專利名稱：測(cè)量壁腐蝕的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)方法和設(shè)備，這個(gè)方法和設(shè)備用于測(cè)量高壓高溫水冷卻反應(yīng)器壁的耐火材料襯里的遞減厚度，它是在反應(yīng)器運(yùn)行的同時(shí)，使用脈沖-回波超聲波探頭完成的。
人們已經(jīng)知道有多種方法監(jiān)視反應(yīng)器壁的侵蝕。美國(guó)專利說(shuō)明書3，056，248號(hào)揭示了一個(gè)帶等級(jí)的腐蝕測(cè)量裝置和方法，該裝置伸展到環(huán)境中產(chǎn)生不同頻率的超生波，其頻率的差異作為環(huán)境腐蝕率的一個(gè)函數(shù)。美國(guó)專利說(shuō)明書第3，236，096號(hào)公開(kāi)了一個(gè)電子測(cè)量器檢測(cè)固體物質(zhì)的腐蝕程度。美國(guó)專利說(shuō)明書第4，269，397號(hào)公開(kāi)了一個(gè)在冶金設(shè)備內(nèi)測(cè)量耐火材料厚度的方法，它是由一個(gè)用在設(shè)備的關(guān)鍵磨損區(qū)域的監(jiān)視裝置產(chǎn)生定時(shí)脈沖，然后將脈沖用一代表耐火材料厚度的直線在顯示器上顯示出來(lái)。美國(guó)專利說(shuō)明書第4，510，793號(hào)公開(kāi)了用于監(jiān)視耐火材料襯里磨損的一個(gè)過(guò)程，它使用了一個(gè)超聲波探頭，這個(gè)探頭放置在靠近陶瓷棒的頭部，這個(gè)陶瓷棒與耐火材料襯里有相同的磨損速率;其長(zhǎng)度在任何時(shí)候都是殘存的壁厚的一個(gè)測(cè)量值。美國(guó)專利說(shuō)明書第4，539，846號(hào)公開(kāi)了用在一個(gè)監(jiān)視區(qū)域的原地磨損測(cè)量的一個(gè)超聲波磨損監(jiān)視器，它使用一個(gè)安放在腐蝕區(qū)域的探頭，在這個(gè)區(qū)域它被腐蝕這個(gè)超聲波探頭還包括進(jìn)行溫度測(cè)量的熱電偶，對(duì)應(yīng)探頭監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的固定溫度變化可以調(diào)整測(cè)量的時(shí)間間隔。然而在反應(yīng)器運(yùn)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(duì)耐火材料襯里構(gòu)成了一個(gè)有害的嚴(yán)重腐蝕的環(huán)境，上述那些裝置和方法沒(méi)有一個(gè)是可用于高壓、高溫和水冷卻反應(yīng)器的。用在這樣的反應(yīng)器內(nèi)的耐火材料襯里要求(1)在礦渣中具有低溶性，對(duì)礦渣和未燃燒的顆粒造成的磨損具有強(qiáng)抗性;(2)使礦渣穿入減至最小的高密度;(3)使用在氣態(tài)環(huán)境，具有高強(qiáng)的抗熱沖擊性、高強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性;以及特別是(4)高熱傳導(dǎo)性以便高效率地把熱從耐火材料/礦渣接觸面排走。
本發(fā)明的目的是提供一種方法和設(shè)備，在高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器運(yùn)行期間，測(cè)量其薄壁上耐火材料襯里在腐蝕性環(huán)境條件下的遞減的厚度，做為襯里和銷釘?shù)目赡鼙桓g的一個(gè)指示，并在反應(yīng)器內(nèi)延著耐火材料襯里測(cè)量其溫度梯度，以便補(bǔ)償由于熱膨脹或由于反應(yīng)器溫度和環(huán)境引起材料特性的變化而造成的探頭長(zhǎng)度誤差。
因此，本發(fā)明提供在高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器運(yùn)行期間測(cè)量其壁上耐火材料襯里不斷減小著的厚度的一個(gè)方法，其特征為包括如下步驟(a)把一個(gè)脈沖-回波超聲波探頭插入反應(yīng)器壁的開(kāi)口伸到耐火材料的內(nèi)表面;
(b)隨時(shí)間量探頭的脈沖-回波信號(hào)，就獲得一個(gè)確定壁襯里初始厚度的脈沖-回波信號(hào)初始測(cè)量值和一個(gè)確定壁襯里當(dāng)前厚度的脈沖-回波信號(hào)的當(dāng)前測(cè)量;
(c)從初始測(cè)量的厚度和當(dāng)前測(cè)量的厚度計(jì)算出壁襯里的厚度;
(d)至少測(cè)量以下之一，(1)運(yùn)行期間探頭的溫度梯度;和(2)作為溫度的一個(gè)函數(shù)聲速的變化;
(e)至少用以下之一調(diào)整計(jì)算出的壁襯里的厚度，(1)用步驟(d)得到的溫度梯度進(jìn)行熱膨脹補(bǔ)償和(2)用步驟(d)得到的聲速度變化;
(f)提供壁襯里調(diào)整后的計(jì)算厚度。
本發(fā)明還提供用于在高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器運(yùn)行期間測(cè)量其壁上耐火材料襯里縮減著的厚度的一種設(shè)備，其特征為(a)用于把一個(gè)脈沖-回波探頭插入到反應(yīng)器壁的開(kāi)口伸到耐火材料襯里內(nèi)表面的裝置。
(b)用于隨時(shí)間測(cè)量探頭的脈沖-回波信號(hào)以獲得一個(gè)確定壁的襯里初始厚度的脈沖-回波信號(hào)初始測(cè)量和一個(gè)確定壁的襯里當(dāng)前厚度的脈沖-回波信號(hào)當(dāng)前測(cè)量的裝置。
(c)用于從初始測(cè)量的厚度和當(dāng)前測(cè)量的厚度計(jì)算出襯里厚度的裝置;
(d)用于至少測(cè)量以下之一的裝置，(1)發(fā)生在運(yùn)行時(shí)間探頭的溫度梯度和(2)作為溫度函數(shù)求聲速的變化;
(e)至少用以下之一來(lái)調(diào)整壁襯里計(jì)算的厚度的裝置，(1)用從步驟(d)得到的溫度梯度進(jìn)行熱膨脹補(bǔ)償和(2)用從步驟(d)得到的聲速度變化;
(f)用于提供壁襯里調(diào)整后的計(jì)算厚度的裝置。
正如上面所指出的，本發(fā)明應(yīng)用于高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器。
高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器、如那些應(yīng)用于氣化煤、頁(yè)巖、焦油砂粒等的反應(yīng)器，常由水泥或化學(xué)粘結(jié)劑把耐熔質(zhì)砂粒粘結(jié)到反應(yīng)器的金屬壁上形成一個(gè)相對(duì)薄的單層(大約2.5厘米)耐火材料襯里而構(gòu)成。薄的耐火材料襯里的反應(yīng)器使用高度水冷卻以降低軋屑-耐熔質(zhì)相互作用的反應(yīng)速度或在耐熔質(zhì)上形成一個(gè)凍結(jié)層或粘滯軋屑層。水冷卻是在反應(yīng)器運(yùn)行期間由安裝在反應(yīng)器壁上的金屬管中的冷卻水連續(xù)循環(huán)流動(dòng)完成的。通常銷釘安置在管子上，且把耐火材料襯里鍵固定到要求的位置同時(shí)幫助把熱轉(zhuǎn)移到冷卻水上，因此把襯里保持在可實(shí)用的低的溫度上。耐火材料襯里上也有銷釘。
耐火材料襯里被安置在壁上，它的深度D1將在以下，參考圖形給予說(shuō)明。耐火材料襯里設(shè)計(jì)工作在溫度高到大約1300℃到1700℃。嵌入的耐火材料襯里可以是技術(shù)上已知的適應(yīng)于水冷卻反應(yīng)器的一種廣泛的耐熔質(zhì)材料，它包括但并不限于耐火土、氧化鋁-二氧化硅鉻礦石、硅銅碳化物、以氧化鋁和氧化鋯為基礎(chǔ)的材料和類似于粘合劑結(jié)合或膠合劑水泥如鈣-氧化鋁水泥、酸-磷酸酯化合物、鈉硅酸鹽、粘土、硼酸和有機(jī)化合物和同類型材料等。
脈沖-回波超聲波探頭被插入到一個(gè)測(cè)試窗口或其它在反應(yīng)器壁上提供的合適的開(kāi)口，如在一個(gè)高壓、高溫、水冷卻氣化器有銷釘?shù)谋谏系拈_(kāi)口。在運(yùn)行期間，例如這個(gè)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(yīng)器壁使用的材料相類似，探頭材料將發(fā)射希望的脈沖-回波超聲波信號(hào)。所以探頭采用了一種金屬或陶瓷材料，例如型號(hào)310不銹鋼熱壓硅酮碳化物(HPSC)。
因?yàn)樘筋^是被安放在反應(yīng)器壁的耐火材料襯里上，當(dāng)它遭受軋屑、非燃燒的燃料顆粒和熱氣侵蝕時(shí)，探頭實(shí)質(zhì)上將與耐火材料襯里同樣地速率受到侵蝕。通過(guò)探頭發(fā)射的脈沖-回波將被用于測(cè)量距離D2，耐火材料襯里厚度剩余D1能從距離D2計(jì)算出來(lái)。腐蝕的耐火材料襯里圖中用虛線表示(下面將要說(shuō)明)將導(dǎo)至探頭和銷釘兩者與耐火材料襯里以同樣的程度受到腐蝕。本質(zhì)上脈沖-回波超聲波信號(hào)脈沖從探頭末端表面發(fā)射到反應(yīng)器壁，途徑探頭長(zhǎng)度的距離同時(shí)回波從探頭末端表面收回。脈沖-回波途徑的距離是真實(shí)距離D1的兩倍，所以真實(shí)距離D1是脈沖-回波超聲波信號(hào)途徑的全部距離的一半。脈沖收發(fā)器可以包括產(chǎn)生電脈沖的裝置，使超生波脈沖被作用到探頭上由此接收回重復(fù)的超聲波脈沖-回波，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。
溫度測(cè)量，使用熱電偶或類似物可以補(bǔ)償探頭長(zhǎng)度引起的誤差，這種誤差是由于溫度造成熱膨脹或材料特性的任何變化而引起的。通過(guò)插入到探頭上交錯(cuò)位置的兩個(gè)或更多個(gè)熱電偶測(cè)量溫度，就確定了沿著壁的熱梯度同時(shí)由于每一個(gè)熱電偶被插入已知的距離，這就核實(shí)了襯里基余的長(zhǎng)度。熱電偶也能存在于有筋的反應(yīng)器壁中，交錯(cuò)安置以便獲得壁耐火材料襯里的溫度梯度。這使得更準(zhǔn)確的確定耐熔質(zhì)壁襯里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(zhì)覆蓋的溫度梯度，并基于這些值對(duì)單出的厚度進(jìn)行校正。
換能器是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，它把脈沖-回波超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種所需的形式，用來(lái)決定反應(yīng)器壁減小的厚度以及用來(lái)提供反應(yīng)器壁襯里當(dāng)前厚度的一個(gè)有效符號(hào)或信號(hào)。例如換能器是一個(gè)壓電換能器或同類的東西。
與換能器相連接的是用于計(jì)算距離D1和D2和溫度梯度的裝置和用于校正距離D1和D2的裝置。如有必要，考慮探頭長(zhǎng)度上的溫度梯度和聲速變化。
由于探頭材料的熱膨脹，(例如不銹鋼)需要修正的值將大約是每厘米百分度2.5×10-5或大約是每厘米長(zhǎng)度每100℃溫度變化2.5×10-3。本發(fā)明應(yīng)用到相對(duì)厚的壁上，這種修正可被忽略。
由于做為溫度函數(shù)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(duì)于一個(gè)好的近似，在相同溫度或同樣溫度梯度下，校準(zhǔn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)探頭通常能消除速度的影響;然而，對(duì)于本發(fā)明所采用的精度，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以采用，在這個(gè)方法中從探頭自身取來(lái)的溫度測(cè)量值的平均溫度被乘以一個(gè)校準(zhǔn)因子(大約確定為每厘米長(zhǎng)度每攝氏度3.8×10-4)。
通過(guò)測(cè)量探頭暴露在膜式壁(超過(guò)D1)熱側(cè)邊的平均溫度并獨(dú)立于壁冷側(cè)伸出的長(zhǎng)度而校正該值，可以獲得改進(jìn)的精度。在兩種情況下，現(xiàn)有技術(shù)上已知的相同校準(zhǔn)因子可以使用。例如在探頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)測(cè)量溫度。確定長(zhǎng)度D1的平均溫度。用上面的因子乘以這個(gè)長(zhǎng)度。同樣在壁的凍側(cè)確定長(zhǎng)度的平均溫度，也就是部分D3進(jìn)行修正。全部修正將是兩部分修正的和。溫度梯度在D1范圍內(nèi)比溫度梯度在探頭的剩余范圍內(nèi)大得多時(shí)，這個(gè)方法將是一種改進(jìn)。
一個(gè)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，并在距離D1范圍內(nèi)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(fā)明也能用于決定在石化工業(yè)中反應(yīng)器壁上的耐火材料襯里的腐蝕程度，例如一個(gè)催化破碎機(jī)旋流器或提升器和類似的東西。
本發(fā)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里的反應(yīng)器壁中的脈沖-回波超聲波探頭。
參看附圖，一個(gè)脈沖-回波超聲探頭1被安置在一個(gè)高壓、高溫、水冷卻氣化反應(yīng)器的壁10中，反應(yīng)器有一個(gè)初始厚度D1大約為2.5厘米的耐火材料襯里。耐火材料襯里覆蓋了水冷卻管40上的銷釘30。銷釘30的配置大約為1000個(gè)銷釘/米2到4000個(gè)銷釘/米2，最好是2500個(gè)銷釘/米2。耐火襯里是磷酸鹽粘合的硅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(zhuǎn)換到冷卻水上，因此使得襯里保持實(shí)際盡可能低的溫度。例如，在管內(nèi)產(chǎn)生了溫度是330℃的蒸汽。探頭1穿入一個(gè)儀器的窗口或反應(yīng)器壁10上的其它合適的開(kāi)口，例如，用螺旋方式把它擰入一個(gè)接頭70使它進(jìn)入襯里內(nèi)部。熱電偶50包括在探頭部件中以測(cè)量不同深度的溫度和補(bǔ)償由于熱膨脹或由于溫度使探頭材料特性材生變化而造成的探頭長(zhǎng)度的誤差。一個(gè)脈沖一回波超聲波轉(zhuǎn)換器60提供了一個(gè)使用穿過(guò)如距離D2長(zhǎng)的探頭的脈沖-回波信號(hào)來(lái)測(cè)量探頭長(zhǎng)度的設(shè)備，從距離D2就可計(jì)算出來(lái)耐火襯里剩余厚度。圖中虛線表示的腐蝕了的耐火襯里將導(dǎo)至探頭和筋兩者與襯里受到同樣程度的腐蝕，同時(shí)在反應(yīng)器運(yùn)行一段時(shí)間有一定程度的腐蝕發(fā)生后，受了腐蝕的耐火襯里的厚度可從探頭的測(cè)量中計(jì)算出來(lái)。冷卻散熱片80(例如空氣散熱片)提供了一個(gè)附加冷卻源，這個(gè)附加冷卻源保持探頭的銳溫度梯度，在D1范圍內(nèi)保持壁襯里和筋中的溫度梯度高到大約750千瓦/米2或470度/厘米。
而所有的溫度測(cè)量是用常規(guī)熱電偶完成的，它們的型號(hào)和附著方法隨使用場(chǎng)合而變，對(duì)鎖釘或管溫的大多數(shù)測(cè)量，30標(biāo)準(zhǔn)鎂氧化物絕緣鉻-鎳鋁合金熱電偶安在探頭中合適的點(diǎn)上。對(duì)耐火襯里中的溫度測(cè)量，可使用直徑小到0.08厘米的不銹鋼外殼熱電偶。熱電偶也提供了一個(gè)證實(shí)脈沖-回波測(cè)量的方法，在脈沖-回波測(cè)量中，當(dāng)熱側(cè)面退回/腐蝕到某一點(diǎn)，在這一點(diǎn)熱電偶不能工作(由于腐蝕或熔化)它們的溫度測(cè)量在這點(diǎn)也將不能工作。如果想要測(cè)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(diǎn)，測(cè)出入口和出口的水溫就可以了。
以前面的描述和附圖，本發(fā)明的各種各樣的改進(jìn)對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員是明顯的。這些改進(jìn)被視為是包括于本申請(qǐng)權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器運(yùn)行期間壁耐火材料襯里縮減著的厚度的方法，其特征為包括以下步驟a)把一個(gè)脈沖--回波超聲波探頭插入反應(yīng)器壁的一個(gè)窗口伸到耐火材料襯里的內(nèi)面；b)隨時(shí)間測(cè)量探頭的脈沖--回波信號(hào)以獲得一個(gè)副定壁襯里初始厚度的脈沖一回波信號(hào)初始測(cè)量和一個(gè)確定壁襯里脈沖--回波信號(hào)的當(dāng)前測(cè)量；c)從初始時(shí)刻測(cè)量的厚度和當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量的厚度計(jì)算出壁襯里的厚度；d)至少測(cè)量以下之一，(1)發(fā)生在探頭運(yùn)行期間的溫度梯度，和(2)做為溫度的一個(gè)函數(shù)而呈現(xiàn)的聲速度變化；e)至少使用以下之一調(diào)整算出的壁襯里厚度，(1)用溫度梯度進(jìn)行熱膨脹補(bǔ)償和(2)用步驟(d)得出的聲速度變化；和f)提供壁襯里調(diào)整后的計(jì)算厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征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(yīng)器壁中的銷釘上的溫度梯度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為測(cè)量壁襯里的溫度梯度、比較探頭和耐熔襯里的溫度梯度同時(shí)調(diào)整算出的壁襯里厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為測(cè)量暴露于耐火材料襯里的探頭平均溫度，同時(shí)獨(dú)立于反應(yīng)器壁冷側(cè)伸出的探頭長(zhǎng)度的平均溫度而修正。
5.一種用于測(cè)量高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器運(yùn)行期間壁耐火材料襯里縮減著的厚度的設(shè)備，其特征為a)用于把一個(gè)脈沖-回波超聲波探頭插入反應(yīng)器壁的開(kāi)口伸到耐火材料襯里內(nèi)面的裝置;b)用于隨時(shí)間測(cè)量探頭的脈沖-回波信號(hào)以獲得一個(gè)確定壁襯里初始厚度的脈沖-回波信號(hào)初始測(cè)量和一個(gè)確定壁襯里當(dāng)前厚度的脈沖-回波信號(hào)當(dāng)前測(cè)量的裝置;c)用于從初始時(shí)刻測(cè)量的厚度和當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量的厚度計(jì)算出壁襯里厚度的裝置;d)用于至少測(cè)量以下之一的裝置，(1)發(fā)生在運(yùn)行期間探頭的溫度梯度和(2)做為溫度的函數(shù)求聽(tīng)速的變化;e)至少用以下之一來(lái)調(diào)整壁襯里計(jì)算厚度的裝置，(1)用從步驟(d)得到的溫度梯度進(jìn)行熱膨脹補(bǔ)償和(2)用從步驟(d)得到的聲速度變化;f)用于提供壁襯里調(diào)整后的計(jì)算厚度的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征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(yīng)器的壁中的銷釘上的溫度梯度。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征為提供有用于測(cè)量壁耐火材料襯里的溫度梯度、比較探頭和耐火襯里的溫度梯度以及調(diào)整壁襯里計(jì)算厚度的裝置。
8.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征為提供有測(cè)量暴露于耐火材料襯里內(nèi)面的探頭平均溫度，并獨(dú)立于反應(yīng)器壁冷側(cè)伸出的探頭長(zhǎng)度的平均溫度而校正的裝置。
全文摘要
一種方法和設(shè)備在強(qiáng)腐蝕情況下用于測(cè)量高壓、高溫、水冷卻反應(yīng)器壁耐熔襯里縮減著的厚度，例如一個(gè)高壓氣化器的壁。一個(gè)脈沖—回波超聲波探頭插入這個(gè)壁，它將與反應(yīng)器壁以近似相同的速度受到腐蝕，從而獲得測(cè)量值。
文檔編號(hào)G01B17/02GK1036634SQ8910188
公開(kāi)日1989年10月25日 申請(qǐng)日期1989年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月30日
發(fā)明者萊恩頓·威廉姆·羅伯特·迪克斯 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司