電站鍋爐不銹鋼管氧化皮弱磁檢測技術(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)長期運行后，在管內(nèi)會產(chǎn)生氧化皮脫落，并堆積在管道內(nèi)造成堵塞，情況嚴重時，會引起換熱水的不銹鋼管爆裂，影響電站的安全運行。常規(guī)的超聲波和射線檢測，無法探測氧化皮在管內(nèi)的堵塞狀態(tài)，利用弱磁檢測原理的不銹鋼管氧化皮檢測技術(shù)，可有效解決此類問題。

  隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步，高參數(shù)和大容量的發(fā)電機組，已逐步成為我國各大電廠的主力機組。不銹鋼材料具有較高的抗氧化和抗高溫腐蝕性能，因此，大容量機組的過熱器、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)過一段時間運行后，不銹鋼管內(nèi)會產(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，及時檢測和發(fā)現(xiàn)管內(nèi)氧化皮的脫落狀態(tài)，對機組的安全運行有著重大的意義。

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

   在運行過程中，不銹鋼產(chǎn)生的氧化皮分為三層，從管內(nèi)表面起往外計，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，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。在機組啟動的升溫過程中，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，將危害機組的安全運行。如果脫落的氧化皮在不銹鋼管道內(nèi)慢慢堆積，會引起管道堵塞，管道的流通截面變小，也會造成管壁溫度升高，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)機組。特別是在機組快啟或快停的工況下，更易使過熱器、再熱器內(nèi)部的氧化皮脫落。同時，脫落的氧化皮，對汽輪機人口部件形成固體顆粒沖蝕，損害了汽輪機葉片。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、常用檢測方法與不足

   針對不銹鋼管氧化皮脫落的問題，目前常用超聲波和射線進行檢測，但這些檢測方法存在諸多不足，采用射線檢測時，檢測費用較高，且檢測靈敏度低，少量沉積的氧化物或管壁較厚時，難以辨認，容易漏檢。同時，射線檢測具有危害性，檢測時，影響其他檢修工作的進行，拖延了工期。采用超聲波對鍋爐管子內(nèi)壁的氧化皮測厚，由于受到超聲波半波長的限制，所以測量的準確度較低。

1. 弱磁檢測原理

   弱磁檢測以地球的磁場為磁源，在地磁場環(huán)境下，由于工件材質(zhì)均勻處與不連續(xù)處存在相對磁導(dǎo)率的差異，導(dǎo)致磁力線穿過工件后，各處磁能量衰減的程度不同，據(jù)此獲取磁場信號的變化，對異常磁信號進行分析和處理，可確認缺陷的大小并定位。弱磁檢測的原理，如圖所示。當(dāng)相對磁導(dǎo)率為的試件，存在一處相對磁導(dǎo)率為的缺陷，在被測試件某方向上的磁感應(yīng)強度分量為，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)域的磁場強度變大，即大于無缺陷時的磁場強度。在缺陷處的磁場強度，將顯示為一個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)域的磁場強度變小，即小于無缺陷時的磁場強度。在缺陷處的磁場強度，將顯示為一個往下突出的異常波形。通過測磁傳感器，可采集磁場的異常變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可對缺陷進行判斷和分析。

  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，在檢測時，就將在管外產(chǎn)生一個往下突出的磁異常波形。通過磁信號采集傳感器，采集管道外部磁異常信號，經(jīng)過計算處理，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

  檢測系統(tǒng)由弱磁傳感器模塊、信號采集處理單元模塊、工控機及觸屏液晶顯示和數(shù)據(jù)存儲模塊等組成。檢測系統(tǒng)的連接，如圖所示。檢測時，首先由測磁傳感器采集鍋爐管外壁磁場強度的信號，同時將該信號傳送至信號采集處理單元，處理單元將磁信號初步處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給工控機，利用工控機上的控制軟件進行數(shù)據(jù)處理，通過成像算法，呈現(xiàn)不銹鋼管內(nèi)被氧化皮堵塞的圖像，并計算氧化皮的當(dāng)量值、堵塞長度、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，可利用弱磁檢測原理，對大型電站鍋爐過熱器、再熱器等不銹鋼管內(nèi)氧化皮的存量進行檢測。應(yīng)用便攜式無損檢測系統(tǒng)，能高效、精確地檢測不銹鋼管及相應(yīng)管道，具有便于攜帶、使用簡便等優(yōu)點，且提高了檢測效率。