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TWI783803B - 蒸汽壓力量測方法 - Google Patents

蒸汽壓力量測方法 Download PDF

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Abstract

一種蒸汽壓力量測方法，係提供一依據溫度及應變量所製作的蒸汽壓力表，供使用者查看該蒸汽壓力表以獲知目標物內部之蒸汽壓力值，藉此判斷該目標物是否發生蒸汽洩漏之狀況。

Description

蒸汽壓力量測方法
本發明係有關一種蒸汽壓力量測方法，尤指一種於高溫及高壓環境下之金屬物是否發生蒸汽洩漏之預測方法。
目前電廠之發電鍋爐在運轉當下，爐膛溫度高達攝氏1100℃，故一般量測器件無法承受如此高溫環境。
目前量測電廠之管路及管道潛變損壞的預測方法係將量測器件安裝於爐膛外部之集管段。
惟，此種量測方式往往導致維護人員不易立即觀察發電機組的好壞狀況，因而無法進行有效及適當的處理。
因此，如何克服習知技術之種種缺點，實為目前各界亟欲解決之技術問題。
鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明係提供一種蒸汽壓力量測方法，係包括：提供一依據溫度及應變量所製作的蒸汽壓力表；以 及查看該蒸汽壓力表以獲知目標物內部之蒸汽壓力值，供判斷該目標物是否發生蒸汽洩漏之狀況。
前述之方法中，該蒸汽壓力表係以曲線方式整合成一目標曲線圖。例如，該目標曲線圖係採用一仿製爐管進行模擬作業而得。
進一步，該仿製爐管係包括爐管本體、分別封蓋該爐管本體兩端之第一柱狀蓋與第二柱狀蓋、貫穿該第一柱狀蓋以凸設於該爐管本體端處之連接管、及位於該爐管本體內之中子。例如，該第一柱狀蓋與第二柱狀蓋係為金屬結構。或者，該中子係為金屬管體，其與該爐管本體內壁之間保持距離。亦或，該連接管係為不銹鋼高壓管。
再者，該仿製爐管上係安裝熱電偶及應變規，以在不同蒸汽壓之條件下，紀錄該爐管本體隨溫度變化所對應的應變量。
又，該模擬作業中係將該仿製爐管將其兩端封閉而於其內部加壓至預計蒸汽壓力，並使該蒸汽壓力保持恆定，且加熱該仿製爐管之外壁，以模擬該目標物之運轉狀況。
另外，該目標曲線圖係透過曲線擬合的方法獲取一目標公式。例如，該目標公式係以指數的數學型式呈現出不同之蒸汽壓力隨著運轉溫度所造成的金屬材料變形。
由上可知，本發明之蒸汽壓力量測方法中，主要藉由提供該蒸汽壓力表，以令使用者可採用查表方式判斷該目標物是否發生蒸汽洩漏之狀況，故於電廠之發電鍋爐之現場，本發明之方法無需進入高溫環境中觀看量測器件，即可預測爐管是否損壞，使維護人員(或其它使用者)可輕易立即得知發電機組的好壞狀況，以進行有效及適當的處理。
2:仿製爐管
2a:爐管本體
21:第一柱狀蓋
22:第二柱狀蓋
20:連接管
23:中子
24:銲道
圖1係為本發明之蒸汽壓力量測方法所用之爐管蒸汽壓力表之目標曲線圖。
圖2係為製作圖1之模擬作業所用之仿製爐管之平面示意圖。
圖3係為製作圖1之模擬作業所參考之ASME B31.1-2007之page115之摘錄圖。
圖4A係為製作圖1之模擬作業所用之靈敏因子與溫度之關係曲線圖。
圖4B係為製作圖1之模擬作業所用之溫度與公稱應變之關係曲線圖。
圖5係為圖1於擬合後之曲線圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能 涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
本發明之蒸汽壓力量測方法係利用溫度及應變量製作出一爐管蒸汽壓力表(如圖1所示之目標曲線圖)，供維護人員進行查表，以獲知爐膛中爐管(如熱交換管)內部之蒸汽壓力值，藉此判斷目標物(如實際爐管)是否發生異常膨脹或破管等狀況所造成的蒸汽洩漏事故。
於本實施例中，該目標曲線圖係採用一仿製爐管2(如圖2所示)進行模擬作業而得。
所述之仿製爐管2係包括一爐管本體2a、分別封蓋該爐管本體2a兩端之第一柱狀蓋21與第二柱狀蓋22、一貫穿該第一柱狀蓋21以凸設於該爐管本體2a端處之連接管20、一位於該爐管本體2a內之中子23及一環設於該爐管本體2a周面之銲道24。
所述之爐管本體2a係為完整爐管之樣本，其取樣長度係大於150mm+2D，且使用機械方法切取該完整爐管之樣本後，對其表面進行非破壞檢測，待符合標準後，即可進行後續加工作業，其中，D係為該完整爐管之外徑。
所述之第一柱狀蓋21與第二柱狀蓋22係為不銹鋼材質之凸型結構。
所述之中子23係為不銹鋼管體，其與該爐管本體2a之內壁之間的距離為0.5mm。
所述之連接管20係為不銹鋼材質之高壓管，其作為壓力注入管。
所述之仿製爐管2之坡口加工作業係按照ASME B31.1之銲接規範進行，使用鎢極氬弧銲完成該爐管本體2a與該第一柱狀蓋21、第二柱狀蓋22及連接管20的銲接程序，且待銲接完成後，該銲道24應通過射線檢測，並於模擬作業前執行1.2倍壓力之水壓試驗，以確保壓力於10分鐘內無壓降之情況。
於本實施例中，該模擬作業之工作環境溫度係保持在10℃~30℃。
再者，該仿製爐管2於加工前應記錄其內徑、外徑與軸向尺寸，如外徑46.52mm、管壁厚度5.62mm等。
又，該仿製爐管2之上、中及下三個區域均安裝至少一熱電偶與應變感測器。
另外，該仿製爐管2加壓並持壓10分鐘，即開始加溫並紀錄相關數據。
於模擬作業中，該仿製爐管2係可視為實際爐管，且將其兩端封閉而於其內部加壓至預計蒸汽壓力，並使該蒸汽壓力保持恆定，且加熱該仿製爐管2之外壁，以模擬該實際爐管之運轉狀況(模擬運轉溫度係由常溫至攝氏850度)，其中，該模擬作業係模擬實際電廠鍋爐之爐管運轉狀態，且於該爐管本體2a上安裝熱電偶及應變規，以在不同蒸汽壓之條件下，紀錄該爐管本體2a隨溫度變化所對應的應變量，如下表所示：
Figure 110144850-A0101-12-0006-1
 ，其中，圖1之每一點溫度(橫軸)都會產生七種應變紀錄。
於本實施例中，加壓方式係利用加壓設備之迴路搭載卸壓閥及加壓閥，以藉由連接管均勻地朝該仿製爐管2連續施加壓力並調整至所需的壓力值。例如，於施加壓力之過程中，係採用去離子水作為加壓介質，且模擬壓力在實際使用壓力之5%~100%之間，並使壓力值之相對誤差小於1.0%。
再者，於模擬過程中，若該蒸汽壓力低於預計壓力值1.0%時，應立即加壓並維持恆壓，且將該蒸汽壓力降低1.0%的時間係小於一分鐘。
另一方面，於加熱過程中，加熱器之控溫用之熱電偶係使用R-Type，且該仿製爐管2之測溫用之熱電偶係使用K-Type。例如，溫度控制器之精度係為0.1℃，且溫度補償之精度在±1℃內。
又，加熱所用之高溫爐係設置三個獨立控溫之區域(即上、中及下等三個區域)，且均溫區之長度大於該仿製爐管之長度的1.2倍。例如，該高溫爐的加熱元件需配有至少一隔離裝置，其不可曝露於大氣中，且該高溫爐之上、中及下等三個區域之溫度偏差係小於±3℃。
於模擬過程中，除了該爐管本體2a之外徑與壁厚的因素，該爐管本體2a之材質亦會影響其變形量，如圖3所示(摘錄自ASME B31.1-2007之page115之Maximum Allowable Stress Values in Tension,MPa,for Metal Temperature,℃,Not Exceeding)。例如，若選用碳鋼、低合金鋼或不銹鋼等金屬材料，在高溫時的最大容許應力表現皆有所不同，且鉻含量的多寡將決定最大容許應力發生陡降的溫度值是否延後發生。因此，金屬材料在高溫時的容許應力的表現將決定該爐管本體2a在高溫高壓下運轉時的變形量。
於模擬過程中，該應變規係安裝於該爐管本體2a之表面，且其與電子儀器(其擷取該應變規之數據)產生電路平衡，故量測的應變值為指示應變(Indicated Strain)，且溫度變化會造成電阻改變，導致該應變規之靈敏因子(Gage Factor)會隨著溫度的變化而增減，如圖4A所示。而單純由溫度誘發的電阻變化所測量出的應變值係稱為公稱應變(Apparent Strain)，如圖4B所示。因此，該應變規與該爐管本體2a之材料結合，兩者 的熱膨脹效應會產生公稱機械應變(Apparent Mechanical Strain)，故為了獲得準確的應變量，針對該靈敏因子與該公稱應變可進行應變補償(Strain of compensated)。
於模擬結束後，將模擬數據整合成圖1所示之目標曲線圖。於圖1中，於固定溫度之條件下，隨著蒸汽壓遞增，應變量會呈規律性增加。若持續加溫，則於不同蒸汽壓之情況下，該爐管本體2a會產生相同的應變量之曲線趨勢。進一步，當溫度於500℃以上時，應變量會開始明顯增加，起因為晶界析出肥粒鐵所致。因此，於正常運轉條件下，應變量係存在合理的變化，故當實際爐管在異常之蒸汽壓力、長期過熱或短期過熱等各種情況下運轉，其應變量會立即陡升，且由潛變速率的增加幅度也可預測其破管事故之發生時間。
基於圖1所示之目標曲線圖，透過曲線擬合的方法可獲取一目標公式(Tzeng’s Equation)，如下所示：
ε=A×e -T/B +C×e -T/D+E，其中，以蒸汽壓力17MPa為例，如圖5所示，ε為爐管材料應變量，T為鍋爐運轉之攝氏溫度，A、B、C、D及E為指定數值(或係數)，e為自然常數。應可理解地，不同之蒸汽壓力隨著運轉溫度T所造成的金屬材料變形均可將其以指數的數學型式呈現。
綜上所述，本發明之蒸汽壓力量測方法主要利用依據溫度及應變量所製作的爐管蒸汽壓力表，以供維護人員(或其它使用者)使用查表的方式獲知目標物內部之蒸汽壓力值，以輕易及有效地判斷出目標物是否發生因異常(如膨脹或破管)所造成的蒸汽洩漏之狀況。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及 表的方式獲知目標物內部之蒸汽壓力值，以輕易及有效地判斷出目標物是否發生因異常(如膨脹或破管)所造成的蒸汽洩漏之狀況。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (8)

  1. 一種蒸汽壓力量測方法，係包括：提供一依據溫度及應變量所製作的蒸汽壓力表，其中，該蒸汽壓力表係以曲線方式整合成一目標曲線圖，且該目標曲線圖係透過曲線擬合的方法獲取一目標公式，該目標公式係以指數的數學型式呈現出不同之蒸汽壓力隨著運轉溫度所造成的金屬材料變形；以及查看該蒸汽壓力表以獲知目標物內部之蒸汽壓力值，供判斷該目標物是否發生蒸汽洩漏之狀況。
  2. 如請求項1所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該目標曲線圖係採用一仿製爐管進行模擬作業而得。
  3. 如請求項2所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該仿製爐管係包括爐管本體、分別封蓋該爐管本體兩端之第一柱狀蓋與第二柱狀蓋、貫穿該第一柱狀蓋以凸設於該爐管本體端處之連接管、及位於該爐管本體內之中子。
  4. 如請求項3所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該第一柱狀蓋與第二柱狀蓋係為金屬結構。
  5. 如請求項3所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該中子係為金屬管體，其與該爐管本體內壁之間保持距離。
  6. 如請求項3所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該連接管係為不銹鋼高壓管。
  7. 如請求項2所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該仿製爐管上係安裝熱電偶及應變規，以在不同蒸汽壓之條件下，紀錄該爐管本體隨溫度變化所對應的應變量。
  8. 如請求項2所述之蒸汽壓力量測方法，其中，該模擬作業中係將該仿製爐管將其兩端封閉而於其內部加壓至預計蒸汽壓力，並使該蒸汽壓力保持恆定，且加熱該仿製爐管之外壁，以模擬該目標物之運轉狀況。
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