丁振媛

（東營(yíng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 山東東營(yíng) 257000）

電力生產(chǎn)是一種連續(xù)制造過(guò)程，出于經(jīng)濟(jì)原因，設(shè)備經(jīng)常需要檢查維修，以降低重大故障的次數(shù)。另外，為了維持生產(chǎn)過(guò)程，一些組件單元經(jīng)常在故障狀態(tài)下運(yùn)行。因此，在分析設(shè)備使用數(shù)據(jù)時(shí)，首要任務(wù)是通過(guò)保持設(shè)備處于良好狀態(tài)來(lái)維持生產(chǎn)能力。對(duì)發(fā)電廠的發(fā)電產(chǎn)生重大影響的設(shè)備包括鍋爐供給水泵，這些設(shè)備的故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單元停止生產(chǎn)。因此，使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法來(lái)對(duì)這類特種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管是必要的，狀態(tài)監(jiān)測(cè)也讓工程師能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)工作，而對(duì)設(shè)備的評(píng)估分析也有利于后續(xù)檢修維護(hù)［1］。

1 鍋爐故障分析

鍋爐部件主要由鋼、鑄鐵、不銹鋼和高溫合金制成。鍋爐管故障是電廠中非常普遍的現(xiàn)象。調(diào)查鍋爐管道故障的原因?qū)τ诜乐刮磥?lái)鍋爐故障非常重要。識(shí)別正確的故障機(jī)制通常有助于確保設(shè)備的完整性。鍋爐管失效的原因有很多，如點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、應(yīng)力破裂、蠕變、侵蝕和熱疲勞。鍋爐管故障是計(jì)劃外或強(qiáng)制鍋爐停運(yùn)的主要原因，這可能導(dǎo)致緊急停機(jī)、生產(chǎn)損失和昂貴的維修費(fèi)用。局部腐蝕是一種局部變薄或金屬損失的形式，是電廠行業(yè)中鍋爐管道故障的最常見(jiàn)原因之一。據(jù)報(bào)道，這種管道故障機(jī)制占造成化石燃料發(fā)電廠所有管道故障的25%左右。管子在使用中的局部腐蝕是由于管壁損失機(jī)制造成的，這是由于飛灰、落渣和鍋爐燃燒室散發(fā)的煤顆粒對(duì)管子表面的磨損。這些管子的局部腐蝕也可能是由于吹灰器將高速蒸汽射流誤導(dǎo)直接撞擊管子表面，或由于相鄰管子的蒸汽切割（當(dāng)故障管子破裂和高動(dòng)量蒸汽逃逸撞擊相鄰管）。隨著時(shí)間的推移，在這些影響下的管子將經(jīng)歷顯著的壁厚損失，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的塑性變形并最終爆裂。

多年來(lái)，鍋爐管的故障評(píng)估包括冶金故障調(diào)查、根本原因分析方法、管目視檢查、化學(xué)成分和使用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線的微觀結(jié)構(gòu)分析光譜學(xué)（EDS）等，以確定故障的原因。研究對(duì)部分原因提供了預(yù)防措施的建議。預(yù)測(cè)管子的剩余使用時(shí)間提供了控制侵蝕性顆粒特性（類型、大小、形狀、流速）的方案，并建議使用流量控制篩來(lái)重新分配侵蝕性顆粒、降低氣體速度和隨后降低侵蝕率。這些都有助于緩解問(wèn)題，但鍋爐管的局部腐蝕問(wèn)題仍然是導(dǎo)致管道泄漏的主要原因，因此，也是發(fā)電廠和其他公用事業(yè)中鍋爐計(jì)劃外停機(jī)的主要原因。

2 鍋爐特種設(shè)備的檢修

鍋爐的檢修操作無(wú)疑需要在鍋爐的停運(yùn)期間進(jìn)行。在此之前，操作員需要對(duì)正常運(yùn)行的鍋爐進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)檢查，保證鍋爐在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不存在直觀故障。每年，操作員都需要對(duì)蒸汽鍋爐進(jìn)行多次全面細(xì)致檢查，以檢測(cè)是否形成水垢、腐蝕、振動(dòng)、磨損、裂紋、過(guò)熱等問(wèn)題，這些問(wèn)題需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，以防止最終導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的故障。當(dāng)然，在工廠里有一種儀器，它是預(yù)測(cè)性維護(hù)的最佳“設(shè)備”，是操作員的耳朵。操作員可以檢測(cè)到許多指示即將發(fā)生故障的問(wèn)題，并采取措施防止故障發(fā)生。操作員可以檢測(cè)到聲音、振動(dòng)、溫度的變化（只需將一只手放在設(shè)備上），這需要在測(cè)試和監(jiān)控設(shè)備上投入大量資金。鍋爐廠操作人員的持續(xù)出勤是預(yù)測(cè)性維護(hù)的一項(xiàng)投資，有助于確保不會(huì)出現(xiàn)重大設(shè)備或系統(tǒng)故障等意外情況。通常是鍋爐操作員提供水處理的基本維護(hù)。鍋爐管的維護(hù)需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員在焊接和無(wú)損檢測(cè)（NDT）等領(lǐng)域進(jìn)行檢查和維修，還需要特殊的工具和設(shè)備設(shè)置，如用于檢查的超聲波設(shè)備、切割和坡口機(jī)、焊接、安裝板，和設(shè)置腳手架以供進(jìn)入，此外，也需要不同尺寸的備用管。所有這些資源都會(huì)產(chǎn)生成本，并且準(zhǔn)備工作會(huì)占用停機(jī)時(shí)間。同時(shí)，作為維護(hù)人員，具備專業(yè)的知識(shí)和檢修手冊(cè)是極其重要的。在進(jìn)行任何維護(hù)操作之前，都需要對(duì)整個(gè)設(shè)備有明確的認(rèn)知，以免在檢修過(guò)程中造成二次人為操作不當(dāng)引發(fā)的故障［2-3］。

3 鍋爐壓力部件維護(hù)

用于核電站、石化和不同工業(yè)領(lǐng)域的壓力容器暴露在高溫和多變的溫度、壓力和化學(xué)活性液體的快速流動(dòng)中，因此，導(dǎo)致在容器壁上形成不同形式的裂縫和不同尺寸的空腔。

鍋爐壓力部件是發(fā)電站的重要資產(chǎn)，眾所周知，燃煤發(fā)電站是計(jì)劃和強(qiáng)制停機(jī)成本的最大貢獻(xiàn)者之一。鍋爐受壓件的性能受多種因素影響，如輸出要求、計(jì)劃維護(hù)的持續(xù)時(shí)間、計(jì)劃維護(hù)的頻率、遵守法規(guī)、資源可用性和成本和煤炭質(zhì)量等，這些因素之間的內(nèi)在關(guān)系會(huì)影響維護(hù)決策的優(yōu)化。本節(jié)討論了優(yōu)化框架在電站鍋爐管維修優(yōu)化分析中的應(yīng)用。

由于長(zhǎng)期的內(nèi)部操作，鍋爐和壓力容器內(nèi)連續(xù)高溫，如果有裂縫出現(xiàn)，很容易造成安全生產(chǎn)事故，如鍋爐和壓力容器的爆炸，這將危害人類生命安全和公司財(cái)產(chǎn)。壓力容器故障的主要原因是容器的煙灰、結(jié)垢、腐蝕和熱沖擊。當(dāng)鍋爐在爐側(cè)表面產(chǎn)生大量煙灰時(shí)，它會(huì)顯著隔熱并減少傳熱，并導(dǎo)致效率損失。如果水邊表面積聚大量水垢，情況也是如此。小至1/8英寸的水垢或煙灰可將燃料成本上升25%，同時(shí)，還會(huì)顯著導(dǎo)致管板、熔爐和管道的壓力容器故障。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，第一個(gè)跡象是煙囪溫度明顯高于正常水平，這是由于缺乏熱量傳遞到容器的水背表面?；蛘撸?dāng)鍋爐停機(jī)一段時(shí)間后，可能有跡象表明設(shè)備前部或后部漏水。此外，管道水側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)氧氣點(diǎn)蝕（腐蝕），從而使水進(jìn)入管道的內(nèi)部爐側(cè)并泄漏到地板上。熱沖擊損壞是由于進(jìn)入鍋爐的給水溫度的根本差異造成的，并且很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)管和管板泄漏的根據(jù)，以及鍋爐的給水連接可能破裂。要解決鍋爐中的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題，首先要確保執(zhí)行適當(dāng)且定期的排污程序，包括表面和底部，并聘請(qǐng)合格的水處理專家推薦適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品和劑量以消除腐蝕和結(jié)垢。此外，還可以考慮使用除氧器來(lái)大大減少給水中的游離氧，減少對(duì)化學(xué)品的需求和過(guò)度頻繁的表面排污，從而節(jié)省能源成本。煙灰問(wèn)題是一個(gè)燃燒問(wèn)題，需要合格技術(shù)人員的技能，他們將讀取讀數(shù)并在整個(gè)燃燒器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)整燃料/空氣比。關(guān)鍵是要允許足夠的過(guò)量空氣以防止?jié)猓簾煟┗旌?，同時(shí)，將過(guò)量空氣保持在安全但可接受的有效點(diǎn)，同時(shí)從低火調(diào)節(jié)到高火。熱沖擊問(wèn)題很常見(jiàn)，可以是冷沖擊也可以是熱沖擊。通常，冷沖擊會(huì)導(dǎo)致壓力容器快速收縮，從而對(duì)焊縫和管板韌帶造成過(guò)大的應(yīng)變。解決方案是確保進(jìn)入鍋爐的給水盡可能接近其飽和溫度，這是考慮為鍋爐提供除氧器的另一個(gè)原因。除氧器是一種加壓容器，使用鍋爐的蒸汽提高給水溫度以驅(qū)除腐蝕性氣體（氧氣和二氧化碳）。通常，除氧器在約5psig（227 F）下運(yùn)行，但是，如果鍋爐在高于100psig（338 F）的更高范圍內(nèi)運(yùn)行，它可以在更高的壓力、溫度下運(yùn)行，關(guān)鍵是盡可能減小給水溫度與鍋爐運(yùn)行溫度之間的差異。

4 安全閥的檢修

任何鍋爐上最重要的裝置是安全泄壓閥，必須定期檢查。與通常做法相反，在高于安全閥設(shè)置的任何點(diǎn)對(duì)鍋爐進(jìn)行壓力測(cè)試沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)，唯一的例外是焊接維修后，然后由當(dāng)?shù)劐仩t檢查員自行決定。鍋爐永遠(yuǎn)不能在高于安全泄壓閥設(shè)置的壓力下合法運(yùn)行。如果管接頭在高于安全閥設(shè)置的壓力下進(jìn)行測(cè)試時(shí)泄漏，它們可能會(huì)在壓力下降，并恢復(fù)正常操作時(shí)密封。過(guò)度軋制管材可能只會(huì)削弱管材金屬。安全閥的狀況至關(guān)重要，檢查安全閥時(shí)，應(yīng)檢查所有相關(guān)的排放管道的尺寸、壓力等級(jí)和支撐是否正確。壓力容器和安全閥之間不應(yīng)放置閥門(mén)。在鍋爐運(yùn)行時(shí)，應(yīng)通過(guò)提升測(cè)試桿來(lái)測(cè)試它們是否可以自由運(yùn)行。抬起手柄時(shí)，熱水被強(qiáng)制排出，注意任何排放物都應(yīng)遠(yuǎn)離人員。閥門(mén)關(guān)閉后，應(yīng)檢查閥門(mén)是否存在泄漏，表明閥座上有污垢。如果第二次操作閥門(mén)后仍然存在泄漏，則應(yīng)更換閥門(mén)。

5 超聲波檢修技術(shù)

采用超聲波探傷法對(duì)鍋爐和壓力容器進(jìn)行無(wú)損探傷，其原理是利用介質(zhì)在傳播過(guò)程中發(fā)生的界面反射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)［2］。該方法靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢測(cè)效率高。所述超聲波探傷設(shè)備具有重量輕、對(duì)人體無(wú)害、體積小等特點(diǎn)，它可以快速檢測(cè)壓力容器、管道或鍋爐的缺陷，目前廣泛應(yīng)用于壓力容器、鍋爐等領(lǐng)域的安全評(píng)價(jià)。通常，新安裝的壓力容器、管道或鍋爐將使用X 射線進(jìn)行隨機(jī)檢查，但在檢查和檢查已經(jīng)運(yùn)行或使用中的壓力容器和管道時(shí)，X 射線在某些情況下可能受到地下作業(yè)和空中作業(yè)的限制，因此，超聲波更適合于已經(jīng)使用的壓力容器和管道的檢測(cè)。在超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，主要使用超聲波儀器。在對(duì)鍋爐管道進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，超聲波會(huì)進(jìn)入鍋爐。如果在檢查過(guò)程中超聲波受到阻力而返回，則說(shuō)明鍋爐管道有裂紋。此外，可以根據(jù)超聲響應(yīng)時(shí)間確定管道缺陷的大致位置，為后續(xù)的維修工作提供了方便。

6 預(yù)測(cè)性維護(hù)鍋爐

由于設(shè)備監(jiān)控和故障檢測(cè)，可以從預(yù)防性維護(hù)方法過(guò)渡到預(yù)測(cè)性維護(hù)方法。預(yù)測(cè)性維護(hù)需要有關(guān)設(shè)備當(dāng)前健康狀況的全面信息。額外的計(jì)量、物理過(guò)程建?；驍?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型可用于獲取信息。系統(tǒng)的集成及對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)使用高級(jí)分析的可能性使得該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法得以快速發(fā)展，從而提供了以廉價(jià)方式獲得洞察力的機(jī)會(huì)。預(yù)測(cè)性維護(hù)提供更好的預(yù)定修復(fù)計(jì)劃，最大限度地減少計(jì)劃內(nèi)和計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，這意味著應(yīng)減少對(duì)狀況良好的設(shè)備進(jìn)行不必要的維修；通過(guò)實(shí)時(shí)健康監(jiān)控，最大限度地減少停機(jī)的可能性；通過(guò)估計(jì)剩余使用壽命來(lái)更好地管理資產(chǎn)。

生產(chǎn)環(huán)境中，分析工作的一個(gè)重要問(wèn)題是確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于人工錄入的數(shù)據(jù)，如故障日志中錄入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)很少包含事件的具體時(shí)間、內(nèi)容，這對(duì)在來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)流的時(shí)間序列中正確分類事件和正確發(fā)生事件的時(shí)間提出了挑戰(zhàn)。此外，除了測(cè)量誤差的問(wèn)題外，傳感器數(shù)據(jù)還經(jīng)常受到其他設(shè)備的干擾，例如，測(cè)得的振動(dòng)值可能來(lái)自連接的組件，溫度指示受天氣條件的影響很大。有時(shí)，記錄的測(cè)量值不是來(lái)自傳感器，而是模擬值，這種做法用于避免安全系統(tǒng)中的錯(cuò)誤警報(bào)。上述方面顯著區(qū)分了生產(chǎn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，迫使數(shù)據(jù)存在高度的不確定性而進(jìn)行處理。

根據(jù)潛在故障對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，采用不同的維護(hù)方法進(jìn)行鍋爐的維護(hù)。無(wú)論是采用反應(yīng)性、預(yù)防性策略，還是預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，主要目標(biāo)都是以最低成本提供生產(chǎn)所需的容量，它可以通過(guò)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)最小化能源消耗。經(jīng)典的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)基于對(duì)設(shè)備物理特性的檢查和觀察，使用的技術(shù)包括視覺(jué)監(jiān)測(cè)（污染物、泄漏、熱像儀）、聲音監(jiān)測(cè)和物理監(jiān)測(cè)（溫度、振動(dòng)）。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和先進(jìn)的數(shù)據(jù)探索，可以實(shí)施遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)工具，以在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到設(shè)備故障之前的第一個(gè)警報(bào)出現(xiàn)之前的第一個(gè)故障癥狀。此外，還可以預(yù)測(cè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中部件的剩余使用壽命，例如，將深度學(xué)習(xí)作為最先進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法之一，如具有宏觀—微觀注意力的新型長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等科技時(shí)代下的產(chǎn)物。而在可再生能源領(lǐng)域也正在開(kāi)發(fā)許多應(yīng)用［4］。

由于不確定的數(shù)據(jù)和對(duì)專業(yè)知識(shí)的訪問(wèn)受限，研究學(xué)者利用回歸模型開(kāi)發(fā)出在不使用分類技術(shù)的前提下的異常檢測(cè)系統(tǒng)。因此，從學(xué)習(xí)過(guò)程中排除了有關(guān)已執(zhí)行維護(hù)工作的信息。異常檢測(cè)系統(tǒng)的概念假設(shè)為與設(shè)備連接的每個(gè)測(cè)量信號(hào)創(chuàng)建一個(gè)模型，并分析信號(hào)的真實(shí)（測(cè)量）值和預(yù)期值之間的差異。預(yù)期值是根據(jù)其他傳感器的當(dāng)前指示計(jì)算得出的，如正常行為建模方法中的全信號(hào)重建概念。模型是用檢查時(shí)間之前的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練的，并且假設(shè)在登記故障之前的時(shí)間里，這些值之間的差異會(huì)增加。

在創(chuàng)建的回歸模型的訓(xùn)練階段，使用的輸入數(shù)據(jù)集包含從發(fā)電信息管理系統(tǒng)（PGIM）離線獲得的原始?xì)v史測(cè)量值。PGIM 系統(tǒng)是發(fā)電廠使用的分布式控制系統(tǒng)（DCS）信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，數(shù)據(jù)包括來(lái)自位于被監(jiān)測(cè)泵單元（如來(lái)自軸承）上的各種傳感器的溫度、油壓、電流和操作參數(shù)的設(shè)置。雖然，所提出的方法屬于監(jiān)督算法組，但它的使用不需要太多的分析技術(shù)，因?yàn)閷W(xué)習(xí)過(guò)程中的標(biāo)簽實(shí)際上是輸入數(shù)據(jù)集的一個(gè)元素。因此，無(wú)需專業(yè)知識(shí)、歷史事件的詳細(xì)分析和生產(chǎn)過(guò)程的知識(shí)，就可以在許多領(lǐng)域快速有效地使用這種方法［5-6］。

7 結(jié)語(yǔ)

歸根結(jié)底，鍋爐中的所有組件都很重要，并有助于鍋爐使用的高效性、可靠性和安全性，這就是為什么保持準(zhǔn)確的鍋爐房日志至關(guān)重要，要定期檢修并記錄所有設(shè)備的使用情況。正是這種紀(jì)律及對(duì)操作人員的專業(yè)培訓(xùn)，不僅節(jié)省了無(wú)數(shù)能源和運(yùn)營(yíng)成本，而且還保護(hù)了樓內(nèi)每個(gè)人的安全和福祉。本文基于對(duì)鍋爐特種設(shè)備的故障造成因素進(jìn)行分析，并提出了切實(shí)可行的檢修方案，以期為行業(yè)鍋爐檢修的可靠性與安全性作出貢獻(xiàn)。