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电站锅炉管壁金属层厚度和氧化层厚度超声测量方法的研究
马剑民
(国电热工研究院材料工程技术中心，陕西西安)
摘 要:主要介绍锅炉过热器及再热器现行管壁厚度测量方法、存在问题的理论分析，以及新研究的锅炉管壁金属厚度、内壁氧化层厚度超声测量方法及应用。
关键词：过热器；再热器；氧化物；超声测厚
1 前言
电站锅炉过热器、再热器、水冷壁、省煤器管简称锅炉“四管”。锅炉“四管”爆漏事故，一直是影响火电机组安全、经济运行的主要因素之一。据近年来的统计，我国大型电站锅炉“四管”爆漏停用事故，占机组非计划停用时间的40%，占锅炉设备非计划停用时间的70%。其中，锅炉过热器及再热器管的爆漏事故占很大的比例。
为减少和防止“四管”爆漏事故的发生，采取的手段通常为管壁厚度的测量。但实践中发现管壁厚度测量，并不能真实地反映出过热器及再热器管所剩余的管壁金属层厚度。超声波测厚仪的壁厚读数比实际的大，特别是运行时间较长的机组。通过试验分析，发现测厚仪上反映出的读数实际为管子表面氧化物厚度加管壁金属层厚度。测厚仪读数并不是两层实际厚度的简单相加，这是因为两层材料的声速不一样，而超声测厚仪中只设了钢的声速。工作中发现壁厚测量合格的管子，割管检查壁厚却有不合格的现象。国内外的研究表明，可用过热器及再热器管内壁氧化层厚度等参数评估锅炉管温度及寿命。因此，研究能分辨并精确测量管壁金属层厚度及内壁氧化层厚度的方法和仪器对于减少和防止过热器及再热器爆漏事故的发生，保障电站机组安全、经济运行具有重要意义。
2 过热器及再热器管壁厚度
对热器及再热器外表面由于高温烟气的氧化及腐蚀性作用，看看大学生自主创业贷款。会生成一层氧化和腐蚀产物层，严重的情况达1.5 mm以上，最薄的也有0.2 mm左右，其厚度随运行时间和烟气温度（及烟气中腐蚀性气份）的增加而增厚。厚度由向火面向背火面逐渐减薄，同时管壁金属层厚度减小。同样，管子内壁在高温蒸汽及烟气的作用下，在内表面生成与金属基体接合紧密、致密的氧化层。经分析主要是铁的氧化物Fe3
O4
、Fe2
O3
，厚度随运行时间及蒸汽和烟气温度的增加而增厚。同时管壁金属层厚度减薄，内壁氧化层由向火面向背火面逐渐减薄，内壁氧化层最厚的达1.5 mm以上。
可见过热器及再热器管壁厚实际，是由外壁腐蚀及氧化产物层厚度、剩余金属厚度（有效壁厚）、内壁氧化物层厚度三部分构成。图1为过热器及再热器管壁厚构成示意图。
图1
3 现行锅炉管壁厚度测量方法及存在问题的理论分析
现行过热器及再热器管壁厚测量方法为超声波法，测厚用仪器是数字式超声波测厚仪。
锅炉管测厚用数字式超声测厚仪，从原理上讲都是脉冲反射式。图2为数字式超声测厚仪的原理方框图。其工作过程是：水针灸SPA仪。发射电路输出一个
上升时间很短、脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，加气块的规格 。激励压电晶片产生脉冲超声波。探头发出的超声波进入工件，在工件上下表面间形成多次反射，反射波经过电晶片再变成电信号，经放大器放大，由计算电路测出超声波在管壁上下表面间的传播时间，然后再依据测厚仪中预置的管子所用金属材料的声速显示出管壁厚度值。
图2
数字式超声测厚仪测量超声脉冲在工件中的往返传播时间有三种方式：一是测量发射脉冲与第一次底波之间的时间；二是测量第一次底波与第二次底波之间的时间；三是测量任意两次相邻底波之间的时间。工业上应用的测厚仪一般是测量发射脉冲与第一次底波之间的时间。对于测厚仪探头有透声楔的情况，在仪器调零校准时已将声束在透声楔中的传播时间去除掉。测量工件厚度时，只有底面反射信号超过一定幅度时，测厚仪才能显示厚度值。由于工业上应用的测厚仪一般没有增益旋钮，也就是说测厚仪的信号放大器的放大倍数是固定的。因此，测厚仪要能够测量出工件的厚度，反射回波的幅度就显得至关重要了。
图3
当用数字式测厚仪测量过热器及再热器管壁厚度时，测厚探头发出的声束垂直入射到金属/内壁氧化层界面，将会发生声波的反射和透射现象，如图3所示。反射波与透射波声强可由声强反射率Ｒ
、声强透射率Ｔ
来表示。钢的声阻抗为Ｚ
1
＝4．53×106
ｇ／ｃｍ2
·Ｓ。Ｆｅ3
Ｏ4
的声阻抗为Ｚ
2
＝3．09×106
ｇ／ｃｍ2
·Ｓ。Ｒ
、Ｔ
的数值可由下式计算出：
上面Ｒ
和Ｔ
的计算数值表明，在金属/内壁氧化物界面上有96%的声能透射，只有4%的声能反射。这说明超声波垂直入射至介质声阻抗相差较小的介质组成的界面时，声能将会大部分透射，声压往复透过率也很高(数值上与声强透射率Ｔ
相等)。从回波高低方面来描述，内壁氧化层界面回波太低，以至于常规测厚仪检测不到。即其回波产生的电压太低不能触发测厚仪的计时电路工作，而测厚仪只能检测到氧化层背面的回波。显而易见，测厚仪显化层界面的反射和透射示的厚度值就不是管壁剩余金属层厚度，这就是现行锅炉管厚度测量方法存在的问题。
4 锅炉管壁金属厚度及内壁氧化层厚度的超声测量系统
图4
以上论述表明，研究一种能直接观察到，并可分辨金属/内壁氧化层界面及氧化层背面回波的新方法和仪器是很必要的。
4．1 新系统的设计
在实验的基础上，选择超声波脉冲发生接收器、高频示波器、高频窄脉冲小晶片带透声楔的纵、横波直探头组成锅炉管壁金属层厚度及内壁氧化层厚度测量系统，如图4所示。
超声脉冲发生接收器——其作用是产生电脉冲派励超声探头产生超声波，并接收回波信号预放大电脉冲。
高频示波器——接收超声脉冲发生接收单元传输来的回波电脉冲，显示工件中的回波信号，测量工件中回波的幅度及传播时间。
4．2 内壁氧化层声速
新系统能测量超声波在管壁金属及内壁氧化层中的传播时间。而管壁金属层厚度可用钢中的传播时间和钢的声速求得。但内壁氧化层声速并非已知常数，因此，要求得内壁氧化层厚度，必须了解超声波在其中的传播速度。内壁氧化层由结构成分、密度有差别的几层构成，每层的弹性模量、声速不同。通过对不同厚度氧化层声速的测试，发现氧化层声速差别很大。氧化层较薄时，声速较小，声速随着氧化层厚度的增加而增加。当氧化层厚度增加到一定数值后，再随着氧化层厚度的增加，其声速变化很小(差值在100 m/s左右)，声速最大和最小差约2800 ｍ／ｓ。
4．3 管壁金属层厚度和内壁氧化层厚度的测量
首先要将锅炉管壁外表面的腐蚀、氧化产物用角向磨光机清理掉，并露出金属光泽。将测厚系统设置到合适的灵敏度及范围，在测厚点涂上粘稠的耦合剂(如凡土林、重油等)，移动探头找到最佳回波，你看加气块施工技术交底 。然后移动示波器的光标，测量出声波在金属及氧化层中的传播时间，再依据钢的声速和氧化物的声速求得其各自的厚度。
4．4 新系统的技术指标
1）超声纵波法：内壁氧化层厚度测量下限为0．12 ｍｍ，误差范围±0～0．05 ｍｍ。
2）超声横波法：内壁氧化层厚度测量下限为0．05 ｍｍ，误差范围±0～0．05 ｍｍ。
3）管壁金属层厚度测量范围为0．18～30 ｍｍ，测量精度为±0．01 ｍｍ。
4．5 新方法的应用情况
新方法已在北仑港发电厂、姚孟电厂、吉化热电厂、沙角B厂等二十几个电厂得到了应用。其为真实了解锅炉管壁金属层厚度、使用状态，减少和防止过热器、再热器爆漏事故的发生起到了良好的作用。
5 结论
该方法是一种无损、快速的锅炉过热器及再热器管壁金属厚度(有效壁厚)及内壁氧化层厚度普查性测量方法。在机组的大、中、小修当中，对过热器和再热器沿炉膛宽度和高度方向合理的安排测点，进行管壁金属厚度及内壁氧化层厚度的普查，可依据锅炉管壁金属厚度及内壁氧化层厚度等参数，对管排的运行温度及残余寿命进行评估计算，使电厂确切了解过热器和再热器管排目前的使用状态和残余寿命，为换管计划、检修计划的制定提供决策依据，有效实现状态检修，确保电厂安全、经济运行。
作者简介
马剑民(1963-)，男，陕西人，1986年毕业于武汉水利大学。现任国电热工研究院材料工程技术中心设备诊断技术研究所所长，高级工程师，陕西省机械工程学会无损检测专业学会理事长，多年从事电站金属部件、设备的UT、RT、MT、PT、ET实际探伤工作。曾在全国性刊物和会议上发表论文18篇。
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