湖南省特种设备检验检测研究院 夏向共 张希旺 刘 欣

0 引言

锅炉压力容器是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。锅炉作为承压容器，其动力来源于电能与化石燃料产生，产生各行各业中所需要的大量热量。在高温、高压的作用环境下，长期运行的锅炉容易出现泄漏、锅炉壁变形和腐蚀等，严重情况下还会导致爆炸，严重影响了运行的安全可靠性。[1-2]。因此，对锅炉的安全运行在线监测，及时发现锅炉运行中出现的缺陷问题，对于延长锅炉使用寿命、提高锅炉运行的安全可靠性具有重要价值。

通过监测锅炉运行参数，进行数据分析，研究锅炉壁破损情况，合理安排故障维修，以发现锅炉在运行过程中存在的缺陷问题。运行中的锅炉出现问题的额原因多种多样，为了及时对锅炉缺陷做到修复，纪要有针对性的去分析故障原因。目前经常采用的检测方法有：宏观检查、壁厚测量、几何尺寸测量、无损检测、理化检测、垢样分析等[3]。但这些方法都存在检测对象单一的弊端。

本文提出一种基于融合多参数分析的锅炉安全检测方法，该检测方法利用超声波在材料中传播时遇到界面（如裂纹、气孔缺陷）反射回来的回波特征来分析与检测被测物体内部的缺陷情况，并结合射线检测对可疑部位进行检测，最后将来自多个不同传感器的数据信息进行整合优化处理，这有利于提早发现锅炉运行中的隐患，对锅炉安全、经济、环保运行的问题提供了有力的保障。

1 数字超声波探伤技术检测

该探伤扫描技术的工作原理是基于超声波和计算机技术，利用超声波在物体中反射传播特性来检测缺陷的，通过计算机技术分析数字信号，最后消除数字信号中的噪声，再进一步处理分析[4]。

超声波探伤法的原理是超声波探伤仪产生的数值信号脉冲，在合适的耦合方式下入射到被检测物体内，超声波信号在物体内产生反射波，通过示波器来分析反射波中蕴含的故障信息[4-7]。数字超声波探伤扫描技术可以根据缺陷的不同显示方式分为A 型、B 型、C型和 3D 型四种，本文是对B型超声波探伤技术进行相应的研究探讨，其结构及原理如图1所示。

图1 B型显示原理框图

B型显示超声波探伤在应用过程中，探头只需要实现一维扫描即可成像[8]，超声波探伤传感器示意图如图2所示。

图2 超声波探伤传感器原理图

由于锅炉在制造时是通过钢结构的焊接构成的，在焊缝中会存在裂缝、气隙、杂物等缺陷。裂纹、无融合、不完全穿透2 x射线检测平面缺陷，应力高程度集中、易对焊接接头造成损伤，从而造成更大的危害。孔隙和凹陷是体积型缺陷，应力集中较少，危害较小[9-10]。

检测方法如下：首秀根据锅炉壁钢板厚度选择合适大小的探头；其次在检测剪切波前计算估计量，确定区域边界线，并利用基于探针的矢量加减过程[11]；第三步是使用弯曲的屏蔽孔调整扫描线的位置；最后通过示波器分析信号波形，并在接管和外部墙之间做出区分，以避免遗漏或错误判断。

2 X射线数字化实时成像检测

随着对工件无损伤技术的发展，一种更新进的技术应用而生—X射线数字化实时成像检技术。在锅炉缺陷检测时，用X射线扫面锅炉壁，由于缺陷与正常钢结构存在不同程度的吸收能力，会形成一个存在明显区别的X射线图像，该图像通过图像增强器转换成可见光图像，通过A/D转换将可见光转换为数字图像来进行故障分析[12]。

X射线检测管和图像监测接收系统被安装在同一个框架上，通过电机驱动，检测的发射射线与管子馈送方向构成可以调整大小的角，为了使前后的焊缝图像不会重叠，可以调整焊缝为椭圆形中。[13]。为了使被检测工件全方位成像，本文在每个对接焊缝上装配了旋转机构，可以360°连续成像，系统实施图如图3所示。

图3 实时系统方案图

3 基于信息融合的锅炉故障诊断方法

信息融合是基于多种传感器将不同的信息源信号进行整合优化，得出最有效的信息。这种方法的优势在于利于多种不同类型传感器协同作用，收集优化目标信号，提高系统的有效性[14]，信息融合原理图如图4所示。

图4 信息融合原理图

依据锅炉缺陷原理以及信息融合的工作原理及，提出了如图5所示的信息融合锅炉缺陷检测模型。

图5 基于信息融合的锅炉故障诊断模型

3.1 数据挖掘技术

数据挖掘技术是将原始数据信号中未知的、隐含的有效信息进一步挖掘，被挖掘出的信息能够有效地用于信息管理及分析控制等方面。

3.2 基于数据层融合的故障报警

数据层的信息融合主要功能是实现标准化数据以及数据越限报警。在二元假设前提下，对于锅炉的某些故障失效状态，其监测的区域可以被划分为Z0和Z1[15]。当传感器接收到的数据信号在Z0区域时，可以诊断为运行正常，否则运行出现故障。通过实现两区域的合理划分，可以减小实验的误差率。

3.3 基于特征层数据融合的故障诊断

基于特征层与决策层融合的故障诊断方法需要检测层分析的结果，同时需要数据库中故障诊断的信息知识。该数据库的诊断信息知识既包括常见的故障类型，也包括通过数据挖掘得来的新的故障数据信息[16]。当锅炉运行发生故障时，会产生噪声等干扰信号，这些外在因素使得在数据信号分析时产生影响[17-19]，所以需要进一步的特征层的信息融合，即故障诊断。

4 实例分析

湖南省某厂1#锅炉是一次中间再热自然循环、平衡通风锅炉，最大连续蒸发量1151t/h，主蒸汽温度540℃，过热蒸汽压力17.37MPa，再热蒸汽流量1035t/h，再热蒸汽进/出口压力4.3MPa/4.11M Pa，再热蒸汽进/出口温度335.6℃/540℃，给水压力19.595MPa，给水温度278℃，排烟温度128摄氏度，2012年10月投入生产。

2014年2月11日上午10时，发现1#转炉低温过热器处有异常声音。在测试过程后期，密切关注1＃机组的实测数据，清除明显不良数据，进行对比分析，并将检测结果与先前训练好的神经网络系统的测试数据进行计算，提升特性的有效性。测试结果显示，一些指标超过了关注值。初步判断是低温过热器失效。

停炉检查可以分为以下几步：首先通过超声波探伤检测，判断低温过热器和中隔墙管子是否有损坏，接着从管子损坏进行初步判断，定位块与管子的焊缝有拉裂纹，通过是否有被蒸汽吹损的痕迹，判断焊缝裂口是不是管子损坏的裂纹源；最后利用X射线成像技术对破裂管子的化学成分和机械性能进行分析，看其是否达要求。

将诊断过程中得到的特征测量值进行标准化处理，并通过推理与实际故障进行对比分析，将分析结果通过数据挖掘模块存入专家系统中。

实验证明，使用单一参数信息很难准确的判断事故原因和故障位置点，而通过信息融合，将多种参数进行综合判断可以有效降低故障率，提高判断精度。

5 结论

通过分析数字超声波探伤技术，信息融合技术，X射线数字实时成像探测与特点，提出了基于信息融合的锅炉故障诊断通用模型及其实现技术，为锅炉事故预防提供了一个技术上可行的有效途径。并通过实验证明，信息融合技术可以提高锅炉故障诊断中诊断的可靠性和准确性。