長期以來,由于氧化皮問題涉及到金屬材質、化學水處理、鍋爐汽輪機運行等方面的專業知識,同時因為缺少對氧化皮堆積厚度進行檢測的有效手段,國內對這一問題的研究較為落后,對于不銹鋼管高溫氧化皮的形成機理和預防手段均缺少足夠的認識。

國外研究更多注重氧化皮問題對汽輪機安全運行的影響,對于氧化皮對不銹鋼管的運行影響以及如何通過運行技術管理等方法來防止氧化皮剝落問題的研究相對較少。通過查閱國內外相關文獻,國內外對奧氏體鍋爐不銹鋼管內氧化皮堆積量的檢測方法主要包括超聲檢測法、射線檢測法、聲振檢測法、磁性檢測法和渦流檢測法等。

超聲檢測法是最早用于檢測鍋爐不銹鋼管內壁氧化皮堆積厚度的方法,其原理基于生成的氧化物中儲存的應變能與自身厚度、時間和溫度之間的關系,能夠有效的預測氧化皮的生長、脫落時間。但超聲測厚技術是一種間接檢測的方法,主要依靠界面回波,對尚未脫落的氧化皮進行測量,不能有效檢測己脫落的氧化皮在管內具體堆積形態和堆積位置。

射線檢測法主要基于管壁與氧化皮對射線吸收程度的差異,通過對所獲射線底片進行對比分析來判斷管內氧化皮堆積的具體形態。其方法準確有效,但對于少量的氧化皮檢測,在圖像上較難辨認;另外電廠易發生管道氧化的過熱器和再熱器多達兩千多個,使用射線檢測任務量巨大,無法滿足其工期要求,同時亦存在有輻射、設備費用昂貴且受管排狹小空間限制等矛盾。

聲振檢測法通過敲擊管道產生自由振動,使氧化皮顆粒與管壁之間形成摩擦和碰撞,然后根據聲振信號衰減系數差異來判斷氧化皮在管內的堆積情況。該檢測方法不受管道的材料和磁性因素的影響,但聲振信號衰減特征是管道中所有氧化皮顆粒對管道振動阻尼作用的共同結果,因此較難判斷氧化皮具體堆積狀況。

渦流檢測法基于法拉第電磁感應定律,能夠用于被測構件形狀尺寸、電磁特性、缺陷位置、深度、大小等信息的檢測。由于內部氧化皮堆積能夠引起奧氏體鍋爐不銹鋼管管道局部磁導率的變化,因此部分學者與技術人員開始嘗試利用渦流檢測法來檢測鍋爐不銹鋼管內氧化皮的堆積厚度。他們的研究成果初步證明了渦流檢測技術用于奧氏體鍋爐不銹鋼管內脫落氧化皮堆積厚度檢測的可行性,但同時均存在一定的局限性。第一,常規單頻及多頻渦流檢測信號由于趨膚效應的存在,難以穿透厚度較大的管壁,在高提離等特殊檢測工況下精度受限。第二,使用超低頻渦流可提高信號穿透深度,但其檢測信號易受到周邊環境的電磁干擾,同時對設備的硬件成本要求較高。

磁性檢測法最初由Ohtomo等人所提出。作者基于氧化皮和奧氏體不銹鋼材料的磁性差異,利用磁鐵對鍋爐不銹鋼管內氧化皮進行激磁,再通過獲取被磁化氧化物的磁感應強度來判斷管內氧化皮的堆積量。磁性檢測方法又可以分成交流磁化法和直流磁化法兩種。交流磁化方法更類似于渦流檢測法,存在與渦流檢測類似的問題,同時系統的復雜性令儀器的價格居高不下。直流磁化法是目前比較理想的檢測方法,目前用永磁體或直流磁化裝置,在不銹鋼管外壁加一穩恒強磁場,通過檢測管外壁磁場變化,可以反映管內氧化物堆積情況。國內研究開發了磁性測量儀,但不能滿足現場的靈敏度和準確性;付路路等人利用磁性無損檢測技術,研制一種多探頭式檢測儀器,實現了氧化皮檢測;謝國勝等人利用磁性特征對彎管處氧化皮檢測。在世界各地研究人員的不斷探索下逐漸被完善,并在電廠檢測中得到應用。

以上檢測手段均是在鍋爐不銹鋼管停機檢修期間對過熱器及再熱器內部的氧化皮顆粒進行檢測,在鍋爐不銹鋼管運行期間目前國內還沒有有效的評估氧化皮顆粒的手段[27-28]。在國外研究中,美國發電機組中應用到一種PAC檢測系統可實現在線監測發電機組鍋爐汽水系統中脫落氧化物。該系統通過檢測氧化皮運動時對特定傳感器的振動沖擊信號實現蒸汽中氧化皮各項參數的評估,但是主蒸汽管道內部高溫高壓環境對傳感器的探入及使用壽命有著極大的考驗。

綜上所述,當前常用的超聲檢測、射線檢測、聲振檢測等手段更多是集中在離線的檢測上,無法達到對非停機狀態下對氧化皮堆積量的實時測量。因此,論文在非停機狀態下,通過對主管道氧化皮顆粒在線分離,對伴生的氧化皮外加恒穩磁場,將磁性檢測技術運用在超臨界鍋爐不銹鋼管內氧化皮堆積量軟測量的研究中。