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        鍋爐受熱面管半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-08-19 04:15:18馮亦武吳家偉
        黑龍江電力 2021年3期
        關(guān)鍵詞:壁溫水冷壁壽命

        馮亦武,吳家偉,隋 鑫

        (1.華電電力科學(xué)研究院有限公司,杭州310030 ; 2.華電國(guó)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(yùn)行環(huán)境惡劣,其使用壽命的降低以及短時(shí)過熱等惡劣工況容易引起事故,造成較大經(jīng)濟(jì)損失[1]。經(jīng)過研究近幾年技術(shù)監(jiān)督管理數(shù)據(jù)可知,鍋爐“四管”的爆漏是鍋爐安全運(yùn)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(jī)組參與電力調(diào)峰,甚至極低負(fù)荷運(yùn)行,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)機(jī)組逐漸老化,鍋爐受熱面爆管泄漏的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。研究一種基于金屬檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的鍋爐受熱面管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù),用以評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),提高機(jī)組運(yùn)行可靠性,避免發(fā)生較大安全事故,降低經(jīng)濟(jì)損失,意義重大[2]。

        風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在國(guó)外很早就開始得到研究和應(yīng)用。美國(guó)自1995年在石化裝置檢驗(yàn)匯總進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,挪威船級(jí)社在海洋平臺(tái)上采用了基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)[3-4]。

        中國(guó)自2003年開始在石油化工裝置中推行和運(yùn)用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。一些高校和科研院所,也開展了相關(guān)的應(yīng)用研究。這些均屬于定量分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究[5]。

        國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的電站鍋爐受熱面管檢驗(yàn)與判別標(biāo)準(zhǔn)有DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)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(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》和DL/T647—2004《電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》等,所有檢驗(yàn)與判別標(biāo)準(zhǔn)都是定性評(píng)判。

        同時(shí),國(guó)內(nèi)有一些電力研究機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)初步檢驗(yàn)與割管細(xì)致檢驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)某電廠水冷壁的當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)檢驗(yàn),引入概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的定量評(píng)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(jìn)行進(jìn)一步分析才能確定具體風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),因此嚴(yán)格來說僅僅作為風(fēng)險(xiǎn)顯示,而不是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;定量分析需要提供比較詳細(xì)的技術(shù)數(shù)據(jù),包括工藝流程數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、歷年維修檢修數(shù)據(jù)、工藝介質(zhì)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(zhǔn)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(jiǎn)化了假設(shè),方法簡(jiǎn)單,需要的資料根據(jù)分析變量來確定,容易實(shí)現(xiàn)。

        1 半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

        鍋爐受熱面管半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)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(fēng)險(xiǎn);再利用金屬檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性分析,預(yù)測(cè)下一階段的各指標(biāo)數(shù)據(jù),判斷是否存在無法接受的風(fēng)險(xiǎn);最終,通過減薄與過熱模型,計(jì)算壽命損耗率,半定量的判斷受熱面管的安全風(fēng)險(xiǎn)。

        1.1 金屬壁溫估算

        首先,利用金屬檢驗(yàn)檢測(cè)后的氧化層厚度與運(yùn)行時(shí)間,進(jìn)行當(dāng)量壁溫的計(jì)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(cè)內(nèi)壁氧化層厚度,μm;T為金屬壁溫,℃;t為運(yùn)行時(shí)間,h。

        其次,進(jìn)行爐外金屬壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)整理,根據(jù)當(dāng)量計(jì)算壁溫調(diào)整爐內(nèi)金屬壁溫與爐外監(jiān)測(cè)壁溫溫度的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在有條件的地方,建議采用直接測(cè)量法再進(jìn)行修正[11-13]。

        1.2 趨勢(shì)性風(fēng)險(xiǎn)分析

        根據(jù)受熱面管內(nèi)的蒸汽溫度、壓力數(shù)值,分析數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈點(diǎn),判斷風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn);同時(shí)根據(jù)前一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì),預(yù)判蒸汽溫度和壓力變化狀況。

        另外,結(jié)合失效經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,根?jù)受熱面管的失效因子,以一系列的長(zhǎng)周期的檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)作支撐,提示失效風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小,分為4個(gè)等級(jí),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(tái)機(jī)組數(shù)據(jù)為例,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)繪制各參數(shù)曲線圖,分析趨勢(shì)線,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

        表1 趨勢(shì)性分析數(shù)據(jù)

        1.3 壽命損耗率計(jì)算

        傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,需要大量割管,并進(jìn)行高溫持久試驗(yàn),時(shí)間周期長(zhǎng),偏差大,只考慮了恒定溫度、應(yīng)力的條件下,單一失效機(jī)理的前提下進(jìn)行外推和預(yù)測(cè)[14-15]。因而無法作為狀態(tài)評(píng)估的參考,導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度不高。此技術(shù)提出一種考慮壁厚減薄及過熱影響的鍋爐四管實(shí)時(shí)壽命評(píng)估方法,能夠較全面的覆蓋鍋爐四管的失效因素,較為準(zhǔn)確的進(jìn)行狀態(tài)及壽命評(píng)估。具體步驟如下:

        根據(jù)強(qiáng)度校核理論,減薄后的鍋爐管的剩余壽命計(jì)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(yùn)行環(huán)境下的蠕變極限強(qiáng)度,MPa;p為管子內(nèi)介質(zhì)壓力,MPa;C為管壁減薄速率,mm/h。

        對(duì)于存在焊縫的鍋爐管,焊縫位置的應(yīng)力按照式(3)計(jì)算。

        (3)

        式中:σhf為管子焊縫在平均運(yùn)行環(huán)境下的蠕變極限強(qiáng)度,MPa;μ為焊縫持久強(qiáng)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(yùn)行時(shí)間,進(jìn)行剩余壽命修正,計(jì)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(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間,h;t7、t8、t9、t10、t11、t12分別為不同低溫段對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間,h。

        壽命損耗率:φ=tj/(tj+R)

        (5)

        式中:tj為已運(yùn)行時(shí)間,h;φ為壽命損耗率,%。

        2 技術(shù)應(yīng)用

        某電廠鍋爐型式為1 100 t/h燃煤、塔式、中間再熱負(fù)壓燃燒,蒸發(fā)點(diǎn)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(gòu)成,輻射爐膛,對(duì)流煙道由蒸發(fā)Ⅱ段1 100根膜式水冷壁垂直布置構(gòu)成,鍋爐本體為主鋼架式。已運(yùn)行約1.0×105h。所有受熱面均懸掛在標(biāo)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(zhì)14MoCr10,設(shè)計(jì)溫度415 ℃,設(shè)計(jì)壓力22.6 MPa。計(jì)算最小壁厚4.5 mm。

        該鍋爐投運(yùn)以來,進(jìn)行了一系列防磨防爆檢查,大量的金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)有利于應(yīng)用鍋爐受熱面管半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)來進(jìn)行狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。此文針對(duì)近期爆管的水冷壁進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

        2.1 金屬壁溫估算

        根據(jù)割取爆管區(qū)域管樣,進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn),測(cè)量?jī)?nèi)壁氧化層厚度結(jié)果如圖1和圖2所示,向火側(cè)內(nèi)壁氧化層厚度約150 μm,背火側(cè)約50 μm。

        圖1 向火側(cè)內(nèi)壁氧化層金相

        圖2 背火側(cè)內(nèi)壁氧化層金相

        管樣內(nèi)壁明顯有較厚氧化層,且向火側(cè)比背火側(cè)氧化層明顯較厚。以向火側(cè)氧化層作為當(dāng)量壁溫計(jì)算的依據(jù)。

        采用當(dāng)量壁溫計(jì)算,將150 μm代入式(1),計(jì)算可得向火側(cè)當(dāng)量金屬壁溫為522 ℃。

        該鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)金屬壁溫為415 ℃,可見其長(zhǎng)期超溫運(yùn)行,安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

        2.2 趨勢(shì)性風(fēng)險(xiǎn)分析

        該鍋爐開展過幾次金屬檢驗(yàn)工作,根據(jù)其割管檢測(cè)的數(shù)據(jù),對(duì)定點(diǎn)硬度及球化級(jí)別進(jìn)行趨勢(shì)狀態(tài)分析。在幾乎同一區(qū)域,幾次檢測(cè)的硬度檢測(cè)綜合值情況如下。該材料牌號(hào)為羅馬尼亞標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào),硬度標(biāo)準(zhǔn)要求為140~160 HBW,根據(jù)趨勢(shì)分析,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為無法接受,如圖3所示。

        圖3 水冷壁管硬度檢測(cè)趨勢(shì)

        分析金屬金相組織老化級(jí)別發(fā)展趨勢(shì)先要對(duì)同一區(qū)域運(yùn)行環(huán)境幾乎相同的受熱面管進(jìn)行割管取樣,也可以采取覆膜取樣金相分析技術(shù)。覆膜技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)要求較為嚴(yán)格,成像清晰度不夠,且火電廠每次大小修金屬檢驗(yàn)檢測(cè)業(yè)務(wù)承擔(dān)單位均不同,難以控制各家的檢測(cè)方法。因此,大部分金相檢測(cè)結(jié)果均來自割管取樣。但是,割管取樣技術(shù)決定了該分析技術(shù)不是針對(duì)同一根受熱面管進(jìn)行長(zhǎng)期的定點(diǎn)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(jié)合其他分析手段進(jìn)行復(fù)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(cè)工作,根據(jù)資料中的金相圖,進(jìn)行狀態(tài)趨勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)分析可知,該材料金相組織逐年老化,球化級(jí)別逐年升高,此次組織老化級(jí)別達(dá)到4.5級(jí),風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為無法接受。金相檢測(cè)球化趨勢(shì)如圖4所示。

        圖4 金相檢測(cè)球化趨勢(shì)

        2.3 壽命損耗計(jì)算

        該鍋爐水冷壁運(yùn)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(yùn)行溫度下材料的蠕變極限強(qiáng)度為79.891 MPa。此次檢測(cè)水冷壁管為原始管束,壁厚4.875 mm。該鍋爐運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)達(dá)到1.0×105h,經(jīng)計(jì)算得到剩余壽命3.073 7×104h,壽命損耗率為76.5%,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為無法接受。剩余壽命計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

        表2 剩余壽命計(jì)算數(shù)據(jù)表

        2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)比較

        為驗(yàn)證鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)半定量評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性,需進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),對(duì)評(píng)估結(jié)果可信度進(jìn)行判斷。對(duì)取樣管進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,該水冷壁管非比例屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率數(shù)值均低于標(biāo)準(zhǔn)下限值,繼續(xù)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

        表3 取樣管力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        2.5 半定量風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)估

        根據(jù)以上分析,可知該鍋爐長(zhǎng)期處于超溫運(yùn)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(jí)別逐年升高;另外,根據(jù)壽命評(píng)估,壽命損耗率超過75%且失效后果嚴(yán)重,安全風(fēng)險(xiǎn)為不可接受。實(shí)驗(yàn)室的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了該技術(shù)評(píng)估的準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)極高,建議更換受熱面管。

        3 結(jié) 語

        該鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù),它利用金屬檢驗(yàn)檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行各參數(shù)的趨勢(shì)性分析,計(jì)算壽命損耗率,提前預(yù)測(cè)安全風(fēng)險(xiǎn),提示運(yùn)行人員做好應(yīng)對(duì)措施。該技術(shù)的應(yīng)用,為鍋爐受熱面的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了一種全新的技術(shù)手段,科學(xué)實(shí)用,值得推廣。

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