电站锅炉不锈钢管氧化皮检测 技术与应用

0 引言

随着我国电力建设的快速发展，新投产的机组逐步向大容量、高参数方向发展[1]。由于锅炉运行的蒸汽压力和温度的提高，需要管道耐热能力更强，所以锅炉在设计制造过程中越来越多地采用了诸如TP304H、TP316H、TP347H等奥氏体不锈钢[2]。随着锅炉运行时间的增长，在锅炉过热器和高温再热器管道内部会逐渐生成氧化皮，而氧化皮与不锈钢管道基体的热膨胀系数相差较大又导致锅炉在载荷变化迅速、起停等情况下氧化皮容易剥落。剥落的氧化皮会堵塞管道引起局部过热，严重时甚至导致过热器、再热器爆管；同时剥落的氧化皮被带入汽轮机，引起固粒侵蚀导致损伤汽轮机叶片，污染水汽品质。因此，在检修过程中检测到氧化皮对机组安全运行至关重要[3]。

目前电站锅炉普遍采用射线探伤法对锅炉管道内沉积的氧化物进行无损检测[4]，使用该方法的缺点是检测费用昂贵；检测灵敏度低，对于数量较少的沉积氧化物难以从图像上辨认确定；由于射线放射源具有危害性，取得结果的工艺进程较慢，不利于缩短锅炉检修工期，影响电厂的经济效益。因此，急切需要一种有效的无损检测技术来准确检测管道中氧化皮的剥落情况。

1 检测原理

在不锈钢管外壁加一稳恒强磁场，当管内不存在氧化物时，由于不锈钢管为非磁性的，磁场分布几乎不受影响；当不锈钢管内存在氧化物时，氧化物将会被外部强磁场磁化，在氧化物内部形成磁路，磁场分布将会发生变化，此时磁场将包含管道内磁性氧化物的信息。因此可以从管道外部利用磁场敏感元件检测被磁化的氧化物产生的杂散磁场信号，并通过敏感元件将其转化为电信号进行检测。原理图如图1所示，其中实线表示稳恒磁场的磁通线在局部区域的分布情况，虚线表示该稳恒磁场产生的杂散磁场的磁通线分布情况。该磁性无损检测法具有下列优点：

（1）检测安全、可靠、灵敏度高。该磁性无损检测方法使用稳恒磁场产生直流输出信号，磁场强度、电源电压以及输出信号都处于安全范围内；又由于检测装置中的敏感元件对磁场非常敏感，所以当氧化皮很少时也可以检测到，具有很高的灵敏度。

（2）由于附着在管壁上的氧化皮受到外磁场作用时可以完全类似于已经剥落沉积下来的氧化皮那样被磁化而产生杂散磁场，所以可以对仍附着在管壁上的氧化皮进行无损检测。

（3）对工作环境要求比较宽松，不需要对检测管道外部进行特殊清理，只要保证没有强磁性物质即可。

2 检测仪器

2.1 硬件部分

电站锅炉不锈钢管氧化皮检测系统的硬件组成如图2所示，主要包括传感器模块、信号调理模块、供电模块和主机模块。仪器的外围设备包括按键、LCD显示屏、SD卡和与计算机连接的USB线等。

磁性传感器将不锈钢管内的氧化皮信号采集出来，并将其转换为电信号，经过信号调理电路将信号滤波、放大后送到主机，主机将检测信号进行处理后送到LCD显示器进行显示，以方便检测人员进行实时查看，同时还可以将检测数据保存到SD卡，保存的数据通过USB线可以传输到计算机上，方便对检测数据进行查看和分析。供电系统主要负责为信号调理电路、主机、LCD显示器及SD卡提供电源。为了保证仪器的携带及使用方便，仪器供电由小巧的可充电锂电池提供。充电通过外接220V电源完成，在充电的同时仪器仍然可以正常使用，此时仪器供电由外界电源提供。

2.2 软件部分

仪器软件实现了信号检测、文件保存、文件查看等功能，主要包括检测模块和文件模块，软件功能框图如图3所示。

检测模块主要负责不锈钢管的氧化皮检测，检测仪会将检测的一根不锈钢管内氧化皮的最大数据存入主机，同时为满足检测失误而必须重新检测的需求，仪器还可以返回到相应管的编号处进行重新检测；文件模块包括两个功能：保存检测数据和查看检测数据，使用者可以根据自己的需要输入文件名来保存检测管屏的数据，还可以通过“打开文件”将检测数据保存到以前已命名的文件中，通过USB数据线的传输，可将保存的检测数据上传到计算机，有利于对电站锅炉不锈钢管的安全运行提供分析和评价。

2.3 性能指标

氧化皮检测仪的整体图如图4所示，由主机、传感器、充电器和USB数据传输线组成。仪器的性能指标为：

（1） 中文菜单操作提示，检测数据数字化显示；
（2） LCD小型液晶显示器；
（3） 检测精度：1mV；
（4） 检测误差：小于20mV；
（5） 调零：自动调零；
（6） 传感器大小：17×40×41mm  h,w,l  传感器小巧，方便检测；
（7） 数据存储量： 2G；
（8） 可将存储的检测数据上传至电脑，利用计算机进行查看、分析；
（9） 供电：锂电池供电（连续供电时间：8小时），也可用220V电源供电；
（10）电池寿命：重复充放电500次以上；
（11）工作温度范围：-20℃～＋45℃。

3 实验分析

3.1 检测信号随氧化皮重量变化的实验

向管型为Φ45*2.5，Φ50.8*4，Φ51*7的不锈钢管内加入重量依次增加的氧化皮，用电站锅炉不锈钢管氧化皮检测仪进行检测，分别记录检测到的信号值。图5为根据检测结果绘制的检测信号随氧化皮重量变化的曲线。

其中，横轴为氧化皮的重量，纵轴为检测仪器读出的信号值，实线、虚线及点划线分别表示管型为Φ45*2.5、Φ50.8*4及Φ51*7的不锈钢管内氧化皮信号随重量变化的情况。从图中可以看出，曲线可以分为三段：变化迅速区、变化缓慢区和基本不变区。以管型为Φ45*2.5的不锈钢管为例，氧化皮的重量在8g以内时信号值随氧化皮重量的增加变化比较快，基本呈线性关系；氧化皮的重量在8g到16g之间时信号随氧化皮重量的增加变化比较缓慢，但检测信号仍呈上升趋势；当氧化皮的重量超出16g时，检测信号基本保持不变，随着重量的继续增加检测信号将趋于饱和。

3.2 检测数值随氧化皮厚度变化的实验

向管径为44.2mm,管壁厚度分别为 0.9mm，1.36mm，1.82mm，2.28mm的纸制管（模拟不锈钢管）中分别加入厚度依次增加的氧化皮。具体方法是以2mm氧化皮厚度为单位，逐次加入氧化皮。为了保证实验的准确性，将硬纸板剪成长方形，放入管道中，与管道所围成的空间中加满氧化皮。图6为检测信号随氧化皮厚度变化的曲线。

其中，横轴为氧化皮在不锈钢管中的厚度，纵轴为检测仪器读出的信号值，实线、虚线、点线及点划线分别表示管壁分别为0.9mm、1.36mm，1.82mm，2.28mm的不锈钢管内氧化皮信号随厚度变化的情况，曲线变化趋势与图5类似，这里就不做具体分析了。

通过对检测信号随氧化皮重量及厚度变化的分析可知，不锈钢管内氧化皮的含量在一定的范围内时，仪器对氧化皮量的变化有很高的灵敏度，检测信号能准确地反应管内氧化皮的量。

4 现场应用

4.1 实例1

电站锅炉不锈钢管氧化皮检测仪在珠海、福州、汕头、汕尾、泰州、贵港、潍坊等电厂进行了大量的应用，并取得了良好的效果。图7为现场检测的图片。

我们在某电厂用氧化皮检测仪检测完后，选取仪器读数分别为248和327的两根不锈钢管用射线进行拍片，结果如图8所示。其中左图为检测仪器读数为248的不锈钢管，右图为检测仪器读数为327的不锈钢管。从图中可以看出，左图氧化皮的量明显少于右图的氧化皮，因此氧化皮检测仪检测与射线拍片的结果基本吻合。

4.2 实例2

某电厂500MW机组锅炉在运行3万多小时后，采用该技术对4000根不锈钢管进行检测。检测结果表明有多根不锈钢管堵塞严重。进行了气流吹除后，多个部位堵塞。最后根据检测数据由大到小将300余根管弯头割开处理，最多的弯头处取出氧化皮1600余克。检测处理后，一次点火成功。

5 结论

本文基于对电站锅炉不锈钢管氧化皮检测的工程需求，提出了磁性无损检测方法，设计并研制了不锈钢管氧化皮检测仪器，进行了大量的实验研究，并开展了大量的现场应用工作。实践表明，该氧化皮检测仪具有携带方便，操作简单，检测速度快等优点。因此，氧化皮的磁性检测方法为锅炉管道的整体氧化腐蚀状态的评估提供了有效的数据支持，必将产生巨大的社会效益。

参考文献：

[1] 唐海宁，大容量电站锅炉金属氧化皮问题综合分析[D]，东南大学硕士学位论文，2006.3：1-2.
[2] 朱建臣，李云飞,王玉兴，奥氏体不锈钢管内壁氧化物脱落原因分析及检测方法探讨[J]，电力设备，2008，2：58~60.
[3] 梁学斌，何文，王树伟，高温氧化皮的问题探讨和防治[J]，华北电力技术，2007，增刊2：128~130.
[4] 彭欣，李友庆，曾劲松等，基于新型无损检测仪的奥氏体锅炉管内壁氧化皮堵塞爆管探析[J],华北电力技术，2008，6：47~50.

作者简介：丁克勤，1968年9月生，男，研究员，从事无损检测领域的研究。
通讯地址：北京朝阳区和平街西苑2号楼，邮编：100013，手机：13910579725，电子邮箱：kqding@sina.com。

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