0 引言

随着我国超超临界机组大量投入运行，奥氏体耐热钢在锅炉末级过热器、高温再热器上得到广泛应用，因奥氏体受热面氧化皮剥落、堆积、堵塞造成爆管，并导致机组非计划停机的事件时有发生^[1-5]，已成为困扰电力行业的1个难题。针对锅炉受热面管内氧化皮剥落、堆积带来的机组安全隐患问题，多数电厂将氧化皮堵塞检测纳入“四管防磨防爆体系” ^[6]，在氧化皮问题上做到“逢停必查”，以便及时对管内氧化皮堆积情况进行安全评估，为下一步是否进行割管清理提供依据。为实现对管内堆积氧化皮的定性检查、定量分析，本文提出1种基于超低频磁通检测原理的奥氏体不锈钢管氧化皮堵塞检测技术，该技术可仿真模拟成像，检测结果准确可靠形象直观。

1 检测原理

由于氧化皮本身与不锈钢管存在磁导率的差异，不锈钢管中氧化皮堆积堵塞的区域会发生磁场异常，因此采用磁技术进行受热面管氧化皮的检测技术得到了广泛应用^[7-8]。待检不锈钢管壁厚对电磁波透射率影响很大，目前国内超超临界火电机组高温受热面管管壁厚度从几毫米到十几毫米，若以常规磁场检测，透射到厚壁管内的磁场强度相对很弱，难以满足检测要求。

超低频磁通检测技术采用易于透过管壁的超低频磁场(较常规磁场频率低几百至上千倍)，该磁场通过激励线圈采用极低的工作频率(16~40 Hz)激励产生。试验表明，超低频电磁波能透过厚度达3~ 15 mm的不锈钢管壁并作用于管内氧化皮堆积物。工作时检测探头的发射线圈和检测线圈可按一发一收对称布置，采用单通道方式穿透较厚的工件壁厚，从而检测到较弱的氧化皮磁信号。

奥氏体不锈钢管内透射磁场分布情况如图 1所示。检测时激励线圈通过极低的工作频率产生电磁波，经过透射传输至不锈钢管内部，从而产生1个独立的透射磁场(TT场)，由于奥氏体不锈钢管与内壁氧化皮导磁通差异较大，当奥氏体不锈钢管内存在氧化皮堆积时，氧化皮会被TT场磁化，其产生的感应磁场将会改变TT场的磁场分布，利用磁场敏感元件(检测线圈)测量管外壁的磁场变化信号，再通过计算分析软件实现对奥氏体不锈钢管内氧化皮分布、堵塞率的定量检测及氧化皮堵塞的模拟成像^[9]。

2 检测技术应用 2.1 检测系统简介

利用氧化皮堵塞成像检测技术进行检测时，选用加拿大RussellNDE公司开发的Ferroscope308 TT电站锅炉奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞成像检测系统。该检测系统主要由仪器主机、专用探头及分析软件Adept-ProTMTT组成。系统采用超低频磁通检测技术和先进数字成像技术，配合手持外置式检测探头对管内氧化皮堆积情况进行检测，以图谱的形式实时显示管内氧化皮堆积、分布情况，同时将管内氧化皮堆积堵塞情况模拟显示为全局成像。

2.2 检测技术主要特点

(1)超低频磁场可以根据不同管件的材质和规格进行调整。管件壁厚不同会改变磁场透射率，从而影响检测结果。采用氧化皮堵塞成像检测技术可以根据不同管径和管壁厚度调整检测探头激励线圈的工作频率和驱动电压，以保证不同管件内都具有稳恒强的透射磁场，这是精确定量检测的前提。

(2) 在管内透射磁场强度稳定的情况下，氧化皮堆积呈下部水平分布时，检测线圈的感应电压与管内氧化皮堵塞率呈线性关系。氧化皮堵塞成像检测系统通过对试样管中2个同规格、不同氧化皮堵塞率的试块进行标定，标定数据输入检测系统后将自动生成针对试样管的氧化皮堵塞检测程序，可以在该程序模块下实现氧化皮堵塞率的定量检测。

2.3 氧化皮堵塞标定试块和试样管制作

对奥氏体不锈钢管氧化皮堵塞率进行定量检测，须制作试样管和氧化皮堵塞标定试块，用于氧化皮堵塞成像检测系统校准和检测参数调整。

(1) 要求试样管与待检管材质、规格及热处理状态相同，以确保试样管和待检管在电磁特性等方面一致。在电厂备品备件仓库中选取1段与现场受热面管同1批次出厂的长约1.0 m的备用管作为试样管。

(2) 氧化皮堵塞标定试块应根据试样管的内径制作，标定试块在试样管内的间隙越小，标定效果越好。标定试块最好选取与待检管同材质受热面割管清理出来的氧化皮作为填充物，以避免标定试块与待检管中氧化皮的磁导率不一致而影响检测精度。依据堵塞的氧化皮占标定试块截面面积的百分比，可制作堵塞率为10%、20%、60%、80%等标定试块。用于标定的试样管和试块如图 2所示。

2.4 检测效果校准

采用新生成的检测程序模块对2个氧化皮堵管率分别为60%和20%的试块进行复检，检测结果如图 3所示。

图中左侧区域显示定量检测结果，氧化皮堵管率为60%，试块检测结果为58%；氧化皮堵管率为20%，试块检测结果为21%。检测数据偏差较小，满足现场检测要求。

3 检测结果影响因素分析及对策

氧化皮堵塞定量检测是模拟成像的基础，同时也是该项检测技术的关键点和难点。实践表明，在超低频磁通检测中，检测探头与待检管的间隙、奥氏体不锈钢管带磁、管件内氧化皮堆积分布形态等都会影响检测结果的准确性。

3.1 检测探头与待检管间隙

检测探头与待检管间隙会影响检测的准确性，检测探头与管外壁间隙越小，检测效果越好，对此选用与管件外径相近的检测探头。检测时，检测探头的激励线圈一般置于管件的上侧，检测线圈置于氧化皮堆积侧。

3.2 奥氏体不锈钢管带磁

个别奥氏体不锈钢受热面管弯头冷变形会诱发马氏体相变，产生磁性^[10]，从而干扰氧化皮堵塞检测。可以利用氧化皮堆积分布实时显示的电压波形图进行分析、甄别。

3.3 管件的氧化皮堆积分布形态

管内氧化皮堆积分布形态对检测结果影响最大，需要检测者具有一定的现场检测经验。管内氧化皮堆积分布形态与氧化皮剥落时段、管屏结构和堆积部位等因素有关。

氧化皮堆积分布形态与其剥落时段密切相关，现场检测的氧化皮主要在2个时段发生剥落，一是在运行期间发生剥落、堆积，该氧化皮呈粉末状，较致密，容易在U形管屏底部出口弯头部位发生堆积，堆积面趋于水平，这种形态与试块内氧化皮分布一致，对检测结果影响较小；二是在停炉期间发生氧化皮剥落、堆积，该氧化皮呈片状、较疏松，在U形管屏底部的进、出口弯头等部位都可能存在，管内氧化皮堆积形状不规律，这种状态对氧化皮堆积检测影响较大，是现场氧化皮堆积检测的难点。

从管件的截面图角度来看，管内氧化皮堆积只存在2种形态，1种是氧化皮堆积面与线圈连接线垂直，另1种是氧化皮堆积面与线圈连接线倾斜相交，如图 4所示。

由于电磁场是矢量，具有方向和大小2个参量。如果氧化皮堆积面呈倾斜分布(图(4b))，其氧化皮感应磁场的方向将发生偏离，会导致检测数据失真。特别是管内堆积面严重倾斜时，在检测系统上电压波形信号图显示为负波(图 5)，此时就要求检测人员能通过实时显示的条形图谱正确判断非正常堆积信号，及时调整探头的扫查角度，消除偏离信号的干扰。

4 现场应用效果

采用氧化皮堵塞成像检测技术对大量锅炉末级过热器、高温再热器管进行检测，发现多处管件内存在氧化皮堵塞的现象，特别是能够较直观、准确反映出管内氧化皮的堵塞率和氧化皮堆积量，可为电厂后续的安全评估及处理提供可靠、准确的数据支撑，应用效果良好。部分现场检测数据和图谱如图 6、图 7所示。

5 结论

锅炉管内氧化皮堵塞成像以管内氧化皮堆积精确定量检测为基础，根据现场实际检测效果得出以下结论。

(1) 超低频磁场易于透过较厚的管壁，可实现对管内氧化皮堆积的检测。针对不同的壁厚，通过调整激励线圈工作频率和工作电压，可以找出适合不同管件壁厚的透射磁场。

(2) 依据管内氧化皮堵塞率与检测线圈的感应电压成线性关系的特点，通过对氧化皮试块和试管进行标定，可实现对现场氧化皮的定量检测。

(3) 可结合影响氧化皮定量检测的现场因素，对检测结果进行分析评判，并提出处理措施。