水冷壁管漏磁/超声无损检测机器人设计

　　水冷壁管是电站锅炉内部的主要结构件,长期在火焰、烟气和飞灰等十分恶劣的环境中运行,服役过程中腐蚀、磨损和拉裂等因素极易引起管壁减薄而老化失效,甚至出现爆漏事故,严重影响火电机组的安全、经济运行。根据美国电力研究所的统计,在过去10a(年)里,全美发生锅炉爆管事故累计高达4万余次,占整个火电设备停运事故的80%以上^[1]。

　　我国的情况亦如此,从连续3a全国火电100MW及以上发电机组运行可靠性报告中可以看到,锅炉管道爆漏仍然是火电机组运行不可靠的首要因素,每年由于管道爆漏而损失的电量达133.89亿kWh,占锅炉事故损失电量的83.3%,直接经济损失近40亿元,而这其中水冷壁管变形和爆管就占近40%。为了有效减少和防止锅炉管道爆漏事故的发生,加强锅炉管材运行中的质量监测和检验具有十分重要的现实意义。

　　传统水冷壁管的检测和清扫工作基本上是先搭脚手架,再由人工操作。但是,由于水冷壁管数量多且高度多在几十米以上,所以人工检测不仅周期长、工作效率低、劳动强度大、费用高,而且高空作业环境恶劣、易出事故,检测精度和清扫质量也无法得到保证。因此设计一个检测机器人,带动检测系统在水冷壁管上竖直爬行,顺利越障和拐弯,实现水冷壁管质量检测的自动化和智能化显得尤为重要。

　　1　漏磁和超声无损检测方法

　　目前用于电站锅炉管道无损检测的主要有超声、射线和红外热成像等方法,这些方法虽然各有优点,但同时也存在一些不足。超声波检测虽然精度高,但由于其实质是接触式点测,所以检测锅炉管道时工作量大、速度慢、效率低且只适合作一些条件允许的局部检测;射线和红外热成像方法不便于实现检测自动化和装置小型化。与超声波和射线检测方法相比,磁性无损检测方法不仅工艺简单、检测灵敏度高、检测速度快,而且对锅炉管材内外表面的裂纹、腐蚀和凹坑等缺陷具有很好的判断能力。如果采用磁性无损检测方法,则在研制自动爬行机器人时也不必另行考虑吸附方法,检测装置的设计难度明显降低,重量和体积得到有效控制。

　　由于受到水侧氢氧腐蚀和火侧高温氧化的共同作用,水冷壁管内外表面极易产生各种凹坑和裂纹等缺陷,造成管壁减薄,强度和刚度下降,甚至导致水冷壁管变形和爆管。归纳起来,水冷壁管缺陷从特征上可分为内外表面缺陷(点蚀、坑蚀和裂纹等)和壁厚减薄等。表面缺陷探伤可采用漏磁方法,壁厚减薄则可采用磁桥路检测^[2]。由于钢管截面积变化与霍尔元件信号输出值呈线性关系^[3],因此通过磁敏元件输出值的大小就能实现缺陷识别和定位,而缺陷的精确测量则可通过超声波探头完成。将两种方法结合,即用漏磁方法普查、超声精检,既能保证管道缺陷的检测效率,又能实现管道壁厚的精确测量。检测流程如图1所示。