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        高壓旁路管道可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-06-08 13:18:54張雪超郝曉瑋張艷飛
        山東電力技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:減壓閥旁路材質(zhì)

        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(guó)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(zhǎng)導(dǎo)致電廠高溫蒸汽管道的運(yùn)行可靠性問(wèn)題越來(lái)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(lái)越重要的問(wèn)題。

        “合于使用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)”是以合于使用為原則,對(duì)存在的缺陷、蠕變等按照嚴(yán)格的理論分析做出評(píng)定,確定其對(duì)安全的威脅程度,并對(duì)設(shè)備未來(lái)的發(fā)展作出判斷[4]。對(duì)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(duì)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(duì)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?;凇昂嫌谑褂脴?biāo)準(zhǔn)”需要對(duì)高溫管道開(kāi)展完整性評(píng)價(jià)、性能評(píng)價(jià)和壽命評(píng)估[5-9],通過(guò)對(duì)設(shè)備狀況開(kāi)展檢驗(yàn)、評(píng)定以及可靠性評(píng)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(píng)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(chēng)直徑為244.5 mm、壁厚為36 mm 的高壓旁路管道,在5 m 平臺(tái)處設(shè)有高壓旁路減溫減壓裝置,高壓旁路電動(dòng)門(mén)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(dòng)門(mén)前一致,長(zhǎng)度約2 m。經(jīng)減溫減壓后,通過(guò)公稱(chēng)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(chēng)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(hào);A1—A23 為高壓旁路管道減溫減壓閥前部分的焊口編號(hào);W1—W17 為高壓旁路管道彎頭編號(hào)。

        圖1 高壓旁路管道

        1.2 無(wú)損檢測(cè)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(jiàn)較嚴(yán)重氧化現(xiàn)象,閥后管道宏觀檢測(cè)合格,如圖2所示。

        圖2 高壓旁路管道宏觀形貌

        對(duì)閥后管道進(jìn)行厚度檢測(cè),編號(hào)B1—B18 之間的部件,公稱(chēng)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(hào)B19—B28之間的部件,公稱(chēng)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(cè)》對(duì)編號(hào)為W9的彎頭背弧進(jìn)行超聲波檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第4 部分 磁粉檢測(cè)》對(duì)編號(hào)W9 的彎頭背弧進(jìn)行磁粉檢測(cè),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(píng)價(jià)

        管道性能評(píng)價(jià)主要包括硬度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)和金相檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對(duì)高溫管道的金相檢測(cè)的檢測(cè)比例有明確要求:對(duì)于低合金管道,每次A 級(jí)檢修,應(yīng)對(duì)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(duì)于9%~12%Cr鋼管,對(duì)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(cè)量。在服役階段,每次A 級(jí)檢修,對(duì)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(duì)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(duì)于ST45.8/Ⅲ材質(zhì)管道,現(xiàn)場(chǎng)金相和硬度檢測(cè)無(wú)法提供有效的性能評(píng)價(jià),故未對(duì)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(píng)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(duì)圖1 中W9 彎頭進(jìn)行壽命評(píng)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(duì)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(chēng)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(guò)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(píng)估的計(jì)算應(yīng)力值。

        該高壓旁路管道所評(píng)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(cè)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(duì)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(wú)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(zhǎng)-M 參數(shù);T 為絕對(duì)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(duì)之并無(wú)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(dòng)對(duì)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(duì)以上高溫碳鋼管道的壽命評(píng)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(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:對(duì)碳鋼使用溫度不應(yīng)超過(guò)425 ℃,超過(guò)425 ℃長(zhǎng)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(duì)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(lái)考慮[16-17]:

        1)兼顧啟動(dòng)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(kāi)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(mén)關(guān)閉時(shí)閥體傳熱和運(yùn)行中閥門(mén)開(kāi)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(dòng)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(dòng)工況開(kāi)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(mén)關(guān)閉時(shí)閥體傳熱和啟動(dòng)工況閥門(mén)開(kāi)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)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(guò)對(duì)高壓旁路管道焊接接頭和彎頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)和磁粉檢測(cè)可知,高壓旁路管道的結(jié)構(gòu)完整性良好。對(duì)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(huì)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。

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