水冷壁爬行機器人

鍋爐是發電廠較重要的生產設備，其爐內水冷壁管在長期服役中受到煙氣、煤灰和火焰等侵蝕，極易出現磨損、腐蝕，造成管壁局部減薄，在管內高壓、高溫蒸汽的作用下，最終產生管體爆裂泄漏等嚴重事故。鍋爐出現泄漏與一般管道出現泄漏不同，無法在生產運行中進行維修，往往要停機搶修，其經濟損失巨大，因而各電廠對有效減少和避免鍋爐爆管都非常重視，能在短期停爐期間不用搭滿爐膛架子而對水冷壁用爬行機器人進行檢查具有十分重要的意義。

一、電廠鍋爐水冷壁腐蝕的類型

1、內壁垢下腐蝕

當水冷壁管受熱面內由于垢下腐蝕產生的氧化物造成蒸汽停滯或流速減小時，將發生反應，并在金屬表面形成磁性氧化鐵膜（Fe3O4），稱為“蒸汽腐蝕"，所產生的蒸汽腐蝕后生成的氫氣如果不能較快地被氣流帶走，將與鋼管表面發生作用，使之脫碳，造成鋼材變脆，所以也稱為“氫腐蝕"。

內壁腐蝕實質上是化學反應過程，局部溫度越高反應越強烈。反應中產生的氫氧化物殘余物將使局部蒸汽流速減慢，更促進了上述反應的進行，垢下腐蝕一般發生于鍋爐水冷壁管向火側內壁，破壞形式如貝殼。垢下腐蝕發生后向深度發展，致使管壁穿孔爆裂。另外，被腐蝕區域的鋼材表面蓋有疏松的鐵銹層，造成管壁熱傳導性不良，出現局部管壁過熱，產生材質蠕變，甚至出現管壁向外鼓包，最終破裂。

在多次不同電廠的鍋爐檢測中，發現水冷壁管內壁缺陷有的以下幾種主要特征：

（1）缺陷多為腐蝕坑，裂紋極少。

（2）所有的腐蝕坑都發生在向火側，以中間部位居多。

（3）腐蝕坑的面積大小，深度不同，隨服役時間而發展。

（4）在爐墻上分布無規律可言。如某處出現爆管，而割開附近幾處管檢查都完好無損,運行一段時間又會在其它位置爆管。

2、外壁高溫腐蝕

影響水冷壁外部腐蝕的最主要原因是水冷壁附近的煙氣成分和管壁溫度。具體地說，由于燃燒器附近火焰溫度可高達1400℃左右，因此，煤中的礦物成分揮發出的腐蝕性氣體較多，為受熱面的腐蝕創造了條件。另外，由于燃燒器區域附近水冷壁管的熱流密度很大，溫度梯度也很大，管壁溫度常達400～450℃，這對管壁的高溫腐蝕也起著不小的作用。

鍋爐水冷壁管子金屬在氧、硫等氧化劑的作用下，發生氧化反應，產生高溫腐蝕。當煙氣和積灰層中含有腐蝕性成分時，管子將發生腐蝕，甚至造成爆管。

燃煤鍋爐水冷壁上發生的高溫腐蝕通常屬于硫化物型高溫腐蝕，主要由煙氣中的H2S氣體造成。在燃燒區域煙氣中氧含量較低并存在還原性氣體(如CO、H2等)時，煤中的硫和氯會生成H2S和HCI氣體，并與水蒸氣形成腐蝕性較強的酸性氣體，與管壁金屬氧化膜發生腐蝕反應，從而使金屬表面的保護膜遭到破壞。

另外目前環保要求下的低氮缺氧燃燒是高溫腐蝕的重要原因。

二、水冷壁腐蝕的危害

電廠的水冷壁在十分惡劣的環境下工作，存在磨損、拉裂、高溫腐蝕、結垢等問題，這些問題不及時發現最終都可能引起事故的發生。

根據相關統計，火電機組非停事故有60%是由于鍋爐“四管"爆裂引起的，“四管"爆裂里面75%是由于水冷壁的腐蝕磨損引起的。

我國將近八成的大型電站鍋爐受到水冷壁高溫腐蝕的影響，高溫腐蝕會造成水冷壁厚度不斷變薄、材料強度降低，水冷壁可能有爆管、泄漏情況的發生，危及到整個鍋爐的正常安全運行。一旦發生非計劃停運事故，會對發電廠帶來巨大的經濟損失。

因此鍋爐高溫腐蝕的防治對于鍋爐的安全穩定運行是十分必要的，水冷壁的定期檢測能及時發現，杜絕事故的發生。

三、水冷壁腐蝕的傳統檢測

目前國內鍋爐水冷壁的檢測方式，主要是人工搭腳手架或者升降平臺進行檢測，外壁檢測主要是用肉眼和手感、用超聲測厚儀測量管壁厚度找出腐蝕位置；內壁用超聲波測厚儀或割管用內窺鏡檢查管內腐蝕情況。

鍋爐爐膛內的粉塵比較大，而且需要等待爐膛內冷卻到室溫才能搭建腳手架。對水冷壁進行人工檢查，工作環境惡劣、工作量大、進度慢、成本高。而且人為的因素、數據并不是很完善，易出現漏檢。且鍋爐水冷壁檢修屬于受限空間內高空作業，其風險程度相當高，一旦發生高空墜落將給當事人與企業造成嚴重后果。

四、水冷壁爬行機器人的檢測

4.1 檢測簡介

我司針對水冷壁人工檢測的問題開展研究。研發團隊通過電廠現場考查和多次設計的實際試用，研制成功了水冷壁爬行 機器人。水冷壁爬行 機器人能夠代替人工進行水冷壁檢測，機器人采用永磁技術吸附在水冷壁上，可在水冷壁上移動，通過實時的高清視頻完成對水冷壁排管浮灰的沖洗、清焦、排管外觀的檢測、排管壁厚度的自動檢測、缺陷的定位等功能。實現了對電廠水冷壁防磨防爆的智能化各方位檢測，對推動電廠安全運行、節省工期和費用具有重要意義。

4.2 組成和原理

機器人采用磁性吸附式結構，能夠在爐膛范圍內可靠攀爬，機器人垂直拉力大于200kg。并可根據不同任務進行模塊組裝，包括驅動行走機構、檢測機構、清洗裝置和顯示控制器。

驅動行走機構包括車身、減速電機、車架和磁輪，減速電機設置于車身內。

檢測機構包括前、后置高清攝像頭、電磁超聲測厚儀、定位裝置，分別設置在車身上。

清洗裝置包括清掃刷和兩個高壓噴水裝置組成，分布于車身的兩側。

顯示控制器采用7寸高清觸摸屏的安卓系統控制終端，控制水冷壁的爬行機器人行走、檢測、清洗和厚度的顯示。

4.3 水冷壁爬行機器人的特點及技術參數

（1）高清視頻

攝像頭采用200萬像素CMOS圖像傳感器，150°大視場角，LED照明，實時1080P高清攝像、存儲。可實現對現場環境、機器人的行走、管壁外觀高溫磨損的檢測和記錄。

（2）高壓沖洗

搭載的2個高壓水清洗系統，對水冷壁進行清洗時可達到5兆帕的沖洗力，能很高效的把水冷壁上的一些結渣、結焦沖洗掉，沖洗耗水量不大于10L/min。

（3）高精度測厚

采用電磁超聲測厚裝置，無需耦合劑，以0.1mm精度的測量水冷壁的管壁厚度。省去了傳統的超聲波測厚方式必須涂抹耦合劑才能進行測厚的不方便性。