氧化皮问题研究

3、铁磁性测量原理
奥氏体不锈钢为弱顺磁性物质，氧化皮为铁 磁性物质。 对铁磁性物质施加磁场，会使铁磁性物质所 占有空间的磁场发生较强变化； 对弱顺磁性物质施加磁场，其所占空间的磁 场无明显变化； 通过施加激励磁场，测量铁磁性物质磁化后 的磁场强度变化 ---- 即为我们所需的铁磁性测 量原理。
利用氧化皮的铁磁性进行测量 对所测锅炉管道施加一定规律的磁场，使得管内 氧化物被磁化，检测其相关的磁场强度，即可测 算氧化物的多少 通过多点测量及补偿，可以准确测定管道内氧化 物的形状和数量
氧化皮问题研究
（一）氧化皮问题现状及危害
1990年以后，我国火电机组蒸汽温度突 破超临界540℃/566℃限制，超超临界火电 技术出现，蒸汽温度达到600℃ /600℃。 参数的提高使机组效率提高，但伴随着出现 过热器、再热器氧化皮问题。
亚临界机组正常运行温度（541℃）此时炉内 钢管实际温度（ 541℃ ＋ 50℃ ＝ 591℃ ）； 超临界机组正常运行温度（571℃）此时炉内 钢管 实际温度（ 571℃ ＋ 50℃ ＝ 621℃ ）； 经研究蒸汽温度在538 ℃ 以下，锅炉一般不 发生氧化皮剥落的问题，而蒸汽温度在566 ℃以 上时不锈钢管料就会发生所生成的氧化皮剥落事 故，特别是超临界锅炉不可避免产生氧化皮脱落 堵塞管道，检修时必须检查。
低碳 钢和 低Cr 合金 钢温 度与 氧化 膜类 型图
奥氏 体不 锈钢 的氧 化层
Cr2O3和FeO Cr2O3的 尖晶石结构
2、氧化皮临界厚度
日本IHI和丹麦电业联合体ELSAM的研究结果：氧化 皮的成长存在边界效应，即随时间推移氧化皮将达 到临界厚度，此后氧化皮开始剥落，产生剥落的原 因主要是氧化皮与母材的膨胀系数不同，在载荷变 化迅速、锅炉启停等情况下，氧化皮易剥离。 氧化皮的临界厚度尺寸： 对于铁素体钢管，氧化皮厚度达到500μm时开始剥 落； 对于奥氏体钢管，Fe3O4氧化皮厚度达到100～ 200μm开始剥落。
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超声波测量氧化皮厚度示意图
2、脱落氧化物的检测
⑴割管抽检方法： ⑵射线拍照检测方法 ⑶采用无损检测方法进行
从管材内壁脱落的氧化皮 1．对奥氏体不锈钢，利用氧化皮本身的铁磁 性进行测量 2．对其他材料，目前尚无有效、简便的办法。 脱落后的氧化皮质地疏松，目前只有传统的射 线法可以测量。
材 料
线膨胀系数
(×10－6m/℃)
TP304
TP347H
Fe3O4
Fe2O3
FeO
Байду номын сангаас
19.1
18.9
9.1
14.9
12.2
4、氧化皮剥落与温度变化的关系
⑴奥氏体不锈钢管的氧化皮剥离仅限于外层，而铬钼钢 的氧化皮则内外层一起剥离。 ⑵在降温过程中氧化皮由于受到压应力，易于发生剥落， 特别是在350℃附近会剧烈剥落。 ⑶在较高温度下剥落的氧化皮为片状，在较低的温度下 剥落的氧化皮为粉状。 ⑷氧化皮在升温过程中，在200～300℃时也会发生氧化 皮的剥落，但剥离量比降温过程少。
（三）、氧化物在钢管内堆积堵塞的形式及风险
（四）、氧化皮的测量
1、氧化皮的物理形式 ⑴未脱落的氧化皮 ① 对奥氏体不锈钢，通常剥离的氧化物仅仅是磁性Fe3O4，厚 度为10µm-200µm。内层的铁铬尖晶石通常不脱落。 ② 对铬钼钢管氧化皮，内外层同时剥离，剥离层厚度一般超 过0.2mm ⑵已脱落的氧化皮 所产生的氧化皮达到一定厚度（比如0.1mm）后，在温度波动、 特别是停炉时，容易因为热应力剥落，堆积在管道弯头部位。 ①奥氏体不锈钢 ②其他材料
氧化皮主要造成两类安全性问题： ⑴管道的蒸汽侧氧化导致锅炉局部过热， 超温爆管，降低机组可用率 ⑵汽轮机叶片固体颗粒侵蚀（SPE）
氧化皮堵塞造成锅炉爆管
对汽机造成的损坏
（二）蒸汽侧氧化与氧化皮的剥落
1、氧化层形式
低碳 钢和 低Cr 合金 钢温 度与 氧化 膜类 型图
低碳 钢和 低Cr 合金 钢温 度与 氧化 膜类 型图
发现的问题(1)
（五）、奥氏体不锈钢氧化物的的预防
对于氧化物高峰期的锅炉，停炉前尽量低负荷 运行一段时间，使高负荷运行期间生成的氧化物尽 量带走，防止氧化物脱落堵塞启动时爆管。停炉时 尽量滑停，减少氧化物的脱落，检修时避免敲击管 子，预防氧化物脱落，并最好进行检测，消除氧化 物堵塞的弯头。启炉时尽量平稳，并有意增加少量 压力，使启动过程中脱落的氧化物随着汽流带走， 减少氧化物沉积堵塞弯头引起爆管。运行时尽量避 免大的工况异动，严禁超温超压运行，防止运行中 氧化物脱落堵塞爆管。
2、未脱落氧化皮的测量
⑴未脱落的氧化皮附着在钢管母材上 ⑵脱落前厚度范围为0—100µm/0.2mm ⑶氧化皮和管材的弹性模量、声阻抗不同 ⑷超声波从一种介质传播到另一种介质时， 在介质的分界面上，一部分能量反射回到原 介质内，成为反射波，声阻抗相差越大，反 射越多
⑸通过测量反射回波的时间，测量氧化 皮/金属基体的厚度 ⑹工作频率0.5-5MHz，专用仪器
3、氧化膜易剥落的原因
一方面，水蒸汽在氧化金属的过程中释放的 氢质子，除了产生氢气以外，还可以在氧化膜 中形成氢缺陷，或穿过氧化层直接在金属基底 反应，在金属/氧化膜界面处会产生很高的氢压， 因而进一步促进氧化膜生长和剥落。 3Fe ＋ 4H2O＝ Fe3O4＋4H2↑
另一方面，氧化皮的主要成分是Fe3O4和少量 Fe2O3，铁氧化物与母材热膨胀系数之间有较大差异。 所以，氧化层达到一定厚度后，在温度发生变化时， 氧化皮很容易从金属本体剥离。 下面是热膨胀系数表。