(湖北省电力建设第一工程公司 湖北武汉 430061)
摘要：针对氧化皮脱落而导致的锅炉管道堵塞、爆管等现象，主要介绍了氧化皮的产生机理、氧化皮的产生对电站锅炉高温受热面的影响，研究分析了目前常用的氧化皮无损检测技术以及我国电站所采用的无损检测技术应用实例，最后对氧化皮的预防提出了建议。
关键词：高温受热面；氧化皮；无损检测
Abstract：Oxide scale spalling could result in choking the pipe or course pipe bursting. The work mainly introduce the mechanism of oxide scale, the impact on high temperature heating surface in boiler of China’s power plants which is caused by oxide scale. The present oxide scale nondestructive detection technology and the detection technology that is common used in China’s power plants are researched and analyzed. In the end, some recommendations are provided to prevent oxide scale generation.
Key Words：high temperature heating surfaces, oxide scale, nondestructive detection
引言
目前，我国的电力结构仍然是以火电为主，为了提高电站效率、效益、减少污染物排放等要求，新建机组逐渐向大容量、高参数方向发展，这就要求锅炉受热面（主要包括水冷壁、过热器、再热器等）管子、管道等所需材料要有较好的性能。因而锅炉部件必须使用能够耐高温、耐高压、耐磨损、强度持久、抗氧化性能好等特性的材料。
我国电站锅炉主要使用的是TP304H，TP316H，TP347H等不锈钢材料，但不锈钢材料具有较大的热膨胀系数、较低的导热系数、以及应力腐蚀敏感性高等缺点，因而锅炉长期运行后，受热面管道内所产生的氧化皮与不锈钢管道基体的热膨胀系数相差较大，锅炉在启动、停炉时容易导致氧化皮剥落，引起管道局部堵塞、爆管等危害。由此可见，对氧化皮的产生机理进行分析、了解氧化皮的危害、研究氧化皮的无损检测技术以及如何减缓氧化速度、预防氧化皮剥落尤为重要。
1氧化皮形成机理及危害
高温受热管道中水蒸气所含的氧可与不锈钢管内壁发生氧化反应，导致管道腐蚀。锅炉在实际运行中，水蒸汽流量较高，壁温在600℃时，水蒸汽分离出的氢被水蒸汽带走，而分离出的氧气与铁发生氧化反应，形成Fe3O4氧化膜。如果氧化膜稳定，氧化反应就会减慢，形成一层保护层。但是随着锅炉在高温高压环境下产生剧烈波动，由于基体和氧化膜热膨胀系数的差异，温度发生剧烈变化时，氧化皮就会脱落。
氧化皮没有脱落时附着在管道内壁，相当于加大了传热热阻，影响传热，从而引起管壁温度升高，温度较高时也可导致爆管。电厂再热器、过热器基本采用U型管道，当氧化皮脱落时，堆积在弯道处，管道流通面积减小，阻力加大，引起管壁温度升高，导致爆管事故。而被高速蒸汽带出的氧化皮具有较大的动能，对汽轮机的叶片造成冲击，严重时损坏叶片、降低了机组的出力。对汽轮机冲击之后的氧化皮颗粒进入凝结水系统之后，会在水冷壁、高温加热器水侧沉积，导致水汽品质降低。
2氧化皮检测技术
由于氧化皮脱落导致的锅炉爆管事件在国内已发生多次，如何有效地检测氧化皮是确保电厂安全稳定运行的关键技术之一。目前没有统一的氧化皮无损检测技术，常用的无损检测方法有射线法、高频超声法和磁性检测技术。
2.1射线法
射线法是利用射线穿透沉积氧化物时具有不同的衰减来检测缺陷的一种无损检测法。射线法可靠直观、可用于不锈钢材料和非不锈钢材料的检测，用途广泛。
我国国内部分电厂采用射线法进行氧化皮检测。国华太仓发电有限公司末级过热器采用T23、T92等非不锈钢管材，故采用射线法检测氧化皮，有效的检测出了氧化皮的累积情况。射线检测法通常与其他检测法共同使用，用来校验复核等。如文献[7]中对某一电厂1号锅炉检修期间使用一种无损检测仪进行氧化皮的检测，采用射线法对检测结果进行校验复核，以进一步确定管内氧化皮堆积情况。华能玉环电厂使用西安热工院研制的一种无损检测仪进行氧化皮的检测之后，采用射线检测法进行复核，证明了检测结果的可靠性。由于射线对人体伤害较大，不能与其他工作同时进行，影响工作进度，并且灵敏度不高，对于少量沉积氧化物时识别度低。相比于其他检测法，射线法费用较高，现场应用较少。
2.2超声波法
超声波检测法可以通过管壁厚度的减小来间接测量氧化皮的脱落情况，基本应用于管壁厚度的检测，评估受热面的寿命；现场操作方便快捷，可进行整组受热面管逐根检测，故应用广泛。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆超声波检测法包含低频超声波检测法和高频超声波检测法，低频超声波检测法由于超声波频率低，所以检测精度不高。高频超声波检测法采用较高频率的超声波，检测精度相比于低频超声波检测法高。
文献[11]中采用超声波检测法对末级过热器测点进行检测，发现所测部位基本都发生氧化，并应用内窥镜和割管取样进行复核。相比于内窥镜和割管取样法，超声波法可以动态检测管内壁氧化皮的生长情况，可预估出受热面的寿命，操作简单。郑小腾等人分别采用高频超声法和磁技术检测法对氧化皮进行检测，对比发现高频超声检测法可以用来检测氧化皮厚度，也可对氧化皮在弯头等部位的堆积情况作出预判断，磁技术检测法不能对氧化皮的厚度进行测量。但是高频超声波在粗晶材料中具有较大的衰减，在晶界处易反射、折射等缺点，所以此方法不适用于奥氏体钢管内壁氧化皮检测，而磁技术检测仅适应于奥氏体锅炉内氧化皮的检测。
超声波检测法在应用过程中存在如下不足：由于超声波检测法是通过测量管壁厚度的减小来间接测量氧化皮的厚度，得出的是平均值，对氧化皮在管道内的分布情况无法测量，无法判断是否堵塞管道，因而超声波检测法无法有效地检测出脱落的氧化皮厚度。
2.3磁性检测法
磁性检测法是通过磁性测量大致确定氧化皮的堆积量，装置简单、易于操作，检测效率高，能够提高电厂的检测效益，在电厂氧化皮的无损检测中应用广泛。磁检测法是依据奥氏体钢与其内壁氧化皮磁性的差异性进行检测的，主要用于奥氏体锅炉内氧化皮的检测。
文献[13]采用磁检测技术对姚孟发电站和三门峡电站的锅炉进行检测，得出磁感应强度值与氧化皮厚度的可分为:快速变化区、缓慢变化区和稳恒区，氧化皮先是快速增长，进入缓慢变化区之后增长缓慢，最后趋于饱和进入稳恒区。文献[9]中采用磁性原理，研制了一种新型氧化皮检测仪，克服了原有检测仪设备庞大等缺点。文献[14]采用对末级过热器和再热器进行氧化皮检测，由于磁检测法是依据奥氏体钢与其内壁氧化皮磁性的差异性进行检测的，所以对于奥氏体材料采用磁性检测技术，马氏体材料采用射线检测法。检测发现末级再热器屏间的热偏差较大引起氧化皮的产生，锅炉管内壁温度较大升降变化使氧化皮脱落。
磁检测法虽然应用广泛，但是仍然有不足的地方：当产生的氧化皮较少时，敏感度差，测量精度差，氧化皮过多时，线性关系较弱。高温条件下，锅炉管道材料呈现铁磁性，在磁性测量时导致错误判断；奥氏体锅炉产生的铁磁性易干扰磁性测量。在使用磁性检测过程中，探头移动、管子内壁的氧化皮对检测结果影响较大。磁性检测法不能检测外壁有铁素体喷涂层的管子。
3氧化皮的防治
氧化皮的防治主要分为减慢氧化皮的形成速度和防治氧化皮的脱落。
3.1减慢氧化皮的形成速度
在设计阶段要选择抗氧化性能较好的不锈钢材料，安装时要确保联箱内部清洁度。调试时要严格按照章程进行吹管，保证联箱内部没有杂质残留。运行时，要严格控制锅水品质，采用合理的水处理方式。管壁温度是影响氧化皮形成的一个重要因素，因而要严格控制管壁温度，安装时要加装壁温测点，实时有效地监控壁温。
3.2防治氧化皮脱落
氧化皮的脱落主要发生在机组启停阶段，因而要严格按照操作要求进行操作，控制好机组的启停速度，掌控好瞬时温升或温降的速度，避免壁温发生剧烈变化。机组在启动阶段，要确保汽水品质，可适当提高锅水温度；冲转过程中合理使用减温水，暖管时要保证暖管的蒸汽流量和蒸汽压力；严格控制过热器等出口温差及温度变化速度等参数。机组在停机时，做好停炉保护，控制好滑停温度，避免氧化皮的脱落；机组在大修或小修时，要对氧化皮进行取样测试分析。
4结论
氧化皮的产生是不可避免的，可采用相关措施减慢氧化皮的形成速度，预防氧化皮的脱落。针对目前现有的氧化皮检测技术，各电厂应该根据实际条件，采取合理的检测技术，避免造成爆管现象，为电厂的安全稳定运行提供保障。
参考文献
[1]王起江，洪杰，徐松乾，朱长春.超超临界电站锅炉用关键材料[J].北京科技大学学报，2012,34（增刊1）:26-33.
[2]刘金秋.奥氏体锅炉管内壁氧化皮脱落堆积测量技术研究[D].山东:山东大学，2011.
[3]丁克勤，赵娜.电站锅炉不锈钢管氧化皮检测技术[J].无损检测，2010,32（8）:601-604.
[4]刘蓬旭，周顺文，张国伟.对锅炉高温管段产生氧化皮原因的分析和解决办法[J].锅炉制造，2012,6:23-27.
[5]石惠朋.超临界机组高温氧化皮问题的分析和防治[J].内蒙古石油化工，2014,3:75-76.
[6]谢双扣，尹成武.火力发电厂超临界机组氧化皮射线检测判别分析[A].见：电力行业电力锅炉压力容器安全监督管理委员会等编.超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第四次论坛大会论文集[C].江苏，2011：325-329
[7]刘彬.超临界大容量锅炉受热面管内壁氧化皮检测及分析[J].无损探伤，2012,36（4）:14-17.
[8]刘鸿国.不锈钢炉管运行近10000h后的氧化物检测及分析[J].理化检验-物理分册，2009,45（11）:711-713.
[9]许立宾.电站锅炉不锈钢管内氧化皮检测技术研究[D].山西：中北大学，2010.
[10]耿晓锋，魏克湘，覃波.火力发电厂炉管内壁氧化皮厚度超声检测[J].湖南工程学院学报，2014,24(2):23-25.
[11]张凤安,朱邦同.超声波检测技术在锅炉受热面管氧化皮检测中的应用[J].新技术新工艺，2014,9(11）:117-120.
[12]郑小腾，余焕伟，董伟雄.电站锅炉高温受热面管内壁氧化皮检测方法[J].中国特种设备安全，2016,32(3）:49-52.
[13]张继龙.基于磁性原理的锅炉高温受热面氧化皮检测技术[J].电力与电工，2013,33(1）:12-16.
[14]张俊伟.锅炉高温受热面管氧化皮检测分析[J].内蒙古电力技术，2015,33(1):39-43.
[15]李义成.超临界锅炉受热面氧化皮的检测分析与对策[J].电力科学与工程，2011,27(2）:68-71.
[16]银龙，宋寿春，毕法森，何洪利.超临界机组氧化皮的产生与防范[J].电力设备，2006,7（10）:33-36.
论文作者:郭雅冬
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/7
标签：锅炉论文; 超声波论文; 射线论文; 内壁论文; 奥氏体论文; 磁性论文; 检测技术论文; 《电力设备》2016年第16期论文;