝射流冲击换热和 保溫层导热换热； 第二步，分析管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面形成的流场分布，同时根据实验数据 拟合得出管壁狭缝喷嘴表面离开被冲击物体的相对距离不同时的Nu数在冲击表面的分布， 即管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分布； 第Ξ步，采用红外热成像技术，通过测量热力管道表面发射出的红外热福射，测得热力 管道表面溫度场的分布，并得到管道轴向的溫度场变化过程； 第四步，通过测得的热力管道表面溫度场分布与管壁狭缝冲击射流在冲击表面对流换 热系数分布的对比，得出热力管道的管壁是否发生泄漏并通过判断得出管壁泄漏具体位 置。2. 根据权利要求1所述的带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，其特征在于第一步中， 设定热力管道各向同性，设定热力管道保溫结构为一个均匀的物体，垂直方向上的热性质 为均一的，则发生泄漏后带保溫结构热力管道的热传导方程如下：式中hr为泄漏的狭缝产生射流冲击换热系数，单位为W/(m2 · K);qm为泄漏蒸汽质量流 量，单位为kg/s;cp为泄漏蒸汽比热容，单位为J/kg-K"TF为管道内蒸汽溫度，单位为°C;Tw 单位为保溫层外壁面溫度，单位为°C ; δι为热力管壁厚度，单位为m; δ2为保溫层内壁面与管 壁间的距离，单位为πι;δ3为保溫层厚度，单位为m;、为管壁导热系数，单位为W/(m · Κ);λ2为 保溫层内壁面与管壁间空气导热系数，单位为W/(m-K);A3为保溫层导热系数，单位为W/ (m · K); 当发生泄漏后，TV将与沿管道方向各点的热阻相关，即与狭缝泄漏所产生的射流冲击换 热系数hr分布相关，在热力管道上将产生与换热系数hr分布一致的溫度分布。3. 根据权利要求1或2所述的带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，其特征在于第二步 中，管壁狭缝喷嘴冲击射流在冲击表面不同距离处的对流换热系数分布，即当管道存在焊 缝裂口或砂眼时，在换热表面的局部产生强烈换热效果的射流冲击，汽体在压差作用下通 过圆形或窄缝形喷嘴呈一定倾角地喷射到被加热的表面上，被冲击的壁面正对喷嘴的地区 为滞止区，与射流中屯、对应的点为滞止点，在喷嘴离开被冲击物体的相对距离H/D的改变 下，被空气冲击的物体表面局部Nu数与离开滞止点的距离的变化也发生变化，得到单个圆 形或窄缝形喷嘴冲击射流所形成的表面Nu数的分布，其中ReD，N加的公式为Re为雷诺数，Nu为努塞尔数，D为圆形或窄缝形喷嘴直径，Η为喷嘴至冲击表面距离，R为 冲击表面离开滞止点的距离，λ为导热系数，hr是离开滞止点为r处的局部表面传热系数，狭 缝所产生的D与λ是固定不变的，那么hr与Nu为一一的对应关系，Nu数分布即是hr的分布，Ue 为射流出口的平均流速。4. 根据权利要求1或2所述的带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，其特征在于第Ξ步 中，红外成像技术采集到的热力管道管壁溫度的分布根据斯式藩-玻尔兹曼定律得出，公式 如下：式中，σ成为黑体福射常数，其值为5.67 X l(T8W/(m2 · K4); Co称为黑体福射系数，其值为 5.67W/(m2 · K4)，下角码b表示黑体。5.根据权利要求3所述的带保溫结构的热力管道泄漏检测方法，其特征在于第Ξ步中， 红外成像技术采集到的热力管道管壁溫度的分布根据斯式藩-玻尔兹曼定律式中，σ成为黑体福射常数，其值为5.67 X l(T8W/(m2 · K4); Co称为黑体福射系数，其值为 5.67W/(m2 · K4)，下角码b表示黑体。
【文档编号】F17D5/02GK105972441SQ201610516248
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】董利江, 沈中信, 王旭阳
【申请人】新疆电力建设调试所