無損檢測方法在鍋爐檢驗中的應用

馬劍興 黃朔

摘要：鍋爐經常需要長時間連續運行，在工作中接觸腐蝕性介質并承受高溫高壓，導致存在故障、爆炸的危險。一旦發生爆炸，后果不堪設想，所以有必要了解鍋爐的常見缺陷，這樣才能將缺陷的發生降到最低。

關鍵詞：無損檢測方法;鍋爐檢驗;應用

一、鍋爐中的常見缺陷

1.腐蝕

在日常工作中，腐蝕是鍋爐最常見的缺陷之一。腐蝕機理可分為電化學腐蝕和化學腐蝕。按腐蝕環境可分為大氣腐蝕、氧腐蝕和煙霧腐蝕等。按腐蝕損傷的形式可分為局部腐蝕和均勻腐蝕。一般來說，局部腐蝕速度快，難以及時發現，往往導致設備發生重大安全事故。在日常生產中，鍋爐經常同時受到多種腐蝕因素的影響。例如，某節煤器的腐蝕速率與溫度、硫酸濃度、灰分侵蝕等因素有關，對其油管內外表面造成不同形式的腐蝕損傷。

2.裂紋

裂紋的存在往往會引起鍋爐部件爆炸，造成嚴重的后果。根據來源，鍋爐軸承部件的裂紋一般可分為焊接裂紋、疲勞裂紋、腐蝕裂紋、過載裂紋、蠕變裂紋和原料裂紋。鍋爐運行中產生的裂紋分布、大小和形態各不相同，大部分裂紋需要用儀器檢測。鍋爐一旦發現裂紋，必須立即停止使用設備，并報告上級進行處理。

3.變形

鍋爐零件變形后，會改變原尺寸或形狀，造成變形零件應力集中，結構不連續。更重要的是，變形過程中往往伴隨著其他缺陷（如裂紋）。鍋爐常見的變形主要有：蠕變變粗、汽包脹或膨脹、管板脹和部件在外力作用下的展平或內折。

有限元法可以用來模擬多種因素對鍋爐部件變形的影響，能為鍋爐的設計和安全運行提出合理建議。水冷壁管在高溫高壓條件下長期工作，是鍋爐中比較容易發生故障的薄弱之處。因此，針對W型火焰鍋爐水冷壁管存在大面積變形的情況，建立了水冷壁三維有限元模型，通過合理簡化模型和邊界條件，進行了溫度場、熱應力和熱屈曲分析，發現水冷壁結垢是造成膨脹變形的最主要原因。基于板粱結合和實體建模法建立有限元模型，研究發現風載對秸稈鍋爐變形的影響較小，而鍋爐自重、鍋桶熱膨脹位移和吊掛件重量是引起鍋爐變形的主要因素。

4.磨損

和腐蝕缺陷相同，磨損也可以分為局部磨損和均勻磨損。一般來說，受熱面由于承受煙氣重刷很難完全避免均勻磨損，但可以通過一定的方法來預防。局部磨損經常發生在局部煙氣流速較高的部位。影響鍋爐磨損的因素主要包括以下幾種：結構設計不合理、燃料特性、煙氣速度、沖刷角度、受熱面溫度和磨損時間等。

由于鍋爐易受磨損，許多科研工作者探討了磨損機理并預測了磨損可能存在的部位。提出了磨損率的計算公式，并對CF鍋爐爐內及旋風分離器進行數值模擬，預測出的重點磨損部位與實際中的基本保持一致。建立了水冷壁顆粒系數兩相磨損模型，并基于氣固流動特性的計算結果，系統分析了防磨粱對水冷壁磨損分布特性的影響。

二、鍋爐中的無損檢測技術

在鍋爐的準備和日常運行中，有一些缺陷是不可避免的。如果不加以控制，零件可能會損壞，甚至有人會喪命。因此，及早發現并妥善處理缺陷是延長鍋爐使用壽命、減少經濟損失的重要手段。無損檢測（NDT）是一種常用的檢測方法，在鍋爐制造、工藝改進、成本降低和設備質量保證中起著非常重要的作用。

不損害構件是無損檢測最大的特點，但其并不能完全代替破壞性檢測，在必要時需要把無損檢測與破壞性檢測相結合，以便更精確地分析存在的問題。在實際應用中需要正確地選用合適的無損檢測時間和方法，以便正確地評價鍋爐的性能。無損檢測方法一般包括：射線檢測、超聲波檢測、聲發射檢測、磁粉檢測和滲透檢測。

1.射線檢測

射線檢測主要用來檢測鍋爐中焊接接頭的內部缺陷，如氣孔、未焊透和裂紋等。用于無損檢測的射線包括X射線、高能射線和γ射線等，其中X射線最為常用。射線檢測適合檢測厚度比較薄的構件和對接焊縫，它能較為直觀地反映缺陷的大小、位置、性質和形狀，并且因為有底片，可以長期保存結果。對于體積類缺陷（如縮孔），由于在X射線透照方向的厚度差較為明顯，因此檢出率比較高;而對于面積型缺陷（如裂紋），只有當射線照射方向與裂紋方向平行時，才能準確檢驗出來。由于射線檢測成本高、檢測速度慢，且在檢測過程中需要接近構件的兩面，因而在實際應用中會受到一定的限制。此外，射線對人體有害，在檢測過程中需要做好注意安全防護措施。

2.超聲波檢測

超聲波檢測適用范圍較廣，其是基于超聲波直線傳播的原理來完成對鍋爐部件的檢測。用于檢測的超聲波頻率一般為0.4MHz～25MHz，其中1MHz～5MHz頻率被廣泛使用。與射線檢測相反，超聲波檢測在檢測過程中無法得到視覺圖像，其適合檢測厚度較大的構件且對面積缺陷的檢出率較高。超聲波檢測具有速度快、價格低、檢驗效率高、重量輕、方便攜帶及對人體無危害等優點。然而，構件的外形、晶粒度、表面粗糙度及材質會對檢測的可靠性產生影響。

3.磁粉檢測

磁粉檢測適合對鐵磁性材料表面或者近表面的缺陷進行檢驗。在鍋爐中大多采用鐵磁性材料，且許多潛在性失效（如疲勞裂紋）的產生和發展都是從構件表面開始的，因此適合將磁粉檢測技術應用于鍋爐的日常檢測中。磁粉檢測具有工藝簡單、檢測靈敏度高、成本較低和檢測速度快的優點;但由于檢測深度在1mm～2mm之間，因此只可以確定缺陷的形狀、大小和位置，難以確定缺陷的高度。

4.滲透檢測

滲透檢測通常用來檢測具有表面開口缺陷的構件（不包括疏松多孔類材料），即使是形狀比較復雜的缺陷，也可僅通過一次操作就基本完成全面檢測。滲透檢測的設備簡單，易于操作，但存在檢測耗費時間長、檢測靈敏度較低、部分試劑價格較貴和有毒的問題。根據滲透劑的染料成分，一般可分為著色法、熒光法和熒光著色法這三類;而根據顯像劑類型，可分為濕式顯像和干式顯像這兩種。在使用過程中，要根據構件的情況、檢測量、水源和電源等條件來選擇合適的滲透探傷方法。如：在不方便尋找水源和電源的環境中，可以選擇溶劑去除型著色法。

5.聲發射檢測

一般來說，動態的缺陷是鍋爐安全隱患的主要原因。然而傳統的無損檢測（如磁粉檢測）只能檢測靜態缺陷。聲發射技術不需要逐一掃描鍋爐的缺陷部位，只需要幾個固定的傳感器就能完成部件的檢測。基于聲發射技術，可以獲得在受力情況下鍋爐部件缺陷的產生、運動和發展情況，從而提供缺陷隨時間、溫度和壓力等變量而變化的實時信息。聲發射檢測技術靈敏度高，不受材料限制，可實現在線檢測。然而聲發射檢測存在以下問題：①檢測的設備較為昂貴;②對天氣環境要求較高;③不能定性的分析缺陷。因此，聲發射檢測技術需要與其他檢測技術相配合，以便更好地掌握部件缺陷的詳細信息。

結束語

鍋爐在人們的日常生活和國民經濟中起著非常重要的作用。廣泛應用于發電、機械、食品加工、采礦、采暖、石油、保溫、紡織等行業。鍋爐是密閉容器，工作環境比較差，容易產生腐蝕、裂紋、變形和磨損等缺陷，所以要及時發現缺陷，防止鍋爐損壞。采用無損檢測技術可以及時發現鍋爐存在的問題，避免事故的發生。此外，在實際應用中，有必要將多種無損檢測技術靈活組合，以確保檢測的準確性和有效性。

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