奧氏體不銹鋼因具有熱強(qiáng)性高、耐蝕性和高溫力學(xué)性能優(yōu)良以及焊接性良好的特點(diǎn)，在大型電站鍋爐得到廣泛應(yīng)用。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這類不銹鋼管在運(yùn)行中抗高溫蒸汽氧化性能較差，在電站鍋爐過熱器和再熱器運(yùn)行過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的蒸汽側(cè)氧化皮剝落，導(dǎo)致鍋爐管堵塞，引起嚴(yán)重超溫，從而引發(fā)爆管事故，嚴(yán)重影響大容量、高參數(shù)尤其是超超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 1 鐵素體鋼（T22）氧化皮和奧氏體鋼（TP347H）氧化皮的宏觀特征

圖2?過熱器堵塞超溫爆管

一、氧化皮的形成與脫落

金屬管道內(nèi)壁的氧化皮是金屬在高溫蒸汽環(huán)境下發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。管壁氧化物內(nèi)層為結(jié)構(gòu)致密的富鉻尖晶石結(jié)構(gòu)，中間層主要是結(jié)構(gòu)疏松、多孔的Fe₃O₄，最外層為結(jié)構(gòu)致密但厚度較薄的Fe₂O₃。氧化皮剝落物主要由中間層Fe₃O₄和最外層Fe₂O₃組成，與蒸汽溫度和受熱程度等有關(guān)。

圖?3 氧化皮的微觀結(jié)構(gòu)

一般情況下，當(dāng)蒸汽溫度高于400℃時(shí)，即具有較強(qiáng)氧化性；570℃以下時(shí)，氧化產(chǎn)物由Fe₂O₃和Fe₃O₄組成，氧化速度較慢，可以保護(hù)金屬內(nèi)壁被進(jìn)一步氧化；570℃以上時(shí)，氧化速率較快，氧化產(chǎn)物由Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO組成，整個(gè)氧化皮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，管壁抗氧化能力降低。

在鍋爐高溫運(yùn)行環(huán)境下，由于管材金屬與其氧化皮之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致氧化皮結(jié)合界面產(chǎn)生應(yīng)力。溫度變化速率、變化幅度都會對該應(yīng)力大小產(chǎn)生影響，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，氧化皮脫落。通常情況下鉻鉬鋼的氧化皮脫落的臨界厚度為0.2–0.5mm、不銹鋼氧化皮脫落厚度為0.1–0.2mm。

蒸汽出口溫度為540℃左右的亞臨界和部分超臨界鍋爐出現(xiàn)這類氧化皮剝落問題的時(shí)問一般在機(jī)組投運(yùn)后30000h左右，蒸汽出口溫度為570℃左右的超臨界鍋爐出現(xiàn)這類氧化皮剝落問題的最短時(shí)間大約在機(jī)組投運(yùn)后3400h。氧化皮剝落物數(shù)量主要與剝落前管內(nèi)氧化皮厚度和溫度波動幅度或波動速度有關(guān)，管內(nèi)剝落氧化皮的堆積和堵塞程度與管排的結(jié)構(gòu)形式、管子內(nèi)徑和彎曲半徑等有關(guān)。

二、氧化皮的預(yù)防與檢測

在鍋爐運(yùn)行管理方面可采取的預(yù)防措施有：

①? 減小高溫受熱面各管屏熱偏差，減少受熱面超溫運(yùn)行；

②? 優(yōu)化機(jī)組啟停方式，避免急啟急停帶來的溫度急劇變化；

③? 謹(jǐn)慎控制加氧；

④ 建立氧化皮臺賬，利用專用檢測儀器及時(shí)定量快速檢測。

傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查工作量大、效率低；測厚法速度較慢且無法全面檢查；低頻渦流檢測法易出現(xiàn)誤檢漏檢。目前，采用無損檢測方法檢測鍋爐彎管內(nèi)氧化皮堆積主要有射線檢測法、聲振法及剩磁法。射線檢測方法因受管排空間的限制很難進(jìn)行全面檢測，檢測結(jié)果的評判帶有主觀性，且射線對人體有害，檢測費(fèi)用貴，工期長；聲振法即采用聲衰減系數(shù)作為檢測的特征參數(shù)，根據(jù)其隨氧化皮堆積量增加而增大的關(guān)系實(shí)現(xiàn)檢測，但是現(xiàn)場鍋爐彎管與標(biāo)樣管聲振特性存在較大差異，實(shí)測結(jié)果很難保證。

三、數(shù)字氧化皮檢測儀

由于奧氏體不銹鋼管為無磁性或弱磁性，而氧化皮中的Fe₂O₃和Fe₃O₄均屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)，利用磁性差異，本公司提出一種奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的檢測方法，基于內(nèi)壁氧化皮堆積量與剩磁磁感應(yīng)強(qiáng)度和提升力之間的關(guān)系，研發(fā)了一款新型數(shù)字氧化皮檢測儀。

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圖4 數(shù)字氧化皮檢測儀探頭及主機(jī)

（一）設(shè)備原理

根據(jù)鍋爐管材與氧化皮磁性性能顯著差異特征，對被測鍋爐彎管施加外部磁場激勵后，撤離外部激勵磁場，利用霍爾效應(yīng)和應(yīng)力傳感器檢測彎管內(nèi)氧化皮剩磁磁感應(yīng)強(qiáng)度和提升力，建立其檢測信號值與鍋爐彎管內(nèi)氧化皮堆積量的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對鍋爐彎管處堆積的氧化皮堆積量的無損檢測與評定。

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圖5 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和提升力與氧化皮堆積量的關(guān)系

檢測時(shí)，采用3個(gè)方位測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方法，消除了由于單穩(wěn)恒激勵磁場下不均勻性。探頭30°正向檢測彎管同時(shí)記錄行走長度；到達(dá)終點(diǎn)后探頭0°反向檢測彎管并記錄長度；返回起點(diǎn)后探頭330°正向檢測彎管及記錄長度。20mm采集一次數(shù)據(jù)，采集頻率不超過100Hz。3次檢測數(shù)據(jù)保存在主機(jī)中，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)形成3D管道圖像顯示氧化皮的堆積圖形。這些數(shù)據(jù)及圖形可以通過USB、SD卡保存和導(dǎo)出，也可實(shí)時(shí)通過串口/485傳輸出去。

（二） 性能特點(diǎn)

1. 檢測數(shù)據(jù)量化。數(shù)字化顯示氧化皮厚度和所占管道空間的百分比，圖像化顯示堆積位置，簡單直觀，便于實(shí)時(shí)查看，且具有調(diào)零功能；

圖?6 氧化物堆積檢測界面

圖 7 氧化膜檢測界面

2. 檢測精細(xì)化、專門化。可設(shè)置管道材質(zhì)、管徑大小、管壁厚度等參數(shù)，提高檢測結(jié)果準(zhǔn)確性；

3. 自動生成檢測報(bào)告，優(yōu)化數(shù)據(jù)管理，方便查詢。支持輸入檢測項(xiàng)目編號，檢測部件編號，檢測管屏編號，檢測管子編號，檢測位置編號（可用圖片表示），檢測長度，完成一根檢測，按確認(rèn)后，自動彈出下一管屏編號信息。檢測報(bào)告自動套入模板，報(bào)告顯示檢測時(shí)間、部件、各編號、氧化皮體積、質(zhì)量、截面積、圖片等。支持檢測數(shù)據(jù)保存、導(dǎo)入、導(dǎo)出，并支持錯誤和重復(fù)數(shù)據(jù)的修改、刪除；

4. 重量小于2kg，電池容量8h以上，結(jié)構(gòu)簡單，易操作；

5. 檢測速度快，無須對被測物進(jìn)行表面處理。靈敏度高，對管道內(nèi)氧化皮量的微小變化能夠準(zhǔn)確的反映；

6. 可檢測奧氏體不銹鋼管如：HR3C、SUPER304、TP347HFG、TP347H、TP304等。不僅可以檢測氧化皮，也可以檢測其他來源的鐵磁性異物。

四、結(jié)論

和傳統(tǒng)方法相比，數(shù)字氧化皮檢測儀具有的優(yōu)勢：一是準(zhǔn)確度高。割管抽查的方法是盲目、隨機(jī)的，抽查的時(shí)候常常發(fā)生漏檢，并且會因?yàn)槌椴楦罟芏斐刹槐匾暮缚�，增大了受熱面的安全風(fēng)險(xiǎn)。二是無危害，環(huán)保。射線檢測會給周圍的人和物帶來一定的輻射傷害，并且工作量大，由于受熱面管屏間距的狹小，射線設(shè)備受限于空間制約，拍片質(zhì)量亦很難保證。三是便捷，工期短。數(shù)字氧化皮檢測儀體積小，使用靈活，檢測過程中不受灰塵、振動等外部因素干擾，并可進(jìn)行交叉作業(yè)，工作效率高，可大大縮短檢修工期。

為保障機(jī)組的安全運(yùn)行，使用數(shù)字氧化皮檢測儀提前對受熱面用奧氏體不銹鋼進(jìn)行氧化皮情況排查，并進(jìn)行持續(xù)跟蹤檢測，可有效防止因氧化皮問題引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)事故，并對提高電廠效益、延長機(jī)組使用壽命有著巨大的意義。