電磁超聲在鍋爐受熱面管氧化皮檢測中的應用

丘國平， 劉宇哲， 段 鵬 ，王瑞璇

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引 言

在超(超)臨界工況下，鍋爐高溫受熱面管道因工質水動力特性的變化易發生蒸汽側氧化腐蝕。隨著鍋爐運行時間的增長，在鍋爐高溫受熱面管道內部會逐漸生成氧化皮。當氧化皮與管道基體的熱膨脹系數相差較大時，在鍋爐載荷變化迅速、啟停爐等情況下氧化皮容易剝落。氧化皮剝落會引起鍋爐受熱面管堵塞，使得蒸汽流通截面積減少，導致超溫爆管事故。剝落的氧化皮顆粒隨蒸汽的流動還可能造成汽輪機前級葉片和噴嘴等的沖蝕，以及引起汽門卡澀等，嚴重影響鍋爐管道部件和汽輪機運行的安全性和經濟性。

1 氧化皮檢測技術現狀

自1970年代至今，人們一直在探索鍋爐受熱面管氧化皮的檢測方法，文獻已報道的檢測方法有射線檢測、磁性檢測、壓電超聲檢測法等。

射線檢測法基于管壁和氧化皮對射線吸收程度的差異，通過獲得的射線底片來判斷管內氧化皮的堆積狀態，直觀可靠。但是，該方法受管排狹小空間的限制，不能進行全面檢測，對于數量較少的沉積氧化物難以從圖像上辨認確定，只能對已剝落的氧化皮堆積情況進行檢測，不能對附著在鋼管內壁的氧化皮進行檢測，檢測成本高，需要耗費大量的膠片；射線源具有放射性，危害人體健康；取得結果的工藝進程較慢，不利于縮短鍋爐檢修工期，影響電廠的經濟效益[1]。

磁性檢測法主要用于非鐵磁性材料受熱面管中，其原理是基于氧化皮(主要成分為亞鐵磁性Fe3O4)和奧氏體不銹鋼(順磁性)的磁特性差異，利用磁鐵對管內堆積的氧化皮進行激磁，再通過獲取被磁化氧化物的磁感應強度來判斷氧化皮堆積量。這種方法工藝簡單、檢測速度快，但存在兩個主要缺點[2-4]：第一，氧化皮堆積量較少時靈敏度低，堆積量較多時檢測信號趨于飽和，難以精確定量；第二，鍋爐管管壁高溫服役后會發生磁性轉變，出現較高磁性，從而疊加在氧化物引起的磁場信號中，引起誤判。

壓電超聲檢測法主要用于檢測未剝落的受熱面管氧化皮。該方法檢測時需要耦合劑耦合，耦合效果直接影響檢測結果的準確性，因此對耦合劑的透聲性要求比較高。為了獲得較好的耦合效果，檢測前須對受熱面管外壁進行打磨，打磨需要耗費大量的人力、物力，打磨不當可能對受熱面管造成一定的損傷，形成應力集中源。由于受到探頭與工件的接觸面積以及耦合劑耦合效果的影響，掃查速度受到限制，檢測效率低，不能實現快速檢測。

電磁超聲是一種利用電磁效應在被檢測工件內部激發的超聲波[5]。電磁超聲的能量轉換在工件內部進行，檢測過程中不需要耦合劑耦合。電磁超聲應用于鍋爐受熱面管氧化皮檢測時，無需對受熱面管外壁進行打磨，可節約大量的人力、物力，有利于縮短檢修工期。

2 氧化皮超聲波檢測機理

鍋爐受熱面管內壁生成氧化皮之后，會在氧化皮與受熱面管基體之間形成一個固體與固體的緊密結合界面。由于界面兩側物質密度不同，聲阻抗也不同，當超聲波垂直入射到該界面時會產生反射與透射，超聲波傳播路徑的理論模型如圖1所示。

圖1 受熱面管氧化皮超聲檢測模型

當超聲波垂直入射時，在不同聲阻抗的物質界面上超聲波會產生透射和反射。當超聲波垂直入射到鋼-氧化皮界面時，小部分能量在界面處反射，形成第1束反射回波；大部分能量穿透界面繼續傳播，在氧化皮-空氣界面處反射。由于空氣與氧化皮的聲阻抗差異很大，超聲波在氧化皮-空氣界面幾乎發生全反射，然后在氧化皮-鋼界面再次發生反射及透射，透射波被探頭接收，形成第2束反射回波。如圖2所示，b11和b12分別為鋼-氧化皮界面的第1、2次反射回波，B11和B12是超聲波穿透氧化皮后在氧化皮-空氣界面處的第1、2次反射回波。

圖2 受熱面管氧化皮超聲波檢測反射回波

由圖1的理論模型中可知，測出鋼-氧化皮界面反射回波和氧化皮-空氣界面反射回波的時間差Δt、氧化皮的聲速υ可根據資料查出，利用式(1)可計算出氧化皮的厚度。

(1)

式中：d為受熱面管內壁氧化皮厚度，μm；υ為超聲波在氧化皮中的傳播速度，μm/μs；Δt為超聲波在2種界面(鋼管-氧化皮界面、氧化皮-空氣界面)的反射回波時間差，μs。

電磁超聲檢測電站鍋爐受熱面管內壁氧化皮厚度基于上述理論模型，測量2種界面反射回波的時間差Δt，利用式(1)計算氧化皮的厚度。

3 檢測試驗

3.1 試驗系統裝置

試驗系統裝置包括電磁超聲檢測儀、電磁超聲換能器、換能器連接線、被檢工件，如圖3所示。

電磁超聲檢測系統單通道的采樣頻率為50 MHz，采用兩路AD時間交錯采樣后，等效采樣頻率達100 MHz，使時間分辨率達到10 ns。在后續的數據處理中，結合軟件的插值處理，進一步提高了時間分辨率，檢測系統時間分辨率達到1 ns。電磁超聲檢測儀具有3個波形顯示窗口，第1個窗口為整體波形顯示窗口，第2、第3個窗口為波形放大后顯示窗口，可以準確地讀出閘門(數據分析線)處信號的傳播時間。電磁超聲換能器中心頻率為5 MHz，可在工件中直接激發出高頻橫波。

圖3 試驗系統裝置

3.2 有氧化皮受熱面管與無氧化皮受熱面管對比試驗

通過在同一試樣中，有氧化皮部位和無氧化皮部位進行檢測，對比兩部位的波形狀況，分析波形差異產生的原因，總結電站鍋爐受熱面管內壁氧化皮的判斷依據。

試樣規格為Ф38.0 mm×8.0 mm，試樣材質為T91，無氧化皮處電磁超聲檢測波形如圖4所示，有氧化皮處電磁超聲檢測波形如圖5所示。

圖4、圖5中，縱坐標表示在某一固定增益下反射回波的波幅，橫坐標表示超聲波傳播的距離。超聲波傳播的距離是傳播時間的一種表征方式，與設備設置的聲速、探頭始波占寬等因素有關。為了準確測量氧化皮厚度，直接讀取超聲波傳播時間有利于減小測量誤差值。圖中上半部分為檢測結果整體波形圖，下半部分2幅圖為對應閘門1、2位置的波形放大圖，為了準確測量2種界面反射回波傳播的時間差，可通過數據分析線準確讀出反射回波波峰或波谷位置的傳播時間。

參考圖4、圖5的試驗結果可以看出，受熱面管有氧化皮部位的一次反射回波射頻信號震蕩周期數增加，并出現反射信號畸變現象。

結果分析：反射回波的畸變是指反射信號幅度發生突變或者相位發生改變。反射回波的畸變主要是由于受熱面管內壁-氧化皮界面反射回波與氧化皮-空氣界面反射回波發生疊加效應造成的。

經不同規格不同材質試樣多次試驗得出受熱面管內壁氧化皮狀況的判斷依據為：若被檢工件一次反射回波周期數與無氧化皮受熱面管一次反射回波射頻信號相同，且反射回波未發生畸變，則表示被檢工件該部位內壁無氧化皮；若周期數多于無氧化皮受熱面管一次反射回波，且反射回波發生畸變，則表示被檢工件該部位內壁有氧化皮。為了獲得較好的試驗效果，受熱面管內壁無氧化皮處一次反射回波信號震蕩周期應控制在4個完整周期以內。

圖4 受熱面管內壁無氧化皮部位檢測結果

圖5 受熱面管內壁有氧化皮部位檢測結果

3.3 氧化皮厚度檢測對比試驗

表1為用于對比試驗的試樣規格與材質。采用電磁超聲檢測系統測量受熱面管內壁氧化皮厚度，并在檢測部位做好標記。在標記處將試樣周向剖開，在顯微鏡下測量試樣受檢部位的氧化皮厚度。

圖6為1號試樣電磁超聲檢測結果，經閘門1放大后的反射回波信號如圖7、圖8所示。反射信號中的第1個周期與后面幾個周期相比，波幅較低，為受熱面管內壁-氧化皮界面反射回波信號的第1個周期。在反射信號第1個周期與第2個周期之間，有明顯的信號畸變現象，據此判斷，反射信號的第2個周期應為氧化皮-空氣界面反射回波信號的第1個周期。將數據分析線1移至受熱面管內壁-氧化皮界面反射回波第1個周期負半周幅度最高處，讀取信號傳播時間t1為6.075 μs，如圖7所示。將數據分析線2移至氧化皮-空氣界面反射回波第1個周期負半周幅度最高處，讀取信號傳播時間t2為6.325 μs。由于受熱面管內壁-氧化皮界面反射回波信號與氧化皮-空氣界面反射回波信號具有相同的相位關系，因此，兩種界面反射回波傳播時間差Δt為0.25 μs。氧化皮的橫波聲速v與普通碳鋼材料橫波聲速相近，可取3 230 μm/μs。根據式(1)可計算得出1號試樣被檢部位的氧化皮厚度d為403.75μm。

表1 試樣的規格與材質

圖6 1號試樣電磁超聲檢測結果

圖7 1號試樣內壁-氧化皮界面反射信號傳播時間

圖8 1號試樣氧化皮-空氣界面反射信號傳播時間

1號試樣被檢部位氧化皮顯微形貌如圖9所示，測得氧化皮厚度d0為367.91 μm。因此，電磁超聲測量氧化皮的誤差值Δd=|d-d0|=35.84 μm。

圖9 1號試樣氧化皮顯微測厚結果

采用同樣的方法，分別對2-6號試樣進行氧化皮電磁超聲測厚和顯微測厚。根據檢測的波形及數據分析線讀取的兩種界面反射回波信號傳播時間t1、t2，計算氧化皮厚度d;顯微鏡下測量被檢部位氧化皮厚度d0，計算電磁超聲氧化皮測厚誤差值Δd。1-6號試樣電磁超聲氧化皮測厚數據對比見表2。

根據表2電磁超聲氧化皮測厚數據可知，除3號試樣外，其余5塊試樣的電磁超聲檢測結果與氧化皮顯微測厚值接近，測量誤差值Δd均小于70 μm。從圖10中可以看出，電磁超聲氧化皮測量誤差Δd隨著氧化皮厚度d0增大而降低。當氧化皮厚度達到700 μm時，電磁超聲測量結果與顯微測量結果基本一致，測量誤差僅為9.71 μm。

表2 氧化皮電磁超聲測厚與顯微測厚結果對比

圖10 測量誤差值Δd與氧化皮厚度d0的關系

根據式(1)可知，氧化皮厚度測量誤差主要由t1、t2的測量誤差引起。準確測量2種界面(受熱面管內壁-氧化皮界面、氧化皮-空氣界面)反射回波傳輸時間t1、t2有利于減小電磁超聲氧化皮測厚的測量誤差。識別并選取2種界面反射回波的同周期同相位點是準確測量t1、t2的關鍵。此外，采用氧化皮的近似聲速進行計算，若采取的試驗方法能夠準確測出氧化皮的聲速并對氧化皮厚度測量值進行修正，可進一步減小測量誤差。

3號試樣的測量誤差值最大，達到265.20 μm，無法滿足工程應用的精度要求。從圖10中可以看出，3號試樣測量誤差值明顯偏離了其余5塊試樣氧化皮厚度d0與測量誤差Δd趨勢關系。

從3號試樣的宏觀形貌(如圖11所示)可以看出，3號試樣內外壁均有較厚的氧化皮。顯微鏡下測量其外壁氧化皮厚度，結果為599.24 μm，如圖12所示。圖13為3號試樣中激發的電磁超聲信號。3號試樣中的電磁超聲信號明顯強于其余試樣中的電磁超聲信號，這是由于試樣外壁的氧化皮增強了電磁超聲激發效果導致的，受到外壁氧化皮信號的影響，2種界面反射回波信號不易區分，增大了測量誤差值。此外，外壁氧化皮的厚度也是導致3號試樣測量誤差值偏大的原因之一。

圖11 3號試樣宏觀形貌

圖12 3號試樣外壁氧化皮顯微測厚結果

4 結 語

1)采用電磁超聲檢測技術，在電站鍋爐受熱面管試樣中激發出高頻橫波，對其內壁氧化皮厚度進行了檢測。這種檢測方法無需耦合劑耦合，管子表面不需打磨，可實現受熱面管內壁氧化皮厚度的快速檢測。

2)通過有氧化皮受熱面管與無氧化皮受熱面管對比試驗，發現反射回波的周期數及反射回波是否發生畸變可作為電站鍋爐受熱面管內壁氧化皮狀況的判斷依據。

3)顯微測厚的對比試驗結果表明，電磁超聲氧化皮厚度檢測方法具有較高的精度。