耿曉鋒，魏克湘，覃 波

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101）

火力發(fā)電廠(chǎng)爐管內(nèi)壁氧化皮厚度超聲檢測(cè)

耿曉鋒，魏克湘，覃 波

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101）

介紹了爐管內(nèi)壁氧化膜的形成機(jī)理，闡述了爐管受熱面氧化膜測(cè)量的原理及測(cè)量過(guò)程.并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)采用超聲波檢測(cè)爐管內(nèi)壁氧化膜厚度的方法進(jìn)行了介紹.結(jié)果表明，爐管氧化皮厚度超聲檢測(cè)對(duì)鍋爐管道的維護(hù)與檢測(cè)有重要的指導(dǎo)意義.

爐管受熱面；氧化皮厚度；超聲波檢測(cè)

0 引 言

在火力發(fā)電廠(chǎng)中，鍋爐爐管爆漏事故一直是影響火電機(jī)組安全的主要因素之一［1］.爆管的主要原因是鍋爐爐管一直都在高溫、高壓的環(huán)境下運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間處在這種惡劣的環(huán)境下，爐管內(nèi)壁與高溫蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生氧化皮［2］.氧化皮的形成使得爐管壁厚減小，在高壓的環(huán)境下，管道的蒸汽氧化導(dǎo)致鍋爐局部過(guò)熱，超溫爆管，降低機(jī)組可用率，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生爆管現(xiàn)象［3］.其次，爐管內(nèi)壁生成的氧化皮隨著高壓蒸汽沖到汽輪機(jī)葉片上，侵蝕葉片［4］.由此可知，避免爐管爆管而導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)并提升機(jī)組可用率的關(guān)鍵就是檢測(cè)爐管管壁的厚度.

對(duì)于爐管內(nèi)壁氧化皮，目前有很多檢查方法［5］，例如金相法、X－射線(xiàn)法、低頻超聲法等.金相法能夠精確的檢測(cè)到氧化皮的厚度及其成分組織，但只有將爐管內(nèi)的氧化皮取出來(lái)做成樣品才能進(jìn)行研究，不能達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目的.而射線(xiàn)法檢測(cè)氧化皮精度高，但是射線(xiàn)對(duì)人體輻射較大，并且一般電廠(chǎng)鍋爐檢修都是交叉作業(yè)，那么射線(xiàn)檢測(cè)不適合在這種場(chǎng)合來(lái)檢測(cè)爐管內(nèi)的氧化皮.低頻超聲檢測(cè)法一般用于檢測(cè)管壁厚度，正是由于它的頻率不高，因此它的精度不高，不能精準(zhǔn)的檢測(cè)氧化皮的厚度.

本文介紹了爐管內(nèi)壁氧化膜的形成機(jī)理，闡述了爐管受熱面氧化膜測(cè)量的原理及測(cè)量過(guò)程，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)采用超聲波檢測(cè)爐管內(nèi)壁氧化膜厚度的方法進(jìn)行了介紹.

1 爐管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生機(jī)理

大部分老火力發(fā)電廠(chǎng)爐管的材料為Cr－Mo、Cr－Mo－V等類(lèi)型的合金鋼材.在高溫高壓下，爐管內(nèi)壁會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成與金屬基體接合緊密、致密的氧化層.研究表明，熱力系統(tǒng)高溫氧化是氧化性氣體（水蒸汽）在高溫條件下與金屬反應(yīng)的過(guò)程為：

氧化皮的成分為鐵的氧化物，如：Fe2O3、Fe3O4等.

管內(nèi)壁受高溫蒸汽的氧化和腐蝕作用形成氧化和腐蝕層，其厚度隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加.氧化層的厚度由向火面向背火面逐漸減薄，同時(shí)金屬管壁厚度減小.圖1為管壁層厚度構(gòu)成示意圖.由圖1可以看出，隨著氧化層厚度增大，金屬管壁厚度減小.在氧化皮比較厚的地方金屬管壁薄，最容易爆管，因此我們要在向火面檢測(cè).

圖1 管壁層厚度構(gòu)成示意圖

2 無(wú)損檢測(cè)方法

受熱面管內(nèi)的氧化皮厚度可以用高頻超聲技術(shù)來(lái)測(cè)量.金相法不能無(wú)損檢測(cè)到管內(nèi)的氧化皮；射線(xiàn)法不適合在交叉作業(yè)的場(chǎng)合下檢測(cè)；低頻超聲法由于頻率低（一般其頻率小于5MHz），只能檢測(cè)出厚度最低為1mm的氧化皮，而爐管內(nèi)的氧化皮一般都只有零點(diǎn)幾毫米，所以不能夠精準(zhǔn)的檢測(cè)出管壁內(nèi)側(cè)的氧化皮厚度.使用高頻超聲檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)氧化皮厚度，其采用了脈沖反射法，頻率大于10 MHz，能夠檢測(cè)到零點(diǎn)幾毫米厚的氧化皮，并且操作簡(jiǎn)單，靈敏度高.

2.1 超聲波探測(cè)原理

氧化皮是在金屬基體結(jié)合緊密、致密的氧化腐蝕產(chǎn)物，其組成的主要成分是FeO、Fe2O3、Fe3O4，厚度在0.1～1mm之間，并依此沿背火面減小.管壁因?yàn)橛醒趸さ拇嬖趯?dǎo)致了有效壁厚減小，組織應(yīng)力增加；氧化膜對(duì)爐管的導(dǎo)熱熱阻影響比較大，影響了爐管的熱性能，長(zhǎng)期使?fàn)t管處在高溫下，爐管產(chǎn)生爆管現(xiàn)象.

由于鋼和氧化膜界面兩側(cè)物質(zhì)的密度和聲阻抗不同，為超聲波檢測(cè)提供了條件.由相關(guān)資料可知，鋼的聲阻抗Z鋼＝4.53×106g／cm2·s，而氧化膜的聲阻抗為Z氧化膜＝309×106g／cm2·s.

當(dāng)超聲波垂直射入時(shí)，在不同的聲阻抗的物質(zhì)界面上，超聲波會(huì)產(chǎn)生透射和反射.其中聲壓反射率：

如圖2所示，由上兩式可算出當(dāng)聲波遇到鋼—氧化皮界面時(shí)，反射波聲壓為－18.9%；透射波繼續(xù)透射，當(dāng)遇到氧化皮—空氣界面，由于空氣的聲阻抗幾乎為零，超聲波全反射，然后透射氧化皮—鋼界面進(jìn)入探頭.

圖2 超聲波行程圖

基于上述原理，根據(jù)聲程／時(shí)間的關(guān)系，就可以得到超聲波在鋼—氧化膜界面反射波和爐管內(nèi)氧化皮—空氣界面返回波的時(shí)間差△t，那么時(shí)間差乘以聲波在氧化膜中的傳播速度即可得到氧化膜的厚度，即：

式中：S— 聲程，V— 聲速，△t— 時(shí)間差.

2.2 高頻超聲波測(cè)量?jī)x

常規(guī)的超聲波測(cè)量厚度雖然也存在鋼－氧化皮的反射波和管內(nèi)壁氧化膜－空氣界面的反射波，但是由于前者的反射波聲壓較小，對(duì)于傳統(tǒng)低頻的超聲波測(cè)量?jī)x信號(hào)拾取被抑制，所以常規(guī)測(cè)量厚度的數(shù)值實(shí)際上是氧化膜和管壁共同的數(shù)值.因此低頻率的測(cè)量?jī)x分辨率低，不能滿(mǎn)足氧化膜厚度測(cè)量的要求，而采用高頻超聲波測(cè)量?jī)x則可滿(mǎn)足要求.高頻超聲檢測(cè)儀器的組成為超聲波脈沖發(fā)生接收器、高頻示波器、高頻直探頭，如圖3所示.其中超聲脈沖發(fā)生接收器用來(lái)激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波，并接收回波信號(hào)和預(yù)放大電脈沖；高頻示波器主要接收傳輸來(lái)的回波電脈沖，顯示回波信號(hào)，測(cè)量工件中回波的幅度及傳播時(shí)間；而高頻超聲波探頭主要是發(fā)射和接收超聲波.

圖3 超聲檢測(cè)儀器組成圖

2.3 高頻超聲波測(cè)量?jī)x測(cè)量方法

2.3.1 精度的測(cè)定

從火電廠(chǎng)取一段帶有氧化皮的爐管來(lái)試驗(yàn)，通過(guò)傳統(tǒng)的顯微鏡觀(guān)察法，測(cè)量出氧化皮的厚度，如圖4所示.氧化層厚度在0.217～0.256mm之間.

圖4 顯微鏡法觀(guān)察的氧化皮厚度圖

用高頻超聲檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)該段管子，如圖5所示.

圖5 高頻超聲儀檢測(cè)式樣圖

高頻超聲儀顯示的測(cè)量結(jié)果0.21mm，管厚為3.33mm.

通過(guò)試驗(yàn)的對(duì)比可知，高頻超聲測(cè)量?jī)x的精度比較高，滿(mǎn)足了爐管氧化皮測(cè)量的要求.

2.3.2 測(cè)量方法

在火力發(fā)電廠(chǎng)檢測(cè)中，由于向火面溫度高，相對(duì)于背火面，產(chǎn)生的氧化皮量要多，因此在測(cè)量之前一般會(huì)找到爐管的向火面，對(duì)工作環(huán)境最差的地方進(jìn)行檢測(cè).要將爐管外壁上需要檢測(cè)區(qū)域表面上的腐蝕、氧化產(chǎn)物用磨光機(jī)磨光，露出金屬光澤.將測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)置到合適的靈敏度及范圍，在使用高頻超聲波測(cè)量?jī)x之前，要在測(cè)量對(duì)象上涂上耦合劑，有利于儀器信號(hào)的接收.將探頭垂直用力按壓在測(cè)量對(duì)象上，當(dāng)儀器顯示屏的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，就可以讀出氧化皮厚度和管壁厚度.此過(guò)程為：超聲探頭發(fā)射超聲波，超聲波進(jìn)入爐管內(nèi)產(chǎn)生反射、透射、全反射，最后超聲探頭攝取到兩次反射波，經(jīng)過(guò)儀器對(duì)拾取回來(lái)的波進(jìn)行分析從而算出該處氧化皮的厚度.例如在上海某電廠(chǎng)的氧化皮測(cè)試中，其中某根爐管氧化皮厚度可以直接從儀表盤(pán)上讀出.如圖6所示，該處的氧化皮厚度為0.21mm，管壁厚度為5.43mm.

圖6 電廠(chǎng)實(shí)地測(cè)量圖

例如，某電廠(chǎng)一鍋爐投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行了將近60000h，其材質(zhì)為Cr－Mo鋼材，當(dāng)對(duì)其檢測(cè)氧化皮厚度時(shí)，其向火面的氧化皮厚度達(dá)到了1.1mm，如圖7所示.那么通過(guò)割管，可以從管子內(nèi)看出氧化膜的形態(tài)，觀(guān)察向火面的金相組織為貝氏體，碳化物已經(jīng)明顯粗大，說(shuō)明該爐管具有了微觀(guān)爆管特征了，如圖8所示.

圖7 向火面管壁內(nèi)側(cè)氧化皮圖

圖8 向火面金相組織圖

從另一方面來(lái)看，氧化皮的厚度隨著時(shí)間的增加而增加，向火面組織的改變正是由于爐管長(zhǎng)期在高溫高壓下運(yùn)行.氧化皮的厚度從側(cè)面也反映了向火面組織改變的程度.通過(guò)這個(gè)事例也再次證明了高頻超聲無(wú)損檢測(cè)具有較高的檢測(cè)精度.

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用超聲波技術(shù)來(lái)檢測(cè)爐管內(nèi)壁氧化膜的厚度，結(jié)果表明：

（1）通過(guò)高頻超聲測(cè)量?jī)x器可以有效的測(cè)量受熱面爐管內(nèi)壁的氧化膜厚度.電廠(chǎng)鍋爐爐管的對(duì)氧化程度有個(gè)等級(jí)要求，當(dāng)達(dá)到四級(jí)以及四級(jí)以上時(shí)就必須的割管換管.那么根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，一方面可以評(píng)估爐管氧化情況；另一方面對(duì)比等級(jí)要求，檢測(cè)爐管是否達(dá)到換管要求.

（2）鍋爐爐管的氧化皮測(cè)厚所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)于分析爐管運(yùn)行的狀態(tài)以及對(duì)后續(xù)的維護(hù)與檢修提供了重要的依據(jù).

（3）根據(jù)所測(cè)得的氧化皮的厚度數(shù)據(jù)，將其輸入到爐管剩余壽命評(píng)估軟件可以預(yù)測(cè)爐管的剩余壽命.

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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

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014GK3117）

耿曉鋒（1989－），男，碩士研究生，研究方向：無(wú)損檢測(cè).