蒸汽及热水锅炉受热面管路使用金属磁记忆的技术诊断方法

蒸汽及热水锅炉受热面管路使用金属磁记忆的技术诊断方法火电站规范文件蒸汽及热水锅炉受热面管路使用金属磁记忆的技术诊断方法指导性文件341744697莫斯科1997年1制订“动力诊断技术公司”（莫斯科市）执笔杜波夫（“动力诊断”技术公司）批准“俄罗斯统一电网系统”股份公司科技政策部主任经理别尔辛诺夫1997年11月23日同意俄罗斯联邦国家技术监督局锅炉及起重设备监督局委员1997年10月7日卡捷里尼可夫国营地区电站和电网组织与合理化托拉斯总工程师库普琴珂行业指导性文件方法规程指导性文件341744697蒸汽及热水锅炉受热面管子使用金属磁记忆的技术诊断首次实施有效期1997年10月15日至2002年10月15日本行业的指导性文件推行于俄罗斯国家技术监督局监管下的蒸汽和热水锅炉受热面管路的技术诊断工作。指导性文件按“蒸汽和热水锅炉安装和使用安全规程”制订，且规定了使用金属磁记忆法对蒸汽和热水锅炉的受热面管路进行技术诊断的基本方法要求。锅炉受热面管道技术诊断的周期、区段及其工作量由“蒸汽和热水锅炉安装使用安全规程”以及其它指导性文件决定。本行业的规范文件必须在“电力动力”部门的企业使用，亦可应用在俄罗斯国家技术监督局监管下作为锅炉业主的其它部门的企业或组织。正式出版物本行业指导性文件未经“俄罗斯统一电网系统股份”公司“”和“动力诊断”技术公司的允许，不得全部或部分地以公开出版物再版、印制和发行。1前言受热面管路破损的主要根源是机械应力集中区，在那里腐蚀、蠕变和疲劳进行得最为剧烈。在个别部位的应力集中主要是由于管子没有得到充分的自补偿，且其出现是由于各种破坏以及在安装和修理锅炉时，不遵守活动支撑上管路可位移的设计图；由于提高热液压的不均匀分布；由于错误地放置修理嵌入物；因维修“垫板”处和管子及蛇形管经过的砌衬部位处的管路卡死等。为了及时地查明管道最大应力集中区的部位，研制并推荐了基于金属磁记忆效应的受热面管路新的磁检测方法。众所周知，钢管在供货状态下具有一定程度的残磁，在安装条件下残磁在焊接应力、外部载荷以及焊接时自身磁场的作用下被改变和重新分布。在锅炉管子的使用过程中总残余磁化程度随金属的温度增加而改变。2在专门的试验室及工业试验中确定，残余磁场的重新分布，且相应的管子表面上的漏磁场HP是由磁弹性及磁机械效应的作用造成的，同样确定，残余磁场的变化且相应的被测漏磁场，在拉伸、挤压、扭曲且周期性载荷下，铁磁性管子单一地和最大作用的工作应力有关，从而能使用这一参数作为研制本诊断方法的记忆要素。众所周知，棒材或管材丧失稳定性在轴向力值达到临界载荷值时出现，这时发生棒材的弹性弯曲，在去掉轴向载荷后消失。在锅炉管子的工作条件下，在那些没有能充分自补偿的部位（例如在紧固件上的卡死），在丧失稳定性的情况下，通常，产生带扭转的弯曲，在管子的那些薄弱部位断面上而生成相应的应力场和带有金属最大变形的滑移面。在该部位管子表面上远在达到金属屈服极限之前就出现安定的滑移带和区。出现那些安定的位错滑动区之时刻与其内应力（拉伸和挤压）的大小和方向有关。在同一部位上由周期性负载的重复作用产生的位错滑动带能得以发展成深度和宽度达数十和数百微米宽的槽沟，在宏观上就能看到，沿上述槽沟的边缘发展着塑性变形，结果生出裂纹。在管子构成安定滑动带部位的表面上，由于磁机械效应产生相应方向的漏磁场，且通常有符号改变。用仪表传感器沿管子火焰母线扫描的方法，在应力集中和变形区，记下符号跳变和漏磁场强度值。这时，磁场强度HP最大和最小值点间距离LK等于（051）D，其中D为管子外径，这HP场分布的判据在仪表单通道状态使用下，记录的是不仅是纵向而且也包括横向变形线。按所建议的磁检测法，应力集中及变形线对应的是被测管子表面上漏磁场HP法向分量具有零值的线。使用1双通道式仪表（“动力诊断”技术公司研制）时，处在被检测管子表面上的最大金属变形区，被记录到屏幕上，而在该区的残余应力集中强度由专用软件程序自动算出。上述受热面的磁诊断方法可单独使用也可以和其它有损和无损检测方法结合到一起使用。2总则21本检测方法是对先前公布过文件的发展和补充341742192检测和延长锅炉、汽轮机和热电厂管道基本部件使用期限的典型规范，是对指导性文件341742192,1994的修改和补充。341743595工作压力达4,0兆帕锅炉的技术诊断方法规程。341743595锅炉管子系统和动力装置管道焊接接头的无损磁检测方法，1995。按金属残余磁化评价动力及热水锅炉受热面管子应力变形状态的方法。由“动力诊断”技术公司研制，于1991年由苏联燃料动力工业部和苏联国家矿山技术监督局同意。利用金属磁记忆法诊断锅炉管子。莫斯科原子能出版社，1995年。343730687检测火电站主要设备状态的方法规程，确定沉积物化学成份的性质。莫斯科，1987年。22本行业性文件规定用在“电力”部门企业，也可用在俄罗斯联邦领土上其它配套有火电站和锅炉的其它行业的企业。23锅炉受热面管子技术诊断的周期、区段和工作量由“蒸汽和热水锅炉安装和使用安全规程”以及在21条款中由其它指导性文件规定的要求决定。33用途和应用领域31本方法推广到由铁磁牌号钢制造的受热面管子。32方法可以321查明钢管有应力集中预期出现破损的部位。322查明温度补偿不够充分条件下使用的钢管。323查明钢管带金属塑性变形的部位。324确定水冷壁管具有溃疡腐蚀的部位以及内部沉积最大数量的部位。325定性评价（按多少原则）焊缝、弯头、紧固件等部位的机械应力集中。3334在管道的那些藉助本方法查明的具有最大应力集中区和变形的部位必须完成超声波诊断（检测密实性和壁厚）以及为金相研究进行切片取样。本磁检测方法和损伤分析相结合可做为受热面状态以及整个锅炉的综合技术诊断方法，可以查明那些约束锅炉可靠性的使用、修理以及结构等方面的原因。35方法可更加客观地确定锅炉受热表面的更换工作量以及期限。4检测仪表及其工作原理41为了完成沿磁化的管子表面漏磁场强度的测量，使用了有铁磁探测转换器的仪表。42可使用场强计或梯度计作为上述仪表的传感器。43具有铁磁探测转测量磁场强度传感器的MHM1型应力集中磁记忆检测仪铁磁探测型，其工作原理和使用条件列于仪表说明书中。44为提高锅炉管子的检测效率，“动力诊断”技术公司研制了电脑式仪表应力集中磁记忆检测仪（KH1M），该仪表具有专门用于检测锅炉管子的扫描装置，带照明且显示管子应力变形状态图形信息的屏幕，有不受供电电源影响的存储器和软件，能自动地按事先装入的判定准则去处理信息。仪表的详细说明，其工作原理和使用方法见说明书。45管子漏磁场强度的测量误差与下列因素有关表面氧化皮和渣物堆积的厚度；传感器与管子表面的距离；传感器沿管子表面扫描的速度。考虑到上述各项因素测量误差可达10。但对热面管状态进行质量考评的条件下，使用上述方法，这一测量误差值是完全可以接受的。5完成检测和管子应力变形状态的考评方法51检测在处于停车检修或备用的锅炉上进行。为实现沿管子母线漏磁场强度（HP）的测量，对被检测的受热面不要求专门的清理，但渣皮必须去掉。由二个操作员完成检测，其中一人用仪表传感器沿管子表面扫描，另一操作员从事登记HP测量值到记录本上，记录本登记表的格式见附录1。磁检测方法以及在此方法基础上所做的管应力变形状态由图1和图2加以说明。52确定最大应力集中和最具破损可能的管段用仪表传感器沿被检测管子表面母线扫描的方式去测量垂直于管轴方向上的漏磁场（HP）强度值。当发现在管路表面部位上沿母线长度不少于两个点具有HP的零值且其零值点间的距离等于（051）DH，其中DH为管子外径，这些部位要用粉笔和颜色加以标记。在那些部位上存在由于未能足够自补偿的管子上出现的由弯曲和扭转载荷造成的机械应力集中（见图1上的应力集中区）。在确定了应力集中区后，在该部位上要更加具体地去确定变4形线和应力强度。沿该线确定变形线及应力强度系数的方法示于图2。图1在锅炉管段上确定应力集中区的方法开始时用仪表传感器以沿母线扫描的方式在应力集中区里记下那些被测HP值改变成相反符号且具有零值的O1，O2，O3，O4点（图1）。传感器沿管子母线移动的方向以及带记有零值O1，O2，O3，O4的HP值测量图，用图2A上的箭头和虚线表示。接着，为了更精确地去确定对应应力集中线的HP零值线，按图2B所示的虚线箭头在管子表面上移动传感器。当传感器在管子表面上这样移动时记录下的那些中间点HP零值。然后按上述点以及早先在管子表面上确定的O1，O2，O3，O4点标出HP零值线（见图2A和2B上的应力集中线）。为确定靠近应力集中线附近的应力强度，在其上按相等距离L向两侧，例如，在点1和2（图2A）上测量HP值且确定HP沿长度L的陡度值，按公式（|HP|2L）所确定的这一增减率表示在管子表面上的残余应力强度系数。查明管子应力最强部位以及在有应力集中区的某些管子之间相互比较时才需要确定应力强度系数。锅炉受热面管路的应力集中区，通常，是在它受到各种夹卡而没能充分自补偿的条件下产生的。在那些有应力集中区的管子部位上腐蚀、疲劳及蠕变过程发展得最为剧烈，且这些部位最易受到损坏。应力集中线和弯曲或焊缝相重合时将加大管子受损坏的几率。应力集中线在面受热管路上的分布具有各式各样的特点，图3上给出了实践中查明的各种应力集中线分布方案。给出的只是那一小部分可能的应力集中线分布方案。构成这样或那样的变形线是由管路紧固件的结构，温度状况，焊缝的位置，受热面的布局（水平，垂直，蛇形管，直管，气密盘）等决定的。在所有提供的应力集中线分布方案中，当沿中间（火焰）母线测量HP场时，实际上，经常在应力集中线分布的区域里，在场的零值或极限值之间等于（051）DH或（23）DH，亦即管子外径倍数的距离上，出现典型的HP场法向分量的符号改变。5图2确定应力集中线HP0的线及应力强度系数|HP|/2L的方法。确定具有最大应力集中管路的部位示于附录2。使用电脑式仪表1去确定锅炉管子中的应力集中区示于附录3。53确定工作于无充分温度补偿下的受热面管路类似于52节所述的方法完成受热面管路的磁法检测。然后在对比磁测结果与该受热面管固定部件位置的基础上来确定那些工作在没有充分温度补偿条件下的管子。确定工作于没有充分温度补偿条件下受热面管子的方法类似于后面所讨论的314锅炉的例子。图4上给出的是314型锅炉底部辐射部分一些管子的检测结果。漏磁场HP法向分量沿火焰母线在管子N0和N041的分布表明它们工作在没有充分地温度补偿的条件下。管子N0工作在相对正常的条件下。由图4可见，例如在N041管子上在紧固节点（点A和E）HP场改变成相反的符号，在A点和E点上HP场的零值证实金属导磁率的急剧降低，且在管子所检查的截面上相应地发展着塑性变形。在管子靠近紧固点E部位上存在着塑性变形同样为断面伤痕和管子外表面一侧壁变薄（外部腐蚀斑痕）所证实。在查看时同样确定管子N上在紧固节点A和E的夹卡是由于和位于另一温度补偿壁板上的N42号邻管的硬连接造成的。这种管子之间的硬连接是在固定节点A、E以及其它部位（图4上的F点）上以棒材完成安装焊接造成的。6图3管路上应力集中线分布的方案D和其它点HP场符号的改变和零值是由管子沿长度和周边的变形符号改变所造成的。图5上给出了管子N位于固定节点A和E间部位上详细的管子应力变形状态以及HP漏磁场沿管长和周边的分布状况。在图5,A上用虚线所示的HP场法向分量的分布反映了沿在背侧的背部母线管子的变形。图5,B上给出了沿管子火焰侧和背侧残余变形的分布图。该图是在锅炉停车时直接在锅炉里按沿管N41火焰母线完成的HP场法向分量测量数据，以及多次完成在其它锅炉管子上的HP场测量的基础上做出的。由图5,A和图5,B可见，在压缩母线上的HP场值比拉伸母线上的要大2倍多。这一结果是由于磁机械效应，它导致主要是在垂直于压缩和平行于拉伸载荷方向上残磁磁畴的展开。图5,B上显示了在火焰母线上沿对应D点管子截面周边HP场零值线的位置。HPO的线按本方法表明在该管子截面上（节点）滑移场的分布。类似的滑移场在管子N041上，在那些出现变形符号改变以及被测HP场符号改变的其它截面也同样存在。54确定水冷壁管内表面上的腐蚀伤痕受热面管路上产生腐蚀伤痕的根源是管子某些部位上的金属最大变形区，该区的出现是由于一些管子制造工艺的残余应力和处在该支撑系统中在此管上工作载荷实际形成的应力相结合作用的结果。7图4314型锅炉上一些管子检测结果1管子的出厂紧固件位置2测磁计3修理棒材4金属外部腐蚀疤痕；PC修理焊缝；A、D、E沿管长和周边变形有符号变换区；C，B，F管子最大弯曲处。图5说明N号管应力变形状态和HPY磁场法向分量沿管长和周边的分布情况8在管内壁的变形集中部位于周期性载荷条件下出现经常的金属保护膜的破坏。在锅炉水中的腐蚀性成份对金属的直接作用下进行着金属的腐蚀疲劳磨损过程。确定水冷壁管内表面上腐蚀伤痕的方法类似于下面在230和87锅炉上所讨论的方法。在扭曲载荷集中区里单个伤痕的形成例子以及所记录下来在管子外表面上HP漏磁场的具有特点的分布示于图9。应当指出，在生成伤痕的部位上，变形线之间的距离（在外壁上HPY0的那些线），当精确地测量HP场分布时，通常等于两倍管壁厚（图6上的AA截面）。由230锅炉水冷壁管上切下的样品其腐蚀伤痕的特征位置示于图7。图6值得注意的是，在该情况下，腐蚀伤痕间距离和管子直径实际上的相对应或本方法中所提出的LKDH距离相对应，作为评价锅炉管子状态的判据（图1）。在使用带一个铁磁探测传感器的测磁计（场强计）时，在腐蚀伤痕区沿锅管子火焰母线漏磁场HP法向分量的分布具有带符号改变的跳变特点。这时沿管长HP场最大和零值间距离，通常等于（051）DH。9图7230锅炉管子切下试样上腐蚀伤痕的特征位置A以螺旋形式出现在金属腐蚀物的聚积；B以纵向沟槽形式出现的金属腐蚀物的聚积；LK伤痕间的距离等于管子外径DHRCP管子平均半径；于是，先前在方法中（图1）提出过的判据，在按HP场沿管子火焰母线分布的特点去查明管子带有腐蚀伤痕的部位时仍然是该判据，即适用于应力集中区的判据。在确定被检测管子部位上腐蚀伤痕时的主要区别是，在伤痕区与没有伤痕的应力集中区相比HP场变化强度急剧增大。图8A上给出了沿230锅炉水冷壁管（直径76壁厚6MM，20号钢），在应力集中区沿火焰母线HP场分布的例子。在长度LKDH上场HP变化的强度系数（K）在这里大体上等于1（A/M安培/米）/MM。通常，对于非气密板的由20号钢或121钢的管子，直径3276MM在应力集中区里这一系数不超过4（A/M）/MM（或4103A/M2）。图8B上给出了同一锅炉230的另一根水冷壁管沿火焰母线内表面上生成腐蚀伤痕区里HP场分布的例子（管子该部位切样证实存在伤痕）。由图8B可见，变化的该强度系数沿长度LK210AUCT管子壁厚。HP场,式中CT6MM是壁厚，这里等于75A/M/MM，和图8A上所示的应力集中区相比较，几乎是大了一个数量级。KHPK383576A/M1,0MM2070HPA/MK7,52CM12MM图8在230汽包式锅炉直径76壁厚6MM（20号钢）的检测结果图9上给出的是莫斯科动力公司区域热电站45N06号热电厂50型锅炉热水器前壁（20号钢，直径60壁厚4MM）第25号管的检测结果。由图9可见，在腐蚀伤痕区HP场强度的变化，像蒸汽锅炉上一样，急剧增大。应当指出，图8A和8B给出的HP场变化强度系数值是在使用由“动力诊断/技术公司制造的专用测磁计上得出的。使用其它仪表上述系数值可能是由于计量的原因而不同。强度系数值KHP/LK的升高同样能在大量堆积腐蚀产物的管子部位，亦即管子内表面上有强烈的金属腐蚀作用的部位上得到。图10A上给出了莫斯科动力公司20热力中心87第9号锅炉第N15号左侧水冷壁管的检测结果。在该管应力集中区里取样分析的结果，在火焰母线上查出1669G/M2堆积（定额为400G/M2）。在堆积层下发现了腐蚀的麻斑使壁厚变薄1到15MM（图10B）。11图9莫斯科动力公司PTC45N号50型锅炉第N号前水冷壁管磁检测结果00图10莫斯科动力公司第N号20热电站87锅炉左侧水冷壁第N15号管（直径60壁厚6MM，20号钢）的检测结果。A靠近焊接连接处的应力集中区里沿第15号管火焰母线HP场的分布状况；B从应力集中区部位切样后朝火焰侧管内壁金属腐蚀和堆积的斑痕。12图11“干去那加尔”热电站12万瓦锅炉蒸汽过热器蛇形管的检测结果55确定蒸汽加热器蛇形管上最具破损可能的部位在蒸汽过热器蛇形管上的检测是沿着朝向燃烧气体侧的管子母线上进行的。在蒸汽过热器管子上应力集中区的判据仍然是零值和最大值之间距离等于（051）DH时HP场值的跳变。和水冷壁管的区别是，在蒸汽过热器管子的应力集中区里常常遇到HP场的跳变无符号改变的情形。这种情况，通常是在那些处于金属过热超过设计温度条件下管子的部位上出现。图11上给出了“干吉那加尔”（印度）热电站12万瓦发电机组锅炉蒸汽加热器蛇形管的检测结果。图11A上给出的沿第N39号蛇形管母线的HP场分布表示，它在该应力集中区里可能正在发展着破损。在第一批按气体走向蛇形管束N0上的检测结果，当详细地测量HP场分布时，查明了变形线，这些变形线清楚地反映了金属过热的边界（11B）。在上述区间存在着金属过热，由在图11B上所标出的管子部位上切下样品后所做的金相组织分析所证实。6操作人员的技术熟练程度61在完成管子的磁检测时，要得到可靠的结果，很大程度上和操作人员的技术熟练程度、经验以及认真负责的态度有关。允许那些通过磁法无损检测专门培训经过国家在职人员培训学院、级训练班考核合格且不少于2个月同有操作经验的人员从事实习。62遵守火电站热力车间安全技术规程的人员才允许从事磁检测。63锅炉受热面管路的磁检测总的工作由火电站熟练的工程技术人员或修理单位领导。也允许工程技术人员中事先研究了受检部件的结构和使用特点、损坏的部位和原因的人员领导检测工作。工程技术人员和操作人员同样对检测的可靠性以及在锅炉膛中工作安全规程负责。137安全技术71参与磁检测的人员必须熟知和执行对热电站火力车间工作人员规定的安全技术规程。72所有参与磁检测的工作人员在允许从事磁检测之前，必须通过安全技术教育并相应的登记在专用记录本上。每次变换生产工作条件时要进行培训，操作人员进行课程训练的负责人是工程技术人员的工作领导成员。73在炉膛中进行检测的人员必须配带安全帽盔和着电站工作人员所使用的工作服。74检测管路部位的高度超过2米时，必须建脚手架，支梯或使用升降摇台。脚手架，梯子和升降摇台的结构必须符安全技术规程的定额。附录1磁检测记录本检测日期企业名称锅炉、号码N型号受热面管子型式尺寸钢牌号使用期限小时HPMAX在管子该检测部位上的磁场最大强度值；LK在纵向扫描时带HP场零值间基本距离等于（05；1）DH的应力集中区，其中DH为管子外径。L两通道工作状态下纵向扫描时铁磁探测传感器之间的基准距离。附录2用磁法确定管子处在无充分自补偿条件下的部位1准备工作首先应该和订货方商定受热面管子磁检测的区域和工作量。检测的区域由企业的总工程师或他主管的车间锅炉的主任，他们根据损伤统计，金属试验室的结论和检修记录本里的数据决定。检测之前必须在身边备有粉笔，铅笔或钢笔，被检受热表面的登记卡，附录中提供的格式的记录本。接着直接在锅炉上用粉笔标记下检测区且载入修理卡。同时在卡中指明相应检测区管子的长度或高度以及紧固件的位置。然后在记录本中载入所有检测对象的数据。接着必须按使用说明书准备好仪表（测磁计）的使用，检验锅炉中的照明和本方法第7部分所指出的安全保障。142在莫斯科动力公司第N03号17热电中心230锅炉上的后水冷壁管完成的磁检测准备工作完成后，在230锅炉上水冷壁管的磁检测工作这样进行。一个操作人员沿管子火焰母线用仪表传感器完成扫描。另一个操作员登录HP测量值到记录本上。按照方法的42和43条款曾完成了后水冷壁垂直12517M之间104号管的检测（参看图21上的卡片）。检测结果查出了在该管的下列部位有HP零值间距离LK等于（05；1）DH的应力集中区141，161，241，301和312（图21）。这时在第N031号管的311和314部位记载下HP的最大值，相应为108A/M，98A/M。在同一管子的313部位高于修理对接处，记下了HP的零值线，说明管子该处有应力集中。磁检测记录本检测日期1990年8月22日企业名称莫斯科动力公司17锅炉N0型号230受热面后水冷壁管子规格型号76（直径）6MM（壁厚）钢牌号20使用期限7000小时）依登记卡HPMAX在该管子的检测部位上磁场强度的最大值；LK稳定性丧失和应力集中的极限区，其HP零值间基本距离等于（051）DH，其中DH为管子外径。141第N0号管，部位1。图22上给出了沿管N031的火焰母线记下的磁场（HP）强度法向分量的分布。HP值的分布图形在这里是按311，312，313，314以及一些中间检测点所记下的值做出的，也就是在此图22上，对于312部位给出在应力集中区HP值的分布。按方法的52条款，在这里记下了HP的零值在连续五个点以及零值间基本距离等于（051）D的跳变。磁检测的结果以及查明的处在最大应力条件下的后水冷壁管的在锅炉部位用粉笔做上标记并记载到记录本上。接着按本方法的44及45条款，从管子的141，161，241，301，312建议作切样以便评价其工作状态。此外，按本磁检