張志彬

（華電電力科學(xué)研究院有限公司 浙江省杭州市 310000）

0.引言

水冷壁管排是電站鍋爐中的重要組成部分，近年來，由于電站鍋爐水冷壁爆管事故頻發(fā)，已嚴(yán)重影響到電廠設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的無損檢測手段主要有：射線檢測(RT)、磁粉檢測（MT）、超聲波檢測（UT）、滲透檢測（PT）、渦流檢測(ET)等，這些檢測方法操作較為繁瑣、復(fù)雜，對被檢設(shè)備的表面光潔度要求較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且，傳統(tǒng)的無損檢測手段都有一個(gè)共同的局限性，僅能檢測出已成行的破壞性缺陷，例如裂紋、穿孔、開裂、腐蝕坑等。但對處于裂紋等缺陷萌生階段的在役金屬設(shè)備及構(gòu)件，難以實(shí)施有效的檢測評價(jià)，從而無法避免由于缺陷的擴(kuò)展而導(dǎo)致嚴(yán)重設(shè)備事故及人身傷亡事件的發(fā)生。

本文以某電廠電站鍋爐水冷壁為例，探討磁記憶檢測的應(yīng)用，為保障電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。

1.金屬磁記憶簡介

金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)來檢測部件應(yīng)力集中部位的快速無損檢測方法。克服了傳統(tǒng)無損檢測的缺點(diǎn)，能夠?qū)﹁F磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)，即微觀缺陷和早期失效及損傷等進(jìn)行診斷，防止突發(fā)性的疲勞損傷，是無損檢測領(lǐng)域的一種新的檢測手段。

磁記憶檢測技術(shù)可以快速、便捷、準(zhǔn)確地確定鐵磁性金屬部件上的應(yīng)力集中部位，通過檢修手段，可有效地將處于萌生期的缺陷消除。相對于傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)，金屬磁記憶檢測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

2.磁記憶檢測原理

金屬部件失效、斷裂往往是由于金屬內(nèi)部的幾何不連續(xù)而造成的，當(dāng)金屬物體承受外部載荷，物體內(nèi)由于載荷使某一點(diǎn)產(chǎn)生了位移，本來應(yīng)力均勻的內(nèi)部產(chǎn)生了不連續(xù)點(diǎn)，造成了應(yīng)力分布不均，不連續(xù)點(diǎn)附近的應(yīng)力值普遍高于物體內(nèi)部的平均應(yīng)力值，從而造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中位置往往是設(shè)備萌生缺陷的產(chǎn)生位置。

表1 金屬磁記憶檢測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)一覽表

在役設(shè)備的金屬上存在著殘余磁化及相應(yīng)的散射磁場強(qiáng)度與分布，是由于磁彈性效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)的作用所造成的。磁彈性效應(yīng)是指當(dāng)彈性應(yīng)力作用于鐵磁材料時(shí)，鐵磁體不但會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化的方向。產(chǎn)生磁彈性效應(yīng)是因?yàn)殍F磁體在受到外應(yīng)力的作用后，會(huì)在磁晶體內(nèi)增加應(yīng)力能引起的。磁機(jī)械效應(yīng)使得鐵磁性金屬工作在應(yīng)力作用區(qū)表面的磁場增強(qiáng)，增強(qiáng)后的磁場“記憶”了部件應(yīng)力集中的位置，這就是磁記憶效應(yīng)[1]。

在沒有外部載荷和外加磁場作用時(shí)，處于穩(wěn)定狀態(tài)的磁晶體內(nèi)總自由能E 可用下式進(jìn)行估算：

E為處于穩(wěn)定狀態(tài)的磁晶體內(nèi)總自由能，Ek為磁晶各向異性能、Ems為磁彈性能、Eel為彈性能。

當(dāng)金屬構(gòu)件受到強(qiáng)加外力作用時(shí)，應(yīng)力集中部位會(huì)存在量值較大的應(yīng)力能（Eσ）。而磁晶體內(nèi)總自由能E則變?yōu)榇啪Ц飨虍愋阅埽‥k）、磁彈性能（Ems）、彈性能（Eel）、應(yīng)力能（Eσ）的總和：

根據(jù)“量能最小”原理，要使磁晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)，即E 值最小，只有改變原有的磁彈性能（Ems）或減小應(yīng)力能（Eσ）才能得到穩(wěn)定狀態(tài)。

金屬部件在地磁場中受外部載荷作用時(shí)，其金屬材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆重新取向。在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生最大的漏磁場。該漏磁場的切向分量具有最大值，而法向分量具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)具有不可逆性，即使外部載荷消失后也依然存在。通過對漏磁場法向分量H 的測定，可準(zhǔn)確地找到該部件所存在的應(yīng)力集中部位[3]。

3.案例

3.1 概況

某電廠1 號爐、2 號爐系西班牙公司制造的FWESA 1189.36／17.14－I 型亞臨界參數(shù)鍋爐，2005 年投運(yùn)。主汽壓力17.14 MPa、溫度541 ℃。

由于該型鍋爐水冷壁折焰角部位設(shè)計(jì)原因，存在的較大應(yīng)力一直無法消除，機(jī)組投運(yùn)后在水冷壁人孔門、看火孔、冷灰斗處彎管、水冷壁折焰角等部位多次發(fā)生泄漏事故，成為生產(chǎn)安全最大的障礙。

例如，2011 年水冷壁折焰角部位發(fā)生兩次泄漏停運(yùn)，第一次泄漏發(fā)生在后墻水冷壁折焰角彎頭內(nèi)弧面部位，北數(shù)32#水冷壁管與管子北側(cè)的焊縫有穿透性裂紋，裂紋長70 mm，裂縫張開不大，如圖1、圖2 所示。

與其相鄰的31#水冷壁管彎頭有沖刷減薄的爆破口，爆口邊緣尖銳、外翻，有塑性變形；32#水冷壁管裂紋下部和33#水冷壁管有沖刷減薄的痕跡。據(jù)了解，第二次泄漏也發(fā)生于彎頭鰭片焊縫部位。

2017 年2 月20 日，水冷壁折焰角部位泄漏停運(yùn)，泄漏發(fā)生在北數(shù)22#水冷壁管與管子北側(cè)的焊縫，有穿透性裂紋，裂紋長約100 mm，裂縫張開不大，如圖3 所示。

針對該部位的泄漏特點(diǎn)，采取了磁記憶檢測手段檢測，利用鍋爐檢修時(shí)間，經(jīng)過三年的不斷檢測，并建議采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，目前上述部位的泄漏問題已解決。上述部位的磁記憶檢測也成為某電廠要求必須保留的項(xiàng)目之一。

3.2 原因分析

對2011 年該部位爆管原因進(jìn)行分析，經(jīng)過對爆管現(xiàn)場觀察，認(rèn)為32#管子與北側(cè)鰭片焊縫交界處的穿透性裂紋為原始爆口，由于爆管時(shí)間較短，裂縫沒有明顯張開。31#水冷壁管子爆口為沖刷二次爆口，管子爆破后又將32#管子裂紋下部和33#管子沖刷減薄。

圖1 31#和32#泄漏部位宏觀照片

圖2 32#管子與北側(cè)焊縫交界出的裂紋

圖3 22#管子與北側(cè)焊縫交界處的裂紋

1 號爐此次泄漏是由32#管子與北側(cè)焊縫交界處的穿透性裂紋所致。裂紋的產(chǎn)生原因與該部位局部應(yīng)力過大和可能的焊接缺陷有關(guān)。磁記憶檢查表明：該部位應(yīng)力過大，過大的應(yīng)力將管子沿焊縫處拉裂。應(yīng)力的產(chǎn)生可能與該部位的結(jié)構(gòu)、彎管與焊接造成的加工殘余應(yīng)力有關(guān)，另外，鰭片與管子熱膨脹的差異也會(huì)造成局部應(yīng)力過大。

對2017 年該部位爆管原因進(jìn)行分析，1 號爐此次泄漏是由22#管子與北側(cè)焊縫交界處的穿透性裂紋所致。裂紋的產(chǎn)生原因與該部位局部應(yīng)力過大和可能的焊接缺陷有關(guān)，與該部位的結(jié)構(gòu)、彎管與焊接造成的加工殘余應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)，管子與鰭片壁厚偏差較大（管子：Φ88.9×8.26 mm，鰭片δ=11 mm，Φ 為直徑，δ 為管子壁厚），如圖4 所示，也是造成了該處局部應(yīng)力過大的主要原因。2011 年此部位的兩次泄漏與此次泄漏原因類似，在2017 年檢修時(shí)，磁記憶檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該部位存在7 處應(yīng)力超標(biāo)。

3.3 技術(shù)難點(diǎn)

磁記憶檢測技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)已有十余年，但是該技術(shù)受部件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、規(guī)格、運(yùn)行時(shí)間、操作、數(shù)據(jù)分析等諸多因素的影響較大，因此限制了該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

目前針對應(yīng)力過大而引起部件失效的潛在因素，在現(xiàn)有常規(guī)檢測技術(shù)下還難以有效檢出。尤其是在檢測諸如水冷壁折焰角等無先例可參考的部件更是難上加難。其操作手法、數(shù)據(jù)分析等要重新建立，而且要配合釋放應(yīng)力的處理措施來檢驗(yàn)該技術(shù)方法是否適用。在2011 年兩次泄漏后，對其檢測發(fā)現(xiàn)存在多處應(yīng)力超標(biāo)，但該部位應(yīng)力問題未進(jìn)行處理。2017 年泄漏部位為先前檢出的一處應(yīng)力超標(biāo)部位。證明該部件的檢測參數(shù)、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)力分級等合理、到位。通過割鰭片處理，如圖5 所示，來釋放應(yīng)力，該方法簡單、易操作，現(xiàn)場取得了較好的效果。

圖4 水冷壁示意圖

圖5 延虛線位置進(jìn)行切割

3.4 實(shí)際效果

通過磁記憶檢測，解決了某電廠1 號爐、2 號爐水冷壁人孔門、看火孔、冷灰斗處彎管、水冷壁折焰角等部位多次發(fā)生的泄漏事故。解決了長期困擾電廠的難題。該技術(shù)在電廠鍋爐受熱面彎管應(yīng)力集中部位的成功應(yīng)用也促進(jìn)該技術(shù)在我國的應(yīng)用發(fā)展。

4.結(jié)論

（1）磁記憶檢測技術(shù)在預(yù)防水冷壁爆管事故中有較好的應(yīng)用效果，對應(yīng)力集中部位的診斷、潛在缺陷分析有較高的檢出率。

（2）通過切割鰭片來釋放應(yīng)力的方法可有效解決應(yīng)力集中產(chǎn)生的爆管問題，在電廠的實(shí)際應(yīng)用中效果較好。

（3）磁記憶檢測技術(shù)作為一項(xiàng)新引進(jìn)的無損檢測方法，理論基礎(chǔ)雖有待完善，但其獨(dú)有的應(yīng)力集中檢測方法，已在業(yè)內(nèi)得到廣泛好評。