上安電廠(chǎng)爐評(píng)估

TPRI合同編號(hào)：TPRI/T4-CA--2004A報(bào)告編號(hào)：TPRI/T4-RB-0-2004華能石家莊分公司#1爐中間再熱器管及高溫再熱器管壽命診斷報(bào)告國(guó)電熱工研究院材料工程技術(shù)中心二OO四年二月合同編號(hào)報(bào)告編號(hào)課題承擔(dān)課題負(fù)責(zé)人主要工作人員課題起訖日期報(bào)告編寫(xiě)人報(bào)告校閱人審核批準(zhǔn)合同編號(hào)報(bào)告編號(hào)課題承擔(dān)課題負(fù)責(zé)人主要工作人員課題起訖日期報(bào)告編寫(xiě)人報(bào)告校閱人審核批準(zhǔn)TPRI/T4-CA--2004ATPRI/T4-RB--2004國(guó)電熱工研究院材料工程技術(shù)中心李建民李建民韓傳高2003年12月?2003年12月李建民韓傳高采納內(nèi)壁氧化層厚度測(cè)試分析技術(shù)對(duì)華能上安電廠(chǎng)#1爐中溫再熱器管及高溫再熱器管進(jìn)行壽命診斷，中溫再熱器發(fā)覺(jué)5根管子的內(nèi)壁氧化層厚度超過(guò)，高溫再熱器發(fā)覺(jué)10根管子的內(nèi)壁氧化層厚度超過(guò)，其中建議換管兩根。關(guān)鍵詞：內(nèi)壁氧化層厚度、金屬溫度、剩余壽命華能石家莊分公司#1爐中間再熱器管及高溫再熱器管壽命診斷報(bào)告1概況高溫鍋爐管的失效與其服役條件緊密相關(guān)，只有充分熟悉其服役條件，找到有效的診斷方式，才能預(yù)防過(guò)熱器和再熱器的爆管事故。關(guān)于高溫過(guò)熱器管和高溫再熱器管，運(yùn)行中具有如下特點(diǎn)：1）過(guò)熱器、再熱器管長(zhǎng)期在高溫高壓下運(yùn)行，會(huì)發(fā)生組織性能老化而蠕變失效。2）各管排、各管段沿爐膛寬度及高度方向的溫度散布不均勻。這種不均勻性普遍存在，且隨機(jī)組容量的增大而增加。同一管排的不同管子，金屬壁溫可相差幾十度；即便是同一根管子，沿長(zhǎng)度方向上溫度也有不同。這種壁溫差的存在致使各管段的利用壽命截然不同，有的管段可能初期失效，而又有一些管段仍可繼續(xù)利用幾個(gè)大修期。3）內(nèi)壁氧化皮的存在致使管壁金屬溫度升高。關(guān)于過(guò)熱器及再熱器，由于蒸汽介質(zhì)作用，在管子內(nèi)壁會(huì)形成一層致密的氧化皮。氧化皮的傳熱熱阻較大，阻礙了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱互換，從而致使管壁金屬溫度升高。4）超溫使管子的平安利用壽命大大降低。過(guò)熱器、再熱器管在額定的設(shè)計(jì)溫度和壓力下工作才能保證其利用壽命的實(shí)現(xiàn)，但由于實(shí)際運(yùn)行工況的不穩(wěn)固，因此不能保證在各部份均達(dá)到設(shè)計(jì)值。5）高溫侵蝕使管壁局部減薄。過(guò)熱器和再熱器的管壁減薄除內(nèi)壁氧化之外，還有外壁的高溫氧化侵蝕。不論哪一種方式的壁厚減薄，均是使管子運(yùn)行應(yīng)力增加。應(yīng)力的增加將加速蠕變進(jìn)程；當(dāng)運(yùn)行應(yīng)力大于管子在利用溫度下的極限應(yīng)力時(shí)，還將發(fā)生爆管。由于管子內(nèi)壁氧化皮厚度的增加與管壁金屬溫度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要測(cè)得內(nèi)壁氧化皮的厚度及管子的金屬壁厚，就能夠夠推算過(guò)熱器管和再熱器管的金屬溫度和運(yùn)行應(yīng)力，進(jìn)而推導(dǎo)出其剩余壽命。2立項(xiàng)背景及技術(shù)線(xiàn)路華能石家莊分公司#1爐為加拿大B&W公司設(shè)計(jì)的350MW亞臨界一次中間再熱、自然循環(huán)、雙拱型單爐膛燃煤鍋爐，設(shè)計(jì)采納“W”火焰燃燒、尾部雙煙道、平穩(wěn)通風(fēng)、固態(tài)排渣。該爐在爐膛上部垂直布置了12排輻射式大屏過(guò)熱器及44排高溫過(guò)熱器入口屏，在折焰角上方及水平煙道內(nèi)垂直布置了88排高溫過(guò)熱器出口屏及117排高溫再熱器，受熱面管子材質(zhì)為SA213T1A、SA213T1二、SA213T22及TP304H。大屏過(guò)熱器底部設(shè)計(jì)煙氣溫度為1297弋、高溫過(guò)熱器入口屏前下部設(shè)計(jì)煙氣溫度為1163°C、高溫過(guò)熱器出口屏前下部設(shè)計(jì)煙氣溫度為1004C、高溫再熱器前下部設(shè)計(jì)煙氣溫度為934C；額定工況下過(guò)熱器出口壓力、再熱器入口壓力、再熱器出口壓力。據(jù)電廠(chǎng)金屬室的檔案記載，1990~2002年#1~#4機(jī)組鍋爐"四管"共發(fā)生74次爆漏，其中屏式過(guò)熱器3次、高溫過(guò)熱器7次、高溫再熱器15次，占全廠(chǎng)“四管”爆漏總數(shù)的34％。按緣故分類(lèi)，過(guò)熱8次，占11%。#2爐從投產(chǎn)至今累計(jì)運(yùn)行約84000小時(shí)，亥爐自1990~2002年共發(fā)生31次“四管”爆漏，其中屏式過(guò)熱器2次、高溫過(guò)熱器入口屏3次、高溫過(guò)熱器出口屏0次、高溫再熱器5次，其中5次為過(guò)熱。關(guān)于因過(guò)熱所致使的爆管，那么可通過(guò)快速、無(wú)損的鍋爐管壽命診斷技術(shù)來(lái)踴躍主動(dòng)地預(yù)防。為此，華能石家莊分公司特委托國(guó)電熱工研究院對(duì)其#1爐高溫鍋爐管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和壽命診斷，并最終實(shí)現(xiàn)如下目的：了解高溫再熱器及高溫過(guò)熱器各管段的超溫狀態(tài)，及沿爐膛東西雙側(cè)、前后方向的具體不同，為大修換管提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。對(duì)“四管”爆漏綜合治理工作從早計(jì)劃、成立數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合多次測(cè)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并指導(dǎo)運(yùn)行工況的調(diào)整。使高溫再熱器、高溫過(guò)熱器做到有目的、有打算的改換管子。既充分利用鋼材，又確保平安運(yùn)行，達(dá)到節(jié)約檢修本錢(qián)之目的。為在上安電廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，并把爆管率降低到最低水平打下基礎(chǔ)。壽命診斷方式的選取是適應(yīng)停機(jī)時(shí)刻短及普查范圍廣的特點(diǎn)而采納的一種普查全面、定量精準(zhǔn)、快速、無(wú)損的方式—超聲內(nèi)壁氧化層測(cè)厚法。為了使壽命評(píng)估結(jié)果更符合上安電廠(chǎng)#2爐的具體情形，還依照測(cè)量結(jié)果選樣進(jìn)行金相及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，并對(duì)以往的爆管進(jìn)行分析。3檢測(cè)設(shè)備及診斷方式采納熱工院研制的專(zhuān)用超聲波氧化層測(cè)量設(shè)備只需打磨測(cè)點(diǎn)處管子外壁的氧化垢層，露出金屬光澤，即可進(jìn)行管子內(nèi)壁氧化層及剩余壁厚的測(cè)量。亥設(shè)備由超聲脈沖發(fā)生/接收器、示波器及高頻探頭組成。咱們把能測(cè)得的最小氧化層厚度值稱(chēng)為測(cè)量下限，本次測(cè)量下限值為。圖1為示波器上顯示的金屬/氧化層界面及氧化層反面的射頻回波。示波器可同時(shí)測(cè)量超聲波在管壁金屬中的傳播時(shí)刻和在氧化層中的傳播時(shí)刻，測(cè)量精度為5ns。再按實(shí)驗(yàn)測(cè)出氧化層的超聲波聲速求得內(nèi)壁氧化層厚度。超聲波在鋼中的傳播速度是必然值，因此很容易由超聲波在管壁金屬中的傳播時(shí)刻來(lái)計(jì)算剩余壁厚。圖一、管子內(nèi)壁有氧化層時(shí)的射頻回波通常以為超聲波能夠發(fā)覺(jué)的最小缺點(diǎn)尺寸為波長(zhǎng)的1/2。最近幾年來(lái)的理論研究證明，假設(shè)對(duì)回波高度沒(méi)有規(guī)定，并配合高頻率的數(shù)字化示波器，儀器的靈敏度和信噪比會(huì)很高，不持續(xù)性檢出的靈敏度能達(dá)到波長(zhǎng)的1/5~1/10。例如，探頭頻率采納15MHz時(shí)，那么可檢出的單個(gè)不持續(xù)性可小至40pm~75pm。關(guān)于鍋爐“四管”來(lái)講，單個(gè)晶粒的最小尺寸—樣為12pm左右，因此，不論是氫損傷、蠕變損傷，仍是疲勞損傷,從理論上來(lái)講,只要損傷面積達(dá)4~7個(gè)晶粒，采納高頻超聲射頻回波技術(shù)就能夠夠檢出。實(shí)驗(yàn)證明，采納該設(shè)備在測(cè)量?jī)?nèi)壁氧化層厚度的同時(shí)，還可對(duì)內(nèi)壁晶間微裂紋進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)下限值為裂紋深度。微損傷第—在內(nèi)壁周?chē)饘倩w內(nèi)萌生晶間微裂紋，隨著損傷的加重，晶間微裂紋的數(shù)量、區(qū)域擴(kuò)大，并慢慢連接起來(lái)。在超聲縱波沿管壁垂直傳播到金屬基體/晶間微裂紋界面時(shí)將會(huì)產(chǎn)生超聲波的反射和透射現(xiàn)象（通常由于晶間微裂紋的取向是隨機(jī)的，這種反射稱(chēng)之為散射），微損傷降低了超聲波的傳播速度，檢測(cè)儀器就可能檢測(cè)到并分辨金屬基體/晶間微裂紋界面和管壁內(nèi)表面的回波。因此通過(guò)檢測(cè)這種反射回波就能夠夠了解微損傷的情形，圖2為超聲波檢測(cè)微損傷的原理圖，圖3為內(nèi)壁有微損傷時(shí)的超聲反射回波情形。

高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化層的增加厚度與其在該段服役期內(nèi)的金屬溫度有必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Tb+logt€21og(0.4678x) 273.15關(guān)于SA213T1A、SA213T1二、SA213T22來(lái)講，知足如下的方程式:式中：T——金屬溫度（°C）X——管子內(nèi)壁氧化層厚度（mm）t——管子已運(yùn)行時(shí)刻（h）a、b――材料常數(shù)該公式在高溫區(qū)和較低溫度區(qū)具有不同的a、b常數(shù)，反映出金屬溫度與內(nèi)壁氧化皮厚度的關(guān)系曲線(xiàn)是兩條不同走向的曲線(xiàn)相交于某一溫度點(diǎn)，該溫度點(diǎn)T0稱(chēng)為分界溫度。關(guān)于T11鋼來(lái)講，T0二575°C;關(guān)于T12鋼來(lái)講，T。二585°C;對(duì)T22來(lái)講，T。二595°C。高溫鍋爐管的壽命評(píng)估是基于當(dāng)量金屬溫度及應(yīng)力的Larson-Miller公式：logtr+C3log2 logtrT式中：tr 蠕變斷裂壽命（h）T——當(dāng)量金屬溫度（K）6 運(yùn)行應(yīng)力（Kgf/cm2）C。、q、C2、C3、C4—料常數(shù)考慮各管段在爾后的利用中由于氧化、磨損或侵蝕將使壁厚明顯減薄，它所致使的應(yīng)力升高改變了原有的蠕變速度，會(huì)造成實(shí)際壽命縮短。因此，理論計(jì)算壽命的評(píng)估是采納考慮壁厚減薄率的以下體會(huì)公式：trem…K — + "}式中：Lem 理論計(jì)算壽命（h）tr——蠕變斷裂壽命（h）n——應(yīng)力靈敏系數(shù)，通常取4~8K 壁厚減薄率（mm/h）4測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量中間再熱器（圖4中測(cè)點(diǎn)位置#1）：測(cè)量外兩圈管子，規(guī)格?57X，材質(zhì)T11高溫再熱器（圖4中測(cè)點(diǎn)位置#2）：測(cè)量外兩圈管子，規(guī)格?51X，材質(zhì)T22累計(jì)測(cè)量管段117X4=468根

5宏觀檢查結(jié)果：高再A-B（西一東）15-—、21-1外壁存在輕微高溫侵蝕。中再A-B（西一東）116-—、117-1外壁存在輕微高溫侵蝕。6測(cè)量及計(jì)算結(jié)果：中間再熱器（圖4中測(cè)點(diǎn)位置#1）：發(fā)覺(jué)下述6根管子的內(nèi)壁氧化層厚度超過(guò)，其余管子的內(nèi)壁氧化層厚度均V

管排號(hào)根數(shù)實(shí)測(cè)壁厚mm內(nèi)壁氧化層厚度um金屬溫度°C應(yīng)力MPa剩余壽命h252365555350002923475515800061133054760000751296538900007713305475900090129653880000注：管排編號(hào)AB（西東）高溫再熱器（圖4中測(cè)點(diǎn)位置#2）：發(fā)覺(jué)下述10根管子的內(nèi)壁氧化層厚度超過(guò)，其余管子的內(nèi)壁氧化層厚度均V管排號(hào)根數(shù)實(shí)測(cè)壁厚mm內(nèi)壁氧化層厚度um金屬溫度C應(yīng)力MPa剩余壽命h111局部6266021484018133058740756182