燃煤鍋爐熱力管道缺陷檢測技術

陳申乾,黃松嶺,趙 偉,任建興

(1.上海電力學院能源與機械工程學院,上海200090; 2.清華大學電機系電力系統國家重點實驗室,北京100084)

燃煤鍋爐熱力管道缺陷檢測技術

陳申乾1,2,黃松嶺2,趙 偉2,任建興1

(1.上海電力學院能源與機械工程學院,上海200090; 2.清華大學電機系電力系統國家重點實驗室,北京100084)

作為燃煤電廠三大主機之一的鍋爐,其穩定運行直接影響了整個燃煤電廠的安全性,而其中最易發生事故的鍋爐熱力管道的安全則是重中之重。介紹了水冷壁高溫硫腐蝕、過熱器再熱器高溫腐蝕、省煤器氧腐蝕這三種在鍋爐熱力管道中較為常見的缺陷的形成原理及危害,并重點介紹了可以用于檢測這些缺陷的遠場渦流檢測技術、漏磁檢測技術和電磁超聲檢測技術的原理、研究成果以及各自的優缺點。

無損檢測;電磁超聲;管道缺陷;熱力管道;燃煤鍋爐

由于我國的能源主要是以煤炭等化石燃料為主,所以在未來的一段時間內火力發電仍占據我國電力供應的主導地位。因此,占據了全國總裝機容量近70%份額的火力發電廠的安全運行與我國電力穩定供應和居民生活用電的質量水平息息相關。隨著全球能源與環境問題的日益嚴峻,燃煤機組逐漸趨向于高參數的超臨界及超超臨界機組。但是隨著燃煤機組容量的增大,對機組管道及設備的材料性能、生產能力及運行管理水平提出了更高的要求。在電廠設備中,鍋爐占據了重要地位,與汽輪機和發電機共稱為電廠的“三大主機”[1],是整個燃煤電廠的能量來源,其運行的穩定性直接影響整個燃煤電廠系統的安全。

鍋爐被稱為蒸汽發生器,是一種能量轉換設備,應用范圍極其廣泛,由于其運行條件十分惡劣,且長期受到水蒸氣與爐水等的沖刷與腐蝕,需要定期對其進行檢測與維護,否則一旦發生安全事故,就會影響設備的正常運行,甚至發生爆炸,造成人員傷亡等惡性事件。據有關統計,在目前所發生的鍋爐事故中,爐內熱力管道(過熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管)事故占了2/3左右[2]。而隨著鍋爐壓力及容量的增加,管道事故的發生率也隨之上升。大型燃煤電廠的過熱器出口蒸汽壓力為27 MPa,溫度等級為560℃左右,已經達到了超超臨界參數[3];亞臨界參數的燃煤機組,其過熱器出口蒸汽壓力為18 MPa,溫度等級也達到了550℃,可見鍋爐熱力管道需要承受巨大的壓力,因此加強生產、安裝及運行過程中對鍋爐熱力管道的檢測對于燃煤電廠的安全運行至關重要。

筆者分析了引起鍋爐熱力管道事故的主要缺陷形成機理,簡單介紹了應用于燃煤鍋爐熱力管道的遠場渦流檢測技術、漏磁檢測技術及電磁超聲導波檢測技術的原理及研究成果。

1 熱力管道主要缺陷

一般來說,電站鍋爐內的多種熱力管道包括省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器等,由于工況不同,在長期運行過程中會出現不同的缺陷,為了提高檢測的精確性,有必要了解熱力管道的主要缺陷。

1.1 水冷壁管高溫腐蝕

水冷壁管材料一般為20G鋼,鍋爐壓力在14 MPa以上時也有部分水冷壁管材料為Cr-Mo合金鋼,如12Crl Mo V[4]。管徑與鍋爐的類型有關,自然循環鍋爐水冷壁管外徑大多為50～82 mm,強制循環鍋爐與直流鍋爐水冷壁管外徑通常為20～61 mm。電站鍋爐水冷壁管的常見缺陷有鼓包、過熱爆管、腐蝕、磨損、開裂等,其中最易發生的是腐蝕,而在水冷壁管腐蝕中最常出現且危害最大的是高溫硫腐蝕。

高溫硫腐蝕中的硫主要來自煤粉中的黃鐵礦(FeS2)在爐膛內融化,其中未進行充分燃燒的部分會回落至水冷壁表面,如果衛燃帶自身存在一定的缺陷或者開裂,FeS2顆粒就有可能直接附著在水冷壁管管壁上。FeS2受熱分解,以及煙氣中的H2S與SO2反應均會產生游離態的硫原子,水冷壁管管壁溫度通常在400℃左右,在這個溫度下游離態的硫原子會與鐵發生硫化作用。

最后形成的硫化亞鐵是一種多孔結構的物質,使得腐蝕可以沿管壁內部延伸,并會在高溫狀態下繼續氧化,最終產物如圖1所示,反應不斷進行時,水冷壁管管壁就會不斷發生腐蝕減薄[5],當厚度降低到一定值后將會引起水冷壁管的爆管。

1.2 過熱器再熱器腐蝕

在電站鍋爐中,過熱器管與再熱器管也是鍋爐事故多發的管道,由于其長期處于1 000℃的煙氣中,管內為450～650℃的過熱蒸汽[6],這些管道通常采用耐高溫的優質低碳鋼和各種鉻鉬合金鋼等材料,過熱器管外徑通常為30～60 mm。而事故主要是由管道的磨損、沖蝕、氧化皮剝落堆積等原因引起的,而其中造成氧化皮剝落的原因就是管道的還原性腐蝕及氯腐蝕[7]。

圖1 剝落的腐蝕產物

還原性腐蝕及氯腐蝕均會與管壁上的氧化皮發生反應,使其失去對管壁的保護作用。還原性氣氛的形成主要是由于煤粉的不充分燃燒導致的局部缺氧。

而氯腐蝕中的氯主要是以氯化鈉的形式與水、二氧化硫等反應生成氯化氫,再與管壁氧化皮發生反應。

當以上的反應發生后,管壁表面的氧化皮被破壞脫落,腐蝕性氣體會直接與管壁接觸,使得腐蝕更為嚴重。

1.3 省煤器腐蝕

省煤器主要用于吸收低溫煙氣的熱量,通常采用外徑為30～50 mm的碳鋼或鑄鐵管作為排氣管道,降低煙氣的排煙溫度。而引起鍋爐省煤器事故的主要缺陷為氧腐蝕、低溫腐蝕和磨損,這里主要介紹氧腐蝕與低溫腐蝕。

1.3.1 省煤器氧腐蝕

在鍋爐給水通過省煤器管時,給水中存在的氧會與鐵發生反應,生成鐵的氧化物Fe2O3與Fe3O4,這就形成了氧腐蝕。給水溫度越高越容易發生省煤器管內氧腐蝕,但由于水中氧的不斷消耗,高溫管段的腐蝕程度反而低于低溫管段,氧腐蝕最后在管壁形成的是點狀腐蝕坑,氧腐蝕外觀如圖2所示。

1.3.2 省煤器低溫腐蝕

低溫腐蝕主要是由于煤中的硫燃燒生成二氧化硫,與水蒸氣形成硫酸蒸汽進入省煤器的低溫受熱面,蒸汽在溫度較低的受熱面上發生凝結而造成腐蝕,因此也稱為硫酸腐蝕,通常也會出現在空氣預熱器上。

燃料中的硫含量越高,導致燃燒時產生的二氧化硫就越多,越易導致低溫腐蝕;燃燒時的過量空氣系數越大也會使得腐蝕更加嚴重;鍋爐的給水溫度也會影響低溫腐蝕的發生,給水溫度越低,省煤器壁溫越低,越容易產生低溫腐蝕。

注意控制低溫腐蝕的影響因素[8],有助于減少省煤器管道腐蝕的發生。

圖2 氧腐蝕外觀

2 熱力管道缺陷檢測技術

針對以上燃煤鍋爐熱力管道的缺陷,需要及時進行熱力管道的缺陷檢測。燃煤鍋爐熱力管道的無損檢測是在不破壞管道的前提下,對各熱力管道表面及內部缺陷進行檢測。隨著鍋爐容量的增加,對鍋爐熱力管道的性能及安全要求也在逐步增加[9]。目前研究應用較多的是遠場渦流檢測技術、漏磁檢測技術及電磁超聲檢測技術等。

2.1 遠場渦流檢測技術

遠場渦流檢測原理如圖3所示,探頭由激勵線圈和檢測線圈構成,檢測線圈與激勵線圈相距約二倍管內徑的長度,激勵線圈通以低頻交流電,檢測線圈能拾取發自激勵線圈穿過管壁后又返回管內的渦流信號,從而有效地檢測鍋爐熱力管道的內、外壁缺陷和管壁的厚薄情況。

2.1.1 研究現狀

遠場渦流檢測技術自1951年美國MACLEAN[10]針對遠場渦流試驗申請的“Apparatus for magnetically measuring thickness of ferrous pipe”專利開始進行研究;直至2000年,ASTM頒布了Standard Practice for In Situ Examination of Ferromagnetic Heat-Exchanger Tubes Using Remote Field Testing標準,遠場渦流技術自此成為一項有效的管道無損檢測技術。

圖3 遠場渦流檢測原理

圖4 F308-12Ch-0022的外置式探頭外觀

我國自20世紀90年代起才開始對遠場渦流檢測技術進行研究,起步較晚,目前已有南京航空航天大學、清華大學、上海核工業無損檢測中心等單位對遠場渦流檢測技術進行了深入的研究[11－13];王雪等[14]采用型號為F308-12Ch-0022的外置式探頭及Ferroscope 308遠場渦流檢測系統針對電站鍋爐水冷壁腐蝕進行了遠場渦流檢測,該外置式探頭外觀如圖4所示;王德新等[15]利用渦流技術研制了一條針對鍋爐鋼管的渦流檢測自動線;金南輝等[16]采用遠場渦流檢測技術對電廠的水冷壁管進行了實際檢測,且能夠準確得到管壁腐蝕缺陷信號;任海燕等[17]對一套針對鍋爐水冷壁腐蝕的單通道低頻渦流檢測設備進行了三維仿真計算分析,證實了其可行性;唐麗芳等[18]就對遠場渦流檢測技術在檢測電站鍋爐水冷壁管的應用方面進行了探究;王小聰等[19]也對垃圾發電鍋爐水冷壁管的遠場渦流實際檢測進行了分析,能夠準確檢測出管道中腐蝕坑及管壁的減薄,這項技術在鍋爐熱力管道上的應用已日趨成熟。多通道外置式探頭及實際檢測裝置如圖5所示。

圖5 多通道外置式探頭及實際檢測裝置

2.1.2 技術優勢及其局限性

采用遠場渦流檢測技術在檢測鍋爐熱力管道外壁缺陷與內壁缺陷時具有相同的靈敏度;管壁厚度與檢測信號相位近似成正比,缺陷易于分辨;受提離效應影響很小,可以節省清潔時間;具有常規渦流檢測的非接觸與快速的優點。

遠場渦流檢測技術對測試環境具有較好的適應性,但由于鍋爐熱力管道中存在較多的彎頭及管板區域,這些區域對遠場渦流檢測的信號會產生較大影響。此外,由于鍋爐熱力管道的特殊性,檢測人員很難到達被測管道位置,通常只能采用自動爬行機器人代替人工進行檢測,而渦流檢測探頭移動時產生的噪聲等會直接影響到結果的準確性,這些都體現了遠場渦流檢測技術的局限性。

從該技術在鍋爐熱力管道缺陷檢測的應用及局限性來看,遠場渦流檢測技術主要需要解決以下問題:① 提高遠場渦流檢測技術對不同腐蝕缺陷的靈敏度。由于鍋爐熱力管道中的腐蝕類型較多,因此加強遠場渦流對不同腐蝕的檢測能力決定了遠場渦流技術在熱力管道缺陷檢測中的應用;② 研究降低檢測過程中支撐板及磁導率不均等干擾因素的方法。由于熱力管道的結構及加工條件不同,部分管段的支撐結構會對檢測信號產生較大影響,降低甚至消除這些影響能極大提高遠場渦流檢測技術對鍋爐熱力管道缺陷的檢測能力。

2.2 漏磁檢測技術

漏磁檢測技術是建立在鐵磁性材料的高磁導性這一特性之上的[20],鍋爐熱力管道均采用鐵磁性材料,且管壁相對較薄,很適合采用漏磁檢測方法進行缺陷掃查,原理如圖6所示,鐵磁性材料被磁化后,若試件表面或近表面存在缺陷,會在其表面形成漏磁場,利用檢測探頭產生感應信號,并經過濾波、放大及軟件分析處理后即可得到缺陷的信息。

圖6 漏磁檢測技術原理

2.2.1 研究現狀

自20世紀70年代開始,漏磁檢測就廣泛應用于各種管道及板材的檢測中[21],1965年,美國Tubecope Vetco國際公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進行了管內檢測,開發了Wellcheck井口探測系統,能可靠地探測到管材內外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其他類型的缺陷[22]。

80年代后國內也開始了關于漏磁檢測技術的研究,并開始應用于鍋爐管道的檢測中。2005年,華中科技大學宋小春等[23－24]采用了漏磁檢測技術檢測鍋爐水冷壁管內外缺陷,并成功研制了一套無損檢測設備,水冷壁管漏磁檢測機器人試驗現場如圖7所示。張海兵等[25]利用虛擬儀器等設備搭建了漏磁檢測系統及漏磁信號采集與分析平臺,并成功驗證了漏磁檢測技術對于鍋爐熱力管道缺陷檢測的適用性。天津機械研究所的張重陽等[26]利用漏磁檢測技術對鍋爐的水冷壁管件進行了檢測分析,成功獲取了實際缺陷信號。近年來,隨著我國對漏磁檢測的深入研究,漏磁檢測技術的應用也越來越廣泛。

圖7 水冷壁管漏磁檢測機器人試驗現場

2.2.2 技術優勢及其局限性

由于漏磁檢測技術的性質,將漏磁檢測技術應用于鍋爐熱力管道缺陷檢測中有如下優點:探頭與管道表面無需接觸,探頭與鋼管外表面之間的間隙變化對檢測結果影響很小;被檢鋼管內外表面的缺陷檢測靈敏度相同;對鋼管均勻減薄、漸變減薄都有較高的檢測靈敏度;探頭檢測速度對檢測結果無必然影響;鋼管內介質對檢測結果無影響;可以現場實時對缺陷進行定位、定量和定性。

漏磁檢測技術的廣泛應用,與其成本低、無需耦合、對檢測環境要求較低,易于實現自動化檢測[27－28]等優點分不開,但是鍋爐熱力管道外壁通常存在各種涂層及灰塵堆積,以及管道表面的粗糙度均會影響檢測結果的精確度,其中熱力管道普遍存在的氧化皮及鐵銹等雜物還會產生偽信號[29],從而影響檢測結果。由于熱力管道的復雜性,若是采用漏磁檢測技術,必須研制出可以沿管壁爬行的檢測設備,這使得檢測要求進一步提高,增加了檢測的難度。此外,鍋爐熱力管道中的彎頭及管板區域也會使得檢測精度進一步下降,這些因素均會影響其在鍋爐熱力管道上的檢測能力。

2.3 電磁超聲檢測技術

電磁超聲檢測技術是近年來發展的無損檢測方法,同樣適用于檢測上述鍋爐熱力管道缺陷,電磁超聲檢測原理如圖8所示,主要是通過在永磁場中的線圈在脈沖電壓的作用下產生電磁場,繼而在被測管道表面感生出渦流,在洛侖茲力或磁致伸縮力的作用下使被測件內部質點產生振動,再利用接收換能器接收質點的振動,將振動轉換成電壓信號,通過分析電壓信號的波形即可完成檢測。

圖8 電磁超聲檢測原理

2.3.1 研究現狀

在20世紀初,國外已有對于電磁超聲檢測技術的研究。JAFARI等[30]首次提出了電磁超聲換能器驅動方程,并將其應用于磁和聲場方程的磁矢勢和聲波質點位移矢量計算推導,隨后眾多學者對各種金屬材料進行了大量的超聲試驗研究[31－32]。后來逐漸將電磁超聲檢測技術應用于鍋爐管道的缺陷檢測中,GORI等[33]率先對電磁超聲技術在鍋爐換熱管道缺陷檢測適用性進行了分析,并對實際管道進行了試驗研究,得到了一定成果。

國內對于此技術的相關研究起步較晚,華中科技大學的尚艷偉等[34]將漏磁檢測技術與電磁超聲檢測技術相結合,研制了一套針對鍋爐水冷壁管缺陷檢測裝置,并對其進行了仿真分析;丘國平等[35]研究了利用電磁超聲檢測技術對電站鍋爐水冷壁的缺陷進行了實際檢測,能夠準確獲得管道的缺陷信號。

2.3.2 技術優勢及其局限性

電磁超聲技術具有不需要耦合劑、耐高溫、非接觸的優點,使其可以在多種惡劣環境下工作,且其對被測件表面要求不高,適用于表面狀況較為復雜的鍋爐熱力管道,可實現對缺陷管道進行長距離或環境較復雜(如高溫、含包覆層等)的區域[36]的檢測。與遠場渦流和漏磁檢測技術不同的是,電磁超聲導波檢測技術不需要探頭的移動即可對一段較長距離的管道進行檢測,這個特性使得對某些檢測人員無法到達部位的檢測更為便捷。

但該技術目前還存在信噪比差、轉換效率低[37]等缺點,在針對熱力管道缺陷進行檢測時容易受到外部磁場及噪聲干擾,影響了檢測的準確性,這些因素限制了其對鍋爐熱力管道等其他復雜環境下的管道檢測能力。

3 存在問題及前景展望

(1)燃煤鍋爐不同熱力管道的運行環境不同,介質也不同,所形成的管道缺陷也不同,影響檢測準確性的因素也不同,辨別管道缺陷與管壁氧化皮及鐵銹等雜物的區別對提高檢測精度有重要的作用。

(2)鍋爐熱力管道存在大量彎頭及管板區域,如何精確檢測這些部位的缺陷需要進行深入的研究。

(3)由于鍋爐構造的復雜性和危險性,為確保檢測人員的安全及便捷,需要實現檢測系統的自動化,且目前對于鍋爐管道的缺陷檢測只能在鍋爐停機維護時進行,無法實時對管道進行監測,研制針對鍋爐熱力管道的在線檢測系統能夠及時發現管道損傷,大幅降低事故發生幾率。

(4)目前的缺陷檢測技術通常只能分析出缺陷存在與否和其種類,而對缺陷的量化及成像則仍是一大難題,將缺陷以直觀的方式顯示出來,可以更好地對出現缺陷的管段進行維護或更換。

4 結語

(1)遠場渦流檢測不需與被測件接觸,無需對被測管道表面進行處理,較易實現自動化,但需要將檢測探頭置入管道內部,由于熱力管道性質,部分管段無法進行檢測,且檢測結果易被探頭移動時產生的噪聲影響。

(2)漏磁檢測技術檢測效率較高,較易實現自動化,但對被測件表面狀況要求較高,需要對表面進行預處理,并由于其磁化裝置較大,針對結構緊密的鍋爐熱力管道可能存在局限性。

(3)電磁超聲檢測技術無需耦合劑、非接觸、環境適應性強,適用于長距離的管道檢測,但外部磁場及噪聲易影響其試驗結果,信噪比差,電磁超聲換能器轉換效率低。

針對鍋爐熱力管道缺陷的檢測目前還存在的問題及發展趨勢是:① 檢測精度的提高以及對雜質的分辨;②自動化檢測系統及在線監測系統的研制;③對缺陷的量化及成像。

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Defect Detection Technology of Thermal Pipeline in Coal Fired Boiler

CHEN Shen-qian1,2,HUANG Song-ling2,ZHAO Wei2,REN Jian-xin1
(1.College of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China; 2.State Key Laboratory of Power Systems,Deptartmet of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

As one of the three main units of coal-fired power plant,the stable operation of the boiler affects the safety of the whole coal-fired power plant directly,and the safety of the thermal pipeline is the most important, where accidents occur frequently.This paper introducesforming mechanism and harm of the three kinds of the defects which are common in the thermal pipeline:water wall sulfur corrosion,superheater and reheater corrosion, economizeroxygen corrosion.Also introduced in the paper are the technique principle,research results,advantages and disadvantages of the detection technology which can be used to detect these defects emphatically like the far field eddy current testing technology,leakage magnetic detection technology and the electromagnetic ultrasonic testing.

Nondestructive testing;Electromagnetic ultrasonic;Pipeline defect;Thermal pipeline;Coal fired boiler

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0042-06

10.11973/wsjc201701011

2016-04-20

上海市科委能力建設計劃資助項目(15110501000)

陳申乾(1992－),男,碩士研究生,主要研究方向為電廠無損檢測。

黃松嶺,E-mail:huangsling＠tsinghua.edu.cn。