本論文旨在發展出一套評估鍋爐爐管材質劣化程度的方法，以降低鍋爐事故的發生。以往對於鍋爐爐管的檢測方式均以超音波測厚儀量測定點的厚度，用以追蹤爐管使用情況，此法雖可得知爐管壁厚的變化情形，但對其內部的組織情況與材質劣化程度均無法得知。為改善傳統的檢測方式，本研究乃利用非破壞檢測技術，首先量測新、舊爐管材料的自然頻率，藉由材料自然頻率的改變，驗證使用後爐管材質確實已發生變化。其次為超音波衰減量測法，此法可分為相對比較法和絕對法二種。其中相對比較法為超音波底面回波次數量測法，比較新舊爐管間底波多次反射次數的多寡，來評估舊爐管的劣化程度。另絕對法為材質衰減係數量測法，經由超音波底波回波訊號中，相鄰二個回波的振幅值，可定量的計算出爐管的超音波衰減係數，藉由衰減係數大小判斷材質劣化程度。另將量測點切管進行材質分析、金相觀察、管內結垢分析及機械性質評估等，加以驗證本研究的評估結果。由實驗結果顯示，在自然頻率量測中，新、舊爐管共振頻率之峰值明顯的不同，此差異代表材料之剛性係數k值與原材料不同，舊爐管材質上已產生劣化。在超音波衰減量測方面，音波的衰減量與材質本身的組織有關，亦與管內結垢層的情況有關，且結垢層愈厚衰減愈大。因此利用超音波衰減量測法，可快速比對出新、舊爐管間材質的劣化程度、定量的計算出衰減係數、材料晶粒有無粗大化及不損傷爐管等，更重要的是可用於估計管內結垢層的厚度，評估鍋爐是否須進行化學清洗，及清洗是否乾淨等優點。綜合上述特點，超音波衰減量測技術為一可靠的爐管材質劣化監測方法。

This research aims to develop a method to evaluate the deterioration of the tube material within a boiler, in order to reduce the failure of it. In this thesis, natural frequency measurement method and ultrasonic attenuation method are mainly applied, and it has reached to a conclusion that the ultrasonic attenuation method is more reliable.
Traditionally, the inspectors used the ultrasonic thickness measurement machine to evaluate the thickness and track the condition of a boiler. However, besides the thickness, the inspectors could not have clear understanding of the material and situation within a boiler. To improve the inspection effectiveness, the researcher measures the natural frequencies of the tube material in the new and old boilers by using natural frequency measurement. They found that the used tube material has been altered due to the difference between the natural frequencies.
The ultrasonic attenuation conditions of the tubes are also evaluated in this thesis. The echoes of the ultrasound propagating through the thickness of the tube can be analyzed by relative comparison and absolute comparison, respectively. The relative comparison compares the echoes of the multiple back reflections of the ultrasound between the tubes of old and new boilers. In addition, the absolute comparison analyzes the amplitude of the echoes of the ultrasonic multiple back reflection to calculate the ultrasonic attenuation of the tube. Besides the two major techniques, the material analysis, metallurgical analysis, internally scale analysis and mechanical property evaluation are also applied in this thesis to help developing a method to evaluate the deterioration of the tube material within a boiler.
This research demonstrates that the ultrasonic attenuation measuring methods can offer reliable results to evaluate the quality of the boiler.

目錄 ………………………………………………………………i
表目錄 ……………………………………………………………iv
圖目錄 ……………………………………………………………v
中文摘要 ………………………………………………………vii
英文摘要 ……………………………………………………viii
第一章 緒論 ………………………………………………………1
1.1研究背景 ………………………………………………………1
1.2研究目的 ………………………………………………………2
1.3 研究方法 ……………………………………………………3
1.4 文獻回顧 ……………………………………………………4
第二章 基本理論 …………………………………………………6
2.1鍋爐系統 ……………………………………………………6
2.1.1鍋爐種類 …………………………………………………6
2.1.2鍋爐構造 …………………………………………………7
2.1.3鍋爐爐管破壞分析 ………………………………………9
2.2自然頻率………………………………………………………11
2.3爐管超音波檢測………………………………………………12
2.3.1超音波衰減 ………………………………………………12
2.3.2超音波量測方法 …………………………………………14
2.3.3超音波的衰減量測 ………………………………………15
第三章 實驗方法及量測 ………………………………………21
3.1自然頻率量測…………………………………………………21
3.1.1實驗方法 …………………………………………………21
3.1.2實驗儀器設備及架構 ……………………………………22
3.1.3量測步驟 …………………………………………………23
3.2超音波底面回波次數量測法…………………………………24
3.2.1實驗方法 …………………………………………………24
3.2.2實驗儀器設備及架構 ……………………………………24
3.2.3量測步驟 …………………………………………………26
3.3材質衰減係數量測法…………………………………………27
3.3.1實驗方法 …………………………………………………27
3.3.2實驗儀器設備及架構 ……………………………………28
3.3.3量測步驟 …………………………………………………28
3.4影響超音波衰減的參數………………………………………28
第四章 實驗結果與討論 ………………………………………33
4.1材質分析結果…………………………………………………33
4.1.1外觀觀察 …………………………………………………33
4.1.2金相組織 …………………………………………………33
4.1.3結垢分析 …………………………………………………34
4.1.4機械性質評估 ……………………………………………35
4.2自然頻率量測實驗 …………………………………………35
4.3超音波底面回波次數量測實驗 ……………………………36
4.4材質衰減係數量測實驗 ……………………………………38
第五章 結論與建議 ……………………………………………64
5.1結論……………………………………………………………64
5.2建議與未來展望………………………………………………67
參考文獻 …………………………………………………………68

表目錄
表4.1 爐管SA178C測定點之機械強度分析結果 …………41
表4.2 鍋爐爐管清洗基準……………………………………41
表4.3 3.5MHz衰減係數量測結………………………………42
表4.4 5.0MHz衰減係數量測結………………………………43
表4.5 10MHz衰減係數量測結果 ……………………………44

圖目錄
圖2.1 火管式鍋爐構造圖 …………………………………17
圖2.2 水管式鍋爐構造圖……………………………………17
圖2.3 鍋爐系統圖 …………………………………………18
圖2.4 質量-彈簧系統 ………………………………………19
圖2.5 超音波直束法直接接觸檢測及音波路徑圖…………19
圖2.6 底面回波次數訊號圖…………………………………20
圖2.7 衰減係數量測訊號圖…………………………………20
圖3.1 敲擊測試法量測共振頻率之架構圖 ………………31
圖3.2 超音波底面回波次數/材質衰減係數量測法之架構
圖………………………………………………………32
圖4.1 P1試件內表面沉積物形………………………………45
圖4.2 P2試件內表面沉積物形貌……………………………45
圖4.3 P1試件材質之金相組織圖……………………………46
圖4.4 P2試件材質之金相組織圖……………………………47
圖4.5 P1試件內壁結垢層之斷面組織………………………48
圖4.6 P2試件內壁結垢層之斷面組織………………………48
圖4.7 P1試件內壁結垢層成分分析結果……………………49
圖4.8 P2試件內壁結垢層成分分析結果……………………49
圖4.9 新爐管頻譜圖…………………………………………50
圖4.10 舊爐管頻譜圖…………………………………………50
圖4.11 3.5MHz之新爐管底面回波數量圖……………………51
圖4.12 3.5MHz之P1點底面回波數量圖………………………51
圖4.13 3.5MHz之P2點底面回波數量圖………………………52
圖4.14 3.5MHz之P1點去除管內結垢層底面回波數量圖……52
圖4.15 5MHz之新爐管底面回波數量圖………………………53
圖4.16 5MHz之P1點底面回波數量圖…………………………53
圖4.17 5MHz之P2點底面回波數量圖…………………………54
圖4.18 5MHz之P1點去除管內結垢層底面回波數量圖………54
圖4.19 10MHz之新爐管底面回波數量圖 ……………………55
圖4.20 10MHz之P1點底面回波數量圖 ………………………55
圖4.21 10MHz之P2點底面回波數量圖 ………………………56
圖4.22 10MHz之P1點去除管內結垢層底面回波數量圖 ……56
圖4.23 底面回波數與結垢層厚度對照表……………………57
圖4.24 3.5MHz之新爐管衰減係數波形圖……………………58
圖4.25 3.5MHz之P1點衰減係數波形圖………………………58
圖4.26 3.5MHz之P2點衰減係數波形圖………………………59
圖4.27 3.5MHz之P1點去管內結垢層衰減係數波形圖………59
圖4.28 5MHz之新爐管衰減係數波形圖………………………60
圖4.29 5MHz之P1點衰減係數波形圖…………………………60
圖4.30 5MHz之P2點衰減係數波形圖…………………………61
圖4.31 5MHz之P1點去除管內結垢層衰減係數波形圖………61
圖4.32 10MHz之新爐管衰減係數波形圖 ……………………62
圖4.33 10MHz之P1點衰減係數波形圖 ………………………62
圖4.34 10MHz之P2點衰減係數波形圖 ………………………63
圖4.35 10MHz之P1點去除內部結垢層衰減係數波形圖 ……63

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