一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统及方法

摘要

本发明属于工业控制领域，特别涉及一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统及方法。本发明系统由电磁超声波探头、爬升器、环形导轨、纵向导轨、控制器、数据采集仪和计算机构成。本发明利用电磁超声波技术、在非接触的状态下完成对钢烟囱厚度的测量，通过钢内筒厚度分布的比较分析和随时间历程的厚度变化趋势得出烟囱的腐蚀位置和腐蚀风险，为及时的维修提供建议。本发明能够自动、快速和精准地完成钢烟囱健康状况的评估和分析，降低钢烟囱的腐蚀风险和腐蚀程度，提高钢烟囱自身乃至整个生产工艺的工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于工业控制领域，特别涉及一种基于非接触式超声技术的钢烟囱 腐蚀监测系统及方法。

背景技术

火力发电、冶金和化工生产过程中，常使用燃煤锅炉来提供热量，并依靠 热量做功来产生能量。煤在燃烧的过程中，除了释放出热量外，还会产生二氧 化硫（SO₂）、三氧化硫（SO₃）、氮氧化合物（NO_x）、氯化物、氟化物、飞灰和 炉渣等副产物。如果不对这些副产物进行适当的处理和利用，排放后会对环境、 动植物的健康和人类的生产、生活产生灾难性的影响，如造成人类的呼吸系统 和神经系统疾病、形成光化学烟雾、产生温室效应和臭氧层空洞、形成酸雨并 造成金属材料的腐蚀。

对于煤燃烧过程中的排放设施-烟囱来说，最应当给予重视的是能溶解于烟 气水分中并形成酸性溶液的物质，如SO₂、SO₃、NO_x、氯化物、氟化物等，这 些物质在溶解后会形成硫酸、硝酸、盐酸和氢氟酸，对烟囱的结构支撑物如混 凝土和钢材产生严重的腐蚀，对烟囱及烟气排放的相关设施，直至对整个生产 工艺产生危害。

为了降低SO₂、SO₃、NO_x、氯化物、氟化物等可能造成的危害，常通过改 善锅炉燃烧制度（如采取分区燃烧和控制供氧系数），以及使用脱硫和脱硝措施， 来降低排放烟气中有害物质的含量。但是，尽管采取了一系列的措施，烟气中 依然会残留少量的有害物质，如湿法脱硫对SO₂的脱除率为95%左右，对SO₃的脱除率为50%左右，同时，经过脱硫处理后的烟气温度会下降，在排放的过 程中会在烟囱的内壁上产生酸露点凝结现象。在烟囱内壁上结露的后果是形成 一层冷凝液，该冷凝液具有很高的酸度，其pH值通常为2.0或以下，而且烟气 温度下降后可使得烟囱内部产生正压力，为冷凝液向烟囱内壁的渗透提供了驱 动力，因此，即使经过脱硫和脱硝处理的烟气，对烟囱来说依然存在着严重的 危害性。

为增强烟囱的抗腐蚀能力，通常在烟囱的内部建造一层防腐层，该防腐层 通常由耐蚀金属如钛合金、有机材料如聚脲、无机-有机复合材料如玻化砖-粘结 剂体系来制备，由于耐蚀金属的成本较高，因此通常使用的是有机或无机-有机 复合材料。

常见的烟囱结构形式是套筒式，即以钢筋混凝土筒作为外部支撑结构，在 其内部建造钢内筒用作排烟设施，并在钢内筒的内部建设防腐层。钢内筒不与 混凝土结构发生直接接触（局部用于支撑目的的点接触除外），这样就降低了烟 囱的主体结构物（钢筋混凝土筒）被腐蚀的风险。在钢筋混凝土筒内侧和钢内 筒的外侧之间通常建造有环形楼梯或电梯，用于烟囱工作状况的检查和维护。 此时，烟囱防腐蚀目标就是延缓钢内筒的腐蚀进程或维护钢内筒不被腐蚀，因 为即使在钢内筒内部建造有防腐层，但随着使用时间延长，由于防腐层性能的 劣化以及防腐层建造过程中存在的缺陷，常使得防腐层出现裂隙甚至脱落现象， 导致高酸度的冷凝液迁移至钢内筒的内表面，形成腐蚀电池，导致钢材中铁原 子的溶解（阳极反应）和酸性溶液中氢离子的析出（阴极反应），造成钢内筒的 腐蚀过程，并在宏观上表现为钢内筒的腐蚀减薄和穿孔现象，导致钢内筒的排 烟功能受损和承载能力下降，最终不得不拆除重建，造成巨大的经济损失。

为了增强钢内筒的抗腐蚀能力，通常采取优化内部防腐层的功能、使用电 化学保护和加强对钢内筒的监测和维护等措施。

在优化烟囱内部防腐层功能方面：申请号201220241725.6的专利（一种防 腐脱硫烟囱）提出在钢内筒的内部建设复合结构的防腐层（包括：树脂层、玻 璃纤维结构层和耐磨面层）；申请号201220041422.X的专利（火电厂新建钢内 筒烟囱湿法脱硫的防腐系统）提出在钢内筒的内部建造以耐热环氧防腐涂料层、 钾水玻璃耐酸胶泥层和轻质玻化耐酸陶瓷面砖层构成的防腐层；申请号 200710006482.1的专利（一种发电厂烟囱及烟道的防腐方法）提出在烟囱的内 部粘贴四氟乙烯板作为防腐层；申请号201110227739.2的专利（一种防腐烟囱 及烟囱防腐蚀方法）提出在烟囱的内部建造玻璃钢内衬作为防腐层。张炎明的 文章（张炎明，简析国内外烟囱防腐蚀技术，第四届中国国际腐蚀控制大会技 术推广文集，2009，p.222-243）对比研究了使用不同材料建造的烟囱内部防腐 层的优缺点。在利用电化学原理对钢内筒进行保护方面：申请号为 201210139216.7的专利（湿法脱硫烟囱的阴极保护技术）采用阴极保护的方法， 通过牺牲埋设于烟囱内部耐酸层中的阳极网来实现对烟囱的保护。在对钢内筒 的监测和维护方面，申请号为201310104600.8的专利（一种脱硫烟气对烟囱腐 蚀程度的测定方法）提出使用红外成像仪来测量烟囱外部的温度场，并通过温 度场中的异常温度点来“推算”烟囱内部的腐蚀程度。

从已申请的专利和已发表的文章来看，以往的研究者关注的重点是防腐层 建造方法，以及少量的尝试来进行钢内筒腐蚀防护和腐蚀程度表征的方法。但 是，随着烟囱使用时间的延长，防腐层作用效果的衰减和建造过程中缺陷对冷 凝液的传输作用是难以避免的，因此冷凝液迁移至钢内筒的内表面只是时间和 位置分布问题；而已进行的腐蚀防护（如建造各种品质的防腐层和使用阴极保 护）和表征方法（如使用红外成像仪来测量烟囱外部的温度场）均不能实现对 烟囱整体健康状况的全面和持续的监测以及腐蚀风险评估，况且，以单独的红 外测温方式来“推算”烟囱内部腐蚀程度的方法本身就值得商榷，因为烟囱外部的 灯光、日照和气流会对红外方式的测温结果产生显著的影响。

发明内容

针对现有烟囱腐蚀监测和评估方法的不足，本发明提供了一种基于非接触 式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统及方法，其工作对象是内部具有非金属防腐 层的钢烟囱，其实现方法是利用电磁超声波技术、在非接触的状态下完成对钢 烟囱厚度的测量，通过钢内筒厚度分布数据，以及钢内筒厚度随时间历程的变 化趋势，得出钢烟囱的腐蚀位置和腐蚀风险，为及时进行烟囱的维修提供建议。 其目的是自动、快速和精准地完成钢烟囱健康状况的评估和分析，降低钢烟囱 的腐蚀风险和腐蚀程度，提高烟囱自身乃至整个生产工艺的工作效率。

一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统，所述腐蚀监测系统由 电磁超声波探头、爬升器、环形导轨、纵向导轨、控制器、数据采集仪和计算 机构成；其中所述纵向导轨设置在钢烟囱内，沿钢烟囱中轴方向竖直设置；所 述纵向导轨上设置爬升器，所述爬升器能够沿纵向导轨往返运动；所述爬升器 上设置环形导轨，所述环形导轨所在平面与所述纵向导轨垂直；所述环形导轨 上设置电磁超声波探头；所述爬升器与设置在钢烟囱外的控制器相连，所述控 制器与数据采集仪相连，所述数据采集仪与计算机相连。

所述爬升器内设置信号处理模块和步进驱动装置。

一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统的监测方法，其具体方 法如下：

设置电磁超声波探头的测量位置：测量位置的设置由计算机、控制器和爬 升器所组成的闭环控制系统来完成，并通过驱动爬升器和环形轨道的运动来实 现电磁超声波探头测量位置的设置；

获取测量位置和超声波传播时间数据：当电磁超声波探头到达设定的测量 位置后，控制器命令电磁超声波探头开始工作，并和数据采集仪以及计算机协 同工作，完成爬升器的纵向位置Y、环形轨道的环向位置θ和超声波传播时间 t的采集；

钢内筒厚度的计算：依靠电磁超声波探头和控制器联合工作所获取的超声 波传播时间t，以及超声波在钢材中的传播速度v（可通过查阅资料或进行实际 测试来获得），用式1来计算钢内筒的厚度T，式1中的系数0.5是由于超声波 在钢内筒的内表面发射并由钢内筒的外表面反射回来，然后又在钢内筒的内表 面上被探测到，因此超声波的实际行程是钢板厚度的两倍；

T=0.5vt            式1

建立Y-θ-T序列：将测量和计算所得爬升器的纵向位置Y、环形轨道的环 向位置θ和钢内筒的厚度T组成一个序列，该序列建立了测量位置和钢内筒厚 度之间的关系；

钢内筒腐蚀风险和腐蚀位置分析：基于Y-θ-T序列，利用计算机建立三维 的钢内筒厚度分布图，为用户直观地呈现整个烟囱的腐蚀状态图；同时，利用 本次测量所得Y-θ-T序列，建立整个钢内筒不同位置处的厚度分布图，利用以 往测量所得Y-θ-T序列以及进行本次测量的时间，计算钢内筒不同位置处随时 间历程的厚度变化趋势，得出钢内筒的腐蚀风险和腐蚀位置；

维修建议的给出：根据腐蚀风险的大小，给出需要进行维修的具体位置， 以及需要进行维修的时间。

本发明的有益效果为：

1)非接触式测量：采用电磁超声波技术，实现非接触式测量，避免了钢烟 囱内部非金属防腐层对测量过程的影响；

2)全方位测量：通过在钢烟囱中央设置的纵向导轨，以及具有环形导轨的 爬升器，实现钢内筒沿高度和环向的全方位测量；

3)测量过程自动化：通过控制器控制爬升器和环形导轨，实现测量位置的 自动控制，通过计算机对电磁超声波探头的工作状态进行设置，并读取电磁超 声波探头的测量数据，实现钢内筒厚度的自动测量；

4)测量位置-钢内筒厚度关系的建立：通过爬升器内的驱动装置，实现纵向 和环向测量位置的确定，同时在测量过程中，在每一个测点都会将测量位置-钢 内筒厚度对应起来并进行存储，因此建立了测量位置-钢内筒厚度的对应关系；

5)腐蚀风险和腐蚀位置的全面评估：基于测量位置-钢内筒厚度关系，通过 钢内筒厚度分布的分析，以及钢内筒随时间历程的厚度变化趋势，得出钢内筒 的腐蚀程度、腐蚀位置和腐蚀风险；

6)维修建议的自动生成：依据对钢内筒腐蚀位置和腐蚀风险的全面评估， 根据腐蚀风险大小，给出需要进行维修的具体位置，以及需要进行维修的时间 （如：立即停机维修或到下一个维护周期进行维修）。

附图说明

图1为本发明系统的装置结构示意图；

图2为本发明系统的局部结构放大示意图；

图3为本发明方法的流程示意图；

图4为本发明方法的三维钢内筒厚度分布示意图；

图5为本发明方法的腐蚀位置示意图；

图6为本发明方法的腐蚀风险评估示意图；

图中标号：1-电磁超声波探头、2-爬升器、3-环形导轨、4-纵向导轨、5-控 制器、6-数据采集仪、7-计算机、8-钢内筒、9-非金属防腐层。

具体实施方式

本发明提供了一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统及方法， 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统，所述腐蚀监控系统由 电磁超声波探头1、爬升器2、环形导轨3、纵向导轨4、控制器5、数据采集仪 6和计算机7构成；其中所述纵向导轨4设置在钢烟囱内，沿钢烟囱中轴方向竖 直设置；所述纵向导轨4上设置爬升器2，所述爬升器2能够沿纵向导轨4往返 运动；所述爬升器2上设置环形导轨3，所述环形导轨3所在平面与所述纵向导 轨4垂直；所述环形导轨3上设置电磁超声波探头1；所述爬升器2与设置在钢 烟囱外的控制器5相连，所述控制器5与数据采集仪6相连，所述数据采集仪6 与计算机7相连。

所述爬升器2内设置信号处理模块和步进驱动装置。

本专利所提出的一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统所包含 的硬件如图1所示。

所述电磁超声波探头1，可在与钢内筒非接触的状态下，通过电磁效应，在 钢内筒8的内表面上激发出超声波并探测由钢内筒8外表面反射回的超声波， 其目的是测量超声波传播至钢内筒8的外表面后再反射回钢内筒8的内表面所 需的时间，该时间可用于钢内筒8厚度的计算。电磁超声技术不受电磁超声波 探头1和钢内筒8之间存在的非金属防腐层的影响；同时，整个探头封装在抗 酸液腐蚀和耐高温的保护壳中，因而可在高酸度、强腐蚀、高粉尘和高温的烟 气中工作。同时，电磁超声波探头1受环形导轨3的驱动，电磁超声波探头1 和控制器5之间进行通讯。

所述爬升器2，内部包括信号处理模块和步进驱动装置，该信号处理模块可 以和控制器5和步进驱动装置进行通讯，实现沿纵向导轨4的纵向爬升和对环 形导轨3的驱动。爬升器2表面具有抗酸液腐蚀和耐高温的涂层，因而可在高 酸度、强腐蚀、高粉尘和高温的烟气中工作的能力。

所述环形导轨3，安装于爬升器2上，与电磁超声波探头1之间固定连接， 受爬升器内步进驱动装置的驱动，可在高酸度、强腐蚀、高粉尘和高温的烟气 中工作。

所述纵向导轨4，由耐高温、耐酸腐蚀、耐颗粒摩擦的材料制成，其上面的 沟槽用于爬升器2的爬升。

所述控制器5，可与电磁超声波探头1、爬升器2、数据采集仪6和计算机 7之间进行通讯，可控制和采集爬升器2和环形导轨3位置，并控制和获取电磁 超声波探头1的工作状态和测量数据。

所述数据采集仪6，可采集由控制器所获取的爬升器2和环形导轨3位置， 以及电磁超声波探头1的工作状态和测量数据。

所述计算机7，通过和控制器5和数据采集仪6之间进行通讯，控制和获取 钢内筒厚度的测量位置和数据，并对该数据进行分析，得到钢内筒的腐蚀位置 和腐蚀风险，并将三维钢内筒的厚度分布图、腐蚀位置、腐蚀风险与用户进行 交互。

一种基于非接触式超声技术的钢烟囱腐蚀监测系统的监测方法，其具体方 法如下：

设置电磁超声波探头1的测量位置：测量位置的设置由计算机7、控制器5 和爬升器2所组成的闭环控制系统来完成，并通过驱动爬升器2和环形轨道3 的运动来实现电磁超声波探头1测量位置的设置；

获取测量位置和超声波传播时间数据：当电磁超声波探头1到达设定的测 量位置后，控制器5命令电磁超声波探头1开始工作，并和数据采集仪6以及 计算机7协同工作，完成爬升器2的纵向位置Y、环形轨道3的环向位置θ和 超声波传播时间t的采集；

钢内筒8厚度的计算：依靠获取的超声波传播时间t，结合超声波在钢材中 的传播速度v（可通过查阅资料或进行实际测试来获得），用式1来计算钢内筒 8的厚度T，式1中的系数0.5是由于超声波在钢内筒8的内表面发射并由钢内 筒8的外表面反射回来，然后又在钢内筒8的内表面上被探测到，因此超声波 的实际行程是钢板厚度的两倍；

T=0.5vt             式1

建立Y-θ-T序列：将测量和计算所得纵向位置Y、环向位置θ和钢内筒8 的厚度T组成一个序列，该序列的形式如：50-30-15.8，（表示：在50米的纵向 高度-在环向上，距离设定的初始测量位置旋转30度-测点的钢板厚度为15.8mm）， 该序列建立了测量位置和钢内筒8厚度之间的关系；

钢内筒8腐蚀位置和腐蚀风险分析：基于Y-θ-T序列，利用计算机7建立 三维钢内筒厚度分布图，给用户直观地呈现如图4所示的整个烟囱的腐蚀状态 图，以及如图5所示的腐蚀位置图；同时，利用本次测量的所有Y-θ-T序列数 据，以及以往测量所得Y-θ-T序列数据，结合进行本次测量的时间，通过钢内 筒8厚度的变化趋势来分析得出如图6所示的烟囱的腐蚀风险；如图6所示， 腐蚀风险大小的计算方法如下：对不同的测点，均计算上次测量和本次测量数 据所形成的斜率，该斜率是钢板厚度的减薄值和测量时间间隔的比值；通过实 验室试验或通过现场挂片的方法可测得钢材在烟囱中冷凝液作用下的腐蚀减薄 速率，如：8.0mm/年，该减薄速率即为理论的极限斜率；因此通过计算不同测 量点的斜率与理论极限斜率的比值即可获得腐蚀风险，如：计算得到某测量点 本次的斜率为4.0mm/年，则其腐蚀风险为50%；

维修建议的给出：根据腐蚀风险的大小，结合腐蚀位置给出需要进行维修 的具体位置，以及需要进行维修的时间；腐蚀位置如图6所示，其中给出在钢 内筒的不同高度处，沿着钢内筒的环向方向的不同长度处，各个位置的钢板厚 度图，该厚度图使用不同的图案来表示，图案样式和钢板厚度之间有对应关系， 如图5右侧的图例所示，不同的图案样式旁边是对应的钢板厚度值；本专利给 出维修建议的方法如下：如果烟囱中出现腐蚀风险大于80%的测点，则表明该 处的防腐层已失效或脱落，则会建议立刻停机进行维修；如果烟囱中出现腐蚀 风险在40%-80%的测定，则会建议对该点在下次停机维护时进行维修。给出的 维修建议形式如下：高度为80米，环向方向为5米处，已发生了防腐层的脱落， 应立即停机进行维修；高度为80米，环向方向为18.75米处，防腐层发生了严 重的渗透，建议在下一个维修周期进行维修。