2#機組四大管道磁性無損評估報告-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</b></p><p>　　北京康坦科技有限公司</p><p>　　1.應用背景及研究現狀</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行會發(fā)生組織老化和蠕變損傷,使管道的斷裂韌性和強度降低,從而使管道發(fā)生破裂的可能性增加。因此,檢驗電站高溫管道材質的損傷狀態(tài),進而對管道的強度、斷裂韌性和剩余壽命進行評估,是保證電站機組安全運行的前提。</p><p>　　目前我國仍然主要采用在實驗室對取樣材料進行短時蠕變試驗和持久斷裂試驗,隨后對持久強度、蠕變極限數據進行外推,最終確定高溫部件在實際服役工況下

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，根據晶界孔洞、碳化物顆粒大小來評價材料的蠕變損傷度,進而預測高溫部件的剩余壽命。然而上述實驗評估方法都是基于破壞式的試驗分析，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行檢測，對這些在宏觀缺陷產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，被認為在早期損傷檢測方面極富開發(fā)

4、潛力，但目前對鐵磁構件早期損傷的磁性檢測機理和方法還缺乏相應的系統(tǒng)研究，離實際的工業(yè)應用就相差更遠。哈爾濱工業(yè)大學的徐敏強教授等人探討了磁記憶技術用于應力狀態(tài)和疲勞損傷檢測的可行性，進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研究、塑性范圍內的磁機械效應模型構建、面向早期疲勞損傷的磁場畸變建模等幾個方面，較系統(tǒng)地研究了鐵磁構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)應用。而武漢大學的馬向東等人測量了取自經歷不同運行時間的高溫管道試樣的剩磁和矯頑力等磁性參數,描述了上述磁性參數隨運行時間變化的規(guī)律,分析了高溫管道磁性參數（剩磁和矯頑力）隨運行時間變化的原因,指出了這項技術在高溫管道壽命評價上的應用前景。美國伊利諾伊大學學者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系，實現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、飽和磁化強度、剩磁、矯頑力等磁滯參數呈現出一定的線性比例和指數關</p><p>　　烏克蘭SSE公司資深無損檢測團隊經過多年研發(fā)的磁滯測量評估技術，現已廣泛應用于電站高溫高壓管道材質劣化程度及剩余壽命的檢測評估。</p><p>　　磁滯測量評估技術原理</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。因此，單純檢測宏觀缺陷是不完善的。磁滯測量評估技術可以很好的反映材料微觀損傷情況，并對當前的機械性能劣化程度進行量化評級。</p><p>　　磁滯測量評估技術是基于材料的磁滯行為對材料的微觀結構變化及應力狀況非常敏感（見圖1）；而電站高溫管道機械性能（特別是鋼的

8、高溫強度和塑形）的降級正是由于管道內部組織發(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、時效和新相等；同時，由于反復的加壓和卸壓、溫升和溫降使管道形成局部應力集中區(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來反映材料當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包括矯頑力、剩磁、最大磁導率、磁滯損耗

9、等，該四個參數也是對材料微觀組織變化最敏感的，稱為結構敏感型參數。烏克蘭SSE公司基于材料磁滯行為研發(fā)的多參數磁滯測量評估設備（見下圖2）能同時測量矯頑力、剩磁、磁滯損耗、最大微分磁導率、最大磁場強度、最大磁感應強度等多組磁滯參數，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>　　在四個結構敏感型參數中，矯頑力值最為穩(wěn)定，同時又對微觀結構變化最敏感，基于此種情況，烏克蘭

10、SSE公司又專門研發(fā)了單參數磁滯測量評估設備（見下圖4），用于材料機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械性能快速惡化，給電站長周期安全運轉帶來極大隱患；而材料在整個劣化降級過程中磁滯參數（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來反映材料當前的劣化損傷狀態(tài)及殘余壽命

11、。</p><p>　　同時，磁滯測量評估技術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），因此該技術是一種更全面、更合理地評估材料當前性能降級的新技術。</p><p><b>　　3.技術優(yōu)勢</b></p><p>　　該設備輕巧便攜，方便現場應用；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，多參數磁滯測量評估設備繪制完整磁滯回線僅需1min，單參數磁滯測量評估設備采集一點數據僅需3秒，且數據可實時存儲，檢測效率極高；各參數測量誤差均小于2%，且測量重復性極好。</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#機組主蒸汽管道（P92）三通連接段直管在檢修期間發(fā)現，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，對該部分管段進行磁滯測量評估。管材材質：P92，規(guī)格Φ349×72，運行最高溫度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據，其中1400mm處作為硬度正常區(qū)域參考點，具體檢測部位如下圖所示

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

15、測量材料的磁滯特征參數，來評估管材的剩余強度和剩余壽命。</p><p>　　在管材6點鐘方向上，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）進行了多參數磁滯評估數據的采集，測量結果如下圖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剩磁Br、磁滯損耗S值都與管材的硬度值有一個很好的對應關系，因此可以通過測量管材多個磁滯參數，更全面準確地

16、評估材料當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</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。實驗通過高溫蠕變試驗機，獲得不同蠕變損傷階段的P92鋼試樣，并采集P92鋼試樣各個階段的磁滯特征參數。試驗研究表明：P92鋼在不同蠕變階段，材料的微觀

17、結構特征變化和磁性參數變化具有良好的對應關系：1、蠕變的第一階段，矯頑力和剩磁數值都增大；2、蠕變的第二階段，矯頑力和剩磁數值都下降；3、蠕變的第三階段，矯頑力數值增大，而剩磁數值下降，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，這里M代表Fe或Cr或它們的復合物。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。精細碳化物和氮化物的析出，增強了蠕變強度，同時也作為釘扎中心，制約了磁疇壁運動，使矯頑力和剩磁數值增大。</p><p>　　當蠕變進行到第二（穩(wěn)定）階段時，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量，而且增大了釘扎中心的間距。因此，隨著

19、蠕變應變持續(xù)累積，釘扎密度降低。當蠕變量持續(xù)增大（達到60%），因為沒有碳化物的釘扎，磁疇壁將移動更長的距離。當蠕變量進一步增大，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（一個復雜的Cr,V和Nb碳氮化物相）也會形成，這些易脆相會降低蠕變強度，且在晶粒邊界導致微裂紋的產生，導致材料失效。</p><p>　　在蠕變的第三（最后）階段，產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，進一步降低蠕變強度，最終導致材料破裂；此過程中磁疇壁運動嚴重受阻，因此，在蠕變的第三（最后）階段：矯頑力迅速增大，而剩磁數值降低。</p><p>　　由此通過監(jiān)測材料磁滯參數（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階段，從而對其損傷程度和剩余壽命進行準確評估。</p>

21、<p><b>　　總結</b></p><p>　　綜上所述，我們可以得出以下結論：</p><p>　　基于材料磁滯行為對材料微觀結構和應力的變化非常敏感，磁滯測量評估技術可以很好地表征電站高溫管道的劣化損傷程度，并對其殘余壽命進行評估。</p><p>　　磁滯測量評估技術的滲透深度更深，可達50mm以上，實現了對管道內部組織