中国能源建设集团广东火电工程有限公司 510725
摘要：氢损伤的破坏性较大，损伤面积广泛、无法恢复、早期易忽略，因此氢损伤较大程度影响了电厂的安全生产。近年来，我国出现了多起水冷壁管氢损伤破坏事故，迫切要利用无损检测方法迅速、精确的把握氢损伤的情况。本文根据水冷壁氢损伤机理，介绍了水冷壁管氢损伤超声检测系统，并以氢损伤超声波检测实例分析了无损检测方法的应用情况。
关键词：锅炉水冷壁管；氢损伤；无损检测
引言：
世界上氢是最丰富的元素，很容易在加工、生产和使用金属时出现，因此，在很多不同情况下都有可能出现氢损伤。氢损伤给金属材料带来了滞后破坏，比如脆性断裂，当低于材料屈服强度的静力发挥作用，便会产生延迟，由于其具有突发性，无法预料，故其破坏形式具有较高的危险性，极易造成严重的后果。因此对锅炉水冷壁氢损伤的无损检测方法研究具有重要的应用价值。
一、水冷壁管氢损伤机理
不论是金属加工业、化学工业还是石油工业，都会出现各种不同的氢损伤类型。装备内的氢发生重整与裂化，温度上升至260℃，此时氢分压达到689KPa，钢表的氢分子分解还原发生了腐蚀反应。若始终低于起始温度，腐蚀反应速度缓慢；不会超过起始分压，不论产生多高的温度，仅在表面出现脱碳而不会产生严重的氢腐蚀现象。蒸汽管道增加蒸汽压力至3-19MPa时出现氢腐蚀现象，蒸汽温度范围在315-510℃，通过腐蚀造成的阴极析氢和腐蚀汽水反应得到原子氢。
氢在容器介质内是否发生氢损伤，取决于操作温度、氢分压、反应时间等相关要素。升高温度，对应提高了氢分压占比，随之延伸了碳钢的氢脆层，缩短了氢脆破碎的时间，其中发挥决定作用的因素是温度。氢在常温常压状态下对钢结构造成一定的损伤，当温度升高至300℃，压力增加至300MPa时，便出现氢损伤，尤其处在高温的环境内。例如合成氨出现的脱硫塔和变换塔；炼油操作使用的加氢反应装备。当炉水出现局部浓缩时，垢下的浓酸腐蚀管壁的保护膜，与金属发生析氢反应，其中向管壁扩散一部分氢，与金属中的FeC3结合生成甲烷并引起脱碳问题，甲烷快速集聚在晶界上增加了内压力，从而形成晶间裂纹。延长腐蚀时间，其与晶间裂纹连接形成宏观裂纹，顺延壁厚方向氢损伤区域由内至外持续扩展，最终产生了脆性损伤。可以用下式表示水冷壁管氢损伤反应：
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利用超声波检测可以准确认识和判断氢损伤管养，氢损伤的管样有以下特点：
（1）管子内氢损伤区域带来了严重的垢层问题，牵涉了盐类、铁的腐蚀产物和氧化物的多层结构。
（2）垢层与金属基体共同组成空腔，垢层清除以后，金属基体清晰呈现了皿状腐蚀坑，同时不少晶体裂纹也隐藏在垢下。
（3）孕育阶段的氢损伤使管子内表层金属沿着晶界出现大量的微裂纹，这部分微裂纹附近产生了明显的脱碳问题，其中最典型的便是黑色条带，由于氢损伤的加深，此时管样容易出现宏观可见的鼓包。
（4）氢损伤后阶段，在内表层纵向形成更多的宏观裂纹，甚至引发了爆管，爆口呈现的开天窗形貌无任何规则。
（5）爆口的边缘比较粗糙，管壁不存在减薄或促胀的问题。管子将力学性能引入向火侧与背火侧，当出现氢损伤时容易造成巨大的破坏，并且这一破坏范围持续延伸，加之破坏速率极快，致使其不能恢复。由于爆口形式多是脆性损伤，对金属内壁表面的氧化层保护膜造成严重的损坏，进一步出现大规模的水冷壁管损坏，相当于水冷壁管总数的30%-50%，并且管子发生氢损伤后不能修复，只可以割除，故而一定程度损害了电厂的经济。
二、水冷壁管氢损伤超声检测系统
水冷壁管氢损伤改变了超声波的传播特点：（1）晶间裂纹在氢损伤区域出现，直接缩小了金属弹性模量，最大程度降低了超声传播横纵波的速度；（2）晶间裂纹出现在氢损伤区域，增大了金属的散射衰减程度，相应减少了管子内表面发射的能量与散射回波数量；（3）晶间裂纹引起了声阻抗相差的异质界面，称其为晶界，由于其取向的差异化，使超声波能量形成了散射。
（一）检测方法
由氢损伤形成的晶间裂纹干扰了超声波的传播速率，增加了底面回波的衰减以及背散射，因此检查是否存在氢损伤时，可减小声速、衰减底波和增加背散射。
（1）通过对变化的声速测定，检查是否出现了氢损伤，利用机械方式精确判断在役水冷壁管的壁厚，此时获取材料内超声波的声速非常困难，也无法取得水冷壁管形成氢损伤的厚度。
（2）金属在氢损伤的前提下传播超声波，由于晶粒本身的散射衰减作用，由管子表面实现入射时，增大了衰减，底面反射的高度低。故而利用测定衰减值或衰减系统判定发生氢损伤与否。
（3）背散射法的原理是超声波的纵波探伤，将其引入部件缺陷检测，还可以动态评估役水冷壁管出现氢损伤的状况，同时选择兼备灵敏度和高频率的探头，通过仪器找出背散射回波与内表面回波。因此，不管氢损伤是否发生都可以检测厚度。同时管子内表面状态不会受到背散射的影响。因此，分析水冷壁管内是否发生氢损伤时可使用背散射法。
（二）超声波波形
根据超声波理论，对比同一频率的纵波与横波，前者波长；横波比纵波的声束扩散角小，纵横向分辨率明显超过了纵波。通过检测可知，氢损伤厚度与最小缺陷均比纵波小。
（三）超声波频率
超声波的频率决定了最小缺陷尺寸，如增加频率需缩小缺陷尺寸。因此，氢损伤检测可以采取较高的频率；但检测频率升高加重了衰减，水冷壁较厚则容易影响检测灵敏度与范围。通常选择10-15MHz的超声波频率检测水冷壁管内氢损伤。
（四）探头晶片尺寸
探头晶片的尺寸影响了声束的扩散角、进入厂区长度以及超声波的能量。增大晶片的尺寸，相应减少了声束扩散角；进场区长度延长，超声波的能量也增大。探头晶片按照工件的形状和厚度选择尺寸。水冷壁管的晶片建议选择较小的尺寸，主要因为晶片厚度较大、曲率大，另外还要增加透声楔块的长度，降低进场区带来的影响。挑选d6-10mm的晶片检测水冷壁管内壁氢损伤。
（五）检测仪器设备
探测仪频率为20MHz，利用仪器和探头系统分辨晶粒度的氢损伤地面回波的波形。按照选择检测氢损伤仪器和探头的基本原则，合理设计高频率氢损伤超声波检测系统，实际包括氢损伤设备与地面回波的波形。采用背散射法客观检测与评价冷水壁管内壁是否出现了氢损伤，以及对发生氢损伤的区域综合把握。检测之前，利用材质与规格均相同的无损伤管样对超声检测灵敏度科学调节，适当控制超声波幅度，避免其超过5%。
三、氢损伤超声波检测实例
某一电厂200MW亚临界机组水冷壁发生了泄漏，采取超声波检测技术科学定位水冷壁管氢损伤。并采取金相法验证结果的精确性。图1是现场的反射回波波形，虽然现实反射回波波形不同于典型反射回波波形，但通过割管检验证明与图1对应的管样出现氢损伤，这种波形差异的原因是现场检测环境与管样表面状态等。
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图1 反射回波波形
图2表现了泄漏管样的宏观形象。能够发现，管样外壁的裂纹呈纵向形态，正处于向火面的核心位置，大概长100mm，裂纹走向表现为弯曲性，背火面与向火面均未发生损伤。管样内壁形成较厚垢层，向火面的中心位置内壁形成了凹凸坑。
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图2 泄漏管样的宏观形象
图3表现了氢损伤管段微观组织。可以发现，管样背火面内壁没有发生异常现象。管样向火面裂纹附近与内壁共同生成了脱碳层，此区域周长约14mm，沿壁厚方向的内壁大约厚2mm。
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图3管段微观组织
结束语：
水冷壁管的氢损伤表现出明显的破口形貌特点、显微裂纹特点，其形成了比较规律的损伤范围，深刻认识失效特点不只保证了分析判断的准确性，还为无损检测创造了基础。超声波检测，可以精确定位水冷壁管氢损伤的区域，制定合理的换管方案，节省了换管所需的时间，具有较高的经济价值。
参考文献：
[1]马剑民.火力发电厂锅炉水冷壁管氢损伤超声检测工艺的研究及应用[J].热力发电，2019（4）：84-86.
[2]韩传高.水冷壁管氢损伤及其微裂纹的无损检测技术[J].内蒙古电力技术，2018（2）：8-10.
[3]郭莹慧.氢损伤材料超声无损检测方法研究[D].北京工业大学，2019.