鍋爐受熱面管內壁氧化皮檢測探討

王海濤

摘要：文章闡述了鍋爐高溫受熱面管中奧氏體不銹鋼管和鐵素體管（T91、T23、G102、12Cr1MoVG）內壁氧化皮生成脫落的機理，指出磁通量測量原理專用儀器可準確快速檢測奧氏體不銹鋼管彎頭氧化皮堆積狀態，高頻超聲波原理專用測量系統可測量鐵素體管內壁氧化膜厚度并實現爐管剩余壽命評估。并結合自身長期跟蹤檢測的經驗，提出實際檢測過程中需注意的幾個環節，最后從運行和檢修管理角度總結防治氧化皮脫落堵塞的幾點措施。

關鍵詞：氧化皮；磁通量；高頻超聲波

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）36-0134-03

Abstract： Author presented the mechanism of building and stripping for oxide skin from austenitic stainless steel pipe and ferrite steel pipe（such as T91、T23、G102、12Cr1MoVG）， and pointed out the special tester based on the magnaflux method can test the oxide skin blockade condition at austenitic stainless steel pipe elbow quickly and accurately. the testing system based on the high frequency ultrasonic can measure the internal oxide skin thickness of ferrite steel pipe and forecast the residual life of pipe. The author indicated that the remarkable tache of field testing process and presented some prevention and control measurements of oxide skin stripping off problem from operation and maintain management viewpoint.

Key words： oxide skin； magnaflux； high frequency ultrasonic

隨著超（超）臨界火電機組的投產運行，由于氧化膜與基體金屬的膨脹系數差別較大，高溫受熱面使用的奧氏體不銹鋼管內壁氧化皮會出現脫落，停機后堵塞在管子下彎頭，易造成超溫甚至爆管，這就是眾所周知的超（超）臨界鍋爐氧化皮堵塞爆管問題。實際上根據國內機組的運行情況，亞臨界機組的鍋爐還存在鐵素體（T91、T23、G102、12Cr1MoVG）管內壁氧化皮脫落堵塞問題。而且隨時運行時間的增加，亞臨界機組出現堵塞問題的現象有愈演愈烈之勢。

1 氧化皮脫落機理及不同管材的臨界脫落厚度

在長期運行過程中，高溫高壓蒸汽的氧化作用，鍋爐管內壁會生成氧化皮，這種氧化皮在微觀上呈現內外兩層結構，其中外層成分主要為Fe3O4（有時最外層還有少量Fe2O3相），內層成分主要為尖晶石結構的（Fe，Cr）3O4。當氧化皮生長到一定厚度值時，即臨界脫落厚度（不同的管材的臨界脫落厚度不一樣），在啟停爐過程中受管材收縮熱應力等的影響，外層氧化物（即主要成分是Fe3O4的外層）就會在內外層分界面產生開裂而剝落，而其內層的（Fe，Cr）3O4一般不剝落。當氧化皮剝落物大量沉積在管子下彎頭部位時就會造成堵塞，繼而導致爐管超溫甚至導致爆管[1]。

奧氏體不銹鋼管（如HR3C、SUPER304、TP347HFG、TP347H、TP304）和鐵素體管（如T91、T23，G102、12Cr1MoVG）內壁氧化膜脫落均遵循這個機理。區別在于不銹鋼管熱膨脹系數較鐵素體管材大，導致不銹鋼管在溫差變化時收縮應力更大，因此不銹鋼管材外層氧化膜脫落厚度更小，根據權威院所研究表明：奧氏體不銹鋼管外層生長到0.10mm毫米就出現脫落，T91管在外層氧化膜厚度達0.15mm時開始脫落，大于等于0.30mm時脫落機率很大；T23、G102和12Cr1MoVG直管段內壁氧化膜厚度大于0.20mm將出現大量脫落。

2 奧氏體不銹鋼管檢測方法及現場注意事項

2.1奧氏體不銹鋼管檢測方法

由于奧氏體不銹鋼管不導磁，而管內的氧化皮（氧化皮主要成分：大部分是Fe3O4和少量Fe2O3）導磁，因此可采用磁通量檢測原理的專用儀器進行檢測。附圖是我公司自主研發的便攜式氧化皮檢測儀，其檢測靈敏度達1克，線性度良好，可準確判斷管內氧化皮堆積狀態。根據經驗表明：堵塞管內徑橫面積達三分之一以上的管子建議割管清空處理，堵塞達三分之一以下可不處理，開機過程可以被蒸汽帶走。

2.2 磁通量檢測原理

關鍵是氧化皮使探頭的磁通量出現變化，儀器電磁信號轉換原理圖如下：

第一步：探頭在不銹鋼管兩側建立一個磁場E0；

第二步：管內氧化物磁化后產生磁場e；

第三步：e反作用于E0，使E0轉變為E1；

第四步：由于存在變化量E2=E1-E0，因此探頭中的線圈便產生電信號，再傳送至主機放大濾波處理后顯示。

2.3 現場檢測和割管處理過程注意事項

根據筆者六年多來對國內五十余家電廠近二百次的跟蹤檢測經驗表明：要準確判斷管內氧化皮堵塞狀態，需要注意以下細節：

1）檢測探頭與管子接觸的角度很重要。同樣堆積狀態，探頭接觸彎頭不同弧面的檢測值不一樣。正常情況是使探頭接觸管壁下弧面， 但隨著爐型不同，有些高溫過熱器的爐后彎管與管之間的間隙較小，探頭無法接觸到彎頭正下弧面，往往只能檢測彎頭的側下弧面，一定要注意此時彎頭堆積同樣多的氧化皮，其側下弧面檢測值會比正下弧面數值偏小，不能把此數據簡單和正下弧面的檢測值相比較。判斷檢測人員需理解和準確把握，否則易出現誤判。

2）氧化皮脫落存在無規律性。有時會出現大面積脫落，有時在悶爐緩冷后仍有個別氧化皮出現較嚴重堵塞，且很可能是溫度測點反映未超溫的區域，表明悶爐緩冷只能減輕氧化皮脫落的程度，但不能從根本上杜絕其脫落。因為氧化皮的生成脫落是一個綜合環境影響結果，與運行溫度、冷卻速度、單根管內蒸汽流量偏差、單根管材晶粒度和抗氧化能力等內外部因素有關。

3 鐵素體管氧化膜測量方法及注意事項

3.1檢查方法

T91、T23、G102、12Cr1MoVG這類鐵素體管材也會出現氧化皮脫落堵塞，但由于該類管材本身導磁，不能用磁通量原理的檢測儀進行快速檢測，目前國內仍只能通過射線的方式對彎頭進行堆積檢測。但由于其管材氧化膜厚度需要達到某一厚度才會出現脫落，因此在日常檢修過程，仍可以通過測量直管段氧化膜厚度的方法來監督其生長速度，從而間接地判斷管材的氧化皮脫落和管材劣化情況。

目前國內采用高頻超聲波原理的專用儀器測量系統可實現對直管內壁氧化膜厚度測量，專用軟件可根據氧化膜厚度、規格材質、運行溫度、壓力等參數對管段進行爐管剩余壽命評估。

3.3 高頻超聲測量及剩余壽命評估原理

高頻超聲波測量儀的探頭頻率一般在15MHZ-20MHZ區間，而普通超聲測厚儀的探頭頻率一般≤5MHZ，因此高頻超聲測厚儀的能量更高，指向性強、分辨率更高，能準確分辨基本金屬層和附著在基體外層的氧化膜，其測量靈敏度能達到0.10mm，而一般鍋爐管內壁氧化膜厚度一般低于0.5mm，因此高頻超聲波測厚儀能滿足測量要求[2]。

根據美國電力科學研究院的研究成果，以受熱面直管內壁氧化膜的厚度作為依據，采用基于火電廠應用普遍的Larson-Miller公式作為計算原理的專家系統可計算出該管的當量溫度和剩余壽命[3]，國內目前通用的型號是美國研發的TubeTech剩余壽命評估軟件或德國KD公司研發的ECHOGRAPH ODS2002專用系統。

3.2 現場應用及實例分析

2013年10月我公司在國電某電廠200MW機組后屏過熱器進行內壁氧化膜測量并進行剩余壽命評估。后屏過熱器共16片屏，每片屏共14圈，對后屏過的進口段和出口段均進行了測量，其中測量出口段的每根管，測點位于每片管屏的出口段，距離出口聯箱管座500mm。機組運行時間為197160小時，管子規格為Φ42×5mm，材質為12Cr1MoVG，運行溫度為490度，運行壓力為14.5MPa， #3爐爐外小屏過熱器管段大部分存在明顯材質劣化，總體壽命偏低，氧化膜厚度最厚達0.415mm，對應的剩余壽命為3536小時，建議對此部分12Cr1MoVG管材進行更換。隨后對該管子取樣進行金相和力學性能試驗，發現金相等級為五級，組織球化嚴重，力學性能低于下限值。與軟件評估結果一致。

3.4現場測量注意事項

1）需測量管子向火側，由于煙氣流向的影響，管子的向火側比背火側氧化膜厚度更大，根據我們的長期測量比較，一般相差0.05-0.10mm。

2）每根管從折焰角處下彎頭至頂棚之間直管段氧化膜厚度分布不均均，正常情況熱負荷最度的位置一般在下彎頭上方2米至7米的范圍內，因此為了全面準確地掌握直管氧化膜厚度，需每隔約2-3米測量一個點，從而不會漏過每根管氧化膜最厚的位置。

4 總結

1）切忌鍋爐急啟急停，因為不銹鋼管熱膨脹系數較大，管壁溫度的急劇變化會加大管壁的收縮應力，當收縮應力大于內壁氧化膜的附著應力，就會使氧化膜外層Fe3O4發生剝離，造成堵塞。通過悶爐緩冷可減緩管內壁氧化皮的脫落程度，這是行業內一致認為防治氧化皮脫落的一種有效控制措施。

2）及時測量內壁氧化膜厚度，監督管內氧化膜生長速度。檢修中采用割管做金相的辦法效率低且片面，有可能漏過沒有裝溫度測點，但實際運行溫度偏高的管子。而目前行業內一種快速成熟的測量手段是：采用高頻超聲測厚儀對直管段內壁氧化膜進行分段測量，及時發現內壁氧化膜較厚的管段，并采用專用軟件進行剩余壽命評估。特別對T91超過0.25mm，T23、G102、12Cr1MoV超過0.15mm管段進行下彎頭射線檢測，并根據測量及剩余壽命評估結果必要時進行換管處理。

3）對于超（超）臨界鍋爐奧氏體不銹鋼管氧化皮問題，建議按照各大集團公司的規定：對于已經出現氧化皮堵塞問題的機組根據“逢停必查”的原則對高溫受熱面不銹鋼管彎頭采用磁通量原理的方法全面檢查，及時發現并清除下彎頭部位堵塞超標的氧化物，從而降低啟爐過程中的氧化皮剝落堵塞引起的爆管風險，避免巨大的經濟損失。

參考文獻：

[1] 賈建民.18-8粗晶不銹鋼內壁氧化皮大面積剝落防治對策[J].中國電力，2008，41（5）：69-74.

[2] 龍毅，謝國勝.鍋爐爐管內壁氧化膜壁厚的測量[J].無損檢測，2006，28（11）：569-572.

[3] 火力發電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2000，356-364.

[4] 徐洪，給水加氧處理引發蒸汽通道氧化皮剝落的機理[J].動力工程學報，2011，31（9）：672-676.