氧化皮铁磁性检测仪的可靠性(定稿).doc

氧化皮铁磁性检测仪的可靠性
谢航云1，李伟1，张兵2
1．国电科学技术研究院，江苏 南京 210031
2．国电蚌埠发电有限公司，安徽 蚌埠 233411
空气磁导率＝1，其他
【摘 要】对比检测数据，分析奥氏体钢老化和机械加工后铁磁性增大对检测可靠性的影响；提出必须通过射线检测或其他方法复核，才能确保定性或定量的可靠性。
【关键词】 奥氏体钢管 氧化皮 铁磁检测仪 可靠性
Oxide ferromagnetic Testing Instrument Reliability
Xie Hang-yun1 , Zhang Bing2, 1
(1. Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210031, 2. Guodian Bengbu Power Generation Co., LTD. Bengbu 233144)
Abstract: The effect on the reliability of oxide ferromagnetic testing instrument that be brought by the ferromagnetism increasing of austenitic steel after aging and being machined be analysed by contrasting the testing data. Put forward that the reliability of qualitative analysis and quantitative analysis can be insured none but by checking of radiogram and other means.
Key words: austenitic steel tube; oxide; ferromagnetic testing instrument; reliability

1 引言
目前，超（超）临界机组经过不断发展，已经成为火力发电的主力机组，但是，其锅炉高温受热面大量使用的奥氏体钢管内部高温蒸汽氧化问题却在很大程度上困扰着锅炉的安全经济运营。锅炉奥氏体钢管内剥落、堆积的氧化皮的阻流作用，将产生恶性循环——提高管壁金属温度、加剧高温蒸汽氧化、加快氧化皮剥落、加速管壁金属老化甚至产生短期失效。
为保证机组的安全运行，除采用良好的汽水品质和合理的运行方式以减缓管子内壁氧化皮生成和剥落的速度之外，还应及时对管内剥落、堆积的氧化皮进行检测和割管清理，消除堆积氧化皮的阻流作用，防止管子超温过热引起的管子寿命损伤或短时过热失效。因此奥氏体钢管内堆积氧化皮铁磁性检测仪便可发挥重要作用。目前普遍采用的氧化皮铁磁性检测仪，不需要探头和管子之间的耦合处理，无消耗材料，工艺简单，节能环保，便捷高效，较之早期射线照相和割管检查具有明显的优势。
但是，受奥氏体钢管子本身铁磁性或叫本底铁磁性的影响，在实际应用中，目前这种技术水平的奥氏体钢管内堆积氧化皮铁磁性检测仪的检测可靠性有其客观局限性，必须正确认识。
2 氧化皮铁磁性检测仪简介
氧化皮铁磁性检测仪的原理，是根据奥氏体钢管和管内剥落的氧化皮的铁磁性的客观差异，用磁敏元件作传感器检测管内铁磁性物质，将所产生的电磁信号转变成数字信号。
正常的奥氏体钢管子是顺磁性或弱铁磁性的，而高温蒸汽氧化所产生的氧化物的铁磁性相对大得多。根据被检对象的这一特征，氧化皮铁磁性检测仪就可以实现在奥氏体钢管外部检测管内堆积的氧化皮。
3 氧化皮铁磁性检测仪的应用实例
某HG-1913/25.4-YM7型的超临界锅炉，于2008年12月正式投入商业运营，其过热器出口蒸汽温度为571℃，再热器出口蒸汽温度为569℃。至检测日期，累计运行约13300小时，启停7次。
末级过热器管子为纵向顺流布置，共30屏，每屏由20根U形管组成。入口联箱下部为Ф44.5×8.5规格的SA-213T91材质的管子。下部弯管前部，有材料分界点，分界点以后为同规格的SA-213TP347H材质的管子。出口联箱下部过渡段管子规格为Ф44.5×9，材质为SA-213T91。末级过热器管屏结构见图－1。

出口联箱
A
B
···
C
···
入口联箱
T91
TP347

图－1 末级过热器管屏示意图
末级过热器管内堆积氧化皮检测的数据见表－1，表中管屏编号顺序为炉左至炉右，管子编号顺序为屏外向屏内，射线检测（RT）数据为氧化皮高度占管子内经的百分比。表中只列出B弯的仪器示值≥70的部分测试数据和同一管子A、C弯曲部位的测试数据。为了对比数据，检测时对A、B处两个弯曲点进行了检测。为了确认氧化皮铁磁性检测仪的检测可靠性，B弯检测数据≥70的管子进行了射线检测核对。
表－1 末级过热器管内堆积氧化皮检测部分数据
编号
A弯
B弯
C弯
管屏－管子
示值
示值
RT(%)
示值
8－9
20
85
30
60
9－8
30
90
20
60
10－9
20
80
20
55
11－9
20
80
0
80
13－6
30
105
30
58
14－6
52
75
20
48
17－8
65
120
8
65
17－6
30
85
50
60
17－4
19
88
40
63
18－5
12
90
30
60
18－4
11
90
17
65
18－3
14
100
60
70
18－1
27
75
0
60
19－8
13
90
30
80
20－6
30
82
0
57
23－8
15
90
25
105
由图－1和表－1中的检测数据看，A弯数据最大为65；C弯数据最大为105。正常情况下，A、C两弯处是不可能堆积氧化皮的。没有氧化皮堆积的弯管的测试数据也是比较大的，说明弯管本身有一定的铁磁性。
20屏第6管B弯仪器示值为82，射线检测，其管内氧化皮堆积高度为0；17屏第8管B弯仪器示值为120，其管内氧化皮堆积高度为8％。而17屏6管B弯仪器示值为85，氧化皮堆积高度为50％。10屏第9管和11屏第9管B弯的测试数据都是80，前者的氧化皮堆积高度为20％，而后者为0。氧化皮铁磁性检测仪的示值和管内氧化皮的量无对应关系。
由此看来，根据氧化皮铁磁性检测仪的示值对管内氧化皮进行定性和定量都是困难的。
4 当前技术水平的氧化皮铁磁性检测仪的可靠性和应用价值
管内氧化皮堆积到一定高度，氧化皮铁磁性检测仪的示值必定达到某一数据。这是氧化皮铁磁性检测仪可实现定量的客观依据。假设奥氏体钢管都是弱铁磁性的，和氧化皮的铁磁性相差较大，我们就可以不考虑其铁磁性对检测数据的影响。这样，通过对比试验，获得不同规格、不同材质、不同曲率和圆度的奥氏体钢管子内部堆积氧化皮检测的经验数据后，就可以对氧化皮占管子内经的百分比或氧化皮的质量进行定量；甚至通过提高仪器系统性能，可实现自动显示所测管内氧化皮的质量。另外，还可以根据仪器显示的动态信号，通过一定的检测工艺，对管内的水、铁丝等进行定性。
但是，由客观检测数据来看，管内没有氧化皮，仪器示值也可能达到甚至超过某一数值，如20屏第6管B弯仪器示值为82，其管内氧化皮堆积高度为0。这就是说，弯管本身存在一定的铁磁性，或叫做管子的本底铁磁性，且管子的本底铁磁性各不相同，这也就对氧化皮铁磁性检测仪检测的可靠性提出挑战。因此，不能完全依据氧化皮铁磁性检测仪的检测数据对管内氧化皮进行定性和定量，必须进行射线检测核对或者割管检查核对。那么，根据检测当量数据确认管内氧化皮量为××克的精确定量的说法，则是完全不可靠的。这不只是氧化皮的成份、堆积密度和形态对检测数据的影响问题，主要是管子的本底铁磁性问题。氧化皮的成份、堆积密度、形态和探头灵敏度等对检测数据的影响，是可以通过充分的实验数据予以纠正的；而弯管的本底铁磁性则各不相同，数据没有规律性，这是检测过程中难以解决的问题。
当前技术水平的氧化皮铁磁性检测仪受奥氏体钢管子本底铁磁性的影响，检测的可靠性难于保障，不能独立用于奥氏体钢管内堆积氧化皮的检测。但是，此类仪器也有其重要的应用价值。
当管内氧化皮堆积到一定高度，仪器示值必定达到某一示值。当然这一示值可能是管子本底铁磁性。这样，仍然可以判定，测试值较小的弯管内是没有大量氧化皮堆积的。这样就可以大大缩小用射线核对的范围。尤其是应用于检测新建机组的奥氏体钢管内非碎屑类铁磁性异物，用合理的检测方法，是基本能够较好地进行检测的。
5 影响奥氏体钢管子铁磁性的因素
铁磁质中相邻原子中的电子之间通过量子效应的“交换作用”，使电子自旋磁矩取向一致，形成小的自发磁化区——磁畴。铁磁质中的磁畴，在未受到磁场作用时是紊乱无序的，受到磁场作用后，众磁畴趋向一致，体现出宏观铁磁性。铁磁质主要包括：铁、钴、镍以及它们与其他元素形成的合金；钢中的铁素体、珠光体、贝氏体、和马氏体均为强铁磁性组织，奥氏体、合金碳化物是顺磁体[1]，磁性很弱。
因为受原子间金属键结合力的约束，电子自旋磁矩不能形成磁畴，所以奥氏体晶体结构的固溶体是顺磁体而非铁磁质。
长期高温下运行后老化或机械加工，都可影响或打破了奥氏体钢的微观结构状态，使奥氏体钢管子的铁磁性不同程度地增加。一方面部分固溶物质析出到晶界；另一方面，部分奥氏体晶粒扭曲、断裂，或产生亚相或转变成铁素体等，奥氏体钢也呈现一定的铁磁性。
为保证奥氏体钢管子弯管制作加工后，管子的组织稳定性、高温持久强度和抗腐蚀性能等，通常用于锅炉受热面的奥氏体钢管子，“冷成形后应进行1177℃±28℃至少保温30min的固溶处理”[2]。固溶处理达到理想状态，亚相、铁素体等回复到奥氏体组织，晶粒界面上的析出物溶入晶内，奥氏体钢就呈顺磁性或弱磁性。
材料老化造成的奥氏体钢铁磁性增加，管子各个部位相对差别不大。根据这一特点，可在弯管近区的直管上测试本底铁磁性值，检测弯管时可将仪器示值减去本底铁磁性值。这样就排除了了材料老化对检测可靠性的影响因素。
奥氏体钢管子弯管加工后产生的本底磁性大小，一方面与弯管加工的弯曲半径、不圆度、加工形变速度等机械加工参数有关，另一方面，机械加工后固溶热处理起着决定因素。奥氏体钢管子弯管加工后，如果固溶热处理工艺实施严格，热处理质量好，管子的本底铁磁性就小，否则就呈现明显的铁磁性。因此，本底铁磁性也能反映奥氏体钢管子弯制加工后的固溶热处理质量。
6 新一代氧化皮铁磁性或电磁性检测仪正在问世
据了解，新一代管内氧化皮检测仪已经问世，目前正在试用阶段。一种是利用远场涡流检测，采用一定方法消除管子本底铁磁性的影响；另一种是设法使管子达到磁饱和，在一定程度上也可消除管子本底铁磁性的影响。
7 结论
7.1目前普遍采用的氧化皮铁磁性检测仪，不需要探头和管子之间的耦合处理，无消耗材料，工艺简单，节能环保，便捷高效。
7.2 奥氏体钢管子在长期高温下运行后老化或机械加工后铁磁性增加，影响氧化皮铁磁性检测仪检测的可靠性。
7.3 当前技术水平的氧化皮铁磁性检测仪检测奥氏体钢管内堆积的氧化皮，必须通过射线检测或其他方法复核，才能可靠定性或定量，如果独立用于奥氏体钢管内堆积氧化皮的检测，还需要从原理上进一步改进，技术上还需要革新。
7.4 新一代管内氧化皮检测仪有望很快占领市场。
参考资料
[1]张帆,周伟敏.材料性能学[M]﹒上海：上海交通大学出版社，2009：303﹒
[2]火力发电厂金属材料手册[M]﹒北京：中国电力出版社，2001：324﹒