管子内壁氧化皮测厚和寿命诊断技术的应用

管子内壁氧化皮测厚和寿命诊断技术的应用
李治发 华能珞璜电厂
摘 要：较为简要地介绍了高温锅炉管的内壁氧化皮测厚和寿命诊断的步骤和方法，肯定了该方法在电厂中的实用价值。

关键词：高温锅炉管、过热、寿命诊断、内壁氧化皮、拉伸性能、当量金属温度、蠕变断裂。

1 引 言
锅炉的“四管”泄漏是火力发电厂机组非计划停运的主要原因之一，且在目前煤炭质量日益下降的情况下，该现象显得尤为突出，因为媒质的下降而引起锅炉燃烧的不稳定以及受热面管磨损的加剧，从而造成锅炉运行中的爆管。

锅炉运行中的爆管事故的原因主要集中在磨损、腐蚀、疲劳、应力裂纹、过热、异物砸伤等六个方面。

针对不同的原因可以采取不同的预防措施，而对于因过热所导致的爆管，则可以通过快速、无损的锅炉管寿命诊断技术来积极主动地预防。

2 锅炉管寿命诊断步骤介绍
锅炉高温受热面管（高温过热器、高温再热器和屏式过热器的统称）寿命诊断采用现场检验与实验室检验相结合的综合诊断方法。

其主要方法和步骤如下：
2.1 现场检验
1)宏观检验：对高温锅炉管的表面状况进行外观检查；　
2)金属壁厚测量：对高温锅炉管不同标高部位的金属管壁厚度采用新的超声示波测量方法进行精确测量；　
3)内壁氧化皮厚度测量：对高温锅炉管不同标高部位的管内壁氧化皮厚度采用新的超声示波测量方法进行精确测量，以评定管段当量金属温度和超温状况；
4)管子外径测量：对高温受热面管的管子外径进行抽样测量，以评定管段蠕变胀粗状况，应力状况及腐蚀状况；
5)管子硬度测量：对高温锅炉管硬度进行抽样测量，以评定管段组织状态及力学性能；
6取样：依据现场检验的初步结果，割取有代表性的管样，用作实验室精确检验与测试分析。

　
2.2 实验室检验与测试
实验室检验的目的是为了精确全面地测试管段材料老化和性能劣化的各项特征参数，确定其变化程度和变化速度，以便进行更精确的状态评估及寿命评定。

通过现场检验和实验室检验，综合分析现场普查和实验室典型管样检查的全部数据，从而确定部件的实际使用状态及测定的每根管子的剩余寿命。

取样的高温锅炉管在实验室检验与测试的主要内容包括：　
1） 化学成分检验；
2）金相组织检验；
3）金属氧化特征微观检验；
4）显微硬度检验（包括向火面、背火面）；
5）室温拉伸性能检验；
6）高温拉伸性能检验；
7）材料老化程度分析。

2.3 计算、评估
1）确定部件的温度、应力水平　
①材料老化状态评估：给出各部位材料老化和性能劣化的特征，确定老化状态，包括壁厚减薄，胀粗、表面腐蚀等状态的确定。

　
②金属部件当量温度计算：采用氧化分析法，硬度分析法等方法，对各个部位的管壁金属当量温度进行计算。

③ 管壁应力计算：采用实际测得的直径和壁厚数据，对每个部位的管壁实际周向应力水平进行计算。

2）确定部件实际使用寿命及寿命损伤度
采用综合考虑材料老化状态、性能劣化程度、强度分析方法评估过热器和再热器的实际可使用寿命(剩余寿命)。

依据运行资料对超温所引起的寿命损伤程度进行相应的评估。

3 管子内壁氧化皮厚度检测设备和剩余寿命诊断方法
超声波氧化层测量设备由超声脉冲发生/接收器、示波器及高频探头组成。

仪器能测得的最小氧化层厚度值称为测量下限。

因此在该测量下限的内壁氧化皮厚度是测量不出来的。

图1为示波器上显示的金属/氧化层界面及氧化层背面的射频回波。

示波器可同时测量超声波在管壁金属中的传播时间和在氧化层中的传播时间，测量精度为8ns。

再按试验测出的氧化层超声波声速求得内壁氧化层厚度。

超声波在钢中的传播速度是一定的，因而很容易由超声波在管壁金属中的传播时间来计算剩余金属层壁厚。

图1 管子内壁有氧化层时的射频回波
一定材料的高温锅炉管内壁氧化层的增长厚度与其在该段服役期内的当量金属温度满足相应的方程式，如（1）、（2）：
15.273)4678.0log(2log −−+=x t b a T (1)
15.273)log 220()001.0log(−++=t b a x T (2)
式中：T——当量金属温度（℃）
X——管子内壁氧化层厚度(mm)
t——管子已运行时间（h）
a、b——材料常数
该公式在高温区和较低温度区具有不同的a、b常数，反映出当量金属温度与内壁氧化皮厚度的关系曲线是两条不同走向的曲线相交于某一温度点，该温度点T 0称为分界温度。

高温锅炉管的寿命诊断正是基于当量金属温度及运行应力的Larson-Miller 公式（3）：
T
C T C T C T C C t r σσσ3423210log log log log ++++= (3)
式中：t r ——蠕变断裂寿命（h）
T——当量金属温度(K)
б——运行应力(Kgf/cm2)
C 0、C 1、C 2、C 3、C 4——材料常数 考虑各管段在今后的使用中由于氧化、磨损或腐蚀将使壁厚明显减薄，它所导致的应力升高改变了原有的蠕变速率，会造成实际寿命缩短。

因此，理论计算寿命的诊断是采用考虑壁厚减薄率的经验公式(4)：
()})11(1{111n r rem
t n K K t −+×−×−×= ………………………（4） 式中： t rem ——理论计算寿命(h）
t r ——蠕变断裂寿命(h）
n——应力敏感系数，通常取4～8
K——壁厚减薄率(mm/h)
4 寿命诊断和评估的应用
利用设备检修的机会对某火力发电厂的高温锅炉管不同部位的2000多个点进行了内壁氧化皮的测厚，本次测量下限值为0.150mm。

通过检测发现高温再热器管的内壁氧化皮最厚达0.365mm，而屏式过热器的内壁氧化皮最厚达0.432mm，说明高温锅炉管或多或少确实超温的现象。

同时通过实验室的组织分析和性能试验以及相应的计算，有的管子的剩余寿命只有18000小时，说明高温锅炉管经过一定时间的运行，其应力状况和当量金属温度会发生变化。

5 结 论
通过内壁氧化皮的检测以及综合手段的寿命的诊断和评估，能够有效地防止高温锅炉管超温爆管的发生，为电厂的安全运行提供了可靠的技术支持，也为电厂检修提供了相关信息。