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Notes d’application

Measuring Internal Oxide Scale in Boiler Tubes

Application: Measurement of thickness of internal oxide scale in steam boiler tubing.

Recommended instruments: Model 38DL PLUS thickness gage with oxide measurement software option, EPOCH XT, Epoch LTC, Epoch 600, or Epoch 1000 flaw detector.

Background:
The very high temperatures found inside steam boilers (in excess of 1500 degrees Fahrenheit or 800 degrees Celsius) can cause the formation of a specific type of hard, brittle iron oxide called magnetite on the inside and outside surfaces of steel boiler tubing. At very high temperatures, water vapor will react with the iron in the steel to form magnetite and hydrogen according to the formula:

3 Fe + 4 H 20 = Fe 3O 4 + 4 H 2

The speed of this reaction increases with temperature. Oxygen atoms will diffuse inward through the magnetite layer, and iron atoms will diffuse outward, so the scale continues to grow even after the tube surface is completely covered.

Magnetite scale acts as thermal insulation on the pipe, since the thermal conductivity of scale is only about 5% that of steel. When heat can no longer transfer efficiently from the flame through the tube into the steam inside, the tube wall will heat up to temperatures beyond the intended operating range. Long term exposure to overly high temperatures, combined with the very high pressure inside the tube, leads to intergranular micro-cracking in the metal and to creep deformation (a slow swelling or bulging of the metal), which in turn eventually leads to tube failure by bursting.

A secondary issue is oxide exfoliation, in which pieces of oxide scale break off (usually due to thermal stresses during boiler startup or shutdown). These hard pieces will be carried by the steam flow into the turbine, where over time they will cause erosion damage.

The growth of magnetite scale and the associated metal damage are primary limiting factors with respect to boiler tube service life. The process begins slowly and then accelerates, for as the scale grows thicker the tube wall becomes hotter, and that in turn increases the rate of both scale growth and metal damage. Studies in the power generation industry have indicated that the effect of scale is relatively insignificant up to thicknesses of approximately 0.012 in. or 0.3 mm, but that beyond that thickness the negative effects of scale increase rapidly. Periodic measurement of scale thickness allows a plant operator to estimate remaining tube service life and to identify and replace tubes that are approaching the failure point. Ultrasonic testing provides a quick and nondestructive method for measuring scale. Hand-held, portable instruments such as the Model 38DL PLUS thickness gage or the EPOCH series flaw detectors can measure internal oxide layers down to a minimum thickness of approximately 0.125 mm or 0.005 in.

oxide scale 38DL PLUS screen
Typical internal oxide measurement with thickness gage and M2017 delay line transducer (zoomed)

Typical internal oxide measurement with EPOCH XT flaw detector and M2017 delay line transducer, showing delay line echo at left of screen

Further detailed information on the subject of oxide scale and its effects on boiler tubing may be found in the book Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers by David N. French (John Wiley & Sons, 1983).

Products used for this application

38DL PLUS

Le 38DL PLUS est un mesureur d'épaisseur à ultrasons de pointe. Il utilise une sonde à ultrasons à deux éléments pour des applications d'inspection de surfaces internes corrodées et inclut les fonctionnalités THRU-COAT et de mesure entre échos. Il utilise aussi des sondes à ultrasons monoéléments pour des mesures d'épaisseur très précise de matériaux minces, très épais, ou multicouches.

Série EPOCH 1000

L’EPOCH 1000 est un appareil de recherche de défauts par ultrasons haute performance qui peut accueillir des fonctionnalités d’imagerie multiéléments. La modification de l’appareil se fait à un centre de service autorisé d’Olympus. Ses fonctionnalités clés sont la conformité EN12668-1, un jeu de 37 filtres numériques et une fréquence de récurrence de 6 kHz pour l'inspection à haute vitesse.

EPOCH 600NEW

L’EPOCH 600 est un appareil de recherche de défauts par ultrasons de niveau intermédiaire. D’un poids de seulement 1,68 kg, son boîtier horizontal est construit pour résister aux rigueurs des environnements très difficiles. Sa fonction EN12668-1 inclut l’émetteur carré réglable PerfectSquareTM de 400 V, le filtrage numérique qui améliorer le rapport signal sur bruit.

EPOCH LT

L'EPOCH LT est un appareil de recherche de défauts numérique de base portable de 38 mm intégré dans un boîtier vertical de 1 kg, qui offre un rafraîchissement d'affichage rapide minimal de 60 Hz, une fonction d'étalonnage automatique des sondes à ultrasons, un enregistreur de données numérique et de nombreuses fonctions de mesure.

EPOCH LTC

L'EPOCH LTC est un appareil de recherche de défauts par ultrasons portable intermédiaire intégré dans un boîtier vertical de 0.96 kg. Il s'agit d'un appareil complet offrant la conformité EN12668-1, une grande variété de caractéristiques de série et des options spécialisées qui pourront répondre à vos besoins d'inspection.

EPOCH XT

L'EPOCH XT est un appareil de recherche de défauts par ultrasons portable de pointe intégrant de nombreuses fonctionnalités de mesure standard, y compris un émetteur carré réglable, des filtres numériques bande étroite et large bande sélectionnables, une étendue de gain de 0 dB à 110 dB, la fonction de mémoire de crête et de maintien de crête et une fréquence de récurrence réglable.

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