劉定平 崔志鵬

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640)

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，新投產(chǎn)的機(jī)組向著高參數(shù)、大容量方向發(fā)展．由于機(jī)組參數(shù)的提高，奧氏體不銹鋼材料被廣泛使用．但是奧氏體不銹鋼管在高溫高壓的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，容易在管內(nèi)形成氧化皮．氧化皮在一定的條件下會(huì)剝落，發(fā)生管道堵塞而引起超溫爆管，嚴(yán)重影響電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［1］．因此，找出一種行之有效的高溫管道內(nèi)氧化皮無損檢測(cè)的方法顯得非常必要．

鍋爐管道內(nèi)氧化皮的無損檢測(cè)技術(shù)有超聲波檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法和磁場(chǎng)檢測(cè)法等．超聲波檢測(cè)法因界面反射等問題，檢測(cè)效果不佳;X射線檢測(cè)法因設(shè)備龐大、檢測(cè)環(huán)境要求高、存在輻射和檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題，其應(yīng)用受到了限制;磁場(chǎng)檢測(cè)法因檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、安全可靠、檢測(cè)周期短和成本低而受到廣泛重視．但在實(shí)際檢測(cè)中因各種因素的影響，磁場(chǎng)檢測(cè)法的檢測(cè)精度差別較大．研究各因素的影響對(duì)提高檢測(cè)精度具有重要意義．

文中采用磁場(chǎng)檢測(cè)法，通過實(shí)驗(yàn)，研究了探頭與管道的間隙、偏角、相對(duì)位置等因素與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，以期為實(shí)現(xiàn)高溫管內(nèi)氧化皮的磁場(chǎng)檢測(cè)、提高測(cè)量精度、減輕各種因素的影響提供定量依據(jù)．

1 磁場(chǎng)檢測(cè)法原理

磁場(chǎng)檢測(cè)法是利用自身攜帶的永磁體，在鍋爐高溫管道上產(chǎn)生一個(gè)縱向磁場(chǎng)．若管內(nèi)有氧化皮，因其表現(xiàn)為順磁性，則磁力線發(fā)生變形，周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)改變．研究氧化皮與磁場(chǎng)強(qiáng)度的耦合關(guān)系，可以表征管內(nèi)氧化皮的狀況［2］．

超(超)臨界電站鍋爐過熱器、再熱器管一般采用奧氏合金鋼．該管材一般具備無磁性或弱磁性，而管內(nèi)金屬氧化物主要成分為Fe2O3或Fe3O4等，有強(qiáng)的順磁性，可根據(jù)外加磁場(chǎng)下氧化物磁化后的磁通量變化來探測(cè)氧化皮的狀況［3-4］．該方法檢測(cè)設(shè)備少，成本低，工藝操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果可靠，檢測(cè)效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景．

2 氧化皮磁場(chǎng)檢測(cè)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

研究發(fā)現(xiàn):在磁場(chǎng)檢測(cè)法中，不同的管材、探頭與管道間隙、探頭偏離中心法線角度、永磁體相對(duì)氧化皮位置都對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大的影響．下面通過實(shí)驗(yàn)研究各相關(guān)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響．

2．1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來研究各因素的影響．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig．1 Principle of experiment device

如圖2所示，測(cè)量探頭與管道間隙的關(guān)系時(shí)，可將永磁體放在有氧化皮的管道的正下方，探頭與永磁體中心正對(duì)，探頭置于管道不同高度上依次測(cè)量，可得到不同間隙下磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系．

圖2 探頭與管道的間隙測(cè)點(diǎn)圖Fig．2 Gauging points of chearance between probe and tube

研究探頭與管道的偏角關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，永磁體置于氧化皮正下方，探頭與管道相切，取探頭與永磁體的法線的角度分別為 15°、30°、45°和 60°的位置進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示．

圖3 探頭與管徑的偏角測(cè)點(diǎn)圖Fig．3 Gauging points of deflection angle between probe and tube

測(cè)量永磁體與氧化皮相對(duì)位置的關(guān)系時(shí)，探頭置于氧化皮的正上方，永磁體對(duì)稱測(cè)量分布位置為1 －8，其相對(duì)氧化皮角度為 15°、30°、45°和 60°，如圖4所示．

圖4 永磁體與氧化皮相對(duì)位置布置圖Fig．4 Gauging point of relative position between permanent magnet and scale

2．2 實(shí)驗(yàn)管材的選取

管材作為氧化皮生成的原材料及氧化皮所在的環(huán)境，對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)法檢測(cè)管內(nèi)氧化皮狀況有很大影響．在超臨界電站鍋爐中，高溫受熱面常用材料有奧氏體不銹鋼(如TP347H)和鐵素體鋼(如T91)．文中分別以TP347H和T91管材為例，研究管材對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響．

研究表明［5］，Cr及 Ni是影響 Fe-Cr-Ni系合金磁性的主要元素．而T91與TP347H材料中的Cr及Ni元素含量存在較大差別(如表1［3］所示)，T91相對(duì)于TP347H管材表現(xiàn)出強(qiáng)磁性，其對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響超過了對(duì)氧化皮的影響，使得磁場(chǎng)檢測(cè)法對(duì)T91管材內(nèi)的氧化皮檢測(cè)不敏感．

表1 T91和TP347H的C、Cr及Ni元素含量對(duì)比Table 1 Contrast of C，Cr and Ni contents in T91 and TP347H

下面通過T91及TP347H的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，定量研究磁場(chǎng)檢測(cè)法的適用范圍．

選取永磁體強(qiáng)度分別為3435 G(1號(hào)永磁體)和3688 G(2號(hào)永磁體)進(jìn)行試驗(yàn)．為了便于比較，將測(cè)量值除以相應(yīng)永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行無量綱化處理，并定義磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率為測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度與永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，將堆積厚度占管徑的比定義為相對(duì)厚度．實(shí)驗(yàn)得到兩種材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率與相對(duì)厚度的變化關(guān)系如圖5(a)、5(b)所示．

圖5 永磁體測(cè)量結(jié)果Fig．5 Measurement results of the magnet

由圖5(a)、5(b)可知，TP347H對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率隨著管內(nèi)氧化皮相對(duì)厚度的增加呈明顯的增大，但對(duì)T91，其變化不明顯．由此可見，磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)法適合于TP347H管內(nèi)氧化皮的檢測(cè)，但不適合T91管內(nèi)氧化皮的檢測(cè)．

研究表明，F(xiàn)e、Ni等磁性材料在室溫下呈現(xiàn)鐵磁性，而亞鐵結(jié)構(gòu)的Fe3O4屬于強(qiáng)磁性，Cr、Fe2O3以及Cr2O3則是屬于反鐵磁性．對(duì)于TP347H合金管材，由于Fe-Cr-Ni系合金，磁化強(qiáng)度隨Cr及Ni含量的增加幾乎呈線性降低．若Cr含量超過15%，合金即呈無磁狀態(tài)［5］．因此，由于合金中 Cr的影響，TP347H管材整體上磁性是很微弱的，管材對(duì)永磁體的吸引力很小．而該管材所產(chǎn)生的氧化皮，其成分主要以具有強(qiáng)磁性的鐵磁體Fe3O4以及具有弱磁性的反鐵磁體Fe2O3和Cr2O3化合物的形式存在，其氧化皮表現(xiàn)出較強(qiáng)磁性，而管材呈無磁狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果影響較?。诖艘訲P347H管材為基準(zhǔn)研究各因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響．

2．3 各因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

根據(jù)上述結(jié)果，選取TP347H管材為其它影響因素的實(shí)驗(yàn)樣管，其成分及相應(yīng)的氧化皮的成分如表 2 所示［3］．

2．3．1 探頭與管道間隙的影響

探頭與管道間隙是指探頭與管道外表面間的距離．磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，理論上要求探頭貼在管道外表面上;而實(shí)際測(cè)量中，盡管探頭與管道緊靠在一起，但由于探頭支架有一定的厚度，使得間隙無法避免．一般說來，探頭與管道間隙越大，其磁場(chǎng)強(qiáng)度越?。ㄟ^實(shí)驗(yàn)研究，可以得到間隙與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，為提高測(cè)量精度提供指導(dǎo)．

實(shí)驗(yàn)選取某電廠600MW超臨界鍋爐高溫過熱器TP347H的氧化皮樣本，測(cè)量用永磁體強(qiáng)度大小見表3，測(cè)量結(jié)果如圖6所示．

分析圖6可知，在氧化皮與永磁體一定的情況下，隨著探頭與管道間隙的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度呈準(zhǔn)線性減?。?/p>

表2 TP347H及其氧化皮成分分析Table 2 Compositions of TP347H and the corresponding oxidescale

表3 間隙實(shí)驗(yàn)所用永磁體的強(qiáng)度Table 3 Magnetic field strength of permanent magnet used inthe experiment for chearance

2．3．2 探頭偏離中心法線角度的影響

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量時(shí)要求探頭中心與永磁體中心正對(duì)．但實(shí)際測(cè)量過程中，由于制造與測(cè)量環(huán)境的影響，探頭中心與永磁體中心容易出現(xiàn)一定的偏角．隨著探頭偏離中心法線角度的增大，探頭靠近永磁體，其檢測(cè)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度也增大．通過實(shí)驗(yàn)，可以找出測(cè)量誤差范圍內(nèi)的最大允許偏角，有利于設(shè)備制造精度與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的控制．

選取左右各4共9個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所用永磁體強(qiáng)度大小與間隙實(shí)驗(yàn)所用永磁體同，測(cè)試結(jié)果如圖7所示．

分析圖7可知，隨著探頭偏角的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，且隨著偏角增加，其測(cè)量強(qiáng)度變化率亦逐漸增大，使得測(cè)量結(jié)果呈指數(shù)增長(zhǎng)．

圖6 探頭與管道間隙的測(cè)量結(jié)果Fig．6 Measurement results for different chearance between probe and tube

2．3．3 永磁體相對(duì)氧化皮位置的影響

為了保證管道內(nèi)氧化皮堆積的穩(wěn)定性，減少由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)將永磁體置于管道(即氧化皮)的下方．選取左右各4共9個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，所用永磁體強(qiáng)度見表4，其結(jié)果如圖8所示．

圖7 探頭偏離中心法線角度測(cè)量結(jié)果Fig．7 Measurement results for different deflection angle

表4 相對(duì)氧化皮位置實(shí)驗(yàn)所用永磁體的強(qiáng)度Table 4 Magnetic field strength of permanent magnet used in the experiment for relative position

通過數(shù)據(jù)分析可知，在永磁體與氧化皮一定的情況下，隨著永磁體逐漸偏離氧化皮底部，磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量值逐漸增加．永磁體與氧化皮相對(duì)偏離位置較小時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著偏離值的增加而增大．但相對(duì)位置增大到一定值后，其磁場(chǎng)強(qiáng)度增加速度變大，測(cè)量結(jié)果指數(shù)增大．

綜合上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，探頭與管道的間隙是主要的影響因素，其次是永磁體相對(duì)氧化皮的位置和探頭偏離中心法線的角度．

圖8 永磁體相對(duì)氧化皮位置測(cè)量結(jié)果Fig．8 Measurement results for different relative positions between permanent magnet and scale

2．4 誤差分析

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，測(cè)量探頭與管道的間隙、探頭與管道中法線的偏角、永磁體與氧化皮的相對(duì)位置等因素的變化對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)結(jié)果的影響較大．但上述因素偏差超過一定的范圍后，其磁場(chǎng)強(qiáng)度變化較快．為了滿足工程要求，將其測(cè)量誤差均控制在5%以下時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并通過計(jì)算可得到:探頭與管道的間隙小于1．07 mm、角度偏離中法線25．9°內(nèi)、永磁體相對(duì)氧化皮位置在26．4°內(nèi)時(shí)方可滿足氧化皮探測(cè)的精度要求．

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)可知，采用磁場(chǎng)檢測(cè)法檢測(cè)鍋爐高溫管內(nèi)氧化皮狀況時(shí)，探頭與管道的間隙、探頭偏離中心法線角度、永磁體相對(duì)氧化皮的位置3個(gè)因素的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，其中，間隙是主要的影響因素．當(dāng)間隙為1．07mm、偏角為 25．9°以內(nèi)、相對(duì)位置為26．4°以內(nèi)時(shí)，測(cè)量誤差可以控制在5%的工程誤差范圍內(nèi)．

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探頭偏離中心法線的角度和永磁體相對(duì)氧化皮的位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響變化呈指數(shù)增長(zhǎng)．

［1］ Liu Ding-ping，Ai Zhi-hu，Jian Chen-hu．An assessment of mechanism for oxidation corrosion of alloy T91 tubes in supercritical boilers［J］．Advanced Materials Research，2011，239/240/241/242:3171-3175．

［2］ 丁克勤，趙娜．電站鍋爐不銹鋼管氧化皮檢測(cè)技術(shù)［J］．無損檢測(cè)，2010，32(8):601-604．Ding Ke-qin，Zhao Na．The oxide-scale detection technique for stainless steel pipe in boiler of power plant［J］．Nondestructive Testing，2010，32(8):601-604．

［3］ 林俊濱．超(超)臨界鍋爐高溫管內(nèi)氧化皮形成機(jī)理及堵塞規(guī)律研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)電力學(xué)院，2010．

［4］ 龍會(huì)國(guó)．鍋爐用奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮檢測(cè)的新方法 ［J］．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30(7):554-558．Long Hui-guo．A new detection method for oxidation scales on inner surface of austenitic stainless steel tube bends for boilers［J］．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30(7):554-558．

［5］ 萬永，武天真，方威．Cr-Ni含量對(duì)Fe-Cr-Ni不銹永磁合金磁性能的影響［J］．金屬制品，1998，24(6):16-19．Wan Yong，Wu Tian-zhen，F(xiàn)ang Wei．Effects of Cr-Ni contents on magnetic properties of Fe-Cr-Ni stainless permanent magnet alloys［J］．Steel Wire Products，1998，24(6):16-19．

［6］ Sposito G，Ward C，Cawley P，et al．A review of nondestructive techniques for the detection of creep damage in power plant steels［J］．NDT ＆ E International，2010，43(7):555-567．

［7］ Dubov A A．Diagnostics of austenitic-steel tubes in the superheaters of steam boilers using scattered magnetic fields［J］．Thermal Engineering，1999，46(5):369-72．

［8］ Song X C，Wu X J，Kang Y H．An inspection robot for boiler tube using magnetic flux leakage and ultrasonic methods［J］．Insight，2004，46(5):275-277．

［9］ Minkov D，Shoji T，Lee J．Experimental study of sizing of surface cracks by using leakage magnetic field and Hall element probe［C］∥2nd International Conference on E-merging Technologies in NDT．Athens:Emerging Technologies in NDT，2000:223-227．

［10］ Minkov D，Takeda Y，Shoji T，et al．Estimating the sizes of surface cracks based on Hall element measurements of the leakage magnetic field and a dipole model of a crack［J］．Applied Physics A-Materials Science ＆ Processing，2002，74(2):169-176．