測量壁腐蝕的方法和設備的製作方法

2023-09-16 13:04:55 3

專利名稱：測量壁腐蝕的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一個方法和設備，這個方法和設備用於測量高壓高溫水冷卻反應器壁的耐火材料襯裡的遞減厚度，它是在反應器運行的同時，使用脈衝-回波超聲波探頭完成的。
人們已經知道有多種方法監視反應器壁的侵蝕。美國專利說明書3，056，248號揭示了一個帶等級的腐蝕測量裝置和方法，該裝置伸展到環境中產生不同頻率的超生波，其頻率的差異作為環境腐蝕率的一個函數。美國專利說明書第3，236，096號公開了一個電子測量器檢測固體物質的腐蝕程度。美國專利說明書第4，269，397號公開了一個在冶金設備內測量耐火材料厚度的方法，它是由一個用在設備的關鍵磨損區域的監視裝置產生定時脈衝，然後將脈衝用一代表耐火材料厚度的直線在顯示器上顯示出來。美國專利說明書第4，510，793號公開了用於監視耐火材料襯裡磨損的一個過程，它使用了一個超聲波探頭，這個探頭放置在靠近陶瓷棒的頭部，這個陶瓷棒與耐火材料襯裡有相同的磨損速率;其長度在任何時候都是殘存的壁厚的一個測量值。美國專利說明書第4，539，846號公開了用在一個監視區域的原地磨損測量的一個超聲波磨損監視器，它使用一個安放在腐蝕區域的探頭，在這個區域它被腐蝕這個超聲波探頭還包括進行溫度測量的熱電偶，對應探頭監視區域內的固定溫度變化可以調整測量的時間間隔。然而在反應器運行期間，存在高溫、高壓和有腐蝕作用的熱氣、未燃燒的燃料顆粒和礦渣，對耐火材料襯裡構成了一個有害的嚴重腐蝕的環境，上述那些裝置和方法沒有一個是可用於高壓、高溫和水冷卻反應器的。用在這樣的反應器內的耐火材料襯裡要求(1)在礦渣中具有低溶性，對礦渣和未燃燒的顆粒造成的磨損具有強抗性;(2)使礦渣穿入減至最小的高密度;(3)使用在氣態環境，具有高強的抗熱衝擊性、高強度和高體積穩定性;以及特別是(4)高熱傳導性以便高效率地把熱從耐火材料/礦渣接觸面排走。
本發明的目的是提供一種方法和設備，在高壓、高溫、水冷卻反應器運行期間，測量其薄壁上耐火材料襯裡在腐蝕性環境條件下的遞減的厚度，做為襯裡和銷釘的可能被腐蝕的一個指示，並在反應器內延著耐火材料襯裡測量其溫度梯度，以便補償由於熱膨脹或由於反應器溫度和環境引起材料特性的變化而造成的探頭長度誤差。
因此，本發明提供在高壓、高溫、水冷卻反應器運行期間測量其壁上耐火材料襯裡不斷減小著的厚度的一個方法，其特徵為包括如下步驟(a)把一個脈衝-回波超聲波探頭插入反應器壁的開口伸到耐火材料的內表面;
(b)隨時間量探頭的脈衝-回波信號，就獲得一個確定壁襯裡初始厚度的脈衝-回波信號初始測量值和一個確定壁襯裡當前厚度的脈衝-回波信號的當前測量;
(c)從初始測量的厚度和當前測量的厚度計算出壁襯裡的厚度;
(d)至少測量以下之一，(1)運行期間探頭的溫度梯度;和(2)作為溫度的一個函數聲速的變化;
(e)至少用以下之一調整計算出的壁襯裡的厚度，(1)用步驟(d)得到的溫度梯度進行熱膨脹補償和(2)用步驟(d)得到的聲速度變化;
(f)提供壁襯裡調整後的計算厚度。
本發明還提供用於在高壓、高溫、水冷卻反應器運行期間測量其壁上耐火材料襯裡縮減著的厚度的一種設備，其特徵為(a)用於把一個脈衝-回波探頭插入到反應器壁的開口伸到耐火材料襯裡內表面的裝置。
(b)用於隨時間測量探頭的脈衝-回波信號以獲得一個確定壁的襯裡初始厚度的脈衝-回波信號初始測量和一個確定壁的襯裡當前厚度的脈衝-回波信號當前測量的裝置。
(c)用於從初始測量的厚度和當前測量的厚度計算出襯裡厚度的裝置;
(d)用於至少測量以下之一的裝置，(1)發生在運行時間探頭的溫度梯度和(2)作為溫度函數求聲速的變化;
(e)至少用以下之一來調整壁襯裡計算的厚度的裝置，(1)用從步驟(d)得到的溫度梯度進行熱膨脹補償和(2)用從步驟(d)得到的聲速度變化;
(f)用於提供壁襯裡調整後的計算厚度的裝置。
正如上面所指出的，本發明應用於高壓、高溫、水冷卻反應器。
高壓、高溫、水冷卻反應器、如那些應用於氣化煤、頁巖、焦油砂粒等的反應器，常由水泥或化學粘結劑把耐熔質砂粒粘結到反應器的金屬壁上形成一個相對薄的單層(大約2.5釐米)耐火材料襯裡而構成。薄的耐火材料襯裡的反應器使用高度水冷卻以降低軋屑-耐熔質相互作用的反應速度或在耐熔質上形成一個凍結層或粘滯軋屑層。水冷卻是在反應器運行期間由安裝在反應器壁上的金屬管中的冷卻水連續循環流動完成的。通常銷釘安置在管子上，且把耐火材料襯裡鍵固定到要求的位置同時幫助把熱轉移到冷卻水上，因此把襯裡保持在可實用的低的溫度上。耐火材料襯裡上也有銷釘。
耐火材料襯裡被安置在壁上，它的深度D1將在以下，參考圖形給予說明。耐火材料襯裡設計工作在溫度高到大約1300℃到1700℃。嵌入的耐火材料襯裡可以是技術上已知的適應於水冷卻反應器的一種廣泛的耐熔質材料，它包括但並不限於耐火土、氧化鋁-二氧化矽鉻礦石、矽銅碳化物、以氧化鋁和氧化鋯為基礎的材料和類似於粘合劑結合或膠合劑水泥如鈣-氧化鋁水泥、酸-磷酸酯化合物、鈉矽酸鹽、粘土、硼酸和有機化合物和同類型材料等。
脈衝-回波超聲波探頭被插入到一個測試窗口或其它在反應器壁上提供的合適的開口，如在一個高壓、高溫、水冷卻氣化器有銷釘的壁上的開口。在運行期間，例如這個氣化器壁的溫度大約是330℃。
探頭是具有廣泛類型材料的，與反應器壁使用的材料相類似，探頭材料將發射希望的脈衝-回波超聲波信號。所以探頭採用了一種金屬或陶瓷材料，例如型號310不鏽鋼熱壓矽酮碳化物(HPSC)。
因為探頭是被安放在反應器壁的耐火材料襯裡上，當它遭受軋屑、非燃燒的燃料顆粒和熱氣侵蝕時，探頭實質上將與耐火材料襯裡同樣地速率受到侵蝕。通過探頭髮射的脈衝-回波將被用於測量距離D2，耐火材料襯裡厚度剩餘D1能從距離D2計算出來。腐蝕的耐火材料襯裡圖中用虛線表示(下面將要說明)將導至探頭和銷釘兩者與耐火材料襯裡以同樣的程度受到腐蝕。本質上脈衝-回波超聲波信號脈衝從探頭末端表面發射到反應器壁，途徑探頭長度的距離同時回波從探頭末端表面收回。脈衝-回波途徑的距離是真實距離D1的兩倍，所以真實距離D1是脈衝-回波超聲波信號途徑的全部距離的一半。脈衝收發器可以包括產生電脈衝的裝置，使超生波脈衝被作用到探頭上由此接收回重複的超聲波脈衝-回波，然後轉換成相應的電信號。
溫度測量，使用熱電偶或類似物可以補償探頭長度引起的誤差，這種誤差是由於溫度造成熱膨脹或材料特性的任何變化而引起的。通過插入到探頭上交錯位置的兩個或更多個熱電偶測量溫度，就確定了沿著壁的熱梯度同時由於每一個熱電偶被插入已知的距離，這就核實了襯裡基餘的長度。熱電偶也能存在於有筋的反應器壁中，交錯安置以便獲得壁耐火材料襯裡的溫度梯度。這使得更準確的確定耐熔質壁襯裡縮減著的厚度成為可能，它使用比較探頭的溫度梯度和耐熔質覆蓋的溫度梯度，並基於這些值對單出的厚度進行校正。
換能器是現有技術中已知的，它把脈衝-回波超聲波信號轉換成另一種所需的形式，用來決定反應器壁減小的厚度以及用來提供反應器壁襯裡當前厚度的一個有效符號或信號。例如換能器是一個壓電換能器或同類的東西。
與換能器相連接的是用於計算距離D1和D2和溫度梯度的裝置和用於校正距離D1和D2的裝置。如有必要，考慮探頭長度上的溫度梯度和聲速變化。
由於探頭材料的熱膨脹，(例如不鏽鋼)需要修正的值將大約是每釐米百分度2.5×10-5或大約是每釐米長度每100℃溫度變化2.5×10-3。本發明應用到相對厚的壁上，這種修正可被忽略。
由於做為溫度函數的聲速變化，引起的修正要比熱膨脹的影響下的修正大得多，因而要做修正。(這種影響大約比熱膨脹影響大10倍)對於一個好的近似，在相同溫度或同樣溫度梯度下，校準的一個標準試驗探頭通常能消除速度的影響;然而，對於本發明所採用的精度，一個簡單的方法可以採用，在這個方法中從探頭自身取來的溫度測量值的平均溫度被乘以一個校準因子(大約確定為每釐米長度每攝氏度3.8×10-4)。
通過測量探頭暴露在膜式壁(超過D1)熱側邊的平均溫度並獨立於壁冷側伸出的長度而校正該值，可以獲得改進的精度。在兩種情況下，現有技術上已知的相同校準因子可以使用。例如在探頭長度範圍內測量溫度。確定長度D1的平均溫度。用上面的因子乘以這個長度。同樣在壁的凍側確定長度的平均溫度，也就是部分D3進行修正。全部修正將是兩部分修正的和。溫度梯度在D1範圍內比溫度梯度在探頭的剩餘範圍內大得多時，這個方法將是一種改進。
一個附加的冷卻源，如空氣散熱片或類似的東西，用以維持探頭銳溫度梯度，並在距離D1範圍內保持依附在壁上的管道支柱的溫度梯度，它是大約高到750KW/m2或470℃/cm。
本發明也能用於決定在石化工業中反應器壁上的耐火材料襯裡的腐蝕程度，例如一個催化破碎機旋流器或提升器和類似的東西。
本發明將參考附圖
以舉例方式加以詳述，圖中表示了插入具有耐火材料襯裡的反應器壁中的脈衝-回波超聲波探頭。
參看附圖，一個脈衝-回波超聲探頭1被安置在一個高壓、高溫、水冷卻氣化反應器的壁10中，反應器有一個初始厚度D1大約為2.5釐米的耐火材料襯裡。耐火材料襯裡覆蓋了水冷卻管40上的銷釘30。銷釘30的配置大約為1000個銷釘/米2到4000個銷釘/米2，最好是2500個銷釘/米2。耐火襯裡是磷酸鹽粘合的矽酮碳化物或磷酸鹽粘合的礬土，鉻-礬土或類似的東西。冷卻管40助助熱轉換到冷卻水上，因此使得襯裡保持實際儘可能低的溫度。例如，在管內產生了溫度是330℃的蒸汽。探頭1穿入一個儀器的窗口或反應器壁10上的其它合適的開口，例如，用螺旋方式把它擰入一個接頭70使它進入襯裡內部。熱電偶50包括在探頭部件中以測量不同深度的溫度和補償由於熱膨脹或由於溫度使探頭材料特性材生變化而造成的探頭長度的誤差。一個脈衝一回波超聲波轉換器60提供了一個使用穿過如距離D2長的探頭的脈衝-回波信號來測量探頭長度的設備，從距離D2就可計算出來耐火襯裡剩餘厚度。圖中虛線表示的腐蝕了的耐火襯裡將導至探頭和筋兩者與襯裡受到同樣程度的腐蝕，同時在反應器運行一段時間有一定程度的腐蝕發生後，受了腐蝕的耐火襯裡的厚度可從探頭的測量中計算出來。冷卻散熱片80(例如空氣散熱片)提供了一個附加冷卻源，這個附加冷卻源保持探頭的銳溫度梯度，在D1範圍內保持壁襯裡和筋中的溫度梯度高到大約750千瓦/米2或470度/釐米。
而所有的溫度測量是用常規熱電偶完成的，它們的型號和附著方法隨使用場合而變，對鎖釘或管溫的大多數測量，30標準鎂氧化物絕緣鉻-鎳鋁合金熱電偶安在探頭中合適的點上。對耐火襯裡中的溫度測量，可使用直徑小到0.08釐米的不鏽鋼外殼熱電偶。熱電偶也提供了一個證實脈衝-回波測量的方法，在脈衝-回波測量中，當熱側面退回/腐蝕到某一點，在這一點熱電偶不能工作(由於腐蝕或熔化)它們的溫度測量在這點也將不能工作。如果想要測量由冷卻水吸收的熱量，只要把小裸尖的熱電偶安置在水流中間點，測出入口和出口的水溫就可以了。
以前面的描述和附圖，本發明的各種各樣的改進對本技術領域的一般技術人員是明顯的。這些改進被視為是包括於本申請權利要求範圍內。
權利要求
1.一種用於測量高壓、高溫、水冷卻反應器運行期間壁耐火材料襯裡縮減著的厚度的方法，其特徵為包括以下步驟a)把一個脈衝--回波超聲波探頭插入反應器壁的一個窗口伸到耐火材料襯裡的內面；b)隨時間測量探頭的脈衝--回波信號以獲得一個副定壁襯裡初始厚度的脈衝一回波信號初始測量和一個確定壁襯裡脈衝--回波信號的當前測量；c)從初始時刻測量的厚度和當前時刻測量的厚度計算出壁襯裡的厚度；d)至少測量以下之一，(1)發生在探頭運行期間的溫度梯度，和(2)做為溫度的一個函數而呈現的聲速度變化；e)至少使用以下之一調整算出的壁襯裡厚度，(1)用溫度梯度進行熱膨脹補償和(2)用步驟(d)得出的聲速度變化；和f)提供壁襯裡調整後的計算厚度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵為所述探頭被冷卻以保持探頭中的溫度梯度以及保持反應器壁中的銷釘上的溫度梯度。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵為測量壁襯裡的溫度梯度、比較探頭和耐熔襯裡的溫度梯度同時調整算出的壁襯裡厚度。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵為測量暴露於耐火材料襯裡的探頭平均溫度，同時獨立於反應器壁冷側伸出的探頭長度的平均溫度而修正。
5.一種用於測量高壓、高溫、水冷卻反應器運行期間壁耐火材料襯裡縮減著的厚度的設備，其特徵為a)用於把一個脈衝-回波超聲波探頭插入反應器壁的開口伸到耐火材料襯裡內面的裝置;b)用於隨時間測量探頭的脈衝-回波信號以獲得一個確定壁襯裡初始厚度的脈衝-回波信號初始測量和一個確定壁襯裡當前厚度的脈衝-回波信號當前測量的裝置;c)用於從初始時刻測量的厚度和當前時刻測量的厚度計算出壁襯裡厚度的裝置;d)用於至少測量以下之一的裝置，(1)發生在運行期間探頭的溫度梯度和(2)做為溫度的函數求聽速的變化;e)至少用以下之一來調整壁襯裡計算厚度的裝置，(1)用從步驟(d)得到的溫度梯度進行熱膨脹補償和(2)用從步驟(d)得到的聲速度變化;f)用於提供壁襯裡調整後的計算厚度的裝置。
6.如權利要求5所述的設備，其特徵為提供有冷卻探頭的裝置，以維持探頭中的溫度梯度和保持反應器的壁中的銷釘上的溫度梯度。
7.如權利要求5所述的設備，其特徵為提供有用於測量壁耐火材料襯裡的溫度梯度、比較探頭和耐火襯裡的溫度梯度以及調整壁襯裡計算厚度的裝置。
8.如權利要求5所述的設備，其特徵為提供有測量暴露於耐火材料襯裡內面的探頭平均溫度，並獨立於反應器壁冷側伸出的探頭長度的平均溫度而校正的裝置。
全文摘要
一種方法和設備在強腐蝕情況下用於測量高壓、高溫、水冷卻反應器壁耐熔襯裡縮減著的厚度，例如一個高壓氣化器的壁。一個脈衝—回波超聲波探頭插入這個壁，它將與反應器壁以近似相同的速度受到腐蝕，從而獲得測量值。
文檔編號G01B17/02GK1036634SQ8910188
公開日1989年10月25日 申請日期1989年3月28日 優先權日1988年3月30日
發明者萊恩頓·威廉姆·羅伯特·迪克斯 申請人:國際殼牌研究有限公司