（材料学专业论文）超声波内壁氧化层测厚及寿命评估系统的研究及开发.pdf

一一 i 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超声波测量内壁氧化层厚度及寿命评 估系统的研究及开发是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垒盆盔复日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 作者签名：丛羞公 e l 期：丝坦：至：g 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 摘要 长期以来，火力发电厂中锅炉炉管都是在高温、高压的恶劣环境下运行，随着 运行温度和运行时间的增加，从而造成炉管的剩余寿命明显缩短。然而准确评定炉 管当量运行温度以及剩余寿命的关键在于能否准确测定锅炉炉管内壁氧化膜厚度。 因此，鉴定管子的有效壁厚，并且可以预测管子的剩余寿命，从而降低了运行风险。 论文针对寿命预测方法进行了的研究，并且利用d e l p h i7 0 开发了锅炉寿命诊断 专家系统。该系统包括了设备台帐、检测输入、统计查询等模块，从而实现针对电 厂锅炉炉管内壁氧化膜厚度测量功能，同时能够根据所测得的氧化膜厚度快速的进 行计算出当量温度以及管道的剩余寿命，避免造成大面积管道破坏。 关键词- 锅炉炉管，内层氧化膜，剩余寿命，壁厚 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e , t h eb o i l e rm b e si nt h e r m a lp o w e rp l a n ta r eo p e r a t i n gu n d e r h i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e , w h i c hm a k e st h er e s i d u a ll i f ot os h o r t e nd o w n h o w e v e r , t h ek e yt oa s 9 瞎st h eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h er e s i d u a ll i f ea c c u r a t e l yi s t om e n s u r a t et h e i n s i d e - d i a m e t e rs c a l et h i c k n e s so fb o i l e rt u b e sa c c u r a t e l y h e n c e , t oi d e n t i f yt h ee f f e c t i v e t h i c k n e s so ft h et u b e s ，a n dm o r et op r o g n o s t i c a t et h er e s i d u a ll i f eo ft u b e s , a n dt h u sr e d u c e d t h eo p e r a t i o nr i s k i nt h i sp a p e ram e t h o do ft h el i f ea s s e s s m e n tm e t h o db a s e du p o nt h et h i c k n e s so fo x i d e f i l m so c c u r r e do nt h ei n s i d et u b es u r f a c eo fb o i l e r , i ss t u d i e d ，a n dad i a g n o s t i ce x p e r ts y s t e m b ym e a n so fd e l p h i7 0i sd e v e l o p e di no r d e rt oe s t i m a t eb o i l e rl i f e 1 1 1 es y s t e mi n c l u d e s e q u i p m e n ta c c o u n t i n g , t e s ti n p u t , s t a t i s t i c a lq u e r i e sm o d u l e s , a n dt h u si tc a r r yo u tt h e m e a s u r i n gf u n c t i o no fi n s i d e - d i a m e t e rs c a l et h i c k n e s si nt h e r m a lp o w e rp l a n t ，a n di nt h e m e a n t i m ew h i c hc a nc a l c u l a t et h eo p e r a t i o nt e m p a r u r ea n dt h er e s i d u a ll i f et h r o u g ht h es c a l e t h i c k n e s sm c a g u r c da b o v e d , t oa v o i dc r e a t i n gal a r g ea r e ap i p e l i n ef a i l u r e y u a nq i u j i e ( m a t e r i a ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o f h eq i n g k e yw o r d s ：b o i l e rt u b e ，o x i d ef i l m sd e v e l o p e do nt h ei n s i d e 加b es u r f a c e , r e s i d u a l u f e t h i c k n e s s 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 国内外氧化皮厚度测量的研究现状4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状4 1 3 课题论文内容及其意义5 第二章锅炉管内壁氧化膜的结构及其危害8 2 1 锅炉内层氧化膜与时间、温度、寿命的关系8 2 1 1 锅炉炉管内部氧化膜的结构8 2 1 2 内层氧化膜对管子寿命的影响9 2 2 氧化膜的存在对于温度的影响1 1 2 2 1 数值分析模型的建立” 2 2 2 计算结果分析12 2 3 蒸汽管道寿命评估方法1 4 2 3 1 主蒸汽管道寿命预测方法的发展概况的发展概况14 2 3 2 剩余寿命诊断技术1 4 2 3 3 无损检测测厚法的具体研究1 5 第三章超声波测厚系统的开发2 1 3 1 超声波测厚系统介绍2 1 3 1 超声波测厚系统2 1 3 1 2 仪器介绍2 2 3 1 3 软件的开发平台2 2 3 2 锅炉炉管内壁氧化膜计算2 3 华北电力大学硕士学位论文 3 3 锅炉炉管内壁氧化膜厚度超声波测量过程为 3 3 1 声速的测定2 5 3 3 2 厚度测量2 6 3 3 3 系统精确度分析2 8 3 4 程序的流程2 9 第四章超声波测厚与寿命评估系统的实例分析3 5 4 1 试验比较和结果分析3 5 第五章总结与展望3 8 5 1 研究所得到的成果3 8 5 2 对于该系统的展望3 8 参考文献4 0 致谢4 3 在学期闫发表的学术论文和参加科研情况4 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 在电站事故中，由于锅炉受热面爆管引发的非计划停运事故最为频繁，约占锅 炉事故的7 1 7 ，占机组非计划停运时间的4 0 左右，少发电量占全部事故少发电量 的5 0 以上，是影响发电机组安全经济运行的主要因素【l 2 】。 长期以来，火力发电厂高温、高压锅炉炉管的工作环境十分恶劣，其管壁金属 的运行温度和应力在运行过程中逐渐升高，造成炉管的剩余寿命明显缩短，尤其以 高温过热器和高温再热器因超温而引起的泄漏及爆管最为明显，是导致锅炉强迫停 运的最主要原因之一【3 1 。特别是近年来，随着经济的发展，机组参数和容量的增加， 以及越来越多超期服役运行的老机组，机组的调峰深度也不断的在加大，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。 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，来寻找各种 原因引起的高温爆管因素，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，来找到那些潜在的存在爆管危险的 管段，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，要充分了解 处于临危状态的管段，首先要充分掌握锅炉管道的超温情况。 锅炉的高温部件的工作条件相当恶劣，首先，他们的工作温度都超过了5 5 0 ， 有的甚至超过了金属的蠕变温度；其次，高温部件多数暴露在高温烟气下，烟气的 固态飞灰颗粒磨损了部件外表面，形成氧化产物；最后，过量的氧气以及过热水蒸 气也是导致管道产生氧化膜的主要原因。因此可以简单归纳出，在运行过程中，管 子内壁经过水蒸汽氧化，外壁承受烟气腐蚀，内外壁均会形成较厚的氧化腐蚀产物 层。由于炉管管壁氧化层的存在使得管子的传热性能变差，同时减薄了管子的实际 壁厚。运行中为了维持蒸气参数，势必增加壁面热负荷，引起管壁平均温度升高， 造成氧化升温快速氧化超温的恶性循环，最终导致爆管【4 】。因此，除 了设计、制造、运行等方面的因素影响材料老化速度以外，上诉的原因直接导致了 金属管道的失效乃至爆管。图1 1 和图1 2 分别为高温下氧化膜结构图以及实际生活 中氧化膜剥落现象。 华北电力大学硕士学位论文 f c 2 0 3 f c 3 0 4 f c o f o 图1 1 高于5 7 0 c 管内壁多层氧化膜结构5 l 图i 2 某电厂再热器剥落的氧化膜嘲 目前，对炉管剩余寿命典型的评价方法有很多【7 引，表面硬度法、表面覆膜、内 或外氧化层厚度法等【9 1 ，而对于锅炉炉管的内壁氧化膜厚度可以采用两种技术来测 量，其中一种是利用金相显微镜或者电子显微镜来对于氧化层进行测量，优点是测 量结果准确，精度高，缺点是必须对管子进行破坏性试验；另一种是利用超声波技 术无损测量管子内壁氧化膜厚度，优点是可以对炉管进行无损测量，缺点是精度上 有欠缺，通过选择合适的参数可以提高测量精度。 。 上面提到过，引起锅炉爆管的原因很多很复杂，主要的几种情况，例如管子金 属微观组织球化、管子内外壁的氧化、管子壁厚的减薄等，都与金属氧化层厚度有 关。运行中的锅炉受热面管子长期在温度、介质等作用下，表面会逐渐生长出氧化 膜氧化膜一方面减少管壁有效厚度，更主要的是使管子传热性能变差，造成管子 过热，改变金属组织结构，降低金属机械性能，最终造成爆管【2 】。 分析电站高温受热面，如水冷壁、过热器、再热器等的爆管现象，可以归结为 不同的损伤机理： ( 1 )高温下组织性能变化造成寿命损耗由于锅炉炉管通常都运行在高温， 下，在运行的过程中发生组织性能的改变，组织性能的改变直接影响 了应力及温度的承担能力，反而发生爆管 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 温度分布不均导致寿命损耗。在电厂管道的设计中，不同管排的管子 的温度差异可高达几十摄氏度；甚至同一管子不同部位的温差也相当 大。由于这种温差的存在，对于锅炉炉管的温度传递以及应力都有一 定的影响，间接的导致了剩余寿命的损耗另外，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 内壁氧化皮导致管壁金属温度升高从而导致寿命损伤。锅炉炉管在运 行的过程中，暴露在过热水蒸气以及充满颗粒的烟气中，形成一层或 者多层氧化皮。氧化皮的传热热阻大，降低了炉管的热量交换，导致 管壁温度升高，同时加速了金属氧化膜的形成，从而形成了恶性循环。 经过长时间的运行，锅炉炉管的运行温度不断提升，最终导致了爆管 的速率。因此，超温的形成与氧化皮的增厚紧密相联。 超温导致了寿命损伤。在实际的运行工况下，温度及应力往往可能改 变而超过设计温度和应力，因此当温度超过额定温度时，就可能导致 寿命损伤。图2 3 即为管道爆口的宏观图。 图1 3 管道爆口宏观刚1 0 l 综合上述各种因素可知，导致爆管事故的原因主要可归结为温度和应力两个因 素。因此，如果能够精确的测量锅炉炉管当量温度，并得出由于壁厚变薄引起的运 行运行应力升高，随后根据剩余寿命的计算公式，即可推导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着相应的关系，因此研究的主要工作就 是对于锅炉炉管内壁氧化膜厚度的精确测量，以此推导出相应的当量温度以及剩余 寿命。 综上所述，解决上述问题的关键就是在准确的测定锅炉炉管内壁氧化膜厚度的 基础上，利用合理的计算方法，结合不同材料的性能以及运行工况，计算出炉管当 量运行温度，最终得到电厂实际运行所需的管子剩余寿命结合整个理论过程对 华北电力大学硕士学位论文 所需的功能进行开发研究，形成一套实用、快速、简便的寿命评估系统，在电厂进 行现场测量，实现无损检测，从而降低了锅炉炉管的爆管风险，提高了部件的使用 效率。 1 2 国内外氧化皮厚度测量的研究现状 对锅炉炉管的内壁氧化层厚度的测量首先要保证是无损测量。目前常用测量材 料覆层厚度的方法有：磁法、涡流法、b 射线反散射法、超声波法、电容法、微波 法等多种方法【1 1 1 。由于每种方法所依据的物理特性参数不同而各自有其特点【9 1 。实 际应用时，根据覆层材料和基体材料，选取合适的测试方法。 1 2 1 国外研究现状 对于锅炉内壁氧化层的测量，目前世界上报道的无损测试方法主要有超声波法 d 2 、阻抗光谱法、全息干涉法、电磁法。a d k i n s 1 3 1 和v i s w a n a t h a n 1 4 】对测量炉管内 壁氧化层的各种方法进行了分析比较，认为采用超声波测量炉管内壁氧化层厚度比 其它方法更快捷、方便，有较大的优越性。 美 虱( b a b c o c k & w i l c o x ) 公司设计和制造了一套专门用于测量炉管内壁氧化层 厚度的超声波测试系统n o t i s 。这个系统的测量精度为0 o $ m m ，而且该系统的准确 性已经得到美国电力研究会( e p r i ) 的验证，已在两个发电厂实际应用【l2 1 ，并获得专 利。 英国学者t o m k i n g s t l 5 】，对三种较常见的炉管材料( 2 2 5 c r m o ，9 c r ，1 2 c r ) $ 0 成 的炉管，用超声波方法测试其内壁氧化层厚度，测量精度也可达到o o l m m 。 国j , b 8 0 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检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1 1 6 l 。 1 2 2 国内研究现状 鉴于国外对于锅炉炉管内壁氧化膜测厚系统的研究【1 6 1 国内也在近些年逐步的 探索经济、简单、快速的内壁氧化膜无损测量方法。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、快速的发现临界状态的管段，并且 华北电力大学硕士学位论文 在现场测出管段的内壁氧化膜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。 西安热工研究院材料研究所为解决电站锅炉管金属壁厚测量方法存在的问题 【 l ，针对国内锅炉过热器及再热器常用管材( 特别是1 0 2 、1 2 c r l m o v 钢) ，经过十余年 的研究提出一种锅炉管温度及寿命监测新技术该技术主要由锅炉管壁金属厚度及 内壁氧化层厚度测量系统和锅炉管温度及寿命监测计算软件两大部分组成该技术 已在北仑港发电厂、姚孟发电厂、吉化热电厂、沙角b 电厂等十几个电厂应用，为减 少和预防过热爆管事故的发生起到了良好的作用【1 8 。2 0 】。 国内已开发氧化膜测试仪普遍包括以下的几个组成部分： l 、数字示波器。主要作用是放大脉冲电压进行分析测量。 2 、高频脉冲发生接收器。主要作用是产生并接收高频脉冲，并且在将接收后 的信号传送到示波器。 3 、高频超声纵波换能器。主要作用是转换频率。 国内的超声波测厚仪系统开发已经日渐成熟，但是还存在着一些问题： i 、相对于其他材料缺陷来说，氧化膜的厚度一般都比较薄，而且在高温高压 下运行的锅炉内壁氧化层都由2 3 层构成，因此一般仪器是没有办法准确的测试出来 的因此要使用专用的测试仪，使测试范围能够达到氧化层的厚度，才能够满足工 程需要。 2 、国内部分测试仪系统通常有上述几个部件组成，因此整套装置比较繁琐而 且庞大，不太适合在现在进行检修工作，所需要耗费的人力、物力都将大大增加， 而且工作效率比较低。 1 3 课题论文内容及其意义 无损检测是一种建立在现代科学技术基础上的技术，它是在不破坏原材料的前 提下，应用物理的方法来测定材料表面或者内层可能存在的缺陷或者测试材料的厚 度，对于控制和改进生产质量，保证原材料的不损伤不破坏的可靠性提供了积极的 作用，是发展现代化工业中不可或缺的技术之一 超声波测厚的原理是利用探头的压电晶体产生高频震荡，从而产生超声波，这 种声波能够在测试物件里发生透射，反射或者共振等现象。因为利用示波器，我们 可以收到不同信号的波形图，分析各种波形图所代表的超声波，就能够以此来检测 被测物体内部存在的瑕疵或者是被测物体的厚度等。 根据超声波的这几个特点，我们研究锅炉炉管内壁氧化膜的结构、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，不仅分析内壁氧化层厚度的 分布，并且对于其形成机理也有简单的分析而内壁氧化膜的存在对整个锅炉管道 s 华北电力大学硕士学位论文 利用分析软件对壁厚与炉膛平均温度的分布以及温度的 最后运用开发的软件，测出氧化层厚度，结合软件中的 计算公式，对金属的剩余寿命进行预测。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，运用数值模拟软件针对氧 化膜的存在对管壁金属平均温度以及温度升高量的影响，除此以外，对新型锅炉炉 管内壁氧化膜无损测量系统进行设计，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。 研究的内容主要是： 1 ) 管壁金属层厚度+ 管内壁氧化层。目前，电站锅炉管的壁厚测量用普通测厚 仪不能分清以上几部分的厚度，得出的读数为以上几部分厚度的总和，而不是锅炉 管实际剩余金属层厚度( 只有这部分厚度为管强度做贡献) 。 2 ) 运用软件a n s y s 数值模拟锅炉管内壁氧化膜的存在对于管道平均温度的影 响，以及模拟出氧化膜的增厚对管壁温度升高的影响。 3 ) 通过锅炉管内壁氧化层厚度( 管内壁氧化层厚度的增长与其当量金属温度有 对应关系) 等参数计算出管子的当量金属温度，及其沿整个炉膛宽度方向的分布场 ( 温度场) ，从而找出哪些管段处于超温运行状态。 4 _ ) 通过当量金属温度及运行应力等参数计算出各管段的剩余寿命，及其分布 场，得出哪些管段需要及时更换。 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，通过先进的状态检测手段、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 展趋势做出判断，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生 之前进行维修。 本文建立了一套高频超声波测量系统，用来解决常规测厚方法所不能解决的问 题：即测量真正的管壁金属层厚度( 排除氧化皮厚度) ，保证应力计算的正确性和测 量管内壁氧化物厚度。运用合适的计算公式来推得炉管的当量温度，并结合当量温 度及公式计算出管壁的剩余寿命。 本文的意义在于，通过先进的检测手段，寿命预测手段，能够在较快的时间内 发现故障的早期征兆，并且预测其剩余寿命，能够及早的发现可能爆管的锅炉管， 及时更换，以免造成巨大的经济损失。 具体主要体现在： ( 1 ) 利用高频超声波可以有效地测量锅炉受热面管子内壁氧化膜的厚度 ( 2 ) 根据测量的氧化膜厚度可以推算出管壁的当量温度 ( 3 ) 结合氧化膜厚度以及管壁当量温度能够估算炉管的剩余寿命 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 锅炉受热面内壁氧化膜壁厚测量对锅炉的运行与维护有指导意义 采用本文所开发的系统，可快速的评定锅炉高温炉管的当前状态，结合其它检 查手段，可估算管子的剩余寿命，指导现场检修，为锅炉高温炉管的状态检修打下 了基础。 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉管内壁氧化膜的结构及其危害 2 1 锅炉内层氧化膜与时间、温度、寿命的关系 2 1 1 锅炉炉管内部氧化膜的结构 炉管表面被高温氧化后，通常我们认为管壁的实际厚度是整个金属管除去氧化 层之后的厚度，但是管道壁厚中，在致密氧化层和基体之间存在着一个过渡层( 见图 2 1 ) ，即氧化的过程是受热管面逐步想金属基体扩散渗透的一个过程1 2 。 图2 - i 高温炉管氧化层组织的典型结构【1 6 1 在对锅炉受热管道进行割管试验中可以发现，由于管子外壁长时间暴露在超高 温烟气的环境下，氧化过渡层缓慢形成，并且在形成的过程中产物层的厚度由向火 侧向背火侧逐渐减薄。在超高温蒸汽和压力的作用下，管子内壁首先生成一层致密 氧化物，这层致密氧化物与管子金属基体紧密的结合，且其厚度随着蒸汽和烟气温 度的增加以及运行时间的增加而增厚，因而炉管内壁氧化层的厚度由向火侧向背火 侧呈现逐步减薄的现象l 珏2 4 1 ，最大厚度可大1 5 栅，常见厚度为0 0 5 m m 。图2 3 为 锅炉管管壁厚度构成示意图【z 引。 锅 行 内 图2 3 锅炉管管壁厚度结构示意图 2 1 2 内层氧化膜对管子寿命的影响 目前一部分研究者对于高温部件氧化层厚度和管道剩余寿命之间的关系的研 究和探讨展开了一定的研究【2 7 1 ，这里归纳了迄今为止的部分研究成果。由于c r m o 钢是高温管道的主要用材之一，因此主要是针对c r m o 钢的研究成果搜集【2 8 1 。 对处于高温下使用的炉管，通过金属的当量温度和应力条件可以计算出管子的 剩余寿命，而这个金属当量温度就是管子在计算寿命的损耗程度中所对应对应的某 华北电力大学硕士学位论文 曾经的运行温度和运行时间无关 锅炉管的金属当量温度对于锅炉炉管内壁氧化层的厚度 的增长有着很大的影响。r a m a n r k t 2 9 1 对对c r m o 钢高温部件的氧化层厚度与剩余 寿命之间的关系进行了深入的研究，证实了在高温蒸汽的环境下，2 2 5 c r - 1 m o 钢氧 化层厚度的存在对钢材的剩余寿命的影响起着至关重要的作用；而在对 o 5 c r - o 5 m o 0 2 5 v 钢的高温氧化及其剩余寿命的关系研究中，me v a n s 3 0 l 也做出了 相应的研究，研究表明剩余寿命与氧化层厚度存在很密切的相关关系。 图2 - 4 炉管氧化膜实物示意图 ( 1 ) 传热性能的影响 锅炉炉管内的热力学过程是一个热传递的过程，烟气的对流热量加上火焰的辐 射热量同时作用在管子的外壁，通过热传导使管壁金属将外部的热量传热至管子内 壁，以此来加热管内的蒸汽。因此氧化层的存在，大大减弱了管壁的热传导性能， 使得管壁金属的热量无法传到管内，提到了管壁的平均温度，当管壁平均温度超过 许用温度时，长期的超温运行就是导致锅炉炉管爆漏【3 l 】现象频频发生的主要原因之 一 ( 2 ) 壁温的影响 上文中提到，锅炉炉管内的热力学过程是一个热传递的过程，因此管壁氧化层 的存在大大减弱了管壁的热传导性能，无法传递到管内蒸汽，从而提高了整体管壁 温度且氧化层厚度越大，其当量运行温度越高。 ( 3 ) 炉管金属材料蠕变的影响 当受热管内壁存在氧化层，导致传热性能变差，同时管壁温度升高。当管壁温 度超过许用值时属于超温运行，在这样的条件下，金属材料的会提前进入蠕变第三 阶段即加速蠕变阶段【3 0 1 使寿命大大减少 ( 4 ) 金属金相组织的间接影响 华北电力大学硕士学位论文 金属材料在高温运行的环境下会加速珠光体球化 的蠕变极限和持久强度，造成了金属材料的寿命损伤【 综上所述，炉管内壁氧化层的存在，减弱了管壁金属的导热性，造成管壁金属 的当量温度升高，最后使其使用寿命减短。 2 2 氧化膜的存在对于温度的影响 2 2 1 数值分析模型的建立 2 2 1 1 材料特性 由于在不同条件下，材料的含量各不相同，因此锅炉炉管内壁所形成的氧化膜 也不尽相同。在5 7 0 以下，生成的氧化膜是由f e 。o 。和f e 。0 4 组成，f e ：0 。和f e 。o 都比较致密( 尤其是f e 。0 。) ，因而可以保护钢材以免其进一步氧化；当超过5 7 0 时， 氧化膜由f e ：0 。、f e ，q 、f e 0 三层组成( f e 0 在最内层) ，其中f e 0 是主要的组成部分， 且f e o 并不致密，因此破坏了整个氧化膜的稳定性。 在这次的模型建立中使用的是t 9 2 刚作为实验对象，对于计算中的氧化膜结构 进行了简化，将上述所说的不同结构的氧化膜看成一个整体，其比热容值采用氧化 膜层的平均值，导热系数采用英国国家物理实验室( n p l ) 的测量数据，所用的基体 材料参数以及氧化膜参数列于下表2 - 1 。 表2 一l 在计算中基体材料及氧化膜的主要物性参数 2 2 1 2 模型的建立 采用a n s y s 数值计算软件，建立了受热管界面的二维分析模型。根据不同的 氧化膜厚度计算得出了相应的温度分布情况。 图2 5 是数值分析几何模型示意图，图2 - 6 是数值分析网格划分模型图。模型 的建立中，基体材料的厚度设为9 m m ，氧化膜的初始厚度设置为0 i m m ，氧化膜的 厚度分别取为0 1 0 8 r a m 。为了计算方便，在建模的过程中，假设管材与氧化膜、 氧化膜与氧化膜之间尚未发生剥落现象。利用轴对称性，可以选取1 4 的横截面进 行计算。首先利用a n s y s 对计算区域进行网格划分并且将计算区分成2 个部 分：管壁基体区和氧化膜在使用a n s y s 软件中分别对氧化膜和基体材料进行设 置，并输入表2 1 所示的密度、比热容和导热系数计算区所加载的边界条件为： 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 计算结果分析 所采用的蒸汽侧水蒸气温度为5 4 0 1 2 ，烟气侧采用第 为1 2 5 k w m 2 。 图2 5 数值分析几何模型示意图 图2 - 6 数值分析网格划分模型图 通过数值分析计算，得出了不同氧化膜状态下的温度分布情况，并且对氧化膜 的存在对于温度升高的影响进行了分析 图2 - 7 管壁平均温度随着氧化膜厚度的变化图 0 0 0 i i o jo jo 40 5e 60 7o - 仉 氧化膜厚度( 圈2 - 8 氧化膜厚度增加对于温度升高量的影响 图2 7 是在5 4 0 ( 3 的内部温度情况下，管壁平均温度随氧化膜厚度的变化情况。 由图中曲线可看出：在内壁温度固定时，管壁平均温度随氧化膜厚度的增加近似呈 线性增加。在通常情况下，如仅从蠕变强度考虑，一般认为t 9 2 钢可应用在最高金 属温度6 2 0 。c ( 11 5 0 0 f ) 下，从图2 7 所示，当氧化膜厚度达到0 2 m m 的时候，管壁 金属的平均温度已经超过了6 2 0 1 3 ，超过了金属的最高许用温度由于管壁长期运 行在超高温的条件下从而加速了管壁金属的老化因而加大了爆管的概率 t ， 撕 啪 懈 协 椭 p v埋求趟嚼 华北电力大学硕士学位论文 ，管壁平均温度的变化量随着氧化膜厚度而增加的曲线 的增加量和氧化膜厚度几乎形成一条正比曲线，当氧化膜 厚度达到假定0 9 m m 时，管壁的平均温度比没有氧化膜的情况下增加了超过1 8 0 c ， 从而可以总结得出，平均温度的增加是随着氧化膜厚度的增加呈直线上升趋势，氧 化膜厚度越高，管壁的平均温度升高的越快，管壁金属的老化速率变快，因而氧化 膜的存在对于管壁金属的温度影响十分重要。 2 3 蒸汽管道寿命评估方法 2 3 1 主蒸汽管道寿命预测方法的发展概况的发展概况 预测主蒸汽管道寿命消耗的方法有早期的蠕变寿命损耗的时间分数法、蠕变变 形量分数法以及近几年提出的电阻法等。预测主蒸汽管道寿命的外推方法有多种多 样这种方法精度低，试验时间较长。其中，以外推法为最常用较实用的预测方法。 由于通过测厚来计算，因此也可以归类为无损检测。另外，以持久强度试验为主的综 合分析法一直被人们用来预测主蒸汽管道的寿命。基于可靠性的寿命评估方法和蠕 变损伤及裂纹扩展的寿命评估方法也是近年来人们提出的预测主蒸汽管道寿命的 新方法【3 2 1 。 2 3 2 剩余寿命诊断技术 根据历年来对电厂锅炉的跟踪调查，结果表明，锅炉承压部件的损坏占锅炉部 件损坏的7 0 ，其中运行一年内损坏的多为焊口泄漏；运行7 , - - - - 8 年损坏的多是交变 热应力导致的疲劳破坏：长时间使用损坏的多因材质老化而漏泄。 2 3 2 1 寿命诊断技术分类 目前，国内外对电站锅炉部件的剩余寿命诊断技术大致分为三种代表性的方 法，即应力分析法、破坏试验法、非破坏伤计测法和寿命外推法。 ( 1 ) 应力分析法f 3 3 】 应力分析法需要利用各种曲线以及公式，并且结合材料本身的使用时间、应力大小 等工况来预测材料的剩余寿命。但是由于现实工况下，长时间暴露在高温高压的环境下， 金属材料的各项性能都会发生变化，因此需要不断的更新材料性能数据，这给预测寿命 增加了很多的不便虽然应力分析法经过多年的研究都已经比较成熟，但是还存在着很 多的局限性 2 ) 破坏实验法【3 3 1 破坏实验法是比较直接而且准确的评定方法在有代表性的部位取得试样进行 1 4 华北电力大学硕士学位论文 化学分析、电镜分析等，得到数据并结合预测出受热部件的剩余寿命破坏性试验 的优点是精度高，但是其缺点是人力物力耗费过大，且取样相对来说并不容易，而 且根据美国电力研究院的研究，所画曲线的分散度比较大。 ( 3 ) 无损检测法【 j 为此，开发了微小试样法、复型法、巴克好森噪声法等种种非破坏损伤计测法， 这些方法是在部件材料损伤进展的同时，非破坏地检验材料的金属组织，物理性能 的变化，它可对多个位置进行诊断。延性比较好的2 2 5 c r - l m o 等低合金钢初始的蠕 变损伤表现为材料的变形，而延性低的s u s 3 1 6 钢焊接接头部位和不锈钢的蠕变损伤 表现为生成晶界孔洞。对于疲劳损伤，不论材料的种类，均表现为晶粒尺寸微小开 裂的产生及长大。所以，为了计测损伤，必须根据材料的种类和损伤的形式选择能 够检测出变形、孔洞及微裂纹等方法，根据诊断的目的和位置选择不同的诊断方法。 ( 4 ) 寿命外推法【”】 高温结构件的使用寿命的评估，一般采用提高实验载荷与温度的方法得到较 短时间段的应力、温度与断裂时间的关系，之后再推出长时间段三者间的关系， 称之为寿命外推法。 根据国内外的研究表明，寿命外推法大致可以分为三步【3 4 3 5 】：第一阶段采用 双变量外推法，得出使用寿命。例如使温度保持不变，研究应力和断裂时间之间 的关系；第二阶段着重研究蠕变断裂和寿命损伤之间的关系。第三阶段即为l m 参数法拉森米勒方法是建立在长时间暴露在高温下的试验，因此解决了其他方 法不能模拟实际温度的缺点，因而这种方法更为准确。近几年的剩余寿命预测研 究中，越来越多的运用到l m 方法，研究人员在试验的基础上，建立入编速度和 应力的参数方程，综合热强参数和应力的关系，就可以推算出高温管道的剩余寿 命 3 3 1 。 2 3 3 无损检n i 贝j j 厚法的具体研究 在电厂大规模的测厚及寿命评估条件下，需要将对被测物体的损伤减到最 小，且在这个基础上有较好的测试结果的方法因此，论文选用了无损检测的方 法进行试验。 2 3 3 1 超声波系统理论 超声波是一种机械纵波，是由于机械振动在弹性介质中产生的波动超声波在 同一均匀介质中传播时。其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时， 在两介质的分界面上会产生反射所以超声波脉冲自被测材料表面发出到接收底面 反射脉冲的间隔时间正比于材料厚度，将这个时间转化为厚度值表示，即为被测材 料厚度这就是超声波测厚的基本原理【3 6 1 超声测厚其原理有共振法、干涉法、脉 1 s 华北电力大学硕士学位论文 涉法，可测厚度为0 1 m m 以上的材料精度很高，但对工 装置复杂，使用局限性大，难于自动检测，自动控制。 脉冲反射法一般只能测量厚度为l m m 以上的材料精度较差，但对工件表面光洁度要 求不高，可测略粗糙的材料。如采用一些精度处理，非常适用工业生产使用。 掌上多功能超声波测厚仪的原理主要采用脉冲反射式超声波测厚的原理，如图 2 9 所示 探头( 换能器) 被检测体 图2 9 超声波测厚原理副 1 其方法是从超声波发生脉冲入射到被测物体，从入射一直到反射回来的时间除 以即为超声波在被测物体厚度的两倍，这里不同的被测物体的传播速度不痛，因此 只要知道传播速度以及传播时间就能够根据式2 1 来求出被测物体的厚度【3 8 】。 d = v t 2 ( 2 - 1 ) 式中v 为被测材料中的声速，t 为超声脉冲在被测件两表面之间往返一次的时 间。 测厚仪是利用超声波在各种介质内的传播速度不同，即：由一个介质转到另一 个介质，必然产生波反射的性能来测定的，即利用波反射的时间差来确定金属材料 壁厚。 超声波是指频率为2 x1 0 4 1 0 1 0 h z 的机械波。根据介质质点的振动方向和波动传 播方向的关系来划分，超声波在钢中主要以4 种波型传播：纵波、横波、表面波和 板波。超声波传播的速度( 波速或声速) 与超声波波型、介质的性质( 密度和弹性模量) 有关。超声波在通过固体与固体紧密结合的界面时，一部分在界面反射，返回第一 介质，另一部分透过界面进入第二介质【3 9 1 。超声波透过界面时，其方向、强度、波 型的变化取决于两种介质的声阻抗和入射波的方向。 2 3 3 2 测厚仪研制过程 往返时间的测量有以下三种方，如图2 1 0 所示。 ( 1 ) 测量发射波t 与第一次底波b l 之间的时间； 2 洌量第一次底波b l 与第二次底波b 2 之闻的时阿 ( 3 t ：发射波lb l i 第一次底波：b 2 ：第二次底波；t l 传播时间 图2 1 0 脉冲测厚示意刚3 6 l 以上三种测量方式的选择可以通过不同的电路来实现，但它们对仪器的性能有很大 的影响。如果选择第一种测量方法，则因发射脉冲幅度特别大，且脉宽也大，所以盲区 影响就大，这就限制了仪器的测量下限，但仪器的电路简单，成本低。如果选择第二种 测量方法，由于脉宽窄，能探测薄的材料，此时若用高频探头( 1 0 m h z ) ，就能探测更薄 的材料，因而拓宽了仪器测量下限如果选择第三种测量方法，效果和第二种不相上下， 但数据采集较困难，且杂波较多。第二和第三种测量方法的测量电路较复杂，成本较高。 我们在研制过程中，考虑到量程要求，且要求简单、清晰、易懂的原则，采用 了第二种测量方法。 2 3 3 3 超声波反射原理 管子内壁氧化膜厚度可以采用2 种技术测量。一是制成金相试样，用金相显微 镜或电子显微镜来测量，优点是测量结果准确，精度高；缺点是金相制样要求高， 属破坏性检查，同时不能动态测量管子氧化膜的变化。另外一种测量技术是利用超 声波技术测量，优点是无损测量，可以监测管内壁的动态变化，方便地指导设备检 修，但测量精度不如金相分析的精度高，不过通过合适地选择声波在氧化膜中的传 播速度，仍可以满足精度要求。管子内壁金属在高温下形成的氧化膜，与管内壁金 属紧密结合，形成一个固体与固体结合的界面( 氧化膜管子金属) ，由于界面两侧物 质的密度和声阻抗不同，这给超声波测量提供了可能【1 6 】。 2 - 1 l 系统原理图 当声波垂直入射到一个光滑平面界面时，将产生一个与入射波方向相反的反射波和一个 与入射波方向相同的透射波。 下面讨论入射波、反射波和透射波声压之间的关系。声压p 是超声场中某一点在某一瞬 间所具有的压强p i 与没有超声波存在时同一点的静态压珊。的差值。超声波在介质中传播时， 介质每一点的声压都会随时间、距离而发生变化。假设超声波以声压为p o 垂直入射界面时， 由于声阻抗( z = p c ) 的差异【阍，会产生声压为p ，的反射波和声压为p d 的透射波，设两种介质 的声阻抗分别为z l 和z 2 。 通过声学物理特性分析测厚问题，钢的声阻抗z l = 4 5 3 x 1 0 6 9 ( c r n 2 s ) ，f e 3 0 4 的声阻抗 z 2 = 3 0 9 x1 0 6 9 ( c r n 2 s ) ，因而，当超声波入射到管壁金属和氧化层之间的界面时，超声波将出 现反射和透射的现象，如图2 1 2 所示。 不： j 入射 反射 管壁金属 r 内壁氢化皮 励 1 r 图2 1 2 垂直入射的超声波在氧化皮与金属界面处反、透射示意图1 1 q 反射波和投射波的强度可以通过计算公式的到，具体的计算方法如下公式所 华北电力大学硕士学位论文 r 墨( 籀 2 l o _ p 2 ， n 尚- o 倍3 ， 有2 2 和2 3 的公式可以看到，透射声波占了总声波的9 6 ，所以声波在入射到两 种声阻抗相似的介质中时，大部分的声波将被透射，极少部分的声波会反射回来。 因此，当声波入射到金属基体、氧化层时，在金属基体和氧化层的界面处，大部分 的声波将透射，而测厚仪所能够检测到的反射信号很小，并不能作为测量氧化层后 的依据，所以在试验的时候，现行的测厚仪所接收到的信号是锅炉炉管壁和空气见 的界面反射信号，而并不是炉管管壁金属基体和氧化层之间的界面反射信号，所以 显示的厚度是基体和氧化层的总和。 另一方面，从回波波峰的高度来判断，由于氧化层和空气界面的回波信号远远 大于氧化层和金属基体界面的回波信号，致使所测得的信号波无法作为测量氧化层 厚度的依据。 ” 结合以上两点，现行的氧化层测厚的仪器无法得到我们所需的管壁金属氧化层 以及金属基体的分层厚度。 基于上述原理，根据声程时间的关系，即得到超声波在钢氧化膜界面的反射 波和炉管内壁的回波的传输时间差t 。并计算出内壁氧化膜的厚度： s = v a ,( 2 - 4 ) 2 3 3 4 超声波穿透能力 超声波的穿透能力是指超声波能够穿透各种介质的能力，以衰减系数口表示 【1 6 l o 口= 口。+ 口。( n p m m ) ( 2 5 ) = c l f( 2 - 6 ) c 2 f d 3 硝4 ( d - gi t )( 2 7 ) 式中：q 吸收衰减系数( n p m m ) q 封散衰减系数( n p m m ) c i 、c 2 比例系数 五波长 f 介质各向异性系数 华北电力大学硕十学位论文 粒直径 频率 从上述公式中可知，当超声波频率增加或介质的晶粒直径增加时，超声波的 衰减急剧增加，从而使超声波的穿透能力明显下降。 3 1 1 超声波测厚系统 图孓l 超声波测厚仪图片 仪器的软件就是为了让仪器具有操纵功能，将各个硬件的作用调配起来，通过电脑、 测厚仪，用户能够以软件为平台实现人机对话，完成对氧化膜的检测以及当量温度和剩 余寿命的计算。软件的设计是根据仪器所自带的软件来开发的，并且在其基础上进一步 研究了氧化膜厚度与锅炉炉管的运行温度和剩余寿命的关系。 图3 2锅炉管壁金属层及内壁氧化层厚度测量系统 华北电力大学硕士学位论文 由图3 1 所知，当开机显示后，仪器的中间会出现一个显示波形的大框图，左边 有一排按钮，分别是调校、闸门、测试和输出以及上下左右调试键，其中f r e e z e 键 是用来控制仪器屏幕的变化通过控制键选择调校对仪器的探头、检测范围等进行 初始化，然后