在用蒸汽鍋爐爐管剩余壽命的預測分析

張英豪，楊 楠，于成志，董 博，趙 哲

（大慶石化公司檢測公司，黑龍江大慶163714）

在用蒸汽鍋爐爐管剩余壽命的預測分析

張英豪，楊 楠，于成志，董 博，趙 哲

（大慶石化公司檢測公司，黑龍江大慶163714）

針對蒸汽鍋爐爐管失效問題及剩余壽命進行了分析，結合國外相關標準化，提出了爐管的2種剩余壽命評估方法。應用金相圖片及高頻超聲波氧化層測厚法，對爐管剩余壽命準確的預測，并在鍋爐的實際檢驗中得以應用。

蒸汽鍋爐；爐管檢驗；剩余壽命預測；氧化物厚度

在鍋爐檢驗中，通過鍋爐運行資料審查、定期的檢測鍋爐爐管材料劣化（蠕變、疲勞、球化、高溫腐蝕等），從而對鍋爐爐管剩余壽命進行預測分析。結合有關國內文獻對爐管壽命預測提出了2種可行的計算方法，即運行歷史審查對爐管蠕變壽命評估法；公式計算爐管蠕變壽命法。為確定鍋爐的使用年限和制定相關規程提供借鑒。

1 運行歷史審查對爐管蠕變壽命評估法

該評估方法是根據蠕變程度，依靠應力及溫度2個方面因素，而運行歷史就能提供應力和溫度這方面信息，再結合材料的斷裂數據，來進行蠕變剩余壽命百分率計算。

在評估中，估定材料溫度時，應注意鍋爐設計的額定溫度并不等于金屬材料壁溫，爐管材料的溫度可能高一些（水冷壁管，過熱器管材等）。也可能低一些（集油聯箱，注蒸汽管等）還要依靠介質的流動方向以及鍋爐系統中所處位置。

確定運行金屬必須在運行中實地測量，現在大中型蒸汽鍋爐高溫受壓元件都有測溫儀表。對于運行中的應力存在。它還存在著開孔，相鄰部件的互相牽制產生的附加應力。這些應力在設計時有一些未能充分考慮。這就要求在審查中注意進行具體應力分析對一些比較復雜結構最好用有限元分析法。確定了溫度和應力之后下一步就是材質蠕變斷裂數據。對于常用材質可以查閱到這個數據，對于這個數據選取，其一就是設計規范給出的材質標準斷裂數據，其二就是應用BS500中ISO平均特性曲線，ISO斷裂強度通常除以1.25得出最小蠕變斷裂數據。最后應用RobinSon壽命分數規則。從設備記錄中整理出直方圖來表示評定部位的離散應力水平和溫度。斷裂時間應以蠕變斷裂數據來建立。

2 公式計算爐管蠕變壽命法

爐管蠕變壽命評定計算程序包括7個步驟。

（1）對于爐管從最初置于高溫條件到最終蠕變斷裂失效的整個斷裂時間tnr計算式［1］:

式中 tr（0）—無壁厚減薄的整個斷裂時間；k—爐管外壁的減薄率；n—蠕變公式中冪指數。

（2）壁厚的減薄由爐管外壁高溫腐蝕引起，減薄率k的計算:

式中 t—時間；W—時間t時的厚度；W0—原壁厚。

（3）二次蠕變率的計算:

式中 ∈—二次蠕變率；σ—應力；A—應力因子。

（4）給定爐管“無減薄”整個斷裂時間tr（0）是金屬溫度和應力的函數［2］:

式中Teq—等效金屬溫度，定義是“把產生同等冶金狀態的等效恒定溫度代替復雜變化的溫度。”

（5）Teq可以從氧化層厚度評估出來，它是當量溫度時間t及氧化層厚度X的函數:

（6）氧化層的厚度根據操作時間和金屬溫度的關系求出經驗公式[3～5]:

式中 A、B、C1為常數，對于斷裂的情況:

假設X在斜率S下線性隨時間變化:

則對于斷裂時:

對于a1、a2、a3的取值，由相關材料的經驗參數確定。

（6）對于等效金屬溫度包括在Larson-Miller參數P2中，P2表示鋼材蠕變斷裂試驗數據性能特征。

（7）對于應力δr（0）在無壁厚減薄情況下:

式中 OD—爐管內直徑；P—內壓，W0—原壁厚。

式中 tnr—蠕變斷裂時間；k—壁厚減薄率，用檢驗時間來代替運行時間；n—材料特性參數；P2—管子無減薄時從適合文獻蠕變斷裂數據獲得，在相關文獻中查得；δr（0）—不變的應力；C2—常數，取值20。

最后，由檢驗時間代替運行時間，氧化層厚度應用檢驗時的實測厚度，就可以應用來逐次逼近求整個斷裂時間tnr。從而完成鍋爐爐管剩余壽命的預測分析。

3 結束語

應用公式計算爐管蠕變壽命得出的理論值和實際運行壽命有一定的差別，這是因為應用的有關計算數值都不是精確的。像材料特性以及幾何特征和操作參數都是保守值，并且這2種算法計算值都是單一值，實際上輸入值都有一定的不確定性。所以還有待于進一步完善。

這2種方法為鍋爐爐管檢驗及剩余壽命評定提供了新的計算方法，并且已經得到斷管斷裂的數據證明，且已經在HG410/100-11型爐管剩余壽命評定中得以初步應用，獲得了較好的效果。

［1］吳非文.火力發電廠高溫金屬運行［M］.北京:水利電力出版社，1981:110-111.

［2］方英鶴.關于主蒸汽管道蠕變測量方法的探討［J］.電力技術，1984，17（10）:38-41.

［3］劉尚慈.主蒸汽管道負蠕變及蠕變變形壽命損耗量修正［J］.中國電機工程學報，1990，10（4）:27-30.

［4］劉尚慈.主蒸汽管道蠕變變形壽命損耗量［J］.武漢水力電力大學學報，1995，28（5）:15-17.

［5］周順深.用持久強度計算高溫部件剩余壽命的不可靠性［J］.華東電力，1995（6）:52-53.

Predictive analysis of remaining life of in-use steam boiler tubes

Zhang Yinghao，Yang Nan，Yu Chengzhi，Dong Bo，Zhao Zhe
（Detection Company of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Analysis was made aiming at the steam boiler tube failure problem and remaining life，2 kinds of evaluation methods of remaining life was proposed combined with relevant foreign standardization.Using metallograph and high-frequency ultrasonic wave oxide lay thickness measuring method，accurate prediction was made to the remaining life of boiler tubes，so that the measuring method can be used in practical inspection.

steam boiler；boiler tube；remaining life prediction；oxide thickness

TK22

B

1671-4962（2017）02-0049-02

2017-01-21

張英豪，男，工程師，1998年畢業于燕山大學機電一體化專業，現從事特種設備檢驗檢測工作。