龍會國

(湖南省電力公司試驗研究院,長沙410007)

粗晶奧氏體不銹鋼因具有熱強性高、耐蝕性和高溫力學(xué)性能優(yōu)良以及焊接性良好的特點,在大型電站鍋爐及核電部件制造方面得到了廣泛的應(yīng)用.但運行經(jīng)驗表明,這類不銹鋼管在運行中抗高溫蒸汽氧化性能較差,在電站鍋爐過熱器和再熱器運行過程中會出現(xiàn)嚴重的蒸汽側(cè)氧化皮剝落,導(dǎo)致鍋爐管堵塞,引起嚴重超溫,從而引發(fā)爆管事故的頻繁發(fā)生[1-3],嚴重影響大容量、高參數(shù)尤其是超(超)臨界機組的安全穩(wěn)定運行.

目前,國內(nèi)已經(jīng)有20多家電廠先后出現(xiàn)過相當(dāng)嚴重的氧化皮剝落事故,涉及的奧氏體不銹鋼管材有 TP304H、TP347H、TP316L、12X18H12T 和X8CrNiNb1613等.蒸汽出口溫度為540℃左右的亞臨界和部分超臨界鍋爐出現(xiàn)這類氧化皮剝落問題的時間一般在機組投運后3×104h左右[1,4],蒸汽出口溫度為570℃左右的超臨界鍋爐出現(xiàn)這類氧化皮剝落問題的最短時間大約在機組投運后3 400 h.氧化皮剝落物數(shù)量主要與剝落前管內(nèi)氧化皮厚度和溫度波動幅度或波動速度有關(guān),管內(nèi)剝落氧化皮的堆積和堵塞程度與管排的結(jié)構(gòu)形式、管子內(nèi)徑和U型彎的彎曲半徑以及布置方式等都有很大關(guān)系,通常管子內(nèi)徑越小、U型彎彎曲半徑越小,則堆積和堵塞程度越嚴重.

管壁氧化物內(nèi)層為結(jié)構(gòu)致密的富鉻尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物,中間層主要是結(jié)構(gòu)疏松、多孔的Fe3O4,最外層為結(jié)構(gòu)致密但厚度較薄的Fe2O3.氧化皮剝落物主要由中間層Fe3O4和最外層Fe2O3組成,與蒸汽溫度和受熱程度等有關(guān).過熱器內(nèi)壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量比再熱器內(nèi)壁氧化皮剝落物的略高,過熱器管內(nèi)壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量一般在20%～25%,再熱器管內(nèi)壁氧化皮剝落物中Fe2O3的含量一般在16%～18%[1,4-5].

由于奧氏體不銹鋼管為無磁性或弱磁性,而氧化皮中的 Fe2O3和 Fe3O4均屬于順磁性,其中Fe2O3屬于剛玉型結(jié)構(gòu),氧離子構(gòu)成密排六方晶格,Fe3O4屬于尖晶石型結(jié)構(gòu),氧離子構(gòu)成面心立方晶格[5],Fe3O4被廣泛用作磁流體、磁記錄材料等[6].利用奧氏體不銹鋼與氧化皮磁性物理性能的差異,筆者提出了一種奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的檢測方法,研究了內(nèi)壁氧化皮堆積量與剩磁磁感應(yīng)強度、提升力之間的關(guān)系,探討了堆積氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度與提升力的影響因素,說明利用剩磁法和提升力法檢測奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮可靠、快捷、簡單.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試樣材料選用湖南省300 MW、600 MW機組中鍋爐過熱器、再熱器奧氏體不銹鋼 TP304H、TP347H鍋爐管,對600 MW超臨界機組奧氏體不銹鋼TP347H過熱器、再熱器管彎管內(nèi)部檢測出的氧化皮進行實驗室模擬堆積.直管及彎管如圖1和圖2所示,材料化學(xué)成分示于表1和表2,直管上半部分剖開,以便模擬內(nèi)部氧化皮的堆積情況.

圖1 試驗用彎管類型Fig.1 Shapes of tube bends fo r experimental tests

圖2 試驗用直管類型Fig.2 Straight tubes for experimental tests

表1 TP304H鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the test steel TP304H %

1.2 試驗方法

1.2.1 檢測原理

剩磁檢測與提升力檢測方法示意圖示于圖3.其中,磁化裝置采用穩(wěn)恒磁場,剩磁磁場測量原理利用霍爾效應(yīng)原理,磁場感應(yīng)器利用霍爾傳感器實現(xiàn).提升力檢測采用應(yīng)變/應(yīng)力傳感器或直接采用彈簧應(yīng)變測量方法,測量精度為0.01 N,數(shù)據(jù)處理及顯示可以采用數(shù)字顯示或表盤式輸出.

表2 TP347H鋼的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of the test steel TP347H %

圖3 測量裝置示意圖Fig.3 Block diag ram of the measurement system for residual magnetism and lifting power of oxidation scales

1.2.2 檢測方法

采用自制奧氏體不銹鋼內(nèi)部氧化皮堆積測量儀器(圖3)進行試驗,該儀器由激化裝置、磁測量裝置、提升力測量裝置以及數(shù)據(jù)處理器等組成.首先對內(nèi)部有一定堆積量的氧化皮奧氏體不銹鋼管彎管進行外部磁場激化,再通過磁場強度測量裝置和提升力測量裝置等測量激化后彎管內(nèi)部堆積氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度和提升力,利用數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理,建立剩磁磁感應(yīng)強度、提升力與氧化皮堆積量的關(guān)系.對于彎管,將彎管垂直放置,內(nèi)部氧化皮由彎管一側(cè)加入,在彎管處堆積,對最下端氧化皮堆積最嚴重處進行激化,利用外部激化磁場對氧化皮提升力進行檢測,然后撤離外部磁場,再對氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度進行檢測;對于直管,直接從剖開處堆積,同樣原理,在下部對堆積的氧化皮進行激化后,再對提升力及氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度等進行檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 剩磁磁感應(yīng)強度與氧化皮堆積量的關(guān)系

經(jīng)過一定強度的外部磁場激化后,得到氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度與其堆積量的關(guān)系(圖4).由圖4可知,經(jīng)外部磁場激化后,氧化皮的堆積量越多,剩磁磁感應(yīng)強度越大,隨著氧化皮堆積量的繼續(xù)增加,剩磁磁感應(yīng)強度逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 剩磁磁感應(yīng)強度與內(nèi)部氧化皮堆積量的關(guān)系Fig.4 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

圖5 提升力與內(nèi)部氧化皮堆積量的關(guān)系Fig.5 Lifting power vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales

氧化皮堆積量與外部激發(fā)磁場下提升力的關(guān)系示于圖5.由圖5可知,經(jīng)外部磁場激化后,氧化皮的堆積量越多,外部磁場對氧化皮的提升力越大,隨著氧化皮堆積量的繼續(xù)增加,外部磁場強度對氧化皮的提升力逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài).

2.2 材料規(guī)格對剩磁磁感應(yīng)強度的影響

氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度除了與外部激化磁感應(yīng)強度有關(guān)外,還與奧氏體不銹鋼管的規(guī)格有關(guān).由圖4和圖6可知,在外部激化磁感應(yīng)強度一定的條件下,當(dāng)奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)氧化皮堆積量較少時,材料規(guī)格對氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度的影響并不明顯,隨著內(nèi)壁氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,剩磁磁感應(yīng)強度越低.剩磁磁感應(yīng)強度還與奧氏體不銹鋼彎管的型式有關(guān),不同彎管型式時剩磁磁感應(yīng)強度的變化趨勢示于圖4,在規(guī)格壁厚一定的情況下,彎管型式對剩磁磁場強度的影響并不明顯,但是在相同氧化皮堆積量下,U型彎管的剩磁磁感應(yīng)強度比L型彎管略強,這與彎管內(nèi)氧化皮的堆積狀態(tài)有關(guān),U型彎管內(nèi)氧化皮的堆積分散性小,因而剩磁磁感應(yīng)強度也更大.對于直管,由圖6可知,在外部激化磁感應(yīng)強度一定的情況下,當(dāng)管內(nèi)氧化皮堆積量較少時,材料規(guī)格對管內(nèi)氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度的影響較小,隨著內(nèi)壁氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,剩磁磁感應(yīng)強度越小,內(nèi)徑越大,氧化皮堆積分散性越大,則剩磁磁感應(yīng)強度也越小.

圖6 不同規(guī)格直管剩磁磁感應(yīng)強度與內(nèi)部氧化皮堆積量的關(guān)系Fig.6 Residual magnetism vs.accumulation amount of steamside oxidation scales for straight tubes of different sizes

同樣,磁化后氧化皮的提升力也與奧氏體不銹鋼管的規(guī)格有關(guān)(圖5),提升力的變化趨勢與剩磁磁感應(yīng)強度一致,即當(dāng)氧化皮堆積量少時,材料規(guī)格對外部磁場作用下氧化皮提升力的影響不明顯,隨著氧化皮堆積量的增加,壁厚越大,提升力越小.在規(guī)格壁厚一定的情況下,U型彎管的提升力比L型彎管大,這與彎管內(nèi)氧化皮的堆積狀態(tài)有關(guān),U型彎管內(nèi)氧化皮的堆積分散性小,因而所測提升力也大.

2.3 剩磁磁感應(yīng)強度與外部激化磁感應(yīng)強度之間的關(guān)系

奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的堆積量與外部激化磁場的磁感應(yīng)強度也有關(guān),從圖7在相同材料規(guī)格下內(nèi)部氧化皮堆積量與剩磁磁感應(yīng)強度的關(guān)系可知,外部激化磁感應(yīng)強度對內(nèi)部氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度有很大影響,外部激化磁感應(yīng)強度越大,則內(nèi)部激化后氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度越大,且飽和磁感應(yīng)強度越大.當(dāng)內(nèi)壁氧化皮堆積量較少時,外部磁感應(yīng)強度對剩磁磁感應(yīng)強度的影響不明顯,隨著內(nèi)部氧化皮堆積量的增加,影響逐漸明顯.這可能是由于外部磁感應(yīng)強度與氧化皮的激化量有關(guān),外部磁感應(yīng)強度越強,則激化的氧化皮量越多,激化后剩磁磁感應(yīng)強度越大,剩磁磁感應(yīng)強度達到飽和狀態(tài)時的氧化皮量越多,從而檢測出的剩磁磁感應(yīng)強度越大.

圖7 不同外部激化磁場強度下剩磁磁感應(yīng)強度與內(nèi)部氧化皮堆積量的關(guān)系Fig.7 Residual magnetism vs.accumulation amount of steam-side oxidation scales with outside magnetic field of different densities

同理可知,當(dāng)奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮堆積量較大時,應(yīng)增大外部激化的磁感應(yīng)強度,以擴大剩磁磁感應(yīng)強度和提升力的檢測范圍,從而適當(dāng)擴大內(nèi)部氧化皮堆積量的檢測范圍.

2.4 剩磁磁感應(yīng)強度在室溫下的穩(wěn)定性

在采用剩磁法檢測時,除了考慮外部激化磁感應(yīng)強度的大小和奧氏體不銹鋼彎管材質(zhì)的規(guī)格外,還應(yīng)考慮在應(yīng)用場合下激化后氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度的穩(wěn)定性.鐵磁性材料經(jīng)過激化后,隨著外部磁場的消失,剩磁磁感應(yīng)強度會產(chǎn)生退化現(xiàn)象.圖8為激化后氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度在室溫下隨時間的變化關(guān)系.由圖8可知,經(jīng)過24 h,在室溫下內(nèi)部氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度的下降趨勢不明顯,說明在此時間內(nèi)測量,可保證剩磁磁感應(yīng)強度的測量值相對較穩(wěn)定,不會影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖8 室溫下剩磁磁感應(yīng)強度的穩(wěn)定性Fig.8 Stability of the density of residual magnetic field at room temperature

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)外部磁場激化后,奧氏體不銹鋼鍋爐管彎管內(nèi)部氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度與氧化皮的堆積量和外部激化磁感應(yīng)強度有關(guān).在外部激化磁感應(yīng)強度一定的情況下,剩磁磁感應(yīng)強度隨彎管內(nèi)部氧化皮堆積量的增加而增大,增大到一定量后逐漸趨于穩(wěn)定.奧氏體不銹鋼鍋爐彎管內(nèi)部堆積氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度隨外部激化磁感應(yīng)強度的增大而增大.

(2)剩磁磁感應(yīng)強度還與鋼管規(guī)格有關(guān).當(dāng)內(nèi)部氧化皮堆積量較少時,材料規(guī)格對氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度影響并不明顯,隨著內(nèi)部氧化皮堆積量的增加,管壁厚越大或管內(nèi)徑越大,剩磁磁感應(yīng)強度越小;剩磁磁感應(yīng)強度還與彎管型式有關(guān),V型彎管氧化皮堆積分散性小,剩磁磁感應(yīng)強度大,U型彎管次之,L型彎管分散性大,剩磁磁感應(yīng)強度最小.

(3)利用剩磁法檢測發(fā)現(xiàn),激化后的內(nèi)部氧化皮總體磁場強度是材料本身剩磁磁感應(yīng)強度與氧化皮剩磁磁感應(yīng)強度之和,由于奧氏體不銹鋼屬于無磁或弱磁鋼,其剩磁值較低,母材剩磁磁感應(yīng)強度相對于總體剩磁磁感應(yīng)強度可以忽略,因此對最后氧化皮堆積量檢測結(jié)果的影響也可以忽略.

(4)利用提升力法也可以快捷、簡單、方便地檢測奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的堆積量.提升力檢測值與剩磁法影響因素相類似,提升力除與奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮堆積量、外部激化強度、材料規(guī)格等有關(guān)外,還與測量磁體的接觸面積有關(guān),在表面接觸面積一定的情況下,當(dāng)外部激化磁感應(yīng)強度不變時,提升力隨著氧化皮堆積量的增加而增大,最后逐漸趨于穩(wěn)定,隨著外部磁感應(yīng)強度的增大,提升力也相應(yīng)增大.

(5)利用提升力法檢測發(fā)現(xiàn),激化后內(nèi)部氧化皮的總體提升力是材料本身提升力與氧化皮提升力之和,由于奧氏體不銹鋼剩磁值較低,其外部激化磁場對母材提升力與總體提升力相比可以忽略,因此對最后氧化皮堆積量檢測結(jié)果的影響也可以忽略.

(6)通過建立奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部堆積氧化皮的剩磁磁感應(yīng)強度、提升力與外部激化磁場、材質(zhì)規(guī)格、彎管型式等的對應(yīng)關(guān)系,并檢測內(nèi)部剩磁磁感應(yīng)強度與提升力,就可以檢測出彎管內(nèi)部氧化皮的堆積量.利用剩磁法和提升力檢測法檢測在役鍋爐過熱器、再熱器奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的堆積量,具有原理和設(shè)備簡單、操作方便、檢測及換算過程快捷、結(jié)果可靠的優(yōu)點,是快速檢測奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮堆積量的新方法.

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