火力发电厂炉管内壁氧化皮厚度超声检测

耿晓锋，魏克湘，覃 波

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101）

火力发电厂炉管内壁氧化皮厚度超声检测

耿晓锋，魏克湘，覃 波

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101）

介绍了炉管内壁氧化膜的形成机理，阐述了炉管受热面氧化膜测量的原理及测量过程.并结合工程实例，对采用超声波检测炉管内壁氧化膜厚度的方法进行了介绍.结果表明，炉管氧化皮厚度超声检测对锅炉管道的维护与检测有重要的指导意义.

炉管受热面；氧化皮厚度；超声波检测

0 引 言

在火力发电厂中，锅炉炉管爆漏事故一直是影响火电机组安全的主要因素之一［1］.爆管的主要原因是锅炉炉管一直都在高温、高压的环境下运行，长时间处在这种恶劣的环境下，炉管内壁与高温蒸汽反应产生氧化皮［2］.氧化皮的形成使得炉管壁厚减小，在高压的环境下，管道的蒸汽氧化导致锅炉局部过热，超温爆管，降低机组可用率，严重时产生爆管现象［3］.其次，炉管内壁生成的氧化皮随着高压蒸汽冲到汽轮机叶片上，侵蚀叶片［4］.由此可知，避免炉管爆管而导致的机组停机并提升机组可用率的关键就是检测炉管管壁的厚度.

对于炉管内壁氧化皮，目前有很多检查方法［5］，例如金相法、X－射线法、低频超声法等.金相法能够精确的检测到氧化皮的厚度及其成分组织，但只有将炉管内的氧化皮取出来做成样品才能进行研究，不能达到无损检测的目的.而射线法检测氧化皮精度高，但是射线对人体辐射较大，并且一般电厂锅炉检修都是交叉作业，那么射线检测不适合在这种场合来检测炉管内的氧化皮.低频超声检测法一般用于检测管壁厚度，正是由于它的频率不高，因此它的精度不高，不能精准的检测氧化皮的厚度.

本文介绍了炉管内壁氧化膜的形成机理，阐述了炉管受热面氧化膜测量的原理及测量过程，并结合工程实例，对采用超声波检测炉管内壁氧化膜厚度的方法进行了介绍.

1 炉管内壁氧化皮产生机理

大部分老火力发电厂炉管的材料为Cr－Mo、Cr－Mo－V等类型的合金钢材.在高温高压下，炉管内壁会与水蒸气发生反应，生成与金属基体接合紧密、致密的氧化层.研究表明，热力系统高温氧化是氧化性气体（水蒸汽）在高温条件下与金属反应的过程为：

氧化皮的成分为铁的氧化物，如：Fe2O3、Fe3O4等.

管内壁受高温蒸汽的氧化和腐蚀作用形成氧化和腐蚀层，其厚度随着运行时间的增加而增加.氧化层的厚度由向火面向背火面逐渐减薄，同时金属管壁厚度减小.图1为管壁层厚度构成示意图.由图1可以看出，随着氧化层厚度增大，金属管壁厚度减小.在氧化皮比较厚的地方金属管壁薄，最容易爆管，因此我们要在向火面检测.

图1 管壁层厚度构成示意图

2 无损检测方法

受热面管内的氧化皮厚度可以用高频超声技术来测量.金相法不能无损检测到管内的氧化皮；射线法不适合在交叉作业的场合下检测；低频超声法由于频率低（一般其频率小于5MHz），只能检测出厚度最低为1mm的氧化皮，而炉管内的氧化皮一般都只有零点几毫米，所以不能够精准的检测出管壁内侧的氧化皮厚度.使用高频超声检测法来检测氧化皮厚度，其采用了脉冲反射法，频率大于10 MHz，能够检测到零点几毫米厚的氧化皮，并且操作简单，灵敏度高.

2.1 超声波探测原理

氧化皮是在金属基体结合紧密、致密的氧化腐蚀产物，其组成的主要成分是FeO、Fe2O3、Fe3O4，厚度在0.1～1mm之间，并依此沿背火面减小.管壁因为有氧化膜的存在导致了有效壁厚减小，组织应力增加；氧化膜对炉管的导热热阻影响比较大，影响了炉管的热性能，长期使炉管处在高温下，炉管产生爆管现象.

由于钢和氧化膜界面两侧物质的密度和声阻抗不同，为超声波检测提供了条件.由相关资料可知，钢的声阻抗Z钢＝4.53×106g／cm2·s，而氧化膜的声阻抗为Z氧化膜＝309×106g／cm2·s.

当超声波垂直射入时，在不同的声阻抗的物质界面上，超声波会产生透射和反射.其中声压反射率：

如图2所示，由上两式可算出当声波遇到钢—氧化皮界面时，反射波声压为－18.9%；透射波继续透射，当遇到氧化皮—空气界面，由于空气的声阻抗几乎为零，超声波全反射，然后透射氧化皮—钢界面进入探头.

图2 超声波行程图

基于上述原理，根据声程／时间的关系，就可以得到超声波在钢—氧化膜界面反射波和炉管内氧化皮—空气界面返回波的时间差△t，那么时间差乘以声波在氧化膜中的传播速度即可得到氧化膜的厚度，即：

式中：S— 声程，V— 声速，△t— 时间差.

2.2 高频超声波测量仪

常规的超声波测量厚度虽然也存在钢－氧化皮的反射波和管内壁氧化膜－空气界面的反射波，但是由于前者的反射波声压较小，对于传统低频的超声波测量仪信号拾取被抑制，所以常规测量厚度的数值实际上是氧化膜和管壁共同的数值.因此低频率的测量仪分辨率低，不能满足氧化膜厚度测量的要求，而采用高频超声波测量仪则可满足要求.高频超声检测仪器的组成为超声波脉冲发生接收器、高频示波器、高频直探头，如图3所示.其中超声脉冲发生接收器用来激励探头产生超声波，并接收回波信号和预放大电脉冲；高频示波器主要接收传输来的回波电脉冲，显示回波信号，测量工件中回波的幅度及传播时间；而高频超声波探头主要是发射和接收超声波.

图3 超声检测仪器组成图

2.3 高频超声波测量仪测量方法

2.3.1 精度的测定

从火电厂取一段带有氧化皮的炉管来试验，通过传统的显微镜观察法，测量出氧化皮的厚度，如图4所示.氧化层厚度在0.217～0.256mm之间.

图4 显微镜法观察的氧化皮厚度图

用高频超声检测法来检测该段管子，如图5所示.

图5 高频超声仪检测式样图

高频超声仪显示的测量结果0.21mm，管厚为3.33mm.

通过试验的对比可知，高频超声测量仪的精度比较高，满足了炉管氧化皮测量的要求.

2.3.2 测量方法

在火力发电厂检测中，由于向火面温度高，相对于背火面，产生的氧化皮量要多，因此在测量之前一般会找到炉管的向火面，对工作环境最差的地方进行检测.要将炉管外壁上需要检测区域表面上的腐蚀、氧化产物用磨光机磨光，露出金属光泽.将测厚系统设置到合适的灵敏度及范围，在使用高频超声波测量仪之前，要在测量对象上涂上耦合剂，有利于仪器信号的接收.将探头垂直用力按压在测量对象上，当仪器显示屏的数据稳定后，就可以读出氧化皮厚度和管壁厚度.此过程为：超声探头发射超声波，超声波进入炉管内产生反射、透射、全反射，最后超声探头摄取到两次反射波，经过仪器对拾取回来的波进行分析从而算出该处氧化皮的厚度.例如在上海某电厂的氧化皮测试中，其中某根炉管氧化皮厚度可以直接从仪表盘上读出.如图6所示，该处的氧化皮厚度为0.21mm，管壁厚度为5.43mm.

图6 电厂实地测量图

例如，某电厂一锅炉投产以来，运行了将近60000h，其材质为Cr－Mo钢材，当对其检测氧化皮厚度时，其向火面的氧化皮厚度达到了1.1mm，如图7所示.那么通过割管，可以从管子内看出氧化膜的形态，观察向火面的金相组织为贝氏体，碳化物已经明显粗大，说明该炉管具有了微观爆管特征了，如图8所示.

图7 向火面管壁内侧氧化皮图

图8 向火面金相组织图

从另一方面来看，氧化皮的厚度随着时间的增加而增加，向火面组织的改变正是由于炉管长期在高温高压下运行.氧化皮的厚度从侧面也反映了向火面组织改变的程度.通过这个事例也再次证明了高频超声无损检测具有较高的检测精度.

3 结 论

本文应用超声波技术来检测炉管内壁氧化膜的厚度，结果表明：

（1）通过高频超声测量仪器可以有效的测量受热面炉管内壁的氧化膜厚度.电厂锅炉炉管的对氧化程度有个等级要求，当达到四级以及四级以上时就必须的割管换管.那么根据测量的数据，一方面可以评估炉管氧化情况；另一方面对比等级要求，检测炉管是否达到换管要求.

（2）锅炉炉管的氧化皮测厚所测得的数据对于分析炉管运行的状态以及对后续的维护与检修提供了重要的依据.

（3）根据所测得的氧化皮的厚度数据，将其输入到炉管剩余寿命评估软件可以预测炉管的剩余寿命.

［1］伍宇鹏，王 伟，钟万里，等.火电厂锅炉受热面管氧化皮脱落事故原因分析［J］.广东电力，2013，26（3）：91－94.

［2］黄兴德，周新雅，游 喆，等.超临界锅炉高温受热面蒸汽氧化皮的生长与剥落特性［J］.动力工程，2009，29（6）：602－608.

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［4］边彩霞，周克毅，胥建群，等.蒸汽侧氧化膜对超临界机组T9钢管壁温的影响［J］.动力工程，2009，29（5）：502－506.

［5］金万里，郭连丰.超临界锅炉受热面管内壁氧化皮剥落堵管的原因分析及预防措施［J］.内蒙古电力技术，2009，27（3）：4－6.

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［7］马剑民.电站锅炉过热器及再热器管壁金属层厚度和内壁氧化层厚度超声测量方法的研究［C］.陕西省第八届NDT年会论文集，2002.

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Ultrasonic Measurement for Oxide Skin Thickness of Inner Wall of Boiler Tubes in Thermal Power Plant

GENG Xiao－feng， WEI Ke－xiang， QIN Bo
（College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

This article explains the forming mechanism of oxide skin in inner wall of boiler tube in the thermal power plant，and expounds measuring principle and process of oxide skin in the heated surface.Some engineering applications that the oxide skin thickness of inner wall of boiler tube is measured by the ultrasonic technology are introduced.The results show that the ultrasonic measurement method can be used for inspection and maintenance of boiler tubes.

heated surface of boiler tubes；thickness of the oxide skin；ultrasonic measurement

TM621.2

A

1671－119X（2014）02－0023－03

2014－01－16

湖南省科技计划资助项目（2014GK3117）

耿晓锋（1989－），男，硕士研究生，研究方向：无损检测.