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ボイラーチューブの内部酸化スケールの測定


ボイラーチューブの内部酸化スケールの測定

背景

蒸気ボイラー内が非常に高温(800℃(1500 ° F)以上)になると、 鋼製ボイラーチューブの内面および外面に、マグネタイトとい う特殊な堅くてもろい酸化鉄が形成されます。 このように非常 に高温では、次の式に従って、水蒸気が鋼中の鉄と反応してマ グネタイトと水素を形成します。3 Fe + 4 H 20 = Fe 3O 4 + 4 H 2

この反応速度は、温度の上昇に伴って速くなります。 酸素原子 は、マグネタイト層を通して内側に拡散し、鉄原子も外側に拡 散するので、チューブ表面が完全に覆われた後もスケールは成 長し続けます。

マグネタイトスケールは、スケールの熱伝導率が鉄の熱伝導率 の約5% しかないため、パイプ上で熱絶縁物となります。 熱 が、炎からチューブを通して蒸気中に効率的に放射しなくなると、 チューブ壁の温度は、想定使用範囲を超える温度まで加熱され ます。 過剰な高温に長期間晒された上に、チューブ内が非常に 高圧の場合は、金属内に粒間微小亀裂が生じ、クリープ変形(金 属の緩慢な膨張や隆起)が起こった後、最終的には破裂によっ てチューブが破損します。

2 つ目の問題は、酸化物スケールのかけらがはがれる現象であ る酸化物剥離です(通常、ボイラーの始動時や停止時の熱応力 に起因します)。 この硬いかけらは蒸気の流れに乗ってタービ ンに運ばれ、時間をかけて浸食損傷を引き起こす恐れがあります。

マグネタイトスケールの成長とそれに関連する金属の損傷は、 ボイラーチューブの耐用年数を左右する主な要素です。 このプ ロセスは徐々に始まり、その後加速します。スケールが厚くな るほどチューブ壁が高温になり、スケールの成長と金属損傷が 加速します。 電力発電業界の研究から、スケールの影響は約 0.3 mm(0.012 インチ)の厚さまでは比較的問題がないことが 示されています。この厚さを超えると、スケールの悪影響が急 激に拡大していきます。 作業場のオペレーターは、スケール 厚さの定期的な測定によって、チューブの残存耐用年数を推定 し、破損しつつあるチューブの検出、交換ができます。 超音波 検査は、スケール測定を迅速で非破壊的に行うための手法です。 超音波厚さ計 38DL PLUS や超音波探傷器 EPOCH シリーズ などの持ち運べるハンドヘルド装置では、一般的に推奨される M2017 探触子(20 MHz の遅延材付き)を使用して、最小厚さ 約0.2 mm(0.008 インチ)の内部酸化層を測定できます。 20 MHz の横波プローブである本用途向けのM2091 探触子を横波 カプラントと使用すれば、約0.152 mm(0.006 インチ)まで 測定できます。いずれの場合でも、対象物表面は滑らかでなけ ればならず、場合によっては表面の前処理が必要になります。

厚さ計とM2017遅延材付き探触子を使用した標準的な内部酸化膜測定(拡大)
厚さ計とM2017遅延材付き探触子を使用した標準的な内部酸化膜測定(拡大)
探傷器とM2017遅延材付き探触子を使用した標準的な内部酸化膜測定。画面の左に表示されているのは遅延材エコー
探傷器とM2017遅延材付き探触子を使用した標準的な内部酸化膜測定。画面の左に表示されているのは遅延材エコー

酸化物スケールとそのボイラーチューブへの影響についての詳細は、David N. French著Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers (John Wiley Sons, 1983)を参照してください。

Olympus IMS

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