（机械工程专业论文）电站锅炉炉管内壁氧化膜超声测量系统.pdf

摘 要 摘要 本论文在超声波无损检测的基础上，对超声波物理特性和电站锅炉管壁金 属/ 内壁氧化膜界面的声学物理特性进行理论分析，开发出一种可识别和测量电 站锅炉炉管内壁氧化膜厚度和金属层厚度的超声无损测量方法。 通过收资调研，对电站锅炉炉管内壁氧化膜的结构及生成机理理论和炉管 失效实验分析表明，电站锅炉炉管内壁氧化膜是通过对管壁温度的作用，造成 对锅炉炉管金属材料的蠕变、金相组织、机械性能、持久强度等指标的间接或 直接影响，从而最终影响管子的寿命.因此，透过运行温度与寿命的关系就可 以看出炉管内壁氧化膜厚度对炉管寿命的影响。 通过实验研究表明，超声波入射金属/ 氧化膜界面，由于界面回波太低，普 通测厚仪检测不到;常规 a 型反射式脉冲超声波探伤仪检测炉管内壁氧化膜时， 由于功率、分辨率和频率等因素的影响，不能正确反映出炉管内壁氧化膜的厚 度。针对现行炉管厚度测量方法及存在的问题，本论文在实验的基础上，对电 站锅炉炉管内壁氧化膜厚度超声测量系统进行设计，对仪器设备进行选型与匹 配，选用新型脉冲超声波探测系统来测量内壁氧化膜厚度和金属层厚度，并对 超声波在氧化膜中的传播速度进行测试，计算出炉管壁当量运行温度，为后续 编制炉管剩余寿命预测的计算机软件打下了基础。本论文对新检测系统在不同 情况下的射频回波波形进行了分析，利用新方法和光学显微测量作实验验证， 对 8个氧化膜试样用新方法和割管光学金相分别对炉管内壁氧化膜厚度进行了 测定，结果两者的测量误差范围在 0 . 0 1 - 0 . 0 7 m m 。两种测量方法所得到的结果 基本吻合，锅炉炉管内壁氧化膜超声波测量系统可以满足设计要求。 关键词:锅炉炉管，内壁氧化膜，无损测量，壁厚 华南理工大学硕士学位论文 abs tract a n e w u l t r a s o n i c m e a s u r e m e n t m e t h o d i s p r e s e n t e d , w h i c h h a s b e e n s u p p o r t e d b y e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f i n f o r m a t i v e a n d d i s c r i m i n a t i v e p a r a m e t e r s f o r t h e i n s i d e - d i a m e t e r s c a l e ( i d s c a l e ) a n d t h e m e t a l t h i c k n e s s o f b o i l e r t u b e s i n p o w e r p l a n t s . b y r e v i e w i n g t h e f a i l u r e s o f b o i l e r t u b e s i n p o w e r p l a n t s , t h i s a r t i c l e a n a l y s e s t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d f o r m i n g m e c h a n i s m o f i d s c a l e , w h i c h e f f e c t s t h e b o i l e r t u b e s o n c r e e p , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a t h i g h e r m e t a l t e m p e r a t u r e d i r e c t l y o r i n d i r e c t l y . s c a l i n g m a y l e a d t o s t r e s s - r u p t u r e b e c a u s e o f s u c h m e t a l l u r g i c a l c h a n g e s a s s p h e r o i d i z a t i o n o f c a r b i d e s . i t c a n b e p r e d i c t e d , t h e r e f o r e , t h e r e s i d u a l l i f e o f b o i l e r t u b e s b y m e a s u r i n g t h e t h i c k n e s s o f i d s c a l e . t h r o u g h a v a r i e t y o f p r o c e s s e x p e r i m e n t s , i t i s s h o w e d t h a t t h e o l d , s i m p l i f i e d m e t h o d w h i c h c a n n o t g e t t h e t h i c k n e s s o r j u s t g e t t h e w h o l e t h i c k n e s s o f t h e m e t a l a n d t h e s c a l e . t h e r e a s o n s a r e a b o u t t h e e c h o o f t h e m/ mo s e c t i o n a t a l o w e r l e v e l , t h e p o w e r , f r e q u e n c y a n d i d e n t i f i c a t i o n p r o b l e m s o f t h e d e v i c e s . a f t e r s e l e c t i n g a n d c o u p l i n g i n s t rum e n t s , a n e w s y s t e m f o r m e a s u r i n g t h e i d s c a l e a n d m e t a l t h i c k n e s s o f b o i l e r t u b e s i s i n t r o d u c e d . t h e u l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o n v e l o c i t y i n i d s c a l e i s t e s t e d . i t c a n b e , t h e n , c a l c u l a t e d t h e r e s i d u a l l i f e a c c o r d i n g t o t h e t h i c k n e s s o f i d s c a l e a n d m e t a l w a l l . t h i s m e a s u r i n g s y s t e m i s t h e b a s e f o r p r o g r a m m i n g t h e s o f t w a r e o f p r e d i c t i n g r e s i d u a l l i f e o f b o i l e r t u b e s . i t g i v e s e c h o a n a l y s i s i n d i f f e r e n t s i t u a t i o n s o f t h e n e w m e a s u r e m e n t s y s t e m . t h e n e w s y s t e m i s p r o v e d t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f m e a s u r i n g t h e i d s c a l e a n d m e t a l t h i c k n e s s b y c o m p a r i n g t o o p t i c a l m e a s u r e m e n t . t h e m e a s u r i n g d i f f e r e n c e s a r e a b o u t 0 .0 1 - 0 . 0 7 m m b e t w e e n t w o d i f f e r e n t m e t h o d s f o r 8 i d s c a l e s a m p l e s . i t m e a n s t h a t t h e u l t r a s o n i c m e a s u r i n g s y s t e m o f t h e i d s c a l e a n d m e t a l t h i c k n e s s f o r b o i l e r t u b e s c a n m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t . k e y w o r d s : b o i l e r t u b e , i d s c a l e , n o n d e s t r u c t i v e m e a s u r e m e n t , t h i c k n e s s n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 : -yv -l ll 日 期 : 2 11* 叫年 月， l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “j 00 作者签名: 导师签名: 沙堆丫 叱 撕 欲 日期: ， 峥年i z月、 日 日期:年月日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景和来源 长期以来，电站锅炉受热面管的爆漏问题一直是导致国内外火电机组强迫 停机的主要原因。由于设计、制造、运行等方面因素的影响，机组超温现象一 直比较严重和普遍，超温运行严重影响材料的老化速度和使用寿命，加快部件 的失效过程。 火力发电厂锅炉受热面管一 省煤器、水冷壁、过热器、再热器一统称为锅炉 “ 四管” 。由于受热面管超温爆管而造成的停炉，在我省电力系统火力发电厂的 锅炉 “ 四管”爆漏事故中占较大的比例。特别是近年来，随着经济的发展，机 组参数和容量的增加，以及越来越多老机组的超期服役运行，机组的调峰深度 也在加大，另外，燃用的煤种变化范围较大、锅炉结构上的设计不合理以及老 旧机组的逐年增加等诸多原因，造成了锅炉受热面管经常处于超温状态下运行， 使得爆漏的次数呈增长的趋势。据国内不完全统计.锅炉四管爆漏事故占锅炉 临检事故的2 / 3 左右; 在 1 9 9 0 - 1 9 9 7 年间， 广东省电力系统火力发电厂 4 1 0 t / h 及以上锅炉的 “ 四管”共发生爆漏事故2 5 3 次，其中超温爆管 6 0 次，占总数的 2 3 . 7 % ，排在 “ 四管” 爆管原因第一位，且长期居高不下。这类四管失效事故 有上升的趋势，已经成为严重影响我省电力系统火力发电厂锅炉机组安全 、经 济运行的重要因素，并因此而造成了巨大的经济损失。 虽然引起锅炉受热面管超温的原因有很多而且很复杂，但是无论何种原因 引起的超温，都会在锅炉受热面管金属上留下某些特别的 “ 记录”。例如，管 子金属微观组织的球化、管子内外壁的氧化、管子壁厚的减薄等。虽然近年来 电力系统广泛开展在役锅炉受热面管的安全性能检验，来寻找这些特别的 “ 记 录”，但是，由于受测量仪器设备的精度、检验时间以及检验费用的影响，都 不能以最经济、最简单的办法，来找到特别的 “ 记录”，以便准确地确定因受 超温的影响而处于临危状态的管段。因此，要对锅炉管子进行准确的寿命评估， 掌握部件的超温程度是关键，即确切了解部件金属的实际使用温度，在深入了 解材料老化的基础上，确认失效的原因和机理，才能较准确地对炉管寿命作出 预测或评定。 1 . 2研究内容和目的 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景和来源 长期以来，电站锅炉受热面管的爆漏问题一直是导致国内外火电机组强迫 停机的主要原因。由于设计、制造、运行等方面因素的影响，机组超温现象一 直比较严重和普遍，超温运行严重影响材料的老化速度和使用寿命，加快部件 的失效过程。 火力发电厂锅炉受热面管一 省煤器、水冷壁、过热器、再热器一统称为锅炉 “ 四管” 。由于受热面管超温爆管而造成的停炉，在我省电力系统火力发电厂的 锅炉 “ 四管”爆漏事故中占较大的比例。特别是近年来，随着经济的发展，机 组参数和容量的增加，以及越来越多老机组的超期服役运行，机组的调峰深度 也在加大，另外，燃用的煤种变化范围较大、锅炉结构上的设计不合理以及老 旧机组的逐年增加等诸多原因，造成了锅炉受热面管经常处于超温状态下运行， 使得爆漏的次数呈增长的趋势。据国内不完全统计.锅炉四管爆漏事故占锅炉 临检事故的2 / 3 左右; 在 1 9 9 0 - 1 9 9 7 年间， 广东省电力系统火力发电厂 4 1 0 t / h 及以上锅炉的 “ 四管”共发生爆漏事故2 5 3 次，其中超温爆管 6 0 次，占总数的 2 3 . 7 % ，排在 “ 四管” 爆管原因第一位，且长期居高不下。这类四管失效事故 有上升的趋势，已经成为严重影响我省电力系统火力发电厂锅炉机组安全 、经 济运行的重要因素，并因此而造成了巨大的经济损失。 虽然引起锅炉受热面管超温的原因有很多而且很复杂，但是无论何种原因 引起的超温，都会在锅炉受热面管金属上留下某些特别的 “ 记录”。例如，管 子金属微观组织的球化、管子内外壁的氧化、管子壁厚的减薄等。虽然近年来 电力系统广泛开展在役锅炉受热面管的安全性能检验，来寻找这些特别的 “ 记 录”，但是，由于受测量仪器设备的精度、检验时间以及检验费用的影响，都 不能以最经济、最简单的办法，来找到特别的 “ 记录”，以便准确地确定因受 超温的影响而处于临危状态的管段。因此，要对锅炉管子进行准确的寿命评估， 掌握部件的超温程度是关键，即确切了解部件金属的实际使用温度，在深入了 解材料老化的基础上，确认失效的原因和机理，才能较准确地对炉管寿命作出 预测或评定。 1 . 2研究内容和目的 华南理工大学硕士学位论文 本论文通过收资调研，研究锅炉炉管内壁氧化膜的结构及生成机理、锅炉 炉管内壁氧化膜厚度与管壁运行温度和运行时间之间的关系，以及其对管壁金 属剩余寿命的影响，研究锅炉炉管内壁氧化膜超声波无损测量方法以及现行超 声波探测仪器所存在的问题和解决方法，对新型锅炉炉管内壁氧化膜无损测量 系统进行设计，对仪器设备进行选型与匹配，对超声波在氧化膜中的传播速度 进行测试，计算出炉管壁当量运行温度，为编制炉管剩余寿命预测的计算机软 件打下基础。经过上述几个阶段的工作，最后形成一套完整的 “ 电站锅炉炉管 内壁氧化膜超声波测量系统” 本项目收资调研的对象主要是 4 1 0 t / h及以上等级的大型燃煤、燃油中间再 热锅炉 ( 包括自 然循环、强制循环和直流锅炉)，首先是省内现有大型锅炉， 其次是国内具有代表性的大型锅炉。 调研的内容主要是:锅炉炉管超温运行的情况及超温爆管原因分析、锅炉 炉管大修割管检验分析结果、现有的炉管金属壁温监测方法、现行的锅炉炉管 剩余寿命评估方法，并收集各种类型带有内壁氧化膜的炉管管样。 进行调研的省内电站大型锅炉主要有: 沙角a发电厂# 1 -# 5 锅炉 ( 6 7 0 t / h , 1 0 2 5 t / h )，黄埔发电厂# 1 - # 7锅炉 ( 4 1 0 t / h , 1 0 2 5 t / h )，韶关发电厂# 8 - # 9 锅炉 ( 1 0 2 5 t / h )，妈湾发电厂# 1 -# 4锅炉 ( 1 0 2 5 t / h )，沙角 b发电厂# 1 - # 2 锅炉 ( 1 0 7 0 t / h )，沙角 c发电厂# 2锅炉 ( 1 9 6 9 . 7 t / h )，湛江发电厂# 1 -# 2锅 炉 ( 1 0 2 5 t / h )。锅炉制造厂家包括哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂和东方锅炉厂。 对国内具有代表性的锅炉进行调研的目的主要是了解炉管金属壁温监测方 法、炉管剩余寿命评估方法以及收集各种类型带有内壁氧化膜的炉管管样。 对各电厂调研的结果: .省内各大电厂锅炉的过热器、再热器管子基本上都有超温现象，特别以 沙角a发电厂6 7 0 t / h 锅炉的过热器和沙角b发电厂 1 0 7 0 t / h 锅炉的再热 器尤为严重，超温水平均在 6 1 0 左右。 .省内各大电厂锅炉炉管的壁温都是以炉外测点的形式进行监测的，由于 测点分布和运行状况的影响 .省内各大电厂锅炉的过热器 均存在较大的误差。 再热器管子的超温爆管事故时有发生，大 多数电厂都是以更换更高等级的钢材来解决这类问题，但这不是最经济 的方法 .在全国，电力系统普遍采用大量割管的方法，对锅炉炉管进行超温监测 和剩余寿命评估。 .从各电厂定期割管检查和超温爆管分析的管样来看:超温的管段内壁均 存 在不同 程度的 氧化膜( 0 . 1 - 1 . o m m ) ; 并且以c r - m o , c r - m o - v钢 材系列居多，氧化膜的成分相似。 第一章 绪论 高温锅炉管的失效与其使用特性紧密相关，只有充分认识其使用特性，找 到有效的诊断方法，才能预防爆管事故。对于过热器、再热器管，运行中具有 如下特征: ( 1 )高温下组织性能变化造成蠕变寿命损耗。过热器管在高温下运行，会 发生组织性能变化即老化，最终因负担不了运行应力和温度而发生蠕变失效。 管壁温度越高，这种组织性能变化的发展速度愈快。 ( 2 )各管排、各管段沿炉膛的温度分布不均匀。这种不均匀性普遍存在， 且随机组容量的增大而增加。同一管排的不同管子，金属壁温可相差几十度: 即使是同一根管子，有时沿长度方向上也可相差十几度甚至二三十度。另外， 负荷的变化也会造成壁温的改变。这种变化、差异和高温烟气环境给现场实施 金属壁温的长期测量带来困难。 ( 3 )内壁氧化皮的存在导致管壁金属温度升高。对于过热器管，由于蒸汽 介质作用，在管子内壁会形成一层致密的氧化皮。由于氧化皮的传热热阻较大， 阻隔了蒸汽介质与管壁金属的热量交换，从而导致管壁金属温度升高，而温度 升高又加速了其氧化过程。随着运行时间的增长，各管段的金属壁温不断升高。 可见，超温的形成与氧化皮的增厚紧密相联，它最终导致管子的蠕变失效或过 热爆管。 ( 4 )超温使管子的实际强度裕度大大降低。过热器管在额定的设计温度和 压力下工作才能保证其设计寿命的实现，但由于实际的运行工况及燃烧工况的 改变，并不能保证在各部分均达到设计值。 ( 5 )高温硫腐蚀使管壁局部减薄。过热器的管壁减薄除内外壁氧化之外， 还有外壁的高温硫腐蚀。此种方式的失效可通过外观检查、化验腐蚀垢层及烟 气中硫含量的方法来监督。对于已经发生了高温硫腐蚀的管子，可用有效壁厚 来描述这种壁厚的局部减薄。不论哪种方式的壁厚减薄，均是使管子运行应力 增加。应力的增加将加速蠕变过程，当运行应力大于管子在使用温度下的极限 应力时，还将发生爆管。 综合过热器、再热器管的上述各种使用特性可知，导致爆管事故的原因可 归结为温度和应力两个因素。因此，如果能够准确测量过热器管的当量运行温 度和运行应力，再根据该材料的持久强度外推方程，即可推导估算出其剩余寿 命。由于炉管内壁氧化皮厚度的增长与管壁金属温度有明显的对应关系，即其 增长量为温度与时间的函数，因此只要测得内壁氧化皮的厚度及管子的有效壁 厚，就可利用试验室相应材料的氧化膜厚度经验公式，推导出该处管壁经长时 间运行所体现的当量运行温度。 目前，锅炉管寿命诊断有两种基本的方法，一为传统的割管法，二为利用 超声波测量内壁氧化层厚度。前者采用大量割管检查的方法，进行破坏性试验 华南理工大学硕士学位论文 ( 如:管内壁氧化膜显微测量、金相显微组织分析、机械性能试验等)，以炉 管的蠕变量、炉管内壁氧化膜的厚度、金相组织的变化、机械性能变化等试验 结果来评估出炉管的当量运行温度、超温的幅度及剩余寿命。后者可实施现场 大范围、多测点快速测量，提供管材宏观状态和管壁运行当量温度，两者结合 可互为补充。 1 . 3研究现状和存在问题 多年来，我国火电机组的维修方式主要以预防性定期维修为主，这种维修 方式除存在着过剩维修、设备的可用率低等导致维修费用增大外，因维修不足 或维修质量不良等造成的机组可靠性降低己排在设备制造质量不良之后，居第 二位。在s o 年代，我国电力系统就开始对发电设备状态检修技术进行了探讨研 究，提出了应用诊断技术进行设备状态检修的发展方向。 从国内现行的检测手段与方法来看，检测炉管临危状态时，并没有其他更 有效的手段，只有采用大量割管检查的方法，进行破坏性试验，以炉管的蠕变 量、炉管内壁氧化膜的厚度、金相组织的变化、机械性能变化等试验结果中评 估出炉管的当量运行温度和超温的幅度，从而计算出炉管的剩余寿命。这样做 需要耗费大量的人力、物力和时间，而且不能保证有效地检查到炉管的最危险 管段。此外，在割管后还相应地增加了焊口的数量，这样无形中增加了锅炉在 运行中的爆管机率。 国外八十年代后期，美国电力研究院 ( e p r i )本着以减少火力发电厂锅炉 炉管超温爆管事故发生率为目的，开始着手研究锅炉炉管内壁氧化膜无损测量 技术，以及通过炉管内壁氧化膜厚度来监测管壁金属运行温度和进行剩余寿命 评估，并且取得了显著的效果。 因此，在国内探索经济、简单、快速的内壁氧化膜无损测量方法是非常必 要的。在这样迫切的形势下，广东省电力试验研究所立项开始研究开发一种新 的无损测量方法一一锅炉炉管内壁氧化膜超声测量方法。在整个研究过程中， 得到了原电力部西安热工研究院材料研究所的通力合作。该无损测量方法能够 经济、简单、快速地发现临危状态的管段，并且在现场测出管段的内壁氧化膜 厚度、管壁的有效金属厚度，计算出管段的超温幅度，无需进行大量割管分析， 从而以此估算出锅炉炉管的剩余寿命。 从上面的调研结果来看，由于超温现象的存在，使得锅炉炉管提前进入临 危状态。因此，研究如何及时测出锅炉炉管临危状态，对降低锅炉炉管超温爆 漏事故的发生机率，具有重大的实际意义。 华南理工大学硕士学位论文 ( 如:管内壁氧化膜显微测量、金相显微组织分析、机械性能试验等)，以炉 管的蠕变量、炉管内壁氧化膜的厚度、金相组织的变化、机械性能变化等试验 结果来评估出炉管的当量运行温度、超温的幅度及剩余寿命。后者可实施现场 大范围、多测点快速测量，提供管材宏观状态和管壁运行当量温度，两者结合 可互为补充。 1 . 3研究现状和存在问题 多年来，我国火电机组的维修方式主要以预防性定期维修为主，这种维修 方式除存在着过剩维修、设备的可用率低等导致维修费用增大外，因维修不足 或维修质量不良等造成的机组可靠性降低己排在设备制造质量不良之后，居第 二位。在s o 年代，我国电力系统就开始对发电设备状态检修技术进行了探讨研 究，提出了应用诊断技术进行设备状态检修的发展方向。 从国内现行的检测手段与方法来看，检测炉管临危状态时，并没有其他更 有效的手段，只有采用大量割管检查的方法，进行破坏性试验，以炉管的蠕变 量、炉管内壁氧化膜的厚度、金相组织的变化、机械性能变化等试验结果中评 估出炉管的当量运行温度和超温的幅度，从而计算出炉管的剩余寿命。这样做 需要耗费大量的人力、物力和时间，而且不能保证有效地检查到炉管的最危险 管段。此外，在割管后还相应地增加了焊口的数量，这样无形中增加了锅炉在 运行中的爆管机率。 国外八十年代后期，美国电力研究院 ( e p r i )本着以减少火力发电厂锅炉 炉管超温爆管事故发生率为目的，开始着手研究锅炉炉管内壁氧化膜无损测量 技术，以及通过炉管内壁氧化膜厚度来监测管壁金属运行温度和进行剩余寿命 评估，并且取得了显著的效果。 因此，在国内探索经济、简单、快速的内壁氧化膜无损测量方法是非常必 要的。在这样迫切的形势下，广东省电力试验研究所立项开始研究开发一种新 的无损测量方法一一锅炉炉管内壁氧化膜超声测量方法。在整个研究过程中， 得到了原电力部西安热工研究院材料研究所的通力合作。该无损测量方法能够 经济、简单、快速地发现临危状态的管段，并且在现场测出管段的内壁氧化膜 厚度、管壁的有效金属厚度，计算出管段的超温幅度，无需进行大量割管分析， 从而以此估算出锅炉炉管的剩余寿命。 从上面的调研结果来看，由于超温现象的存在，使得锅炉炉管提前进入临 危状态。因此，研究如何及时测出锅炉炉管临危状态，对降低锅炉炉管超温爆 漏事故的发生机率，具有重大的实际意义。 第一章 绪论 1 . 4无损测量技术简述 无损检测是建立在现代科学技术基础上的一门应用型技术学科，它是在不 破坏或不损伤原材料和工件的前提下，应用物理的方法，测定和评价物质内部 或表面的物理和力学性能 ( 包括测定材料的厚度等)、各类缺陷和其他技术参 数的一门综合应用技术，对于控制和改进生产过程和产品质量，保证材料、零 件和产品的可靠性及提高生产率起着积极的作用，是发展现代工业必不可少的 重要技术措施之一。无损检测学科几乎涉及到了物理科学中的光学、电磁学、 声学、原子物理学以及计算机、数据通讯等学科，无损检测技术在材料加工、 零件制造、产品装配直至产品使用的整个过程中，不仅起到保证产品质量和工 程质量，保障安全的监督作用，还在节约能源及资源、降低成本、提高产品率 和劳动生产率方面上起到积极的促进作用。 按照不同的原理和不同的探测及信息处理方式，己经应用和正在研究的各 种无损检测方法约有7 0多种。主要包括射线检测 ( x 一 射线、y一 射线等)、声和 超声检测 ( 超声脉冲反射、超声透射、超声成像、声发射、超声频谱和电磁超 声等)、电学和电磁检测 ( 涡流法、录磁和漏磁法、磁粉法等)、力学和光学 检测 ( 目视法和内窥镜、荧光法、着色法、激光全息摄影、紫外光法、泄露法 和应力测试等)、热力学法 ( 红外线热像图等)和化学分析法 ( 电解检测、激 光检测等)。 超声波检测的原理系利用换能器( t r a n s d u c e r ) 或称探头( p r o b e ) 之压电晶体产 生高频震荡而产生超声波( u l t r a s o n i c ) ， 此超声波在试件内可能产生反射、 衰减或 共振等现象，因而传回各种不同信号于显示器上，藉此以检测试件内部瑕疵或 探讨材料组织、性质的变化。该方法还可用于测量试片厚度。若利用声波在材 料内部穿透性差异或声速改变情形，该方法还可以辅助用于材料物理性质、晶 粒尺寸或显微组织试验等，对材料学研究的贡献甚大。此外，由于超声波检测 系利用声波高频振动的原理，因此只要声波能量能完全穿透检测物厚度，不论 金属或非金属试片皆可检测，此特点使其在非破坏检测方法中的应用更为广泛。 1 . 5本论文的成果及其意义 由于传统的检修体制存在明显的缺陷，一些发达国家已经开始进行基于设 备状态评价的状态检修。状态检修方式以设备当前的实际工作状况为依据，而 非传统的以设备使用时间为依据，通过先进的状态监测手段、可靠性评价手段 以及寿命预测手段，判断设备的状态，识别故障的早期征兆，对故障部位及其 严重程度、故障发展趋势作出判断，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一 第一章 绪论 1 . 4无损测量技术简述 无损检测是建立在现代科学技术基础上的一门应用型技术学科，它是在不 破坏或不损伤原材料和工件的前提下，应用物理的方法，测定和评价物质内部 或表面的物理和力学性能 ( 包括测定材料的厚度等)、各类缺陷和其他技术参 数的一门综合应用技术，对于控制和改进生产过程和产品质量，保证材料、零 件和产品的可靠性及提高生产率起着积极的作用，是发展现代工业必不可少的 重要技术措施之一。无损检测学科几乎涉及到了物理科学中的光学、电磁学、 声学、原子物理学以及计算机、数据通讯等学科，无损检测技术在材料加工、 零件制造、产品装配直至产品使用的整个过程中，不仅起到保证产品质量和工 程质量，保障安全的监督作用，还在节约能源及资源、降低成本、提高产品率 和劳动生产率方面上起到积极的促进作用。 按照不同的原理和不同的探测及信息处理方式，己经应用和正在研究的各 种无损检测方法约有7 0多种。主要包括射线检测 ( x 一 射线、y一 射线等)、声和 超声检测 ( 超声脉冲反射、超声透射、超声成像、声发射、超声频谱和电磁超 声等)、电学和电磁检测 ( 涡流法、录磁和漏磁法、磁粉法等)、力学和光学 检测 ( 目视法和内窥镜、荧光法、着色法、激光全息摄影、紫外光法、泄露法 和应力测试等)、热力学法 ( 红外线热像图等)和化学分析法 ( 电解检测、激 光检测等)。 超声波检测的原理系利用换能器( t r a n s d u c e r ) 或称探头( p r o b e ) 之压电晶体产 生高频震荡而产生超声波( u l t r a s o n i c ) ， 此超声波在试件内可能产生反射、 衰减或 共振等现象，因而传回各种不同信号于显示器上，藉此以检测试件内部瑕疵或 探讨材料组织、性质的变化。该方法还可用于测量试片厚度。若利用声波在材 料内部穿透性差异或声速改变情形，该方法还可以辅助用于材料物理性质、晶 粒尺寸或显微组织试验等，对材料学研究的贡献甚大。此外，由于超声波检测 系利用声波高频振动的原理，因此只要声波能量能完全穿透检测物厚度，不论 金属或非金属试片皆可检测，此特点使其在非破坏检测方法中的应用更为广泛。 1 . 5本论文的成果及其意义 由于传统的检修体制存在明显的缺陷，一些发达国家已经开始进行基于设 备状态评价的状态检修。状态检修方式以设备当前的实际工作状况为依据，而 非传统的以设备使用时间为依据，通过先进的状态监测手段、可靠性评价手段 以及寿命预测手段，判断设备的状态，识别故障的早期征兆，对故障部位及其 严重程度、故障发展趋势作出判断，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一 华南理工大学硕士学位论文 定程度或故障将要发生之前进行维修。 电站锅炉炉管内壁氧化膜的超声测量技术在寿命预测手段方面起到重要的 支持作用，是基于状态检修体制来实行的一种发电设备静态诊断手段。在火力 发电厂中，锅炉炉管特别是过热器、再热器的内壁状况将直接影响炉管的安全 运行，因此，准确地测量出炉管的内壁状况能够及时掌握炉管的健康水平，消 除事故的隐患。本技术是广泛采用的有效的锅炉炉管状态评估手段之一，可在 较短时间内完成锅炉管大面积的无损测量，测量内容包括内壁氧化膜厚度及金 属壁厚，再配合当量运行温度的计算及寿命评估软件，可快速给出寿命诊断结 果。在发电机组停炉后通过快速、无损、大面积测量锅炉管内壁氧化膜厚度及 金属层厚度，根据内壁氧化膜厚度与管壁温度及运行时间之间的理论及经验公 式评估炉管的当量运行温度，进而在考虑温度、应力、壁厚减薄等综合因素的 情况下，估算每根管子的剩余寿命。电厂在掌握了每根管子的剩余寿命后可及 时合理更换管子，从而减少和防止 “ 四管”爆漏并节约检修成本。 该检测技术的意义主要体现在: ( 1 ) 用于早期寿命诊断， 预防爆管:大面积无损检查，找出早期寿命受损伤 的管子，提前更换，预防爆管，使电站金属技术监督管理工作变被动的先爆后 换为主动的提前预防。 ( 2 ) 用于后期寿命评估， 指导换管部位及数量: 炉膛不同部位的管段使用寿 命相差很大，在换管时做到有目的、有计划，而不是盲目 大面积换管，可直接 节约大量换管费用。 ( 3 ) 通过计算当量金属温度、运行应力， 并结合前期金相分析结果及爆管记 录的综合分析，选取适当参数计算出各管段的剩余寿命，得出哪些管段需要及 时更换的信息。通过相关技术研究及现场工作实践，针对不同的锅炉管材料、 不同锅炉型式以及各种不同的运行工况总结经验数据，建立完整的材料性能数 据库，为锅炉管温度及寿命评估的正确性提供可靠的保证。 ( 4 )现场测量快速，可安排在大、中、小修或临修期间进行。 第二章 锅炉炉管内壁氧化膜的产生与危害 第二章 锅炉炉管内壁氧化膜的产生与危害 2 . 1 金属的氧化速度及抗氧化能力 金属氧化过程 2 的示意图如图2 - 1 所示。 金属的氧化过程主要包括三个步骤、 五个阶段。 金属氧化过程的三个步骤是:( 1 )气相中的o : 向o z / mo界面扩散，并在这 一界面处发生物理吸附;( 2 )在 o , / mo界面，物理吸附的分子氧变成吸附的原 子氧，进而发生化学吸附变成o - ，并最终以o z 一 的形式结合到氧化物晶格中去， 这一过程可看作吸附的分子氧电离形成 o z - ; ( 3 )在 mo / m 界面，金属 m发生 电离，变为ma e 金属氧化过程的五个阶段中，前三个阶段是共同的，为气一固反应阶段，从 气相氧分子碰撞金属材料表面和氧分子以范氏力与金属形成物理吸附，到氧分 子分解为氧原子并与基体金属的自由电子相互作用形成化学吸附。第四阶段为 氧化膜形成初始阶段，由于材料组织结构与特性的不同以及环境温度与氧分压 的差异，金属与氧的相互作用各异.有些金属因化学吸附进而形成均匀氧化膜; 而有些金属 ( 如钦) ，由于氧在其中溶解度大，氧首先溶解于金属基体中，过饱 和后形成氧化物。 第一阶段 第二阶段 第三阶段 图2 - 1金属氧化过程的示意图 f i g . 2 - 1 t h e o x i d a t i o n p r o c e s s o f m e t a l 第二章锅炉炉管内壁氧化膜的产生与危害 第二章锅炉炉管内壁氧化膜的产生与危害 2 1 金属的氧化速度及抗氧化能力 金属氧化过程“1 的示意图如图2 1 所示。金属的氧化过程主要包括三个步骤、 五个阶段。 金属氧化过程的三个步骤是：( 1 ) 气相中的o 。向0 。m o 界面扩散，并在这 一界面处发生物理吸附；( 2 ) 在0 。m o 界面，物理吸附的分子氧变成吸附的原 子氧，进而发生化学吸附变成o 一，并最终以0 2 。的形式结合到氧化物晶格中去， 这一过程可看作吸附的分子氧电离形成0 2 。；( 3 ) 在m o m 界面，金属m 发生 电离，变为m ”。 金属氧化过程的五个阶段中，前三个阶段是共同的，为气一固反应阶段，从 气相氧分子碰撞金属材料表面和氧分子以范氏力与金属形成物理吸附，到氧分 子分解为氧原子并与基体金属的自由电子相互作用形成化学吸附。第四阶段为 氧化膜形成初始阶段，由于材料组织结构与特性的不同以及环境温度与氧分压 的差异，金属与氧的相互作用各异。有些金属因化学吸附进而形成均匀氧化膜； 而有些金属( 如钛) ，由于氧在其中溶解度大，氧首先溶解于金属基体中，过饱 和后形成氧化物。 第一阶段 气相氧分子碰 撞金属表面 第二阶段 氧分子物理吸附 ( 包括金属氧分j i 金属间范氏力) 第四阶段 苎三堕墼 化学键结合 ( 包括氧分子的分解) 墼鲤垡堂堕堕ln 订酮丽手歪丽羽| 氧与金属原子间 瓣l i 辫憔戮靴嚣 非晶志氧化物 结晶变为均匀日 晶体氧化物层 氧化物晶核横 向生长形成连 续氧化物膜层 晶须、扶氧 化物片或小 岛核生长 继续换位彤成 极薄的次氧化 膜( 非晶) 表面氧原子与金属 子2 维排列的 附加氧结合形 成3 维有序次 氧化耪膜 ! 墨至堕壁 电质点传质氧化 图2 1 金属氧化过程的示意图 f i g 2 1t h eo x i d a t i o np r o c e s so fm e t a l 华南理工大学硕士学位论文 实际氧化过程中，上述各个步骤发生的速度不同，整个氧化过程的速度由其 中最慢的分步骤( 称之为控制步骤) 决定。在不同的条件下，金属氧化的控制 步骤可能不同，甚至在同一个氧化过程中，不同阶段的控制步骤也会发生变化。 金属高温氧化的过程是非常复杂的，发生氧化首先是金属表面的吸附，其后 发生氧化物形核，晶核沿横向生长形成连续的薄氧化膜，氧化膜沿着垂直于表 面方向生长使其厚度增加。其中，氧化物晶粒长大是由正、负离子持续不断通 过自己形成的氧化物的扩散提供保证的。这个过程受许多因素影响，内在因素 有金属成分、金属微观结构、表面处理状态等；外在因素有温度、气体成分、 压力、流速等。 可以认为，温度越高、时间越长，介质中氧的分压越高、流速越大，则金属 的氧化速度越快。从金属的氧化动力学规律来讲，一般情况下，金属氧化反应 速度遵循的动力学基本规律有以下4 种规律：对数规律、抛物线规律、直线规 律以及抛物线和直线组合规律。金属氧化膜随着时间的变化的综合曲线如图2 2 所示。 图2 - 2 金属氧化的综合曲线 f i g 2 - 2t h ec u r v eo fm e t a l l i co x i d a t i o n 在金属表面上氧化的起始瞬间内，氧化膜的成长过程主要取决于化学反应 速度常数( k o k ) 的大小，在这一区域( a b ) 内，氧化曲线接近于直线a m ，其倾 斜角的正切正比于化学反应速度常数。然后，在b c 区域，曲线的走向取决于复 杂的方程式： y 2 k d + 2 y k o k = 2 c 0 t ( 2 - 1 ) ( 2 - 1 ) 式中：k 。一扩散系数；y - 氧化膜厚度。 对火力发电厂锅炉炉管用钢来讲，金属的氧化主要是高温氧化，火电厂高 温部件在运行中与烟气、空气或蒸汽接触，会使金属表面发生氧化反应。例如 锅炉受热面管的内表面与蒸汽接触，在接触时氧与金属化合成氧化膜，这就是 氧化过程。假如生成的氧化膜是牢固的，那么在生成氧化膜后，氧化过程就会 8 第二章锅炉炉管内壁氧化膜的产生与危害 减弱，金属就得到保护，这样的金属抗氧化性高。假若氧化膜不牢固、疏松， 那么生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续进行下去，管子的壁厚会不断 减薄，最终导致爆管。 金属的氧化发展速度与温度、时间、气体介质成分、压力、流速、钢材化 学成分、形成的氧化膜的强度等因素有关。温度愈高，时间愈长，气体介质中 氧的分压愈高，流速愈大，则金属的氧化发展速度愈大。钢中加入c r 、a l 、s i 等元素后，生成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。 在正常情况下，锅炉炉管壁金属的氧化速度遵循抛物线规律；超温的情况 下，管壁金属的氧化速度遵循抛物线和直线组合规律，如图2 3 所示。 时间t 图2 - 3 锅炉炉管用钢的氧化基本规律 f i g 2 3t h eb a s i co x i d a t i o nl a wo fb o i l e rt u b e 钢中由于合金元素的加入，例如c r 、m o 、v 等，使得氧化过程速度减缓， 因此，各种钢材的氧化速度是不一样的。钢材的抗氧化能力就是由氧化速度来 衡量的，以抗氧化级别来表示，如表2 - 1 所示“： 表2 - 1 钢材的抗氧化级别 t a b l e2 - 1t h eo x i d a t i o i l r e s i s t a n tc l a s so fs t e e l 级别氧化速度( r a m 年)抗氧化性分类 1o 1 完全抗氧化性 2 o 1 1 0 抗氧化性 3 1 o 3 0次抗氧化性 4 3 0 1 0 0 弱抗氧化性 5 1 0 0 以上不抗氧化性 表2 1 中的氧化速度( m m 年) 是指：某一类钢材在其抗高温氧化温度下 的氧化速度，当管壁温度超过其抗氧化温度时，金属氧化突然加速。因此，在 设计时选用的钢材都有较高的抗高温氧化温度，其氧化速度控制在0 1 m m 年。 9 华南理工大学硕士学位论文 然而，当管壁超温时，管子的氧化速度就突然大幅度增加，导致传热效果变差， 又反过来使管壁的超温幅度增加，氧化加剧，形成一个恶性的循环，最后导致 超温爆管。 由于火力发电厂锅炉的过热器、再热器管长期工作在高温、高压的恶劣环 境之中，因此所选用的材料必须有较好的抗高温氧化性能( 较高的抗高温氧化 温度) 。大部分钢材选用珠光体耐热钢，其抗氧化级别为z 级，部分选用奥氏 体耐热钢，其抗氧化级别为l 级。例如：珠光体耐热钢1 2 c r l m o v ( 5 8 09 c ) 、 l o c r m 0 9 1 0 ( 5 9 0 ) 、钢1 0 2 ( 6 0 0 ) 、t 9 1 ( 6 5 0 ) 等等；奥氏体耐热钢 t p 3 0 4 ( 7 0 0 ) 、t p 3 4 7 ( 7 0 0 ) 等等。 2 2 锅炉炉管内壁氧化膜的形成 2 2 1 金属的氧化机理 氧化是自然界中最基本的化学反应之一。金属的氧化是指金属与氧化性介质 反应生成氧化物的过程。金属的高温氧化是金属材料在高温下与环境中的气相 或凝聚相物质发生化学反应导致材料变质或破坏的过程。 广义上的氧化指金属除与氧气反应外，还与含硫、碳、卤素及氮等气体介质 反应形成金属化合物的过程。 狭义上的氧化仅指金属与氧气形成氧化物的反应 2 a m + b 0 2 = 2 m a o b ( 2 - 2 ) 金属m 发生氧化时，假设表面形成了致密而完整的氧化膜m o 。随着时间 的延长，氧化反应持续进行，氧化膜不断增厚。氧化膜在金属表面上的形成如 图2 4 所示。 氧 一o i m o 界面 m o 厚度 一m o m 界面 图2 - 4 金属氧化形成氧化膜示意图 f i g 2 - 4t h eo x i d e s c a l ep a t t e r no fm e t a l l i co x i d a t i o n 整个反应过程包括： ( 1