鍋爐受熱面高溫失效的激光誘導(dǎo)擊穿光譜預(yù)測分析

鍋爐受熱面金屬材料的高溫失效是影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一，現(xiàn)有方法主要以破壞性的割管分析和缺陷出現(xiàn)后的無損檢測為主。本項(xiàng)目提出將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用于鍋爐受熱面高溫失效的預(yù)測。結(jié)合CCD相機(jī)和三維高精度調(diào)整平臺(tái)，搭建了一套用于金屬受熱面檢測的高精密調(diào)整的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；掌握了典型受熱面材料（12Cr1MoV、T91和T92）的失效機(jī)理和特征，建立了材料的顯微組織、力學(xué)性能和失效趨勢之間的對應(yīng)關(guān)系；建立了金相組織、晶粒度、機(jī)械性能和球化程度與等離子體及其光譜特性之間的關(guān)聯(lián)性；獲得了表征等離子體及其光譜特征的關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合單變量和多變量分析方法，建立了抗拉強(qiáng)度和老化等級的預(yù)測模型。本項(xiàng)目的研究為發(fā)展鍋爐受熱面金屬材料高溫失效的快速分析預(yù)測技術(shù)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

鍋爐受熱面金屬材料的高溫失效是影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一，現(xiàn)有方法主要以破壞性的割管分析和缺陷出現(xiàn)后的無損檢測為主。本項(xiàng)目在前期相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，提出將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用于鍋爐受熱面高溫失效的預(yù)測。研究激光誘導(dǎo)擊穿光譜與被測表面相互作用過程中，高溫失效引起的受熱面材料組織變化對激光誘導(dǎo)擊穿光譜特性的影響，分析碳化物析出以及合金元素偏析對特定譜線特性和元素微區(qū)分布的影響，并研究機(jī)械性能變化和等離子體特性以及光譜特性之間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建不同失效程度和光譜特性的關(guān)聯(lián)性。建立合適的光譜數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)受熱面高溫失效過程中組織結(jié)構(gòu)的確定和特征元素的高精度定量分析。根據(jù)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的定性定量分析結(jié)果與被檢測對象組織結(jié)構(gòu)變化和元素的微區(qū)分布變化的對應(yīng)關(guān)系，用以診斷受熱面狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鍋爐受熱面失效預(yù)測分析。本項(xiàng)目的完成將為發(fā)展鍋爐受熱面金屬材料高溫失效的快速分析預(yù)測技術(shù)提供理論和實(shí)驗(yàn)基

本書是關(guān)于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基礎(chǔ)論著，涵蓋了激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基礎(chǔ)知識(shí)及各種應(yīng)用。本書內(nèi)容豐富，從介紹激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基本原理與儀器結(jié)構(gòu)開始，結(jié)合激光等離子體性質(zhì)及診斷研究，新方法新技術(shù)的拓展，各種數(shù)據(jù)處理模型、相關(guān)儀器研發(fā)進(jìn)展及諸多實(shí)際應(yīng)用案例，全面展示了傳統(tǒng)分析方法、自由定標(biāo)方法、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法等對激光誘導(dǎo)擊穿光譜信息解釋的有關(guān)技術(shù)和知識(shí)。全書共8章，內(nèi)容涉及基本原理、儀器研發(fā)、技術(shù)進(jìn)展及該技術(shù)在地質(zhì)、冶金、石油、材料、環(huán)境、考古等社會(huì)熱點(diǎn)中的應(yīng)用，并探討了該技術(shù)在深空、深海、深地等極端環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)在空氣環(huán)境下進(jìn)行煤質(zhì)分析時(shí)，由于激光激發(fā)能量的起伏和樣品表面的不平整以及等離子體空間分布的變化等因素，導(dǎo)致光譜數(shù)據(jù)的起伏從而影響測量精度，成為制約該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一;同時(shí)煤中氧含量、硫含量的測量是影響該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的另外兩個(gè)關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目擬在改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對光譜數(shù)據(jù)通過優(yōu)化選擇分析線、等離子體溫度校正等方法實(shí)現(xiàn)對煤中常見元素的定量分析；利用內(nèi)標(biāo)法解決在空氣環(huán)境下對煤中氧含量的測量難題；利用雙脈沖激發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硫含量的測量難題，利用特殊設(shè)計(jì)的測量室結(jié)合氣掃技術(shù)解決粉塵環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的技術(shù)瓶頸，在元素分析的基礎(chǔ)上完成向工業(yè)分析指標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型研究,利用光機(jī)電氣一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光煤質(zhì)在線分析儀器的集成創(chuàng)新。本項(xiàng)目技術(shù)原理和方法可在地礦、環(huán)保、醫(yī)藥、材料、考古、食品安全、生化及冶金等領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。

我國燃煤種類多、煤質(zhì)差異大，煤質(zhì)分析對于以煤為能源或原料的發(fā)電廠、水泥廠、焦化廠等行業(yè)十分重要。利用煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)通過合理配煤可以提高煤的使用效率降低單位能耗、減少設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)保證生產(chǎn)安全運(yùn)行、降低有害物資排放減少對大氣的污染。但目前的煤質(zhì)分析方法和技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。本項(xiàng)目在科學(xué)基金的支持下，解決了國內(nèi)外利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)進(jìn)行煤質(zhì)分析存在的主要難點(diǎn)。研究組結(jié)合內(nèi)標(biāo)法、溫度校正法、多線法等措施獲得在空氣環(huán)境下煤中全氧和無機(jī)氧的含量，由此實(shí)現(xiàn)了在空氣環(huán)境下對煤中有機(jī)氧的定量分析，分析精度達(dá)到±1.4%；研究組經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)最終決定選用921.3nm、922.8nm、923.8nm的特征譜線作為煤中硫的分析譜線，不僅避免了其它元素譜線的干擾還避免了硫在紫外波段熒光易淬滅的現(xiàn)象，同時(shí)利用均衡激發(fā)技術(shù)，克服了S元素激發(fā)電位高的難題，實(shí)現(xiàn)了在空氣環(huán)境下對硫元素的定量分析，分析精度達(dá)到±0.2%；研究組提出結(jié)合Boltzmann-Maxwell分布和Saha-Eggert公式來提高等離子體溫度測量精度，建立了基于McWhirter準(zhǔn)則的等離子體局部熱平衡態(tài)光譜數(shù)據(jù)判據(jù)，發(fā)展了光譜數(shù)據(jù)的等離子體溫度校正技術(shù)，使煤中常規(guī)元素分析精度達(dá)到：C、Si、Al平均±1.1%，H、N、Ca、Mg、K、Na、Ti、Fe、Mn、P、Cu平均±0.2%；建立了元素分析向工業(yè)分析指標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型，發(fā)熱量誤差<±500KJ，灰分、揮發(fā)分測量相對偏差(RSD)分別≤±1.5%、±1.1%；采用校準(zhǔn)光源的光斑成像經(jīng)電控單元控制激光與樣品的對焦及光學(xué)探頭角度，解決了工作環(huán)境變化引起系統(tǒng)偏離最佳工作狀態(tài)的問題；利用正壓保護(hù)和高壓吹掃技術(shù)，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的即時(shí)吹掃除塵，解決了光學(xué)系統(tǒng)受工業(yè)粉塵污染的問題；利用激光功率信號(hào)與設(shè)定值比較誤差信號(hào)經(jīng)PID處理后反饋調(diào)整激光電源的氙燈供電電壓來糾正功率偏離，實(shí)現(xiàn)了脈沖光功率的長期穩(wěn)定，解決了因環(huán)境變化、器件衰變而導(dǎo)致光功率漂移問題，長時(shí)間的功率變化率優(yōu)于±1.5%。在上述研究的基礎(chǔ)上，研制了激光煤質(zhì)在線檢測（分析）儀器樣機(jī)。樣機(jī)在山西神頭電廠、中煤集團(tuán)朔州楊澗洗選公司進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢測，達(dá)到了預(yù)期目的。利用該項(xiàng)目研究成果，項(xiàng)目組還研制了水泥生料品質(zhì)在線激光檢測與優(yōu)化控制設(shè)備，并在山西中條山水泥廠和山西雙良鼎新水泥公司進(jìn)行了現(xiàn)場中試實(shí)驗(yàn)。