电站锅炉高温受热面管内壁氧化皮检测方法

2016-04-22郑小腾余焕伟董伟雄

中国特种设备安全 2016年3期

关键词：高频超声

郑小腾余焕伟董伟雄

（绍兴市特种设备检测院绍兴 312071）

电站锅炉高温受热面管内壁氧化皮检测方法

郑小腾余焕伟董伟雄

（绍兴市特种设备检测院绍兴 312071）

摘要：高温受热面管内壁氧化皮剥落堵管造成的爆管问题是影响电站锅炉正常安全运行的主要因素之一。本文在简要介绍铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢两种不同材质高温受热面管内壁氧化皮生成原理、结构形式及剥落特性的基础上,重点介绍了高频超声和磁技术检测两种高温受热面管内壁氧化皮检测方法的检测原理、系统组成、适用范围及使用特点，以期为现场检验检测提供参考。

关键词：氧化皮检测高频超声磁技术

Detection Methods for Oxide Skin on Inner Heating Surface of Boiler Tubes

Zheng Xiaoteng Yu Huanwei Dong Weixiong
( Shaoxing Special Equipment Testing Institute Shaoxing 312071)

Abstract The metal oxidation of boiler tubes becomes one of the main factors which affect the safe operation of the utility boiler. To provide references for the on-site inspection, this paper briefly introduced the generation, structure and exfoliation of oxide skin on the inner heating surface of boiler tubes with ferrite heat resistant steel and austenitic stainless steel, and then mainly introduced two important detection methods of oxide skin : high frequency ultrasound and magnetic technology, including their detection principles, system compositions, application scopes as well as the usage characters.

Keywords Detection of oxide skin High frequency ultrasound Magnetic technology

我国发电行业经过几十年发展，亚临界机组发电技术已经较为成熟，目前超（超）临界成为发展趋势。亚临界机组以上锅炉过热器、再热器等高温受热面长期在高温高压条件下服役，集中面临着金属超温过热和高温蒸汽氧化两大问题[1]。高温受热面管内壁在高温蒸汽的氧化作用下，生成氧化皮并在一定条件下剥落，不仅可能堵塞管子引起超温爆管，还可能冲刷汽轮机叶片，从而威胁发电机组正常运行[2]。因此，采用有效的氧化皮检测方法，对确保生产安全和减少事故隐患具有重大意义。

目前，对于电站锅炉高温受热面管内壁氧化皮无损检测主要有射线、高频超声和磁技术检测等方法。其中射线检测较为直观，对管内堆积的氧化皮检测较为有效，但由于射线对人体有害，现场操作要求高、难度较大，且检测耗时长、效率不高，已在实际检测中逐渐减少应用。本文主要介绍目前亚临界以上机组锅炉常用耐热钢管内壁氧化皮特点及检测技术，阐明其检测原理及适用范围。

1 电站锅炉高温受热面管常用材料及其氧化皮

目前亚临界以上机组锅炉常用高温受热面管材料主要有铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢两大类。其中铁素体耐热钢主要包括低中合金Cr-Mo钢与Cr-Mo-V钢，如常见的12Cr1MoVG、15CrMoG等，以及近年逐渐推广使用的多元复合强化9Cr～12Cr系的T91、T23等。奥氏体不锈钢则主要包括TP304H、TP347H等18Cr8Ni钢，及在TP347H 基础上通过改善晶界Cr的扩散迁移特性而开发的TP347HFG等。尽管铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢在高温条件下与水蒸气反应生成氧化皮原理类似，但由于两者在成分组织等方面的差异，其管内壁生成的氧化皮在结构形式、剥落特性方面还存在着一定的区别[3]。

1.1 氧化皮生成原理

氧化皮产生过程实质为管壁金属在高温环境下与水蒸气反应生成铁的氧化物，其大致分为四个步骤：1）高温水蒸气分子与管壁金属撞击；2）水蒸气分子吸附于管壁金属表面；3）金属氧化物形核；4）连续氧化膜形成。基本反应式：

H2O（吸附）+Fe→ FeO+离子空穴+2电子空缺+H2（吸附） (1)

生成的气态H2向氧化物和基体内扩散，继续为氧和水蒸气的渗透扩散提供了通道。随着氧化物薄膜的生成，更多地水分子被吸附、分解成氧原子和氧离子，初始生成的FeO将被氧化成更加稳定的Fe2O3和Fe3O4。由于管壁金属中的Cr, Ni等元素也在蒸汽中被氧化成挥发性的Cr2O3和Cr(OH)2等，随着Cr2O3和Cr(OH)2的不断生成和挥发，合金进一步氧化生成Cr, Fe和Ni等的复合尖晶石氧化物[4]。

1.2 氧化皮结构

一般低中合金铁素体钢管内壁氧化皮分为两层：内层为Fe-Cr尖晶石结构氧化物，外层则是以Fe3O4为主体、分布有Fe2O3的柱状晶结构，氧化皮厚度基本一致。氧化皮厚度随着壁温的升高，生长速率增大，同时氧化皮厚度与运行时间呈正相关[1]，一般厚度为0.1～1.0mm。

奥氏体不锈钢内壁氧化皮也是双层结构，但与铁素体钢内壁氧化皮有所不同：由于奥氏体不锈钢基体中Cr含量较高，在同等温度条件下其内壁氧化皮厚度明显小于铁素体。且由于Cr元素的晶界扩散，其内层氧化物为Fe-(Ni)-Cr尖晶石结构，界面极其崎岖不平，外层氧化物厚度分布呈现不规则性。

1.3 氧化皮剥落特性

1）铁素体耐热钢管内壁氧化皮剥落一般是内外层一起剥落，而奥氏体不锈钢管内壁氧化皮内外层间有大量空穴等缺陷，一般当外层厚度达40～50μm时开始剥落，内层则相对不易剥落[5]。

2）铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢内壁氧化皮剥落更容易在锅炉降温过程中发生，特别是350℃附近剥落明显。

3）奥氏体不锈钢管内壁氧化皮在较高温度时一般以片状剥落，较低温度时则以粉状剥落。

2 铁素体耐热钢管内壁氧化皮高频超声检测方法

2.1 检测原理

铁素体耐热钢管内壁生成氧化皮之后，会在氧化皮与管基体之间形成一个固体与固体的紧密结合界面。由于界面两侧物质密度不同，声阻抗也不同，当超声波垂直射到该界面时会产生反射与透射，如图1所示。

图1　超声波反（透）射原理

图2　氧化皮超声波检测回波示意图

根据超声波发生界面反射与透射的式（2）和式（3），将钢的声阻抗Z钢=4.53×106g/cm2·s和氧化皮主要成分=3.09×106g/cm2·s代入，可计算得出反射率R=0.04，透射率T=0.96。即4%的超声波发生反射并形成第一个回波，96%的超声波透射经过氧化皮遇空气后反射产生第二个回波，如图2所示（图中b11和b12分别为界面的第1、2次反射波，B11和B12是超声波穿过氧化皮后遇见空气的反射信号）。利用两个回波之间的时间差Δt和声速υ即可计算出氧化皮厚度d=υΔt/2。

该方法的技术关键在于利用高频超声提高超声检测分辨率。根据李金峰等[6]研究，超声检测对氧化皮最小理论分辨厚度Smin=Vs/8f，其中Vs为氧化皮中超声波传输速度，f为所用探头的中心频率。因此可以通过提高超声频率或降低声速（以横波代替纵波）来提高氧化皮检测分辨率。目前常用超声波频率有15MHz、20MHz。

张凤安等[7]用15MHz超声系统对一台锅炉过热器（材质为12Cr2MoWTiB，φ51×9mm）进行氧化皮检测，测得平均值0.2712mm，与割管后在金相显微镜下测量所得0.2786mm，相差仅0.0074mm，误差率2.73%，因此该方法在工程应用中可以获得较为满意结果。

2.2 检测系统

系统由超声脉冲发生/接收器、示波器和高频探头组成，如图3所示。脉冲发生器发出的高频脉冲发送至探头，产生高频声波（一般大于15MHz）并传送至被检管子。超声波经过管子金属基体后，若管子内壁有氧化皮，则超声波会在基体/氧化皮界面产生反射与透射，反射的超声波及透射超声波穿过氧化皮遇空气之后的反射波分别被探头接收并在示波器显示。

图3　高频超声检测系统

该方法可以准确测量管内壁氧化皮生长情况，检测精度高，能有效预防因氧化皮脱落而爆管的事故。与射线检测相比，操作简单方便，检测效率高，可以对管排进行逐根检测。

3 奥氏体不锈钢内壁氧化皮磁技术检测方法

3.1 检测原理

该方法利用奥氏体钢管与其内壁氧化皮磁特性差异而开发，最早由日本研究人员研制成功。后我国科研人员对该方法进行了研究，并取得长足进步。其主要原理为：在奥氏体不锈钢管外加一永磁体，若管内无氧化物，磁场分布几乎不受影响；若管内生成氧化物，则磁场分布将会发生改变，磁场包含了管内氧化物的信息，通过信号处理，可以得到管内氧化皮产生的磁化强度，从而判断管内氧化皮数量，如图4所示。

图4　磁技术检测原理

3.2 检测系统

检测装置（如图5所示）主要包括OMD-100型氧化皮检测仪、OT系列专用传感器、后续分析处理软件等，共有电源管理、传感器接口(管理及供电) 、模拟信号调理、信号采集、通信及网络、键盘管理、存储管理、显示适配和中央控制单元9个功能模块。检测系统采用多通道测量，既可以保证微量氧化皮的测量，又可以在满足氧化皮数量较多时不至信号饱和。