锅炉用奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮检测的新方法

龙会国

(湖南省电力公司试验研究院,长沙410007)

粗晶奥氏体不锈钢因具有热强性高、耐蚀性和高温力学性能优良以及焊接性良好的特点,在大型电站锅炉及核电部件制造方面得到了广泛的应用.但运行经验表明,这类不锈钢管在运行中抗高温蒸汽氧化性能较差,在电站锅炉过热器和再热器运行过程中会出现严重的蒸汽侧氧化皮剥落,导致锅炉管堵塞,引起严重超温,从而引发爆管事故的频繁发生[1-3],严重影响大容量、高参数尤其是超(超)临界机组的安全稳定运行.

目前,国内已经有20多家电厂先后出现过相当严重的氧化皮剥落事故,涉及的奥氏体不锈钢管材有 TP304H、TP347H、TP316L、12X18H12T 和X8CrNiNb1613等.蒸汽出口温度为540℃左右的亚临界和部分超临界锅炉出现这类氧化皮剥落问题的时间一般在机组投运后3×104h左右[1,4],蒸汽出口温度为570℃左右的超临界锅炉出现这类氧化皮剥落问题的最短时间大约在机组投运后3 400 h.氧化皮剥落物数量主要与剥落前管内氧化皮厚度和温度波动幅度或波动速度有关,管内剥落氧化皮的堆积和堵塞程度与管排的结构形式、管子内径和U型弯的弯曲半径以及布置方式等都有很大关系,通常管子内径越小、U型弯弯曲半径越小,则堆积和堵塞程度越严重.

管壁氧化物内层为结构致密的富铬尖晶石结构氧化物,中间层主要是结构疏松、多孔的Fe3O4,最外层为结构致密但厚度较薄的Fe2O3.氧化皮剥落物主要由中间层Fe3O4和最外层Fe2O3组成,与蒸汽温度和受热程度等有关.过热器内壁氧化皮剥落物中Fe2O3的含量比再热器内壁氧化皮剥落物的略高,过热器管内壁氧化皮剥落物中Fe2O3的含量一般在20%～25%,再热器管内壁氧化皮剥落物中Fe2O3的含量一般在16%～18%[1,4-5].

由于奥氏体不锈钢管为无磁性或弱磁性,而氧化皮中的 Fe2O3和 Fe3O4均属于顺磁性,其中Fe2O3属于刚玉型结构,氧离子构成密排六方晶格,Fe3O4属于尖晶石型结构,氧离子构成面心立方晶格[5],Fe3O4被广泛用作磁流体、磁记录材料等[6].利用奥氏体不锈钢与氧化皮磁性物理性能的差异,笔者提出了一种奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮的检测方法,研究了内壁氧化皮堆积量与剩磁磁感应强度、提升力之间的关系,探讨了堆积氧化皮剩磁磁感应强度与提升力的影响因素,说明利用剩磁法和提升力法检测奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮可靠、快捷、简单.

1 试验部分

1.1 试验材料

试样材料选用湖南省300 MW、600 MW机组中锅炉过热器、再热器奥氏体不锈钢 TP304H、TP347H锅炉管,对600 MW超临界机组奥氏体不锈钢TP347H过热器、再热器管弯管内部检测出的氧化皮进行实验室模拟堆积.直管及弯管如图1和图2所示,材料化学成分示于表1和表2,直管上半部分剖开,以便模拟内部氧化皮的堆积情况.

图1 试验用弯管类型Fig.1 Shapes of tube bends fo r experimental tests

图2 试验用直管类型Fig.2 Straight tubes for experimental tests

表1 TP304H钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of the test steel TP304H %

1.2 试验方法

1.2.1 检测原理

剩磁检测与提升力检测方法示意图示于图3.其中,磁化装置采用稳恒磁场,剩磁磁场测量原理利用霍尔效应原理,磁场感应器利用霍尔传感器实现.提升力检测采用应变/应力传感器或直接采用弹簧应变测量方法,测量精度为0.01 N,数据处理及显示可以采用数字显示或表盘式输出.

表2 TP347H钢的化学成分Tab.2 Chemical composition of the test steel TP347H %

图3 测量装置示意图Fig.3 Block diag ram of the measurement system for residual magnetism and lifting power of oxidation scales

1.2.2 检测方法

采用自制奥氏体不锈钢内部氧化皮堆积测量仪器(图3)进行试验,该仪器由激化装置、磁测量装置、提升力测量装置以及数据处理器等组成.首先对内部有一定堆积量的氧化皮奥氏体不锈钢管弯管进行外部磁场激化,再通过磁场强度测量装置和提升力测量装置等测量激化后弯管内部堆积氧化皮的剩磁磁感应强度和提升力,利用数据处理器进行数据处理,建立剩磁磁感应强度、提升力与氧化皮堆积量的关系.对于弯管,将弯管垂直放置,内部氧化皮由弯管一侧加入,在弯管处堆积,对最下端氧化皮堆积最严重处进行激化,利用外部激化磁场对氧化皮提升力进行检测,然后撤离外部磁场,再对氧化皮剩磁磁感应强度进行检测;对于直管,直接从剖开处堆积,同样原理,在下部对堆积的氧化皮进行激化后,再对提升力及氧化皮剩磁磁感应强度等进行检测.

2 结果与讨论

2.1 剩磁磁感应强度与氧化皮堆积量的关系

经过一定强度的外部磁场激化后,得到氧化皮的剩磁磁感应强度与其堆积量的关系(图4).由图4可知,经外部磁场激化后,氧化皮的堆积量越多,剩磁磁感应强度越大,随着氧化皮堆积量的继续增加,剩磁磁感应强度逐步趋于稳定状态.

图4 剩磁磁感应强度与内部氧化皮堆积量的关系Fig.4 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

图5 提升力与内部氧化皮堆积量的关系Fig.5 Lifting power vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

氧化皮堆积量与外部激发磁场下提升力的关系示于图5.由图5可知,经外部磁场激化后,氧化皮的堆积量越多,外部磁场对氧化皮的提升力越大,随着氧化皮堆积量的继续增加,外部磁场强度对氧化皮的提升力逐渐趋于稳定状态.

2.2 材料规格对剩磁磁感应强度的影响

氧化皮剩磁磁感应强度除了与外部激化磁感应强度有关外,还与奥氏体不锈钢管的规格有关.由图4和图6可知,在外部激化磁感应强度一定的条件下,当奥氏体不锈钢弯管内氧化皮堆积量较少时,材料规格对氧化皮剩磁磁感应强度的影响并不明显,随着内壁氧化皮堆积量的增加,壁厚越大,剩磁磁感应强度越低.剩磁磁感应强度还与奥氏体不锈钢弯管的型式有关,不同弯管型式时剩磁磁感应强度的变化趋势示于图4,在规格壁厚一定的情况下,弯管型式对剩磁磁场强度的影响并不明显,但是在相同氧化皮堆积量下,U型弯管的剩磁磁感应强度比L型弯管略强,这与弯管内氧化皮的堆积状态有关,U型弯管内氧化皮的堆积分散性小,因而剩磁磁感应强度也更大.对于直管,由图6可知,在外部激化磁感应强度一定的情况下,当管内氧化皮堆积量较少时,材料规格对管内氧化皮剩磁磁感应强度的影响较小,随着内壁氧化皮堆积量的增加,壁厚越大,剩磁磁感应强度越小,内径越大,氧化皮堆积分散性越大,则剩磁磁感应强度也越小.

图6 不同规格直管剩磁磁感应强度与内部氧化皮堆积量的关系Fig.6 Residual magnetism vs.accumulation amount of steamside oxidation scales for straight tubes of different sizes

同样,磁化后氧化皮的提升力也与奥氏体不锈钢管的规格有关(图5),提升力的变化趋势与剩磁磁感应强度一致,即当氧化皮堆积量少时,材料规格对外部磁场作用下氧化皮提升力的影响不明显,随着氧化皮堆积量的增加,壁厚越大,提升力越小.在规格壁厚一定的情况下,U型弯管的提升力比L型弯管大,这与弯管内氧化皮的堆积状态有关,U型弯管内氧化皮的堆积分散性小,因而所测提升力也大.

2.3 剩磁磁感应强度与外部激化磁感应强度之间的关系

奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮的堆积量与外部激化磁场的磁感应强度也有关,从图7在相同材料规格下内部氧化皮堆积量与剩磁磁感应强度的关系可知,外部激化磁感应强度对内部氧化皮剩磁磁感应强度有很大影响,外部激化磁感应强度越大,则内部激化后氧化皮剩磁磁感应强度越大,且饱和磁感应强度越大.当内壁氧化皮堆积量较少时,外部磁感应强度对剩磁磁感应强度的影响不明显,随着内部氧化皮堆积量的增加,影响逐渐明显.这可能是由于外部磁感应强度与氧化皮的激化量有关,外部磁感应强度越强,则激化的氧化皮量越多,激化后剩磁磁感应强度越大,剩磁磁感应强度达到饱和状态时的氧化皮量越多,从而检测出的剩磁磁感应强度越大.

图7 不同外部激化磁场强度下剩磁磁感应强度与内部氧化皮堆积量的关系Fig.7 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales with outside magnetic field of different densities

同理可知,当奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮堆积量较大时,应增大外部激化的磁感应强度,以扩大剩磁磁感应强度和提升力的检测范围,从而适当扩大内部氧化皮堆积量的检测范围.

2.4 剩磁磁感应强度在室温下的稳定性

在采用剩磁法检测时,除了考虑外部激化磁感应强度的大小和奥氏体不锈钢弯管材质的规格外,还应考虑在应用场合下激化后氧化皮剩磁磁感应强度的稳定性.铁磁性材料经过激化后,随着外部磁场的消失,剩磁磁感应强度会产生退化现象.图8为激化后氧化皮的剩磁磁感应强度在室温下随时间的变化关系.由图8可知,经过24 h,在室温下内部氧化皮剩磁磁感应强度的下降趋势不明显,说明在此时间内测量,可保证剩磁磁感应强度的测量值相对较稳定,不会影响检测结果的准确性.

图8 室温下剩磁磁感应强度的稳定性Fig.8 Stability of the density of residual magnetic field at room temperature

3 结 论

(1)经外部磁场激化后,奥氏体不锈钢锅炉管弯管内部氧化皮的剩磁磁感应强度与氧化皮的堆积量和外部激化磁感应强度有关.在外部激化磁感应强度一定的情况下,剩磁磁感应强度随弯管内部氧化皮堆积量的增加而增大,增大到一定量后逐渐趋于稳定.奥氏体不锈钢锅炉弯管内部堆积氧化皮的剩磁磁感应强度随外部激化磁感应强度的增大而增大.

(2)剩磁磁感应强度还与钢管规格有关.当内部氧化皮堆积量较少时,材料规格对氧化皮剩磁磁感应强度影响并不明显,随着内部氧化皮堆积量的增加,管壁厚越大或管内径越大,剩磁磁感应强度越小;剩磁磁感应强度还与弯管型式有关,V型弯管氧化皮堆积分散性小,剩磁磁感应强度大,U型弯管次之,L型弯管分散性大,剩磁磁感应强度最小.

(3)利用剩磁法检测发现,激化后的内部氧化皮总体磁场强度是材料本身剩磁磁感应强度与氧化皮剩磁磁感应强度之和,由于奥氏体不锈钢属于无磁或弱磁钢,其剩磁值较低,母材剩磁磁感应强度相对于总体剩磁磁感应强度可以忽略,因此对最后氧化皮堆积量检测结果的影响也可以忽略.

(4)利用提升力法也可以快捷、简单、方便地检测奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮的堆积量.提升力检测值与剩磁法影响因素相类似,提升力除与奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮堆积量、外部激化强度、材料规格等有关外,还与测量磁体的接触面积有关,在表面接触面积一定的情况下,当外部激化磁感应强度不变时,提升力随着氧化皮堆积量的增加而增大,最后逐渐趋于稳定,随着外部磁感应强度的增大,提升力也相应增大.

(5)利用提升力法检测发现,激化后内部氧化皮的总体提升力是材料本身提升力与氧化皮提升力之和,由于奥氏体不锈钢剩磁值较低,其外部激化磁场对母材提升力与总体提升力相比可以忽略,因此对最后氧化皮堆积量检测结果的影响也可以忽略.

(6)通过建立奥氏体不锈钢弯管内部堆积氧化皮的剩磁磁感应强度、提升力与外部激化磁场、材质规格、弯管型式等的对应关系,并检测内部剩磁磁感应强度与提升力,就可以检测出弯管内部氧化皮的堆积量.利用剩磁法和提升力检测法检测在役锅炉过热器、再热器奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮的堆积量,具有原理和设备简单、操作方便、检测及换算过程快捷、结果可靠的优点,是快速检测奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮堆积量的新方法.

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