高频超声波在氧化皮中传播性能标定

　　运行超温是电力锅炉炉内受热面管失效最主要的原因,也是导致机组非计划停机的主要原因,解决问题的关键就是用有效的测温手段完成温度场的测量,即测出管壁温度沿炉膛宽度、深度和高度方向的分布,以准确评价炉内管温状态。如能准确测定管内壁氧化物厚度,就能计算出管壁等效运行温度。为此,必须标定超声波在氧化皮中的传播性能。

　　1 管壁情况及高频超声测量系统的建立

　　对锅炉管定期割管检验以及对爆管分析用割管内外壁进行宏观观察,可发现外壁由高温烟气的氧化和腐蚀生成一层与管子金属基体紧密结合的致密氧化腐蚀层,其厚度在最严重的情况下达1.5mm左右,最薄的也有0.1mm,且随运行时间和烟气温度的增加而增厚。氧化腐蚀层的厚度由向火侧向背火侧逐渐减薄,同时管壁金属厚度减小。管子内壁在高温蒸汽及过热作用下,生成一层与管子内壁金属基体紧密结合的致密氧化层,其厚度随运行时间及蒸汽和烟气温度的增加而增厚,使管壁金属厚度减薄,氧化层厚度由向火侧向背火侧逐渐减薄,最大厚度可达1.5mm,常见厚度为00.5mm[1]。

　　现行超声波测厚手段无法测量管壁氧化皮厚度,所测厚度是管壁金属层和氧化皮层厚度之和,原因是从声学物理特征理论角度分析可发现氧化皮/基体金属界面声阻抗差别小,使此界面的超声波反射强度低,同时透射强度高,导致现行测厚仪无法检测出界面信号;另外,现行超声波测量装置窄的频带以及检波和滤波方式使超声脉冲峰宽加宽,致使分辨力低,无法准确测量氧化皮厚度。

　　针对上述问题,我们建立了一套高频超声波测厚系统,由宽频带窄脉冲小晶片带透声楔的横、纵波高频探头(2030MHz),宽频带、高信噪比、高增益、非检波形式的超声波脉冲发生/接收系统和宽频带高采样率的示波器三部分组成。该系统可清晰分辨出氧化皮/金属基体界面的反射信号。

　　2 高频超声波在氧化皮中传播性能的标定

　　所建高频超声测量系统得以应用的基础是,标定高频超声波在氧化层中传播时间与厚度关系,由于氧化皮是由FeO,Fe3O4和Fe2O3组成的成分和结构不均匀层,不同钢所形成的氧化层结构也可能略有差异,这有可能导致超声波传播性能的差异,另外西方国家不使用G102钢和12Cr1MoV钢,但这两种钢在我国高温过热器和高温再热器上用量位居前两位,而超声波在其氧化层中传播性能无资料可查,所以是我们研究工作的主攻方向。

　　2.1 标定方法

　　收集电厂定期检验用割管,切割成环,选定部位分别用纵波与横波探头测量传播时间,然后对所测试样进行镶嵌处理,以保证磨抛过程中不脱落,不倒角,制成抛光试样,然后在光学显微镜下测量氧化皮厚度值,测量用放大倍数视氧化层(图1)厚度选用50,100,200或500倍,以此值标定超声波在氧化层中的传播时间,再经过最小偏差方法拟合处理获取两者之间的定量关系。