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(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)說(shuō)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(lái)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(guò)金屬壁溫的初步估算，初步判斷是否存在過(guò)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(wú)法接受的風(fēng)險(xiǎn)；最終，通過(guò)減薄與過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(pán)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(lái)，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(lái)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(jiàn)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(kāi)展過(guò)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(wú)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(lái)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(kāi)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(wú)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(wú)法接受。剩余壽命計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(wú)法滿(mǎn)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(yǔ)

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。