鍋爐用奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮檢測的新方法

龍會國

(湖南省電力公司試驗研究院,長沙410007)

粗晶奧氏體不銹鋼因具有熱強性高、耐蝕性和高溫力學性能優良以及焊接性良好的特點,在大型電站鍋爐及核電部件制造方面得到了廣泛的應用.但運行經驗表明,這類不銹鋼管在運行中抗高溫蒸汽氧化性能較差,在電站鍋爐過熱器和再熱器運行過程中會出現嚴重的蒸汽側氧化皮剝落,導致鍋爐管堵塞,引起嚴重超溫,從而引發爆管事故的頻繁發生[1-3],嚴重影響大容量、高參數尤其是超(超)臨界機組的安全穩定運行.

目前,國內已經有20多家電廠先后出現過相當嚴重的氧化皮剝落事故,涉及的奧氏體不銹鋼管材有 TP304H、TP347H、TP316L、12X18H12T 和X8CrNiNb1613等.蒸汽出口溫度為540℃左右的亞臨界和部分超臨界鍋爐出現這類氧化皮剝落問題的時間一般在機組投運后3×104h左右[1,4],蒸汽出口溫度為570℃左右的超臨界鍋爐出現這類氧化皮剝落問題的最短時間大約在機組投運后3 400 h.氧化皮剝落物數量主要與剝落前管內氧化皮厚度和溫度波動幅度或波動速度有關,管內剝落氧化皮的堆積和堵塞程度與管排的結構形式、管子內徑和U型彎的彎曲半徑以及布置方式等都有很大關系,通常管子內徑越小、U型彎彎曲半徑越小,則堆積和堵塞程度越嚴重.

管壁氧化物內層為結構致密的富鉻尖晶石結構氧化物,中間層主要是結構疏松、多孔的Fe3O4,最外層為結構致密但厚度較薄的Fe2O3.氧化皮剝落物主要由中間層Fe3O4和最外層Fe2O3組成,與蒸汽溫度和受熱程度等有關.過熱器內壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量比再熱器內壁氧化皮剝落物的略高,過熱器管內壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量一般在20%～25%,再熱器管內壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量一般在16%～18%[1,4-5].

由于奧氏體不銹鋼管為無磁性或弱磁性,而氧化皮中的 Fe2O3和 Fe3O4均屬于順磁性,其中Fe2O3屬于剛玉型結構,氧離子構成密排六方晶格,Fe3O4屬于尖晶石型結構,氧離子構成面心立方晶格[5],Fe3O4被廣泛用作磁流體、磁記錄材料等[6].利用奧氏體不銹鋼與氧化皮磁性物理性能的差異,筆者提出了一種奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮的檢測方法,研究了內壁氧化皮堆積量與剩磁磁感應強度、提升力之間的關系,探討了堆積氧化皮剩磁磁感應強度與提升力的影響因素,說明利用剩磁法和提升力法檢測奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮可靠、快捷、簡單.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試樣材料選用湖南省300 MW、600 MW機組中鍋爐過熱器、再熱器奧氏體不銹鋼 TP304H、TP347H鍋爐管,對600 MW超臨界機組奧氏體不銹鋼TP347H過熱器、再熱器管彎管內部檢測出的氧化皮進行實驗室模擬堆積.直管及彎管如圖1和圖2所示,材料化學成分示于表1和表2,直管上半部分剖開,以便模擬內部氧化皮的堆積情況.

圖1 試驗用彎管類型Fig.1 Shapes of tube bends fo r experimental tests

圖2 試驗用直管類型Fig.2 Straight tubes for experimental tests

表1 TP304H鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of the test steel TP304H %

1.2 試驗方法

1.2.1 檢測原理

剩磁檢測與提升力檢測方法示意圖示于圖3.其中,磁化裝置采用穩恒磁場,剩磁磁場測量原理利用霍爾效應原理,磁場感應器利用霍爾傳感器實現.提升力檢測采用應變/應力傳感器或直接采用彈簧應變測量方法,測量精度為0.01 N,數據處理及顯示可以采用數字顯示或表盤式輸出.

表2 TP347H鋼的化學成分Tab.2 Chemical composition of the test steel TP347H %

圖3 測量裝置示意圖Fig.3 Block diag ram of the measurement system for residual magnetism and lifting power of oxidation scales

1.2.2 檢測方法

采用自制奧氏體不銹鋼內部氧化皮堆積測量儀器(圖3)進行試驗,該儀器由激化裝置、磁測量裝置、提升力測量裝置以及數據處理器等組成.首先對內部有一定堆積量的氧化皮奧氏體不銹鋼管彎管進行外部磁場激化,再通過磁場強度測量裝置和提升力測量裝置等測量激化后彎管內部堆積氧化皮的剩磁磁感應強度和提升力,利用數據處理器進行數據處理,建立剩磁磁感應強度、提升力與氧化皮堆積量的關系.對于彎管,將彎管垂直放置,內部氧化皮由彎管一側加入,在彎管處堆積,對最下端氧化皮堆積最嚴重處進行激化,利用外部激化磁場對氧化皮提升力進行檢測,然后撤離外部磁場,再對氧化皮剩磁磁感應強度進行檢測;對于直管,直接從剖開處堆積,同樣原理,在下部對堆積的氧化皮進行激化后,再對提升力及氧化皮剩磁磁感應強度等進行檢測.

2 結果與討論

2.1 剩磁磁感應強度與氧化皮堆積量的關系

經過一定強度的外部磁場激化后,得到氧化皮的剩磁磁感應強度與其堆積量的關系(圖4).由圖4可知,經外部磁場激化后,氧化皮的堆積量越多,剩磁磁感應強度越大,隨著氧化皮堆積量的繼續增加,剩磁磁感應強度逐步趨于穩定狀態.

圖4 剩磁磁感應強度與內部氧化皮堆積量的關系Fig.4 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

圖5 提升力與內部氧化皮堆積量的關系Fig.5 Lifting power vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

氧化皮堆積量與外部激發磁場下提升力的關系示于圖5.由圖5可知,經外部磁場激化后,氧化皮的堆積量越多,外部磁場對氧化皮的提升力越大,隨著氧化皮堆積量的繼續增加,外部磁場強度對氧化皮的提升力逐漸趨于穩定狀態.

2.2 材料規格對剩磁磁感應強度的影響

氧化皮剩磁磁感應強度除了與外部激化磁感應強度有關外,還與奧氏體不銹鋼管的規格有關.由圖4和圖6可知,在外部激化磁感應強度一定的條件下,當奧氏體不銹鋼彎管內氧化皮堆積量較少時,材料規格對氧化皮剩磁磁感應強度的影響并不明顯,隨著內壁氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,剩磁磁感應強度越低.剩磁磁感應強度還與奧氏體不銹鋼彎管的型式有關,不同彎管型式時剩磁磁感應強度的變化趨勢示于圖4,在規格壁厚一定的情況下,彎管型式對剩磁磁場強度的影響并不明顯,但是在相同氧化皮堆積量下,U型彎管的剩磁磁感應強度比L型彎管略強,這與彎管內氧化皮的堆積狀態有關,U型彎管內氧化皮的堆積分散性小,因而剩磁磁感應強度也更大.對于直管,由圖6可知,在外部激化磁感應強度一定的情況下,當管內氧化皮堆積量較少時,材料規格對管內氧化皮剩磁磁感應強度的影響較小,隨著內壁氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,剩磁磁感應強度越小,內徑越大,氧化皮堆積分散性越大,則剩磁磁感應強度也越小.

圖6 不同規格直管剩磁磁感應強度與內部氧化皮堆積量的關系Fig.6 Residual magnetism vs.accumulation amount of steamside oxidation scales for straight tubes of different sizes

同樣,磁化后氧化皮的提升力也與奧氏體不銹鋼管的規格有關(圖5),提升力的變化趨勢與剩磁磁感應強度一致,即當氧化皮堆積量少時,材料規格對外部磁場作用下氧化皮提升力的影響不明顯,隨著氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,提升力越小.在規格壁厚一定的情況下,U型彎管的提升力比L型彎管大,這與彎管內氧化皮的堆積狀態有關,U型彎管內氧化皮的堆積分散性小,因而所測提升力也大.

2.3 剩磁磁感應強度與外部激化磁感應強度之間的關系

奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮的堆積量與外部激化磁場的磁感應強度也有關,從圖7在相同材料規格下內部氧化皮堆積量與剩磁磁感應強度的關系可知,外部激化磁感應強度對內部氧化皮剩磁磁感應強度有很大影響,外部激化磁感應強度越大,則內部激化后氧化皮剩磁磁感應強度越大,且飽和磁感應強度越大.當內壁氧化皮堆積量較少時,外部磁感應強度對剩磁磁感應強度的影響不明顯,隨著內部氧化皮堆積量的增加,影響逐漸明顯.這可能是由于外部磁感應強度與氧化皮的激化量有關,外部磁感應強度越強,則激化的氧化皮量越多,激化后剩磁磁感應強度越大,剩磁磁感應強度達到飽和狀態時的氧化皮量越多,從而檢測出的剩磁磁感應強度越大.

圖7 不同外部激化磁場強度下剩磁磁感應強度與內部氧化皮堆積量的關系Fig.7 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales with outside magnetic field of different densities

同理可知,當奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮堆積量較大時,應增大外部激化的磁感應強度,以擴大剩磁磁感應強度和提升力的檢測范圍,從而適當擴大內部氧化皮堆積量的檢測范圍.

2.4 剩磁磁感應強度在室溫下的穩定性

在采用剩磁法檢測時,除了考慮外部激化磁感應強度的大小和奧氏體不銹鋼彎管材質的規格外,還應考慮在應用場合下激化后氧化皮剩磁磁感應強度的穩定性.鐵磁性材料經過激化后,隨著外部磁場的消失,剩磁磁感應強度會產生退化現象.圖8為激化后氧化皮的剩磁磁感應強度在室溫下隨時間的變化關系.由圖8可知,經過24 h,在室溫下內部氧化皮剩磁磁感應強度的下降趨勢不明顯,說明在此時間內測量,可保證剩磁磁感應強度的測量值相對較穩定,不會影響檢測結果的準確性.

圖8 室溫下剩磁磁感應強度的穩定性Fig.8 Stability of the density of residual magnetic field at room temperature

3 結 論

(1)經外部磁場激化后,奧氏體不銹鋼鍋爐管彎管內部氧化皮的剩磁磁感應強度與氧化皮的堆積量和外部激化磁感應強度有關.在外部激化磁感應強度一定的情況下,剩磁磁感應強度隨彎管內部氧化皮堆積量的增加而增大,增大到一定量后逐漸趨于穩定.奧氏體不銹鋼鍋爐彎管內部堆積氧化皮的剩磁磁感應強度隨外部激化磁感應強度的增大而增大.

(2)剩磁磁感應強度還與鋼管規格有關.當內部氧化皮堆積量較少時,材料規格對氧化皮剩磁磁感應強度影響并不明顯,隨著內部氧化皮堆積量的增加,管壁厚越大或管內徑越大,剩磁磁感應強度越小;剩磁磁感應強度還與彎管型式有關,V型彎管氧化皮堆積分散性小,剩磁磁感應強度大,U型彎管次之,L型彎管分散性大,剩磁磁感應強度最小.

(3)利用剩磁法檢測發現,激化后的內部氧化皮總體磁場強度是材料本身剩磁磁感應強度與氧化皮剩磁磁感應強度之和,由于奧氏體不銹鋼屬于無磁或弱磁鋼,其剩磁值較低,母材剩磁磁感應強度相對于總體剩磁磁感應強度可以忽略,因此對最后氧化皮堆積量檢測結果的影響也可以忽略.

(4)利用提升力法也可以快捷、簡單、方便地檢測奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮的堆積量.提升力檢測值與剩磁法影響因素相類似,提升力除與奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮堆積量、外部激化強度、材料規格等有關外,還與測量磁體的接觸面積有關,在表面接觸面積一定的情況下,當外部激化磁感應強度不變時,提升力隨著氧化皮堆積量的增加而增大,最后逐漸趨于穩定,隨著外部磁感應強度的增大,提升力也相應增大.

(5)利用提升力法檢測發現,激化后內部氧化皮的總體提升力是材料本身提升力與氧化皮提升力之和,由于奧氏體不銹鋼剩磁值較低,其外部激化磁場對母材提升力與總體提升力相比可以忽略,因此對最后氧化皮堆積量檢測結果的影響也可以忽略.

(6)通過建立奧氏體不銹鋼彎管內部堆積氧化皮的剩磁磁感應強度、提升力與外部激化磁場、材質規格、彎管型式等的對應關系,并檢測內部剩磁磁感應強度與提升力,就可以檢測出彎管內部氧化皮的堆積量.利用剩磁法和提升力檢測法檢測在役鍋爐過熱器、再熱器奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮的堆積量,具有原理和設備簡單、操作方便、檢測及換算過程快捷、結果可靠的優點,是快速檢測奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮堆積量的新方法.

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