楊迎春

(1.昆明理工大學，云南 昆明 650093;2.云南電力試驗研究院 (集團)有限公司電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

火電廠高溫過熱器是鍋爐中的重要部件，其工作環(huán)境惡劣，隨著運行時間的增加，會出現(xiàn)材料老化、高溫持久性能下降，繼而導致管子的爆管、泄漏，使鍋爐的非計劃停運增加。

目前，有很多材料老化評定和壽命評估的理論，大致可以歸為應力解析法、非破壞性計測法和破壞試驗法，下面進行探討。

2 應力解析法

應力解析法以診斷位置的結構尺寸和溫度、壓力等運行條件為基礎，根據(jù)解析式或有限源法進行應力解析，計算熱應力、內壓應力，根據(jù)計算出的應力值和持久強度、疲勞強度等材料強度數(shù)據(jù)，用公式 (1)、(2)計算出蠕變損傷率和疲勞損傷率，評估部件的剩余壽命。

分別計算出蠕變壽命損耗量和疲勞壽命損耗量，兩者相加即為診斷部件的總壽命損耗量。

式中Φc－蠕變損傷率;

t——保持某應力條件下運行時間，h;

tr——保持某應力條件下斷裂時間，h;

Φf——疲勞損傷率;

N——啟停及符合變化次數(shù)，次;

Nf——到破斷的循環(huán)次數(shù)，次。

應力解析法以解析求出部件材料的應力及材料強度數(shù)據(jù)為基礎計算出部件的損傷程度，此方法的關鍵在于正確搜集到部件運行的完整的真實的資料，優(yōu)點是能評價任意部位的材料，不受診斷對象所處位置的制約，但若運行歷史或材料數(shù)據(jù)不準確將導致計算誤差，且沒有考慮材料老化這一因素。

3 非破壞性評定法

3.1 珠光體的球化評定法

珠光體中的片層狀滲碳體在高溫長期應力下運行，會逐步變?yōu)榍驙睿@種現(xiàn)象稱為碳化物的球化。為了評定碳化物的球化級別，按球化對強度性能影響程度的不同，可將鋼的球化分為未球化、輕度球化、中度球化、完全球化和嚴重球化。

電力系統(tǒng)針對不同的材料，制定了相關的球化評價標準，具體評價時可參照比對。

球化的結果將導致鋼的室溫強度、蠕變強度和持久極限下降，影響高溫金屬部件的壽命。圖1為DL/T 773－2001中列出的12CrlMoV鋼常溫抗拉強度與球化級別的關系。

圖1 12CrlMoV鋼常溫抗拉強度與球化級別的關系

由圖1中可以看到，當5級球化時，其性能比2級球化時大概下降了1/3。通過將所檢過熱器的金相組織與標準圖譜進行比對，就可大概知道其機械強度的下降程度。

3.2 非珠光體鋼組織老化評定

非珠光體鋼晶內和晶界的碳化物在長期高溫服役后會逐漸發(fā)生碳化物的聚集和粗化，進而導致材料的力學性能下降。

對非珠光體鋼的老化可采用綜合考慮晶粒和晶界區(qū)域不同變化狀況的方法進行老化評級。對電廠目前主流的 T91、P91鋼材，DL/T 884－2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》給出了相應的評定說明和金相組織對照圖，按碳化物的形態(tài)，將老化分為5級:未老化 (原始態(tài))、輕度老化、中度老化、完全老化和嚴重老化。

標準中無相應級別的持久強度數(shù)據(jù)，在實際評定材料的性能時，還應結合力學性能試驗、硬度等項目進行綜合評定。

3.3 碳化物組成評定法

金屬材料中合金元素隨時間由一種組織組成物向另一種組織組成物轉移的現(xiàn)象稱為合金元素的再分配。高溫過熱器在高溫長期運行過程中，均會發(fā)生固溶強化的合金元素不斷脫溶向碳化物中遷移的現(xiàn)象。耐熱鋼中合金元素的遷移，既包括固溶體和碳化物中合金元素含量的變化，還包括碳化物數(shù)量、結構類型和分布的變化，從而使耐熱鋼中合金元素的固溶強化和沉淀強化的作用減弱，使鋼的熱強性降低。

檢測時從過熱器管上取微小試樣進行電解，電位的大小以不使碳化物溶解為度，把碳化物作為殘渣抽出，對這些殘渣化學分析和X射線衍射，測定碳化物中的合金元素的含量，即可分析材料老化程度［1］。

3.4 碳化物粒子尺寸評定法

顯微組織的老化可采用碳化物粒子尺寸變化的規(guī)律定量描述，晶粒內碳化物粒子高溫下長大的規(guī)律為:

式中:

dt——使用t時間后粒子尺寸，μm;

d0——原始未使用時粒子尺寸，μm;

K——粒子長大速率;

t——使用時間，h。

原始未使用時的粒子尺寸一般應實測，如無原始材料數(shù)據(jù)，電廠常用低合金鋼材料可采用0.3μm －0.36μm 平均值。

設蠕變失效時碳化物粒子極限尺寸為 dr，有:

式中:tr－部件蠕變壽命時間，h。

定義顯微組織老化度用Фd表示 (相當于蠕變損傷度)，部件蠕變壽命為tr，有:

由式 (6)可知，若能通過試驗準確測定各材料的碳化物粗化極限尺寸dt值，則可采用上式定量測定部件的老化程度，計算蠕變壽命，電廠常用低合金鋼材料的 dt值可取為 0.5μm－0.55μm。

3.5 蠕變損傷定量評定A參數(shù)法

高過在高溫下長期運行后會發(fā)生蠕變，蠕變是導致高過管老化的主要形式，蠕變損傷時首先在晶界上出現(xiàn)微觀的孔洞，在平行于最大主應力的方向上通過統(tǒng)計損傷晶界的數(shù)量和總的晶界數(shù)量的比值，即可看出材料的蠕變損傷程度，用A參數(shù)表示，稱為A參數(shù)法。

其式見 (7)，測量的示意圖見圖2。

式中:

A——孔洞晶界分數(shù);

ND——損傷晶界的數(shù)量;

Nu——無損傷的晶界。

圖2 A參數(shù)法測量示意圖

3.6 蠕變損傷定量評定晶粒變形法

電廠常用的CrMo鋼等材料韌性較好，在長期的蠕變應力作用下，其晶粒很容易發(fā)生變形，并且變形主要集中于晶粒內，如圖3所示，由于其變形是非常緩慢而微小的，必須采用定量分析的方法才能進行評定。

圖3 晶粒變形示意圖

定義晶粒變形程度W和晶粒取向程度E為:

式中:

W——晶粒變形程度;

E——晶粒取向程度;

La——與應力方向平行的截線上測得的平均晶粒弦長;

Lv——與應力方向垂直的截線上測得的平均晶粒弦長;

Pv——與應力方向平行的截線上測得的晶界數(shù)量;

Pa——與應力方向垂直的截線上測得的晶界數(shù)量;

W和E的值越高，則材料的老化程度越高。

4 破壞性試驗法

4.1 持久強度法

持久強度主要用來衡量耐熱材料在高溫長期應力作用下，抵抗塑形斷裂抗力的一種高溫強度指標。用持久強度法估算高溫部件的壽命是建立在雙對數(shù)坐標的持久強度曲線基礎上。公式如下:

б—應力，MPa

t—斷裂時間，h

A、B材料常數(shù)

通過取多組試樣進行不同應力下的斷裂試驗，根據(jù)相應的斷裂時間，利用最小二乘法即可擬合得到準確的方程式。

通常試驗的時間為幾千小時，通過回歸方程外推，可以得到數(shù)萬小時以后的斷裂強度。

用持久強度法計算高溫鍋爐管道壽命時，由于計算確定持久強度值是由幾千小時的持久強度曲線線性外推所得。有試驗證明，用直線外推1×105h或2×105h的持久強度值與試驗實際測得的持久強度相差很大［2］。

在進行壽命評估時，應結合金相和碳化物的檢測結果對材料進行綜合評定，為安全起見，所得的預測壽命應低于計算所得的壽命。

4.2 時間－溫度參數(shù)法

時間－溫度參數(shù)法的基本概念是在蠕變斷裂試驗中，提高試驗溫度而縮短試驗時間。故把時間－溫度參數(shù)表示成一個互相補償?shù)膮?shù)f(τ、Τ)，并把該參數(shù)標識為應力的函數(shù) P(б) =f(τ、Τ)。由于對參數(shù)的要求比較低，可以比較容易地根據(jù)蠕變溫度獲得蠕變斷裂壽命，因此是目前在蠕變壽命計算中較為流行的方法［3］。

時間－溫度參數(shù)式中應用較多的有拉森－米勒參數(shù)式 (簡稱L－M參數(shù)式)

式中T－鋼材的使用溫度

C——鋼材常數(shù)

τ——鋼材的蠕斷時間

如果只考慮溫度的變化，應力按額定壓力下的內壓應力計算，就可得出如下簡化成果

該式只和金屬溫度有關，在實際計算中只要能夠確定金屬的溫度，就能方便的計算出相應的蠕變斷裂時間τ0。

有了相應工況的斷裂時間τ就可以應用羅賓遜法則求出蠕變壽命損耗:

式中:Фr－材料的蠕變壽命損耗量

Φr——材料的蠕變壽命損耗量

Δτi——在 i參數(shù)下部件的運行時間

τri——在i參數(shù)下部件的蠕變斷裂時間。

4.3 蠕變曲線逐步外推法

文獻［4］中提出了蠕變曲線逐步外推法。它認為，由于低合金鋼蠕變曲線呈偽三階段，因而在這個過程中，可參照B.F.Dyson對第三階段蠕變損傷的分類方法，得到其蠕變損傷與蠕變變形成正比。根據(jù)實測得到的短時蠕變數(shù)據(jù)，按下列損傷分數(shù)D隨時間的變化速率方程:

進行回歸和外推得出整體蠕變曲線，從而可獲得使用壽命。這種外推可在部件使用中隨時進行，通過試驗證明:隨著實測蠕變試驗數(shù)據(jù)的增加，其回歸和外推的結果將更加準確，且只要有蠕變壽命的2/3蠕變實測數(shù)據(jù)，其回歸和外推的結果就很準確;上式可以準確地描述蠕變的損傷過程，經(jīng)歸一化處理后的損傷與時間的關系曲線不受溫度、應力及其他因素的影響，為材料的特征曲線，因而可用于實際服役條件下的部件。

蠕變曲線逐步外推法用實測蠕變數(shù)據(jù)外推未來一段時間內材料的形變行為，且可分段逐步外推;其區(qū)別與其他壽命評估方法的最大有點在于避免了由于工況變化 (如溫度、壓力波動、機組啟停等)所帶來的誤差。

5 結束語

隨著火電機組運行時間的增加，過熱器的壽命必將會逐漸降低，掌握過熱器老化狀況可以為合理的檢修工作提供參考，提高鍋爐檢修效率和鍋爐的安全性。以上所述的老化損傷和壽命評定理論和方法各有優(yōu)缺點，有的還在不斷完善中，尤其是進行壽命評估時，影響因素眾多，而且有的理論建立在理想狀況下，與實際工況還有很大不同，實際計算時，應綜合幾種方法，使評定結果方更加準確。

［1］李兵，日本火電廠鍋爐部件剩余壽命診斷技術 ［J］.華北電力技術，1997 No.8

［2］周順深.用持久強度計算高溫部件剩余壽命的不可靠性 (上) ［J］.華東電力，1995，(3).

［3］劉彤，徐鋼，龐力平，梁志福(【鍋爐爐內承壓部件的蠕變分析及壽命計算】) ［J］.動力工程2004年10月

［4］束國剛，李益民，趙彥芬，基于蠕變曲線的12Cr1MoV鋼壽命外推計算方法 ［J］.熱力發(fā)電，2000(6):32－35)