电站锅炉过热器管道蠕变损伤的金属磁记忆检测技术研究

电站锅炉过热器管道蠕变损伤的金属磁记忆检测技术研究

秦彬彬

内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司

摘要： 电站锅炉过热器管道在高温、高压环境下长期运行，易发生蠕变损伤，严重影响电站的安全稳定运行。金属磁记忆检测技术作为一种新型的无损检测方法，能够对金属构件的早期损伤进行有效检测。本文深入研究金属磁记忆检测技术在电站锅炉过热器管道蠕变损伤检测中的应用。阐述了金属磁记忆检测技术的基本原理，分析了过热器管道蠕变损伤的机理及其对金属磁性能的影响。通过实验研究和实际工程应用案例，验证了该技术在过热器管道蠕变损伤检测中的可行性和有效性，并对检测结果的分析方法进行了探讨。研究表明，金属磁记忆检测技术能够快速、准确地检测出过热器管道的蠕变损伤区域，为电站锅炉的安全运行提供了有力的技术支持。

一、引言

电站锅炉是火力发电的关键设备，过热器管道作为其重要组成部分，长期处于高温、高压的恶劣工作环境中。在这种工况下，管道材料会发生蠕变现象，随着时间的积累，蠕变损伤不断发展，可能导致管道泄漏、爆管等严重事故，不仅会造成巨大的经济损失，还会威胁到人员的生命安全。因此，对电站锅炉过热器管道的蠕变损伤进行及时、准确的检测和评估具有重要意义。

传统的无损检测方法如超声检测、射线检测等，虽然在检测材料内部缺陷方面具有一定的优势，但对于早期的蠕变损伤，由于其微观结构变化不明显，难以有效检测。金属磁记忆检测技术是一种基于铁磁材料磁 - 力耦合效应的无损检测新技术，能够检测出金属构件因应力集中和微观结构变化而产生的早期损伤，无需对被检测对象进行预处理，具有快速、直观、非接触等优点，在电站锅炉过热器管道蠕变损伤检测领域展现出了广阔的应用前景。

二、金属磁记忆检测技术基本原理

（一）磁 - 力耦合效应

铁磁材料在地球磁场等弱磁场环境下，其内部的磁畴会发生定向排列，从而产生自发磁化现象。当铁磁材料受到外部载荷作用时，由于应力集中区域的晶格畸变，会导致磁畴结构发生变化，进而引起材料的磁性发生改变。这种应力与磁性之间的相互作用关系被称为磁 - 力耦合效应。

（二）金属磁记忆信号产生机制

在实际检测中，当检测探头沿着被检测的铁磁材料表面移动时，由于材料内部应力分布不均匀，在应力集中区域，磁畴的取向发生变化，使得表面的漏磁场发生畸变，产生金属磁记忆信号。其中，磁记忆信号的特征参数主要包括磁场强度的切向分量 H_{p}(x) 和法向分量 H_{p}(y)。在应力集中区域，H_{p}(y) 会出现峰值，而 H_{p}(x) 的变化率在该区域会发生突变，通过检测这些特征参数的变化，可以判断材料内部的应力分布情况和损伤状态。

三、电站锅炉过热器管道蠕变损伤机理及对磁性能的影响

（一）蠕变损伤机理

电站锅炉过热器管道在高温（一般为 500 - 650℃）和长期应力作用下，材料内部的原子会发生缓慢的扩散和位错运动，导致材料发生塑性变形，这种现象称为蠕变。随着蠕变过程的进行，材料内部会逐渐形成空洞、微裂纹等缺陷，这些缺陷不断扩展和聚集，最终导致管道的承载能力下降，发生蠕变损伤。

（二）蠕变损伤对金属磁性能的影响

微观组织结构变化：蠕变过程中，材料内部的位错密度增加，晶粒发生长大和变形，碳化物等第二相粒子也会发生聚集和粗化。这些微观组织结构的变化会导致材料的磁畴结构发生改变，从而影响材料的磁性能。

应力集中：由于蠕变过程中材料内部缺陷的形成和发展，会在缺陷周围产生应力集中。根据磁 - 力耦合效应，应力集中区域会引起磁畴的重新排列，导致材料表面的漏磁场发生变化，产生金属磁记忆信号。

四、金属磁记忆检测技术在过热器管道蠕变损伤检测中的实验研究

（一）实验装置与试件准备

实验装置：选用专业的金属磁记忆检测仪器，该仪器主要由检测探头、信号采集系统和数据分析软件组成。检测探头用于采集被检测材料表面的磁记忆信号，信号采集系统将采集到的信号进行放大、滤波等处理后传输至数据分析软件进行分析。

试件准备：选取与电站锅炉过热器管道相同材质的管材，加工成一定尺寸的试件。为模拟不同程度的蠕变损伤，对试件进行不同时间和温度的高温蠕变加载实验，得到具有不同蠕变损伤程度的试件。

（二）实验过程与结果分析

实验过程：将检测探头沿着试件表面匀速移动，采集不同位置的磁记忆信号。在采集过程中，保持检测探头与试件表面的距离和移动速度恒定，以确保检测结果的准确性和可比性。

结果分析：对采集到的磁记忆信号进行分析，绘制出 H_{p}(x) 和 H_{p}(y) 随位置变化的曲线。结果表明，随着试件蠕变损伤程度的增加，H_{p}(y) 的峰值逐渐增大，H_{p}(x) 的变化率在损伤区域的突变也更加明显。通过对这些特征参数的定量分析，可以初步判断试件的蠕变损伤程度和位置。

为了进一步验证金属磁记忆检测结果的准确性，对部分试件进行了金相分析和硬度测试。金相分析结果显示，在磁记忆信号异常区域，材料内部存在明显的蠕变空洞和微裂纹，且随着损伤程度的增加，空洞和微裂纹的数量和尺寸也逐渐增大。硬度测试结果表明，损伤区域的硬度明显低于未损伤区域，这与磁记忆检测结果所反映的材料微观组织结构变化相吻合，从而验证了金属磁记忆检测技术在检测过热器管道蠕变损伤方面的有效性。

五、金属磁记忆检测技术在实际电站锅炉过热器管道中的应用

（一）现场检测方案

检测部位确定：根据电站锅炉的运行记录和以往的检测经验，确定可能存在蠕变损伤的过热器管道部位，如弯头、焊缝、管段与吊架接触部位等。

检测工艺制定：在现场检测前，制定详细的检测工艺，包括检测仪器的选择、检测探头的类型和规格、检测速度、数据采集频率等。同时，对检测人员进行现场培训，确保其熟悉检测流程和操作规范。

（二）检测结果与分析

检测结果：通过现场检测，获取了过热器管道不同部位的金属磁记忆信号数据。对这些数据进行分析处理后，绘制出磁记忆信号特征参数的分布图谱，直观地显示出管道表面的应力分布情况和可能存在的蠕变损伤区域。

结果分析：根据检测结果，在某些弯头和焊缝部位发现了明显的磁记忆信号异常，H_{p}(y) 出现较大峰值，H_{p}(x) 的变化率也发生突变。结合电站锅炉的运行工况和历史数据，判断这些部位存在一定程度的蠕变损伤。为了进一步评估损伤的严重程度，对这些部位进行了重点复查，并采用其他无损检测方法如超声检测、金相分析等进行验证。结果表明，金属磁记忆检测技术所检测出的损伤区域与其他检测方法的结果基本一致，证明了该技术在实际工程应用中的可靠性。

根据检测结果，电站对存在严重蠕变损伤的管道部位进行了及时修复和更换，避免了潜在的安全事故发生。同时，通过对检测数据的长期跟踪分析，建立了过热器管道蠕变损伤的监测档案，为今后的设备维护和管理提供了重要依据。

六、金属磁记忆检测结果分析方法探讨

（一）特征参数分析

峰值分析法：通过分析 H_{p}(y) 的峰值大小来判断蠕变损伤的程度。一般来说，峰值越大，表明应力集中越严重，蠕变损伤程度也越高。但需要注意的是，不同材质和工况下的管道，其 H_{p}(y) 峰值与损伤程度之间的对应关系可能存在差异，需要通过实验和实际应用进行标定。

变化率分析法：对 H_{p}(x) 的变化率进行分析，在损伤区域，H_{p}(x) 的变化率会发生突变。通过计算变化率的大小和变化趋势，可以判断损伤区域的位置和范围。同时，结合 H_{p}(y) 的峰值分析结果，可以更全面地评估蠕变损伤情况。

（二）数据融合分析

为了提高检测结果的准确性和可靠性，可以将金属磁记忆检测数据与其他无损检测方法的数据进行融合分析。例如，将磁记忆检测结果与超声检测、金相分析等结果相结合，综合判断管道的蠕变损伤程度和状态。通过数据融合，可以充分发挥各种检测方法的优势，弥补单一检测方法的不足，提高检测结果的可信度。

（三）基于机器学习的分析方法

随着人工智能技术的发展，基于机器学习的方法在金属磁记忆检测结果分析中得到了越来越广泛的应用。通过建立大量的检测数据样本库，利用机器学习算法对数据进行训练和学习，建立检测结果与蠕变损伤程度之间的数学模型。在实际检测中，将采集到的磁记忆信号数据输入到模型中，即可快速准确地预测管道的蠕变损伤情况。这种方法具有智能化程度高、分析速度快等优点，为金属磁记忆检测技术的发展提供了新的思路。

七、结论

本文对金属磁记忆检测技术在电站锅炉过热器管道蠕变损伤检测中的应用进行了深入研究。通过阐述金属磁记忆检测技术的基本原理，分析过热器管道蠕变损伤机理及其对磁性能的影响，进行实验研究和实际工程应用，得出以下结论：

金属磁记忆检测技术基于磁 - 力耦合效应，能够有效检测出电站锅炉过热器管道因蠕变损伤而产生的应力集中和微观结构变化，具有快速、直观、非接触等优点。实验研究和实际应用案例表明，该技术能够准确地检测出过热器管道的蠕变损伤区域，检测结果与金相分析、硬度测试等其他检测方法相吻合，验证了其在过热器管道蠕变损伤检测中的可行性和有效性。

在检测结果分析方面，通过特征参数分析、数据融合分析和基于机器学习的分析方法，可以更全面、准确地评估过热器管道的蠕变损伤程度和状态。其中，基于机器学习的分析方法为检测结果的智能化分析提供了新的途径，具有广阔的应用前景。

综上所述，金属磁记忆检测技术为电站锅炉过热器管道蠕变损伤检测提供了一种有效的手段，对于保障电站锅炉的安全稳定运行具有重要意义。在未来的研究中，可以进一步深入研究金属磁记忆检测技术的机理，完善检测设备和检测工艺，提高检测结果的准确性和可靠性，推动该技术在电力行业及其他相关领域的广泛应用。