用金属磁记忆法评定锅炉和蒸汽管道弯头应力变形的方法介绍.pdf

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1、用金属磁记忆法用金属磁记忆法 评定锅炉和蒸汽管道弯头评定锅炉和蒸汽管道弯头 应力变形状态的方法应力变形状态的方法 1 “动力诊断”技术公司方法（发明人杜波夫 副博士 ）用来提高发电设备出事最多的一种部件锅炉和蒸 汽管道弯头的可靠性。 技术诊断领域中，这是完全崭新的方法，它能够按金属在使用过程中形成的残余磁场强度，查出那些即将破损 的弯头。 该方法可用在火电厂、核电站、锅炉以及其它要求保证管路系统可靠性的工业部门，既可以单独使用，也可以 和传统的检测手段和方法配合作用。 1 前言 动力部门的一个复杂问题就是确保锅炉未受热管和蒸汽管道弯头的可靠性。 有不少记录在案的高压锅炉未受热 管弯头的破损事件

2、，其中一些造成了严重的后果。 尽管在“动力诊断”的行业规模上做了大量的研究工作，采取了大量的措施以提高弯头的可靠性，时至今日并 未取得理想的结果，锅炉未受热管弯头依旧是事故点。 现有的无损检测方法（超声、磁粉）虽然在动力部门广泛使用，但仅用来查找和发现设备的金属中那些业已发 展了的缺陷和种种不同类型的裂纹，如果从确保值班人员安全的角度来看待设备运行的可靠性，这是不能容许的。 此外，弯头破损的主要根源乃是由工作载荷造成的机械应力集中。通常，破损的那些弯头，都是使用在有附加 的，未能计算出的应力条件下。 对锅炉和蒸汽管道磁化现象所做的一整套工作，包括分析、试验室和工业性的研究，在此基础上，研制出一

3、种 按照在金属表面上漏磁场（Hp）强度值及其分布特点去评定弯头应力变形状态的方法。 同样确定了铁磁性管在拉伸、挤压、扭曲和周期性载荷下残余磁化强度的变化和相应被测磁场Hp 的变化，肯 定和所受最大的工作应力有关，从而有可能利用这一参数在制订本诊断方法时，用它做记忆要素。 从强度和断裂力学理论方面得知，结构发展破损最为不利的情况是，金属的局部处在主要以拉伸应力作用的叠 加载荷。在这种情况下一些裂纹出现在沿垂直于拉伸应力的那些平面上。考虑到Hp=O 的那些线与现场实践中查出 的不少管子弯头表面可见裂纹相重合的事实，做出了这些线和垂直于最大拉伸应力的那些线相重合的论断。显然， 这些线如果和管子的拉伸

4、区和中性区相重合，那它的可靠性就是最危险的。在这种情况下，例如，在弯头拉伸减薄 的管壁上加上由扭转力矩产生的最大外部应力和内部由介质压力产生的正切应力， 其结果在长期使用中由周期性 载荷作用弯管拉伸壁上出现纵向损伤，这一损伤又为上述应力一起作用而加快。类似的应力状态也会在弯头的中性 区出现，当弯头该处丧失坚固性时，也有几种应力同时作用于管壁的情况出现。 由于金属具有对最大工作载荷形成的应力集中区的磁记忆效应，使找出那些即将破损的弯头成为现实和可能。 本方法所提出的评价标准，能区分出处在弹性变形区的弯头，在塑性变形区使用的弯头和处在即将破坏状态的 弯头。按沿弯管中间截面周边上Hp 值大小和其分布

5、特点，能评定出由工作载荷产生的附加（未算出的）应力水平。 上述诊断蒸汽和水管道弯头的方法，可单独使用，也可以和其它普通和无损检则方法一起配合使用。 2用途和使用范围 2.1本方法适用于锅炉和蒸汽管道以及所有其它处在运行中的工艺管道的弯头。 2.2方法基于记录漏磁场强度Hp，其特点是说明在工作载荷作用下弯头金属中形成的残余磁场强度分布。 2.3方法能够： 查出那些工作在最大应力条件下濒临破损的弯头； 确定要采取监测措施的弯头组； 和其它一般和无损检测方法相结合，客观及时地确定有缺陷或机械性能降低的弯头； 制定防止弯头破损的措施； 大大缩减检测和更换锅炉和蒸汽管道弯头的工作量。 3检测仪表及其工作

6、原则 3.1使用带铁磁探测转换器（传感器）的仪表去实行沿被磁化管子表面检则漏磁场强度。 3.2可使用梯度计或场强计做为上述仪表的传感器。 2 3.3 TSC-1M 型测磁仪表（机械应力磁指示器铁磁探测式） 具有测量磁场强度的铁磁探测转换式传感器 （场 强计和梯度计） ，其工作原理和使用条件列于该仪表说明书中。 3.4为了提高检则锅炉管道的效率， “动力诊断”技术公司研制了计算机式仪表应力集中指示仪 （TSC-1M） 。该仪表有检测锅炉管道的专用扫描装置，显示管子应力变形状态图形信息的带照明屏幕，有带独立电 源的存储器和按事先存入的评价标准自动处理信息的软件程序。 该仪表的详细说明，其工作原理和

7、使用方法都列在仪表说明书中。 3.5管子漏磁场强度值的测量误差取决下列各因素： 外表氧化皮和结垢的厚度； 传感器距管子表面的距离； 传感器沿管子表面的扫描速度。 加上上述各项因素的测量误差可达 5%。但是对于按本方法评价弯管状态的标准，这个误差值不会有显著的影 响。 4检测与评价锅炉管道和蒸汽管道弯头应力变形状态的方法 4.1在停机检修的设备上进行检测。沿弯头母线和断面周边测量漏磁场强度（Hp）并不要求清理被测表面。 检测由二个操作人员完成。其中一人用仪表传感器沿弯头被测表面进行扫描，另一操作员将检测结果登记到记录本 上。 记录本的格式见附录 1。 4.2磁检测方法以及在此方法基础上评定管道弯

8、头应力弯形状态步骤如下（见图1） 用 TSCM-2F 型仪表的传感器 2 以沿弯头 1 外拉伸母线依箭头 3 快速扫描的方法去测量垂直于管轴线方向上漏 磁场强度的法向分量（Hp） 。当发现管路弯头表面上Hp 值等于零或最大值时，在该处用粉笔或漆做上记号。 随后， 沿弯头截面 A-A 周边朝与切线 K 重合的方向 4 以移动传感器 2 的方式测量 Hp 场。 在拉伸母线上若发现 了 Hp 值为零或最大值时，都要在弯头的该处截面上进行测量。 图 2 上给出了沿上述弯头截面周边最具代表性的Hp 场分布曲线图。 当记录到那些零值点 Hp=O 时，仪表一定显示符号从（-）到（+）或相反的过渡变化。仪表的

9、指示器这时应发 出声音和灯光信号。Hp 值的符号通常不与应力符号相对应。 确定了 Hp 场符号变换区之后，在这些区域里要更加具 体地去确定 Hp 场的那些符号变更线，依照本方法，这些线就是相对应的应力集中和变形线。确定Hp=O 线的方法 由图 3 进一步说明。用仪表传感器沿弯头表面按图3 上所示沿箭头和虚线找出 O1，O2，O3，O4各点，在这些点上 Hp 场改变符号且具有零值。然后，按这些点在弯头表面上标出（用粉笔或油漆）Hp 场的零值线。Hp=O 线（应力 集中线）可能沿全周边闭合且偏离弯头的中间截面。这样的零值线在弯头的表面上可能是若干个，如图 2b 上沿弯 头中间截面周边 Hp 场的分

10、布曲线图。 为了评定应力集中线附近部位的应力和变形强度，在距应力集中线两侧相等的基准距离l上（垂直于该线） ， 在沿线长度的各点上去确定2l线段上 Hp 场的梯度，用公式|Hp|/2l确定出来的梯度代表着残余应力和变形这两者 的强度系数（K） 。所以要确定应力强度系数，是因为想要找出弯头所受的最大应力部位，或者是要对同样条件下 使用的弯头，同类型具有同样的应力集中线而要在它们之间进行比较。 一些弯头出现上述应力集中线，通常是由于弯曲和扭曲两种力矩同时作用的结果。 弯头上应力集中线所处的位置常常有不同的特点， 图 4 上给出的是在现场实践中查出的弯头上应力集中线所处 位置的一些具体事例。 由实验

11、得出结论，弯头上最危险的应力变形状态是Hp 场如图 2b 上所示的那种分布，该Hp 场分布曲线形状通 常不会超过被检弯头总数的5-10%。 图 5 上的这一组弯头用放大的比例尺显示了弯头被检测截面周边的Hp 场分布曲线图。 由图 5 可知，Hp 场在弯 头的部分部位上，都有从正值到负值的跳变，且不止一次地跨过零值，这时Hp 零值之间的最小距离 lk，通常其值 为1,2,这里的 是管子弯头的壁厚。 图 4c 和图 4d 给出院该组弯头相对应的应力集中线位置实例。 3 由强度理论得知，等于1;2 的 lk距离，是处在扭曲和弯曲力矩作用下丧失稳定性的弯头截顶上具有代表性的 圆柱壳体的临界尺寸。在该截

12、面上出现金属层稳定滑移带，表示是塑性变形发展。 图 4e 和图 6 上更加详细地给出了工作在显著的弯曲应力和变形条件下弯头具有代表性的Hp 场分布实例， 对于 该类弯头，拉伸一侧的Hp 场值通常要比压缩侧的Hp 场值高出 510 倍（图 6,b） 。 虽然在这种情况下 Hp=O 线处在弯头弯曲线的一侧，但是，这些线仍然是对应于主拉伸应力集中线，后者是由 于显著的补偿载荷作用引起的。在这种情况下，那更加危险的容易产生破损的部位，还是弯头的拉伸区域。这时载 荷的作用（见图6）是，在工艺流程的拉伸应力（ p）上又加上相当大的轴向补偿应力（k）以及由介质压力造 成的轴向应力( o） 。在低温下使用的弯

13、头， 最常见的破损特点是以裂纹和点蚀为形式的疲劳腐蚀性破损。 由于 设备起动和停车等拉伸压缩应力的周期性作用，破损的裂纹和点蚀生成在弯头的内壁。 要把那些检测出受应力最大的弯头当场用粉笔或油漆加以标记，将其检测结果登记到记录本上，填入表格。 用本磁记忆法找出 -230 型锅炉上在最大应力集中区处于失稳状态下工作的管子弯头的实例列于附件2。 4.3用 TSC-1M（2M 或 3M）型仪表检测弯头。 为提高检测弯头的效率（加快速度，确保自动记录和处理检测结果，建立弯头状态的数据库等） ，最好使用由 “动力诊断”技术公司制造的微机式TSC-1M 型仪表。 应力集中磁记忆检测仪（TSC-1M）是带内置

14、微处理器的记录式仪表，能检测弯头，能在屏幕上同时显示出两 个测量通道上沿弯头长和周边漏磁场Hp 法向分量的分布。 TSC-1M 仪表的万用传感器能检测各类不同尺寸的弯头。 图 7 给出了用 TSC-1M 仪表及扫描装置进行检测的示意图。扫描装备是小车式，上面至少有两个铁磁探测式传感器 和长度传感器。 两个铁磁探测传感器之间的基准距离和两个相邻检测点之间记录间距， 可随弯头规格和尺寸而改 变。两个传感器之间的的基准距离 建议按不超过两个管壁厚度来调整。每个测量通道的记录间距（K）应该在 1-2mm 之间，但不超过一个管壁厚度。记录间距的调整方法附在仪表说明书内。 检测方法以及确定濒临破损的受最大

15、应力的弯头的判据和节4.2 所述相同。此外，考虑到TSC-1M 仪表功能， 按下键盘上相应的按钮，就能在应力集中区里自动计算出被检测区段长度上| Hp|场的最大变化值。 式中| Hp|间距为 K（测量间距）的两个相邻检测点之间Hp 场的最大变化值。最大的K 值按每个测量通 道计算。 H 评价作用于该弯头上扭曲和弯曲载荷的水平，要算出两个通道依基准距离 分布的| Hp|值的最大模数差以 及相应的 K系数值： H P 最大的 K 和 K值要写入记录本（附件 1） 。 在那些用 TSC-1M 仪表业已查出有最大 K 和 K值部位的弯头上，为了弄清楚应力集中线（ Hp=O 线）的位置， 必须用 TSC

16、M-2F 仪表的传感器进行扫描或 TSC-1M 仪表的一个传感器按单通道扫描的方式进行扫描。TSC-1M 单 通道的工作模式见该仪表说明书。用TSC-1M 仪表确定弯头应力集中区的实例，见附件3。 找出符合本方法第 4.2 条和 4.3 条判定标准规定的应力变形状态的弯头后，建议对这些弯头做如下检测： 对于低温下工作（350）的弯头，实行超声波检测（检测管壁的緻密性和厚度） 。 对于高温下工作（=450或更高） ，实行超声波检测（蠕变线，壁厚）取磨片（评定金属组织及损伤） 。 用 MIC-1M 型仪表（由“动力诊断”公司制造的裂纹磁指示仪表）检测弯头表面裂纹。 4.5根据磁测方法有应力集中点和

17、按补充的传统方法报废（见4.4 条）的弯头，必须更换。 5操作人员的技术水平 5.1从事磁检测时，要想取得可靠的结果，在相当大的程度上，依赖于操作人员的技术熟练程度、经验和认真 4 k 负责的精神。 只允许在国家公务人员业务进修学院下属的“动力诊断”认证中心经过金属磁记忆无损检测法专门培训的人员 从事检测。 5.2从事金属磁记忆法检测的操作员，要依热电厂热力车间的安全规程，发给工作许可证。 5.3要由热电厂或检修单位的熟练工程技术人员负责领导检测锅炉和蒸汽管道弯头的工作。 事先研究过被检部 件结构和运行特点、破损原因和部位的工程技术人员，可参与领导。这些工程技术人员和操作员同样对检测的可靠 性

18、以及锅炉管道上工作时遵守安全规程负责。 6安全技术 6.1参加磁记忆检测的人员应熟知和执行电厂热力车间的安全规程。 6.2允许进行磁记忆检测之前，参与工作的所有人员都要通过相应的安全培训。 每一次工作条件变动，都要培训，该培训由工程技术人员中的领导人负责。 6.3从事磁检测的人员，要戴安全帽，穿电厂的工作服。 6.4检测的管段位于两米以上的高度时，要搭脚手架，使用梯子或升降台，脚手架结构、梯子和升降台均应符 合安全规程的要求。 图 1磁记忆检测管 1 管 子 弯 头 A弯头中部截面 K弯头中部截 磁场强度的法向分 5 子应力变形状态的示意图 2仪表传感器3传感器移动方向A 面外表面上的切线 H

19、 P 量 Y 图 2弯头中部截面周边典型的漏磁场强度Hp 法向分量图 图 3应力集中 的确定方法 6 线（Hp=O）和应力强度系数|Hp|/2l 图 5应力 面上H Y P 值 Lk壳体 Lk1;2 图 4应力集中线（Hp=O）在管子弯头上的分布实例 变形状态临界区域典型的弯头横截 分布图 的临界尺寸 ，其中 管壁厚度 mm 7 图 6弯曲应力异常高时周期应力对弯头中部截面拉伸壁的作用特点 图 7用双通道传感器检测管道的示意图 1带测长传感器的扫描装置2，3铁磁探测传感器4连接电缆 5带 1MB 存储器和显示图形屏幕的TSC-1M 仪表L传感器之间的基准距离 附件 1 检测结果记录簿 检测日期

20、 8 企业名称 设备名称 工艺用途 管子的型式尺寸钢牌号 运行时间小时 检测结果 部件名称 弯头在表格 上的编号 沿弯头截面周边 Hp 值的测量 截面名称 沿截面周边Hp值 （安/米）的分布 2 最大值 K，安/米K 安/米2 备注 附件 2 用 TSCM-2F 仪表在 3-230 锅炉上 判定在受力最大条件工作的管子弯头实例 1准备工作 首先应与甲方商定锅炉管弯头磁记忆检测的区域和工作量。 检测工作量要由企业的总工程师或主管锅炉的车间 主任，根据破损统计，金属试验室的结论和检修记录本等决定。 在开始检测之前，必须备齐粉笔、铅笔或钢笔、锅炉受热管弯头的表格、附件1 所列格式的记录本。记录本内

21、应记下有关检测对象全部资料（参见下述内容） 。其次，必须按使用规程做好仪表（应力集中磁记忆检测仪）工作 准备，检查检测区照明并按本方法第6 条规定执行安全措施。 2莫斯科电力公司，第9 热电厂 3-230 锅炉上非受热管弯头的检测结果 做好各项准备工作之后，对锅炉上非受热管弯头的磁检测进行如下，一个操作员依照本方法的第4.1 和 4.2 条 的规定，在弯头金属表面进行磁场强度的测量。另一位操作员对实测值做好记录并登记入簿。 共检测了锅炉排水管弯头46 个，其中 14 个弯头在锅炉正面，锅炉左、左面两侧分别各有16 个弯头。 通过磁检测结果， 查出 5 个弯头有最大应力集中区， 锅炉右侧的 5-

22、1 个弯头，炉正面的 1-1 号，4-1，5-1 和 35-2 号弯头。检测结果均已记录在案（详见下述内容） 。 在这些弯头上，在中性点附近测出不止一次越过零值线的Hp 值跳变情况。同时，Hp 场各零值之间的距离都等 于（12），式中 =10 毫米，是被检测管子的壁厚。 检测结果用图 2.1 加以说明。图 2.1,a 展示了第 3-1 号弯头（锅炉正面）上 Hp 值的分布情况，这对在正常补偿 应力条件下工作的弯头很具代表性。 图 3-1,b 展示出在扭转和弯曲力矩作用下处于失稳条件下工作的5-1 号弯头 （锅 炉正面） 中间截面上测定的 Hp 值的分布情况。 在这个弯头中性点附近， 发现有 H

23、p 场零值间距离等于 2 的区段 Lk。 9 5-1 弯头上的这些区段，根据本方法代表着由未计算之补偿载荷作用而产生的最大应力集中区。 为评定内壁的状态，将 5-1 弯头割下。割开后，从对 5-1 号弯头内壁所做的观察中发现，在靠近中性点处，也 正是在右侧，即在检测中查出应力集中区的部位，发现有深坑达1 毫米和点蚀，这些都表明存在金属的腐蚀疲劳 磨损，正是在该弯头的磁记忆检测中，曾发现应力集中区。 为了便于比较，还割开了 3-1 号弯头（锅炉正面） 。尽管这个弯头曾被超声波检测报废， 但割开后在内部表面上 并没有发现明显的缺陷。 这样，本诊断方法能够在莫斯科动力公司第 9 热电厂 6 号炉 3

24、-230 上，查出在最大应力条件下工作的非 受热管弯头。这一结论为下述情况所证实： 锅炉正面 1-1，3-1 和 5-1 号割开管段外观检查结果； 将代表弯头应力状态的Hp 实测值的分布，与排水管的结构布置相比较； 超声波检测的资料（经磁记忆方法查出的全部上述五个弯头，均为超声检测所报废） 。 检测结果记录本 检测日期1990 年 6 月 企业名称莫斯科动力公司第9 热电厂 设备名称6 号电站 3-230 锅炉 工艺用途排水管 管子型式尺寸13310 毫米钢的牌号20 号钢 运行时间130742 小时 检测结果 10 图 2.1沿 3-1（a）和 5-1（b）号弯头中部截面周边磁场（Hp）强度

25、的测量结果 在 5-1 弯头上中性点附近查出 lk区段，对于按所提出的磁检测方法报废标准很具代表性。很明显，Hp=O 值各 点之间的距离等于 2 个壁厚：2=210=20 毫米。 P,C:拉伸侧，压缩侧。 附件 3 用 TSC-1M 仪表判定有应力 集中区的弯头的实例 3.1佳吉列夫斯基热电厂3 号机 -60 型汽轮机导汽管弯头的检测结果 10 号弯头，151 号钢，27332 毫米 先是用 TSC-1M 双通道传感器沿弯头拉伸侧进行检测（扫描） 。图 3.1,a 展示出按双通道方法测出的Hp 场分布 图。如3.1,a 图上所见，应力集中区的特点就是Hp 场有一急剧的尖峰。应指出，小车沿拉伸区

26、扫描时，铁磁探测传 感器之间的基准距离保持在 20 毫米。这时 Hp 场的急剧变化基本上是由一个测量通道测定的。之后，在测定有Hp 场凸起，尖峰处的截面上，沿弯头的周边进行了检测。 在图 3.1,b 上展示的是沿弯头周边（A-A 截面）测定的 Hp 场的分布。铁磁探测传感器之间的距离也是20 毫米。 从图 3.1,b 可看出，两个通道有一个测定出的Hp 场值和符号有相当大的变化，而另一个通道上Hp 场值变化没有那 么大，符号也没有变动。 图 3.2,a 展示出在 10 号弯头上拉伸侧附近查出的应力集中区。应力集中区为一个椭圆形斑点，尺寸为 7035 毫米，即为壁厚（32 毫米）的倍数。这个点为

27、Hp 场符号变更线（Hp=O 线）所限定。 图 3.2,b 展示出 10 号弯头（有应力集中区的）是如何被同台3 号汽轮机中间抽汽管所挤压，是应力集中区形成 的原因。 图 3.3 展示出从 10 号弯头上应力集中区（沿 Hp=O 线）所取的金相组织房片。从图 3.3 可看到，在 10 号弯头 应力集中区内的金相组织上已发现一些相距0.1 毫米左右的裂纹。这样，10 号弯头便是处于快要破裂的状态。 14 号弯头，钢牌号 151，21925 毫米 11 图 3.4,a 和图 3.4,b 展示出在发现有应力集中地方的沿拉伸侧和周边分别测定Hp 场分布图。 检测同 10 号弯头一样，也按双通道方式，传

28、感器之间的距离也是20 毫米。从上述图上可看出，仅在一个通道 测出 Hp 场有急剧变化的情况。为了核定应力集中区所在位置和这个区在弯头表面上显现出的Hp 场零值线，使用 TSCM-2F 仪器进行检测。在该弯头上，Hp=O 线位置与图 4,a（见本方法第 4.2 条）所展示的一样。导汽管的10 号 和 14 号弯头，根据检测结果，建议予以更换。 检测同 10 号弯头一样，也采用双通道传感器之间距离也是 20 毫米。从图上可看出，仅有一个测量通道测出 Hp 场的急剧变化来。为了核定应力集中区所在地点和这个区在弯头表面上显现出的Hp 场的零值线，建议再用 TSCM-2F 仪表。 图 3.1 12 图 3.2工作在被挤压状态下23732 毫米导汽管 10 号弯头上查出的应力集中区 13 图 3.33 号汽轮机导汽管 10 号弯头金属的显微组织（500 倍，可见相距 0.1 毫米的裂纹） 图 3.4 14