電站鍋爐不銹鋼管氧化皮弱磁檢測(cè)技術(shù)的研究

  近年，很多高參數(shù)電站鍋爐的換熱水管采用了不銹鋼材料。但是，不銹鋼管經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，在管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧化皮脫落，并堆積在管道內(nèi)造成堵塞，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起換熱水的不銹鋼管爆裂，影響電站的安全運(yùn)行。常規(guī)的超聲波和射線檢測(cè)，無(wú)法探測(cè)氧化皮在管內(nèi)的堵塞狀態(tài)，利用弱磁檢測(cè)原理的不銹鋼管氧化皮檢測(cè)技術(shù)，可有效解決此類問(wèn)題。

  隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，高參數(shù)和大容量的發(fā)電機(jī)組，已逐步成為我國(guó)各大電廠的主力機(jī)組。不銹鋼材料具有較高的抗氧化和抗高溫腐蝕性能，因此，大容量機(jī)組的過(guò)熱器、再熱器等主要部件及主蒸汽管道，常采用性能優(yōu)良的不銹鋼材料。然而，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，不銹鋼管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧化皮的脫落和堆積，日積月累后，將引起管道堵塞和水管爆裂。為此，及時(shí)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)管內(nèi)氧化皮的脫落狀態(tài)，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行有著重大的意義。

一、氧化皮的構(gòu)成及危害

   電站鍋爐不銹鋼管內(nèi)產(chǎn)生氧化皮的原因，主要是高溫氧化。在一般狀況下，不銹鋼管的氧化速度符合拋物線規(guī)律。當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍后，不銹鋼管的氧化速度，符合拋物線和直線組合規(guī)律。受熱管道超溫后，氧化曲線由拋物線逐漸轉(zhuǎn)化為直線，如圖所示。

1. 氧化皮脫落的原因

   在運(yùn)行過(guò)程中，不銹鋼產(chǎn)生的氧化皮分為三層，從管內(nèi)表面起往外計(jì)，依次為氧化亞鐵、四氧化三鐵、三氧化二鐵。四氧化三鐵是亞鐵磁性材料，具有較強(qiáng)的磁性。與管內(nèi)壁相連的是氧化亞鐵層，結(jié)構(gòu)較為疏松，晶格缺陷多，是在高溫下形成的氧化亞鐵，在低于570℃的環(huán)境中不是很穩(wěn)定，會(huì)分解為四氧化三鐵和鐵，很易造成氧化層的脫落，并在半脫落層的部位下產(chǎn)生腐蝕。此外，不銹鋼爐管內(nèi)壁氧化膜的結(jié)構(gòu)不致密，尤其是膜層之間結(jié)合力較弱，界面處疏松、多孔，亦是氧化膜容易發(fā)生脫落重要的原因之一。氧化膜與管壁的熱物理性能差別較大，當(dāng)鍋爐溫度變化時(shí)，氧化膜的熱應(yīng)力變化大。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，在停爐過(guò)程中，氧化膜受壓應(yīng)力的作用，很容易與管壁基體剝離，厚膜脫落，薄膜起翹。在機(jī)組啟動(dòng)的升溫過(guò)程中，高脆性的氧化膜受拉應(yīng)力的作用，極易破裂。

2.氧化皮的危害

   氧化皮的存在形式為脫落和未脫落狀態(tài)，未脫落的氧化皮增加了傳熱熱阻，從而引起管壁溫度的升高，超高的壁溫導(dǎo)致管道爆裂和介質(zhì)泄漏，將危害機(jī)組的安全運(yùn)行。如果脫落的氧化皮在不銹鋼管道內(nèi)慢慢堆積，會(huì)引起管道堵塞，管道的流通截面變小，也會(huì)造成管壁溫度升高，引起爆管事故。氧化皮脫落后堵塞管道，造成泄漏事故，主要發(fā)生在高參數(shù)機(jī)組。特別是在機(jī)組快啟或快停的工況下，更易使過(guò)熱器、再熱器內(nèi)部的氧化皮脫落。同時(shí)，脫落的氧化皮，對(duì)汽輪機(jī)人口部件形成固體顆粒沖蝕，損害了汽輪機(jī)葉片。氧化皮脫落后，還污染了水汽品質(zhì)，成為熱力設(shè)備中的沉積物。

二、常用檢測(cè)方法與不足

   針對(duì)不銹鋼管氧化皮脫落的問(wèn)題，目前常用超聲波和射線進(jìn)行檢測(cè)，但這些檢測(cè)方法存在諸多不足，采用射線檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)費(fèi)用較高，且檢測(cè)靈敏度低，少量沉積的氧化物或管壁較厚時(shí)，難以辨認(rèn)，容易漏檢。同時(shí)，射線檢測(cè)具有危害性，檢測(cè)時(shí)，影響其他檢修工作的進(jìn)行，拖延了工期。采用超聲波對(duì)鍋爐管子內(nèi)壁的氧化皮測(cè)厚，由于受到超聲波半波長(zhǎng)的限制，所以測(cè)量的準(zhǔn)確度較低。

1. 弱磁檢測(cè)原理

   弱磁檢測(cè)以地球的磁場(chǎng)為磁源，在地磁場(chǎng)環(huán)境下，由于工件材質(zhì)均勻處與不連續(xù)處存在相對(duì)磁導(dǎo)率的差異，導(dǎo)致磁力線穿過(guò)工件后，各處磁能量衰減的程度不同，據(jù)此獲取磁場(chǎng)信號(hào)的變化，對(duì)異常磁信號(hào)進(jìn)行分析和處理，可確認(rèn)缺陷的大小并定位。弱磁檢測(cè)的原理，如圖所示。當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率為的試件，存在一處相對(duì)磁導(dǎo)率為的缺陷，在被測(cè)試件某方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為，用箭頭表示。若低磁導(dǎo)率中夾雜著，磁力線受到缺陷的排斥作用，導(dǎo)致與空氣接觸區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度變大，即大于無(wú)缺陷時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在缺陷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將顯示為一個(gè)往上凸起的異常波形。若在高磁導(dǎo)率中夾雜著>，磁力線受到缺陷的吸引作用，導(dǎo)致與空氣接觸區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度變小，即小于無(wú)缺陷時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在缺陷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將顯示為一個(gè)往下突出的異常波形。通過(guò)測(cè)磁傳感器，可采集磁場(chǎng)的異常變化，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可對(duì)缺陷進(jìn)行判斷和分析。

  根據(jù)材料的磁化率分類，可分為抗磁性材料、順磁性材料、反磁性材料、鐵磁性材料及亞鐵磁材料。不銹鋼是典型的順磁性物質(zhì)，磁導(dǎo)率略大于1，接近于空氣磁導(dǎo)率。因此，在磁場(chǎng)中，不銹鋼管是類似空氣一樣的物質(zhì)。不銹鋼管氧化皮的主要成分，是亞鐵磁性物質(zhì)，呈現(xiàn)強(qiáng)磁性，磁導(dǎo)率高于不銹鋼管，約為純鐵磁導(dǎo)率的1/5至1/4。如果不銹鋼管中存在氧化皮，在檢測(cè)時(shí)，就將在管外產(chǎn)生一個(gè)往下突出的磁異常波形。通過(guò)磁信號(hào)采集傳感器，采集管道外部磁異常信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，得出氧化皮的堵塞質(zhì)量，并可呈現(xiàn)氧化皮堵塞的二維圖像。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  檢測(cè)系統(tǒng)由弱磁傳感器模塊、信號(hào)采集處理單元模塊、工控機(jī)及觸屏液晶顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。檢測(cè)系統(tǒng)的連接，如圖所示。檢測(cè)時(shí)，首先由測(cè)磁傳感器采集鍋爐管外壁磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)，同時(shí)將該信號(hào)傳送至信號(hào)采集處理單元，處理單元將磁信號(hào)初步處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給工控機(jī)，利用工控機(jī)上的控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)成像算法，呈現(xiàn)不銹鋼管內(nèi)被氧化皮堵塞的圖像，并計(jì)算氧化皮的當(dāng)量值、堵塞長(zhǎng)度、堵塞厚度及堵塞度。

  因不銹鋼材料和氧化皮的磁導(dǎo)率存在差異，所以，可利用弱磁檢測(cè)原理，對(duì)大型電站鍋爐過(guò)熱器、再熱器等不銹鋼管內(nèi)氧化皮的存量進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用便攜式無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，能高效、精確地檢測(cè)不銹鋼管及相應(yīng)管道，具有便于攜帶、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，且提高了檢測(cè)效率。