浙江省能源業(yè)聯(lián)合會(huì) 馬建勛 浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所有限公司 周 楨 趙洲峰

杭州意能電力技術(shù)有限公司 張 寶 武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 宋 濤

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，火力發(fā)電一直是保障我國(guó)電力供應(yīng)安全的主要來(lái)源，2022年我國(guó)火電發(fā)電量58058.7億kWh，同比增長(zhǎng)8.9%，占總發(fā)電量的比重有所下降，但是仍占68.03%，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。隨著20世紀(jì)八九十年代興建的一批燃煤電廠陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，在“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)下，燃煤電廠機(jī)組的轉(zhuǎn)型發(fā)展和延壽評(píng)估問(wèn)題日趨緊迫，這些燃煤電廠機(jī)組的發(fā)展方向?qū)?duì)我國(guó)保障電力供應(yīng)安全，順利實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)產(chǎn)生重要影響[1]。

而火電機(jī)組延壽評(píng)估中的關(guān)鍵是機(jī)組核心構(gòu)件高溫承壓部件的安全性評(píng)價(jià)，高溫承壓部件主要是鍋爐水冷壁、高溫過(guò)熱器、高溫再熱器、省煤器以及爐外汽水管道，這些設(shè)備的事故約占全部鍋爐事故的50%～70%，有的電廠甚至達(dá)到80%。通過(guò)對(duì)主要高溫部件開(kāi)展壽命管理、壽命評(píng)估，及時(shí)掌握關(guān)鍵部件的剩余壽命及安全服役條件，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)開(kāi)展檢修，縮短檢修周期、及時(shí)更換缺陷部件，能夠消除安全隱患，現(xiàn)役大部分機(jī)組具備在設(shè)計(jì)壽命基礎(chǔ)上延壽運(yùn)行10～15年的能力[2]。

為了更好的服務(wù)煤電機(jī)組延壽，本文總結(jié)了幾種主要的煤電機(jī)組高溫部件壽命評(píng)估方法，通過(guò)對(duì)高溫部件開(kāi)展剩余壽命、服役安全性評(píng)估，結(jié)合壽命管理、監(jiān)測(cè)高溫部件的服役情況適時(shí)開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修，為煤電機(jī)組延壽安全服役提供保障。

2 煤電機(jī)組高溫部件主要材料

2.1 貝氏體耐熱鋼

煤電機(jī)組用貝氏體耐熱鋼主要是以12CrMo、12Cr2Mo和12CrlMoV代表的Cr-Mo及Cr-Mo-V系低合金耐熱鋼，一般服役于蒸汽參數(shù)545℃以下。貝氏體耐熱鋼具有良好的熱強(qiáng)性和抗高溫氧化性能，但是焊接性能較差[3]。

2.2 鐵素體耐熱鋼

鐵素體耐熱鋼具有高溫性能良好、低成本、易加工等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)作為燃煤電廠鍋爐管道關(guān)鍵部件的首選材料而獲得廣泛應(yīng)用[4]。鐵素體耐熱鋼的發(fā)展一方面是逐漸提高Cr元素的成分來(lái)提升高溫性能，另一方面是添加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素使得材料的10萬(wàn)h蠕變斷裂強(qiáng)度從35MPa逐步提高到60MPa、100MPa、180MPa。鐵素體耐熱鋼主要是以T/P91、T/P92和T/P122為代表的9%～12%Cr耐熱鋼，但是9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼抗高溫氧化性能不足，不能應(yīng)用于超過(guò)650℃的機(jī)組。

2.3 奧氏體耐熱鋼

燃煤機(jī)組高溫部件用奧氏體耐熱鋼主要是通過(guò)調(diào)整18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分來(lái)得到不同型號(hào)的奧氏體耐熱鋼，最初是通過(guò)添加Ti、Nb來(lái)提高鋼的高溫穩(wěn)定性，在保持穩(wěn)定性的前提下適當(dāng)降低Ti和Nb來(lái)提高蠕變強(qiáng)度，然后添加Cu來(lái)提高沉淀強(qiáng)化效果，添加W來(lái)增加固溶強(qiáng)化效果。主要有TP304H、Super304H、TP347H、TP347HFG、TP310、HR3C以及鎳基高溫合金等。

3 煤電機(jī)組高溫部件壽命評(píng)估方法

3.1 等溫線外推法

等溫線外推法是高溫材料在一定溫度下，根據(jù)金屬蠕變斷裂的基礎(chǔ)理論，由較高應(yīng)力下的短時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推較低應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)的一種安全性評(píng)價(jià)方法，其公式如下：

式中，τ為斷裂時(shí)間，h；σ為應(yīng)力，MPa；A、B為與試驗(yàn)溫度和材料有關(guān)的參數(shù)。

將式（1）中兩邊分別取對(duì)數(shù)可得：

由此可知，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，τ與σ為直線關(guān)系，由持久強(qiáng)度試驗(yàn)獲得材料特性參數(shù)A和B，即可預(yù)測(cè)部件的理論壽命，進(jìn)而評(píng)價(jià)材料的安全性。

李巨峰[5]等人對(duì)高溫蒸汽發(fā)生器出口蒸汽接管管嘴用F91鋼開(kāi)展了總計(jì)50757臺(tái)時(shí)的600℃高溫持久性能試驗(yàn)。利用等溫線法外推了105h、3×105h的高溫持久強(qiáng)度極限，外推結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明材料能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2 Larson-Miller參數(shù)法（LM參數(shù)法）

LM參數(shù)法是基于提高試驗(yàn)溫度來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間，把時(shí)間-溫度表示成一個(gè)互相補(bǔ)償?shù)膮?shù)，其公式如下：

式中，τr為斷裂時(shí)間，h；T為試驗(yàn)溫度，K；C為材料常數(shù)；P（σ）為應(yīng)力的函數(shù)。

LM參數(shù)法在高于服役溫度的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，材料應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)會(huì)提前，因此只要將幾個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，就能把轉(zhuǎn)折點(diǎn)包含進(jìn)去，具有較高的準(zhǔn)確度。將lgσ和T（C+lgτr）作圖，即可外推剩余壽命，進(jìn)行完全性評(píng)價(jià)。孫林根[6]等人利用Larson-Miller參數(shù)法對(duì)高溫管道材料T/P91鋼開(kāi)展壽命評(píng)估。在兩種LM參數(shù)法方程形式中，采用最佳常數(shù)C值進(jìn)行T/P91鋼持久強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果如圖2所示，壽命評(píng)估結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，LM參數(shù)法的適用溫度范圍寬，外推結(jié)果可靠。

圖2 最佳常數(shù)C的持久曲線

圖3 壽命評(píng)估結(jié)果

但是LM參數(shù)法關(guān)鍵在于C值的確定，靠查表或者簡(jiǎn)單將C值確定為20都存在較大的偏差。戴長(zhǎng)清[7]等人則通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析的方法給出了T91/P91、T92/P92、T122/P122鋼的LM參數(shù)法最佳C值，其中T91/P91中C=30、T92/P92中C=38、T122/P122中C=27.5，這對(duì)于工程應(yīng)用也具有較高的參考價(jià)值。

3.3 基于熱力學(xué)的壽命評(píng)估方法

傳統(tǒng)的利用蠕變曲線外推的方法普遍都不夠準(zhǔn)確，考慮到耐熱鋼的使用壽命和微觀組織結(jié)構(gòu)存在必然的聯(lián)系，因此有學(xué)者提出了基于熱力學(xué)的蠕變使用壽命預(yù)測(cè)方法，因?yàn)檫@些方法加入了微觀組織結(jié)構(gòu)變化的因素，所得結(jié)論更為精確。

Kyu Seop Park[8]等人利用基于熱力學(xué)的Ω應(yīng)變速率方法研究了T91鋼600～650℃的壽命預(yù)測(cè)情況，結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明考慮材料微觀結(jié)構(gòu)修正傳統(tǒng)算法所得到的壽命評(píng)估方法預(yù)測(cè)結(jié)果更為精準(zhǔn)。

圖4 基于熱力學(xué)方法的T91鋼剩余使用壽命評(píng)價(jià)結(jié)果

3.4 基于超聲波檢測(cè)技術(shù)的壽命評(píng)估方法

超聲波用于高溫金屬部件壽命評(píng)估有兩個(gè)方案。一個(gè)是雖然金屬蠕變初期，蠕變孔洞尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)，超聲波無(wú)法直接檢測(cè)出蠕變損傷，但是超聲波在蠕變損傷的材料中傳播時(shí)，超聲波的反射回波、聲速、聲衰減等都會(huì)發(fā)生變化，這些參數(shù)的變化可以表征材料的蠕變損傷程度，進(jìn)而進(jìn)行壽命的評(píng)估。另一個(gè)是高溫金屬在使用過(guò)程中會(huì)形成氧化膜，在高溫部件運(yùn)行的當(dāng)量溫度下精確測(cè)量氧化層厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)高溫部件剩余壽命的目標(biāo)。

Chung-Seok Kim[8]利用非線性超聲技術(shù)對(duì)12Cr 3.45W鐵素體進(jìn)行蠕變壽命進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，在蠕變第Ⅰ階段，超聲波非線性參數(shù)急劇下降，在蠕變第Ⅱ階段和第Ⅲ階段，超聲波非線性參數(shù)呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，一直到試樣斷裂為止。在蠕變斷裂后，由于材料內(nèi)部出現(xiàn)了孔洞，非線性參數(shù)顯著上升。借助此成果，構(gòu)建非線性參數(shù)與蠕變曲線之間的聯(lián)系，工程應(yīng)用時(shí)測(cè)試對(duì)象的非線性參數(shù)即可知曉材料的蠕變狀態(tài)，進(jìn)而獲得材料剩余使用壽命的結(jié)果。

圖5 非線性參數(shù)和蠕變曲線的關(guān)系

張華愷[9]等人利用ODS2002超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)544～589℃服役14萬(wàn)h的高溫過(guò)熱器和高溫再熱器用鋼102進(jìn)行基于氧化膜厚度的剩余使用壽命評(píng)估。結(jié)果對(duì)80根高溫過(guò)熱器管和204根高溫再熱器管給出了較為準(zhǔn)確的剩余使用壽命范圍。

3.5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高溫部件安全性評(píng)價(jià)方法

近年來(lái)，利用人工智能和大數(shù)據(jù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)成為材料研究的熱點(diǎn)方向，此方法在材料使用安全性評(píng)估上也取得了一定的進(jìn)展。機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理是，將材料服役環(huán)境因素作為輸入，將服役性能（如蠕變速率、疲勞強(qiáng)度、蠕變壽命）作為目標(biāo)量，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，將大量的已知參數(shù)輸入模型，完成機(jī)器自學(xué)習(xí)，選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)；如果將材料參數(shù)和環(huán)境因素作為輸入建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，也可以設(shè)計(jì)出高性能材料。

Osman Mamun[10]等人基于機(jī)器學(xué)習(xí)，提出了針對(duì)9%～12%Cr鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的算法流程，基于GBDT算法的數(shù)據(jù)集進(jìn)行蠕變斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)，如圖6所示，同時(shí)基于通過(guò)Shapley值進(jìn)行優(yōu)化分析，該模型能夠有效應(yīng)用于預(yù)測(cè)9%～12%Cr鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的蠕變性能，進(jìn)而分析剩余使用壽命。

圖6 基于GBDT算法的蠕變斷裂預(yù)測(cè)結(jié)果

4 總結(jié)和展望

目前，對(duì)于煤電機(jī)組高溫部件用耐熱鋼的剩余使用壽命評(píng)估已經(jīng)取得了很多研究成果，在工程應(yīng)用上也成效顯著能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料壽命。但是現(xiàn)行評(píng)估技術(shù)都是基于材料的實(shí)際特征信息來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，比如材料的成分、力學(xué)性能、服役參數(shù)、試驗(yàn)參數(shù)等，并且試驗(yàn)工況與實(shí)際工況上存在差異，這其實(shí)無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫材料蠕變斷裂走向的預(yù)測(cè)。同時(shí)，基于蠕變斷裂理論、熱力學(xué)或者機(jī)器學(xué)習(xí)等壽命評(píng)估方法需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，人力物力耗費(fèi)較大。此外，現(xiàn)有壽命評(píng)估方法多數(shù)采用取樣分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線的壽命評(píng)估，這不利于煤電機(jī)組延壽后的在線壽命管理。

因此，對(duì)于未來(lái)煤電機(jī)組高溫部件壽命評(píng)估有兩個(gè)發(fā)展方向：一是研究清楚高溫材料蠕變—溫度—時(shí)間之間的宏觀、微觀機(jī)理，建立更為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)分析模型；二是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)高溫材料進(jìn)行使用壽命評(píng)估、在線監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)。相信通過(guò)大量的研究工作和不斷地工程技術(shù)實(shí)踐，煤電機(jī)組高溫部件壽命評(píng)估一定能夠真正實(shí)現(xiàn)。