专利名称：基于libs的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法
技术领域：
本发明涉及锅炉受热面高温失效趋势快速分析技术领域，具体涉及基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法。
背景技术：
在火力发电行业，金属材料的安全问题至关重要，尤其是被称为“四管”的水冷壁管、省煤器管、过热器管和再热器管是锅炉内部主要的受热面结构件，其安全性直接关系到整个电厂的安全。随着机组大容量、高参数的发展，受热面需要在更高的温度和压力条件下长期运行，同时由于调峰任务的要求，受热面需要承受更频繁的交变热应力作用。在这类工况条件下的长期运行会导致材料的组织和特性指标发生变化，逐渐发生老化和损伤，产生裂纹和内伤。一旦失效，轻则意外停炉，重则造成人员伤亡。由于缺乏快速有效的监测技术，现役电厂往往通过降低机组运行参数，未到期更换受热面管等措施，通过牺牲经济性来降低受热面爆管事故发生率。所以预测受热面材料的高温失效趋势，在停炉检修时快速准确地判断受热面的使用状态，可以减少机组的非计划停机，提高机组可用率。目前国内外对高温金属部件的状态检测主要是在停炉检修时进行，利用具有破坏性的割管检测和无损检测等技术。割管检测主要是检查化学成分、金相组织及损伤老化评定、常温和高温短时力学性能试验、碳化物相成分与相结构分析、异种钢焊接接头的试验等。通过割管检测可以得到该管段较详细的状态信息，但这样会对管段造成破坏，而且有限管段的状态信息不能完全代表其他管段的使用状态。现代无损检测技术是在不损伤被测物体的结构性能和使用性能的基础上，利用声、光、电、热、磁和射线等与物质相互作用的特点，对重要零部件进行检测和测量，探测材料和设备构件的已有缺陷，判断其位置、大小、形状和种类，并对材料性能进行评价。目前采用的无损检测监测技术主要有射线检测、交流电位降法检测、电磁感应涡流检测、磁检测、渗透检测、超声和红外检测等，以对高温受热面已有的缺陷进行检测。对于高温受热面，当缺陷出现时，就存在巨大的安全隐患。如果在停炉检修期间，能在受热面出现缺陷前预测其失效的趋势，则可以针对性的重点监督存在安全隐患的受热面管道，存在明显失效趋势的可以提前更换部件，避免出现重大的安全事故。因此，本发明提出了一种基于LIBS技术的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，在停炉检修期间不需割管即可快速判断受热面管道的失效趋势。
发明内容
本发明针对传统的锅炉受热面高温失效分析需要割管，而无损检测只能探测已有缺陷的实际情况，提出了一种基于LIBS的受热面高温失效趋势的快速分析方法。利用激光等离子体光谱受被测对象特性变化敏感以及聚焦激光具备的高空间分辨率特征，在停炉检修期间，基于宏观检查的基础上使用便携式的LIBS快速失效分析仪对重点区域受热面管道进行检测，快速判断材料的使用状态，并预测其失效的趋势。本发明的具体技术方案如下。基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，具体是锅炉停炉检修期间，脉冲激光光源发出的激光聚焦于待检测的受热面管道表面，使检测的金属材料被烧蚀气化并形成等离子体，采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱信息，提取表征受热面管道物理和化学特性的光谱特征指标，利用激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联性，得到被测管道的组织状态和力学性能指标，从而预测被检测管道的失效趋势。重复进行上述操作可以对不同的管道部位进行失效趋势的快速判断。进一步的，所述等离子体光谱特性指标包括受热面组成元素的特征谱线强度和强度比、等离子体温度和电子密度。进一步的，所述受热面管道材料的组织和力学性能指标包括组织状态以及硬度和强度指标。进一步的，所述组织状态包括珠光体球化、碳化物相结构类型转变、马氏体相变。与现有技术相比，本发明具有如下优点
本发明利用了 LIBS技术受被测对象特性变化敏感的特点，提供了一种基于LIBS的受热面高温失效趋势快速分析的方法，相对已有检测方法和仪器，具有无需割管，携带方便，分析速度快(发出脉冲激光至得到失效趋势数据的分析时间约为30s)，可以在停炉检修期间对受热面管道进行宏观缺陷出现前存在的失效趋势进行判断。通过本发明的应用，可以快速判断受热面管道材料的失效趋势，根据实际情况及时更换，以保证锅炉正常运行的安全性，降低非计划停机的概率。本发明能在现场快速获得受检样品的失效趋势，提高停炉期间金属检查的效率。
图1是本发明的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法流程图。图2基于主成份分析的不同服役时间受热面材料整体光谱数据归类图。图3是受热面材料的激光等离子体光谱特性指标与组织状态和力学性能指标的关联性示意图。图4为实施方式中基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析装置的结构示意图。
具体实施例方式 以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。本实施方式的一种基于激光诱导击穿光谱的锅炉受热面高温失效快速分析方法的流程如图1所示，在进行现场快速分析之前获取受热面材料组织和力学性能指标(金相组织、强度和硬度)和激光等离子体光谱特征指标(谱线强度及强度比、等离子体温度和电子密度)之间的关联式，其过程包括如下步骤
1)搜集不同服役时间的典型受热面材料，包括新材料和已经爆管的材料；
2)利用现有方法和设备，检测所搜集的受热面材料的金相组织、强度和硬度指标；
3)将以上检测过的受热面材料进行LIBS测量，分析等离子体光谱特征指标与材料的金相组织、强度和硬度之间的相关性，获得相应的关联式。如基于主成份分析的不同服役时间受热面材料整体光谱数据归类如图2所示，硬度与谱线强度比之间的关联性如图3所示。作为实例，图4中的锅炉受热面高温失效趋势快速分析装置，包括电源模块、脉冲激光光源模块、光谱探测模块、分析模块和光学组件，所述电源模块分别与脉冲激光光源模块、光谱探测模块和分析模块连接，分析模块与光谱探测模块连接，光谱探测模块还与脉冲激光光源模块连接，所述光学组件用于将脉冲激光光源模块产生的激光汇聚至待检测的管道上，光学组件还用于将所述等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱传送至光谱探测模块，光谱探测模块提取表征受热面管道物理和化学特性的光谱特征指标，所述分析模块利用激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联性，得到被测管道的组织状态和力学性能指标。其中激光光源模块以小型紧凑的脉冲激光器为主要部件，光谱探测模块由平面光栅和CCD组成，分析模块则包括了基本的控制器和数据采集与处理部件(如工业级微处理器)，电源模块选用紧凑型的蓄电池，为激光光源模块、光谱探测模块和分析模块供电，以上部件均选用现有成熟产品或模块进行集成。所述光学组件用于将脉冲激光光源模块产生的激光汇聚至待检测的管道上，光学组件还用于将所述等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱传送至光谱探测模块，光谱探测模块提取表征受热面管道物理和化学特性的光谱特征指标，所述分析模块利用激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联性，得到被测管道的组织状态和力学性能指标。光学组件包括激光聚焦光路和等离子体信号收集光路，其中利用激光聚焦光路将激光模块发出的脉冲激光聚焦至管道表面上形成等离子体，随后由等离子体信号收集光路收集管道表面形成的等离子体的发射光谱信号。进一步的，可以通过管道表面聚焦点校准光路确定激光在管道表面上的聚焦点位置。将前述步骤获得的材料特性与光谱特征指标之间的关联性用于现场受热面材料失效趋势的快速分析，具体步骤如下所示
I)在电厂停炉检修期间，根据宏观检查确定需要检查的重点区域，将便携式的基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析装置的激光输出面向待测受热面管道表面，保持距离在激发脉冲激光聚焦点附近，如图4所示。2)利用脉冲激光激发受热面材料形成等离子体，由内置于LIBS快速失效分析仪的光谱探测模块采集等离子光谱信息，得到表征受热面管道物理和化学特性的光谱数据，提取等离子体光谱特征指标，如图3所示的谱线强度比。3)利用附图3所示的激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联式，由被测管道得到的谱线强度比得到相应的硬度值，同时将被测管道整体的光谱数据进行主成份分析(即采用现有的主成分分析法)，并将主成分分析法中的第一主成份和第二主成份代入图2所示的归类区域中，获得被测管道所处的状态。结合这两种相关性关系，综合判断材料的使用状态，并预测被检测管道的失效趋势。
权利要求
1.基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，其特征在于，锅炉停炉检修期间，脉冲激光光源发出的激光聚焦于待检测的受热面管道表面，使检测的金属材料被烧蚀气化并形成等离子体，采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱信息，提取表征受热面管道物理和化学特性的光谱特征指标，利用激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联性，得到被测管道的组织状态和力学性能指标，从而预测被检测管道的失效趋势。
2.根据权利要求1所述的基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法其特征在于所述等离子体光谱特性指标包括受热面组成元素的特征谱线强度和强度比、等离子体温度和电子密度。
3.根据权利要求1所述的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，其特征在于所述受热面管道材料的组织和力学性能指标包括组织状态以及硬度和强度指标。
4.根据权利要求3所述的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，其特征在于所述组织状态包括珠光体球化、碳化物相结构类型转变、马氏体相变。
全文摘要
本发明公开了一种基于LIBS的锅炉受热面高温失效趋势快速分析方法，具体是锅炉停炉检修期间，脉冲激光光源发出的激光聚焦于待检测的受热面管道表面，使检测的金属材料被烧蚀气化并形成等离子体，采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光谱信息，提取表征受热面管道物理和化学特性的光谱特征指标，利用激光等离子体光谱特征指标与材料组织和力学性能指标之间的关联性，得到被测管道的组织状态和力学性能指标，从而预测被检测管道的失效趋势。本发明无需割管即可对受热面结构特性和机械性能进行快速分析，在宏观缺陷出现前判断其失效的趋势，可以有效提高检修期间金属检查的效率，促进快速失效分析技术的发展。
文档编号G01N21/63GK103018216SQ201210503080
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者姚顺春, 陆继东, 董美蓉, 李军, 张博 申请人:华南理工大学