電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè) 技術(shù)與應(yīng)用

0 引言

隨著我國(guó)電力建設(shè)的快速發(fā)展，新投產(chǎn)的機(jī)組逐步向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展[1]。由于鍋爐運(yùn)行的蒸汽壓力和溫度的提高，需要管道耐熱能力更強(qiáng)，所以鍋爐在設(shè)計(jì)制造過程中越來(lái)越多地采用了諸如TP304H、TP316H、TP347H等奧氏體不銹鋼[2]。隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，在鍋爐過熱器和高溫再熱器管道內(nèi)部會(huì)逐漸生成氧化皮，而氧化皮與不銹鋼管道基體的熱膨脹系數(shù)相差較大又導(dǎo)致鍋爐在載荷變化迅速、起停等情況下氧化皮容易剝落。剝落的氧化皮會(huì)堵塞管道引起局部過熱，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致過熱器、再熱器爆管；同時(shí)剝落的氧化皮被帶入汽輪機(jī)，引起固粒侵蝕導(dǎo)致?lián)p傷汽輪機(jī)葉片，污染水汽品質(zhì)。因此，在檢修過程中檢測(cè)到氧化皮對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要[3]。

目前電站鍋爐普遍采用射線探傷法對(duì)鍋爐管道內(nèi)沉積的氧化物進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[4]，使用該方法的缺點(diǎn)是檢測(cè)費(fèi)用昂貴；檢測(cè)靈敏度低，對(duì)于數(shù)量較少的沉積氧化物難以從圖像上辨認(rèn)確定；由于射線放射源具有危害性，取得結(jié)果的工藝進(jìn)程較慢，不利于縮短鍋爐檢修工期，影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此，急切需要一種有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)管道中氧化皮的剝落情況。

1 檢測(cè)原理

在不銹鋼管外壁加一穩(wěn)恒強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)管內(nèi)不存在氧化物時(shí)，由于不銹鋼管為非磁性的，磁場(chǎng)分布幾乎不受影響；當(dāng)不銹鋼管內(nèi)存在氧化物時(shí)，氧化物將會(huì)被外部強(qiáng)磁場(chǎng)磁化，在氧化物內(nèi)部形成磁路，磁場(chǎng)分布將會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)磁場(chǎng)將包含管道內(nèi)磁性氧化物的信息。因此可以從管道外部利用磁場(chǎng)敏感元件檢測(cè)被磁化的氧化物產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)信號(hào)，并通過敏感元件將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。原理圖如圖1所示，其中實(shí)線表示穩(wěn)恒磁場(chǎng)的磁通線在局部區(qū)域的分布情況，虛線表示該穩(wěn)恒磁場(chǎng)產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)的磁通線分布情況。該磁性無(wú)損檢測(cè)法具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢測(cè)安全、可靠、靈敏度高。該磁性無(wú)損檢測(cè)方法使用穩(wěn)恒磁場(chǎng)產(chǎn)生直流輸出信號(hào)，磁場(chǎng)強(qiáng)度、電源電壓以及輸出信號(hào)都處于安全范圍內(nèi)；又由于檢測(cè)裝置中的敏感元件對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，所以當(dāng)氧化皮很少時(shí)也可以檢測(cè)到，具有很高的靈敏度。

（2）由于附著在管壁上的氧化皮受到外磁場(chǎng)作用時(shí)可以完全類似于已經(jīng)剝落沉積下來(lái)的氧化皮那樣被磁化而產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，所以可以對(duì)仍附著在管壁上的氧化皮進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

（3）對(duì)工作環(huán)境要求比較寬松，不需要對(duì)檢測(cè)管道外部進(jìn)行特殊清理，只要保證沒有強(qiáng)磁性物質(zhì)即可。

2 檢測(cè)儀器

2.1 硬件部分

電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示，主要包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、供電模塊和主機(jī)模塊。儀器的外圍設(shè)備包括按鍵、LCD顯示屏、SD卡和與計(jì)算機(jī)連接的USB線等。

磁性傳感器將不銹鋼管內(nèi)的氧化皮信號(hào)采集出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)濾波、放大后送到主機(jī)，主機(jī)將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后送到LCD顯示器進(jìn)行顯示，以方便檢測(cè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，同時(shí)還可以將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存到SD卡，保存的數(shù)據(jù)通過USB線可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，方便對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析。供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為信號(hào)調(diào)理電路、主機(jī)、LCD顯示器及SD卡提供電源。為了保證儀器的攜帶及使用方便，儀器供電由小巧的可充電鋰電池提供。充電通過外接220V電源完成，在充電的同時(shí)儀器仍然可以正常使用，此時(shí)儀器供電由外界電源提供。

2.2 軟件部分

儀器軟件實(shí)現(xiàn)了信號(hào)檢測(cè)、文件保存、文件查看等功能，主要包括檢測(cè)模塊和文件模塊，軟件功能框圖如圖3所示。

檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)不銹鋼管的氧化皮檢測(cè)，檢測(cè)儀會(huì)將檢測(cè)的一根不銹鋼管內(nèi)氧化皮的最大數(shù)據(jù)存入主機(jī)，同時(shí)為滿足檢測(cè)失誤而必須重新檢測(cè)的需求，儀器還可以返回到相應(yīng)管的編號(hào)處進(jìn)行重新檢測(cè)；文件模塊包括兩個(gè)功能：保存檢測(cè)數(shù)據(jù)和查看檢測(cè)數(shù)據(jù)，使用者可以根據(jù)自己的需要輸入文件名來(lái)保存檢測(cè)管屏的數(shù)據(jù)，還可以通過“打開文件”將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存到以前已命名的文件中，通過USB數(shù)據(jù)線的傳輸，可將保存的檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，有利于對(duì)電站鍋爐不銹鋼管的安全運(yùn)行提供分析和評(píng)價(jià)。

2.3 性能指標(biāo)

氧化皮檢測(cè)儀的整體圖如圖4所示，由主機(jī)、傳感器、充電器和USB數(shù)據(jù)傳輸線組成。儀器的性能指標(biāo)為：

（1） 中文菜單操作提示，檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)字化顯示；
（2） LCD小型液晶顯示器；
（3） 檢測(cè)精度：1mV；
（4） 檢測(cè)誤差：小于20mV；
（5） 調(diào)零：自動(dòng)調(diào)零；
（6） 傳感器大小：17×40×41mm  h,w,l  傳感器小巧，方便檢測(cè)；
（7） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量： 2G；
（8） 可將存儲(chǔ)的檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至電腦，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行查看、分析；
（9） 供電：鋰電池供電（連續(xù)供電時(shí)間：8小時(shí)），也可用220V電源供電；
（10）電池壽命：重復(fù)充放電500次以上；
（11）工作溫度范圍：-20℃～＋45℃。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 檢測(cè)信號(hào)隨氧化皮重量變化的實(shí)驗(yàn)

向管型為Φ45*2.5，Φ50.8*4，Φ51*7的不銹鋼管內(nèi)加入重量依次增加的氧化皮，用電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，分別記錄檢測(cè)到的信號(hào)值。圖5為根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制的檢測(cè)信號(hào)隨氧化皮重量變化的曲線。

其中，橫軸為氧化皮的重量，縱軸為檢測(cè)儀器讀出的信號(hào)值，實(shí)線、虛線及點(diǎn)劃線分別表示管型為Φ45*2.5、Φ50.8*4及Φ51*7的不銹鋼管內(nèi)氧化皮信號(hào)隨重量變化的情況。從圖中可以看出，曲線可以分為三段：變化迅速區(qū)、變化緩慢區(qū)和基本不變區(qū)。以管型為Φ45*2.5的不銹鋼管為例，氧化皮的重量在8g以內(nèi)時(shí)信號(hào)值隨氧化皮重量的增加變化比較快，基本呈線性關(guān)系；氧化皮的重量在8g到16g之間時(shí)信號(hào)隨氧化皮重量的增加變化比較緩慢，但檢測(cè)信號(hào)仍呈上升趨勢(shì)；當(dāng)氧化皮的重量超出16g時(shí)，檢測(cè)信號(hào)基本保持不變，隨著重量的繼續(xù)增加檢測(cè)信號(hào)將趨于飽和。

3.2 檢測(cè)數(shù)值隨氧化皮厚度變化的實(shí)驗(yàn)

向管徑為44.2mm,管壁厚度分別為 0.9mm，1.36mm，1.82mm，2.28mm的紙制管（模擬不銹鋼管）中分別加入厚度依次增加的氧化皮。具體方法是以2mm氧化皮厚度為單位，逐次加入氧化皮。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將硬紙板剪成長(zhǎng)方形，放入管道中，與管道所圍成的空間中加滿氧化皮。圖6為檢測(cè)信號(hào)隨氧化皮厚度變化的曲線。

其中，橫軸為氧化皮在不銹鋼管中的厚度，縱軸為檢測(cè)儀器讀出的信號(hào)值，實(shí)線、虛線、點(diǎn)線及點(diǎn)劃線分別表示管壁分別為0.9mm、1.36mm，1.82mm，2.28mm的不銹鋼管內(nèi)氧化皮信號(hào)隨厚度變化的情況，曲線變化趨勢(shì)與圖5類似，這里就不做具體分析了。

通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)隨氧化皮重量及厚度變化的分析可知，不銹鋼管內(nèi)氧化皮的含量在一定的范圍內(nèi)時(shí)，儀器對(duì)氧化皮量的變化有很高的靈敏度，檢測(cè)信號(hào)能準(zhǔn)確地反應(yīng)管內(nèi)氧化皮的量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 實(shí)例1

電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè)儀在珠海、福州、汕頭、汕尾、泰州、貴港、濰坊等電廠進(jìn)行了大量的應(yīng)用，并取得了良好的效果。圖7為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的圖片。

我們?cè)谀畴姀S用氧化皮檢測(cè)儀檢測(cè)完后，選取儀器讀數(shù)分別為248和327的兩根不銹鋼管用射線進(jìn)行拍片，結(jié)果如圖8所示。其中左圖為檢測(cè)儀器讀數(shù)為248的不銹鋼管，右圖為檢測(cè)儀器讀數(shù)為327的不銹鋼管。從圖中可以看出，左圖氧化皮的量明顯少于右圖的氧化皮，因此氧化皮檢測(cè)儀檢測(cè)與射線拍片的結(jié)果基本吻合。

4.2 實(shí)例2

某電廠500MW機(jī)組鍋爐在運(yùn)行3萬(wàn)多小時(shí)后，采用該技術(shù)對(duì)4000根不銹鋼管進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明有多根不銹鋼管堵塞嚴(yán)重。進(jìn)行了氣流吹除后，多個(gè)部位堵塞。最后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)由大到小將300余根管彎頭割開處理，最多的彎頭處取出氧化皮1600余克。檢測(cè)處理后，一次點(diǎn)火成功。

5 結(jié)論

本文基于對(duì)電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè)的工程需求，提出了磁性無(wú)損檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)并研制了不銹鋼管氧化皮檢測(cè)儀器，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作。實(shí)踐表明，該氧化皮檢測(cè)儀具有攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，氧化皮的磁性檢測(cè)方法為鍋爐管道的整體氧化腐蝕狀態(tài)的評(píng)估提供了有效的數(shù)據(jù)支持，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 彭欣，李友慶，曾勁松等，基于新型無(wú)損檢測(cè)儀的奧氏體鍋爐管內(nèi)壁氧化皮堵塞爆管探析[J],華北電力技術(shù)，2008，6：47~50.

作者簡(jiǎn)介：丁克勤，1968年9月生，男，研究員，從事無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究。
通訊地址：北京朝陽(yáng)區(qū)和平街西苑2號(hào)樓，郵編：100013，手機(jī)：13910579725，電子郵箱：[email protected]。

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