超臨界機組水冷壁橫向裂紋無損檢測方法研究

張艷飛，張志浩，劉 孝，趙曉春，孫增偉

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近幾年，隨著國內超（超）臨界機組快速發展，內蒙古作為能源基地，一批超（超）臨界機組（包括高效超超臨界機組）相繼投產運行。隨著機組運行時間累積，以及受煤種偏離設計、機組調峰伴隨的鍋爐負荷快速變化、低氮燃燒方式的影響，超臨界機組鍋爐水冷壁“橫向裂紋”早期失效的普遍問題也逐漸暴露出來。

膜式水冷壁由鋼管與扁鋼焊接形成，既是鍋爐爐膛的剛性支撐內墻，也是吸收爐膛燃燒輻射熱的主要受熱面，吸熱量占總熱量的40%～50%。因此，鍋爐水冷壁管的運行可靠性直接關系到機組的穩定和經濟性。

1 橫向裂紋產生原因

國內600 MW、1 000 MW等級的超臨界機組鍋爐水冷壁管的直徑一般為28.6～35 mm，材質一般為15CrMoG、12Cr1MoVG、T12等低合金耐熱鋼。

國內超臨界機組鍋爐水冷壁管橫向裂紋早期失效問題普遍共性存在，其具有以下特點：橫向裂紋多發生在機組運行早期，一般不超過2個A修周期，甚至個別機組在運行4 000 h發生橫向開裂失效；橫向裂紋的水冷壁管位于爐膛高熱負荷區域，多發生于上層燃燒器至水冷壁中間集箱之間；橫向裂紋多產生于水冷壁管垂直段向火側外壁，裂紋方向與水冷壁管軸線垂直，呈密集平行分布狀態；裂紋由外壁開始向內擴展，裂紋尖端圓鈍不分叉，內部充滿腐蝕物和氧化物；背火側外壁無氧化皮、無裂紋；水冷壁管斷口可見明顯疲勞特征的貝紋線，屬于熱疲勞裂紋。

對超臨界機組鍋爐水冷壁橫向裂紋進行宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗和能譜分析，其產生主要原因如下［1-6］。

1）熱疲勞。膜式水冷壁由鋼管和扁鋼焊接組合而成，水冷壁的軸向剛性大且膨脹自由度大，而橫向剛性較小，且膨脹受相鄰鋼管和扁鋼約束。當水冷壁管外壁溫度大幅度變化時，將沿水冷壁管軸向產生交變熱應力。鍋爐負荷變化時，如鍋爐啟停和調峰工況可導致水冷壁管壁溫大幅度波動。鍋爐穩定運行時，由于水冷壁水動力分配未達設計要求或者集箱存在異物堵塞等情況，也可導致水冷壁管壁溫度大幅度波動。

2）硫腐蝕。負荷變化或溫度梯度較大時，水冷壁管向火面氧化皮出現裂縫，腐蝕性物質滲入氧化皮裂縫。經能譜分析證實，裂縫中的腐蝕性物質主要為硫化物。微小點腐蝕坑易成為裂紋源。水冷壁管在軸向交變應力和高溫硫化物腐蝕作用下產生橫向裂紋，并在應力和腐蝕的相互促進下快速擴展，最終導致泄漏失效。

綜上所述，此類橫向裂紋往往不以單根水冷壁管或者單條裂紋出現，而是在水動力循環不良的水冷壁某個區域，或者是煤種改變導致燃燒特性變化后在高熱負荷區域連續出現。水冷壁早期橫向裂紋已導致多臺機組頻繁發生爆管非停的不良事件。因此，選擇有效、快捷的無損檢測方法是必要的。

2 橫向裂紋檢測方法

某發電廠型號為SG-2141／25.5的一次再熱、平衡通風、全懸吊結構Π型煤粉鍋爐，發生多次水冷壁橫向裂紋爆管泄漏，首次發現水冷壁橫向裂紋失效時機組累計運行約19 000 h。水冷壁材質為12Cr1MoVG，規格為 35 mm×6.2 mm（直徑×壁厚）。水冷壁管外表面橫向裂紋宏觀形貌見圖1，水冷壁管縱剖面橫向裂紋形貌見圖2。鋼管向火側水冷壁管外壁存在多條相互平行的周向裂紋，各條裂紋深淺不一（裂紋深度0.1～6.2 mm），呈自鋼管外壁向內壁擴展特征。

圖1 水冷壁管外表面橫向裂紋宏觀形貌

圖2 水冷壁管縱剖面橫向裂紋形貌

針對該鍋爐水冷壁管及其橫向裂紋缺陷，研究可適用的無損檢測方法。

2.1 目視檢測

目視檢測可分為直接目視檢測和間接目視檢測［7］。直接目視檢測時，眼睛與被檢工件表面的距離不超過600 mm，且眼睛與被檢工件表面夾角不小于30°，被檢工件表面光照度至少達到500 lx。間接目視檢測可借助視頻系統或者無人機遠程視頻系統進行實時檢測。無論哪種方式，均需要對被檢區域附著的灰渣、結焦進行清除，否則易發生裂紋被掩蓋情況。

目視檢測優點是在適宜環境條件下，目視檢測效率較其他無損檢測方法高，且對表面開口裂紋有較高的檢出率。目視檢測可省略更多的儀器校準步驟和操作工序，其檢測速度能夠達到磁粉檢測速度的3倍以上，達到滲透檢測的8倍以上。適宜條件下，人眼分辨力可到0.2 mm，即物品寬度≥0.2 mm時便可被檢測出，但若是工作人員使用放大鏡或是顯微鏡等類儀器，則其檢測靈敏度更高［8］。如對受熱面管長時過熱爆管進行目視檢測，可清晰觀察到水冷壁管外壁老樹皮狀特征及老化紋路如圖3所示，水冷壁目視檢測發現沖刷減薄缺陷如圖4所示。

圖3 長時過熱爆管

圖4 水冷壁沖刷減薄

直接目視檢測能夠對高熱負荷區域水冷壁管開口寬度≥0.2 mm的橫向裂紋進行快速篩查，適用于爐膛配置升降平臺的情況。使用無人機視頻檢查系統可對爐膛中人員無法到達的結構部位進行檢查，適用于鍋爐搶修期間爐膛溫度較高的情況。

2.2 磁粉檢測

磁粉檢測適用于檢測鐵磁性材料表面和近表面尺寸很小、間隙極窄（如長0.1 mm、寬為微米級的裂紋）、目視難以檢出的裂紋缺陷。

水冷壁管材質為低合金耐熱鋼，且裂紋走向與軸線垂直，因此采用非熒光磁粉檢測可有效檢出橫向裂紋，且檢測速度較快。爐膛內需要較強光亮度以保證作業人員安全，因此熒光磁粉檢測不適用。

由于集膚效應的限制，交流磁軛法比直流磁軛法的有效檢測深度小。水冷壁管橫向裂紋均為向火側外壁先開裂，且多條平行分布，而埋藏于外壁表面下的內部裂紋較少，綜合考慮爐膛檢測人員安全性和操作便利性，推薦使用直流磁軛法進行檢測，能夠滿足橫向裂紋檢測靈敏度要求。

直流磁軛法檢測承壓設備缺陷見圖5，可判斷缺陷性質為裂紋，直觀地顯示裂紋的形狀、位置、長度等信息。

圖5 承壓設備裂紋

磁粉檢測優點是檢測靈敏度高，可檢測的最小缺陷寬度可達0.1 μm，能發現深度只有十幾微米的微小裂紋，能夠適應各種幾何形狀的工件，能適應各種場合的現場作業，檢測速度較快，操作較便捷。

2.3 超聲波檢測

基于超聲波原理的成熟技術有A型脈沖超聲波檢測 （Ultrasonic Testing,UT），衍射時差超聲波檢測（Time of Flight Diffraction,TOFD），相控陣超聲波檢測（Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT）。

UT檢測使用聲場近場區，并且波型轉換多，導致定量和信號識別都困難。而小徑管曲率大，利用該方法檢測時聲場易產生畸變，橫向裂紋檢出率低。

TOFD檢測適用于厚度≥12 mm的工件，不適用于薄壁小徑管基材和焊縫檢測。

PAUT檢測以其獨特多角度掃描特性、聚焦特性以及成像方式等優勢，可有效地檢出工件中的各種面狀缺陷和體積狀缺陷。PAUT技術具有以下特性：聲束角度、焦距位置、焦點尺寸在一定范圍內動態可調，同時相控陣的換能器聲束能夠通過軟件控制實現快速平移。利用其優勢，PAUT可以實現很多復雜結構的檢測。PAUT技術的聲速覆蓋范圍見圖6。由圖6可知，換能器在固定位置不動，通過調整換能器內晶片發射激勵的延遲即可實現整個被檢截面的聲束覆蓋。

圖6 PAUT聲速覆蓋示意

對水冷壁管進行PAUT檢測，扇形掃查發現裂紋缺陷見圖7。圖中焦斑是某條橫向裂紋缺陷，經測量，裂紋長度9 mm，深度1.9 mm。PAUT檢測裂紋、未熔合等面積型缺陷時檢出率高。但是PAUT檢測的儀器設備購置費用高，所使用的換能器為易損耗品，如對水冷壁管大面積開展篩查，檢測成本較磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、射線檢測高。

圖7 超聲相控陣檢測圖像—水冷壁管橫向裂紋

2.4 渦流檢測

2.4.1 陣列渦流

相對單通道渦流檢測，多通道的陣列渦流檢測單次掃查覆蓋區域大、靈敏度高，能夠檢測復雜幾何形狀的工件，其檢測可靠性和檢出率均大幅提高。

文獻［9］使用陣列渦流檢測技術對某電廠水冷壁熱疲勞產生的橫向裂紋進行了檢測。文獻首先論證了兩種表面狀態下的渦流檢測靈敏度。對經機械打磨光滑的水冷壁試樣管和未經機械打磨、表面附著氧化皮和灰渣的水冷壁試樣管分別刻蝕人工缺陷槽，尺寸為 5 mm×0.5 mm×0.02 mm（長×深×寬），用于研究水冷壁管原始表面的氧化皮和灰渣對渦流檢測靈敏度的影響。試驗結果表明，對未經打磨的水冷壁試樣管進行陣列渦流檢測，能夠保證檢測靈敏度。使用此方法能夠準確地對水冷壁熱疲勞裂紋進行檢測，既可保證高靈敏度，又能提高檢測效率。

2.4.2 遠場渦流

遠場渦流為低頻檢測，能夠穿透金屬管壁。探頭由激勵線圈和檢測線圈組成，檢測線圈接收自激勵線圈激發并穿過管壁后返回的磁場，能以相同的靈敏度檢測水冷壁管內外壁缺陷，不受集膚效應的限制。檢測工作開始前，不需要對受熱面管外壁附著的灰渣等進行清理。檢測過程中，探頭不與被檢工件接觸，不需要傳導耦合。

對于水冷壁管排開展遠場渦流檢測，可以借助自動爬行器，自動記錄檢測數據及檢測位置，從而簡便快速地發現水冷壁橫向裂紋、位置并采集缺陷圖像。水冷壁遠場渦流檢測爬行系統見圖8，系統能夠實時顯示水冷壁管內外壁腐蝕減薄、點狀腐蝕、熱疲勞裂紋等缺陷的大小、位置和深度等信息。檢測超臨界機組水冷壁管，建議探頭至少選用4通道，以保證有足夠檢測靈敏度。探頭與水冷壁管表面間距應小于等于0.75 mm，以保證缺陷信號的靈敏捕捉。

圖8 水冷壁遠場渦流檢測爬行系統

2.5 其他檢測方法

滲透檢測方法也常用于檢測表面開口缺陷，如裂紋、氣孔等。其檢測靈敏度較磁粉檢測低一個數量級，且檢測前需要機械打磨清除氧化皮、檢測效率低等因素導致不適用于大面積水冷壁橫向裂紋的排查檢測。目視檢測或者渦流檢測發現水冷壁疑似橫向裂紋時，局部可采用滲透檢測方法進行復檢，操作簡便，缺陷顯示直觀，便于爐膛等高空作業場合。

射線檢測技術常用于水冷壁安裝焊縫和檢修焊縫的檢測。射線檢測技術對于缺陷的深度定位較困難［10］，并且對于裂紋類缺陷的檢測，射線檢測存在弊端，一方面檢測裂紋靈敏度低，另一方面需要爐內爐外協同配合完成檢測工作，人員輻射不可避免。

3 結語

超臨界機組鍋爐水冷壁橫向裂紋早期失效多發于4 000～50 000 h之間，建議第1次機組A修和第2次機組A修期間開展高熱負荷區域水冷壁管橫向裂紋無損檢測排查，消除該區域頻繁爆管泄漏隱患。

陣列渦流和遠場渦流檢測在役機組水冷壁橫向裂紋時，無須打磨清除管壁灰渣等異物，保證高靈敏度前提下，檢測效率高。并且配合自動爬行檢測系統，無須搭設腳手架，適合大面積橫向裂紋排查檢測。

機組調峰運行，鍋爐負荷快速升降，水冷壁向火側壁溫變化劇烈，應根據運行和檢修條件加強壁溫監控，壁溫異常區域應加強監督和檢測。