火电厂锅炉水冷壁管缺陷检测技术研究进展

火电厂锅炉水冷壁管缺陷检测技术研究进展

喻远清

国家电投集团江西电力工程有限公司南昌分公司 

江西省南昌市  330006

摘要：目前，在我国电力供应系统中，火力发电依然占据主要地位。火力发电依靠锅炉燃烧煤炭释放大量热量，通过锅炉水冷壁管将热量传递给管内的冷却水，从而通过发电机组将热能转化为电能。锅炉水冷壁管作为能量传输的主要介质，其状况直接影响到锅炉的安全可靠运行。锅炉水冷壁管道在长期高温下运作受热疲劳、热腐蚀、蠕变等影响，不可避免会发生各种类型的缺陷，进而引起管道失效，埋下事故隐患。近年来，由于水冷壁管的失效造成的事故不计其数，给国家与企业带来巨额的经济损失。因此，定期停机对水冷壁管进行检测减少此类安全生产事故受到了电力企业的广泛重视。

关键词：锅炉；水冷壁管；检测技术  

近些年来，我国新建并相继投运了大批量超(超超)临界机组，在机组设计、制造、安装、调试等方面采用了诸多的新技术、新材料、新工艺、新方法，取得了大量成功的实践经验。另一方面随着火电机组建设的快速发展，对工程建设周期和设备原材料供应周期提出了更高要求，在机组制造、安装等方面也暴露了一些技术和质量方面的问题，部分质量不符的原材料通过各种渠道流入到火电新建工程中，增加了火电机组安全运行的风险。当前水冷壁管道存在的缺陷，阐述了金属管道无损检测技术的检测原理，根据火电厂锅炉内部环境与水冷壁管的缺陷形式，介绍了最适合应用于水冷壁管缺陷的检测方式。

一、概述

锅炉温度调节是一个能量转换器，主要使用在生产生活、火电站、造船、机车以及工矿企业中，它最主要的作用机理是利用通过将燃料燃烧后所产生的热量,或者将工业生产中的余热输送到容器内的水中,然后再将从水中获得特定的水温和达到特定压强的蒸气,把特定温度的水或特定压强的蒸气引出利用,把能量转换为所需的电能。锅炉中的炉膛出口、锅筒、蓄热燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和锅壁等各部分组成了制造蒸汽的基础部分,也叫做锅炉的本体结构。锅炉水冷壁管作为锅炉主要受热面。水冷壁是由多根并排的上升管与炉墙紧密贴合而成炉膛周围内壁或者设置于炉膛中间以吸收大量高温烟气辐射的热量，能够同时降低熔渣与高温烟气对炉墙造成的破坏，且管子布置越密越有利于保护炉墙。目前，我国虽然在水电、风力发电、核电以及太阳能等新能源方向大力推进，但由于新能源的发展在很多地方都有受限，因此在电力方向仍然以煤电为主，锅炉作为主要设备，数量巨大。火电厂锅炉内部环境恶劣，水冷壁管在作业时易产生各类缺陷，其中，内壁主要是酸、碱以及垢下腐蚀，表现为腐蚀坑与壁厚降低；外壁主要为高温腐蚀与机械磨蚀，表现为壁厚降低、腐蚀坑以及周向的裂纹及划痕；另外，管壁由于长期受热，可能会出现轴向张裂。随着运行时间的增长，近期水冷壁管在运行过程中数次发生泄漏，给机组安全运行带来严重隐患。

二、锅炉水冷壁管缺陷无损检测技术

1、超声检测。管道超声波检测原理如图 2 所示，检测时施加在构件上的超声波强度低、穿透能力强、速度快，测量结果精确。但是，超声检测在检测时需使用耦合剂，即采用接触换能的方式，且多用于常温条件下检测，因此对于表面温度较高的水冷壁管的缺陷检测难以实现。

2、超声导波检测。超声波在介质内传播的过程中，会因为介质材料性质的差异产生反射与透射的现象，从而致使波形的转变，根据应力波理论，导波在遇到缺陷会发生反射、折射等现象并伴随模态转换，由接收端接收回波信号，在导波速度等信息已知的情况下，可通过分析回波信号实现对缺陷的检测与评估。与传统的检测方式相比，超声导波检测技术具有测量速度快、范围大、成本低等优势，并且可以实现较长距离管道的定位检测。但是如果管道缺陷过多，回收的信号会产生叠加效应，易造成数据读取困难。

3、电磁超声检测。电磁超声检测技术通常利用横波进行检测，横波在试件中传播，在底面反射，回波引起的应变在金属试件中产生动态电场，从而被EMAT线圈接收到，通过测量始波和回波的时差确定被测件的厚度。电磁超声检测对于裂纹、表面腐蚀、壁厚等都有较好的检测效果，对于厚度测量分辨率可达到微米级，适用于高温管道，同时具有灵敏性强、无需耦合剂、以及可不接触检测的优点，因此被广泛的应用于各类管道检测之中。

4、涡流检测。涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测技术，如果金属管道中存在缺陷，涡流磁场的强度和分布、线圈阻抗都会改变。通过检测线圈阻抗的变化，就可以得到试样表面的缺陷信息。管道涡流检测用于表面和近表面缺陷检测以及壁厚减薄表征，对于待测物体毫米级的表面缺陷能够准确检测，同时具有检测信号强、信息量大等优点。其存在检测范围小、深度浅且无法检测带涂层的导电材料等缺点，因此在实际应用中受到一定的限制。但是随着涡流检测技术的发展，脉冲涡流等检测方法的出现与应用，拓展了涡流检测的应用范围。

5、漏磁检测。漏磁检测的原理，金属管道腐蚀部位易对磁通道造成强烈的不连续性，从而产生了易被机载霍尔元件传感器检测到的强烈泄漏场信号，对磁敏探头采集的漏磁信号进行分析即可确定管道壁的受损情况。漏磁检测具有灵敏度高、操作简单与检测深度深等优点，但其很少用于厚度的测量，且不适用于裂纹走向与外部磁场平行的缺陷检测。

火电厂锅炉水冷壁管长期受酸、碱、高温等腐蚀，容易导致壁厚的降低，因此需对其厚度进行定期检测，各类无损检测技术应用于锅炉水冷壁管需从外侧检测到管道内外信息，检测时检测设备需承受水冷壁管壁的高温，检测设备不受裂纹走向的影响，最终确定电磁超声检测为最适用于此场合的无损检测技术。腐蚀和疲劳都是累积损伤过程，应对炉内水冷壁管整体进行安全评估，对运行环境相对恶劣的部位重点关注。根据评估结果，对损伤程度较大的水冷壁管予以更换。 水冷壁管造成泄漏是内壁腐蚀和交变热应力共同作用的结果，应从控制水冷壁管的腐蚀和热疲劳两方面加以改进。（1）应及时对锅炉进行化学清洗，除去水冷壁管内附着的氧化垢层，在管内壁形成钝化膜，制止腐蚀的进一步发展 。（2）加强化学监督，保证炉水品质，尤其要控制溶解氧，保证锅炉连续排污和定期排污的正常运行。定期监测给水中铁和凝结水中铜的含量，有助于判断水冷壁管积垢及腐蚀情况。（3）按照运行规程控制锅炉起停速率，控制机组变负荷时的速率，减少机组起停次数，降低锅炉启停和调峰工况下产生的热应力。

火电厂锅炉水冷壁管爆管等事故对火电厂锅炉的安全运行影响严重，预先开展锅炉水冷壁管道无损检测对于锅炉水冷壁管安全运行至关重要。随着现代智能技术的不断发展，未来火电厂锅炉水冷壁管检测技术研究将在如下方向不断发展。

（1）缺陷的直观化。实现缺陷的直观化，可以更好地完成管段缺陷维护或更换，当前的无损检测技术可实现缺陷的大小与种类的检测，但对于缺陷的量化与成像还未能做到。

（2）耐高温。锅炉内部温度很高，定期检测时需冷却至常温才可进行，严重影响了检修进度。因此，通过提高无人设备与检测设备的耐温性，可以有效加速检修进度，从而实现发电设备的高效利用。

参考文献：

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[3] 赵振锋，于艳秋，张勇．强迫润滑冷拉拔自增压性能研究[J]．锻压机械，2019(4)：21—23．