锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的测量

科 研 戌 罢 与 学 术 交 琉 锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的测量 龙 毅。谢国胜，杨湘伟 (湖南省电力试验研究院，长沙 410007) 摘 要：介绍了内壁氧化膜测量在锅炉受热面的应用，阐述了锅炉受热面内壁厚层氧化膜测量 的原理，对厚层氧化膜测量特例进行了分析，并结合氧化膜测量工程实例对其应用进行了阐述，结 果表明，锅炉受热面内壁氧化膜壁厚测量对锅炉的检验与维护有指导意义。 关键词：锅炉受热面；厚层氧化膜；超声测厚 中圈分类号：T( ¨ 5 28 文献标识码：A 文章编号：1000—6656(2006)11 0569—04 Measurement for Oxidation Layer Thickness of Inner W all of Boiler Tube LONG Yi。XIE Guo-sheng，YANG Xiang-wei (Hunan Electric Power Test＆Research Institute。Changsha 410007，China) Abstract： l'he lheory and application for the 111easu rement of thick oxidation layer of inner wall of boiler tube wer(~expounded，BIrld the application example waa analyzed．The resultS showed that the measlJrement melhod was }lelpful for boiler inspection and maintenance Keywords：Boiler heated w*,ll；Thick oxidation layer； l'hickness measurement by ultrasonic WilVe 锅炉受热lfi』管子长期存高温和介质等的作用 下，逐渐形成_r氧化膜，这层氧化膜一方面减少管壁 有效厚度，更主要的足使管了传热性能变差，造成管 了过热，改变金属组织结构，降低金属机械性能，最 终造成爆管，导致机组非计划停运，冈此锅炉受热向 管内壁氧化膜测量具有十分重要的意义 l 炉管内壁氧化膜测量的应用 1．1 炉管内壁氧化膜测量的对象 氧化膜内壁测量主要应用在锅炉受热面上，尤 其足过热器 再热器，这是因为与水冷壁和省煤器 相比，过热器与再热器具有以下特殊之处 ： (1)由于过热器和再热器的出VI J二作介质的温 度已达到锅炉系统中的最高温度，其受热面是锅炉 中金属壁温最高的部分。 (2)过热器与再热器的冷却条件较水冷壁和省 煤器著，这是冈为亚临界以下参数的蒸汽密度较水 收稿 Et期 ：2005 08 04 作者简介：龙 毅(1 968 )，男．高级工程师，从事电厂金属受监 部件检验．焊接与事故分析。 小 ，特别是再热蒸 汽密度更小 ，在相I刊条件下，管壁 I一蒸汽之间的放热系数就小，蒸汽对管壁的冷却能 力差 。 (3)过热器和再热器出 汽温随锅炉负荷的改 变而改变，锅炉负荷变化时，受热面管外烟气流速和 管内工作介质流速都将发 变化，管内外的刈’流放 热系数随之改变，导致管内蒸汽吸热量改变，再热器 对负荷的变化更加敏感。 (4)由于过热器和再热器管问的烟气流速受多 种因素的影响，使得传热条件更为复杂。 正足因为这些不同之处 ，过热器和再热 器内壁 氧化膜较其它受热面损伤严重一些，见其是再热器。 所以氧化膜实际测量主要应川在锅炉过热器及再热 器壁温较高区域(例如出LI段)和蒸汽流通不顺畅之 处(例如下弯头)。 1．2 炉管内壁氧化膜测量的应用目的 通过炉管内壁氧化膜的测龟 ，可了解管子金属 的有效壁厚，进行强度校核。 通过氧化膜厚度可以计算出部件的当量温度， 对判断管子是否超温及帮助决定是否换管具有指导 2006年 第28卷第11期 569 维普资讯 http://www.cqvip.com 龙 毅等：锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的测量 意义。 管子内壁氧化皮的乍长速度与运行时问遵循一 定的规律。对于碳钢而言，氧化膜增长的速度几乎 是线性的；对于诸女Il Cr—Mo，Cr Mo—V(如 l 5CrMo， l3CrM044，12CrMoV，15( rMoV，钢 1()2，HT7， STA22和 l0CrMo910等)类型的合金钢材来说，其 氧化膜增长的速度与运行温度及运行时间之间存在 复杂的指数关系。根据测量的受热面内壁氧化膜厚 度预测管壁当量温度，片J以判断管予在以往运行过 程巾管壁温度变化，这是基于管内壁氧化膜的生长 受到超温的温度羽1时间，介质的成分、压 和流速， 钢材的化学成分以及所形成的氧化膜的强度等诸多 网素的影响。氧化膜的厚度与运行时间的关系iIf表 示为 、 1gX 1-_A+ B × P LM P 二=T(2O+ lgt)× 10 (1) 式中 X 一氧化皮的厚度 A，B 一金属的材料系数 I MP_ I，M 参数 丁、 管子的 阜温度 卜 运行时间 利用以上公式，根据氧化皮厚度可以计算管子 的 Ij晕温度。 2 厚层内壁氧化膜的测量原理 2．1 测量原理 超声波技术可川米测量受热 管内罐氧化膜的 厚度。高频超声波测厚和常规超声波测厚虽然均采 用脉冲反射法，但两者有很大的不同，常规测厚也存 在钢／氧化膜的反射波和管内擘的反射波，但是南于 前者声 较小，在拾取信号时被抑制，所以常规测厚 的数值实际 包含了氧化膜的厚度。常规超声波测 厚采用较低的频率(一般≤5 MHz)，南于仪器频率 低，能区分的最小氧化膜厚度约为 1 mm，如此低的 分辨力显然不能满足氧化膜厚度测量的要求，而采 用高频超声波技术则w满足要求 。内壁氧化膜测 量采HJ较高的频率(一般>10 MHz)，顿率较高时， 超声波的指向性好；而超声波声掘与频率平方成正 比，较高的频率使能量更集巾，有利于收集反射回米 的信号；同时高频信号更尖锐和狭窄， 叮满足锅炉受 热面 I』、J鼙氧化膜厚度测鼍的精度要求。 从多年来对锅炉炉管的割管检查及超温爆管检 台结果的研究发现，氧化膜是一层与管壁金属基体 870 2006年第28卷 {1期 结合紧密、致密的氧化腐蚀产物，在 570℃以下时， 氧化膜 主要 南 Fe () 不1l Fe ()。组成 ，570℃以上时 则主要 由 Fe () ，Fc。O 和 Fe0组成，厚度一般在 0．1～l inFI1，并且氧化层山管壁的向火面到背火面 依次减薄。会属内表面最先形成致密的 Fe。O 氧 化膜，同时该氧化物层存在较多沟槽 ]，由于蒸汽不 断供氧，氧通过沟槽渗入到金属表面形成 Fe()，二 价铁离子可进一步氧化成二价铁离子形成 Fe。(。)。。 在高温条件下，蒸汽中含有一定的氧，随运行时间的 延长 氧化膜会逐渐生 K。管壁也因氧化膜的存在 导致有效壁厚减薄，管壁应力也相应增加；由于氧化 膜对炉管总的导热热阻影u向较大，从而导致管壁导 热性能变差，使管壁平均运行温度大大提高。长期使 管子金属处于超温状态，这是一 个恶性循环的过程， 当发展到一定程度时 ，最终导敛炉管金属的失效 。 由于钢／Fe O ／Fe。O ／界面两侧物质的密度和 声阻抗不同，这给超声波测量提供了可能。据资料 介绍，钢的声阻抗 Z 一4．53×10 g／cm ·s，Fe2()。 的声阻抗 Z 一2。5×1 0 g／cm ·s，Fe。O4的声阻抗 Z 一3．09×10 g／cm ·s，当超声波垂直入射时，在 不同声阻抗的物质界面产牛反射和透射，其声压反 射牢，一和声压透射率t的计算公式如下 ，一 一 一 ㈦ 式中 一 第一种介质的声阻抗 lI 一第二种介质的声阻抗 如图 1所示，由式(2)和(3)可算出当声波遇到 钢／Fe ()。界面时，反射声波声压 P 一一28．9 0 o；透 射后的超声波遇到 Fe ()。／Fe。() 界面后反射，再遇 到 Fe () ／钢界画透射，此时透射声波声压 P 。 === 9．7 ；而第一次透射的超声波遇到 Fe O。／Fe。() 图 1 入射、透射及反射声压关系 维普资讯 http://www.cqvip.com 龙 毅等：锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的测量 界面继续透射。遇到 Fe ()． 卒气界I ，ill于空气的 声I5}1抗近似为 0(0．()()O 04×10“g／cm · )，趟声波 _f_=乏射．卡日位相反， 依次透射过无反射 Fe () ／ F ()： 界【[i=f和 Fe ()．． 钢界面进入探头，此I1、J‘透射卢 波声压 P 。 一 90．6 。 幕十 f 述原理 ，根据声释 I1、J I'DJ的关 系，即得刮 巡 波 钢 氧化膜界嘲的反射波和炉管内 波 的传输时 筹 ，乘以声波在氧化膜中的传播速度· -tJ‘算m l』、J壁氧化膜的厚度。即 S 一 ， (4) 式 fl S 声程 ⋯ 一声速 at 传输时间差 氯化膜测1 dt．与通常的 A型超J 波探伤 同，采 川个波检测， 为拾取的第 一次反射波干I1第_次反 冉经透射的声波 入射波相位十u反， 2就是实 际洲J (氧化膜 度约为 0．22 mm)叫 的 形 。罔中 十}{t 线刈应的超声波声压分别为 祠l P ，而竖 线之问波峰对啦的声 就足 P 。占，即为拾取两根 竖线之 I的 离 ，根抛式(4)，,j-得⋯氧化膜的厚度。 2 瓴化 测节时 的波彤 2．2 测量特例分析 从大 榆验的实际情况看，锅炉炉管 壁氧化 膜厚度一般<：0．4 17171FI]．。如果锅炉住超温条件 运 行时『口J过长，在某些特定部件，如阿热器，就会 j¨观 炉管内壁氧化膜厚度异常的情况。实际中曾遇到内 壁氧化膜厚度约达 l n m 的例子 。口 通常外 氧化 腐蚀也较为 重。由于 K时问运行 含氧蒸汽巾， l『Jll之超温影响，炉管IJ,I壁氧化膜会出现分层现象，甚 至⋯脱 Fc!()。和 Fe ；() 分 交错 的现象 。南 I 述 理 J．知，体现在氧化膜测量 除了第一次反射波 下¨最后 次反射波为反相 口_声压幅值较大外， 个 反十【J声压之间还仔在多个正相的趟声波，这是 问 声波透射和反射的结果( 3)。这时仪器系统本身 不能自身拾取信号，需要人工7 JIl以判断。 障■手 档措旺 藏■进 一 ●fi一 * 嵩赢●母 乜■藏II避I 蛐 r豫 蜘—时拇西 i丽 ； 荆啦量时蕊——一 碡膏匿 —————一 化t ————一 ＼^ ， 一 V 塑I哟 J e墅!±兰I曼 塞I!垒I 篓曼墨I曼妾 I璺 苎I墨堂I 图3 厚层氧化膜jIl!lJ 时的波形 3 应用实例 某电 一台锅炉投产以来，运{i约 6×10 l1．『f} 热 器材 质 为 10CrMo9 10，规 格 为 56 51 mm× 5．4 I't'tnl。对再热器出『1段进 行氧化膜测母时，发现 一 处符子表 仔在裂纹。裂纹处管子外壁有厚氧化 结焦 ，战厚约 2 Film，l～壁有较厚的氧化膜 。裂纹 朝 向火 。． 长形，最宽 处约 1 m⋯，长度为 70 mm。lC,1火面管壁 u月显减薄，自 效金属啭厚坡薄 处仪剩余 2mm。管子无『i月 变形( 4和 5) l习 5 墙 J 管子背火面的金相组织 为贝氏 ，碳化物开始 向品界聚集(图 6)；向火而的氽相组织 为 氏体 ，碳 化物已经明显粗大，并且已向占占界聚集(图 7)，具有 K期超温爆管的微观特征 ；向火I 内壁 u月 氧化 膜 ， 度最厚处达 1．1 mm(冈 8)，从I到叫l I『『明显看 出氧化膜存在分层现象，选取某点测量的氧化膜厚 度曼¨图 3所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 龙 毅等：锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的测量 图 6 背 火面组织 300× 图 7 向火向金相组织 800× 4 结论 (1)利用高频超声波可以有效地测量锅炉受热 面管子内壁氧化膜的厚度，但在测量厚层氧化膜时 内壁氧化膜 图 8 内壁氧化膜 3ox 需要人工判断 。 (2)锅炉受热面内壁氧化膜壁厚测量对锅炉的 检验与维护有一定的指导意义。 参考文献： [】] 容銮恩．电站锅炉原理[M]．北京：中国电力出版杜， 1997． E2] _吴非文．火力发电厂高温金属运行rM]．北京：水利电 力出版社 ，l979． [3] 李金峰，郝红卫，李海江．管擘金属层和氧化皮厚度高 频超声波测量系统的建 EJ]．河北电力技术，200I，20 (3)：43—46． [4] 刘志华。锅炉给水加氧处理技术及其在 1021 t／h锅炉 上的应用[J]．吉林电力，2003，(3)：7—1O． 爿l 爿l 爿l 爿l 爿ln 爿l 1 爿l 爿l订 爿l A 爿l 爿l (上接 第 564页 ) 计算时对线圈及裂纹进行了比较密的网格划 分，而其余部分采用较低精度的自由网格划分，因 此，结果不算非常精确。计算位置 1( ==0．0 ram) 时的节点数为 94 275，单元数为 70 188，棱边数为 82 270，在个人计算机(P4 l_6G，256M)上计算约需 100 min 有限元计算结果与网格密度具有很大关 系。如果划分的网格过于稀疏，则难以达到高的精 度；而网格过密，则造成计算量过大，对计算机性能 提出了更高要求。如果想达到更高的计算精度，则 需要更多的单元网格和计算时间。 5 结论 利用有限元方法 ，对涡流检测 中的电磁场问题 进行数值计算，正获得越来越多的重视和应用 但 如何衡量计算结果的有效性，则成为应用中的一个 基础问题。为此 ，针 对 TEAM 组 织提 出的 Work— shop问题进行了求解与分析。通过空芯线圈的阻 抗计算，验证了有限元计算的准确性；最后，对线圈 572 2006年第28卷第11期 检测裂纹问题中的阻抗变化进行了求解，得到了比 较好的计算结果。与体积积分方法相比，有限元方 法不需要对模型进行简化处理和复杂公式推导 ，通 过三维建模能方便、灵活地处理检测对象，因此，在 电磁场数值分析与应用方面更具有通用性和利用 价值 。 参考文献 ： [1] Bowler JR，Joukins SA，Sobbagh LD．Eddy current probe impedance due to a volumetric flawEJJ．J Appl Phys，l99l，7O(3)：l107一 lll4． [2] 陈德智，王 彬 ，邵可然，等．裂纹检测中的涡流场计算 [j]．无损检测，2000，22(3)：99—105． [3] 金建铭．电磁场有限元方法[M]．西安 ：西安电子科技 大学出版社 ，2001． [4] 谭根祖 ，汪乐宁．电涡流检测技术[M]．北京：原子能出 版社 ，l986． [5] 美国无损检测学会编，《美国无损检测手册》译审委员 会译．美国无损检测手册 -电磁卷[M]．I-海：世界图 书 版社 ，l996． 维普资讯 http://www.cqvip.com