電站鍋爐高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)方法
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鄭小騰 佘煥偉 董偉雄
（紹興市特種設(shè)備檢測(cè)院紹興 312071）
摘要：高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮剝落堵管造成的爆管問題是影響電站鍋爐正常安全運(yùn)行的主要因素之一。本文在簡要介紹鐵素體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼兩種不同材質(zhì)高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮生成原理、結(jié)構(gòu)形式及剝落特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了高頻超聲和磁技術(shù)檢測(cè)兩種高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)方法的檢測(cè)原理、系統(tǒng)組成、適用范圍及使用特點(diǎn)，以期為現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)提供參考。
關(guān)鍵詞：氧化皮檢測(cè)高頻超聲磁技術(shù) 中圖分類號(hào)：X933.2
文章編號(hào)：1673-257X(2016)03-0049-04 DOI: 10. 3969/j .issn .1673-25 7X. 2016. 03.011
我國發(fā)電行業(yè)經(jīng)過幾十年發(fā)展，亞臨界機(jī)組發(fā)電技術(shù)已經(jīng)較為成熟，目前超（超）臨界成為發(fā)展趨勢(shì)。亞臨界機(jī)組以上鍋爐過熱器、再熱器等高溫受熱面長期在高溫高壓條件下服役，集中面臨著金屬超溫過熱和高溫蒸汽氧化兩大問題。高溫受熱面管內(nèi)壁在高溫蒸汽的氧化作用下，生成氧化皮并在一定條件下剝落，不僅可能堵塞管子引起超溫爆管，還可能沖刷汽輪機(jī)葉片，從而威脅發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。因此，采用有效的氧化皮檢測(cè)方法，對(duì)確保生產(chǎn)安全和減少事故隱患具有重大意義。
目前，對(duì)于電站鍋爐高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮無損檢測(cè)主要有射線、高頻超聲和磁技術(shù)檢測(cè)等方法。其中射線檢測(cè)較為直觀，對(duì)管內(nèi)堆積的氧化皮檢測(cè)較為有效，但由于射線對(duì)人體有害，現(xiàn)場(chǎng)操作要求高、難度較大，且檢測(cè)耗時(shí)長、效率不高，已在實(shí)際檢測(cè)中逐漸減少應(yīng)用。本文主要介紹目前亞臨界以上機(jī)組鍋爐常用耐熱鋼管內(nèi)壁氧化皮特點(diǎn)及檢測(cè)技術(shù)，闡明其檢測(cè)原理及適用范圍。
1 電站鍋爐高溫受熱面管常用材料及其氧化皮
目前亞臨界以上機(jī)組鍋爐常用高溫受熱面管材料主要有鐵素體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼兩大類。其中鐵素體耐熱鋼主要包括低中合金Cr-Mo鋼與Cr-Mo-V鋼，如常見的12CrlMoVG、15CrMoG等，以及近年逐漸推廣使用的多元復(fù)合強(qiáng)化9Cr～12Cr系的T91、T23等。奧氏體不銹鋼則主要包括TP304H、TP347H等18Cr8Ni鋼，及在TP347H基礎(chǔ)上通過改善晶界Cr的擴(kuò)散遷移特性而開發(fā)的TP347HFG等。盡管鐵素體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼在高溫條件下與水蒸氣反應(yīng)生成氧化皮原理類似，但由于兩者在成分組織等方面的差異，其管內(nèi)壁生成的氧化皮在結(jié)構(gòu)形式、剝落特性方面還存在著一定的區(qū)別。
1.1氧化皮生成原理
氧化皮產(chǎn)生過程實(shí)質(zhì)為管壁金屬在高溫環(huán)境下與水蒸氣反應(yīng)生成鐵的氧化物，其大致分為四個(gè)步驟：1）高溫水蒸氣分子與管壁金屬撞擊；2）水蒸氣分子吸附于管壁金屬表面；3）金屬氧化物形核；4）連續(xù)氧化膜形成�；痉磻�(yīng)式：
生成的氣態(tài)H2向氧化物和基體內(nèi)擴(kuò)散，繼續(xù)為氧和水蒸氣的滲透擴(kuò)散提供了通道。隨著氧化物薄膜的生成，更多地水分子被吸附、分解成氧原子和氧離子，初始生成的Fe O將被氧化成更加穩(wěn)定的Fe2O3和Fe3O4。由于管壁金屬中的Cr，Ni等元素也在蒸汽中被氧化成揮發(fā)性的Cr2O3和Cr(OH)2等，隨著Cr2O3和Cr(OH)2的不斷生成和揮發(fā)，合金進(jìn)一步氧化生成Cr，F(xiàn)e和Ni等的復(fù)合尖晶石氧化物
1.2氧化皮結(jié)構(gòu)
一般低中合金鐵素體鋼管內(nèi)壁氧化皮分為兩層：內(nèi)層為Fe- Cr尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物，外層則是以Fe3O4為主體、分布有Fe2O3的柱狀晶結(jié)構(gòu)，氧化皮厚度基本一致。氧化皮厚度隨著壁溫的升高，生長速率增大，同時(shí)氧化皮厚度與運(yùn)行時(shí)間呈正相關(guān)…，一般厚度為0. 1～1. 0mm。
奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮也是雙層結(jié)構(gòu)，但與鐵素體鋼內(nèi)壁氧化皮有所不同：由于奧氏體不銹鋼基體中Cr含量較高，在同等溫度條件下其內(nèi)壁氧化皮厚度明顯小于鐵素體。且由于Cr元素的晶界擴(kuò)散，其內(nèi)層氧化物為Fe-(Ni)-Cr尖晶石結(jié)構(gòu)，界面極其崎嶇不平，外層氧化物厚度分布呈現(xiàn)不規(guī)則性。
1.3氧化皮剝落特性
1)鐵素體耐熱鋼管內(nèi)壁氧化皮剝落一般是內(nèi)外層一起剝落，而奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化皮內(nèi)外層間有大量空穴等缺陷，一般當(dāng)外層厚度達(dá)40～50μm時(shí)開始剝落，內(nèi)層則相對(duì)不易剝落。
2)鐵素體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮剝落更容易在鍋爐降溫過程中發(fā)生，特別是350℃附近剝落明顯。
3)奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化皮在較高溫度時(shí)一般以片狀剝落，較低溫度時(shí)則以粉狀剝落。
2鐵素體耐熱鋼管內(nèi)壁氧化皮高頻超聲檢測(cè)方法
2.1檢測(cè)原理
鐵素體耐熱鋼管內(nèi)壁生成氧化皮之后，會(huì)在氧化皮與管基體之間形成一個(gè)固體與固體的緊密結(jié)合界面。由于界面兩側(cè)物質(zhì)密度不同，聲阻抗也不同，當(dāng)超聲波垂直射到該界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射與透射，如圖1所示。
根據(jù)超聲波發(fā)生界面反射與透射的式(2)和式(3)，將鋼的聲阻抗Z鋼=4.53×106g/cm2.s和氧化皮主要成分ZFe3o4=3.09×106g/cm2.s代人，可計(jì)算得出反射率R=0.04，透射率T=0.96。即4%的超聲波發(fā)生反射并形成第一個(gè)回波，96%的超聲波透射經(jīng)過氧化皮遇空氣后反射產(chǎn)生第二個(gè)回波，如圖2所示（圖中b11和b12分別為界面的第1、2次反射波，B11和B12是超聲波穿過氧化皮后遇見空氣的反射信號(hào)）。利用兩個(gè)回波之間的時(shí)間差△t和聲速v即可計(jì)算出氧化皮厚度d=v△t/2。
該方法的技術(shù)關(guān)鍵在于利用高頻超聲提高超聲檢測(cè)分辨率。根據(jù)李金峰等研究，超聲檢測(cè)對(duì)氧化皮最小理論分辨厚度S min= Vs/8f，其中Vs為氧化皮中超聲波傳輸速度，，為所用探頭的中心頻率。因此可以通過提高超聲頻率或降低聲速（以橫波代替縱波）來提高氧化皮檢測(cè)分辨率。目前常用超聲波頻率有15MHz、20MHz。
張鳳安等用15MHz超聲系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)鍋爐過熱器（材質(zhì)為12Cr2MoWTiB，ɸ51×9mm）進(jìn)行氧化皮檢測(cè)，測(cè)得平均值0.2712mm，與割管后在金相顯微鏡下測(cè)量所得0.2786mm，相差僅0.0074mm，誤差率2.73%，因此該方法在工程應(yīng)用中可以獲得較為滿意結(jié)果。
2.2檢測(cè)系統(tǒng)
系統(tǒng)由超聲脈沖發(fā)生／接收器、示波器和高頻探頭組成，如圖3所示。脈沖發(fā)生器發(fā)出的高頻脈沖發(fā)送至探頭，產(chǎn)生高頻聲波(一般大于15MHz)并傳送至被檢管子。超聲波經(jīng)過管子金屬基體后，若管子內(nèi)壁有氧化皮，則超聲波會(huì)在基體／氧化皮界面產(chǎn)生反射與透射，反射的超聲波及透射超聲波穿過氧化皮遇空氣之后的反射波分別被探頭接收并在示波器顯示。
該方法可以準(zhǔn)確測(cè)量管內(nèi)壁氧化皮生長情況，檢測(cè)精度高，能有效預(yù)防因氧化皮脫落而爆管的事故。與射線檢測(cè)相比，操作簡單方便，檢測(cè)效率高，可以對(duì)管排進(jìn)行逐根檢測(cè)。
3奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮磁技術(shù)檢測(cè)方法
3.1檢測(cè)原理
該方法利用奧氏體鋼管與其內(nèi)壁氧化皮磁特性差異而開發(fā)，最早由日本研究人員研制成功。后我國科研人員對(duì)該方法進(jìn)行了研究，并取得長足進(jìn)步。其主要原理為：在奧氏體不銹鋼管外加一永磁體，若管內(nèi)無氧化物，磁場(chǎng)分布幾乎不受影Ⅱ向．若管內(nèi)生成氧化物，則磁場(chǎng)分布將會(huì)發(fā)生改變，磁場(chǎng)包含了管內(nèi)氧化物的信息，通過信號(hào)處理，可以得到管內(nèi)氧化皮產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度，從而判斷管內(nèi)氧化皮數(shù)量，如圖4所示。
3.2檢測(cè)系統(tǒng)
檢測(cè)裝置（如圖5所示）主要包括OMD-100型氧化皮檢測(cè)儀、OT系列專用傳感器、后續(xù)分析處理軟件等，共有電源管理、傳感器接口（管理及供電）、模擬信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、通信及網(wǎng)絡(luò)、鍵盤管理、存儲(chǔ)管理、顯示適配和中央控制單元9個(gè)功能模塊。檢測(cè)系統(tǒng)采用多通道測(cè)量，既可以保證微量氧化皮的測(cè)量，又可以在滿足氧化皮數(shù)量較多時(shí)不至信號(hào)飽和。
該方法主要針對(duì)管內(nèi)壁堆積氧化皮進(jìn)行檢測(cè)，具有以下優(yōu)勢(shì)：1）檢測(cè)安全可靠，成本低，不影響電廠檢修時(shí)間。2）檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)裝置的敏感元件對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，少量氧化皮也可測(cè)到。3）對(duì)環(huán)境要求低，無需對(duì)被測(cè)物進(jìn)行表面處理。
4兩種方法的探討
1)由于高頻超聲波在粗晶材料中衰減較大，且易于在晶界處發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，因此高頻超聲檢測(cè)方法不適用于奧氏體鋼管內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)，但對(duì)于細(xì)晶TP347HFG可以進(jìn)一步研究。
2)磁技術(shù)檢測(cè)方法是基于奧氏體鋼與其內(nèi)壁氧化皮磁性不同而開發(fā)研究的，因此其僅適用于奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)。
3)高頻超聲檢測(cè)方法不僅可以對(duì)管內(nèi)壁氧化皮厚度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也能憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)彎頭等部位堆積的氧化皮進(jìn)行檢測(cè)判斷，而磁技術(shù)檢測(cè)方法只能對(duì)管內(nèi)堆積氧化皮的數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，無法對(duì)未脫落的氧化皮進(jìn)行厚度測(cè)量。
