基于磁敏和颗粒度特性的氧化皮在线检测技术研究

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2020基于磁敏和颗粒度特性的氧化皮在线检测技术研究乔越，闫爱军，滕维忠，董红年，周陈龙西安热工研究院有限公司，西安市雁塔区雁翔路99号博源科技广场A座710054；STUDYONBLOCKCHAIN-BASEDLOGISTICSANDINFORMATIONMANAGEMENTSYSTEMFORENTRUSTEDSAMPLETESTINGOFPOWERPLANTQIAOYue,YANAi-jun,TENGWei-zhong,DONGHong-nian,ZHOUChen-longXi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi'an.摘要：氧化皮脱落是造成过热器、再热器爆管，威胁火力发电厂机组运行安全的重要问题之一，但是没有直接的测量方法来检测脱落氧化皮的浓度。本文通过对氧化皮铁磁特性及光学特征的研究，研发了基于磁敏耦合颗粒度检测的氧化皮浓度在线检测技术和装备；通过对氧化皮在高温高压蒸汽中运动规律的数值模拟和动态模拟实验研究，获得了通过局部取样浓度检测反演主蒸汽或再热蒸汽管道氧化皮浓度的计算方法。关键词：氧化皮；超临界锅炉；在线检测；磁敏检测；颗粒度ABSTRACT:Theoxideexfoliationisoneofthemainproblemsthatcausetheexplosionofsuperheaterorreheater,whichthreatenthesafetyofpowerplantunits,butthereisnodirecttestmethodoftheparticleconcentrationofthescalesinhightemperaturesteam.Basedonthestudyofferromagneticandopticalcharacteristicsofscales,thetechnologyandequipmentweredevelopedforon-linemeasurementbasedonmagneticsensitivityandgranularitybehavior.Throughnumericalsimulationanddynamicsimulationexperimentsofscalemovementunderhightemperatureandhighpressuresteam,calculatingmethodoftheparticleconcertationofscalesinthemainsteamorreheatedsteampipelinewasretrievedbylocalsamplingconcentration.KEYWORD:Scale;SupercriticalBoiler;On-LineDetection;MagneticSensitivityDetection;Granularity.1引言目前，电厂一般利用机组检修机会对过热器、再热器管段进行氧化皮问题检测。检测可采电站锅炉过热器、再热器材料在高温蒸汽氧用超声波检测法、磁性测量法、射线透照法、割化形成的氧化层，剥落在弯头等处堵塞引起超温[8-10]管检查、管外观及胀组测量相结合的方式。爆管、剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片和喷超声波检测法是针对氧化皮形成初期还未脱离嘴等的冲蚀等事故严重影响了机组运行的安全管壁，主要根据管壁界面回波原理对氧化皮生长[1-3]性、可靠性和经济性。超超临界机组过/再热厚度进行检测。射线检测法根据氧化皮颗粒对射器管道常用奥氏体钢作为换热管，主要包括线的吸收情况进行成像，进而达到观测氧化皮颗TP304H，TP347H，TP347HFG，HR3C和Super粒累积情况的目的。磁性检测法通过顺磁性的奥304等合金。较高的Cr含量使合金的抗蒸汽氧氏体管外部测量管内磁化了的氧化皮信号，来评[4-6]化性能有明显的改善。但是，随着服役时间定氧化皮的有无或者堆积量。以上方法受限于的增长，多次启停时，温度大幅度的变化所产生“停机检测”的缺陷，不能在线检测氧化皮的剥的热应力导致了氧化皮内部产生缺陷、开裂和剥落量，从而无法及时指示、预防氧化皮大面积脱[7]落，氧化皮外层出现了大面积的剥落。落、堵塞。同时，以割管清理、大面积换管为主-1-

12020的氧化皮处理方式价格高昂、工作量大，增加了散射光I1是由较大颗粒引起的；散射光I2是由电厂的检修成本。因此，实现机组启停机阶段及较小颗粒引起的。进一步研究表明，散射光的强运行期间氧化皮脱落量的在线监测具有重要意度代表该粒径颗粒的数量。这样，在不同的角度义。据报道，通过检测氧化皮撞击探头产生的震上测量散射光的强度，就可以得到样品的粒度分动波，可以测量气固两相流中固体颗粒的特性，布。但是尚未见到中国境内机组的应用案例。现阶段在中国国内，由于没有方法检测蒸汽中氧化皮的浓度，导致无法准确的预知剥落的时机。本研究提出了一种主蒸汽中颗粒物取样方法[11]，建立了主蒸汽管道氧化皮取样的计算模图1激光颗粒度测量原理型，研究了不同取样条件对取样效率的影响；提Fig.1PrincipletoMeasureGranularitywithLaser出了采用磁性检测耦合颗粒度检测的氧化皮浓3主蒸汽管道氧化皮取样数值模拟[11,12]度在线检测技术。3.12检测原理超（超）临界机组高温高压蒸汽与氧化皮颗本文以某电厂600MW机组主蒸汽管道为原粒形成的气固两相流，经冷却后形成高压低温的型，在竖直转水平的弯头后开孔焊接取样三通，液固两相流。利用氧化皮与水的密度差，使大颗对颗粒取样效率进行数值预测。假设氧化皮颗粒粒的固体颗粒在检测器内沉积后，利用颗粒的铁均匀播散于计算模型进口截面、流入三通管道内磁性检测其沉积高度；小颗粒的固体颗粒进入颗的颗粒数和从水平主蒸汽管道出口排出的颗粒，粒度检测仪，利用其光学反射性测量其浓度。采用运动轨迹数来统计，如图2所示。氧化皮颗粒是奥氏体不锈钢材料在高温环境下与蒸汽反应所生成的金属氧化物，主要成分为Fe2O3和Fe3O4。向氧化皮颗粒所在空间施加磁场，氧化皮颗粒在在磁场环境中磁感应强度计算公式：（1）a）模型图（2）公式（1）和（2）中，B为磁感应强度，μ0为真空磁导率，H为磁场强度，M为磁化强度，χ为磁化率。空间磁场的作用下，堆积的氧化皮与水之间的界面形成存在较大的磁感应强度变化，检测界面处的磁感应强度可以获得氧化皮的高度。b）三维流线图当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，如图1。散射光的传播方向将与主光束图2蒸汽50m/s流速下管系计算模型及单相场速度三的传播方向形成一个夹角θ。散射理论和实验结维流线图果都告诉我们，散射角θ的大小与颗粒的大小有Fig.2CalculationModelofPipingSystematSteam关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗FlowRateof50m/s(a)and3DFlowDiagramof粒越小，产生的散射光的θ角就越大。在图1中，Single-phaseFieldFlowRate(b)-2-

220203.220Mainsteampipeflowrate:50m/s%)hSamplingflow图3为50m/s蒸汽流速下200μm氧化皮颗L/min150.5粒在主管道、垂直转换到水平的弯管和三通小管1.01.5内的运动轨迹图。图4分别为数值预测的蒸汽流2.0102.5速为50m/s流速、5种取样蒸汽量条件下三通处不同尺寸颗粒的收集效率曲线。5由图3可见，弯管处的运动轨迹图案特征可Particlecollectionefficiency(0以清楚看出，竖直管道中氧化皮颗粒流速低于蒸01002003004005006007008009001000汽流速，经过弯头的阻滞后，颗粒流速降低，并Particleequivalentdiameter(μm)在弯头下方形成富集，颗粒在惯性力作用下贴近弯管压力面内壁运动；与壁面碰撞后，反弹离开图4蒸汽流速50m/s下颗粒取样效率壁面进入汽流。因此，如何取样三通的设置位置，Fig.4SamplingEfficiencyofParticlesatSteamFlow将对取样效率有显著影响。Rateof50m/s4氧化皮磁性检测技术研究4.1ANSYS4.1.1仿真建模图5是多通道磁敏传感器检测系统结构图。运用ANSYS软件进行三维模拟建模仿真，首先建立实体模型，然后定义各材料属性，对模型网格划分，施加载荷，如图6所示。图3蒸汽50m/s流速下200μm颗粒运动轨迹Fig.3MotionCurveof200μmParticlesatSteamFlowRateof50m/s图4可见，蒸汽夹带不同尺寸颗粒的运动规律是多种因素影响的结果，导致收集效率随颗粒尺寸变化规律是非线性的；在本次颗粒尺寸范围，随着取样流量的增大，收集效率随着非线性增加；但最大取样效率的粒径约为处于175μm左右；50m/s与2.5L/min取样量条件下收集效率可达21%。图5多通道磁敏传感器检测系统结构图Fig.5StructureChartofMulti-channelMagneto-dependentSensorDetectionSystem-3-

32020性。0.1000.0750.0500.0250.000-0.025-0.050Magneticinductiongradient-0.075-0.100-1000100200300400500600700Spatiallocation图6仿真模型图8沿管道方向磁场强度斜率变化趋势Fig.6SimulationModeloftheMagneticDetectionFig.8TrendofChangeinSlopeofMagneticFieldTechnologyofScaleIntensityAlongPipe在该仿真模型中设置空气相对磁导率为1，4.2氧化皮相对磁导率为15。在ANSYSMaxwell中提供自由网格剖分，同时有网格的最大数量生成磁场检测装置按照图6所示模型建立，装置方式和最大尺寸的网格生成方式。对氧化皮与空采用多匝线圈直流激励的方式，检测元件采用多气界面，网格划分选用最大尺寸单位0.1mm。通道磁敏传感器对取样管侧磁感应强度进行测4.1.2计算结果量。为提高设备的电磁兼容性，在线圈外部用薄沿氧化皮管道方向取600个点，计算对应的铁皮覆盖，可作为磁屏蔽，避免内外磁场相互影磁场强度，结果如图7所示。可见，通电铜导线响。工作时，每个通道均可输出该通道传感器所产生磁场，将氧化皮磁化，致使周围磁场强度变检测的磁感应强度信号，根据氧化皮不同的堆积化。在空气与氧化皮界面处，受氧化皮磁化的影高度和多路传感器输出信号之间的关系建立模响，磁场强度化发生显著的改变，波形平滑。型，最终由多通道传感器的输出信号可预测出氧24.8化皮堆积高度。24.6在进行模型建立时通过测试0~160mm氧化24.424.2皮高度范围内以2mm间距提取80组不同的氧化24.0皮高度对应的16路磁敏传感器的输出建立输入23.8Mag_B(uTesla)23.6输出关系模型，所获得的数据部分样本如下：23.423.223.00100200300400500600Distance(mm)图7沿管道方向磁场强度变化趋势Fig.7TrendofChangeinMagneticFieldIntensityAlongPipe为了使界面处磁场强度的变化对应的界面位置更加准确，对上述结果进行斜率分析，如图图9磁感应强度变化量曲线图8所示。可见，在氧化皮分界面对应了斜率变化Fig.9CurveofChangeinMagneticInduction的峰值。因此可以采用磁场强度变化率的极大值Intensity和极小值对应的位置，提高界面位置测量的准确经过多次实验发现，不同累积高度的氧化皮-4-

42020颗粒周围磁感应强度随空间位置的梯度变化可氧化皮颗粒在线取样系统工作流程如图12。以反映累积量。在采集多组数据信息并处理后，在线取样管路系统包括高温高压架、磁敏检测装分别对磁感应强度和磁感应强度梯度与氧化皮置、人工取样区、仪表监控区等五大部分。高温累积高度之间的关系进行建模。选取6组不同高高压架部分主要是将样品蒸汽引入并进行冷却，度的氧化皮颗粒累积量（30mm、50mm、70mm、使气固两相流变为气液两相流，便于后续分析。90mm、110mm、130mm）分别对两种模型进行磁敏检测装置利用氧化皮的磁性实现对运行过效果检测，检测结果如图10所示。利用氧化皮程中大颗粒氧化皮堆积高度的测量，通过高度的颗粒被磁化后的空间磁感应强度梯度变化估算变化判断蒸汽中氧化皮量的多少。人工取样区包氧化皮累积量检测精度更高，经测试误差百分比括过滤、降压和超压保护，使高压水样降低压力，低于2%，满足工业现场测试要求。便于后续仪表测量，并当压力高时提供超压保护Magneticinductionmodeling功能。仪表监控区对管路中的压力流量实现监6Magneticinductiongradientmodeling5控，防止温度或压力超过报警值，保护人身和设4备安全。装置冷却水取自机组闭式冷却水。如图3所示，高温高压蒸汽经冷却器处理后凝结成液态2Absoluteerror水，设置温度压力监测点监测液态水温度及压1力。为保障安全，当水温低于50℃，并且压力0低于25.4MPa时，高压截止阀开启，否则处于关-1123456Scaleaccumulationofscale闭状态。高压截止阀开启后，高压液态水携带氧化皮颗粒流经分离器，大的氧化皮颗粒沉积于分图10两种建模效果对比图离器底部，氧化皮颗粒在线检测装置可对分离器5氧化皮浓度的颗粒度检测试验底部氧化皮累积量进行检测。携带小颗粒氧化皮超（超）临界锅炉其主蒸汽系统中主蒸汽输的高压液态水样经减压阀降压处理，满足压力要送管内温度可达540℃以上，压力可达22MPa求状态下打开人工取样阀，样品水流入人工取样以上，高温高压环境下常规检测系统是无法对主槽后可做二次采样检测。蒸汽管道及过热器管道内的氧化皮实现检测的。本文提出的氧化皮颗粒取样在线取样系统可以使携带氧化皮颗粒的高温高压蒸汽凝固成温度低于50℃的高压液态水，氧化皮颗粒在低温液态水中实现分离沉积。氧化皮颗粒在线取样系统在锅炉主蒸汽系统中设置如图11所示，在主蒸汽管道底部竖直开具Φ20mm的取样孔，焊接连接氧化皮在线取样系统。图12氧化皮颗粒在线分离系统工作流程图Fig.12WorkFlowChartofOn-lineSeparation图11氧化皮在线取样装置安装位点图SystemforOxideGranulesFig.11Installationlocationdiagramoftheoxidescale采用氧化皮在线监测装置对某600MW机组onlinesamplingdevice主蒸汽携带颗粒进行监测，测得氧化皮颗粒数与-5-

52020机组负荷变化曲线如图13所示。由图可见，采负荷之间存在一定的变化关系。用氧化皮颗粒度与机组负荷和蒸汽流量有一定致谢的关系，并且随着时间的变化，变化较为显著，感谢华能集团总部科技项目“HNKJ19-H25《超变化幅度从最小的４个／mL到最大的18个／（超）临界机组氧化皮在线检测受控剥落及预分离关mL，可见采用颗粒度来表征蒸汽中固体颗粒的键技术研究与应用》”对本文的资助。变化是可行的。进一步分析图像可见，机组负荷参考文献增加幅度较大时，氧化皮颗粒度急剧减小。分析认为，负荷大幅度增加，一方面促使了氧化皮的[1]贾建民,陈吉刚,李志刚.18-8系列粗晶不锈钢锅炉管内壁氧化皮大面积剥落防治对策[J].中国电力,2008,41(5):剥落，另一方面蒸汽流量的增加，使单位体积内37-41.氧化皮被稀释所致；当机组负荷急剧减小时，氧[2]邓勇,刘盛波,彭芳芳等.600MW超临界锅炉TP347H屏化皮颗粒度却呈现相反的变化趋势，可能是因为式过热器管高温蒸气氧化腐蚀探讨[J].腐蚀与防护,2009,30(2):124-127.系统内过热器再热器中氧化皮发生了剥落所致。[3]尹开锯,邱绍宇,唐睿.铁素体-马氏体钢P91和P92在超临界水中腐蚀后的氧化膜多空性分析[J].中国腐蚀与防护学35000700报,2010,30(1):1-5.32500650[4]MontgomeryM,HanssonAN,VilhelmsenT,etal.Steam30000600ParticlecountsoxidationofX20CrMoV121:comparisonoflaboratory27500Load55025000exposuresandinsituexposureinpowerplants[J].Mater.50022500450Corros.,2012,63(8):674-684.2000017500400[5]CoryN,HerringtonT.Kineticsofoxidationofferrous15000350Load(MW)alloysbysuperheatedsteam[J].Oxid.Met.,1987,28(5/6):1250030010000237-258.2507500[6]李美栓.金属的高温腐蚀[M].北京:冶金工业出版社,2005000Totalnumberofparticles(counts)1502001:186.25000100[7]ZhouCG,YuJS,GongSK,etal.Influenceofwater12:0016:0020:0024:0004:0008:0012:0016:0020:0024:00TimevaporontheisothermaloxidationbehavioroflowpressureplasmasprayedNiCrAlYcoatingathightemperature[J].Surf.Coat.Technol.,2002,161:86[8]WuY,NaritaT.Oxidationbehaviorofthesinglecrystal图13某600MW机组主蒸汽颗粒度变化曲线Ni-basedsuperalloyat900℃inairandwatervapor[J].Fig.13VariationCurveofGranularityofReheatedSurf.Coat.Technol.,2007,202:140Steamofa600MWUnit[9]HänselM,QuadakkersWJ,YoungDJ.Roleofwatervaporinchromia-scalegrowthatlowoxygenpartialpressure[J].5结论Oxid.Met.,2003,59:285[10]ZhangNQ,XuH,LiBR,etal.Influenceofthe本文本研究提出了一种主蒸汽中在线氧化dissolvedoxygencontentoncorrosionofthe皮颗粒物取样方法，通过建立主蒸汽管道氧化皮ferritic-martensiticsteelP92insupercriticalwater[J].Corros.Sci.,2012,56:123.取样的计算模型，研究不同取样条件对取样效率[11]闫爱军等.一种氧化皮分离组件:中国,201720924337.0的影响；提出采用磁性检测耦合颗粒度检测的氧[P].2017-07-27.[12]郭俊文等.一种氧化皮在线检测装置:中国,化皮浓度在线检测技术，分析磁性检测方法磁场201720856762.0[P].2017-07-14.强度的变化规律，在实验室应用多通道磁性检测收稿日期：2020年装置对实际氧化皮样品的检测结果显示，磁性法作者简介：乔越（1992-），男，山西阳城，硕士，工程师，研究方向为热力设检测高温高压蒸汽中大颗粒的氧化皮是可行的；备的腐蚀与防护，水处理技术等。采用激光颗粒度法测试了某电厂主蒸汽中的氧化皮颗粒，测试结果显示氧化皮颗粒数量与机组-6-