上安電廠爐評估

TPRI合同編號：TPRI/T4-CA--2004A報告編號：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告國電熱工研究院材料工程技術中心二OO四年二月合同編號報告編號課題承擔課題負責人主要工作人員課題起訖日期報告編寫人報告校閱人審核批準合同編號報告編號課題承擔課題負責人主要工作人員課題起訖日期報告編寫人報告校閱人審核批準TPRI/T4-CA--2004ATPRI/T4-RB--2004國電熱工研究院材料工程技術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壁氧化層厚度測試分析技術對華能上安電廠#1爐中溫再熱器管及高溫再熱器管進行壽命診斷，中溫再熱器發(fā)覺5根管子的內壁氧化層厚度超過，高溫再熱器發(fā)覺10根管子的內壁氧化層厚度超過，其中建議換管兩根。關鍵詞：內壁氧化層厚度、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告1概況高溫鍋爐管的失效與其服役條件緊密相關，只有充分熟悉其服役條件，找到有效的診斷方式，才能預防過熱器和再熱器的爆管事故。關于高溫過熱器管和高溫再熱器管，運行中具有如下特點：1）過熱器、再熱器管長期在高溫高壓下運行，會發(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)利用幾個大修期。3）內壁氧化皮的存在致使管壁金屬溫度升高。關于過熱器及再熱器，由于蒸汽介質作用，在管子內壁會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。過熱器、再熱器管在額定的設計溫度和壓力下工作才能保證其利用壽命的實現(xiàn)，但由于實際運行工況的不穩(wěn)固，因此不能保證在各部份均達到設計值。5）高溫侵蝕使管壁局部減薄。過熱器和再熱器的管壁減薄除內壁氧化之外，還有外壁的高溫氧化侵蝕。不論哪一種方式的壁厚減薄，均是使管子運行應力增加。應力的增加將加速蠕變進程；當運行應力大于管子在利用溫度下的極限應力時，還將發(fā)生爆管。由于管子內壁氧化皮厚度的增加與管壁金屬溫度有明顯的對應關系，因此，只要測得內壁氧化皮的厚度及管子的金屬壁厚，就能夠夠推算過熱器管和再熱器管的金屬溫度和運行應力，進而推導出其剩余壽命。2立項背景及技術線路華能石家莊分公司#1爐為加拿大B&W公司設計的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，設計采納“W”火焰燃燒、尾部雙煙道、平穩(wěn)通風、固態(tài)排渣。該爐在爐膛上部垂直布置了12排輻射式大屏過熱器及44排高溫過熱器入口屏，在折焰角上方及水平煙道內垂直布置了88排高溫過熱器出口屏及117排高溫再熱器，受熱面管子材質為SA213T1A、SA213T1二、SA213T22及TP304H。大屏過熱器底部設計煙氣溫度為1297弋、高溫過熱器入口屏前下部設計煙氣溫度為1163°C、高溫過熱器出口屏前下部設計煙氣溫度為1004C、高溫再熱器前下部設計煙氣溫度為934C；額定工況下過熱器出口壓力、再熱器入口壓力、再熱器出口壓力。據(jù)電廠金屬室的檔案記載，1990~2002年#1~#4機組鍋爐"四管"共發(fā)生74次爆漏，其中屏式過熱器3次、高溫過熱器7次、高溫再熱器15次，占全廠“四管”爆漏總數(shù)的34％。按緣故分類，過熱8次，占11%。#2爐從投產(chǎn)至今累計運行約84000小時，亥爐自1990~2002年共發(fā)生31次“四管”爆漏，其中屏式過熱器2次、高溫過熱器入口屏3次、高溫過熱器出口屏0次、高溫再熱器5次，其中5次為過熱。關于因過熱所致使的爆管，那么可通過快速、無損的鍋爐管壽命診斷技術來踴躍主動地預防。為此，華能石家莊分公司特委托國電熱工研究院對其#1爐高溫鍋爐管進行現(xiàn)場檢測和壽命診斷，并最終實現(xiàn)如下目的：了解高溫再熱器及高溫過熱器各管段的超溫狀態(tài)，及沿爐膛東西雙側、前后方向的具體不同，為大修換管提供科學的指導依據(jù)。對“四管”爆漏綜合治理工作從早計劃、成立數(shù)據(jù)庫，結合多次測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并指導運行工況的調整。使高溫再熱器、高溫過熱器做到有目的、有打算的改換管子。既充分利用鋼材，又確保平安運行，達到節(jié)約檢修本錢之目的。為在上安電廠實現(xiàn)狀態(tài)檢修，并把爆管率降低到最低水平打下基礎。壽命診斷方式的選取是適應停機時刻短及普查范圍廣的特點而采納的一種普查全面、定量精準、快速、無損的方式—超聲內壁氧化層測厚法。為了使壽命評估結果更符合上安電廠#2爐的具體情形，還依照測量結果選樣進行金相及力學性能實驗，并對以往的爆管進行分析。3檢測設備及診斷方式采納熱工院研制的專用超聲波氧化層測量設備只需打磨測點處管子外壁的氧化垢層，露出金屬光澤，即可進行管子內壁氧化層及剩余壁厚的測量。亥設備由超聲脈沖發(fā)生/接收器、示波器及高頻探頭組成。咱們把能測得的最小氧化層厚度值稱為測量下限，本次測量下限值為。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。示波器可同時測量超聲波在管壁金屬中的傳播時刻和在氧化層中的傳播時刻，測量精度為5ns。再按實驗測出氧化層的超聲波聲速求得內壁氧化層厚度。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刻來計算剩余壁厚。圖一、管子內壁有氧化層時的射頻回波通常以為超聲波能夠發(fā)覺的最小缺點尺寸為波長的1/2。最近幾年來的理論研究證明，假設對回波高度沒有規(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很高，不持續(xù)性檢出的靈敏度能達到波長的1/5~1/10。例如，探頭頻率采納15MHz時，那么可檢出的單個不持續(xù)性可小至40pm~75pm。關于鍋爐“四管”來講，單個晶粒的最小尺寸—樣為12pm左右，因此，不論是氫損傷、蠕變損傷，仍是疲勞損傷,從理論上來講,只要損傷面積達4~7個晶粒，采納高頻超聲射頻回波技術就能夠夠檢出。實驗證明，采納該設備在測量內壁氧化層厚度的同時，還可對內壁晶間微裂紋進行檢測，檢測下限值為裂紋深度。微損傷第—在內壁周圍金屬基體內萌生晶間微裂紋，隨著損傷的加重，晶間微裂紋的數(shù)量、區(qū)域擴大，并慢慢連接起來。在超聲縱波沿管壁垂直傳播到金屬基體/晶間微裂紋界面時將會產(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的，這種反射稱之為散射），微損傷降低了超聲波的傳播速度，檢測儀器就可能檢測到并分辨金屬基體/晶間微裂紋界面和管壁內表面的回波。因此通過檢測這種反射回波就能夠夠了解微損傷的情形，圖2為超聲波檢測微損傷的原理圖，圖3為內壁有微損傷時的超聲反射回波情形。

高溫鍋爐管內壁氧化層的增加厚度與其在該段服役期內的金屬溫度有必然的對應關系。Tb+logt€21og(0.4678x) 273.15關于SA213T1A、SA213T1二、SA213T22來講，知足如下的方程式:式中：T——金屬溫度（°C）X——管子內壁氧化層厚度（mm）t——管子已運行時刻（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壁氧化皮厚度的關系曲線是兩條不同走向的曲線相交于某一溫度點，該溫度點T0稱為分界溫度。關于T11鋼來講，T0二575°C;關于T12鋼來講，T。二585°C;對T22來講，T。二595°C。高溫鍋爐管的壽命評估是基于當量金屬溫度及應力的Larson-Miller公式：logtr+C3log2 logtrT式中：tr 蠕變斷裂壽命（h）T——當量金屬溫度（K）6 運行應力（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，它所致使的應力升高改變了原有的蠕變速度，會造成實際壽命縮短。因此，理論計算壽命的評估是采納考慮壁厚減薄率的以下體會公式：trem…K — + "}式中：Lem 理論計算壽命（h）tr——蠕變斷裂壽命（h）n——應力靈敏系數(shù)，通常取4~8K 壁厚減薄率（mm/h）4測點位置及數(shù)量中間再熱器（圖4中測點位置#1）：測量外兩圈管子，規(guī)格?57X，材質T11高溫再熱器（圖4中測點位置#2）：測量外兩圈管子，規(guī)格?51X，材質T22累計測量管段117X4=468根

5宏觀檢查結果：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測量及計算結果：中間再熱器（圖4中測點位置#1）：發(fā)覺下述6根管子的內壁氧化層厚度超過，其余管子的內壁氧化層厚度均V

管排號根數(shù)實測壁厚mm內壁氧化層厚度um金屬溫度°C應力MPa剩余壽命h252365555350002923475515800061133054760000751296538900007713305475900090129653880000注：管排編號AB（西東）高溫再熱器（圖4中測點位置#2）：發(fā)覺下述10根管子的內壁氧化層厚度超過，其余管子的內壁氧化層厚度均V管排號根數(shù)實測壁厚mm內壁氧化層厚度um金屬溫度C應力MPa剩余壽命h111局部6266021484018133058740756182