耿曉鋒，魏克湘，覃 波

（湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411101）

火力發(fā)電廠爐管內(nèi)壁氧化皮厚度超聲檢測

耿曉鋒，魏克湘，覃 波

（湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411101）

介紹了爐管內(nèi)壁氧化膜的形成機理，闡述了爐管受熱面氧化膜測量的原理及測量過程.并結(jié)合工程實例，對采用超聲波檢測爐管內(nèi)壁氧化膜厚度的方法進行了介紹.結(jié)果表明，爐管氧化皮厚度超聲檢測對鍋爐管道的維護與檢測有重要的指導(dǎo)意義.

爐管受熱面；氧化皮厚度；超聲波檢測

0 引 言

在火力發(fā)電廠中，鍋爐爐管爆漏事故一直是影響火電機組安全的主要因素之一［1］.爆管的主要原因是鍋爐爐管一直都在高溫、高壓的環(huán)境下運行，長時間處在這種惡劣的環(huán)境下，爐管內(nèi)壁與高溫蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生氧化皮［2］.氧化皮的形成使得爐管壁厚減小，在高壓的環(huán)境下，管道的蒸汽氧化導(dǎo)致鍋爐局部過熱，超溫爆管，降低機組可用率，嚴重時產(chǎn)生爆管現(xiàn)象［3］.其次，爐管內(nèi)壁生成的氧化皮隨著高壓蒸汽沖到汽輪機葉片上，侵蝕葉片［4］.由此可知，避免爐管爆管而導(dǎo)致的機組停機并提升機組可用率的關(guān)鍵就是檢測爐管管壁的厚度.

對于爐管內(nèi)壁氧化皮，目前有很多檢查方法［5］，例如金相法、X－射線法、低頻超聲法等.金相法能夠精確的檢測到氧化皮的厚度及其成分組織，但只有將爐管內(nèi)的氧化皮取出來做成樣品才能進行研究，不能達到無損檢測的目的.而射線法檢測氧化皮精度高，但是射線對人體輻射較大，并且一般電廠鍋爐檢修都是交叉作業(yè)，那么射線檢測不適合在這種場合來檢測爐管內(nèi)的氧化皮.低頻超聲檢測法一般用于檢測管壁厚度，正是由于它的頻率不高，因此它的精度不高，不能精準的檢測氧化皮的厚度.

本文介紹了爐管內(nèi)壁氧化膜的形成機理，闡述了爐管受熱面氧化膜測量的原理及測量過程，并結(jié)合工程實例，對采用超聲波檢測爐管內(nèi)壁氧化膜厚度的方法進行了介紹.

1 爐管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生機理

大部分老火力發(fā)電廠爐管的材料為Cr－Mo、Cr－Mo－V等類型的合金鋼材.在高溫高壓下，爐管內(nèi)壁會與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成與金屬基體接合緊密、致密的氧化層.研究表明，熱力系統(tǒng)高溫氧化是氧化性氣體（水蒸汽）在高溫條件下與金屬反應(yīng)的過程為：

氧化皮的成分為鐵的氧化物，如：Fe2O3、Fe3O4等.

管內(nèi)壁受高溫蒸汽的氧化和腐蝕作用形成氧化和腐蝕層，其厚度隨著運行時間的增加而增加.氧化層的厚度由向火面向背火面逐漸減薄，同時金屬管壁厚度減小.圖1為管壁層厚度構(gòu)成示意圖.由圖1可以看出，隨著氧化層厚度增大，金屬管壁厚度減小.在氧化皮比較厚的地方金屬管壁薄，最容易爆管，因此我們要在向火面檢測.

圖1 管壁層厚度構(gòu)成示意圖

2 無損檢測方法

受熱面管內(nèi)的氧化皮厚度可以用高頻超聲技術(shù)來測量.金相法不能無損檢測到管內(nèi)的氧化皮；射線法不適合在交叉作業(yè)的場合下檢測；低頻超聲法由于頻率低（一般其頻率小于5MHz），只能檢測出厚度最低為1mm的氧化皮，而爐管內(nèi)的氧化皮一般都只有零點幾毫米，所以不能夠精準的檢測出管壁內(nèi)側(cè)的氧化皮厚度.使用高頻超聲檢測法來檢測氧化皮厚度，其采用了脈沖反射法，頻率大于10 MHz，能夠檢測到零點幾毫米厚的氧化皮，并且操作簡單，靈敏度高.

2.1 超聲波探測原理

氧化皮是在金屬基體結(jié)合緊密、致密的氧化腐蝕產(chǎn)物，其組成的主要成分是FeO、Fe2O3、Fe3O4，厚度在0.1～1mm之間，并依此沿背火面減小.管壁因為有氧化膜的存在導(dǎo)致了有效壁厚減小，組織應(yīng)力增加；氧化膜對爐管的導(dǎo)熱熱阻影響比較大，影響了爐管的熱性能，長期使爐管處在高溫下，爐管產(chǎn)生爆管現(xiàn)象.

由于鋼和氧化膜界面兩側(cè)物質(zhì)的密度和聲阻抗不同，為超聲波檢測提供了條件.由相關(guān)資料可知，鋼的聲阻抗Z鋼＝4.53×106g／cm2·s，而氧化膜的聲阻抗為Z氧化膜＝309×106g／cm2·s.

當超聲波垂直射入時，在不同的聲阻抗的物質(zhì)界面上，超聲波會產(chǎn)生透射和反射.其中聲壓反射率：

如圖2所示，由上兩式可算出當聲波遇到鋼—氧化皮界面時，反射波聲壓為－18.9%；透射波繼續(xù)透射，當遇到氧化皮—空氣界面，由于空氣的聲阻抗幾乎為零，超聲波全反射，然后透射氧化皮—鋼界面進入探頭.

圖2 超聲波行程圖

基于上述原理，根據(jù)聲程／時間的關(guān)系，就可以得到超聲波在鋼—氧化膜界面反射波和爐管內(nèi)氧化皮—空氣界面返回波的時間差△t，那么時間差乘以聲波在氧化膜中的傳播速度即可得到氧化膜的厚度，即：

式中：S— 聲程，V— 聲速，△t— 時間差.

2.2 高頻超聲波測量儀

常規(guī)的超聲波測量厚度雖然也存在鋼－氧化皮的反射波和管內(nèi)壁氧化膜－空氣界面的反射波，但是由于前者的反射波聲壓較小，對于傳統(tǒng)低頻的超聲波測量儀信號拾取被抑制，所以常規(guī)測量厚度的數(shù)值實際上是氧化膜和管壁共同的數(shù)值.因此低頻率的測量儀分辨率低，不能滿足氧化膜厚度測量的要求，而采用高頻超聲波測量儀則可滿足要求.高頻超聲檢測儀器的組成為超聲波脈沖發(fā)生接收器、高頻示波器、高頻直探頭，如圖3所示.其中超聲脈沖發(fā)生接收器用來激勵探頭產(chǎn)生超聲波，并接收回波信號和預(yù)放大電脈沖；高頻示波器主要接收傳輸來的回波電脈沖，顯示回波信號，測量工件中回波的幅度及傳播時間；而高頻超聲波探頭主要是發(fā)射和接收超聲波.

圖3 超聲檢測儀器組成圖

2.3 高頻超聲波測量儀測量方法

2.3.1 精度的測定

從火電廠取一段帶有氧化皮的爐管來試驗，通過傳統(tǒng)的顯微鏡觀察法，測量出氧化皮的厚度，如圖4所示.氧化層厚度在0.217～0.256mm之間.

圖4 顯微鏡法觀察的氧化皮厚度圖

用高頻超聲檢測法來檢測該段管子，如圖5所示.

圖5 高頻超聲儀檢測式樣圖

高頻超聲儀顯示的測量結(jié)果0.21mm，管厚為3.33mm.

通過試驗的對比可知，高頻超聲測量儀的精度比較高，滿足了爐管氧化皮測量的要求.

2.3.2 測量方法

在火力發(fā)電廠檢測中，由于向火面溫度高，相對于背火面，產(chǎn)生的氧化皮量要多，因此在測量之前一般會找到爐管的向火面，對工作環(huán)境最差的地方進行檢測.要將爐管外壁上需要檢測區(qū)域表面上的腐蝕、氧化產(chǎn)物用磨光機磨光，露出金屬光澤.將測厚系統(tǒng)設(shè)置到合適的靈敏度及范圍，在使用高頻超聲波測量儀之前，要在測量對象上涂上耦合劑，有利于儀器信號的接收.將探頭垂直用力按壓在測量對象上，當儀器顯示屏的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，就可以讀出氧化皮厚度和管壁厚度.此過程為：超聲探頭發(fā)射超聲波，超聲波進入爐管內(nèi)產(chǎn)生反射、透射、全反射，最后超聲探頭攝取到兩次反射波，經(jīng)過儀器對拾取回來的波進行分析從而算出該處氧化皮的厚度.例如在上海某電廠的氧化皮測試中，其中某根爐管氧化皮厚度可以直接從儀表盤上讀出.如圖6所示，該處的氧化皮厚度為0.21mm，管壁厚度為5.43mm.

圖6 電廠實地測量圖

例如，某電廠一鍋爐投產(chǎn)以來，運行了將近60000h，其材質(zhì)為Cr－Mo鋼材，當對其檢測氧化皮厚度時，其向火面的氧化皮厚度達到了1.1mm，如圖7所示.那么通過割管，可以從管子內(nèi)看出氧化膜的形態(tài)，觀察向火面的金相組織為貝氏體，碳化物已經(jīng)明顯粗大，說明該爐管具有了微觀爆管特征了，如圖8所示.

圖7 向火面管壁內(nèi)側(cè)氧化皮圖

圖8 向火面金相組織圖

從另一方面來看，氧化皮的厚度隨著時間的增加而增加，向火面組織的改變正是由于爐管長期在高溫高壓下運行.氧化皮的厚度從側(cè)面也反映了向火面組織改變的程度.通過這個事例也再次證明了高頻超聲無損檢測具有較高的檢測精度.

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用超聲波技術(shù)來檢測爐管內(nèi)壁氧化膜的厚度，結(jié)果表明：

（1）通過高頻超聲測量儀器可以有效的測量受熱面爐管內(nèi)壁的氧化膜厚度.電廠鍋爐爐管的對氧化程度有個等級要求，當達到四級以及四級以上時就必須的割管換管.那么根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，一方面可以評估爐管氧化情況；另一方面對比等級要求，檢測爐管是否達到換管要求.

（2）鍋爐爐管的氧化皮測厚所測得的數(shù)據(jù)對于分析爐管運行的狀態(tài)以及對后續(xù)的維護與檢修提供了重要的依據(jù).

（3）根據(jù)所測得的氧化皮的厚度數(shù)據(jù)，將其輸入到爐管剩余壽命評估軟件可以預(yù)測爐管的剩余壽命.

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Ultrasonic Measurement for Oxide Skin Thickness of Inner Wall of Boiler Tubes in Thermal Power Plant

GENG Xiao－feng， WEI Ke－xiang， QIN Bo
（College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

This article explains the forming mechanism of oxide skin in inner wall of boiler tube in the thermal power plant，and expounds measuring principle and process of oxide skin in the heated surface.Some engineering applications that the oxide skin thickness of inner wall of boiler tube is measured by the ultrasonic technology are introduced.The results show that the ultrasonic measurement method can be used for inspection and maintenance of boiler tubes.

heated surface of boiler tubes；thickness of the oxide skin；ultrasonic measurement

TM621.2

A

1671－119X（2014）02－0023－03

2014－01－16

湖南省科技計劃資助項目（2014GK3117）

耿曉鋒（1989－），男，碩士研究生，研究方向：無損檢測.