锅炉受热面取样管寿命评估

锅炉受热面取样管寿命评估

杜胜祥

广东省能源集团有限公司沙角A电厂   523936

摘要：文章对锅炉受热面管寿命评估开展研究。在分析锅炉受热面管寿命评估可产生的价值基础上，以某火电厂火电机组为例，在分析机组概况基础上分别从事取样试验、实验结果、当量壁温计算、剩余寿命评估几环节的研究。仅以本文研究成果，一定程度指导我国火电厂检修队伍开展高水平锅炉受热面管使用管理。

关键词：火电厂；锅炉受面管；寿命评估；取样试验

火电厂生产、发电期间，火电机组下主蒸汽管道、导气管道、汽缸、集汽三通等诸多零部件需长期在高压、高温环境下作业，且部分设备需要伴随高温、高压工作环境进行高速旋转，且需要面对磨损、腐蚀等一系列因素的影响，这些零部件微观组织，随着使用周期的推移会严重劣化，出现蠕变损伤。在诸多火电机组零部件中，最易于失效的部件当属锅炉受热面管。因此，开展锅炉受热面管寿命评估研究，对于火电厂机组稳定运行有至关重要的价值。

一、锅炉受热面管寿命评估价值

基于以往资料统计分析，锅炉受热面管失效所引发的火电机组停机临时检修占总次数超过40%。因此，开展锅炉受热面管寿命评估，有助于火电厂检修队伍及时了解受热面管使用情况，判定其是否需要更换，从而降低因锅炉面管失效而导致火点机组停运的概率，促进火电厂火点机组运行的稳定性、持续性，降低锅炉受热面管爆管的风险，提升火电机组锅炉设备运行安全性[1]。

二、锅炉受热面管寿命评估实践研究

（一）机组概况

某火电厂火电机组锅炉设备，采用上海锅炉厂制造的SG-1025/18.3M317型亚临界中间再热控制循环汽包炉，于1993年正式投产，额定工况之下，热蒸汽流量为1025t/h，18.3MPa过热器出口压力，541°C蒸汽窗户口温度，再热蒸汽进/出口压力分别为3.86MPa，3.65MPa，再热蒸汽进/出口温度分别为323°C、541°C。截止至2021年年底，该锅炉设备累计运行时间20.6万小时。

为有效掌握锅炉机组受热面管运行状态，同时避免锅炉受热面管出现爆管现象，实现设备及时更换，委托某锅炉压力容器检验中心进行锅炉受热面管寿命评估。

（二）取样试验过程

1.取样部位与参数

本次面向该火电厂锅炉受热面管进行的取样试验，取样设备包括屏式再热器、末级再热器、低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器。表1位取样试验设备、具体部位、材质参数：

表1 取样试验相关参数

2.宏观检查

对自锅炉设备取样得出的12根样管进行宏观检查，对表面磨损情况、胀粗情况、机械损伤情况、变形情况以及裂纹情况进行缺陷分析。

3.厚度测量

试验阶段，运用DM5E超声测厚仪对12根样管进行四个点位厚度测量，试验期间参考文件为《无损检测 超声测厚》文件。

4.化学成分分析

化学成分分析试验阶段，利用合金分析仪针对12根样管开展光谱分析，试验过程、标准严格遵循《电力设备金属光谱分析技术导则》文件以及《火力发电厂焊接技术规程》文件下针对各项材料化学成分的规定。

5.金相组织及管内壁氧化层

针对12根样管，按照编号顺序分别进行金相试样机械研磨制备，在抛光处理后，使用金相显微镜开展管内壁氧化层分析、厚度测量，同时进行浸蚀处理后，针对吉祥组织开展分析、评定。

6.硬度试验

硬度试验阶段，使用显微硬度计，针对12个金相试样开展硬度检测，基于《黑色金属硬度及强度换算值》文件进行实测显微硬度值布氏硬度换算，且严格遵循《火力发电厂金属技术监督规程》文件对各种材质布式硬度值提出的规定。

7.室温拉伸试验

利用危机控制电液伺服万能试验机，针对12根样管背火面、向火面进行取样，随后开展常温拉伸性能试验。试验阶段，主要参考《金属材料 室温拉伸试验方法》问价以及《高压锅炉用无缝钢管》文件下面对各项材料的力学性能指标所提出的规定[2]。

（三）试验结果分析

宏观检查下，12根样管外观不存在明显的磨损现象、变形现象，同时不存在机械损伤、裂纹、胀粗等宏观缺陷。

厚度测量下，A1样管、A4样管实测厚度值较低，其他样管均符合设计要求。

化学成分分析下，分析结果线束12个取样样管合金元素成分，均符合技术要求。

金相组织及管内壁氧化层分析下，屏式再热器、末级再热器等取样部位的氧化层厚度数据见表2：

表2 金相组织及管内壁氧化层分析数据

硬度试验下，实验结果证明12根样管实测硬度值，均符合设计及要求。

室温拉伸试验下，实验结果显示屏式再热器的A10、A12样管延伸率，已经低于技术要求下限，其他样管多项力学性能均符合设计要求。

（四）当量壁温计算

完成取样综合试验结果后，需结合受热面管的当量金属温度，以及其运行应力下Larson—Miller公式进行整体分析。随锅炉受热面管于高压、高温环境运行期间累积，金属材料将逐步出现高温氧化，形成内壁氧化层，继而增加热交换阶段热量传递的热阻，促进受热面管实际温度的提升。因此，需将受热面管内氧化层厚度，换算成为当量运行温度，从而确定时间增量下消耗的蠕变寿命系数。针对该火电机组锅炉取样下SA-213T91材质、15CrMo材质进行当量运行温度计算，如式1：

               （1）

式1内，分别表示锅炉受热面管当量金属温度（单位：°C）、锅炉受热面管内壁氧化层具体厚度（单位：mm）。分别为锅炉受热面管已经运行的时间（单位：h）以及两种受热面管材料常数。针对受热面管取样下的TP347H当量运行壁温计算表达式如式2：

               （2）

式2中，分别为管内壁氧化层厚度（单位：mm）、受热面管的当量金属温度（单位：°C）、受热面管已运行的时间（单位：h）。分别为Arrhenius常数（单位：mm2/h）、激活能（单位：J/mol）、通用气体常数（单位：J/K·mol）。基于式2计算，最终得出12根样管当量壁温计算结果，如表3：

表3 12根样管当量壁温计算结果

（五）剩余寿命评

结合上述当量金属温度的计算结果，运行面向盈利的Larson—Miller，即：

                （3）

式3内，为锅炉受热面管当量金属温度（单位：°C）、蠕变断流寿命（单位：h）,则为周向应力（单位：MPa）、Larson-Miller参数。后续运行期间，基于氧化、磨损、腐蚀作用，受热面管管壁厚度将变薄导致应力升高，蠕变速度将发生改观，实际寿命将持续缩短。故进行理论寿命计算，需要考虑壁厚减薄率，而剩余寿命，则可以式4计算：

                       （4）

式4中，为理论计算寿命，为剩余寿命，为累计运行时间。基于上述式4，最终得出该火电厂火电机组受热面管不同部位取样的剩余寿命[3]。见表4：

表4 试验取样剩余寿命计算

结束语：本文针对锅炉受热面管进行寿命评估研究，基于本文阅读，可了解到从事锅炉受热面管寿命计算，应围绕屏式再热器、末级再热器、后屏过热器等部位分别开展取样，针对取样进行宏观检查、厚度测量、化学成分分析、金相组织及管内壁氧化层、硬度试验、室温拉伸试验，同时结合当量壁温计算与Larson—Miller公式，方可得出取样部位的剩余寿命。相关火电企业可对本文加以借鉴，以有效掌握锅受热面管运行情况，及时更换，提升锅炉运行安全性、稳定性。

参考文献

[1]柏盛,洪玮鑫,陆云.罗泾燃机发电厂1号机组余热锅炉受热面管氧化层检测和当量寿命计算[J].电力与能源,2022,43(02):178-180.

[2]冯亦武,吴家伟,隋鑫.锅炉受热面管半定量风险评估技术研究与应用[J].黑龙江电力,2021,43(03):213-216.

[3]周国东, 王淋韵, 贺延枫,等. 锅炉受热面异常工况吹损寿命评估的初探[J]. 电力设备管理, 2021(15):2-3.