基于壁温修正的锅炉受热面寿命损耗研究

华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要iAbstractii第一章 前 言11.1 课题研究意义11.2 管道蠕变失效21.2.1 蠕变失效简述21.2.2 蠕变失效影响因素21.3 寿命损耗研究现状31.4 壁温方面简述41.5 岱海电厂介绍5第二章 寿命损耗评估72.1 寿命损耗评估开展概况72.1.1 日本的研究状况72.1.2 美国的研究状况72.1.3 欧洲的研究状况82.2 寿命损耗的影响因素82.3 寿命损耗评估的方法92.3.1 寿命损耗分数法则92.3.2 参数法计算蠕变断裂时间10第三章 锅炉受热面的壁温计算133.1 壁温测量方式133.2 壁温计算方面研究现状143.3 壁温计算具体过程153.3 壁温修正163.3.1 壁温修正意义163.3.2 氧化皮修正部分173.3.2.1 氧化皮简析173.3.2.2 氧化皮对锅炉运行的具体影响173.3.2.3 基于氧化皮存在修正壁温计算过程183.3.2.4 氧化皮厚度的测量计算20第四章 应力计算214.1 一次应力部分214.2 热应力部分22第五章 岱海电厂相关计算225.1 岱海电厂一期末级过热器总体描述225.2 岱海电厂测量方式简述235.3 实际计算数据275.4 相关计算部分275.4.1 实际情况壁温及修正计算275.4.2 实际应力计算285.4.3 实际修正壁温寿命损耗评估28第六章 展 望296.1 寿命损耗评估方面296.2 壁温计算方面296.3 实际管理建议29第七章 总 结30结 语31参考文献32致 谢3333摘 要本文基于壁温修正的锅炉受热面寿命损耗评估，分析这个课题，拟通过对电站机组中长期工作在高温环境下的管道进行寿命损耗计算，来确定剩余寿命，优化运行方案。为得到更为准确的寿命损耗，本文定性定量的分析了寿命损耗的影响因素以及其计算方法，并针对寿命损耗计算中的壁温问题进行了深入探讨，分别于壁温的测量方面，计算方面，以及多因素修正壁温等方面做出了进一步的分析与研究。文章以内蒙古岱海电厂为例，结合带电厂一期工程末级过热器第一管排的具体结构参数及运行时的温度压力数据等，计算管道壁温并对其进行了氧化皮存在时的温度修正，同时计算了其运行时的应力大小，基于此得出了修正壁温前后的寿命损耗评估差距值。得到了对实际运行有益的结论，可以为电站实际运行提供一定的借鉴。关键词： 寿命损耗 壁温 氧化皮 岱海电厂AbstractBased on the modified wall temperature boiler heating surface life loss assessment, analysis of this issue, the proposed long-term work through the power plant units in the high temperature environment of the pipeline life loss calculations to determine the remaining lifetime, optimal operation scheme. In order to obtain more accurate life loss, this qualitative and quantitative analysis of the impact of loss of life factors as well as the calculation method, and for the life loss calculations wall temperature discuss issues in depth, respectively, in wall temperature measurements, calculations , as well as multi-factor correction wall temperature, etc. to make further analysis and research.Articles in Daihai plant, for example, combined with a power plant project final superheater specific structure of the first tube row parameters and run-time temperature and pressure data, calculate the pipe wall temperature and characterized by the presence of oxide temperature correction, and calculated the size of its operation, the stress, based on this wall temperature correction obtained before and after the gap between the value of life loss assessment. Get the actual run useful conclusions can actually run the power station to provide a reference.Keywords: Service Life Loss temperature oxide Daihai plants第一章 前 言1.1 课题研究意义由于社会经济对电能的依赖，势必要求发电机组向着高参数，大容量和高自动化的方向发展。在能源紧缺的大背景下，各火电厂为提高其自身的运行效率，近年来各机组的容量也在不断提高。在电站设备中，锅炉、汽轮机、发电机共称为电厂的“三大主机”。锅炉，在火电厂中作为一种能量装换的载体，是火电机组最重要的部件之一，在电站的运行中占据了重要地位。锅炉的容量大，结构复杂，系统涉及面广，因此锅炉运行的安全性直接影响了电厂运行的稳定性和经济性。同时，锅炉也是电厂设备中事故多发的地带，单纯的提高容量更会带来更多其他的运行事故。锅炉引发的问题引起了我国40%以上的非计划停机1并网电厂锅炉技术检测工会. 浅谈锅炉防磨防爆工作R. 江苏省:并网电厂锅炉技术检测工会, 2012.，其中受热面管道爆裂泄露等问题更是占据了锅炉事故的70%2康英伟, 刘勇. 1025t/h锅炉后屏再热器失效分析J. 电站系统工程, 2004, 1(6)。我们通常说的四管爆漏即指水冷壁管道、过热器管道、再热器管道和省煤器管道，受热面管道的安全稳定运行一直是电厂需要保证的重要环节，也是威胁电站发电设备安全稳定运行的主要因素，对经济性的影响更不容小觑。各种大容量超临界锅炉在运行时发生爆管，不仅会直接造成巨大的经济损失,而且在爆管区域附近的大片管子受损，更会导致连续爆管的隐患之一，严重影响着热电站锅炉的安全运行。在实际运行中，我们应建立正确的寿命的计算模型，为以准确的推测出高温受热面的真实寿命损耗，高温受热面管道寿命损耗评估也是各电站安全经济运行的核心与关键。寿命损耗的影响因素有很多，由于高温受热面管道的失效方式主要为蠕变现象，管道是否超温是寿命评估的基点。目前的测温技术均为炉外测温，不能技术准确的测量到炉子内部管壁的真实温度，所以对于壁温部分要进行计算。在计算壁温的同时，我们知道在长期高温服役的管子中，由于含氧工质和管道的作用，会令管道产生氧化皮。氧化皮自身存在一部分热阻，这部分热阻带来的绝热效果会严重影响之前温度的计算，所以对计算所得壁温要进行一定的修正才能更好更准确的评估寿命损耗，保障安全运行。本文拟通过对岱海电厂一期工程末级过热器的管道进行壁温计算与修正，并同时对其管道的运行寿命损耗进行计算、分析和总结，以便于电站实际运行中的高温受热面管道金属壁温检测、监督、寿命预测等工作更好开展。1.2 管道蠕变失效1.2.1 蠕变失效简述在火电站的运行中，其发电机组的大多数部件的工作条件为高温高压，长期在此环境下工作，管壁金属会缓慢发生塑性形变，在高温下则会表现为蠕变现象。蠕变现象主要有温度、应力和金属工作时间三个要素影响。火电厂中的高温部件例如，主蒸汽管道、导汽管、高温联箱、汽缸、集汽三通等3林丽珍. 锅炉受热面管寿命评估的探讨J. 江西电力职业技术学院学报, 2005,1（4）部位更是蠕变的高发区，常常因为管道蠕变损伤而导致更为严重的事故。当然，在运行中，管道蠕变形变量有一定的检测要求。规定运行10万小时后，主蒸汽管道高温蒸汽联箱管道的总变形量小于1%，汽轮机汽缸部分总变形量小于0.1%，过热器和再热器的合金管壁金属蠕变胀粗小于2.5%，碳钢管壁金则应小于3.5%。此外，各设备、各部件间同时还伴随着腐蚀、磨损等问题，最终导致金属材料的持久性、拉伸性能、脆性、韧性以及蠕变强度等各项性能变差恶化。同时长时间的高温服役，也会导致设备材料疲劳损伤，内部结构发生变化，例如蠕变空洞，腐蚀开裂，晶界聚集生长以及材料内部碳化物球化等问题4李育宏. 老化30CR2MOV汽轮机转子钢电化学行为的研究D. 华北电力大学（保定）:李育宏, 2004.。我们知道，作为能量转化的设备之一，锅炉的主要作用就是将燃料的化学能转化为蒸汽的内能从而对汽轮机做功，锅炉的受热面结构由各类管圈组成。文献表明，管壁金属超温引起的爆管事故，会降低设备的可用率，令发电成本提高，不符合我们经济运行的前提。据资料显示，某电厂的WGZ670/13.7-4型号，武汉锅炉设计厂制造的高压中间再热自然循环锅炉，在运行了2万小时之后，高温过热器的58根管排，频频发生超温爆管事件，令机组无法正常运行，严重影响了电站的安全经济运行5邓广发. 新的锅炉高温对流受热面壁温计算软件的实际应用J. 热力发电, 2004, 37(4)。依据具体数据计算，600MW的机组若是每年爆管一次，每次的修复时间按5天计算，则至少会少发电7200万度电，若每度电的价格为0.056元计算，折合人民币360万元。文献表明，冷态启动600MW机组，耗油速率180t/h，约72万元的油费6周细建. 大型锅炉过热器再热器炉内管子壁温的工程预测D. 山东大学:周细建 , 2008，同时还要支付修复的材料费用和人工的费用，经济损失相当巨大。由此可见，在爆管事故中，过热器和再热器造成的事故损失程度之高不可估量，不仅影响了安全运行，同时更制约着经济效益的提高。1.2.2 蠕变失效影响因素（1）运行状况因素影响。在所有影响管道失效的因素中，运行状况影响最为直接。主要分为：第一，蒸汽的品质不过关导致的管内结垢，最终导致管壁过热超温；第二，实际燃烧煤种与设计煤种不相符就会引起点火延迟，导致火焰中心上移；第三，吹灰器故障的问题会引起管子结渣、积灰，导致管间吸热不均；第四，磨碰问题，例如管屏与定位夹和夹持管之间存在碰磨现象，导致管壁磨损，壁厚减薄；第五，减温器运行情况，若其故障，会导致屏式过热器和高温过热器的运行效果变差；第六，管子服役时间过长；第七，管子内壁积垢或者氧化，其生成物的绝热作用会带来超温；第八，燃煤煤质，若燃煤的灰分过高的会加剧运行期间管子的磨损；第九，高压加热器的投入率较低，就对导致给水温度过低，过热蒸汽温度过高。（2）过热问题。该问题主要分为长期过热和短期过热两种状态。长期过热状态即指管道长期在设计温度以上，材料的下临界温度以下的状态工作。虽然超温的幅度不大，但超温时间过长，就会令管子运行状态恶化，例如生成氧化皮，管壁减薄，管道金属碳化物球化现象，管径胀粗等，均是最终导致爆管的主要因素。而短期过热状态即指管壁温度在管道金属材料的下临界温度以上。由于管道内压力的存在，管道的短期过热也会管道胀粗蠕变的问题，最终导致管道爆管。（3）磨损现象。磨损主要包括了吹灰、煤粒、飞灰、落渣等四方面的磨损。管道磨损最直接的就是造成管壁减薄，引发爆管。在实际的生产中，常常由于燃煤中含灰亮过高导致，并且飞灰中带有颗粒，局部烟速或浓度过高等都会引起磨损问题。（4）管道内壁氧腐蚀。该腐蚀现象主要发生在停炉时的过热器管道弯头的内壁处。由于工质中在流动过程中携带的氧，在超超临界的情况向下，管道内壁的循环应力会导致氧物质去极化，与金属内壁发生反应，导致金属内壁原本致密的钝化膜被损坏，从点蚀现象开始逐步扩散到管道外壁，导致管道破裂。（5）应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂现象通常发生在高温区域过热器管道处和取样管处。在启动和停炉的时候，含有氯和氧的水进入到钢管中，在高温环境下产生的拉应力，在焊接加工过程中产生的残余应力等问题都会导致SCC。（6）热疲劳问题。热疲劳现象常发生在过热器的高热流区域。锅炉停炉时在管子外表面会产生热应力，由于汽膜的反复出现也会产生热应力，以及振动引起的交变应力就会导致疲劳损坏。在设计时合理考虑间歇运行引起的热胀冷缩，合理分配管屏间的流量，提高吹灰介质的温度等方法。（7）高温腐蚀现象。指过热器，吊挂，定位零件等部件的向火侧外表面的腐蚀。管道外环境的物质熔点低，在温度低于熔点的时候，便会液化腐蚀管壁外侧生成的保护层，令管壁金属外部松散，壁厚减薄，易爆管。（8）异种钢焊接失效。此类问题常常发生在焊接接头处。由于焊接不同材料的蠕变强度不同，会引起焊接界面断裂。在两种焊接的金属材料中，与焊缝的蠕变强度不同的金属更容易发生蠕变失效。提高异种金属匹配度，可在过渡段的两侧，选择性质不同的焊条。7王鹏. 电站锅炉过热器爆管原因分析及对策Z. 设备管理与维修,2012.1.3 寿命损耗研究现状寿命评估是我们准确检测运行数据，安全经济运行的保障。寿命损耗的准确评估，可以预测受热面的剩余寿命，同时可以更有效的利用算得的各个炉管的剩余寿命，提高电站各设备的运行可靠性。因此如何进行准确可靠的寿命损耗评估，也是大家普遍关心的重要问题。目前的寿命损耗评估方法从宏观到微观有很多种，各种方法均值得我们进一步探讨研究。就目前技术而言，寿命损耗的应用主要以数值模拟计算为主。在线对管壁温度进行检测8周新雅. 基于氧化皮测量的高温受热面在线壁温检测与修正技术J. 华东电力, 2008, 36(5)，分为直接测量法和间接测量法。由于直接测量的不准确性，目前基本都是通过一定的检验技术，探测出氧化皮的厚度并同时推算出管道的当量温度。如此当量温度模型的发展与研究也随着氧化皮结构的形成机理的不断深入探讨逐渐成熟。但由于氧化皮本身的绝热作用，在前期对炉内管道金属壁温的测量会有一定的影响，令评估到的寿命损耗的准确性和有效性都收到了很大的影响，基于此，目前的寿命损耗评估技术也在逐步的完善校正。从80年代中期起,美英德日等国家的一些先进研究成果和方法逐渐引入国内，随着国内外对剩余寿命评估研究的深入和成熟，大致经历了四个不同阶段9徐磊. 基于火电厂DCS数据的再热器积灰特性预测及寿命评价D. 山东大学:徐磊, 2007：第一阶段是，最早采用的线性外推持久强度法,侧重研究蠕变过程中断裂机理；第二阶段是蠕变损伤法,从材料的内部组织分析，相对第一阶段的方法对蠕变时间的预估更准确；第三阶段是参数外推法,本文后部将做详细介绍分析及计算；第四阶段是以上参数外推法再度发展出的解析法则，常用的有法寿命损耗评估法，也是所有参数方法预估的统一法则10郑晓红, 赵翔等. 锅炉高温承压部件剩余寿命的评估及应用J. 锅炉技术, 2003, 34(4)。建国开始，我国关于火电设备的设计检修等都在前苏联的基础上。长期以来，我国在寿命评估方面实行以故障检修和预防性的计划检修为主，其中同时包括大中小修、临检和定期维护等形式。而在如此多的检修形式存在，仍然有这各种各样的运行问题出现，仔细分析，不难发现原有的检修体制对于寿命损耗评估存在诸多不利因素：a.不必要的大修会增加总体故障率b.定期的大修浪费人力和物力c.定期大修降低设备寿命d.临时维修过于频繁e.维修不足与盲目1.4 壁温方面简述在长期高温使用下，锅炉管道的温度决定了断裂强度和塑性性能，决定了管壁氧化的速度，同时也是计算热应力是的重要数据。因此，必须保证锅炉受热面壁温低于设计安全极限并同时觉有准确性。我们需要有效的进行管道的寿命评估和损耗预测是监测来保持电站的安全稳定运行。而这其中，最主要的就是如何获得尽量真实的温度。所以高温受热面炉内的壁温的有效测量方法和正确修正过程是整个研究的重点。而由于炉内的温度过高，我们基于目前的技术无法在炉内安装测点，而炉外的测点，通过对外环境的热量交换之后已经不是真是的温度，并且单个管子沿轴线方向上也会有不同的散热传热情况，这样一来，误差就会不可避免的存在，对于这样不可避免的误差，我们无法获得真是的管道内壁的温度，管道蠕胀，磨损减薄，管壁超温等问题也随之而来，所以我们必须用计算模拟的手段来改善当前的测温的不准确性现状，提高电站运行的安全经济性。在当今运行的火电厂中，因技术受限，受热面管道壁温测点一般会在顶棚的管壁外侧，方便及时有效的监测受热面的温度变化，但是亦因为炉外测点也不能够准确的反映出炉膛内不的实际温度，据国标资料规定显示，一般炉内的温度都会高于炉内的温度，而炉内危险点的温度则会在测点温度加上30至50。并且在长期运行的锅炉中，管道温度所有的影响因素诸多，例如氧化皮的生成、灰污系数、管道老化、管道减薄等11徐明华. 超临界直流锅炉热力计算方法及运行特性研究D. 东南大学:徐明华, 2010.。因此早期的计算方法在目前的锅炉的长期运行过程中也并不可靠。由于安装技术和测量技术的限制，并且管道内部的温度相对较高，并不能提供很好的安装温度测点的条件，所以根据运行时当前的数据，通过热力计算的方法，对炉内断壁温进行相对准确的计算，可以提供跟接近实际的壁温，由此更准确的评估锅炉受热面的寿命损耗是安全运行的重要手段。在壁温计算方面，目前主要的研究集中在两个方面：并联管组流量分配；过热器再热器系统的热偏差。在流量分配研究方面，对集箱内的静压分布规律，J.KunZ和J.D.Keller建立了微分方程；陈之航建立了联箱内静压分布函数式，在静压计算方面同时得到半经验公式和内压力分布表达式等等。在非典型挤压联箱系统的研究中，王孟浩等也曾通过理论分析和实验得到了不同的计算公式，但由于集箱、管道、导汽管三者之间的三通和四通连接通道内部的流体涡流区域范围和局部静动压大小目前无法确定，导致方法在应用普及上遭到了一定的限制。1.5 岱海电厂介绍岱海电厂位于内蒙古境内，是我国2005“西电东送”的重点项目之一，主要由内蒙古本部和北京电力开发公司合作投资创办，是响应我国“西部大开发”政策的表彰项目，同时其建造投产等环节完全符合当今社会能源方向环境保护的理念，同时其一期项目的投产环节了京津唐地区高峰时间用电紧张局面，在2008年的时候，更为北京奥运会的开展提供的稳定的电力支持保障，也是拉动内蒙古经济发展的重点项目。岱海电厂一期工程为2600MW机组，锅炉是由北京巴威公司生产的亚临界参数RBC锅炉，亚临界、自然循环、一次中间再热型单汽包锅炉，锅炉本体全钢化封闭布置，型号为B&WB-2028/17.5-M。电厂设计煤种为准格尔煤，校核煤种为内蒙古纳林庙东胜煤。锅炉采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，并配置B&W公司标准的EI-XCL低NOx双调风旋流燃烧器及降低NOx排放量的NOx喷口。炉膛由膜式水冷壁构成。炉膛上部布置屏式过热器，炉膛折焰角上方有二级高温过热器。在水平烟道处布置了垂直再热器。尾部竖井由隔墙分隔成前后两个烟道。前部布置水平再热器和省煤器。后部布置一级过热器和省煤器。烟气通过烟气调节挡板汇集与尾部烟道口，同时被引入空气预热器。尾部设置分烟道L型布置，采用烟气分流挡板调节再热器出口汽温。具体的布置和运行数据如下图表：图11 锅炉布置左右视图表11 锅炉运行参数名 称单 位B-MCR（VWO）锅炉最大连续蒸发量(B-MCR)t/h2028过热器出口蒸汽压力MPa(g)17.5过热器出口蒸汽温度541再热蒸汽流量t/h1678再热器进口蒸汽压力MPa(g)3.835再热器出口蒸汽压力MPa(g)3.665再热器进口蒸汽温度326再热器出口蒸汽温度541省煤器进口给水温度280减温水温度（高加进口）171喷水温度171锅筒设计压力MPa(g)19.8省煤器设计压力MPa(g)20.2再热器设计压力MPa(g)4.83锅炉保证热效率（按低位发热量）93.53第二章 寿命损耗评估2.1 寿命损耗评估开展概况2.1.1 日本的研究状况经历70年代中期的石油危机过后，与其它西方国家一样，日本电力方面基建项目锐减，老机组装机容量的份额也在逐步提高。由于日本核电机组过多，火电厂则必须承担调峰方面的繁重任务，因此对机组的运行损伤很大，并在安全运行方面存在明显问题，机组寿命，管道寿命都相对较低。并处于运行方面的经济考虑，必须延长老机组的使用寿命，因此日本电厂采取的对策是在火电厂常规的检测之外，还推行了部分部件的寿命评估，更好的掌握每个部件的运行状态，可以更有保障的进行常规的运行工作。在蠕变断裂时间方面，自从上个世界中期开始，日本金属材料所（NRIM）就开始了一定的探究工作。NRIM的对一系列的耐热钢材料做了蠕断实验，通过长时间的实验工作，得到了十余种耐热钢的蠕变断裂数据，工作时间分别高达二十万小时甚至是三十余万小时，在进一步的分析之后，NRIM将其团队的实验数据壹基金数据分析整理成册，出版。在耐热钢的蠕变断裂行为领域做出了举足轻重的贡献，为后一步的研究提供了充足可靠的数据北京。在研究的过程中，NRIM团队，通过自己的实验数据还发现MH（TTP法）与耐热钢中的关联性最好，同时也对MH法计算中需要用到的经验数据提供了一定的修正，推荐了更为可靠的经验计算值。从世界范围来看，日本的火电厂也是较早的将寿命损耗评估列入检修项目的国家。一方面，他们请各大制造公司（三菱重工、巴布科克日立、川崎重工等）总结火电站各种设备管道的寿命损耗评估方法12王开龙. 电厂锅炉部件寿命损耗的研究及应用D. 华北电力大学:王开龙, 2006.，与此同时日本方面还组织专门机构进行调查、研究、验证各种寿命损耗评估方法的适用性。2.1.2 美国的研究状况美国电力研究所在研究提高设备可用率和延长设备使用寿命方面做了大量工作，总结了爆管的6类问题以及22种不同的失效机理，开发利用了声发检测锅炉泄露装置，同位素监控磨损技术，汽轮机转子无损寿命评估、编写出版了锅炉管防爆防漏手册及技术规程等，其成果卓越并其很好的利用于电厂的实际运行当中。美国的特点是电站比较重视新开发各种检测技术，他再开发的过程中不仅集中的体现了专家们的专业知识，还并入吸收了各种运行中的经验技术。同时该团队还对带有裂纹或明显缺陷的高温受热面管道进行了寿命损耗评估，研究其裂纹扩散速率并建立了相关的参数关系，定量的分析了裂纹扩散速率和剩余寿命之间的关系。同时，美国电力研究院还不同管道金属材料的微观组织进行了分析，成功模拟了电厂运行情况的热环境，在该情况下分析了不同成分的钢材料的围观组织，对不同温度和不同应力条件进行了蠕变实验，推导建立了蠕变寿命损耗速率和晶界孔洞比例数之间的函数关系。该方法，需要在电厂现场用复膜金相来测出高温受热面的蠕变损伤度及晶界孔洞，进而求出剩余寿命。2.1.3 欧洲的研究状况英国中央发电管理局在管道金属持久强度和蠕变极限方面面做了较为系统的研究工作，基于高温断裂力学，在高温条件下工作的管道工作寿命预测做出了一些贡献。在管道寿命管理方面，联邦德国在数据处理方面，根据受热管道的调查数据结合寿命计算公式通过计算机进行了相对景区的计算，还根据锅炉技术规程TRD508，将强度计算和工作时间相结合起来，规定了运行应力下的寿命损耗计算准则。在当今的德国技术检验协会（TUV）则提出局部蠕变的检测法。具体方法是，用点焊法固定两个间距10nun的线条作为记号，在一段时间过后复膜取金相，并同时取下这两个记号，并用扫描电子显微镜观察，求取蠕变值。TUV还建议用高温应变议在线监控蠕变的发展，来检测运行机组的老化情况。还有法国电器的研究发展部、瑞士的ABB公司、英国的中央电力局等也在锅炉寿命损耗评估技术进行了大量的研究开发工作。2.2 寿命损耗的影响因素由于锅炉本身的结构及工作过程都及其复杂，所以影响管道剩余寿命的因素也是多种多样。大体分为燃料性质，运行负荷，工质质量三方面，各个方面下更有多个影响因素，个因素之间的交互现象又是一个复杂的问题，文本以下简述五种外部因素对寿命损耗评估的影响情况。 第一，高温蠕变问题。在超超临界机组中，过热器的管道工作温度极高，岱海电厂的管道基本都在540以上，而常规电厂应用合金在工作温度超过350之后，高温蠕变的速率就会加快，因此，在超超临界机组中，高温蠕变的影响主要且不容忽视。第二，飞灰问题。在机组运行的过程中，不可避免的会有大量的飞灰颗粒夹杂在烟气中，当高温高速的烟气通过过热器管道的时候，就会严重磨损管道，在实际的电厂中，受热面管子常常由于被飞灰磨损而导致了严重的问题。据统计显示，对流过热器的事故中有20%是因为磨损泄露导致的，而磨损的部位基本在离烟气走廊较近的1至5排的管子。并且这些飞灰在管道外壁沉积后，会带来飞灰腐蚀，导致管壁减薄，令传热效果恶化，至使炉膛出口烟温过高，导致局过热现象产生。第三，蒸汽腐蚀问题。在过热器管道内部的蒸汽腐蚀实际就是氧化反应，由于工质中含氧，在一定温度压力条件下，氧元素与管道金属发生发硬，生成氧化膜，导致管壁减薄，传热热阻增加等问题。并且氧化皮脱落等问题也严重影响着工质的运行，造成恶性循环管，降低使用寿命。第四，热应力疲劳问题。炉膛内部的烟气以及管道内部的工质的温度压力，会随着运行参数的变化而变化例如在启停过程中，在调峰过程中等等，这样的参数变化就会产生一定程度的热应力，热应力形成的管道金属疲劳，但由于过热器管道的壁厚不是很大，产生的热应力不至于过大，对机组运行的影响也不属于主要因素。第五，管道材料老化。在温度和应力的不断变化之下，锅炉受热面管道在高温下长期服役，会导致管道老化，致使管壁强度降低，持久性下降，严重的管道老化会带来爆管等恶劣影响。2.3 寿命损耗评估的方法当前寿命损耗的研究方向主要分为以下7种：显微组织老化研究技术。以金相组织、机械性能变化进行监测，较系统地对显微组织的老化本质开展研究，对显微组织结构中同样重要的碳化物相成分、碳化物相结构、碳化物粒子尺寸等老化特征进行了研究，形成组织老化定量评定技术。交互现象研究。蠕变与疲劳、蠕变与腐蚀、腐蚀与疲劳等交互问题的机理特征。在监测管道在使用过程中的蠕变胀粗综合分析法。通过对管壁金属进行机械性能、持久强度、金相组织、蠕变、碳化物结构成分等试验，综合分析各项指标性能。特殊试验方法监测金属密度变化、晶界孔洞大小、氧化皮厚度增长速率、晶界电位以及晶料变化等寿命损耗分数法。其实质为运用经典的罗宾逊法则，根据工况分析，累计损耗值100%时为寿命损耗。参数法。通过以上不同的方法准确预测受热面管子的剩余寿命，进而充分利用锅炉受热面的剩余寿命，准确评估寿命损耗，提高电力设备的健康程度，进而保证运行可靠性。2.3.1 寿命损耗分数法则随着近年来电子技术的不断发展和电子计算机的应用不断推广，根据不同要求，可以实现在线监测和离线监测两种。寿命损耗分数法是目前较好的监测方法，主要针对蠕变损伤为主的部件，该方法可较准确地计算出寿命损耗率。在寿命损耗分数法进行寿命损耗评估之前，首先应确定以下原则，对于不符合以下原则的部件，评估前需做必要的修正。评估受热面长期使用后失效的主要原因即蠕变损伤，于此同时氧化腐蚀也起着促进作用，在进行寿命损耗评估计算时，应以蠕变损伤为主要的失效模型，同时也必须考虑氧化腐蚀等因素的影响；评估对象使用前的各项性能指标应符合标准，包括化学成分以及热处理条件等，但不包括因原始冶金缺陷、超应力、明显超温以及焊接等原因造成的损伤；寿命损耗分数法基本计算以各使用部位最高温度范围内的直管段为准。对于弯管的工作应力则应根据其他主要影响因素进行修正，之后再进行计算评估；此方法以高温使用工况和高温持久试验的数据为计算依据，需提供计算用的工况数据包括管壁温度、应力、持久强度要真实准确。寿命损耗分数法则的实质是运用经典的罗宾逊计算，该方法也是寿命损耗评估中最简单的方法，就是根据工况进行分析，将各部件的运行记录折算成损耗百分比，当积累损耗量达到100%时即达到了寿命损耗的最低限度。另外米内尔等人结合疲劳损伤因素提出了线性累计损耗假设。寿命损耗分数方法的计算式为：r=i=1niri1.0 （21）ri管道承受的实际应力（已知）T管道实际工作温度（已知）管道运行时间（已知）r受热面管道寿命损耗分数i对应参数（Ti，i）下的运行时间ri对应参数（Ti，i）下的蠕变断裂时间如同文章前部叙述，机组不同的状态下（启动、变负荷、调峰、停炉等）受热面管道同时还会存在一定的疲劳表现，在高温条件符合下服役的管子，疲劳对其也有一定的破坏作用。而疲劳现象和蠕变现象之间是否存在交互作用目前还没有一个确定的说法，在我们的计算中，认为疲劳损耗也占据消耗了管子的一部分寿命，在计算上的体现就是在公式上加之一修正系数K，得到新公式：r0=Ki=1niri （22）K烤炉了受热面管子在不同运行过程中，疲劳和蠕变共同作用后的系数，经验值通常取1.22.3.2 参数法计算蠕变断裂时间在蠕变断裂时间方面，时间温度参数法在众多的蠕变时间计算方法中比较流行，该方法虽不及法计算准确，但是它对参数的要求较低，无需知道材料在每个蠕变阶段的蠕变速率、形变量以及蠕变应力。我们通常应用参数法对寿命损耗进行评估，该方法计算中的蠕变应力Pa，温度T（K），断裂时间rh三只之间是互相补偿的参数，而这三个参数之间的关系可以通过下式进行表示：lgr=a，Tlg+b （23）a，b常数，根据以上参数是的时间温度参数法常被简称为TTP法，通过在应力和温度范围内的数据曲线外推出各种不同工程应用金属的蠕变持久寿命时间。但公式中很多数据都是工程经验参数，并不具备实际意义，只是一个符合工程应用精度要求的综合函数法。在我们常用的TTP方法中，最常用的为拉逊密勒法，葛唐法，曼哈法等。（1）Lanson-Miller（简称LM法）简述LM法的参数公式为： P=Tlg+C （24）其中：C常数P热强参数根据公式关系，在等应力的条件下，LM法中lg与1T为直线关系，见下图：图21 LM法中lg与1T的关系以lg和Tlg+C作图，可得到一条直线，并可推导出寿命：图22 KM法综合参数曲线图得到如下公式，即LM法的关键：C1=T1lg1-T2lg2T2-T1 （25）关于C值的确定，采取查表或者根据经验值C=20，所以得到的结果常常偏差很大。或在一定应力和温度条件下，多次实验确定C值，或在某一温度范围内实验，确定出在该范围下C值的平均值。（2）葛唐法（简称HF）简述KD法的参数式为：P=lg-QRTln10 （26）根据此方法，蠕变激活能Q不随应力的改变而变化，在相等应力下，lg和1T为直线关系，且各应力线互相平衡，直线的斜率为Q/R，如下图：图23 lg和1T关系图以lg和lg-QRTln10作图，可得到有规律曲线，即可外推寿命。通过KD法来评估寿命是，需要确定常数G，其方法和LM的确定C值的方法类似KD法的参数式可写为lg-QRTln10=C0+C1lg+C2lg2+C3lg3 （27）lg=C0+C1lg+C2lg2+C3lg3+Q4.57401T （28）上式中含有5个常数，可通过多次实验的数据代入，并通过最小二乘法处理，最后可求得Q值。（3）MansonHaferd（简称MH法）简述当应力不变时，lg与T成直线关系，在不同的应力下，各直线在点（lga、Ta）相交，如下图所示：图24 lg与T的关系图MH法中的参数式为：P=T-Talg-lga （29）式中的a和T是与材料相关的常数，均可由等应力曲线得出。根据MH法，可在同一应力下，由高温较短时间结果进行外推，得到该种运行温度下的寿命。也可通过高温较短的试验求出各种应力下的MH参数，预测不同应力条件下的寿命损耗。第三章 锅炉受热面的壁温计算3.1 壁温测量方式我们知道，锅炉内部的温度极高，普通的测温热电偶无法在如此的高温下工作，所以我们无法直接测量到炉内管道的温度。在测温方面人们通常采用直接测量法和间接测量法。现有电站的壁温测量方法中应用的直接测量法主要为在外侧安装壁温测点，这样的安装通常具有两种模式。其一为用热电偶（铠装热电偶，瓷套管热电偶）直接测量，由于测量的直接性，更便于施工和维护，但由于其紧固件的老化问题常会导致热电偶的测点和管壁接触不良，因而令测量的壁温失效。为了改变上述问题，完善技术，目前也可以用一种特殊的焊接工艺将热电偶直接焊接在炉外的管壁上，并进行相应的绝热保温措施来保证温度测量的准确性。焊接在受热面的表面处，也会长期受到炉内烟气的冲刷，令受热面摇摆不定，并且受热面的烟气温度较高会导致热电偶在极短时间内就损坏，误差更为加大。同时由于壁温测点的测量值是炉外的管壁金属的温度，而在管内壁的汽温于此还有一定的差值，所以这样的测量方式也是很不准确不可靠的。从当前技术的水平出发，若将焊接点放在炉内也是困难极大的13郑世津. 锅炉高温受热面了颅内壁温测量方法的研究J. 电站系统工程, 2000, 16(4)。还有金属喷涂方法，即为在炉内安装热电偶，这样可以避免上述的问题。但是由于这样的喷涂费用过高，施工周期过长，实施难度巨大等问题，该方法在平时的运行生产中并不多见14测量过热器管壁温度的方法金属喷涂热电偶J. 电力技术简讯, 1972, 36(18)。图31 测点安装示意图而我们所说的间接测量法即通过工程的经验公式以及经验公式来估算管道的温度。常用的参数有氧化皮厚度、硬度、碳化物粒子的尺寸的数据。这些方法中，普及率较高的还是氧化皮法，在实验室用，模拟实际运行中的数据，环境，工质品质，金属材料等条件，得出常用的经验公式，进而应用在工程中，通过管子内壁氧化皮的厚度还推算管道的当量温度。不计较经验数值的不确定性，从氧化皮的厚度测量角度出发就存在厚度测量或计算不准的情况，并且，由于氧化皮自身的热阻存在，会导致当量温度的估算也不具有确定性，也是超温爆管发生的主要影响因素之一。一般来说，测点测量到的温度和我们所需的炉内壁温一般具有1020的差值，该t主要由三部分引起：蒸汽温度与外壁温温差，蒸汽温度与内壁温温差以及内外壁温之间的温差。对于这样巨大偏差的实际存在，对于壁温我们要进行计算。3.2 壁温计算方面研究现状我们知道，在火电厂运行锅炉的式设计中，壁温的计算时不可缺少的环节。在苏联1957年以及1973年的热力计算标准中曾给出过壁温计算的有关公式。再后来对壁温的讨论也有很多西安交通大学团队建立提出了锅炉膜式水冷壁的温度场计算模型，在膜式壁鳍片的管道和鳍片部分提出了温度场的近似解析解，结果的精确度可满足工程需要16范谨，贾鸿祥，陈听宽。膜式水冷壁温度场解析。热力发电。1996，3。BOWEN团队建立出5种不同的传热模型，模型复杂度不同，以便给出不同的解析解和数值解，对管壁温度的计算和校正方面贡献很大17Bowen B D，Fournier M，Grace J R. Heat transfer in membrane water walls. Intemational JOU maiofHeatandMassTransfer,1991,34(415).。K. z团队提出无因次变量法，在一个无因次变量的配合计算下，指出不同温度对管壁寿命损耗评估有着重要的影响，并且通过该无因次变量可以更准确地评估出管壁的损耗状况及可应用寿命时间18K. Zarrabi, R. A. Platfoot, H. Zhang, A. Sheth and 1.Rose.Estimation of metal temperature variations for scarred boiler tubes. International Journal of Pressure Vessels and Piping.1996, 69(3).。D.R.H. Jones等人对锅炉的对流管道、过热器和再热器管到进行了疲劳断裂实验，分别从管道的金属工艺、机械性能、瘁劳实验、温度时间等方面进行了更全面的全面的分析探讨，令壁温的影响因素分析更准确全面19D.R.H.Jones. Creep failures of over heated boiler, supertheater and reformer tubes.EngineeringFailureAnalysis.2004,11:873-893.。在循环流化床方向，程乐鸣在膜式水冷壁方面，提出了不同的鳍片上温度分布场及热流，研究改进了水冷壁管道两侧的传热系数，不同管道材料的导热率等问题对水冷壁的壁温影响，通过对不同的数据分析，更具体的完善了水冷壁管道的壁温计算方法。以上多种方法都是对壁温的计算过程和方法都进行了较为深入的方法修正，并对壁温计算的新方法进一步的探讨，为壁温计算的发展奠定了一定基础。3.3 壁温计算具体过程我们知道壁温的大小和受热条件，受热面结构，管道金属换热系数，管内工质流量大小、烟气速度与温度等因素都有关。当这些因素的具体数值被我们所获知，便可以进行最简单的计算了。在1985年的锅炉机组热力计算标准20锅炉机组热力计算标准s，1985中提出的壁温计算基本公式为： tb=t1+t+qmaxm11+12 （31）该文章为简化计算，则做如下假设：a.管子热流密度均匀b.管道周围烟气均匀c.管内工质没有温度偏差d.只考虑径向热量传递e.不考虑氧化皮，蠕胀，疲劳等影响传热因素f.计算管道符合能量守恒定律不考虑管排问题21刘彤, 徐刚. HG_670_13_7_YM13锅炉过热器_再热器壁温计算J. 热力发电, 2004, 2(10)图32 管内外壁示意图在过热蒸汽管道中，热散漫系数=1，所以壁温部分的计算公式：tb=t1+t+ qm11+12 （32）（31）（32）二式所用主要参数t传热温压，2管壁对受热面介质的放热系数，Wm2Ct1管子计算断面上流动介质的实际温度，管子外径与内径的比值管子壁厚，mmm管壁金属导热系数，Wm2Cq计算管段的实际热负荷，Wm2t=t内+t外+t蒸汽 （33）t内炉内蒸汽的平均温度与外壁温的差值t外炉外蒸汽的平均为度与外壁温的差值t蒸汽炉内外蒸汽本身的平均差值除了这三项外，还存在热电偶测量的误差以及空间上导致的响应延迟误差，在此都忽略不计。根据传热学知识，可得到如下t的推导过程:t=tw1-tn1+tn1-tzn+tn2-tw2+tzw-tn2+t蒸汽 （34）=tw1-tn1+tn2-tw2+tn1-tzn+tzw-tn2+t蒸汽 （35）将tn1-tzn+tzw-tn2+t蒸汽只关乎蒸汽本身，所以将该部分视为一个常数，则：t=Dq内lnDd21+4md+Dq外lnDd21+4md+常数（36）t=4q内+q外m+常数 （37）3.3 壁温修正3.3.1 壁温修正意义锅炉受热面设计结构，金属自身导热系数，炉内热流密度，机组启停调峰的加减负荷以及工质压力变化，制粉系统的启停等问题都会对壁温造成一定的影响。基于壁温的修正方面，目前以及成熟的计算方法基本会综合考虑灰污系数、管材老化和管道减薄问题。很显然，受热面的管道都是传热部件，根据传热学知识，其内外壁一定会存在温差。对其温差的影响有很多因素，从温差角度考虑，主要由氧化皮，灰污，弯管等各种问题的影响。从氧化皮角度考虑，通过氧化皮厚度进行的间接温度测量与实际值有一定的差距，由此得到的剩余寿命损耗评估值过高，不会优化机组的运行。而随着氧化皮的生长，及其不断的加厚，会增加管道内壁的热阻，令管道温度越来越高，最后超温爆管。据文献介绍，每0.0254mm后厚度的氧化皮会令管壁温度升高月1.1。受热面的管道都是有直管段和