張雪超，郝曉瑋，程 璐，張艷飛

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；2.呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)快速發(fā)展，許多高參數(shù)大容量火電機(jī)組相繼投入運(yùn)行，同時(shí)，超齡機(jī)組仍在帶傷服役。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的提高和超齡機(jī)組服役時(shí)間的延長導(dǎo)致電廠高溫蒸汽管道的運(yùn)行可靠性問題越來越突出。一方面，高溫管道價(jià)格昂貴，其使用壽命直接影響運(yùn)行成本［1-2］；另一方面，高溫管道一旦發(fā)生破裂或泄漏，損失極為嚴(yán)重［3］。因此，如何在保證安全的前提下，提高高溫管道的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性成為越來越重要的問題。

“合于使用評定標(biāo)準(zhǔn)”是以合于使用為原則，對存在的缺陷、蠕變等按照嚴(yán)格的理論分析做出評定，確定其對安全的威脅程度，并對設(shè)備未來的發(fā)展作出判斷［4］。對存在威脅程度很小的設(shè)備缺陷，將允許其在監(jiān)控下使用；對降低使用規(guī)格后并不構(gòu)成危險(xiǎn)的設(shè)備，可考慮降格使用；對所含缺陷已構(gòu)成危險(xiǎn)的構(gòu)件，必須立即采取措施，返修或停止使用。基于“合于使用標(biāo)準(zhǔn)”需要對高溫管道開展完整性評價(jià)、性能評價(jià)和壽命評估［5-9］，通過對設(shè)備狀況開展檢驗(yàn)、評定以及可靠性評價(jià)保證安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 高壓旁路管道完整性評價(jià)

1.1 高壓旁路管道的布置

主蒸汽管道甲乙側(cè)旁路支管經(jīng)三通管件后匯入公稱直徑為244.5 mm、壁厚為36 mm 的高壓旁路管道，在5 m 平臺處設(shè)有高壓旁路減溫減壓裝置，高壓旁路電動門后混溫段管道和減溫減壓裝置之間連接管道規(guī)格、材質(zhì)和電動門前一致，長度約2 m。經(jīng)減溫減壓后，通過公稱直徑為508 mm、壁厚為12.5 mm的管道通往再熱蒸汽冷段管道，減溫減壓閥后第一道焊口到水平管道垂直距離約2 800 mm，水平段至三通前約12 m，三通后由公稱直徑為355.6 mm、壁厚為10 mm 的管道進(jìn)入左右側(cè)再熱蒸汽冷段管道，如圖1 所示。圖1 中，B1—B28 為高壓旁路管道減溫減壓閥后部分的焊口編號；A1—A23 為高壓旁路管道減溫減壓閥前部分的焊口編號；W1—W17 為高壓旁路管道彎頭編號。

圖1 高壓旁路管道

1.2 無損檢測分析

減溫減壓閥豎直布置，高壓旁路管道從水平方向引入減溫減壓閥；減溫減壓閥外壁未見較嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，閥后管道宏觀檢測合格，如圖2所示。

圖2 高壓旁路管道宏觀形貌

對閥后管道進(jìn)行厚度檢測，編號B1—B18 之間的部件，公稱直徑為355 mm、壁厚為10 mm，厚度最小的位置在B5—B6的直管位置，厚度為9.35 mm，厚度最小的彎頭為W13，厚度為12.09 mm；編號B19—B28之間的部件，公稱直徑為508 mm、壁厚為12.5 mm，厚度最小的位置在B19—B20 的直管位置，厚度為12.11 mm，厚度最小的彎頭為W9，厚度為13.58 mm。

依據(jù)DL/T 718—2014《火力發(fā)電廠三通及彎頭超聲波檢測》對編號為W9的彎頭背弧進(jìn)行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測第4 部分 磁粉檢測》對編號W9 的彎頭背弧進(jìn)行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等表面及近表面超標(biāo)缺陷。

2 管道性能評價(jià)

管道性能評價(jià)主要包括硬度檢驗(yàn)評價(jià)和金相檢驗(yàn)評價(jià)。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對高溫管道的金相檢測的檢測比例有明確要求：對于低合金管道，每次A 級檢修，應(yīng)對以下管件進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)：安裝前硬度、金相組織異常的管件；安裝前橢圓度較大、外弧側(cè)壁厚較薄的彎頭/彎管；鍋爐出口第一個(gè)彎頭/彎管、汽輪機(jī)入口鄰近的彎頭/彎管。對于9%～12%Cr鋼管，對管材按管道段數(shù)的20%進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)。

鋼管的硬度檢驗(yàn)，可采用里氏硬度計(jì)，按照GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行測量。在服役階段，每次A 級檢修，對安裝前硬度、金相組織異常的管件，安裝前橢圓度較大、外弧側(cè)壁厚較薄的彎頭/彎管，鍋爐出口第1 個(gè)彎頭/彎管，汽輪機(jī)入口鄰近的彎頭/彎管進(jìn)行硬度檢驗(yàn)；對低合金耐熱鋼管道的監(jiān)督段直管，安裝前硬度、金相組織異常的直段和焊縫，正常區(qū)段直段和焊縫的10%進(jìn)行硬度檢驗(yàn)。

但對于ST45.8/Ⅲ材質(zhì)管道，現(xiàn)場金相和硬度檢測無法提供有效的性能評價(jià)，故未對該材質(zhì)管道進(jìn)行金相和硬度檢驗(yàn)。

3 高壓旁路管道壽命評估

高壓旁路管道閥后管道為碳鋼材質(zhì)，閥后第一段支管和彎頭所處環(huán)境最為惡劣，且彎頭所受應(yīng)力最大，是設(shè)備安全運(yùn)行的弱點(diǎn)。針對圖1 中W9 彎頭進(jìn)行壽命評估。

3.1 彎頭最大應(yīng)力計(jì)算

彎頭所受內(nèi)外壁的周向應(yīng)力為

彎頭所受軸向應(yīng)力為

對于彎頭部位的最大環(huán)向應(yīng)力為

式中：σθmax為最大環(huán)向應(yīng)力，MPa；e 為彎頭不圓度；pt為管道正常運(yùn)行下的壓力，MPa；Domax、Domin、Dnom分別為蒸汽管道外直徑最大、最小值、公稱直徑，mm；v為泊松比，取0.3；E 為材料彈性模量，MPa；Di為管道內(nèi)直徑，mm；S為彎頭最小壁厚，mm。

通過式（1）—式（3）計(jì)算并取應(yīng)力最大值，得到彎頭部分的最大應(yīng)力值，為保證運(yùn)行的安全性，取應(yīng)力最大值乘以1.2（安全系數(shù)）作為壽命評估的計(jì)算應(yīng)力值。

該高壓旁路管道所評估部件W9 的參數(shù)如表1所示，其中設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)溫度為所連接再熱蒸汽冷段管道的設(shè)計(jì)值；最小厚度值和不圓度值為檢修時(shí)的檢測數(shù)據(jù)。ST45.8/Ⅲ材質(zhì)管道的彈性模量如表2所示，其他對應(yīng)溫度的彈性模量值可用插值法計(jì)算獲得。

表1 高壓旁路閥后管道設(shè)備參數(shù)

表2 不同溫度下ST45.8/Ⅲ材質(zhì)管道的彈性模量

高壓旁路管道所選部位的彎頭所受內(nèi)外壁的周向應(yīng)力按式（1）計(jì)算，彎頭所受軸向應(yīng)力按式（2）計(jì)算，彎頭部位的最大應(yīng)力按式（3）計(jì)算，安全系數(shù)取1.2，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 高壓旁路管道彎頭應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

3.2 殘余壽命分析研究

DIN 17175—1979《用耐熱鋼制成的無縫鋼管交貨技術(shù)條件》給出了ST45.8/Ⅲ材質(zhì)鋼管持久強(qiáng)度的完整數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同溫度下ST45.8/Ⅲ材質(zhì)鋼管不同斷裂時(shí)間的持久強(qiáng)度 單位：N/mm2

L-M參數(shù)法的表達(dá)式為［10-13］

式中：P(σ)為L-M 參數(shù)；T 為絕對溫度，K；tr為材料殘余壽命，h；C為材料相關(guān)常數(shù)；σ 為設(shè)備承受應(yīng)力，MPa。

其中，參數(shù)P(σ)為應(yīng)力σ的多項(xiàng)式

式中：C0、C1、C2、C3均為擬合系數(shù)。

為確保耐熱鋼高溫運(yùn)行時(shí)熱強(qiáng)參數(shù)的準(zhǔn)確運(yùn)用，需要得到具體材料比較確切的材料相關(guān)系數(shù)C［14-15］。C 主要是碳含量的函數(shù)，一般含量的合金元素對之并無顯著影響。并且當(dāng)時(shí)間以小時(shí)為單位時(shí)，當(dāng)碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由wc=0.30%變化到wc=1.11%時(shí)，C值由19.5線性變化到5。經(jīng)線性擬合，當(dāng)碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時(shí)，C=20.5。

ST45.8/Ⅲ為低碳鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.20%，且經(jīng)反推驗(yàn)算，碳含量的少許變動對C 值的影響從而導(dǎo)致熱強(qiáng)參數(shù)P()σ 的影響不大。故C=20.5。

利用最小二乘法，將ST45.8/Ⅲ材質(zhì)鋼材的持久強(qiáng)度乘以0.8 后（0.8 為安全裕度）代入L-M 公式進(jìn)行擬合?？汕蟪龉街械膮?shù)C0、C1、C2、C3。

可得針對以上高溫碳鋼管道的壽命評估公式為

3.3 殘余壽命計(jì)算的應(yīng)用

根據(jù)式（7）計(jì)算上述高壓旁路管道殘余壽命如表5所示。

表5 ST45.8/Ⅲ材質(zhì)高壓旁路管道殘余壽命計(jì)算結(jié)果

在當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀況下，設(shè)備殘余壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)組設(shè)計(jì)壽命（300 000 h）。

高壓旁路閥后管道的設(shè)計(jì)依據(jù)DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》：減溫裝置后的蒸汽管道取用減溫裝置出口蒸汽的最高工作溫度，該“最高工作溫度”應(yīng)充分考慮閥后管道材料的選擇，同時(shí)考慮防止蒸汽沖刷和內(nèi)漏的共同影響。同時(shí)，GB 50764—2012《電廠動力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：對碳鋼使用溫度不應(yīng)超過425 ℃，超過425 ℃長期使用有石墨化傾向。

基于管道運(yùn)行可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，汽機(jī)高壓旁路閥為減壓減溫一體結(jié)構(gòu)時(shí)，其出口段設(shè)計(jì)溫度的選取原則上按上述標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“減溫裝置后的蒸汽管道”的規(guī)定選取，應(yīng)考慮再熱冷段的設(shè)計(jì)溫度以及廠家對高壓旁路出口段的要求。同時(shí)應(yīng)按高壓旁路閥的不同功能來考慮［16-17］：

1）兼顧啟動和運(yùn)行調(diào)節(jié)功能的高壓旁路閥。高壓旁路出口管道設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按照機(jī)組運(yùn)行中高壓旁路閥開啟考慮，并配合高壓旁路廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)選取管道材料，同時(shí)應(yīng)考慮正常運(yùn)行閥門關(guān)閉時(shí)閥體傳熱和運(yùn)行中閥門開啟時(shí)主汽參數(shù)經(jīng)噴水減溫混合的均勻性。

2）只具備啟動功能的高壓旁路閥。高壓旁路出口管道設(shè)計(jì)溫度僅按照機(jī)組各啟動工況開啟考慮，并配合高壓旁路廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)選取材料，同時(shí)應(yīng)考慮正常運(yùn)行閥門關(guān)閉時(shí)閥體傳熱和啟動工況閥門開啟時(shí)主汽參數(shù)經(jīng)噴水減溫混合的均勻性［18］。

根據(jù)以上考量，當(dāng)高壓旁路管道的減溫減壓閥存在故障時(shí)，高壓旁路管道閥后部分可能會承受較大壓力和較高溫度，甚至達(dá)到閥前設(shè)備運(yùn)行工況。根據(jù)數(shù)據(jù)采集情況，可知該彎頭所處內(nèi)壓力為1.57 MPa；根據(jù)所連接再熱蒸汽冷段管道設(shè)計(jì)參數(shù)，管道設(shè)計(jì)壓力為2.63 MPa；根據(jù)所采集數(shù)據(jù)，閥前管道當(dāng)前運(yùn)行壓力為12.4 MPa；閥前高壓旁路管道所連接主蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力為13.73 MPa。同時(shí)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備對應(yīng)材料的彈性模量發(fā)生變化，繼而影響相應(yīng)管道相應(yīng)壓力下的應(yīng)力值，針對上述4 種壓力，該彎頭在不同溫度服役情況下承受應(yīng)力的變化情況如圖3 所示，殘余壽命隨溫度的變化如圖4所示。

圖3 W9彎頭最大應(yīng)力隨介質(zhì)壓力變化情況

從圖3、圖4 可以看出，隨著介質(zhì)壓力的增大，管道最大應(yīng)力顯著增加，殘余壽命顯著降低。隨著溫度的升高，管道最大應(yīng)力變化不大，但殘余壽命顯著降低。當(dāng)減溫減壓閥發(fā)生內(nèi)漏或失效時(shí)，管道內(nèi)壓力會緩慢下降，而溫度則顯著升高，當(dāng)溫度升高至534 ℃、壓力依然為1.57 MPa 運(yùn)行時(shí)，管道殘余壽命迅速耗盡，管道面臨極大安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 W9彎頭殘余壽命隨介質(zhì)壓力變化情況

4 結(jié)論與建議

通過對高壓旁路管道焊接接頭和彎頭進(jìn)行超聲波檢測和磁粉檢測可知，高壓旁路管道的結(jié)構(gòu)完整性良好。對高壓旁路管道碳鋼部分在不同壓力和溫度下的應(yīng)力情況和壽命進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管道的最大應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的增大而顯著增大，隨介質(zhì)溫度的升高變化不大；管道殘余壽命隨介質(zhì)壓力和溫度的增加會顯著降低。

高壓旁路管道減溫減壓閥后管道材質(zhì)為ST45.8/Ⅲ，在減溫減壓閥正常運(yùn)行情況下，管道殘余壽命遠(yuǎn)大于機(jī)組設(shè)計(jì)壽命。當(dāng)減溫減壓閥故障引起設(shè)備安全事故時(shí)，減溫減壓閥失效，考慮到蒸汽沖刷和內(nèi)漏的共同影響，ST45.8/Ⅲ材質(zhì)管道在溫度升高、壓力增大的情況下，其壽命顯著降低，嚴(yán)重危害設(shè)備安全。目前大部分300 MW 及以下機(jī)組的高壓旁路管道減溫減壓閥后的管道均為碳鋼材質(zhì)，存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)更換為合金材質(zhì)，可有效提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。