馮亦武，吳家偉，隋 鑫

(1.華電電力科學研究院有限公司，杭州310030 ； 2.華電國際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103 )

0 引 言

鍋爐受熱面管運行環(huán)境惡劣，其使用壽命的降低以及短時過熱等惡劣工況容易引起事故，造成較大經(jīng)濟損失[1]。經(jīng)過研究近幾年技術監(jiān)督管理數(shù)據(jù)可知，鍋爐“四管”的爆漏是鍋爐安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，占全年非停事故的30%以上。由于現(xiàn)在大量煤電機組參與電力調峰，甚至極低負荷運行，隨著運行時間的延長機組逐漸老化，鍋爐受熱面爆管泄漏的風險越來越大。研究一種基于金屬檢驗檢測數(shù)據(jù)的鍋爐受熱面管安全風險評估技術，用以評估風險等級，提高機組運行可靠性，避免發(fā)生較大安全事故，降低經(jīng)濟損失，意義重大[2]。

風險評估技術在國外很早就開始得到研究和應用。美國自1995年在石化裝置檢驗匯總進行風險評估，挪威船級社在海洋平臺上采用了基于風險的檢驗技術[3-4]。

中國自2003年開始在石油化工裝置中推行和運用基于風險的檢驗檢測技術。一些高校和科研院所，也開展了相關的應用研究。這些均屬于定量分析的風險評估技術研究[5]。

國內現(xiàn)行的電站鍋爐受熱面管檢驗與判別標準有DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》、DL/T939—2016《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術導則》和DL/T647—2004《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》等，所有檢驗與判別標準都是定性評判。

同時,國內有一些電力研究機構采用現(xiàn)場初步檢驗與割管細致檢驗相結合的方法,對某電廠水冷壁的當前實際狀態(tài)進行了詳細檢驗,引入概率風險評估的定量評估方法[6-7]。

由于定性分析所需資料較少，其區(qū)別能力非常有限，后續(xù)仍需進行進一步分析才能確定具體風險點，因此嚴格來說僅僅作為風險顯示，而不是風險評估；定量分析需要提供比較詳細的技術數(shù)據(jù)，包括工藝流程數(shù)據(jù)、設備設計數(shù)據(jù)、歷年維修檢修數(shù)據(jù)、工藝介質分析數(shù)據(jù)、失效分析數(shù)據(jù)等，大量數(shù)據(jù)難以收集且難以判斷準確與否，數(shù)據(jù)處理量和處理難度較大[8-10]。因此，選用介于定性和定量之間的一種半定量分析方法，簡化了假設，方法簡單，需要的資料根據(jù)分析變量來確定，容易實現(xiàn)。

1 半定量風險評估技術

鍋爐受熱面管半定量風險評估技術主要是通過金屬壁溫的初步估算，初步判斷是否存在過熱失效的風險；再利用金屬檢測的歷史數(shù)據(jù)進行趨勢性分析，預測下一階段的各指標數(shù)據(jù)，判斷是否存在無法接受的風險；最終，通過減薄與過熱模型，計算壽命損耗率，半定量的判斷受熱面管的安全風險。

1.1 金屬壁溫估算

首先，利用金屬檢驗檢測后的氧化層厚度與運行時間，進行當量壁溫的計算。如下式(1)：

lg(39.37x)=-4.942 023+0.006 95T+

0.000 283(1.8T+491.67)lg(t)

(1)

式中：x為向火側內壁氧化層厚度，μm；T為金屬壁溫，℃；t為運行時間，h。

其次，進行爐外金屬壁溫監(jiān)測點數(shù)據(jù)整理，根據(jù)當量計算壁溫調整爐內金屬壁溫與爐外監(jiān)測壁溫溫度的轉化關系。在有條件的地方，建議采用直接測量法再進行修正[11-13]。

1.2 趨勢性風險分析

根據(jù)受熱面管內的蒸汽溫度、壓力數(shù)值，分析數(shù)據(jù)波動劇烈點，判斷風險點；同時根據(jù)前一段時間內的數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，預判蒸汽溫度和壓力變化狀況。

另外，結合失效經(jīng)驗模型，根據(jù)受熱面管的失效因子，以一系列的長周期的檢驗檢測數(shù)據(jù)作支撐，提示失效風險。根據(jù)風險大小，分為4個等級，分別為希望的、有條件接受的、不希望的和無法接受的。如表1所示，以某臺機組數(shù)據(jù)為例，根據(jù)相關數(shù)據(jù)繪制各參數(shù)曲線圖，分析趨勢線，進行風險預測。

表1 趨勢性分析數(shù)據(jù)

1.3 壽命損耗率計算

傳統(tǒng)風險評估方法，需要大量割管，并進行高溫持久試驗，時間周期長，偏差大，只考慮了恒定溫度、應力的條件下，單一失效機理的前提下進行外推和預測[14-15]。因而無法作為狀態(tài)評估的參考，導致行業(yè)內的認可度不高。此技術提出一種考慮壁厚減薄及過熱影響的鍋爐四管實時壽命評估方法，能夠較全面的覆蓋鍋爐四管的失效因素，較為準確的進行狀態(tài)及壽命評估。具體步驟如下：

根據(jù)強度校核理論，減薄后的鍋爐管的剩余壽命計算式(2)：

(2)

式中：δ0為管子原始壁厚，mm；D為管子原始外徑，mm；σvc為管子所用鋼材在平均運行環(huán)境下的蠕變極限強度，MPa；p為管子內介質壓力，MPa；C為管壁減薄速率，mm/h。

對于存在焊縫的鍋爐管，焊縫位置的應力按照式(3)計算。

(3)

式中：σhf為管子焊縫在平均運行環(huán)境下的蠕變極限強度，MPa；μ為焊縫持久強度減弱系數(shù)。

再根據(jù)DCS系統(tǒng)中記錄的超溫幅度及各超溫段的運行時間，進行剩余壽命修正，計算式(4)：

R=Rl-(t1+t2+t3+t4+t5+t6)×1.25+

(t7+t8+t9+t10+t11+t12)×0.57

(4)

式中：R為修正后的剩余壽命，h；t1、t2、t3、t4、t5、t6分別為不同超溫段對應的運行時間，h；t7、t8、t9、t10、t11、t12分別為不同低溫段對應的運行時間，h。

壽命損耗率：φ=tj/(tj+R)

(5)

式中:tj為已運行時間，h；φ為壽命損耗率，%。

2 技術應用

某電廠鍋爐型式為1 100 t/h燃煤、塔式、中間再熱負壓燃燒，蒸發(fā)點可變的本生型直流鍋爐，額定壓力為19.2 MPa。該鍋爐燃燒室由蒸發(fā)Ⅰ段230根膜式水冷壁盤旋構成，輻射爐膛，對流煙道由蒸發(fā)Ⅱ段1 100根膜式水冷壁垂直布置構成，鍋爐本體為主鋼架式。已運行約1.0×105h。所有受熱面均懸掛在標高為102.6 m爐頂大板梁上，向下自由膨脹，最大膨脹量630 mm。水冷壁參數(shù)：鰭片合金管光管，規(guī)格Ф30×6 mm，材質14MoCr10，設計溫度415 ℃,設計壓力22.6 MPa。計算最小壁厚4.5 mm。

該鍋爐投運以來，進行了一系列防磨防爆檢查，大量的金屬檢測數(shù)據(jù)有利于應用鍋爐受熱面管半定量風險評估技術來進行狀態(tài)風險分析。此文針對近期爆管的水冷壁進行半定量風險評估。

2.1 金屬壁溫估算

根據(jù)割取爆管區(qū)域管樣，進行金相實驗，測量內壁氧化層厚度結果如圖1和圖2所示，向火側內壁氧化層厚度約150 μm，背火側約50 μm。

圖1 向火側內壁氧化層金相

圖2 背火側內壁氧化層金相

管樣內壁明顯有較厚氧化層，且向火側比背火側氧化層明顯較厚。以向火側氧化層作為當量壁溫計算的依據(jù)。

采用當量壁溫計算，將150 μm代入式(1)，計算可得向火側當量金屬壁溫為522 ℃。

該鍋爐水冷壁設計金屬壁溫為415 ℃，可見其長期超溫運行，安全風險極大。

2.2 趨勢性風險分析

該鍋爐開展過幾次金屬檢驗工作，根據(jù)其割管檢測的數(shù)據(jù)，對定點硬度及球化級別進行趨勢狀態(tài)分析。在幾乎同一區(qū)域，幾次檢測的硬度檢測綜合值情況如下。該材料牌號為羅馬尼亞標準牌號，硬度標準要求為140～160 HBW，根據(jù)趨勢分析，風險等級為無法接受，如圖3所示。

圖3 水冷壁管硬度檢測趨勢

分析金屬金相組織老化級別發(fā)展趨勢先要對同一區(qū)域運行環(huán)境幾乎相同的受熱面管進行割管取樣，也可以采取覆膜取樣金相分析技術。覆膜技術現(xiàn)場要求較為嚴格，成像清晰度不夠，且火電廠每次大小修金屬檢驗檢測業(yè)務承擔單位均不同，難以控制各家的檢測方法。因此，大部分金相檢測結果均來自割管取樣。但是，割管取樣技術決定了該分析技術不是針對同一根受熱面管進行長期的定點分析，因此存在一定的不確定性，是一種半定量分析方法，還需結合其他分析手段進行復核。該鍋爐水冷壁材料為鐵素體+珠光體+貝氏體，多次割管分析，均開展了金相檢測工作，根據(jù)資料中的金相圖，進行狀態(tài)趨勢風險分析可知，該材料金相組織逐年老化，球化級別逐年升高，此次組織老化級別達到4.5級，風險等級為無法接受。金相檢測球化趨勢如圖4所示。

圖4 金相檢測球化趨勢

2.3 壽命損耗計算

該鍋爐水冷壁運行期平均壁溫為522 ℃，工作壓力19.2 MPa，直徑30 mm，原始壁厚6 mm，運行溫度下材料的蠕變極限強度為79.891 MPa。此次檢測水冷壁管為原始管束，壁厚4.875 mm。該鍋爐運行時間已經(jīng)達到1.0×105h，經(jīng)計算得到剩余壽命3.073 7×104h，壽命損耗率為76.5%，風險等級為無法接受。剩余壽命計算數(shù)據(jù)見表2。

表2 剩余壽命計算數(shù)據(jù)表

2.4 力學性能試驗比較

為驗證鍋爐受熱面管風險半定量評估結果的準確性，需進行力學性能試驗，對評估結果可信度進行判斷。對取樣管進行力學性能試驗，數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，該水冷壁管非比例屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率數(shù)值均低于標準下限值，繼續(xù)運行安全風險極大。

表3 取樣管力學性能試驗數(shù)據(jù)

2.5 半定量風險總體評估

根據(jù)以上分析，可知該鍋爐長期處于超溫運行狀態(tài)，金屬材料硬度值逐年下降，金相組織逐年老化，球化級別逐年升高；另外，根據(jù)壽命評估，壽命損耗率超過75%且失效后果嚴重，安全風險為不可接受。實驗室的力學性能試驗數(shù)據(jù)也驗證了該技術評估的準確性，該材料各方面性能下降無法滿足使用要求，繼續(xù)使用安全風險極高，建議更換受熱面管。

3 結 語

該鍋爐受熱面管風險評估技術是一種半定量的風險評估技術，它利用金屬檢驗檢測的歷史數(shù)據(jù)，進行各參數(shù)的趨勢性分析，計算壽命損耗率，提前預測安全風險，提示運行人員做好應對措施。該技術的應用，為鍋爐受熱面的風險狀態(tài)評價提供了一種全新的技術手段，科學實用，值得推廣。