黄斌
广东大长安检测有限公司 广东茂名 525000
摘要：本文主要针对锅炉受热面管氧化皮的超声波检测展开了探讨，详细阐述了氧化皮生成的机理和危害，并对超声波检测技术的应用作了系统的分析研究，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：锅炉；受热管面；氧化皮
锅炉受热面管若产生氧化皮将会对锅炉的运行有着极大的危害。因此，对锅炉受热面管氧化皮进行检测历来都是预防锅炉爆管的重要手段。而超声波技术的应用，则对锅炉受热面管氧化皮的检测有了极大的帮助。基于此，本文就锅炉受热面管氧化皮的超声波检测进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定帮助。
1 氧化皮的生成机理及危害
1.1 氧化皮的生成机理
在亚临界及以上机组的锅炉高温段受热面管内，过热蒸汽温度都大于540℃，此时的高温水蒸汽与金属材料中的铁直接反应，生成Fe3O4并放出H2，且温度越高，这种蒸汽腐蚀就越剧烈，具体化学反应式如下：
3Fe＋4H2O→Fe3O4＋4H2 （1）
蒸汽温度的不同反应产生的氧化皮组成也有所区别。当温度小于570℃时，产生的氧化皮主要由Fe3O4和Fe2O3构成，形成的氧化皮组织较为致密，可以避免基体母材的进一步氧化；但当温度大于570℃时，产生的氧化皮主要由Fe2O3、Fe3O4和FeO构成，其中Fe2O3在最外侧，Fe3O4在中间，FeO在最里侧，此时形成的氧化皮组织疏松，致密性差，易受外界作用，从而使基体母材不断与高温水蒸汽发生化学反应，加剧了氧化皮的生成。
1.2 氧化皮的危害
高温受热面管氧化皮问题一直是困扰电站锅炉安全运行的重要因素。氧化皮的导热系数比基体母材低，当产生氧化皮后，会影响传热效果，易造成管壁超温，管壁超温反过来又会使氧化皮的厚度增加，如此形成恶性循环。此外，由于氧化皮塑性和热膨胀系数与基体母材差别较大，在锅炉启、停过程中，管内壁氧化皮极易产生脱落，造成堵塞爆管。因此，在检修期间对高温受热面内壁氧化皮进行厚度测量，及时监控氧化皮的情况，对机组安全经济地运行具有重要意义。
2 内壁氧化皮厚度测量的基本原理
受热面内壁基体金属在高温下与水蒸汽反应生成了氧化皮。该层氧化皮与管内壁基体金属紧密接合，形成了一个固体与固体的紧密结合界面（氧化皮与内壁基体金属）。由于ｚ界面两侧物质的密度不同，声阻抗也不同，当超声波垂直入射到氧化皮与管子内壁的界面上时，会产生一定程度的反射，如图1所示。
其测量原理如下：首先由超声波探测仪发出高频脉冲电压，通过电缆送至高频探头，在探头中产生频率为15MHz的超声波，通过透声契及耦合剂将超声波传至被测管子的内壁中。当超声波遇到基体金属和氧化皮界面时，由于界面两侧的声阻抗不同，96％的声能会产生透射，4％的声能会产生反射，第1个反射回波会传至探头，并被转换成高频脉冲电压；而96％的超声波在穿过氧化皮背面时，会再发出一个反射回波，即第2个反射回波，如图2所示。利用超声波接收器接收2次反射回波信号，2个信号的到达时间差Δｔ则是超声波在2倍氧化皮厚度中的传播时间，根据超声波在氧化皮内的声速ｖ可获得管内壁氧化皮和基体金属的有效厚度d＝vΔt/2。
图2 氧化皮超声波检测回波示意图
3 现场测量
3.1 超声波测厚仪测量情况
该台锅炉的末级过热器管布置在水平烟道中，材质为12Cr2MoWVTiB，管子规格为φ51mm×9mm，从炉右至炉左共90屏，投运时间约为8.5万h。检验用仪器为Karl Deutsch公司生产的型号为Echograph ODS2002的氧化皮测厚仪，能分辩出厚度＞0.10mm的氧化皮回波，测量精度为±0.05mm，同时配有1个频率为15MHz、晶片尺寸为φ3mm的纵波直探头，现场测量值见表1。
表1 1#炉末级过热器（炉后侧）内部氧化皮测量数据（mm）
现场分别对右数第23～27屏、第46～52屏、第54屏和第80～89屏末级过热器炉后侧第1根进行测量，共计抽查了36点。其中测点－1位于末级过热器U型弯头上方1m处，测点－2位于末级过热器U型弯头上方0.4m处。从测量数据可以看出：所抽部位普遍存在氧化皮，其中最大值出现在右数第47根上的测点－2位置，厚度已达0.2948mm（氧化皮测量回波见图3所示）。
图3 测点47－2氧化皮测量波形图
3.2 内窥镜检查情况
为了检查末级过热器管内壁氧化皮的真实状况，现场又对部分末级过热器管进行了内窥镜检查，检查发现：管内壁的确普遍存在氧化皮，与超声波测量结果一致，且部分管子内壁的氧化皮已发生大面积脱落（见图4和图5），个别严重的已在弯头部位形成了堆积（见图6），对锅炉的安全运行已构成了一定威胁。
图5 末级过热器管内壁氧化皮脱落堆积情况
图6 末级过热器管弯头部位氧化皮脱落堆积情况
3.3 显微镜测量结果
为进一步验证超声波检测的准确性，对右数第10排，前数第20根末级过热器管进行了割管取样。制成试样后，在金相显微镜下测量出试样内壁的氧化皮厚度（见图7），测量数据见表2。同时，用氧化皮超声波测厚仪对试样的同一部位也进行了多次测量，测量数据见表3。
表3中氧化皮厚度的平均值为0.2786mm，而表2中氧化皮厚度的平均值为0.2712mm（271.23μm），两者相差仅为0.0074mm，误差率仅为2.73％。可以看出，氧化皮超声波测厚仪现场测量得出的数据在仪器量程范围内比较准确，与试验室显微镜下测量的误差不大，在工程应用上能够接受。
表3 1#炉末级过热器（割管）内壁氧化皮厚度测量值
4 结语
综上所述，锅炉作为工厂中的必备设施，但其受热管面容易出现氧化皮，威胁到锅炉的正常运行。因此，必须要对氧化皮进行定期检测，而超声波技术的应用，则为检测工作带来了极大的便利，相信通过不断的应用探索，超声波检测技术肯定会为锅炉受热面管氧化皮的检测带来更大的帮助。
参考文献：
[1]卞韶帅、黄新.锅炉高温受热面管内氧化皮应力分析的一种解析方法[J].锅炉技术.2014（01）.
[2]张俊伟.锅炉高温受热面管氧化皮检测分析[J].内蒙古电力技术.2015（01）.
论文作者:黄斌
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/10
标签：超声波论文; 内壁论文; 锅炉论文; 测量论文; 基体论文; 回波论文; 厚度论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;