说明书水平热力管道保温层下沉检测方法
技术领域
本发明涉及一种热力管道保温层材料下沉检测方法，特别是利用测量管道 表面温差计算管道保温层材料下沉的检测方法。
背景技术
火力发电厂的高温管道温度远远高于环境温度，为了提高发电效率，保证 生产安全，常常需要在管道外面布置保温层。
目前常用的保温材料主要有硅酸铝材料、复合硅酸盐材料，岩棉材料等， 在保温层布置施工时整个管道周向厚度相同，因此管道各部分保温均匀，保温 效果较好。长时间使用之后，受到重力的影响，管道保温层会出现材料下沉的 状况，顶部外表面也常常出现破损的现象，保温材料下沉不仅严重影响保温效 果，还会导致管道顶部温度过高，造成安全隐患。
通过比较测量到的管道表面温度差距和理论计算得到的管道表面温度差距 进行比较判断管道保温层材料是否发生下沉，并可以得到下沉的深度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种检测管道保温层下沉的检 测方法。
水平热力管道保温层下沉检测方法包括如下步骤：
1)通过温度计和热成像仪测量管道外表面顶部温度Tw，top、管道外表面底 部的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境温度Ts；
2)利用步骤1)测量得到的外表面顶部温度Tw，top、管道外表面底部的温 度Tw，bot和环境温度Ts计算得到管道顶部空气对流换热系数htop和管道底部空 气对流换热系数hbot；
3)利用步骤2)得到的管道顶部空气对流换热系数htop、管道底部空气对 流换热系数hbot以及步骤1)测量得到的管道外表面顶部温度Tw，top、管道外表 面底部的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境温度Ts计算得到管道圆心到保温层外表 面顶部距离R1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R1，bot；
4)根据步骤3)得到的道圆心到保温层外表面顶部距离R1，top和管道圆心 到保温层外表面底部距离R1，bot计算得到管道下沉深度Lfall。
所述的步骤1)为：把温度计贴在水平热力管道保温层外表面同一截面顶部 和底部测量管道保温层外表面顶部温度Tw，top和管道保温层外表面底部的温度 Tw，bot，另外把一支温度计放置在距离管道2m以外的位置，测量环境温度Ts， 使用热成像仪拍摄管道保温层外表面底部温度，调整热成像仪内拍摄保温层外 表面底部的热辐射率至热像仪拍摄温度与温度计测量保温层外表面底部的温度 Tw，bot相同，此时热成像仪内显示的热辐射率即为管道表面热辐射率ε。
所述的步骤2)为：管道顶部对流换热系数htop和管道底部的对流换热系数 hbot由以下式子求得
h top = λ air 2 R 1 0.2454 * ( Gr * Pr ) ^ 0.247 . . . . . . . . . 1 ]]>
h bot = λ air 2 R 1 0.43775 * ( Gr * Pr ) ^ 0.247 . . . . . . . . . 2 ]]>
其中Gr为管道流动过程中的格拉晓夫数，其计算公式为
Gr = 8 gβ ( T w , top + T w , bot 2 - T s ) R 1 3 γ 2 ]]>
被测量管道的设计外表面半径R1和重力加速度g已知，外表面顶部温度 Tw，top和管道外表面底部的温度Tw，bot由步骤(1)测量得到，结合已知的与管 道壁面平均温度对应的管道周围空气热传导系数λair、管道周围空 气热膨胀系数β、管道周围空气运动粘度γ和管道周围空气普朗特数Pr，由公式 1和公式2求得管道顶部空气对流换热系数htop和管道底部空气对流换热系数 hbot。
所述的步骤3)为：通过管道保温层外表面顶部导热热流密度qtop和通过管 道保温层外表面底部导热热流密度qbot大小由以下公式计算
q top = λ ( T 0 - T w , top ) R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) . . . . . . . . . 3 ]]>
q bot = λ ( T 0 - T w , top ) R 1 , top ln ( R 1 , bot R 0 ) . . . . . . . . . 4 ]]>
通过管道保温层外表面顶部导热热流密度qtop和通过管道保温层外表面底部 导热热流密度qbot大小也可以由管道外部自然对流和辐射漏热进行计算
qtop＝htop(Tw，top-Ts)+qra，top………5
qbot＝hbot(Tw，bot-Ts)+qra，bot………6
结合公式3和公式5得到管道顶部保温层外表面温度Tw，top和管道圆心到 外表面顶部距离R1，top之间的关系为
T w , top = λ T 0 + h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) T s + q ra , top h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) λ + h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) . . . . . . . . . 7 ]]>
结合公式4和公式6得到管道底部保温层外表面温度Tw，bot和管道圆心到 外表面底部距离R1，bot之间的关系为
T w , bot = λ T 0 + h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) T s + q ra , bot h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) λ + h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) . . . . . . . . . 8 ]]>
公式7中顶部辐射散热流密度qra，top和公式8中的底部辐射散热流密度qra，bot计算公式为
q ra , top = ϵσ ( T w , top 4 - T s 4 ) ]]>
q ra , bot = ϵσ ( T w , bot 4 - T s 4 ) ]]>
管道外表面顶部温度Tw，top、管道底部外表面的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境 温度Ts由步骤1)测量得到，斯特潘玻尔兹曼常数σ已知，由此可以计算出顶部 辐射散热流密度qra，top和底部辐射散热流密度qra，bot；被测量管道的保温层材 料导热率λ、管道内部半径R0、管道内部介质温度T0已知，管道顶部空气对流换 热系数htop和管道底部空气对流换热系数hbot由步骤2)计算得到，环境温度Ts由 步骤1)测量得到，根据公式7和公式8可以得到管道圆心到外表面顶部距离 R1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R1，bot。
所述的步骤4)为：管道圆心到外表面顶部距离R1，top和管道圆心到保温层 外表面底部距离R1，bot由步骤3)计算得到，通过公式求得 下沉深度Lfall。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)操作简单，只需要通过测量管道壁面温度就可以判断管道内部材料的下 沉情况，不会破坏管道表面。
2)实用性强，对于发生保温材料下沉的管道，可以分析出下沉的程度，根 据需求决定是不是需要进行整修。
3)准确性高，通过表面温度差距进行检测，可以准确分析出管道保温层材 料的下沉深度。
附图说明
图1是本发明的管道下沉截面示意图。
具体实施方式
水平热力管道保温层下沉检测方法包括如下步骤：
1)通过温度计和热成像仪测量管道外表面顶部温度Tw，top、管道外表面底 部的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境温度Ts；
2)利用步骤1)测量得到的外表面顶部温度Tw，top、管道外表面底部的温 度Tw，bot和环境温度Ts计算得到管道顶部空气对流换热系数htop和管道底部空 气对流换热系数hbot；
3)利用步骤2)得到的管道顶部空气对流换热系数htop、管道底部空气对 流换热系数hbot以及步骤1)测量得到的管道外表面顶部温度Tw，top、管道外表 面底部的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境温度Ts计算得到管道圆心到保温层外表 面顶部距离R1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R1，bot；
4)根据步骤3)得到的道圆心到保温层外表面顶部距离R1，top和管道圆心 到保温层外表面底部距离R1，bot计算得到管道下沉深度Lfall。
所述的步骤1)为：把温度计贴在水平热力管道保温层外表面同一截面顶部 和底部测量管道保温层外表面顶部温度Tw，top和管道保温层外表面底部的温度 Tw，bot，另外把一支温度计放置在距离管道2m以外的位置，测量环境温度Ts， 使用热成像仪拍摄管道保温层外表面底部温度，调整热成像仪内拍摄保温层外 表面底部的热辐射率至热像仪拍摄温度与温度计测量保温层外表面底部的温度 Tw，bot相同，此时热成像仪内显示的热辐射率即为管道表面热辐射率ε。
所述的步骤2)为：管道顶部对流换热系数htop和管道底部的对流换热系数 hbot由以下式子求得
h top = λ air 2 R 1 0.2454 * ( Gr * Pr ) ^ 0.247 . . . . . . . . . 1 ]]>
h bot = λ air 2 R 1 0.43775 * ( Gr * Pr ) ^ 0.247 . . . . . . . . . 2 ]]>
其中Gr为管道流动过程中的格拉晓夫数，其计算公式为
Gr = 8 gβ ( T w , top + T w , bot 2 - T s ) R 1 3 γ 2 ]]>
被测量管道的设计外表面半径R1和重力加速度g已知，外表面顶部温度 Tw，top和管道外表面底部的温度Tw，bot由步骤(1)测量得到，结合已知的与管 道壁面平均温度对应的管道周围空气热传导系数λair、管道周围空 气热膨胀系数β、管道周围空气运动粘度γ和管道周围空气普朗特数Pr，由公式 1和公式2求得管道顶部空气对流换热系数htop和管道底部空气对流换热系数 hbot。
所述的步骤3)为：通过管道保温层外表面顶部导热热流密度qtop和通过管 道保温层外表面底部导热热流密度qbot大小由以下公式计算
q top = λ ( T 0 - T w , top ) R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) . . . . . . . . . 3 ]]>
q bot = λ ( T 0 - T w , top ) R 1 , top ln ( R 1 , bot R 0 ) . . . . . . . . . 4 ]]>
通过管道保温层外表面顶部导热热流密度qtop和通过管道保温层外表面底部 导热热流密度qbot大小也可以由管道外部自然对流和辐射漏热进行计算
qtop＝htop(Tw，top-Ts)+qra，top………5
qbot＝hbot(Tw，bot-Ts)+qra，bot………6
结合公式3和公式5得到管道顶部保温层外表面温度Tw，top和管道圆心到 外表面顶部距离R1，top之间的关系为
T w , top = λ T 0 + h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) T s + q ra , top h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) λ + h top R 1 , top ln ( R 1 , top R 0 ) . . . . . . . . . 7 ]]>
结合公式4和公式6得到管道底部保温层外表面温度Tw，bot和管道圆心到 外表面底部距离R1，bot之间的关系为
T w , bot = λ T 0 + h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) T s + q ra , bot h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) λ + h bot R 1 , bot ln ( R 1 , bot R 0 ) . . . . . . . . . 8 ]]>
公式7中顶部辐射散热流密度qra，top和公式8中的底部辐射散热流密度qra，bot 计算公式为
q ra , top = ϵσ ( T w , top 4 - T s 4 ) ]]>
q ra , bot = ϵσ ( T w , bot 4 - T s 4 ) ]]>
管道外表面顶部温度Tw，top、管道底部外表面的温度Tw，bot、热辐射率ε和环境 温度Ts由步骤1)测量得到，斯特潘玻尔兹曼常数σ已知，由此可以计算出顶部 辐射散热流密度qra，top和底部辐射散热流密度qra，bot；被测量管道的保温层材 料导热率λ、管道内部半径R0、管道内部介质温度T0已知，管道顶部空气对流换 热系数htop和管道底部空气对流换热系数hbot由步骤2)计算得到，环境温度Ts由 步骤1)测量得到，根据公式7和公式8可以得到管道圆心到外表面顶部距离 R1，top和管道圆心到保温层外表面底部距离R1，bot。
所述的步骤4)为：管道圆心到外表面顶部距离R1，top和管道圆心到保温层 外表面底部距离R1，bot由步骤3)计算得到，通过公式求得 下沉深度Lfall。
实施例
某电厂热力管道为单层保温层结构，管道内部介质温度T0为623K，管道内 部半径R0为0.225m，管道保温层材料为硅酸铝材料，保温层材料导热率λ为 0.162W/(m*K)，管道的设计外表面半径R1为0.465m，该地重力加速度g为 9.8m/s2，斯特潘玻尔兹曼常数σ为5.67*10-8W/(m2*K4)。
由步骤1)的方法测量管道外表面顶部温度Tw，top为323K，管道底部外表 面的温度Tw，bot为315K，环境温度Ts为298K，热辐射率ε为0.8。
根据步骤2)的计算方法，先查找文献得到管道周围空气热传导系数λair为 0.02693W/(m*K)，管道周围空气热膨胀系数β为0.003K-1，管道周围空气 运动粘度γ为0.0000165m2/s，管道周围空气普朗特数Pr为0.7064，则得到管 道周围格拉晓夫数Gr为1.82*109，由公式1计算可以得到管道顶部对流换热系 数htop为1.26W/(m2*K)，由公式2计算可以得到管道底部对流换热系数hbot为2.25W/(m2*K)。
根据步骤3)的计算方法，由步骤1)测量得到热辐射率ε为0.8，管道外表 面顶部温度Tw，top为323K，管道底部外表面的温度Tw，bot为315K，环境温度Ts为 298K，斯特潘玻尔兹曼常数σ为5.67*10-8W/(m2*K4)，则顶部辐射散热流密 度qra，top为136.0W/m2，底部辐射散热流密度qra，bot为88.88W/m2。由步骤 2)得到管道顶部对流换热系数htop为1.27W/(m2*K)，管道底部对流换热系 数hbot为2.25W/(m2*K)，已知保温层材料导热率λ为0.162W/(m*K)，管 道内部半径R0为0.225m，由公式7可得管道圆心到外表面顶部距离R1，top为 0.4368m，由公式8可得圆心到外表面底部距离R1，bot为0.4962m。
根据步骤4)的计算方法，管道保温层下沉深度为Lfall为0.0297m。