CN117571834A - 一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，涉及锅炉管材老化分级诊断领域，包括一下步骤：步骤一：采用校准管道对超声波探测仪进行仪器校准；S1：采用两个与待测在役管道材质相同的管道进行超声波校准；S2：采用一个与待测在役管道材质相同的在役管道进行二次超声波校准利用本发明的技术方案制作的一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，超声波氧化皮测厚仪可以很准确的测量氧化皮厚度在0.6mm以下T91管材，锅炉高温受热面T91材质直管段，氧化皮厚度与老化程度有明显的对应关系，可以进行大面积受热面钢管的材质状态诊断，实现100％精准检查。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉管材老化分级诊断领域，特别是一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法。
背景技术
目前，对锅炉高温受热面SA213-T91管材老化分析，主要采用金相检验技术，观察钢材显微组织特征来判别老化级别，主要检验工序如下：
1、选取试样。选在运行温度较高、应力大、部件损伤程度严重或容易出现缺陷的部位。
2、磨制。包含磨平、磨光两道工序。
3、抛光。抛光可采用机械抛光、化学抛光、电解抛光等方法，抛光完成后应彻底清洗抛光面，不能有水渍和污染物残留。
4、侵蚀。常用浸蚀方法有热酸浸法、冷酸浸法及电解腐蚀法。
5、复型。
6、显微观察。实验室采用1000倍金相显微镜或扫描电子显微镜，可以十分准确判断管材老化分级，现场金相检测采用500倍金相显微镜，只能粗略判断管材老化分级。
实验室金相检验技术，对管材老化分析准确性最高，但需要割管取样，不适宜大面积检测，无法精准到每根管的老化分级。
现场金相检验一般只用于锅炉大管道金属检测，对于应用在锅炉受热面管，存在检测工序繁琐、效率低、成本高，对检测人员专业技术水平要求高，在防磨防爆检查中不能实现对每一根管进行精确检验，无法达到快速诊断目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，包括一下步骤：
步骤一：采用校准管道对超声波探测仪进行仪器校准；
S1：采用两个与待测在役管道材质相同的管道进行超声波校准；
S2：采用一个与待测在役管道材质相同的在役管道进行二次超声波校准；
编辑测试氧化皮厚度值，使其与已知s2在役管道氧化皮厚度相符，完成仪器测试前的校准；
步骤二：对在役管道进行检测
将超声波探测仪的探头通过耦合剂耦合在在役管道上，超声波探测仪发出高频脉冲电压，通过电缆送至高频探头，在探头中产生超声波，通过透声楔及耦合剂将超声波传至在役管道的内壁中，当超声波遇到金属/氧化膜界面时，有一个反射回波至探头，转换成高频脉冲电压，这个高频脉冲电压通过连接电缆反馈至超声波测厚仪后，依据声波在氧化膜中的传播速度，可精确的读出内壁氧化膜的厚度。
优选的，所述s1中两个与待测在役管道材质相同的管道尺寸分别为Φ60×4.0mm、Φ60×9.0mm。
优选的，所述s2中与待测在役管道材质相同的在役管道尺寸为Φ40×4.0mm，且氧化皮厚度为0.43mm。
优选的，所述步骤二中超声波探测仪的探头耦合位置在在役管道上检测点至少为13个。
优选的，所述步骤一与步骤二中采用的校准管道以及在役管道的材质为SA213-T91管材。
优选的，所述步骤一与步骤二中超声波探测仪的探头选用M2017纵波探头。
利用本发明的技术方案制作的一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，超声波氧化皮测厚仪可以很准确的测量氧化皮厚度在0.6mm以下T91管材，锅炉高温受热面T91材质直管段，氧化皮厚度与老化程度有明显的对应关系，可以进行大面积受热面钢管的材质状态诊断，实现100％精准检查。
附图说明
图1是本发明入射、透射及反射声压关系图；
图2是本发明光学测量与超声波测厚数据比对图；
图3是本发明编号4的氧化皮厚度图；
图4是本发明编号4的5级老化图；
图5是本发明编号7的氧化皮厚度233μm图
图6是本发明编号7的2.5级老化图
图7是本发明编号8的氧化皮厚度129μm图
图8是本发明编号8的2级老化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，通过本领域技术人员，将本案中的零部件依次进行连接，具体连接以及操作顺序，应参考下述工作原理，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，如图1-8所示，一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，包括一下步骤：
步骤一：采用校准管道对超声波探测仪进行仪器校准；
S1：利用超声测厚仪中氧化层软件选项，探头选用M2017纵波探头，对两个为尺寸分别为Φ60×4.0mm、Φ60×9.0mm、与待测在役管道材质相同的管道进行超声波校准；
S2：利用超声测厚仪中氧化层软件选项，探头选用M2017纵波探头，对一个尺寸为Φ40×4.0mm，且氧化皮厚度为0.43mm、与待测在役管道材质相同的在役管道进行二次超声波校准；
编辑测试氧化皮厚度值，使其与已知s2在役管道氧化皮厚度相符，完成仪器测试前的校准；
步骤二：对在役管道进行检测
将超声波探测仪的探头通过耦合剂耦合在在役管道上，并且在在役管道上选取13个试验点，超声波探测仪发出高频脉冲电压，通过电缆送至高频探头，在探头中产生超声波，通过透声楔及耦合剂将超声波传至在役管道的内壁中，当超声波遇到金属/氧化膜界面时，有一个反射回波至探头，转换成高频脉冲电压，这个高频脉冲电压通过连接电缆反馈至超声波测厚仪后，依据声波在氧化膜中的传播速度，可精确的读出内壁氧化膜的厚度。
锅炉高温受热面钢管内壁金属在高温下形成的氧化膜，与管内壁金属紧密结合，形成了一个固体与固体紧密结合的界面，即氧化膜/管子内壁界面，由于界面两侧物质的密度不同，声阻抗不同，因此可以使用超声波进行测量。氧化膜是一层与管壁金属基体结合紧密、致密的氧化腐蚀产物。在570℃以下时，氧化膜主要由Fe3O4和Fe2O3组成，在570℃以上时，则主要由Fe3O4、Fe2O3和FeO组成，厚度一般在0.1～1mm，并且氧化层由管壁的向火面到背火面依次减薄，金属内表面最先形成致密的Fe3O4膜。
当超声波垂直入射到氧化膜/管子内壁的界面上时，由于钢的声阻抗与氧化皮的声阻抗不同，会产生一定程度的反射。测量时，首先由超声波探测仪发出高频脉冲电压，通过电缆送至高频探头，在探头中产生频率为10～100MHz的超声波，通过透声楔及耦合剂将超声波传至被测管子的内壁中。当超声波遇到金属/氧化膜界面时，有一个反射回波至探头，转换成高频脉冲电压，这个高频脉冲电压通过连接电缆反馈至超声波测厚仪后，依据声波在氧化膜中的传播速度，可精确的读出内壁氧化膜的厚度，测量精度可达±0.01mm。
由于钢/Fe2O3/Fe3O4/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，据资料介绍，钢的声阻抗Z1＝4.53×106g/(cm2·s)，Fe2O3的声阻抗Z2＝2.5×106g/(cm2·s)，Fe3O4的声阻抗Z2＝3.09×106g/(cm2·s)，当超声波垂直入射时，在不同声阻抗的物质界面产生反射和透射，其声压反射率r和声压透射率t的计算公式为：
r＝
t＝
式中，Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。由上述两个公式可算出当声波遇到钢/Fe2O3界面时，反射声波声压pr1＝-28.9％；透射后的超声波遇到Fe2O3/Fe3O4界面后反射，再遇到Fe2O3/钢界面后透射，此时透射声波声压p,t2＝-9.7％；而第一次透射的超声波遇到Fe2O3/Fe3O4界面继续透射，遇到Fe3O4/空气界面，由于空气的声阻抗近似为0[0.00004×106g/(cm2·s)],超声波全反射，相位相反，再依次透射过无反射Fe3O4/Fe2O3界面和Fe2O3/钢界面进入探头，此时透射声波声压p,t3＝-90.6％(入射、透射及反射声压关系如图1所示)。
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回波的传输时间差δt，乘以声波在氧化膜中传播的速度，即可算出内壁氧化膜的厚度，即
S＝V×δt
式中，S-声程；V-声速；δt-传输时间差。
图1中两根竖线对应的超声波声压分别为pr1和p,t3，而竖线之间波峰对应的声压就是p,t2。δt即为拾取两根竖线之间的距离，根据上式，可得出氧化膜的厚度。
选取的13个测试点超声波测厚仪对氧化皮厚度的测试结果如表一所示：
表1超声波测厚仪对氧化皮厚度的测试结果单位：mm
利用实验室光学显微镜，对13个测试试样点进行氧化皮内壁厚度测量，测量结果见表2：
| 样品号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 测试值 | 0.43 | 1.50 | 1.18 | 0.55 | 0.56 | 1.44 | 1.25 | 1.07 | 1.01 | 1.36 | 0.22 | 0.24 | 0.22 |
| 样品号 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 |
| 测试值 | 0.17 | 0.22 | 0.29 | 0.46 | 1.32 | 0.41 | 0.22 | 0.21 | 1.64 | 0.52 | 0.36 | 0.39 | 0.33 |
表2光学测量显微镜对氧化皮厚度的测试结果单位：mm
首先，通过对比采用传统光学测量法和超声波测厚法检测的氧化皮厚度的数据，见图2(纵坐标为氧化皮厚度，单位mm；横坐标为样品编号)，可以看出，本项目所选用的探头和具有氧化皮测厚功能的超声波测厚仪可以检测氧化皮的厚度，并且M2017探头实际检测能力最小可以达到0.15mm；氧化皮厚度在0.6mm以下，光学测量法与超声波法的吻合性很好，氧化皮厚度在0.6～1.00mm之间，由于收集试样中无此类试样，规律还需探讨，氧化皮厚度在1mm以上的，两种方法测试的结果差异较大，这主要是由于氧化皮较厚会出现分层导致。
由此，可以看出，采用具有氧化皮测厚功能的超声波测厚仪，选用合理的探头，可以实现氧化皮厚度在0.6mm以下时，进行材质状态评估的功能需求。
按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》，SA213-T91钢按老化程度的不同，分为未老化(1级)、轻度老化(2级)、中度老化(3级)、完全老化(4级)、严重老化(5级)5个级别。
试验选用10个测试样本，样本全部来源于山西某电厂2号锅炉正在使用的高温再热器受热面直管段，材质为SA213-T91，锅炉运行时间7万小时，样本具有较强的代表性和工程应用价值。试验采用超声波氧化皮测厚仪对管子内壁氧化皮进行测厚，同时采用光学显微镜测量管子内壁氧化皮厚度以及金相组织评定管子的老化情况，光学显微镜下测量单位(微米μm)1μm＝0.001毫米，检测结果见表3、图3-8。
| 编号 | 氧化皮厚度(mm) | 金相组织老化评级 |
| 1 | 0.45 | 4.5 |
| 2 | 0.44 | 4.5 |
| 3 | 0.43 | 4.5 |
| 4 | 0.98 | 5 |
| 5 | 0.44 | 4.5 |
| 6 | 0.31 | 3.0 |
| 7 | 0.26 | 2.5 |
| 8 | 0.15 | 2 |
| 9 | 0.15 | 2 |
| 10 | 0.15 | 2 |
表3氧化皮检测数值与管材老化检测结果
通过对比氧化皮厚度与老化等级的检测数据，氧化皮厚度在0.26-0.45mm时，管材老化等级为氧化皮厚度*10，偏差为±0.1，准确性很高。氧化皮厚度在0.15mm时，管材老化等级均为2级，说明在氧化皮厚度较低时，也能反映出管材老化等级。当氧化皮厚度＞0.5mm时，已达到管材老化等级上限。通过实验数据，说明直管样品的氧化皮厚度与老化程度有明显的对应关系。
1.超声波氧化皮测厚仪可以很准确的测量氧化皮厚度在0.6mm以下T91管材。
2、锅炉高温受热面T91材质直管段，氧化皮厚度与老化程度有明显的对应关系，可以进行大面积受热面钢管的材质状态诊断，实现100％精准检查。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，包括一下步骤：
步骤一：采用校准管道对超声波探测仪进行仪器校准；
S1：采用两个与待测在役管道材质相同的管道进行超声波校准；
S2：采用一个与待测在役管道材质相同的在役管道进行二次超声波校准；
编辑测试氧化皮厚度值，使其与已知s2在役管道氧化皮厚度相符，完成仪器测试前的校准；
步骤二：对在役管道进行检测
将超声波探测仪的探头通过耦合剂耦合在在役管道上，超声波探测仪发出高频脉冲电压，通过电缆送至高频探头，在探头中产生超声波，通过透声楔及耦合剂将超声波传至在役管道的内壁中，当超声波遇到金属/氧化膜界面时，有一个反射回波至探头，转换成高频脉冲电压，这个高频脉冲电压通过连接电缆反馈至超声波测厚仪后，依据声波在氧化膜中的传播速度，可精确的读出内壁氧化膜的厚度。
2.根据权利要求1所述的锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，所述s1中两个与待测在役管道材质相同的管道尺寸分别为Φ60×4.0mm、Φ60×9.0mm。
3.根据权利要求1所述的锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，所述s2中与待测在役管道材质相同的在役管道尺寸为Φ40×4.0mm，且氧化皮厚度为0.43mm。
4.根据权利要求1所述的锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，所述步骤二中超声波探测仪的探头耦合位置在在役管道上检测点至少为13个。
5.根据权利要求1所述的锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，所述步骤一与步骤二中采用的校准管道以及在役管道的材质为SA213-T91管材。
6.根据权利要求1所述的锅炉高温受热面管材老化分级快速诊断方法，其特征在于，所述步骤一与步骤二中超声波探测仪的探头选用M2017纵波探头。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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