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1、1用金属磁记忆法评定锅炉和蒸汽管道弯头应力变形状态的方法2“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，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
2、，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
3、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
4、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
5、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。33 检测仪表及其工作原则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
6、为上述仪表的传感器。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
7、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
8、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
9、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，O 2，O 3，O 4 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
10、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
11、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4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。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
12、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
13、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
14、 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
15、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。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：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 TSCM-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
16、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） 。lHlPHk5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
