锅炉高温受热部件寿命的计算方法.docx

文章编号: 100026761 (2000) 0120528203锅炉高温受热部件寿命的计算方法魏铁铮,谢英柏(华北电力大学, 保定 071003)摘要: 电站锅炉的过热器和再热器是锅炉的重要部件, 其工作状况直接影响机组的安全运行和经济性。作者提出了锅炉高温受热部件寿命的一种计算方法, 用于预测这些部件的寿命。 图 1主题词: 电站锅炉; 高温部件; 蠕变; 寿命; 计算中图分类号: t k 223. 3文献标识码: a生不可忽略的氧气腐蚀; 其四, 在过热器和再热器管子内部流动的是高温蒸汽, 流过的蒸汽和这些 管子的温度都比较高, 因而会在这些管子的内表 面上产生汽水腐蚀。 虽然这种管子内部的腐蚀不 如管子外部的烟气的氧腐蚀那么强烈, 但这种汽 水腐蚀也是不可忽略的; 其五, 虽然过氧器和再热器, 尤其是高温过热器和高温再热器的管子金属 温度超过了蠕变温度, 但是在低于蠕变温度时对 金属破坏起重要作用的疲劳, 对这些高温金属也 应当有一定的破坏作用。这样看来, 锅炉高温金属管子在锅炉运行时有两方面的损伤: 一方面是由于管子内外的腐蚀 和管子外部的磨损, 使管子管壁在减薄, 致使管子 金属所经受的应力加大; 另一方面是由于管子金 属在高温蠕变的作用下, 其强度在降低。引言0锅炉是火电机组中最重要的部件之一, 其工作的好坏对整个电厂运行有举足轻重的作用。 在 锅炉的事故中, 所谓的四管爆裂问题, 即水冷壁、 省煤器、过热器、再热器金属管子的爆裂问题占有相当大的比重, 而过热器和再热器的爆管问题又 是最常见的事故, 是影响发电机组经济安全运行 的最重要的问题之一。 笔者研究了过热器和再热 器的工作状况, 提出了一种计算其寿命的方法, 期 望对过热器和再热器的设计和运行中的寿命问题有所帮助。锅炉的过热器和再热器, 尤其是高温过热器 和高温再热器, 它们的工作条件是很恶劣的。 其一, 它们的工作温度都超过 550c , 有的甚至超过600c , 即超过了该金属的蠕变温度, 属于高温金 属。同时, 在这些金属管子内部承受着巨大的工质压力, 在管子金属内部有相当大的机械应力, 因而 会受到高温蠕变的损伤; 其二, 过热器和再热器管 子金属的外表面直接暴露在高温烟气中, 由于高 温烟气中有很多固态的飞灰颗粒, 因而这些管子的外表面受到飞灰颗粒的磨损。 虽然这些管子的 磨损没有省煤器管子磨损那么严重, 但也是一种 不可忽视的损伤; 其三, 虽然由于在烟气中有相当 多的过量氧气, 同时这些金属管子的外表面温度 又比较高, 因而在这些管子金属的外表面上会产1锅炉高温部件寿命的计算考虑锅炉高温金属管子的寿命时, 应用材料持久强度的概念: 持久强度是材料在给定的温度下, 经过规定的时间发生破裂的应力。持久强度是 随时间的推移下降的1 。计算锅炉高温金属管子应力的公式2 如下:本文锅炉管子的应力计算按薄壁圆筒的应力 计算公式进行。 计算时应当考虑管子使用时的温 度变化, 应力按锅炉额定压力下的应力计算, 这样 做可使计算简化, 但比较保守。 为了符合实际, 用一个修正系数 k p , k p 考虑了锅炉管子的供货状 况、制造、运行等不利因素的影响。应力计算公式:收稿日期: 1999- 03- 22作者简介: 魏铁铮, 1981 年毕业于华北电力学院北京研究生部电厂工程专业, 获工学硕士学位, 现任华北电力大学动力系副教授。第 1 期动 力工 程5291. 2由于烟气的飞灰磨损管子的壁厚减薄的求法由于烟气中飞灰对管子外壁磨损使锅炉壁面k p pd =(1)2s式中p 管子中工质的压力,m p ad 管子的平均直径, mms 管子的壁厚, mm由于锅炉高温金属管子在运行中要受到内外 腐蚀和管子外部的磨损, 因而管子壁厚有所减薄,可用下面的公式计算管子的实际薄厚:减薄可以利用下面的公式4求得s m =(8)aa 公式中的系数, a = 5. 0 1- 3 运行的时间, h锅炉高温金属管子材料的持久强度的计算随着锅炉运行时间的延长, 其高温金属管子式中1. 3(2)s = s b - s w - s n - s ms b 最初管子的壁厚s w 由于外部腐蚀管子减少的壁厚s n 由于内部腐蚀管子减少的壁厚s m 由于飞灰磨损管子减少的壁厚式中材料的持久强度是要下降的, 而且持久强度下降和材料的使用温度有关, 使用温度越高其下降速 度越快。各种钢材都有其持久强度与使用温度、使用时间的函数关系, 常见的有 l a r so n 2m ille r 参数 式, 其形式如下:1. 1由于内外部腐蚀管子减少壁厚的求法对于由于锅炉管子金属在烟气中和高温蒸汽 中的腐蚀而减少其壁厚的求法, 笔者采用了机电工程金属材料手册中规定的方法。对于计算实例t (c + lg) = p ()t 钢材的使用温度, kc 钢材常数 钢材的断裂时间(9)式中中过热器和再热器所用的钢材 12c r1m ov汽中和烟气中氧化参数的计算公式如下:在蒸p () 钢材的热强参数, 其中 为使用应力查阅有关参考文献5 , 找到 12c r1m ov 的由 试验数据整理而来的 c 值以及 p () 的关系式:14590 -(3)p 1 =lgt 116990 -(4)p 2 =lgt 2p () = c 0 + c 1 lg + c 2 lg + c 3 lg (10)c 0 = 31326. 6471c 1 = - 7392. 5601c 2 = 7554. 078523式中p 1 锅炉高温金属管子内表面的氧化参数p 2 锅炉高温金属管子外表面的氧化参 数t 1 管子的内表面温度, kt 2 管子的外表面温度, k 运行时间, h其中c 3 = -4224. 2146钢材常数 c = 23钢材寿命的计算方法由于疲劳和蠕变同时影响钢材的寿命, 利用1. 4根据参考文献 3中的氧化参数图, 腐蚀失重的计算公式如下:下式计算钢材的寿命nlgq1 =lgq2 =1 +2 +(5)(6)k 1 p 1k 2 p 2j = k 1(11)j = 1rj式中k 考虑疲劳与蠕变同时作用的系数,根据经验取 k = 1. 2j 在 j 参数下部件的运行时间r j 在 j 参数下部件的蠕变断裂时间 具体计算方法如下:(1 ) 首 先 假 设 一 个 较 短 的 时 间 间 隔, 例 如100h , 即式 (11) 中的 j ;( 2) 根据部件运行积累的时间, 前一步管子 金属的温度计算出管子金属由于腐蚀和磨损管壁 减薄的壁厚, 进而求出管子残余的壁厚和管壁减式中q1 由于内部腐蚀管子内表面的失重q2 由于外部腐蚀管子外表面的失重1 参数图中的系数, 1 = 4. 0896k 1 参数图中的系数, k 1 = - 0. 38061 参数图中的系数, 2 = 7. 5767k 2 参数图中的系数, k 1 = -0. 5421在求出管子表面失重后, 利用下式可以分别求出管子壁厚的减薄量 s n 和 s ws n = 10q1 和 s w =10q2(7)mm 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 530动 力工 程第 20 卷薄后管壁金属的温度;(3) 根据管子内部蒸汽的压力求出管子管壁 承受的压力;( 4) 用管子的应力、管子金属的温度代入式(10) 和式 (9) 中, 求出当时的寿命;( 5) 把求出的寿命作为 r j 代入式 ( 11) , 如果比值 jr j 的累加值小于 1, 重复上述步骤进行计 算, 并且积累运行时间; 如果比值的累加值大于或 等于 1, 计算结束, 此时的运行积累时间就是管子 的寿命。厂的原始数据。 计算的计算点管子的外壁温度为598c , 内壁温度为 595c。计算寿命为 12480h , 按 每天 24h , 每年 365 天计算, 管子的寿命为 14 年多。应当指出, 由于原设计的热力计算方法是苏联1957 年 颁 布 的 锅 炉 热 力 计 算 标 准 方 法, 不 适 宜200m w结果。锅炉机组, 因而, 影响了管子的寿命计算计算实例作者以唐山陡河电厂的 h g67014029 型锅 炉作为计算实例, 在锅炉的高温过热器热段上选 择了计算点, 如图 1 所示。管子的壁温计算采用参 考文献6 的方法, 热力计算数据利用哈尔滨锅炉2图 1 计算点位置a ca lcula t ion m e thod f or l if e- spanof bo iler h igh tem pera ture pa r tw e i t e i2z h en g ,x i e y in g 2bo(d ep t. o f pow e r e n g rg. , n o r th c h in a e lec t r ic pow e r u n iv. , b ao d in g 071003, c h in a)a bstra c t: t h e sup e rh ea te r an d reh ea te r o f p lan t bo ile r a re im po r tan t com po n en t s o f th e bo ile r, an dth e ir w o rk in g co n d it io n affec t s th e eco nom y an d safe ty o f th e w ho le u n it. t h e au tho r s o f th is p ap e r b r in g fo rw a rd a ca lcu la t io n m e tho d fo r life2sp an o f bo ile r h igh 2tem p e ra tu re p a r t to fo reca st th e life2 sp an o f th e se com po n en t s. f ig1.them e word s: sta t io n bo ile r; h igh tem p e ra tu re com po n en t; c reep ; life2sp an; ca lcu la t io n学会动态中国动力工程学会透平专委会征文启事由中国动力工程学会透平专委会组织的“1999 年透平行业学术交流研讨会”于 1999 年 12 月 1 3日在南京汽轮电机 (集团) 有限责任公司顺利召开, 根据该研讨会的精神和决定, 2000 年度中国动力工 程学会透平专委会的学术会议将于 2000 年 8 月在东方汽轮机厂举行。为在新世纪进一步推动我国电站制造行业的科学研究和产品开发, 更好地开展学术交流和信息传递, 现向国内汽轮机行业人士广泛征集学术性论文, 具体要求如下:( 1) 内容: 透平行业的学术性论文包括汽轮机、燃气轮机设计制造技术、热力计算、结构与强度、老 机组改造、振动与噪声、调节保安、故障诊断与测试技术、计算机运用、制造工艺材料及热处理和燃气2蒸汽联合循环技术等。 以及电厂机组安装调试、运行维护技术等。 专业不限。(2)要求: 须用文稿纸誊写或电脑打印, 如有插图须清晰无误, 稿件一式六份。信封上注明“征稿”字样。(3)(