2#機(jī)組四大管道磁性無損評估報(bào)告-北京康坦科技有限公司

1、<p>　　電站高溫管道劣化降級的</p><p><b>　　磁滯測量評估技術(shù)</b></p><p>　　北京康坦科技有限公司</p><p>　　1.應(yīng)用背景及研究現(xiàn)狀</p><p>　　火力發(fā)電廠四大管道包括：主蒸汽管道、熱再熱蒸汽管道、冷再熱蒸汽管道和高壓給水管道，它們是電廠汽水管道中重要組成部分，

2、也是主要高溫高壓管道。四大管道在高溫高壓條件下長期運(yùn)行會發(fā)生組織老化和蠕變損傷,使管道的斷裂韌性和強(qiáng)度降低,從而使管道發(fā)生破裂的可能性增加。因此,檢驗(yàn)電站高溫管道材質(zhì)的損傷狀態(tài),進(jìn)而對管道的強(qiáng)度、斷裂韌性和剩余壽命進(jìn)行評估,是保證電站機(jī)組安全運(yùn)行的前提。</p><p>　　目前我國仍然主要采用在實(shí)驗(yàn)室對取樣材料進(jìn)行短時(shí)蠕變試驗(yàn)和持久斷裂試驗(yàn),隨后對持久強(qiáng)度、蠕變極限數(shù)據(jù)進(jìn)行外推,最終確定高溫部件在實(shí)際服役工況下

3、的剩余壽命。從材料損傷的微觀角度出發(fā),則是通過金相組織觀察，根據(jù)晶界孔洞、碳化物顆粒大小來評價(jià)材料的蠕變損傷度,進(jìn)而預(yù)測高溫部件的剩余壽命。然而上述實(shí)驗(yàn)評估方法都是基于破壞式的試驗(yàn)分析，對在役管道的剩余壽命評估并不適用；常規(guī)的超聲、射線、渦流等無損檢測手段又只能對管道的宏觀缺陷進(jìn)行檢測，對這些在宏觀缺陷產(chǎn)生之前的隱性損傷就顯得無能為力。</p><p>　　新興的金屬磁性檢測技術(shù)，被認(rèn)為在早期損傷檢測方面極富開發(fā)

4、潛力，但目前對鐵磁構(gòu)件早期損傷的磁性檢測機(jī)理和方法還缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究，離實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用就相差更遠(yuǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐敏強(qiáng)教授等人探討了磁記憶技術(shù)用于應(yīng)力狀態(tài)和疲勞損傷檢測的可行性，進(jìn)而圍繞鐵磁性材料早期損傷檢測這一核心，從靜載和疲勞拉伸試驗(yàn)研究、塑性范圍內(nèi)的磁機(jī)械效應(yīng)模型構(gòu)建、面向早期疲勞損傷的磁場畸變建模等幾個(gè)方面，較系統(tǒng)地研究了鐵磁構(gòu)件早期損傷的磁記憶檢測問題；但磁記憶檢測精度不高，測量重復(fù)性及穩(wěn)定性差，受干擾因素眾多，依然無法滿

5、足工業(yè)應(yīng)用。而武漢大學(xué)的馬向東等人測量了取自經(jīng)歷不同運(yùn)行時(shí)間的高溫管道試樣的剩磁和矯頑力等磁性參數(shù),描述了上述磁性參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間變化的規(guī)律,分析了高溫管道磁性參數(shù)（剩磁和矯頑力）隨運(yùn)行時(shí)間變化的原因,指出了這項(xiàng)技術(shù)在高溫管道壽命評價(jià)上的應(yīng)用前景。美國伊利諾伊大學(xué)學(xué)者Alberto polar等人研究了材料的磁滯行為與不同蠕變劣化程度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了材料蠕變損傷程度和剩余壽命的無損檢測評估；通過研究得出耐蠕變型P91鋼在不同蠕變階段，其

6、飽和磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑力等磁滯參數(shù)呈現(xiàn)出一定的線性比例和指數(shù)關(guān)</p><p>　　烏克蘭SSE公司資深無損檢測團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研發(fā)的磁滯測量評估技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電站高溫高壓管道材質(zhì)劣化程度及剩余壽命的檢測評估。</p><p>　　磁滯測量評估技術(shù)原理</p><p>　　工程材料的完整性評估包括宏觀缺陷和微觀損傷兩方面的評估。常規(guī)無損檢測一般只能檢測宏觀缺陷；

7、在宏觀缺陷出現(xiàn)之前，材料缺陷是以微觀損傷累積的，對于有些工件表面雖然沒有宏觀裂紋，但微觀損傷嚴(yán)重的，如若繼續(xù)使用，很可能影響工件的正常使用甚至發(fā)生危險(xiǎn)。因此，單純檢測宏觀缺陷是不完善的。磁滯測量評估技術(shù)可以很好的反映材料微觀損傷情況，并對當(dāng)前的機(jī)械性能劣化程度進(jìn)行量化評級。</p><p>　　磁滯測量評估技術(shù)是基于材料的磁滯行為對材料的微觀結(jié)構(gòu)變化及應(yīng)力狀況非常敏感（見圖1）；而電站高溫管道機(jī)械性能（特別是鋼的

8、高溫強(qiáng)度和塑形）的降級正是由于管道內(nèi)部組織發(fā)生了一系列的變化，如石墨化、珠光體的球化和碳化物聚集、合金元素在固溶體和碳化物之間重新分配、時(shí)效和新相等；同時(shí)，由于反復(fù)的加壓和卸壓、溫升和溫降使管道形成局部應(yīng)力集中區(qū)域，直接影響材料的抗疲勞性能和高溫蠕變性能；因此可以通過測量高溫管道的磁滯參數(shù)來反映材料當(dāng)前的劣化降級程度及殘余壽命。</p><p>　　表征材料磁滯行為的主要參數(shù)包括矯頑力、剩磁、最大磁導(dǎo)率、磁滯損耗

9、等，該四個(gè)參數(shù)也是對材料微觀組織變化最敏感的，稱為結(jié)構(gòu)敏感型參數(shù)。烏克蘭SSE公司基于材料磁滯行為研發(fā)的多參數(shù)磁滯測量評估設(shè)備（見下圖2）能同時(shí)測量矯頑力、剩磁、磁滯損耗、最大微分磁導(dǎo)率、最大磁場強(qiáng)度、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度等多組磁滯參數(shù)，并繪制完整的磁滯回線，更全面可靠的評估材料的劣化降級程度（如圖3所示）。</p><p>　　在四個(gè)結(jié)構(gòu)敏感型參數(shù)中，矯頑力值最為穩(wěn)定，同時(shí)又對微觀結(jié)構(gòu)變化最敏感，基于此種情況，烏克蘭

10、SSE公司又專門研發(fā)了單參數(shù)磁滯測量評估設(shè)備（見下圖4），用于材料機(jī)械性能劣化降級的快速測量評估。</p><p>　　在高溫管道材料服役前至宏觀缺陷出現(xiàn)之前,材料的劣化是以微觀損傷的形式累積的；累積到一定程度會造成材料機(jī)械性能快速惡化，給電站長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來極大隱患；而材料在整個(gè)劣化降級過程中磁滯參數(shù)（如矯頑力值）是逐漸增大的（如圖3所示），因此可以通過測量材料的磁滯參數(shù)來反映材料當(dāng)前的劣化損傷狀態(tài)及殘余壽命

11、。</p><p>　　同時(shí)，磁滯測量評估技術(shù)可以表征電站高溫管道在高溫蠕變、腐蝕、氧化等綜合因子作用下的損傷狀態(tài)（如圖4所示），因此該技術(shù)是一種更全面、更合理地評估材料當(dāng)前性能降級的新技術(shù)。</p><p><b>　　3.技術(shù)優(yōu)勢</b></p><p>　　該設(shè)備輕巧便攜，方便現(xiàn)場應(yīng)用；操作方便，可在管材表面直接測量，無需打磨，無需耦合劑

12、，最大可提離6mm；滲透深度達(dá)50mm以上，突破了金相、硬度等只能檢測單一表面的局限性；測量快速，多參數(shù)磁滯測量評估設(shè)備繪制完整磁滯回線僅需1min，單參數(shù)磁滯測量評估設(shè)備采集一點(diǎn)數(shù)據(jù)僅需3秒，且數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)存儲，檢測效率極高；各參數(shù)測量誤差均小于2%，且測量重復(fù)性極好。</p><p><b>　　檢測案例</b></p><p>　　4.1主蒸汽管道硬度異常區(qū)域的磁

13、滯測量評估</p><p>　　南京某電廠2#機(jī)組主蒸汽管道（P92）三通連接段直管在檢修期間發(fā)現(xiàn)，距離焊縫400mm區(qū)域硬度異常。我公司受南京某電力公司委托，對該部分管段進(jìn)行磁滯測量評估。管材材質(zhì)：P92，規(guī)格Φ349×72，運(yùn)行最高溫度605℃，最高壓力27MPa,分別在距離焊縫200mm、400mm及1400mm的管體上采集測量數(shù)據(jù)，其中1400mm處作為硬度正常區(qū)域參考點(diǎn)，具體檢測部位如下圖所示

14、。</p><p>　　單參數(shù)磁滯測量評估設(shè)備測量結(jié)果如下表1所示，其對應(yīng)的硬度測量結(jié)果如下表2所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，距離焊縫400mm處的管體在4點(diǎn)到8點(diǎn)鐘方向的磁滯特征參數(shù)Hc值為6.3-7.0，相對于正常區(qū)域的Hc值（8.2-8.5）偏低，其對應(yīng)的硬度值147-171HB也遠(yuǎn)低于正常區(qū)域的硬度值。說明管材的磁滯特征參數(shù)的變化可以很好的表征其當(dāng)前的硬度異常情況，而硬度和強(qiáng)度又存在一定的換算關(guān)系，因此可以通過

15、測量材料的磁滯特征參數(shù)，來評估管材的剩余強(qiáng)度和剩余壽命。</p><p>　　在管材6點(diǎn)鐘方向上，對硬度異常區(qū)域（距離焊縫400mm）、焊縫熱影響區(qū)（距離焊縫200mm）及正常區(qū)域（距離焊縫1400mm）進(jìn)行了多參數(shù)磁滯評估數(shù)據(jù)的采集，測量結(jié)果如下圖8所示。從圖中可以看出：不僅矯頑力Hc值，其他的磁滯特征參數(shù)剩磁Br、磁滯損耗S值都與管材的硬度值有一個(gè)很好的對應(yīng)關(guān)系，因此可以通過測量管材多個(gè)磁滯參數(shù)，更全面準(zhǔn)確地

16、評估材料當(dāng)前的劣化損傷程度及殘余壽命。</p><p>　　4.2 P92鋼蠕變損傷的磁滯測量評估技術(shù)</p><p>　　針對電站主蒸汽管道最典型的高溫蠕變失效，烏克蘭SSE公司與國外某高校開展了“P92鋼蠕變損傷的磁滯測量評估”課題研究。實(shí)驗(yàn)通過高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)，獲得不同蠕變損傷階段的P92鋼試樣，并采集P92鋼試樣各個(gè)階段的磁滯特征參數(shù)。試驗(yàn)研究表明：P92鋼在不同蠕變階段，材料的微觀

17、結(jié)構(gòu)特征變化和磁性參數(shù)變化具有良好的對應(yīng)關(guān)系：1、蠕變的第一階段，矯頑力和剩磁數(shù)值都增大；2、蠕變的第二階段，矯頑力和剩磁數(shù)值都下降；3、蠕變的第三階段，矯頑力數(shù)值增大，而剩磁數(shù)值下降，如下圖9所示。</p><p>　　在蠕變初始階段，碳原子在向晶粒邊界遷徙的過程中，碳原子與材料中存在的M2C和M3C2碳化物發(fā)生反應(yīng)，這里M代表Fe或Cr或它們的復(fù)合物。這可能改變碳化物的成分和形貌。碳化物在高溫下粗化，僅僅提供

18、了少量排列稀疏的釘扎中心；同時(shí)在高溫下碳原子也同其它合金原子和新生成的碳化物如VC,NbC和Mo2C發(fā)生交互作用；氮化物如VN和NbN也會在高溫下形成。精細(xì)碳化物和氮化物的析出，增強(qiáng)了蠕變強(qiáng)度，同時(shí)也作為釘扎中心，制約了磁疇壁運(yùn)動(dòng)，使矯頑力和剩磁數(shù)值增大。</p><p>　　當(dāng)蠕變進(jìn)行到第二（穩(wěn)定）階段時(shí)，隨著更小尺寸的碳化物消失，碳化物的尺寸變大，不僅降低了釘扎中心的數(shù)量，而且增大了釘扎中心的間距。因此，隨著

19、蠕變應(yīng)變持續(xù)累積，釘扎密度降低。當(dāng)蠕變量持續(xù)增大（達(dá)到60%），因?yàn)闆]有碳化物的釘扎，磁疇壁將移動(dòng)更長的距離。當(dāng)蠕變量進(jìn)一步增大，大量的碳化物如M23C6就會形成，大量易脆相如萊夫斯相(Fe2Mo)和Z相（一個(gè)復(fù)雜的Cr,V和Nb碳氮化物相）也會形成，這些易脆相會降低蠕變強(qiáng)度，且在晶粒邊界導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致材料失效。</p><p>　　在蠕變的第三（最后）階段，產(chǎn)生大量非磁性的碳化物、其它非磁性易脆相---

20、萊夫斯相和Z相（如下圖10所示）；由于在這些大量非磁性碳化物和其它非磁性易脆相區(qū)域大量形成微裂紋，進(jìn)一步降低蠕變強(qiáng)度，最終導(dǎo)致材料破裂；此過程中磁疇壁運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重受阻，因此，在蠕變的第三（最后）階段：矯頑力迅速增大，而剩磁數(shù)值降低。</p><p>　　由此通過監(jiān)測材料磁滯參數(shù)（矯頑力Hc和剩磁Br）的變化，可以有效地識別材料處于高溫蠕變損傷的第幾個(gè)階段，從而對其損傷程度和剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評估。</p>

21、<p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　基于材料磁滯行為對材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的變化非常敏感，磁滯測量評估技術(shù)可以很好地表征電站高溫管道的劣化損傷程度，并對其殘余壽命進(jìn)行評估。</p><p>　　磁滯測量評估技術(shù)的滲透深度更深，可達(dá)50mm以上，實(shí)現(xiàn)了對管道內(nèi)部組織