鮑俊濤，張啟禮，金學峰

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

0 引言

電站鍋爐高溫受熱面管子在運行期間，其內壁長期與高溫蒸汽接觸容易形成氧化皮，并隨著服役時間的延長而不斷增厚，導致管子傳熱效率降低，容易造成管壁超溫甚至發(fā)生爆管事故。

近年來，由于不斷有內壁氧化皮造成的鍋爐受熱面管超溫爆管事故發(fā)生，氧化皮的形成機理及預防措施日益受到重視，氧化皮一方面會造成管壁實際溫度高于預期，另一方面還會因管壁承載面積的減小導致應力升高，因此通過檢測受熱面管內壁氧化皮厚度來估算管子的實際運行溫度，并由此來預測管子的剩余壽命對指導企業(yè)制定檢修計劃、預防超溫爆管事故有重要意義。

1 鍋爐概況

某電廠一臺300 MW 亞臨界機組鍋爐由上海鍋爐廠生產，于1993 年投入使用，至今已服役超過20 年，累計運行約13 萬h，主要參數(shù)：額定蒸發(fā)量為1 025 t/h，過熱蒸汽出口溫度為540 ℃，過熱蒸汽出口壓力為18.3 MPa，再熱蒸汽出口溫度為540 ℃，再熱蒸汽出口壓力為3.65 MPa。為掌握該鍋爐末級過熱器管實際服役狀況及剩余壽命分布情況，企業(yè)計劃對該鍋爐末級過熱器進行內壁氧化皮檢測，并結合實驗室分析結果對其進行壽命預測。

2 氧化皮現(xiàn)場檢測

金屬管內表面氧化皮的生成是金屬被高溫水蒸氣氧化的結果。通常認為，當蒸汽溫度高于400 ℃時，金屬管內表面就會發(fā)生氧化。其結構組成分以下兩種情況。

(1) 在570 ℃以下，生成的氧化皮由Fe2O3和Fe3O4組成，見圖1。由于兩者都比較致密，不易脫落，因而可以保護金屬基體避免被進一步氧化。

圖1 低于570 ℃時氧化皮的結構

(2) 當溫度超過570 ℃時，氧化皮由Fe2O3，F(xiàn)e3O4和FeO 三層組成，F(xiàn)eO 處于最內層，致密性差，結構疏松，會破壞整個氧化皮的穩(wěn)定性。在鍋爐啟?；蚋淖冐摵蓵r，氧化皮容易脫落在管子彎頭部位堆積，這種情況以超臨界鍋爐中奧氏體不銹鋼材料尤為典型。

該鍋爐過熱蒸汽出口設計溫度為540 ℃，且鍋爐運行期間超溫現(xiàn)象并不明顯，可以認為末級過熱器的內壁氧化皮結構應為第(1)種情況?，F(xiàn)場氧化皮檢測采用德國卡爾德意志（KARL DEUTSCH）檢測儀器設備有限公司的ECHOGRAPH 1090型超聲波測厚儀，說明書給出的最小檢測厚度為0.05 mm，但實際檢驗時發(fā)現(xiàn)氧化皮厚度小于0.1 mm 時該儀器難于識別，因此認為該儀器的最小檢測厚度約為0.1 mm。

2.1 末級過熱器氧化皮檢測

末級過熱器的檢測部位為管屏下部靠爐前的直管段，測點位于下彎頭往上1.5 m 處，檢測結果見表1，由于ECHOGRAPH 1090 型超聲波測厚儀能檢出的最小氧化皮厚度約為0.1 mm，因此未能測得氧化皮回波信號的爐管，其氧化皮厚度均用小于0.1 mm 表示；末級過熱器內壁氧化皮厚度分布圖見圖2。

表1 末級過熱器內壁氧化皮檢測結果

圖2 末級過熱器管內壁氧化皮厚度分布情況

2.2 結果分析

從圖3 中可以看出末級過熱器內壁氧化皮厚度分布大致呈現(xiàn)出兩側厚度大、中間厚度小的規(guī)律，且由于B 側爐管材料為T91，其合金含量高，抗氧化能力強，因此其氧化皮厚度比材料為G102 的A側爐管氧化皮厚度薄。

另外，根據電廠爐管壁溫監(jiān)測設備測得的末級過熱器壁溫分布圖(見圖3)，末級過熱器壁溫的監(jiān)測結果也呈現(xiàn)出兩側溫度高、中間溫度低的規(guī)律，這與氧化皮檢測結果非常吻合，能反映末級過熱器的實際服役過程中的溫度分布狀況。

圖3 末級過熱器管壁溫分布情況

3 實驗室分析

3.1 氧化皮測量

根據現(xiàn)場檢測結果，T91 材料的管子內壁氧化皮厚度普遍較薄，取樣分析意義不大，故此次取樣管材質均為G102，共取樣4 根。

對取樣管段，首先采用ECHOGRAPH 1090型超聲波測厚儀進行內壁氧化皮測厚(實測值)，然后經切割加工后在金相顯微鏡下測量內壁氧化皮厚度(金相值)，兩種方法的測厚結果列于表2。

表2 取樣管氧化皮測厚結果對比

通過對兩種方法測得的內壁氧化皮厚度進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法測得的結果非常接近，最大誤差0.03 mm。另外，從氧化皮微觀形貌可以看出，氧化皮在管子內壁呈厚薄不均的分布形態(tài)，上述誤差可以理解為是測點位置偏差引起的。因此可以認為，采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測厚儀進行末級過熱器管內壁氧化皮測厚是可靠的。

3.2 剩余壽命預測

工程上，最常用的蠕變壽命預測方法為Larson-Miller 公式(L-M 參數(shù)法)，西安熱工研究院有限公司在以往壽命評估技術的基礎上研究發(fā)現(xiàn)，部件的狀態(tài)和壽命與材料的逐漸老化密切相關，因此發(fā)展了老化定量評定技術，提出了采用老化因子Ca來定量描述老化狀態(tài)的新方法，認為高溫部件的壽命取決于溫度、應力、時間、材料老化等四個基本因素，其蠕變壽命評估L-M 參數(shù)法基本方程改為如下形式：

式中，f(σ)為熱強參數(shù)，是應力的函數(shù)；T為試驗溫度(K)；tr為斷裂時間(h)；C 為材料常數(shù)；Ca為材料的老化因子，可表征為布氏硬度、球化級別、抗拉強度等的函數(shù)。

以在金相顯微鏡下測得的內壁氧化皮厚度為準，采用廣東省特種設備檢測研究院與西安熱工研究院共同研發(fā)的“電站鍋爐風險管理與壽命預測系統(tǒng)”對末級過熱器進行壽命預測，在文獻[5]種共包括4 種壽命預測模型，對于末級過熱器其主要失效機理為高溫蠕變，故采用基于蠕變失效機理的L-M 參數(shù)法進行蠕變壽命預測，預測結果列于表3。

表3 末級過熱器剩余壽命預測結果

壽命預測結果顯示，3 號取樣管內壁氧化皮厚度達0.27 mm，其剩余壽命46 834 h，在今后運行過程中應重點監(jiān)控，必要時應對其進行更換；其次為2 號取樣管，其內壁氧化皮厚度為0.19 mm，剩余壽命83 104 h，應對其氧化皮厚度進行監(jiān)控；1 號取樣管和4 號取樣管內壁氧化皮厚度分布為0.13 mm 和0.15 mm，其剩余壽命均超過10 萬h，有較大壽命裕度，滿足繼續(xù)服役要求。

對照取樣管剩余壽命預測結果，現(xiàn)場檢測內壁氧化皮厚度最大為0.182 mm，其剩余壽命應接近10 萬h，均有較大壽命裕度，滿足繼續(xù)服役要求。

4 結束語

(1) 通過現(xiàn)場進行氧化皮檢測，發(fā)現(xiàn)采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測厚儀進行內壁氧化皮測厚的結果與電廠爐管壁溫監(jiān)測的結果非常吻合，能反映鍋爐末級過熱器管子溫度分布規(guī)律。

(2) 通過在實驗室微觀條件下測量取樣管內壁氧化皮厚度，發(fā)現(xiàn)測量結果與采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測厚儀進行內壁氧化皮測厚的結果非常接近，最大誤差0.03 mm，考慮到測點位置略有不同氧化皮厚度也會有變化，可以認為采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測厚儀進行內壁氧化皮測厚的結果是可靠的。

(3) 通過對取樣管進行剩余壽命預測，結果表明，內壁氧化皮厚度為0.27 mm 的3 號取樣管剩余壽命僅為46 834 h，應加強監(jiān)控，必要時應更換。

(4) 對照取樣管剩余壽命預測結果，現(xiàn)場檢測內壁氧化皮厚度最大為0.182 mm，其剩余壽命應接近10 萬h，均有較大裕度，滿足繼續(xù)服役要求，但在今后檢修期間應加強高溫受熱面內壁氧化皮厚度普查工作，并結合壽命預測結果，制定詳細的檢修計劃，避免和減少超溫爆管事故的發(fā)生。