電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測技術(shù)

丁克勤，趙 娜

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

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

目前電站鍋爐普遍采用射線探傷法對鍋爐管道內(nèi)沉積的氧化物進行無損檢測［4］。該方法的缺點是檢測費用昂貴，檢測靈敏度低，對于數(shù)量較少的沉積氧化物難以從圖像上辨認確定，且由于射線放射源具有危害性，取得結(jié)果的工藝進程較慢，不利于縮短鍋爐檢修工期，影響電廠的經(jīng)濟效益。因此，急切需要一種有效的無損檢測技術(shù)，來準確檢測管道中氧化皮的剝落情況。基于磁性檢測技術(shù)，筆者提出了不銹鋼管氧化皮檢測方法，研制了檢測儀器，再應(yīng)用到大量的實際檢測中。

1 檢測原理

在不銹鋼管外壁加一穩(wěn)恒強磁場，當(dāng)管內(nèi)不存在氧化物時，由于不銹鋼管為非磁性的，磁場分布幾乎不受影響；當(dāng)不銹鋼管內(nèi)存在氧化物時，氧化物將會被外部強磁場磁化，在氧化物內(nèi)部形成磁路，磁場分布將會發(fā)生變化，此時磁場將包含管道內(nèi)磁性氧化物的信息。因此可以從管道外部，利用磁場敏感元件，檢測被磁化的氧化物產(chǎn)生的雜散磁場信號，并通過敏感元件將其轉(zhuǎn)化為電信號進行檢測。檢測原理圖如圖1所示，其中實線表示穩(wěn)恒磁場的磁通線在局部區(qū)域的分布情況，虛線表示該穩(wěn)恒磁場產(chǎn)生的雜散磁場的磁通線分布情況。

圖1 氧化皮檢測原理圖

該磁性無損檢測法具有下列優(yōu)點：

（1）檢測安全、可靠、靈敏度高。該磁性無損檢測方法使用穩(wěn)恒磁場產(chǎn)生直流輸出信號，磁場強度、電源電壓以及輸出信號都處于安全范圍內(nèi)；由于檢測裝置中的敏感元件對磁場非常敏感，所以當(dāng)氧化皮很少時也可以檢測到，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作用時，可以完全類似于已經(jīng)剝落沉積下來的氧化皮那樣被磁化，從而產(chǎn)生雜散磁場，所以可以對仍附著在管壁上的氧化皮進行無損檢測。

（3）對工作環(huán)境要求比較寬松，不需要對檢測管道外部進行特殊清理，只要保證沒有強磁性物質(zhì)即可。

2 檢測儀器

2.1 硬件部分

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

圖2 氧化皮檢測儀原理框圖

磁性傳感器將不銹鋼管內(nèi)的氧化皮信號采集出來，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路將信號濾波、放大后送到主機，主機將檢測信號進行處理后送到LCD 顯示器進行顯示，以方便檢測人員進行實時查看，同時還可以將檢測數(shù)據(jù)保存到SD 卡，保存的數(shù)據(jù)通過USB線可以傳輸?shù)接嬎銠C上，方便對檢測數(shù)據(jù)進行查看和分析。供電系統(tǒng)主要負責(zé)為信號調(diào)理電路、主機、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，儀器由小巧的可充電鋰電池供電。充電通過外接220V 電源完成，在充電的同時儀器仍然可以正常使用，此時儀器供電由外界電源提供。

2.2 軟件部分

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

圖3 氧化皮檢測儀軟件功能框圖

檢測模塊主要負責(zé)不銹鋼管的氧化皮檢測，檢測儀會將檢測的一根不銹鋼管內(nèi)氧化皮的最大數(shù)據(jù)存入主機，同時為滿足檢測失誤而必須重新檢測的需求，儀器還可以返回到相應(yīng)管的編號處進行重新檢測；文件模塊包括保存檢測數(shù)據(jù)和查看檢測數(shù)據(jù)兩個功能，使用者可以根據(jù)需要輸入文件名來保存檢測管屏的數(shù)據(jù)，還可以通過“打開文件”將檢測數(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，可將保存的檢測數(shù)據(jù)上傳到計算機，有利于對電站鍋爐不銹鋼管的安全運行提供分析和評價。

2.3 性能指標

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

圖4 氧化皮檢測儀

（1）LCD 小型液晶顯示器，顯示中文菜單操作提示，檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化顯示。

（2）檢測精度：1mV。

（3）檢測誤差：＜20mV。

（4）調(diào)零：自動調(diào)零。

（5）傳感器大小：17mm×40mm×41mm，傳感器小巧，方便檢測。

（6）數(shù)據(jù)存儲及分析：2G SD 卡，可上傳至電腦，利用計算機進行查看分析。

（7）供電：鋰電池供電（續(xù)航8h，可重復(fù)充放電500次以上），也可用220V 電源供電。

（8）工作溫度范圍：－20～＋45℃。

3 試驗分析

3.1 檢測信號隨氧化皮重量的變化

向管型為φ45 mm×2.5 mm，φ50.8 mm×4mm，φ51mm×7mm 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儀進行檢測，分別記錄檢測到的信號值。圖5為根據(jù)檢測結(jié)果繪制的檢測信號隨氧化皮重量變化的曲線。

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φ45mm×2.5mm 的不銹鋼管為例，氧化皮的重量＜8g時信號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8～16g之間時信號隨氧化皮重量的增加變化比較緩慢，但檢測信號仍呈上升趨勢；當(dāng)氧化皮的重量＞16g時，檢測信號基本保持不變，隨著重量的繼續(xù)增加，檢測信號將趨于飽和。

圖5 檢測信號隨氧化皮重量變化曲線

3.2 檢測數(shù)值隨氧化皮厚度的變化

向管徑為44.2 mm，管壁厚度分別為0.9，1.36，1.82和2.28 mm 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。為了保證試驗的準確性，將硬紙板剪成長方形，放入管道中，與管道所圍成的空間中加滿氧化皮。圖6為檢測信號隨氧化皮厚度變化的曲線。曲線變化趨勢與圖5類似，在此不贅述。

圖6 檢測信號隨氧化皮厚度變化曲線

通過對檢測信號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，儀器對氧化皮量的變化有很高的靈敏度，檢測信號能準確地反應(yīng)管內(nèi)氧化皮的量。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 實例1

電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測儀在珠海、福州、汕頭、汕尾、泰州、貴港、濰坊等電廠進行了大量的應(yīng)用，并取得了良好的效果。

在某電廠用氧化皮檢測儀檢測完后，選取儀器讀數(shù)分別為248和327 mV 的兩根不銹鋼管，用射線進行拍片，結(jié)果如圖7所示。其中圖7（a）為檢測儀器讀數(shù)為248mV 的不銹鋼管，圖7（b）為檢測儀器讀數(shù)為327mV 的不銹鋼管。從圖中可以看出，圖7（a）氧化皮的量明顯少于圖7（b）的氧化皮，因此氧化皮檢測儀檢測與射線拍片的結(jié)果基本吻合。

4.2 實例2

某電廠500 MW 機組鍋爐在運行3 萬多小時后，采用該技術(shù)對4000根不銹鋼管進行檢測。檢測結(jié)果表明有多根不銹鋼管堵塞嚴重。進行了氣流吹除后，多個部位堵塞。最后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)由大到小的原則，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。檢測處理后，一次點火成功。

5 結(jié)論

基于對電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測的工程需求，提出了磁性無損檢測方法，設(shè)計并研制了不銹鋼管氧化皮檢測儀器，進行了大量的試驗研究，并開展了大量的現(xiàn)場應(yīng)用工作。實踐表明，該氧化皮檢測儀具有攜帶方便，操作簡單，檢測速度快等優(yōu)點。因此，氧化皮的磁性檢測方法為鍋爐管道的整體氧化腐蝕狀態(tài)的評估提供了有效的數(shù)據(jù)支持，有著巨大的社會效益。

［1］ 唐海寧.大容量電站鍋爐金屬氧化皮問題綜合分析［D］.南京：東南大學(xué)，2006：1－2.

［2］ 朱建臣，李云飛，王玉興.奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化物脫落原因分析及檢測方法探討［J］.電力設(shè)備，2008（2）：58－60.

［3］ 梁學(xué)斌，何文，王樹偉.高溫氧化皮的問題探討和防治［J］.華北電力技術(shù)，2007（增刊2）：128－130.

［4］ 彭欣，李友慶，曾勁松，等.基于新型無損檢測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.