張英豪，楊 楠，于成志，董 博，趙 哲

（大慶石化公司檢測(cè)公司，黑龍江大慶163714）

在用蒸汽鍋爐爐管剩余壽命的預(yù)測(cè)分析

張英豪，楊 楠，于成志，董 博，趙 哲

（大慶石化公司檢測(cè)公司，黑龍江大慶163714）

針對(duì)蒸汽鍋爐爐管失效問題及剩余壽命進(jìn)行了分析，結(jié)合國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化，提出了爐管的2種剩余壽命評(píng)估方法。應(yīng)用金相圖片及高頻超聲波氧化層測(cè)厚法，對(duì)爐管剩余壽命準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，并在鍋爐的實(shí)際檢驗(yàn)中得以應(yīng)用。

蒸汽鍋爐；爐管檢驗(yàn)；剩余壽命預(yù)測(cè)；氧化物厚度

在鍋爐檢驗(yàn)中，通過鍋爐運(yùn)行資料審查、定期的檢測(cè)鍋爐爐管材料劣化（蠕變、疲勞、球化、高溫腐蝕等），從而對(duì)鍋爐爐管剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)合有關(guān)國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)爐管壽命預(yù)測(cè)提出了2種可行的計(jì)算方法，即運(yùn)行歷史審查對(duì)爐管蠕變壽命評(píng)估法；公式計(jì)算爐管蠕變壽命法。為確定鍋爐的使用年限和制定相關(guān)規(guī)程提供借鑒。

1 運(yùn)行歷史審查對(duì)爐管蠕變壽命評(píng)估法

該評(píng)估方法是根據(jù)蠕變程度，依靠應(yīng)力及溫度2個(gè)方面因素，而運(yùn)行歷史就能提供應(yīng)力和溫度這方面信息，再結(jié)合材料的斷裂數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行蠕變剩余壽命百分率計(jì)算。

在評(píng)估中，估定材料溫度時(shí)，應(yīng)注意鍋爐設(shè)計(jì)的額定溫度并不等于金屬材料壁溫，爐管材料的溫度可能高一些（水冷壁管，過熱器管材等）。也可能低一些（集油聯(lián)箱，注蒸汽管等）還要依靠介質(zhì)的流動(dòng)方向以及鍋爐系統(tǒng)中所處位置。

確定運(yùn)行金屬必須在運(yùn)行中實(shí)地測(cè)量，現(xiàn)在大中型蒸汽鍋爐高溫受壓元件都有測(cè)溫儀表。對(duì)于運(yùn)行中的應(yīng)力存在。它還存在著開孔，相鄰部件的互相牽制產(chǎn)生的附加應(yīng)力。這些應(yīng)力在設(shè)計(jì)時(shí)有一些未能充分考慮。這就要求在審查中注意進(jìn)行具體應(yīng)力分析對(duì)一些比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)最好用有限元分析法。確定了溫度和應(yīng)力之后下一步就是材質(zhì)蠕變斷裂數(shù)據(jù)。對(duì)于常用材質(zhì)可以查閱到這個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù)選取，其一就是設(shè)計(jì)規(guī)范給出的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)斷裂數(shù)據(jù)，其二就是應(yīng)用BS500中ISO平均特性曲線，ISO斷裂強(qiáng)度通常除以1.25得出最小蠕變斷裂數(shù)據(jù)。最后應(yīng)用RobinSon壽命分?jǐn)?shù)規(guī)則。從設(shè)備記錄中整理出直方圖來(lái)表示評(píng)定部位的離散應(yīng)力水平和溫度。斷裂時(shí)間應(yīng)以蠕變斷裂數(shù)據(jù)來(lái)建立。

2 公式計(jì)算爐管蠕變壽命法

爐管蠕變壽命評(píng)定計(jì)算程序包括7個(gè)步驟。

（1）對(duì)于爐管從最初置于高溫條件到最終蠕變斷裂失效的整個(gè)斷裂時(shí)間tnr計(jì)算式［1］:

式中 tr（0）—無(wú)壁厚減薄的整個(gè)斷裂時(shí)間；k—爐管外壁的減薄率；n—蠕變公式中冪指數(shù)。

（2）壁厚的減薄由爐管外壁高溫腐蝕引起，減薄率k的計(jì)算:

式中 t—時(shí)間；W—時(shí)間t時(shí)的厚度；W0—原壁厚。

（3）二次蠕變率的計(jì)算:

式中 ∈—二次蠕變率；σ—應(yīng)力；A—應(yīng)力因子。

（4）給定爐管“無(wú)減薄”整個(gè)斷裂時(shí)間tr（0）是金屬溫度和應(yīng)力的函數(shù)［2］:

式中Teq—等效金屬溫度，定義是“把產(chǎn)生同等冶金狀態(tài)的等效恒定溫度代替復(fù)雜變化的溫度。”

（5）Teq可以從氧化層厚度評(píng)估出來(lái)，它是當(dāng)量溫度時(shí)間t及氧化層厚度X的函數(shù):

（6）氧化層的厚度根據(jù)操作時(shí)間和金屬溫度的關(guān)系求出經(jīng)驗(yàn)公式[3～5]:

式中 A、B、C1為常數(shù)，對(duì)于斷裂的情況:

假設(shè)X在斜率S下線性隨時(shí)間變化:

則對(duì)于斷裂時(shí):

對(duì)于a1、a2、a3的取值，由相關(guān)材料的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定。

（6）對(duì)于等效金屬溫度包括在Larson-Miller參數(shù)P2中，P2表示鋼材蠕變斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)性能特征。

（7）對(duì)于應(yīng)力δr（0）在無(wú)壁厚減薄情況下:

式中 OD—爐管內(nèi)直徑；P—內(nèi)壓，W0—原壁厚。

式中 tnr—蠕變斷裂時(shí)間；k—壁厚減薄率，用檢驗(yàn)時(shí)間來(lái)代替運(yùn)行時(shí)間；n—材料特性參數(shù)；P2—管子無(wú)減薄時(shí)從適合文獻(xiàn)蠕變斷裂數(shù)據(jù)獲得，在相關(guān)文獻(xiàn)中查得；δr（0）—不變的應(yīng)力；C2—常數(shù)，取值20。

最后，由檢驗(yàn)時(shí)間代替運(yùn)行時(shí)間，氧化層厚度應(yīng)用檢驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)厚度，就可以應(yīng)用來(lái)逐次逼近求整個(gè)斷裂時(shí)間tnr。從而完成鍋爐爐管剩余壽命的預(yù)測(cè)分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用公式計(jì)算爐管蠕變壽命得出的理論值和實(shí)際運(yùn)行壽命有一定的差別，這是因?yàn)閼?yīng)用的有關(guān)計(jì)算數(shù)值都不是精確的。像材料特性以及幾何特征和操作參數(shù)都是保守值，并且這2種算法計(jì)算值都是單一值，實(shí)際上輸入值都有一定的不確定性。所以還有待于進(jìn)一步完善。

這2種方法為鍋爐爐管檢驗(yàn)及剩余壽命評(píng)定提供了新的計(jì)算方法，并且已經(jīng)得到斷管斷裂的數(shù)據(jù)證明，且已經(jīng)在HG410/100-11型爐管剩余壽命評(píng)定中得以初步應(yīng)用，獲得了較好的效果。

［1］吳非文.火力發(fā)電廠高溫金屬運(yùn)行［M］.北京:水利電力出版社，1981:110-111.

［2］方英鶴.關(guān)于主蒸汽管道蠕變測(cè)量方法的探討［J］.電力技術(shù)，1984，17（10）:38-41.

［3］劉尚慈.主蒸汽管道負(fù)蠕變及蠕變變形壽命損耗量修正［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1990，10（4）:27-30.

［4］劉尚慈.主蒸汽管道蠕變變形壽命損耗量［J］.武漢水力電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，28（5）:15-17.

［5］周順深.用持久強(qiáng)度計(jì)算高溫部件剩余壽命的不可靠性［J］.華東電力，1995（6）:52-53.

Predictive analysis of remaining life of in-use steam boiler tubes

Zhang Yinghao，Yang Nan，Yu Chengzhi，Dong Bo，Zhao Zhe
（Detection Company of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Analysis was made aiming at the steam boiler tube failure problem and remaining life，2 kinds of evaluation methods of remaining life was proposed combined with relevant foreign standardization.Using metallograph and high-frequency ultrasonic wave oxide lay thickness measuring method，accurate prediction was made to the remaining life of boiler tubes，so that the measuring method can be used in practical inspection.

steam boiler；boiler tube；remaining life prediction；oxide thickness

TK22

B

1671-4962（2017）02-0049-02

2017-01-21

張英豪，男，工程師，1998年畢業(yè)于燕山大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，現(xiàn)從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。