奥氏体不锈钢因具有热强性高、耐蚀性和高温力学性能优良以及焊接性良好的特点，在大型电站锅炉得到广泛应用。但运行经验表明，这类不锈钢管在运行中抗高温蒸汽氧化性能较差，在电站锅炉过热器和再热器运行过程中会出现严重的蒸汽侧氧化皮剥落，导致锅炉管堵塞，引起严重超温，从而引发爆管事故，严重影响大容量、高参数尤其是超超临界机组的安全稳定运行。

图 1 铁素体钢（T22）氧化皮和奥氏体钢（TP347H）氧化皮的宏观特征

图2 过热器堵塞超温爆管

一、氧化皮的形成与脱落

金属管道内壁的氧化皮是金属在高温蒸汽环境下发生氧化反应的产物。管壁氧化物内层为结构致密的富铬尖晶石结构，中间层主要是结构疏松、多孔的Fe₃O₄，最外层为结构致密但厚度较薄的Fe₂O₃。氧化皮剥落物主要由中间层Fe₃O₄和最外层Fe₂O₃组成，与蒸汽温度和受热程度等有关。

图 3 氧化皮的微观结构

一般情况下，当蒸汽温度高于400℃时，即具有较强氧化性；570℃以下时，氧化产物由Fe₂O₃和Fe₃O₄组成，氧化速度较慢，可以保护金属内壁被进一步氧化；570℃以上时，氧化速率较快，氧化产物由Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO组成，整个氧化皮结构稳定性较差，管壁抗氧化能力降低。

在锅炉高温运行环境下，由于管材金属与其氧化皮之间的热膨胀系数存在差异，导致氧化皮结合界面产生应力。温度变化速率、变化幅度都会对该应力大小产生影响，当应力达到一定程度时，氧化皮脱落。通常情况下铬钼钢的氧化皮脱落的临界厚度为0.2–0.5mm、不锈钢氧化皮脱落厚度为0.1–0.2mm。

蒸汽出口温度为540℃左右的亚临界和部分超临界锅炉出现这类氧化皮剥落问题的时问一般在机组投运后30000h左右，蒸汽出口温度为570℃左右的超临界锅炉出现这类氧化皮剥落问题的最短时间大约在机组投运后3400h。氧化皮剥落物数量主要与剥落前管内氧化皮厚度和温度波动幅度或波动速度有关，管内剥落氧化皮的堆积和堵塞程度与管排的结构形式、管子内径和弯曲半径等有关。

二、氧化皮的预防与检测

在锅炉运行管理方面可采取的预防措施有：

①  减小高温受热面各管屏热偏差，减少受热面超温运行；

②  优化机组启停方式，避免急启急停带来的温度急剧变化；

③  谨慎控制加氧；

④ 建立氧化皮台账，利用专用检测仪器及时定量快速检测。

传统的内窥镜检查工作量大、效率低；测厚法速度较慢且无法全面检查；低频涡流检测法易出现误检漏检。目前，采用无损检测方法检测锅炉弯管内氧化皮堆积主要有射线检测法、声振法及剩磁法。射线检测方法因受管排空间的限制很难进行全面检测，检测结果的评判带有主观性，且射线对人体有害，检测费用贵，工期长；声振法即采用声衰减系数作为检测的特征参数，根据其随氧化皮堆积量增加而增大的关系实现检测，但是现场锅炉弯管与标样管声振特性存在较大差异，实测结果很难保证。

三、数字氧化皮检测仪

由于奥氏体不锈钢管为无磁性或弱磁性，而氧化皮中的Fe₂O₃和Fe₃O₄均属于强磁性物质，利用磁性差异，本公司提出一种奥氏体不锈钢弯管内部氧化皮的检测方法，基于内壁氧化皮堆积量与剩磁磁感应强度和提升力之间的关系，研发了一款新型数字氧化皮检测仪。

 

图4 数字氧化皮检测仪探头及主机

（一）设备原理

根据锅炉管材与氧化皮磁性性能显著差异特征，对被测锅炉弯管施加外部磁场激励后，撤离外部激励磁场，利用霍尔效应和应力传感器检测弯管内氧化皮剩磁磁感应强度和提升力，建立其检测信号值与锅炉弯管内氧化皮堆积量的映射关系，从而实现对锅炉弯管处堆积的氧化皮堆积量的无损检测与评定。

   

图5 剩磁感应强度和提升力与氧化皮堆积量的关系

检测时，采用3个方位测点的实验方法，消除了由于单稳恒激励磁场下不均匀性。探头30°正向检测弯管同时记录行走长度；到达终点后探头0°反向检测弯管并记录长度；返回起点后探头330°正向检测弯管及记录长度。20mm采集一次数据，采集频率不超过100Hz。3次检测数据保存在主机中，同时根据数据形成3D管道图像显示氧化皮的堆积图形。这些数据及图形可以通过USB、SD卡保存和导出，也可实时通过串口/485传输出去。

（二） 性能特点

1. 检测数据量化。数字化显示氧化皮厚度和所占管道空间的百分比，图像化显示堆积位置，简单直观，便于实时查看，且具有调零功能；

图 6 氧化物堆积检测界面

图 7 氧化膜检测界面

2. 检测精细化、专门化。可设置管道材质、管径大小、管壁厚度等参数，提高检测结果准确性；

3. 自动生成检测报告，优化数据管理，方便查询。支持输入检测项目编号，检测部件编号，检测管屏编号，检测管子编号，检测位置编号（可用图片表示），检测长度，完成一根检测，按确认后，自动弹出下一管屏编号信息。检测报告自动套入模板，报告显示检测时间、部件、各编号、氧化皮体积、质量、截面积、图片等。支持检测数据保存、导入、导出，并支持错误和重复数据的修改、删除；

4. 重量小于2kg，电池容量8h以上，结构简单，易操作；

5. 检测速度快，无须对被测物进行表面处理。灵敏度高，对管道内氧化皮量的微小变化能够准确的反映；

6. 可检测奥氏体不锈钢管如：HR3C、SUPER304、TP347HFG、TP347H、TP304等。不仅可以检测氧化皮，也可以检测其他来源的铁磁性异物。

四、结论

和传统方法相比，数字氧化皮检测仪具有的优势：一是准确度高。割管抽查的方法是盲目、随机的，抽查的时候常常发生漏检，并且会因为抽查割管而造成不必要的焊口，增大了受热面的安全风险。二是无危害，环保。射线检测会给周围的人和物带来一定的辐射伤害，并且工作量大，由于受热面管屏间距的狭小，射线设备受限于空间制约，拍片质量亦很难保证。三是便捷，工期短。数字氧化皮检测仪体积小，使用灵活，检测过程中不受灰尘、振动等外部因素干扰，并可进行交叉作业，工作效率高，可大大缩短检修工期。

为保障机组的安全运行，使用数字氧化皮检测仪提前对受热面用奥氏体不锈钢进行氧化皮情况排查，并进行持续跟踪检测，可有效防止因氧化皮问题引发的非计划停机事故，并对提高电厂效益、延长机组使用寿命有着巨大的意义。