中圖分類號(hào) TQ054 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A 文章編號(hào)0254-6094(2025)03-0468-06

城市內(nèi)工業(yè)園區(qū)中會(huì)存在數(shù)個(gè)不同類型的工廠，工廠的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)排出一定量的工業(yè)廢氣，導(dǎo)致我國(guó)廢氣排放量逐年增加，因此高體量的廢氣排放及其處理方式已成為環(huán)境保護(hù)和能源利用領(lǐng)域的重要議題

變換氣廢熱鍋爐作為一種高效的能量回收裝置，通過(guò)回收廢氣中的熱量，實(shí)現(xiàn)能量的再利用。然而，變換氣廢熱鍋爐在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于廢氣中的腐蝕性物質(zhì)和復(fù)雜多變的工況條件，其換熱管內(nèi)壁容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致泄漏，這不僅影響廢熱鍋爐的換熱效率和使用壽命，還可能對(duì)環(huán)境造成二次污染，甚至引發(fā)安全事故。因此，對(duì)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1.2]。

文獻(xiàn)[3]首先明確研究目標(biāo)，詳細(xì)分析了鍋爐運(yùn)行條件，確定腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)自標(biāo)；然后根據(jù)目標(biāo)監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)加熱鍋爐管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將系統(tǒng)應(yīng)用至目標(biāo)中，通過(guò)采集鍋爐狀態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)找出鍋爐管道腐蝕位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的工作狀態(tài)。由于在采集鍋爐管道狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，未能考慮其中無(wú)用數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)監(jiān)測(cè)精度較低。文獻(xiàn)[4]基于不同管道厚度下 L(0，1) 導(dǎo)波的變化規(guī)律，獲取管道反射波走時(shí)變化與壁厚損失的關(guān)系；基于關(guān)系分析結(jié)果計(jì)算管道壁厚，并聯(lián)合計(jì)算結(jié)果以及反射波走時(shí)變化建立壁厚損失函數(shù)，量化壁厚損失，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道腐蝕泄漏狀態(tài)。由于在獲取反射波時(shí)未能充分考慮周邊干擾因素影響，導(dǎo)致該方法監(jiān)測(cè)效果不理想。文獻(xiàn)[5]首先詳細(xì)分析管道腐蝕特點(diǎn)，獲取管道局部腐蝕速率；再將局部腐蝕速率作為條件，結(jié)合回歸樹(shù)(CART)劃分管道；最后利用熵權(quán)法建立腐蝕狀態(tài)評(píng)估模型，并結(jié)合工程實(shí)例分析管道腐蝕狀態(tài)的相對(duì)等級(jí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道腐蝕泄漏情況。由于在建立狀態(tài)評(píng)估模型時(shí)，忽視了管道腐蝕影響因素，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)監(jiān)測(cè)效果較差。文獻(xiàn)6設(shè)計(jì)了一種混合傳感器，用于同時(shí)測(cè)量溫度和管道厚度損失。該傳感器由一個(gè)彈簧支撐的圓柱形磁體、一個(gè)固定在管道上用于EFPI設(shè)置的反射鏡和一個(gè)用于溫度測(cè)量的光纖布拉格光柵 (FBG)組成。磁鐵和鋼管之間的磁力是管道壁厚的函數(shù)，可以傳遞到EFPI的空腔長(zhǎng)度（磁鐵和反射鏡之間的距離）。由于磁力的增加，空腔長(zhǎng)度隨著鋼管腐蝕而減小，因此可直接安裝在現(xiàn)有管道上而不中斷其運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)管道腐蝕監(jiān)測(cè)。但是由于在監(jiān)測(cè)過(guò)程中算法流程較為復(fù)雜，能耗較大，導(dǎo)致該方法的檢測(cè)性能并不理想。

為解決上述鍋爐換熱管道腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，筆者提出一種變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。

1構(gòu)建自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模型

設(shè)計(jì)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模型時(shí)，可將模型整體劃分成采集模塊和監(jiān)測(cè)模塊兩個(gè)部分(圖1)，其中采集模塊主要通過(guò)設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器采集管道運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部超聲波，監(jiān)測(cè)模塊主要根據(jù)采集到的管道內(nèi)部超聲波定位異常位置，計(jì)算管道的壁厚損失，從而確定管道腐蝕泄漏狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

2變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法

2.1 設(shè)計(jì)光纖光柵傳感器

利用光纖光柵設(shè)計(jì)一種相移光纖光柵傳感器（圖2)，通過(guò)將傳感器安裝于換熱管上，實(shí)時(shí)采集管道運(yùn)行過(guò)程中的超聲波，針對(duì)異常波即可定位腐蝕位置，計(jì)算獲取管道厚度數(shù)據(jù)[7.8]

分析圖2可知，光纖光柵傳感器在周期結(jié)構(gòu)中心引入π相移跳變，打開(kāi)反射光譜缺口，將缺口位置看作布拉格波長(zhǎng) λ_B ，其計(jì)算式為：

其中， n_eff 為纖芯折射率， A₀ 為光柵周期。

傳感器接收超聲波沖擊時(shí)，光纖光柵周期、光纖折射率會(huì)發(fā)生變化，令波長(zhǎng)偏移，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器譜移即可獲取對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。因此，設(shè)定光柵長(zhǎng)度 L_B 變化量為 ΔL_B ，波長(zhǎng)周期記作 ΔT ，獲取光柵中心波長(zhǎng)變化規(guī)律如下：

其中，光柵中心波長(zhǎng) λ_B 的變化量為 Δλ_B α_e 為彈性光學(xué)系數(shù) ，_βn，β_λ 分別為熱光學(xué)系數(shù)、熱膨脹率。

由式(2)可知，通過(guò)監(jiān)測(cè)超聲波引起的傳感器反射光譜中心波長(zhǎng)位置量，能夠有效表征光柵感應(yīng)的應(yīng)變值，因此根據(jù)傳感器采集的換熱管內(nèi)部超聲波可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏變化。

完成傳感器設(shè)計(jì)后，聯(lián)合光纖光柵傳感器和激光光源解調(diào)算法對(duì)光柵波長(zhǎng)實(shí)施解調(diào)，根據(jù)光電探測(cè)器獲取的光柵反射功率，以電壓漂移形式表述超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)換熱管超聲波信號(hào)V的采集：

V_s=Δλ_BCR_DI

其中， R_p 為響應(yīng)因子， C 為換熱管超聲波信號(hào)獲取時(shí)的傳感器光柵光譜斜率，1為激光功率。

2.2 換熱管腐蝕位置定位

完成換熱管超聲波信號(hào)采集后，通過(guò)信號(hào)變換算法提取信號(hào)瞬時(shí)特征量[9.10]。過(guò)程中為計(jì)算瞬時(shí)特征量，利用EMD分解算法，將超聲波信號(hào)分解成若干IMF分量 x(t) 以及剩余函數(shù)：

x(t)=a(t)cosχ(t)

其中， a(t) 為超聲波信號(hào)的IMF幅值， χ(t) 為信號(hào)相位。

根據(jù)EMD算法將信號(hào)展開(kāi)分離處理，獲取信號(hào) n_s 個(gè)IMF分量 (x₁，x₂，?，x_ns) ，選取其中非線性調(diào)制分量的IMF作為 a(t) ，對(duì)其進(jìn)行Hilbert-Huang變換提取信號(hào)瞬時(shí)幅值 lA(t) 和瞬時(shí)頻率 ω(t) ：

其中， _r(t) 為超聲波信號(hào)模 為微分函數(shù)， 為重構(gòu)信號(hào)。

完成上述計(jì)算后，采集超聲波信號(hào) ?R(t) 不同時(shí)刻的瞬時(shí)幅值 |A(t)| ，并設(shè)定其上下限范圍為[∣A_min(t)∣，∣A_max(t)∣] ，以此獲取信號(hào)瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化幅值范圍 ∣A_s(t)∣

根據(jù)上述超聲波信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值計(jì)算結(jié)果，取出其中極大值用于廢熱鍋爐換熱管腐蝕損傷評(píng)價(jià)，確定換熱管是否存在腐蝕情況，計(jì)算式為：

其中， 為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的信號(hào)瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化幅值， m 為總信號(hào)分量。

計(jì)算時(shí)，若換熱管不存在腐蝕情況，可根據(jù)式（7)計(jì)算結(jié)果將其看作換熱管的正常狀態(tài)參考值；若換熱管存在腐蝕情況，可在充分考量檢測(cè)精度和環(huán)境的前提下，通過(guò)下式辨識(shí)腐蝕損傷是否存在：

其中， 為正常狀態(tài)下?lián)Q熱管參考超聲波信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值。

根據(jù)式(8)找出換熱管上所有異常超聲波瞬時(shí)幅值對(duì)損傷展開(kāi)分組處理，分組時(shí)可根據(jù)最大延時(shí)時(shí)間 T_max 展開(kāi)，分組結(jié)果設(shè)定成 ?B₁，B₂，?，B_n 將換熱管腐蝕損傷所在組標(biāo)記成 B_si ，通過(guò)縮減超聲波信號(hào)步長(zhǎng)確定管道腐蝕位置，從而實(shí)現(xiàn)腐蝕位置定位。

2.3換熱管管道厚度損失計(jì)算

完成腐蝕位置的確定之后，針對(duì)該位置超聲波信號(hào)開(kāi)展管道的壁厚損失計(jì)算，通過(guò)這個(gè)計(jì)算結(jié)果獲取換熱管的腐蝕狀態(tài)，確定管道是否腐蝕泄漏，實(shí)現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管的腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)[11，12]

當(dāng)管道發(fā)生腐蝕時(shí)，由于導(dǎo)波會(huì)沿著管壁傳播，腐蝕位置引發(fā)的換熱管截面變化會(huì)使傳播特性發(fā)生改變，所以監(jiān)測(cè)管道腐蝕位置超聲波信號(hào)變化即可以識(shí)別出管道腐蝕泄漏損傷。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，首先設(shè)定管道的材料常數(shù)為 ?_?φ 拉普拉斯算子為 abla² ，則換熱管的管道超聲波傳播方程為：

其中， ?_S 為管道材料密度， u_?t 為管道超聲波信號(hào)位移、時(shí)間系數(shù)。

對(duì)式(9)中的 u 進(jìn)行推導(dǎo)，獲取管道導(dǎo)波的位移頻散方程 |S_ij|=0 ，設(shè)定 S_ij 與管道材料密度、常數(shù)等參數(shù)相關(guān)，以此建立管道導(dǎo)波變化與管道壁厚的關(guān)系方程：

其中， S_g 為導(dǎo)波群速度， S_p 為相速度 ， 為管道超聲波導(dǎo)波信號(hào)頻率， d 為管道壁厚。

設(shè)定管道初始壁厚為 d₀ ，初始管道超聲波固定頻率為 f₀ ，管道初始、損傷兩種狀態(tài)的群速度為 ，得到管道壁厚損失函數(shù)為：

其中， a_h 為換熱管初始內(nèi)半徑， a_c 為換熱管腐蝕后內(nèi)半徑， d_n 為管道壁厚損失， d_c 為故障管道壁厚 ??t_n 為相應(yīng)的導(dǎo)波變化， t_c 為管道基準(zhǔn)信號(hào)， t_h 為管道實(shí)際測(cè)量信號(hào)， L 為超聲波傳播長(zhǎng)度。

最后，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，獲取換熱管的腐蝕位置壁厚損失，通過(guò)該值與初始值之間的差值進(jìn)行結(jié)果辨識(shí)，完成對(duì)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲取，實(shí)現(xiàn)變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

3實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。選取某城市化工廠內(nèi)變換氣廢熱鍋爐為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該廢熱鍋爐換熱管長(zhǎng)度為 8m ，外徑為 75mm 壁厚為 6mm ，換熱管為耐高溫的合金材質(zhì)。

3.1換熱管超聲波信號(hào)提取效果測(cè)試

利用所提方法開(kāi)展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)時(shí)，將設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器均勻安裝在換熱管上，通過(guò)運(yùn)行傳感器采集換熱管運(yùn)行超聲波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若采集信號(hào)中噪聲較大會(huì)直接降低后續(xù)的腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)精度，因此對(duì)采集的超聲波信號(hào)采集效果展開(kāi)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，光纖光柵傳感器的具體參數(shù)如下：

光柵周期 20μm （20反射光譜帶寬 大于 100nm 量程 ±2×10^-3ε (ε為應(yīng)變)工作溫度范圍 300～600^°C 傳感器尺寸 直徑 1.5mm ，標(biāo)距 25mm ，有效測(cè)量距離 15mm

換熱管超聲波信號(hào)采集效果如圖3所示?？梢钥闯?，利用所提方法采集的換熱管內(nèi)部超聲波信號(hào)與實(shí)際換熱管超聲波信號(hào)完全一致，表明該方法具備有效性。

3.2 換熱管壁厚測(cè)試

利用所提方法開(kāi)展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)置管道內(nèi)存在3處腐蝕損傷，通過(guò)所提方法對(duì)不同腐蝕損傷位置管道厚度開(kāi)展測(cè)試，以驗(yàn)證所提方法在損傷監(jiān)測(cè)時(shí)的實(shí)際監(jiān)測(cè)精度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，筆者所提方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際換熱管腐蝕位置壁厚值能夠完全擬合，這是因?yàn)樗岱椒ㄔ趽Q熱管腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)Hilbert-Huang變換提取信號(hào)瞬時(shí)特征量，完成了腐蝕位置的精準(zhǔn)定位，說(shuō)明該方法在腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)監(jiān)測(cè)精度較高。

3.3 對(duì)比驗(yàn)證

選取筆者所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法開(kāi)展變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)對(duì)比，以驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性。將換熱管腐蝕泄漏劃分成安全、比較安全、一般安全、比較危險(xiǎn)和非常危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)，并標(biāo)記成等級(jí)1、2、3、4、5，將不同方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際換熱管情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，文獻(xiàn)[3]方法由于采集鍋爐管道狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)未能考慮其中無(wú)用數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，導(dǎo)致該方法在管道腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)精度較低；文獻(xiàn)[5]方法由于在利用熵權(quán)法建立腐蝕狀態(tài)評(píng)估模型時(shí)，模型自身冗余程度較高，導(dǎo)致該方法在腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)效果不理想；而筆者所提方法在監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用Hilbert-Huang變換提取信號(hào)瞬時(shí)特征量，從而有效地確定了管道腐蝕位置。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題，筆者提出一種變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法。該方法通過(guò)設(shè)計(jì)相移光纖光柵傳感器并結(jié)合信號(hào)處理算法構(gòu)建監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)腐蝕位置定位與壁厚損失計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在超聲波信號(hào)提取測(cè)試中，采集信號(hào)與實(shí)際信號(hào)高度吻合，驗(yàn)證了傳感器設(shè)計(jì)的有效性；在壁厚測(cè)試中，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值擬合良好，證明了腐蝕位置定位及壁厚損失計(jì)算的準(zhǔn)確性。綜上所述，筆者所提方法在變換氣廢熱鍋爐換熱管腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)中具有較高的實(shí)用價(jià)值，為工業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支持。

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An Auto-monitoring Method for the Corrosion Leakage of Heat Exchange Tubes in Waste Heat Boilers

ZHAI Fa-jun， ZHANG Yuan-yuan (Henan Xinlianxin Chemical Industry Group Co.，Ltd.)

AbstractAn auto-monitoring method for the corrosion leakage of heat exchange tube in transformation gas waste heat boilers was proposed and its auto-monitoring model was established and divided into an acquisition module and a monitoring module.In which，the collection model has a fiber optic grating sensor adopted to collect ultrasonic signals inside the heat exchange tube，and then has them input into the monitoring model to extract instantaneouscharacteristics of themonitored signal.Based on the transformation law between wavelength and pipeline thickness，the specific corrosion location on the pipeline was determined，including the lossquantificationof the pipelinewall thickness at corroded location.Finally，based on the quantitative results，the corosion leakage status of heat exchange tubes in the gas transformation waste heat boiler was collcted at real time to realize auto-monitoring of the corrosion leakage.The experimental results show that，making use of this method monitor the leakage of heat exchange tubes in waste heat boilers has good monitoring effect and high accuracy.

Key words transformer gas waste heat boiler，heat exchange tube，corrosion leakage，auto-monitoring model，corrosion location

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