火力发电厂炉管内壁氧化皮厚度超声检测

第２４卷第２期　Ｖｏ１．２４．Ｎｏ．２　２Ｏ１４年６月　Ｊｕｎｅ　２０１４　火力发电厂炉管内壁氧化皮厚度超声检测　耿晓锋，魏克湘，覃　波　（湖南工程学院机械工程学院，湘潭４１１１０１）　摘　要：介绍了炉管内壁氧化膜的形成机理，阐述了炉管受热面氧化膜测量的原理及测量过程．并结合　工程实例，对采用超声波检测炉管内壁氧化膜厚度的方法进行了介绍．结果表明，炉管氧化皮厚度超声　检测对锅炉管道的维护与检测有重要的指导意义．　关键词：炉管受热面；氧化皮厚度；超声波检测　中图分类号：ＴＭ６２１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１一ｌ１９Ｘ（２０１４）０２—００２３—０３　０　引　言　度的方法进行了介绍・　在火力发电厂中，锅炉炉管爆漏事故一直是影　１炉管内壁氧化皮产生机理　响火电机组安全的主要因素之一＿１］．爆管的主要原　因是锅炉炉管一直都在高温、高压的环境下运行，长　大部分老火力发电厂炉管的材料为Ｃｒ—Ｍｏ、　时间处在这种恶劣的环境下，炉管内壁与高温蒸汽　Ｃｒ—Ｍｏ—Ｖ等类型的合金钢材．在高温高压下，炉　反应产生氧化皮『２］．氧化皮的形成使得炉管壁厚减　管内壁会与水蒸气发生反应，生成与金属基体接合　小，在高压的环境下，管道的蒸汽氧化导致锅炉局部　紧密、致密的氧化层．研究表明，热力系统高温氧化　过热，超温爆管，降低机组可用率，严重时产生爆管　是氧化性气体（水蒸汽）在高温条件下与金属反应的　现象＿３］．其次，炉管内壁生成的氧化皮随着高压蒸汽　过程为：　冲到汽轮机叶片上，侵蚀叶片　］．由此可知，避免炉　３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ—Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ　２　ｔ　（１）　管爆管而导致的机组停机并提升机组可用率的关键　氧化皮的成分为铁的氧化物，如：Ｆｅ。Ｏ。、Ｆｅ。（）　等．　就是检测炉管管壁的厚度．　管内壁受高温蒸汽的氧化和腐蚀作用形成氧化　对于炉管内壁氧化皮，目前有很多检查方法＿５］，　和腐蚀层，其厚度随着运行时间的增加而增加．氧化　例如金相法、Ｘ一射线法、低频超声法等．金相法能　层的厚度由向火面向背火面逐渐减薄，同时金属管　够精确的检测到氧化皮的厚度及其成分组织，但只　壁厚度减小．图１为管壁层厚度构成示意图．由图１　有将炉管内的氧化皮取出来做成样品才能进行研　可以看出，随着氧化层厚度增大，金属管壁厚度减　究，不能达到无损检测的目的．而射线法检测氧化皮　小．在氧化皮比较厚的地方金属管壁薄，最容易爆　精度高，但是射线对人体辐射较大，并且一般电厂锅　管，因此我们要在向火面检测．　炉检修都是交叉作业，那么射线检测不适合在这种　场合来检测炉管内的氧化皮．低频超声检测法一般　用于检测管壁厚度，正是由于它的频率不高，因此它　的精度不高，不能精准的检测氧化皮的厚度．　本文介绍了炉管内壁氧化膜的形成机理，阐述　了炉管受热面氧化膜测量的原理及测量过程，并结　一、　合工程实例，对采用超声波检测炉管内壁氧化膜厚　收稿日期：２０１４—０１—１６　基金项目：湖南省科技计划资助项目（２０１４ＧＫ３ｌ１７）　作者简介：耿晓锋（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向：无损检测　２４　湖南工程学院学报　２０１４年　２无损检测方法　受热面管内的氧化皮厚度可以用高频超声技术　来测量．金相法不能无损检测到管内的氧化皮；射线　法不适合在交叉作业的场合下检测；低频超声法由　于频率低（一般其频率小于５　ＭＨｚ），只能检测出厚　度最低为１　ｍｍ的氧化皮，而炉管内的氧化皮一般　都只有零点几毫米，所以不能够精准的检测出管壁　内侧的氧化皮厚度．使用高频超声检测法来检测氧　化皮厚度，其采用了脉冲反射法，频率大于１０　ＭＨｚ，能够检测到零点几毫米厚的氧化皮，并且操　作简单，灵敏度高．　２．１超声波探测原理　氧化皮是在金属基体结合紧密、致密的氧化腐　蚀产物，其组成的主要成分是ＦｅＯ、Ｆｅ。Ｏ。、Ｆｅ。Ｏ　，　厚度在０．１～１　ｍｌ＂Ｉ１之间，并依此沿背火面减小．管　壁因为有氧化膜的存在导致了有效壁厚减小，组织　应力增加；氧化膜对炉管的导热热阻影响比较大，影　响了炉管的热性能，长期使炉管处在高温下，炉管产　生爆管现象．　由于钢和氧化膜界面两侧物质的密度和声阻抗　不同，为超声波检测提供了条件．由相关资料可知，　钢的声阻抗Ｚ钢一４．５３×１０　ｇ／ｃｍ　Ｓ，而氧化膜的　声阻抗为Ｚ氧化膜一３０９×１０　ｇ／ｃｍ　・Ｓ．　当超声波垂直射入时，在不同的声阻抗的物质　界面上，超声波会产生透射和反射．其中声压反射　率：　Ｚ钢一　钢一　———　—　一　；孕　（２）　声压透射率：　Ｔ－－　Ｚ氧化膜＋Ｚ钢　（３）…　　如图２所示，由上两式可算出当声波遇到钢　氧化皮界面时，反射波声压为一１８．９　；透射波继续　透射，当遇到氧化皮　空气界面，由于空气的声阻抗　几乎为零，超声波全反射，然后透射氧化皮一钢界面　进入探头．　射波　图２超声波行程图　基于上述原理，根据声程／时间的关系，就可以　得到超声波在钢一氧化膜界面反射波和炉管内氧化　皮一空气界面返回波的时间差Ａｔ，那么时间差乘以　声波在氧化膜中的传播速度即可得到氧化膜的厚　度，即：　Ｓ—Ｖ・Ａｔ　（４）　式中：Ｓ　声程，　一声速，△￡一时间差．　２．２高频超声波测量仪　常规的超声波测量厚度虽然也存在钢一氧化皮　的反射波和管内壁氧化膜一空气界面的反射波，但　是由于前者的反射波声压较小，对于传统低频的超　声波测量仪信号拾取被抑制，所以常规测量厚度的　数值实际上是氧化膜和管壁共同的数值．因此低频　率的测量仪分辨率低，不能满足氧化膜厚度测量的　要求，而采用高频超声波测量仪则可满足要求．高频　超声检测仪器的组成为超声波脉冲发生接收器、高　频示波器、高频直探头，如图３所示．其中超声脉冲　发生接收器用来激励探头产生超声波，并接收回波　信号和预放大电脉冲；高频示波器主要接收传输来　的回波电脉冲，显示回波信号，测量工件中回波的幅　度及传播时间；而高频超声波探头主要是发射和接　收超声波．　图３超声检测仪器组成图　２．３　高频超声波测量仪测量方法　２．３．１精度的测定　从火电厂取一段带有氧化皮的炉管来试验，通　过传统的显微镜观察法，测量出氧化皮的厚度，如图　４所示．氧化层厚度在０．２１７～０．２５６　ｍｍ之间．　图４显微镜法观察的氧化皮厚度图　第２期　杨春丰等：板栗抗性淀粉消化前后的益生作用及结构变化　－１１４］谢涛，张６５　Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｂｙ　Ｐｌａｎｔ—ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ－ｒｉｃｈ　Ｄｉｃｔａ　儒．锥栗直链淀粉一脂肪酸复合物的体　ｒｙ　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｓｌ－Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　Ｍｉ　ｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，２０１０，１３９（３）：１６８～１７６．　外消化及益生元活性ＥＪ］．中国粮油学报，２０１２，２７　（８）：２０—２３．　Ｐｒｏｂｉｏｔｉｃ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　Ｃａｓｔａｎｅａ　Ｍｏｌｌｉｓｓｉｍａ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｓｔａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ａｆｔｅｒ　Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ＹＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｆｅｎｇ，ＫＡＮＧ　Ｌｉｎｇ—ｔａｏ，ＴＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ—ｈｕｉ，ＧＡＯ　Ｊｕａｎ，ＸＩＥ　Ｔａｏ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１１０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｆｒｏｍ　Ｃａｓｔａｎｅａ　ｍｏｌｌｉｓｓｉｍａ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｉｎ　ｖｉｔｒｏ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ａｎｄ　ｐｕ—　ｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｉｒ　ｐｒｏｂｏｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｂｉｆｉｄｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ａｎｄ　ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ，ｈａｖｅ　ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ　ｃｏｌｉ　ａｎｄ　Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ｐｅｒｆｒｉｎｇｅｎｓ，ａｎｄ　ｈａｖｅ　ｎｏ　ｏｂｉｏｕｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｎｔｅｒｏｃｏｃｃｕｓ　ｆａｅｃａｌｉｓ，Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ｆｕｓｉｆｏｍｅ　ａｎｄ　ｆａｃｕｌｔａｔｉｖｅ　ｂａｃｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｏ—　ｔａｌ　ａｃｉｄｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｌｉｑｕｉｄｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ　ｐｒｏｂｉｏｔｉｃｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈ，ｄｉｇｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｈａｖｅ　ｉｎｃｒｅａｓ—　ｉｎｇ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｅａｓ，ａｎｄ　ｈａｖｅ　ｍｏｒｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｅａｓ　ａｆｔｅｒ　ｉｎ　ｖｉｔｒｏ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｆｅｒｍｅｎｔａ—　ｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｎａｔｉｖｅ　ｓｔａｒｃｈ，ａｖｅｒａｇｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｓｉｇ—　ｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ａｆｔｅｒ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｖｅｒａｇｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｄｉ—　ｇｅｓｔｉｏｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈ　ｉｓ　ｔｙｐｅ　Ｖ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｕｒｎｓ　ｉｎｔｏ　ｔｙｐｅ　Ｂ　ａｆｔｅｒ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ．　Ａｆｔｅｒ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ａｌｌ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｙｐｅ　Ａ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ，ｓｕｂｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｂｅｆｏｒｅ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｓｔａｎｅａ　ｍｏｌｌｉｓｓｉｍａ；ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔａｒｃｈ；ｐｒｏｂｏｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｎｇｅ　・—・　＊＋－—・　一＋　”—＋－一——＋一”—・卜”—＋一一－－＋一“＋”＋　・（上接第２５页）　Ｉ－５］金万里，郭连丰．超临界锅炉受热面管内壁氧化皮剥　落堵管的原因分析及预防措施Ｉ　Ｊ］．内蒙古电力技术，　２００９，２７（３）：４—６．　内壁氧化层厚度超声测量方法的研究［ｃ］．陕西省第　八届ＮＤＴ年会论文集，２００２．　［８］　陈国宏．由内壁氧化层厚度测评过热器管道的剩余寿　命ＶＪ］．河南科技大学学报（自然科学版），２００４，２５　（６）：２４—２７．　－１６］龙毅，谢国胜，杨湘伟．锅炉炉管内壁氧化膜壁厚的　测量ＬＪ］．无损检测，２００６，２８（１１）：５６９—５７２．　［７］　马剑民．电站锅炉过热器及再热器管壁金属层厚度和　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｋｉｎ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｗａｌｌ　ｏｆ　Ｂｏｉｌｅｒ　Ｔｕｂｅｓ　ｉｎ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　ＧＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ，ＷＥＩ　Ｋｅ—ｘｉａｎｇ，　ＱＩＮ　Ｂｏ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｅｘｐｌａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｏｘｉｄｅ　ｓｋｉｎ　ｉｎ　ｉｎｎｅｒ　ｗａｌｌ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｔｕｂｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒ—　ｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ，ａｎｄ　ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｏｘｉｄｅ　ｓｋｉｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ｓｏｍｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｋｉｎ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｗａｌｌ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｔｕｂｅ　ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—　ｓｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｔｕｂｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｔｕｂｅｓ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｋｉｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ