电站高温管道劣化降级的磁滞测量评价技术-北京康坦科技有限公司.doc

北京康坦科技有限公司电站高温管道劣化降级的磁滞测量评估技术北京康坦科技有限公司11.应用背景及研究现状火力发电厂四大管道包括：主蒸汽管道、热再热蒸汽管道、冷再热蒸汽管道和高压给水管道，它们是电厂汽水管道中重要组成部分，也是主要高温高压管道。四大管道在高温高压条件下长期运行会发生组织老化和蠕变损伤,使管道的断裂韧性和强度降低,从而使管道发生破裂的可能性增加。因此,检验电站高温管道材质的损伤状态,进而对管道的强度、断裂韧性和剩余寿命进行评估,是保证电站机组安全运行的前提。目前我国仍然主要采用在实验室对取样材料进行短时蠕变试验和持久断裂试验,随后对持久强度、蠕变极限数据进行外推,最终确定高温部件在实际服役工况下的剩余寿命。从材料损伤的微观角度出发,则是通过金相组织观察，根据晶界孔洞、碳化物颗粒大小来评价材料的蠕变损伤度,进而预测高温部件的剩余寿命。然而上述实验评估方法都是基于破坏式的试验分析，对在役管道的剩余寿命评估并不适用；常规的超声、射线、涡流等无损检测手段又只能对管道的宏观缺陷进行检测，对这些在宏观缺陷产生之前的隐性损伤就显得无能为力。新兴的金属磁性检测技术，被认为在早期损伤检测方面极富开发潜力，但目前对铁磁构件早期损伤的磁性检测机理和方法还缺乏相应的系统研究，离实际的工业应用就相差更远。哈尔滨工业大学的徐敏强教授等人探讨了磁记忆技术用于应力状态和疲劳损伤检测的可行性，进而围绕铁磁性材料早期损伤检测这一核心，从静载和疲劳拉伸试验研究、塑性范围内的磁机械效应模型构建、面向早期疲劳损伤的磁场畸变建模等几个方面，较系统地研究了铁磁构件早期损伤的磁记忆检测问题；但磁记忆检测精度不高，测量重复性及稳定性差，受干扰因素众多，依然无法满足工业应用。而武汉大学的马向东等人测量了取自经历不同运行时间的高温管道试样的剩磁和矫顽力等磁性参数,描述了上述磁性参数随运行时间变化的规律,分析了高温管道磁性参数（剩磁和矫顽力）随运行时间变化的原因,指出了这项技术在高温管道寿命评价上的应用前景。美国伊利诺伊大学学者Alberto polar等人研究了材料的磁滞行为与不同蠕变劣化程度之间的关系，实现了材料蠕变损伤程度和剩余寿命的无损检测评估；通过研究得出耐蠕变型P91钢在不同蠕变阶段，其饱和磁化强度、剩磁、矫顽力等磁滞参数呈现出一定的线性比例和指数关系；通过描述材料磁化过程的J-A模型，并从实验获得的磁滞回线提取相关模型参数，最终通过这些参数的代数计算得出蠕变损伤因子，用来评估材料的蠕变损伤程度及预测剩余寿命。乌克兰SSE公司资深无损检测团队经过多年研发的磁滞测量评估技术，现已广泛应用于电站高温高压管道材质劣化程度及剩余寿命的检测评估。2. 磁滞测量评估技术原理工程材料的完整性评估包括宏观缺陷和微观损伤两方面的评估。常规无损检测一般只能检测宏观缺陷；在宏观缺陷出现之前，材料缺陷是以微观损伤累积的，对于有些工件表面虽然没有宏观裂纹，但微观损伤严重的，如若继续使用，很可能影响工件的正常使用甚至发生危险。因此，单纯检测宏观缺陷是不完善的。磁滞测量评估技术可以很好的反映材料微观损伤情况，并对当前的机械性能劣化程度进行量化评级。磁滞测量评估技术是基于材料的磁滞行为对材料的微观结构变化及应力状况非常敏感（见图1）；而电站高温管道机械性能（特别是钢的高温强度和塑形）的降级正是由于管道内部组织发生了一系列的变化，如石墨化、珠光体的球化和碳化物聚集、合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配、时效和新相等；同时，由于反复的加压和卸压、温升和温降使管道形成局部应力集中区域，直接影响材料的抗疲劳性能和高温蠕变性能；因此可以通过测量高温管道的磁滞参数来反映材料当前的劣化降级程度及残余寿命。 图1.微观结构和机械应力对磁滞回线的影响表征材料磁滞行为的主要参数包括矫顽力、剩磁、最大磁导率、磁滞损耗等，该四个参数也是对材料微观组织变化最敏感的，称为结构敏感型参数。乌克兰SSE公司基于材料磁滞行为研发的多参数磁滞测量评估设备（见下图2）能同时测量矫顽力、剩磁、磁滞损耗、最大微分磁导率、最大磁场强度、最大磁感应强度等多组磁滞参数，并绘制完整的磁滞回线，更全面可靠的评估材料的劣化降级程度（如图3所示）。破损前状态当前状态初始状态 图3. 不同损伤程度的磁滞回线形状图2. 多参数磁滞测量评估技术在四个结构敏感型参数中，矫顽力值最为稳定，同时又对微观结构变化最敏感，基于此种情况，乌克兰SSE公司又专门研发了单参数磁滞测量评估设备（见下图4），用于材料机械性能劣化降级的快速测量评估。图4. 单参数磁滞测量评估设备Hc min在高温管道材料服役前至宏观缺陷出现之前,材料的劣化是以微观损伤的形式累积的；累积到一定程度会造成材料机械性能快速恶化，给电站长周期安全运转带来极大隐患；而材料在整个劣化降级过程中磁滞参数（如矫顽力值）是逐渐增大的（如图3所示），因此可以通过测量材料的磁滞参数来反映材料当前的劣化损伤状态及残余寿命。Hc max 图5 矫顽力值随材料微观损伤累计的变化示意图同时，磁滞测量评估技术可以表征电站高温管道在高温蠕变、腐蚀、氧化等综合因子作用下的损伤状态（如图4所示），因此该技术是一种更全面、更合理地评估材料当前性能降级的新技术。磁滞参数残余应力图6 磁滞特征参数表征意义及影响因素工作载荷（外加压力、载货量等）其他因素辐射脆化与工作载荷相关（变形、温度等）腐蚀因素结构载荷(damage state)当前金属状态（损伤程度）3.技术优势该设备轻巧便携，方便现场应用；操作方便，可在管材表面直接测量，无需打磨，无需耦合剂，最大可提离6mm；渗透深度达50mm以上，突破了金相、硬度等只能检测单一表面的局限性；测量快速，多参数磁滞测量评估设备绘制完整磁滞回线仅需1min，单参数磁滞测量评估设备采集一点数据仅需3秒，且数据可实时存储，检测效率极高；各参数测量误差均小于2%，且测量重复性极好。4. 检测案例4.1主蒸汽管道硬度异常区域的磁滞测量评估南京某电厂2#机组主蒸汽管道（P92）三通连接段直管在检修期间发现，距离焊缝400mm区域硬度异常。我公司受南京某电力公司委托，对该部分管段进行磁滞测量评估。管材材质：P92，规格34972，运行最高温度605，最高压力27MPa,分别在距离焊缝200mm、400mm及1400mm的管体上采集测量数据，其中1400mm处作为硬度正常区域参考点，具体检测部位如下图所示。1400 C400 B200 A2004001400063 9测量方向：从0点钟开始，沿顺时针方向测量，沿环向放置探头右视图图7.检测位置示意图单参数磁滞测量评估设备测量结果如下表1所示，其对应的硬度测量结果如下表2所示。从数据中可以看出，距离焊缝400mm处的管体在4点到8点钟方向的磁滞特征参数Hc值为6.3-7.0，相对于正常区域的Hc值（8.2-8.5）偏低，其对应的硬度值147-171HB也远低于正常区域的硬度值。说明管材的磁滞特征参数的变化可以很好的表征其当前的硬度异常情况，而硬度和强度又存在一定的换算关系，因此可以通过测量材料的磁滞特征参数，来评估管材的剩余强度和剩余寿命。表1.单参数磁滞测量数据 Hc:A/cm 轴向位置/mm环向位置/点200400140007.57.48.217.47.38.327.57.48.437.67.38.347.57.08.557.66.58.467.56.38.277.56.48.387.46.88.397.57.58.4107.67.48.3117.47.68.4表2.硬度测量结果（HB） 轴向位置/mm环向位置/点200400140001811821911182182192218018319231831831934183171192518216319461821471947185150193818516919691821811971018318019411183185194在管材6点钟方向上，对硬度异常区域（距离焊缝400mm）、焊缝热影响区（距离焊缝200mm）及正常区域（距离焊缝1400mm）进行了多参数磁滞评估数据的采集，测量结果如下图8所示。从图中可以看出：不仅矫顽力Hc值，其他的磁滞特征参数剩磁Br、磁滞损耗S值都与管材的硬度值有一个很好的对应关系，因此可以通过测量管材多个磁滞参数，更全面准确地评估材料当前的劣化损伤程度及残余寿命。400mm处200mm处图8.多参数磁滞测量数据1400mm处4.2 P92钢蠕变损伤的磁滞测量评估技术针对电站主蒸汽管道最典型的高温蠕变失效，乌克兰SSE公司与国外某高校开展了“P92钢蠕变损伤的磁滞测量评估”课题研究。实验通过高温蠕变试验机，获得不同蠕变损伤阶段的P92钢试样，并采集P92钢试样各个阶段的磁滞特征参数。试验研究表明：P92钢在不同蠕变阶段，材料的微观结构特征变化和磁性参数变化具有良好的对应关系：1、蠕变的第一阶段，矫顽力和剩磁数值都增大；2、蠕变的第二阶段，矫顽力和剩磁数值都下降；3、蠕变的第三阶段，矫顽力数值增大，而剩磁数值下降，如下图9所示。图9.P92钢蠕变不同阶段的矫顽力Hc值和剩磁Br值得变化曲线在蠕变初始阶段，碳原子在向晶粒边界迁徙的过程中，碳原子与材料中存在的M2C和M3C2碳化物发生反应，这里M代表Fe或Cr或它们的复合物。这可能改变碳化物的成分和形貌。碳化物在高温下粗化，仅仅提供了少量排列稀疏的钉扎中心；同时在高温下碳原子也同其它合金原子和新生成的碳化物如VC,NbC和Mo2C发生交互作用；氮化物如VN和NbN也会在高温下形成。精细碳化物和氮化物的析出，增强了蠕变强度，同时也作为钉扎中心，制约了磁畴壁运动，使矫顽力和剩磁数值增大。当蠕变进行到第二（稳定）阶段时，随着更小尺寸的碳化物消失，碳化物的尺寸变大，不仅降低了钉扎中心的数量，而且增大了钉扎中心的间距。因此，随着蠕变应变持续累积，钉扎密度降低。当蠕变量持续增大（达到60%），因为没有碳化物的钉扎，磁畴壁将移动更长的距离。当蠕变量进一步增大，大量的碳化物如M23C6就会形成，大量易脆相如莱夫斯相(Fe2Mo)和Z相（一个复杂的Cr,V和Nb碳氮化物相）也会形成，这些易脆相会降低蠕变强度，且在晶粒边界导致微裂纹的产生，导致材料失效。在蠕变的第三（最后）阶段，产生大量非磁性的碳化物、其它非磁性易脆相-莱夫斯相和Z相（如下图10所示）；由于在这些大量非磁性碳化物和其它非磁性易脆相区域大量形成微裂纹，进一步降低蠕变强度，最终导致材料破裂；此过程中磁畴壁运动严重受阻，因此，在蠕变的第三（最后）阶段：矫顽力迅速增大，而剩磁数值降低。图10 P92钢蠕变破裂前微观结构由此通过监测材料磁滞参数（矫顽力Hc和剩磁Br）的变化，可以有效地识别材料处于高温蠕变损伤的第几个阶段，从而对其损伤程度和剩余寿命进行准确评估。5. 总结综上所述，我们可以得出以下结论：1） 基于材料磁滞行为对材料微观结构和应力的变化非常敏感，磁滞