（材料加工工程专业论文）淮北发电厂300mw锅炉高温管道剩余寿命评估.pdf

淮北发电厂3 0 0 m w 锅炉高温管道剩余寿命评估 摘要 电站锅炉过热器管和再热器管是锅炉内部的主要受热面结构件，它们是否 安全稳定地运行直接关系到整个电厂的安危，频繁爆管事故影响了电厂的经济 效益和社会效益。锅炉过热器管和再热器管失效机理的分析和寿命的预测是提 高电厂机组运行可靠度的有效手段。受淮北发电厂委托，本文对在役3 0 0 m w 机组锅炉内局部高温管段的使用寿命评估。 首先，本文为了提高故障诊断和状态检测的准确性和增强锅炉运行的可靠 性，深入探讨了锅炉过热器管和再热器管失效机理和可靠性理论，将管道的寿 命损伤通过拟合的l a r s o n - - m i l l e r 函数进行表征，从而得出各参数对寿命的影 响，确认运行温度、工作应力和服役时间是寿命损伤的主要因素。 其次，由于管件的真实使用温度是预测其寿命的关键因素，因此，本文通 过对未用管材按照几种不同的加热规范在实验室进行模拟加热，测定其加热后 的硬度，找出显微硬度与热强参数的关系。利用“内壁氧化层厚度法”和“显 微硬度法”对实验管件的实际使用温度进行了分析和计算。 然后，通过试验研究了过热器和再热器管1 2 c r 2 m o w v t i b 钢材的金相组 织、合金元素对管道寿命的影响，分析了管材在高温长期运行后金相组织和合 金元素分布的变化情况，对管材寿命进行定性评估。 最后，根据上述持久强度外推分析法、金相试验研究综合评估了截取在役 的过热器和再热器管材的寿命。 关键词：电站锅炉管壁温度寿命评估 应力金相组织 r e m a i n i n g l i f ee s t i m a t i o no f3 0 0 m wb o i l e r h i g h t e m p e r a t u r et u b e so f h u a i b e ip o w e rp l a n t a b s t r a c t t h et u b e so fs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e ra r et h em a i nc o m p o n e n to ft h eh e a t e x c h a n g e r si np o w e rp l a n tb o i l e r s w h e t h e rt h e yr u ns a f e l ya n ds t a b l yo rn o ti s d i r e c t l yc o u n tf o rm u c h t h es a f eo ft h ew h o l e p l a n to p e r a t i o n a n dt h ef r e q u e n tt u b e l e a k a g eo f h e a ts u r f a c ei m p a c tu p o nt h ee c o n o m yb e n e f i t sa n dt h es o c i e t yb e n e f i t s o ft h ep o w e rp l a n t t h i sp a p e re v a l u a t e st h el i f eo ft h e3 0 0 m w h i g ht e m p e r a t u r e b o i l e rt u b e st h a th a v eb e e nb e i n gu s e di nh u a i b e ip o w e r p l a n t t h ed i s s e r t a t i o ng o e sd e e pi n t ot h et u b ef a i l u r em e c h a n i s ma n dt h er e l i a b i l i t y t h e o r yi n o r d e rt oi m p r o v et h ed i a g n o s i sa n dm o n i t o rv e r a c i t ya n dt o n eu pt h e o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y t h ep a r a m e t e r so ft h e t u b el i f e l a p s ei se x p r e s s e db yt h e l a r s o n - m i l l e rf u n c t i o na n dt h ee f f e c to ft h ep a r a m e t e r so nt h el i f ei sd e r i v e d a n d i ti sc o n f i r m e dt h eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ea n dt h es e r v i c et i m ea r e t h em a i nf a c t o r so ft h el i f el a p s e t h e nb e c a u s et h er e a lo p e r a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h et u b ei st h ec r i t i c a lf a c t o r f o rp r e d i c t i n gt h et u b el i f e t i m e ，w eh e a ts o m eu n u s e dt u b e si nt h el a b t h e nw e m e a s u e rt h er i g i d i t yo ft h e ma n df i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh a r d n e s sa n d h e a t i n t e n s i t yp a r a m e t e r t h ep a p e ra n a l y l i z e s a n dc a c u l a t e st h e o p e r a t i o n t e m p e r a t u r eo f t h et u b et h r o u g ht h em e t h o d so ft h ei n n e ro x i d es c a l et h i c k n e s sa n d r i g i d i t y o nt h i sb a s i s t h ep a p e rc a l c u l a t e st h er e m a i nl i f eo ft h ee x p e r i m e n t a lt u b e s i t i sr e s e a r c h e dt h a tt h ei n f l u e n c eo nt h et u b el i f e t i m eo ft h em e t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r ea n dt h ea l l o ye l e m e n tb yt e s t i n gt h es u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rt u b ew h i c h i sm a d eo f12 c r 2 m o w v t i bs t e e l t h em e t a l l o g r a p h i cc h a n g ea n dt h ed i s t r i b u t i o n o fa l l o ye l e m e n t sa f t e rt h et u b eh a sr u ni nt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nf o r l o n g t i m ei sm o r eb e l i e v a b l ea n d f r a n k e rt oe v a l u a t et h et u b e sr e m a i nl i f et i m e i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h el i f e t i m eo ft h ee x p e r i m e n t a ls u p e r h e a t e ra n d r e h e a t e rt u b e st h a th a v e b e e nu s e d i se v a l u a t e d b y t h em e t h o d so fs r e s s c o m p u t a t i o na n d t h em e t a l l o g r a p h i ct e s t s k e y w o r d s ：p o w e rp l a n tb o i l r st e m p e r a t u r eo f t h et u b el i f ee v a l u a t i o s t r e s sm e t a l l o g r a p h i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目b 工些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：王钿尧签字日期：7 衅乒月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 照互些叁堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：曼翻嚷 导师签名： 签字日期：，4 年乎月二日 签字日期 工作单位：龙江墨尹幻 通讯地址：讧锄着九彤中自避森路纠号 电话：6 1 ，l g ； 1 9 6f 邮编：；工d f 致谢 本论文的研究工作是在导师李萌盛副教授的严格要求和悉心指导下完成 的。李老师不仅在我的学业上付出了极大的心血，而且在生活中也给予了我 无微不至的关怀：不仅在学术研究上为我树立了榜样，更教会我做人的道理。 回首几年来的学习研究生涯，难忘李萌盛导师年轻人般的朝气，丰富的实际 经验，以及乐观豁达、宽以待人的品格，李萌盛导师睿智的学术思想、博大 厚实的理论基础、严谨的工作态度，李老师全方位教育着我，更竭尽全力为 我提供最好的实验条件，为本论文的完成打下了坚实的基础，可以说没有李 老师的亲自指点和安排，本论文是无论如何都达不到这样的充实和深度。在 硕士学业将要结束，事业即将开始之际，特向李老师深表衷心的感谢! 能够 师从李老师本人深感荣幸之致! 在此衷心的感谢徐道荣副教授的关心和培养，本文凝聚了徐老师的智慧 和汗水! 徐老师以其活跃的思维和精深的学术理论对本文的工作进行指导， 总是在最关键的时刻给我以指点，使得本文的完成能够少走弯路，超出预期 的目标。 感谢同窗谢霞、夏明生、徐胜等硕士和同班全体同学，同窗之谊令我难 忘! 因为你们，我的硕士生活多了无限的乐趣和色彩。 感谢工大提供了良好的求学环境和方便的资料查询，祝母校蒸蒸日上i 特别感谢爱人满达虎，在两年多的学习工作过程中，他总在最艰难的时 刻鼓励我，对我的真情时时激励我向更高的目标迈进。 在此感谢我的父母和哥哥，陪我走过多年的求学之路，他们的期待的目 光是我学习的动力，他们的教诲始终鼓舞着我，是亲情时时刻刻在激励我不 断奋进向上! 作者：王丽芳 2 0 0 4 年3 月8 日 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的不断发展，越来越多的大型发电机组投入运行。容量的增 大使其结构和系统日趋复杂，运行维护问题日益突出，运行的安全性和经济性 成为人们关注的主要问题，这些大型的电力设备一旦发生故障而没有被及时发 现和排除，轻则引起效率下降，重则引起被迫停机，更严重的甚至引起灾难性 的后果，导致人员伤亡。在火力发电机组中，锅炉内部件工作条件恶劣，是电 厂事故多发设备，火电机组的非计划停机事故的多数源于锅炉爆管。因此，如 何保证锅炉的安全稳定运行，对提高机组可靠性有很重要的意义。 现代火力发电的锅炉系统是极其复杂的，测点数以百计甚至上千，其监督 与控制相当困难，判断系统故障相当困难，只能凭运行人员的经验，参考大量 的运行记录数据进行判断，使故障判断和处理的人为因素增大。处理不好时可 能导致事故的进一步扩大，因此凭经验对机组可能故障进行判断的传统方式已 不能适应机组安全经济运行的需要。 传感器技术、信号处理技术【2 。】以及计算机技术的发展为故障预测和诊断 的实现奠定了基础。首先，借助于故障预测与诊断技术可以实现对故障的早期 发现并预测其未来趋势，有利于避免恶性事故的发生，提高机组安全可靠性。 其次，采用预测技术可以及时调整运行方式，提高运行的经济性。最后，采用 故障预测后使维修更有针对性，利于实现状态维修，缩短停产时间，降低维修 成本，提高机组利用率和经济性。 过热气管、再热气管、水冷壁管和省煤器管( 简称“四管”) 等部件是锅 炉内壁主要结构件，长期在高温、烟气、飞灰等十分恶劣的使用环境介质中运 行，在服役过程中会产生一系列材料组织与性能的变化，这种变化涉及蠕变、 疲劳、腐蚀、冲蚀等复杂因素，由此造成的失效方式多达二十多种，部件使用 早期、中期、后期均可能出现严重的爆管失效。锅炉四管的爆漏问题一直是导 致国内外火电厂机组强迫停炉的主要原因，根据国内外的粗略统计，四管事故 占锅炉临检事故的三分之二左右f 4 】，随着机组参数的提高和容量的增加，四管 事故有上升的趋势，已经严重影响机组安全运行，给企业造成巨大的经济损失。 因此，国内外对锅炉“四管”爆漏问题开展了一系列研究，取得了显著进步和 巨大成果。 1 2 锅炉过热器和再热器管寿命研究与应用现状 高温过热器、再热器管内流过的是锅炉各受热面中温度最高的介质，并且 布置于高温烟气区域，其金属的工作条件是整个锅炉受热面管中条件最恶劣 的。在高参数大容量机组中，蒸汽流量沿各蛇行管间分配的不均匀程度以及烟 气温度、烟气流速沿烟道宽度和高度方向的不均匀程度比较严重，更易使局部 管子服役条件恶化。我们都知道，在火力发电厂中，经常发生“四管”爆漏现 象，严重威胁电厂的运行安全。据有关资料统计，火电厂锅炉“四管”爆漏引 起的非计划停运时间占机组非计划停运总时间的4 0 左右，由此少发的电量占 全部事故少发电量的5 0 多。由此可见，“四管”爆漏造成的经济损失是十分 巨大的。根据1 9 8 9 年1 9 9 1 年全国2 0 0 m w 火力发电机组锅炉“四管”爆漏 事故统计资料，按爆管部件分类，过热器、再热器管爆漏次数占3 3 左右；按 技术原因分类，超温过热约占2 0 i s 。这说明了在“四管”爆漏事故中主要是 过热器、再热器爆漏问题，而温度又是决定这一事故的一个重要因素。 目前，电站锅炉的高温过热器管、高温再热器管的失效中，高温蠕变( 长 时过热) 是主要失效类型。国内机组最常用的过热器管、再热器管材料，在5 8 0 以下温度使用时具有良好的热强性能和综合机械性能，运行中显微组织结构 变化也比较稳定，能满足高温过热器管和高温再热器管较恶劣环境下长期安全 运行的要求。但在实际使用过程中，由于高温过热器管、高温再热器管经常出 现超温运行状况，使过热器管和再热器管的早期失效( 少于1 0 万小时) 还相 当普遍。以往高温过热器管和高温再热器管的研究大多采用持久强度外推为主 的材质鉴定技术，随着寿命评估技术的发展，一些传统方法的局限性逐渐显露 出来，主要表现在：持久强度分析方法的不确定性问题，组织球化程度作为管 道状态评定及寿命分析的主要参数是否可靠，如何考虑长期使用后的脆化现象 等方面。发展新的综合评定技术，有利于提高寿命评估技术的准确性，提高部 件后续使用的安全性。 淮北发电厂5 # 与6 # 机组锅炉高温过热器管和高温再热器管已运行接近 1 0 万小时，针对淮北发电厂设备运行状况，借机组大修停机，我们截取了高温 区域的部分炉管，采用多种方法评定其寿命，以确保机组的安全运行。 1 3 采用的技术路线与主要研究内容和方法 淮北发电厂高温过热器管和高温再热器管己运行接近1 0 万小时，材料的 状况己发生了变化，安全运行的可靠程度已明显降低。因此，尽可能用多种方 法进行全面检查和评定十分必要。 1 3 i 采用的技术路线和主要研究内容 1 高温过热器管和高温再热器管道资料的收集与分析。包括原设计、安 装资料，运行历程，实际运行参数，累计运行时间，更换历史，历次检查记录， 事故工况，曾运行的寿命鉴定资料，未来运行计划等。 2 高温过热器管和高温再热器管现场普查。通过对高温过热器和高温再 热器的现场全面普查，基本掌握运行后高温过热器和高温再热器的状况，为选 择有代表性的样品提供依据。 3 运行管段使用状态分析。对长期使用后管材的力学性能、显微组织变 化、材质变化规律进行分析，对比原始管样和已运行管段，评定管材使用状态。 4 管段使用温度评定。对已运行管段进行定量特征分析，以评定管材金 属的使用温度范围，这是评定管材使用状态和剩余寿命的一个重要参数。 5 剩余寿命分析。通过温度评定和应力计算，利用已给出的材质变化规 律和寿命评定方法，对高温过热器管和高温再热器管进行综合寿命评定。 1 3 2 寿命管理实旌的流程图 部件设计、安装、运行、历次检修、未来运行计划等 部件现状诊断与评估 管道材料高 温力学性能 高温管道内壁 氧化层的厚度 危险部位的 应力分析 应力解析法评估 金相、jj 碳化物颗 硬度lj 粒大小分 微观损伤评估 寿命终结：更换 外推高温管道的剩余寿命 综合分析与评估 提出高温过热器和高温再热器管道未来运行的监督措施 第二章金属高温机械性能 2 1 引言 随着高压蒸汽锅炉的工作温度不断提高，对金属材料在高温下的力学性能 的要求愈来愈高。金属材料在高温下的力学性能与室温力学性能既有联系，也 有高温下承载性能要求的特殊性。 在室温下，材料的强度特性一般与载荷保持的时间关系不大，但在高温下 则不然，材料的强度除了随温度的升高而下降外，还和时间有密切联系。例如 在高温和持续载荷作用下，即使载荷远低于材料的屈服极限，材料也会产生随 时间而增长的塑性变形，即所谓蠕变现象；又如在室温下考虑的疲劳问题，在 高温下必须同时考虑疲劳与蠕变的交互作用等等，这些都是在高温下与时间密 切相关的特有现象。 正因为高温下金属材料在受力时表现出独特的性能，因此，必须研究一些 与高温性能相关的重要因素，如温度、时间、试验条件、热处理以及内部组织 结构等对高温机械性能的影响。 2 2 蠕变 金属在一定温度和应力作用下，随着时间的增加缓慢地发生塑性变形的现 象称为蠕变。 ( 1 ) 蠕变曲线 将所试材料车制成一定尺寸和形状的试样，加热到一定温度并保持恒定， 同时施加一定的静负荷，其蠕变伸长和时间的关系如图2 1 所示。此图即所谓 典型的蠕变曲线1 6 ，7 j 。 图中o a 阶段为开始加初负荷时的瞬时应变e 。蠕变曲线上任一点的斜率 ( t ga ) ，表示该点的蠕变速度，按照蠕变速度的变化情况，可将蠕变曲线分 为三个阶段。 a b 为减速蠕交阶段( 或称不稳定阶段、第一阶段) ，即蠕变速度随着时间 增加而逐渐减小，到b 点达到最小值。 b c 为等速蠕变阶段( 或称第二阶段) ，蠕变速度基本上不变，b c 线近乎直 线。根据条件不同，这一阶段可以在蠕变曲线上表现为一段很长的直线段，也 可能仅仅形成曲线上一个转折点。 c d 为加速蠕变阶段( 或称第三阶段) ，即蠕变速度达到c 点后迅速增加， 至d 点试样断裂。 上述的蠕变曲线是一个典型的曲线，不同的金属和合金在不同的条件下， 所得到的蠕变曲线不会完全相同。但是对各蠕变曲线进行比较，可以发现它们 4 有共同的特征。 例如，在恒定的温度下改变应力，或在恒定的应力下改变温度，所得到的 蠕变曲线仍保持三个阶段的特点，但各个阶段的持续时间发生了变化。当应力 较小及温度较低时，其第二阶段，即蠕交等速阶段延续得很长：当应力较大及 一 装 u u 制 词 a o d i 三 l 一二一一f 一j _ l - 时间t 。( 小时) 1 图2 - - i 典型蠕变曲线( 示意图) 嘲 温度较高时，第二阶段很短，甚至完 全消失。这时蠕变只有第一和第二阶 段，而试样将会在较短时间内断裂。 研究耐热材料性能时，常以蠕变 极限来作为材料蠕变强度的指标。条 件蠕变极限系指在获得一定变形速 度或在规定时间内获得一定总变形 量时的应力。条件蠕变极限是以下列 二种方式来表达：在蠕变第二阶段 中引起一定变形速度时的应力值，用 1 1 0 小时表示：在规定时间 内引起一定量总变形时的应力值，如1 0 5 小时内金属变形0 1 或o 。5 、l 时的应力f9 1 。 2 1 3 持久强度 蠕变是测定第二阶段的变形速度或总伸长量，它不反映断裂时的强度和塑 性。持久强度是在一定温度和一定应力下，材料抵抗断裂的能力。所以持久强 度试验不但反应了材料的断裂抗力，同时也反应了断裂时材料长期塑性指标一 一残余伸长和断面收缩率。持久强度试验目的是确定在规定时间内金属抵抗破 坏的应力。一“ 2 3 1 持久强度的确定 评定高温持久强度的标准常采用以下两种方法1 0 1 ： ( 1 ) 试样在一定温度及一定载荷长期作用下。达到破断的时间( 小时数) 。 ( 2 ) 试样在一定温度下，在规定时间内使试样破断的应力作为材料的持久 强度。 2 3 2 持久强度试验数据的处理 关于持久强度试验数据的处理，大体上从两个方面进行a 第一方面，是从 总结实际合金的试验数据出发，通过作图或数字计算，外推长期数据。第二方 面，是从研究蠕变和蠕变断裂的微观过程出发，建立应力、温度和时间( 或蠕 变速率) 的关系式，以指导外推。归纳一下，基本上为两种类型：有时间与断 裂应力的等温线法及时间一温度参数法两种。 等温线法 等温线法就是在一定温度下，有较高应力的短时数据外推低应力的长期 数据。在一定温度下断裂时间与应力间的经验公式如下： i - k = a g ”( 2 - 1 ) 式中：a 、b 一一与材料和温度有关的常数： o 一一应力( m p a ) ： tk 一一断裂时间( 小时) 。 显然，如果两边取对数，则l o g r , = l o g a b l o g 盯，即该公式在双对数坐标上t k 与o 成直线关系，这就是我们有可能以几个大应力较短时间的试验数据点， 在双对数坐标系中作出直线，然后将此直线延长至1 0 万小时来确定持久断裂 应力值。 值得注意的是，当外推很长时间时l o g c r l o g r 。不总是保持直线关系，一般 均有折点出现，因此使外推出来的结果有偏高的危险。 文献j 曾总结了三十一个不同耐热钢的高温长期试验数据，试验时间长达 5 0 0 0 0 小时以上，结果发现用l o g c r l o g 。来表示差不多都存在折点。持久强度 曲线折点的位置随材料和温度而变，温度升高折点左移。有时折点不止一个， 可能会有好几个。 时间一温度参数法1 2 1 3 l 时间一温度参数法是基于提高试验温度可以缩短试验时间，它把时间一温 度表示成一个互相补偿的参数f ( tk ，t ) ，并把这个参数表示成应力的函数， 即： f ( r ，t ) = p ( 盯) ( 2 2 ) 显然，这种外推方法对于提供设计数据是比较方便的。等温线法只能外推 出试验温度下的数据，而时间一温度参数法则可提供设计上所需的任意温度下 的长期数据，并且准确度也较高。 较常用的是拉森一米勒法，简称为l m 法。这两个参数表达公式为： p ( 盯) = t ( c + l o g r ) ( 2 - - 3 ) 式中c 一一材料的常数； t 一一绝对温度( k ) ； tk 一一断裂时间( 小时l 按此公式，断裂应力o 与参数式t ( c + l o g r ) 具有特定的函数关系。在l o g o 与热强参数p 图上，所有点都将落在单一的曲线上，这称为综合参数曲线， 或者说有一参数方程，它包括了在不同温度下的一族持久曲线。如果我们在某 几个温度范围内( 例如相隔4 0 5 0 左右) ，由一些短时的试验数据作出一条 最符合所有试验点且包含( t ，tk ，o ) 的综合参数曲线，就可用上面的参数 6 表达式计算出需判定的某工作温度预定时间下的热强参数值，然后再在综合参 数曲线上推知其断裂应力，或者利用综合参数曲线计算出在一定的工作温度和 工作应力下的热强参数值，然后再利用参数表达式推知其断裂时间。 常数c 可由试验数据来确定。在l m 法中若假定实验应力不变时，在不 同温度( 如t - ，t ：) 所得到的断裂时间( tk 。，tk 。) 应符合以下公式： 尸( 盯) = 正( c + l o g ) = 疋( c + l o g v k , ) ( 2 - 4 ) 于是可得 c ，：t i i o g r k - , - - = t 2 l o g v k z ( 2 5 ) 2 ， 有几个不同的应力值，就可以得到几个不同的c t ( i = 1 n ) 。然后再算出 平均值： c = c ，n ( 2 6 ) 确定了常数c 以后，我们就可按公式计算出一系列试验点的热强参数值， 然后用作图法绘制综合参数曲线。 随着电子工业的发展，目前正逐步推广应用电子计算机进行时间一温度参 数法外推。根据最小二乘法原则，先确定公式的系数，然后由公式计算给定温 度、给定断裂时间下的应力值或给定温度、给定应力下的断裂时间。 如果将时间温度参数法的函数p ( 0 ) 表示成l o g0 的多项式： p ( 盯) = c o + c ll o g o + c 2l 0 9 2 盯+ - - - + c 二( 1 0 9 o r ) “( 2 - - 7 ) 式中c o 、c l 、c 2 c 。是待定系数。将此式联合l m 法可得以下的计算 公式： t ( c + l o k i 女) 兰c o + c i l o g c r + c 2 l 0 9 2 盯+ + c 二( 1 0 9 a ) ” ( 2 8 ) 由这种最小二乘法原理求出的最佳方程系数，能较好地反映数据变化趋 势，也可避免作图法的人为因素，其外推精确度大为提高。 2 4 高温短时拉伸试验 与常温拉伸试验一样，在高温下金属拉伸试验是衡量金属强度的最基本试 验方法。因为轴向拉力是机件最常受到的力，而且根据拉伸试验中所得到的各 种数据可推断出在其他受力状态下一些机械性能的数据。在许多情况下，如火 箭上的某些零件，工作时间很短，蠕变现象没有决定性的作用，或者有些部件 工作时温度不高，没有蠕变现象发生，以及在检查材料的热范性等等情况时， 金属高温短时拉力试验所确定的机械性能，有其重要的意义a 2 4 1 由高温短时拉伸试验所决定的o h 、o1 0 2 、8 、t p - 。 用o b 和。2 分别表示高温抗拉强度和高温屈服强度，即： f 只 2 意 ( 2 9 ) 2 。= 等 ( 2 1 0 ) ，0 p b 一一高温拉伸过程中，试样被拉断时的载荷； p o , 2 t 一一高温拉伸过程中，标距部分残余伸长达到原标距长度的 0 2 时的载荷。 试样在高温短时拉伸试验时的伸长率和断面收缩率是金属材料在该温 度时的塑性指标，分别以6 及v 表示。即： 石r ：生玉1 0 0 ( 2 1 1 ) 厶 式中：l k 一一试样拉断后的计算长度； l 。一一试样的原计算长度。 如标记打在计算长度( 工作部分) 之外，则按下式计算： 。圭d 1 0 0 ( 2 1 2 ) 妒。f o 只- f k 1 。 ( 2 1 3 ) 式中：l l 一一试验前试样两标记间的距离； f 。一一试样原横截面面积： f k 一一试样断裂处的横截面面积。 试样的拉伸速度对6 及的影响最大。随着拉伸速度的减小，抗拉 强度也随着降低，而延伸率则逐渐增大。 第三章锅炉高温管道实际工作温度评估 3 1 高温锅炉管道运行特征 火力发电锅炉中设计寿命超过1 0 万小时的机组很多，今后这种倾向也越 来越显著。如果电厂运行、维修得当，一般能够安全运行五十年甚至更久1 1 4 ，”l 。 电厂在设计时般留有很大余地，使得延长火力发电设备的使用寿命成为可 能，同时还可使设备折旧费降低，发电成本降低，从而提高经济效益。延长设 备使用期的关键是剩余寿命评价技术【l6 1 。淮北发电厂的5 # 与6 # 机组在近十 余年的运行中，其高温过热器和高温再热器管道使用状态和材质变化受到了有 效的监督和检验。 高温锅炉管运行中有如下特征： ( 1 ) 高温下组织性能变化造成蠕变寿命损耗。高温过热器和高温再热器管 在高温下运行，会发生组织性能变化，最终因负担不了高温下的运行应力载荷 而蠕变失效。使用温度愈高，这种组织性能的蜕化速度愈快。 ( 2 ) 各管排、管段沿炉膛的温度分布不均匀。这种不均匀性普遍存在，且 随机组容量的增大而增加。同一管排的不同管子，金属壁温可相差几十度；即 使是同根管子，沿长度方向上也可相差几十度。这种壁温差的存在导致各管 段的使用寿命大相径庭，有的管段可能早期失效，而另一些管段仍可继续使用 几个大修期。 ( 3 ) 内壁氧化皮的存在导致管壁金属温度升高。对于高温过热器和高温再 热器管，由于高温蒸汽介质的氧化作用，在管子内壁会形成一层致密的氧化皮。 由于氧化皮的传热热阻较大，隔绝了蒸汽介质与管壁金属的热量交换，从而导 致管壁金属温度升高，而温度升高又加速了其氧化过程。随着运彳亍时间的增长， 各管段的实际工作温度不断升高。可见，超温的形成与氧化皮的增厚紧密相联， 它最终将导致管子蠕变失效，高温过热器和高温再热器管道爆管。 ( 4 ) 超温使管子的设计裕度大大降低。高温再热器管道和高温过热器管道 在额定的设计温度和压力下工作才能保证其设计寿命的实现，但由于实际的运 行工况及燃烧工况的改变，并不能保证在各部位均限定在设计保证值之内。 ( 5 ) 高温硫腐蚀使管壁局部减薄。高温过热器和高温再热器管道的管壁减 薄除内壁氧化之外，还有外壁的高温硫腐蚀。这种腐蚀可通过外观检查、化验 腐蚀垢层及烟气的硫含量来监督。对于已经发生了高温硫腐蚀的管子，可用有 效壁厚来描述这种局部减薄。 不论哪种方式的壁厚减薄，均使管子运行应力增加。应力的增加将加速蠕 变过程，当运行应力大于管子使用温度下的极限应力时，将发生爆管。 综合高温过热器管和高温再热器管的使用特性可知，导致爆管事故的原因 可归结为温度和应力两种因素。所以只有能够准确评定出高温过燕器管道和高 温再热器管道的实际使用温度和运行应力，才可推导出其剩余寿命。因此笔者 在本章中，介绍了管道工作温度的评估方法与结果，在第四章，详细介绍了高 温管道的应力分析过程。 3 2 截取管件状况 为了深入了解淮北发电厂5 # 与6 # 机组锅炉的高温过热器和高温再热器 管道的损伤程度，为管道的剩余寿命估算提供必要的材料特性数据，我们多次 利用机组大修停机时机，在锅炉内及炉顶部位分别截取了长约2 0 0 m m 的部分 再热器、过热器管段作为实验件。另外，在5 # 炉后屏再热器u 型弯处截取约 2 0 0 m m 长实验管件若干根。所截取的管件的详细情况见表3 1 。 表3 1 实验用管件的状况 机组数量 累计使用时管件的截面 截取部位使用期 编号，根 间， l尺寸 6 #炉外顶部高温再热器2 8 9 4 9 9 1 17 9 3 7 5中5 l 3 5 炉外顶部高温再热器最外 6 #9 8 9 4 0 0 98 5 6 2 5o5 1 3 5 排至第4 排 5 并 炉外顶部高温再热器外排 1 09 0 7 0 2 9 2 5 0 0o5 l x 3 5 炉内( 距项部3 m ) 高温过 5 #6 9 4 7 0 2 1 l6 2 5 0 00 4 2 5 热器低温段外排 5 # 后屏再热器u 型弯 4 8 川2 0 2 1 1 1 4 7 5 0 0中5 1 3 5 高温过热器管段的蒸汽温度为5 4 0 c ，蒸汽压力为1 4 1 k g c m 2 ，高温再热 器管入口段的名义工作温度为3 2 3 ，出口段的名义工作温度为5 4 0 。c ，再热 器蒸汽压力为2 6 5 k g c m 2 ，对于割取的管段毛坯，制备成各种试样进行实验研 究。 3 3 锅炉高温管道实际工作温度评估 3 3 1 金属的氧化 火电厂高温部件在运行中与烟气、空气或蒸汽接触，会使金属表面发生氧 化反应。例如锅炉过热器管的外表面与烟气接触，主蒸汽管外表面与空气接触， 在接触时氧与金属化合成氧化膜，这就是氧化过程。氧化是通过氧的扩散来进 行的。假如生成的氧化膜是牢固的，例如氧化铝等，那么在生成氧化膜后，氧 化过程就会减弱，金属就得到了保护。这样的金属抗氧化性高。钢管在渗铝后 抗氧化性能之所以能提高，就是因为生成的氧化铝起保护作用。假如氧化膜不 牢固、疏松，那么生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续进行下去。 金属的氧化发展速度与温度、时间、气体介质成分、压力、流速、钢材化 学成分、形成氧化膜的强度等因素有关。通常认为：温度愈高，时间愈长，气 体介质中氧的分压愈高，流速愈大，则金属的氧化速度愈快。钢中加入c r 、 a l 、s i 等元素，生成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。 对火力发电厂用钢来讲，氧化现象首先是铁元素的氧化。碳钢在5 7 0 。c 以 下，生成的氧化膜是由f e 2 0 3 及f e 3 0 4 组成，f e 2 0 3 和f e 3 0 4 都比较致密，空隙 少，因而可以保护钢以免进一步氧化。当超过5 7 0 时，碳钢的氧化膜由 f e 2 0 3 + f e 3 0 4 + f e o ( f e o 在最内层) 三层组成，其厚度比为l ：l o ：l o o ，即氧化 膜主要由f e o 组成，f e o 是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的强度，这样， 氧化过程得以继续不断的进行下去1 1 0 1 。氧化过程中，氧向金属内部扩散是沿着 晶界进行的，例如对珠光体钢，氧通过铁素体晶界向里扩散。 3 3 2 内壁氧化皮测厚法预测锅炉管的温度 由高温过热器和高温再热器管的使用特性可知，管子内壁氧化皮厚度的增 长与管壁金属温度有明显的对应关系，只要测得内壁氧化皮的厚度及管子的有 效壁厚，便可推算出管子的当量金属温度和运行应力，进而推导出其剩余寿命。 3 3 3 测量结果 锅炉过热器和再热器管壁厚的实际构成是由外壁腐蚀和氧化物层厚度、剩 余金属层厚度、内壁氧化物层厚度三部分构成。采用螺旋测微仪对各管段内壁 氧化皮及剩余壁厚进行测量，测量结果发现，各管段内壁氧化皮的厚度和外壁 氧化皮的厚度基本相等。由于存割管过程中氧化皮容易剥落，给内壁氧化皮 的厚度测量造成一定的误差，故测算假设内壁氧化皮的厚度近似等于管壁的原 始厚度减去剩余壁厚的半，测量结果见表3 2 。 3 3 4 金属当量温度的计算 对于寿命评估来说，管材的设计工作温度或某一特定时刻的金属壁温意义 不大。因为管材的实际使用温度与设计工作温度会有较大差别，且受多方面因 素的影响，实际使用温度又是随着时间不断变化的。 某段管子不管它曾经在何种温度、何种应力条件下运行了多少时间，其寿 命的损耗程度总可以等效于在某一固定的金属温度及特定的应力条件下服役 了一定时间，这个等效的金属温度就称之为金属当量温度。因而金属当量温度 既不是管子的外壁温度，也不是其内壁温度，更不是其内外壁的平均温度，而 是某段服役期内寿命损耗程度的一种等效描述。 高温锅炉管内壁氧化皮的厚度增长与其在该段服役期内的金属内壁当量 温度有定的关系。 表3 2 测量及计算结果 试样 钋截取部位时醮n 行h r 罗磊： 管道金属内壁管壁金属平均 编号 当量温度 c当量温度 g m l高过外排2 屏6 2 5 0 04 5 5 0 85 6 05 8 2 g m 2高过次外排6 屏6 2 5 0 04 5 0 6 6 5 6 7 7 45 8 9 7 4 z m 3炉顶高再7 9 3 7 52 6 9 5 25 9 1 6 76 1 3 6 7 z m 4炉顶高再7 9 3 7 52 ，6 3 0 45 9 2 7 16 】4 7 1 z m 5高再外排3 屏8 5 6 2 52 9 7 55 5 9 8 85 8 1 8 8 z m 6高再次外排1 4 屏8 5 6 2 52 6 4 0 85 9 2 0 46 1 4 0 4 z m 7 高再外排1 2 屏 9 2 5 0 02 9 8 55 5 5 1 85 7 7 1 8 z m 8高再外排1 8 屏9 2 5 0 02 9 5 4 45 5 9 8 75 8 1 8 7 z m 9 后屏丙熟器u l 1 4 7 5 0 03 0 1 15 3 2 7 85 5 4 7 8 z m l o 后屏再热器u 2 1 4 7 5 0 02 8 9 0 85 4 9 9 45 7 1 9 4 说明：过热器和再热器管壁金属平均当量温度= 管道金属内壁当量温度+ 2 2 l 管壁实际使用温度对炉管的使用寿命影响极大，准确评估过热器不同部位 的实际使用温度，是预测其剩余寿命的关键。由于材料的氧化速度与使用温度 间存在关系式f 1 础： 矿= , e r r( 3 1 ) 式中：卜氧化速度； p - 一氧化反应激活能； 爿与材料性能有关的常数； 卜使用温度( k ) 。 按照美国及加拿大普遍采用的l a b o t e e c 经验公式，对于t 0 2 钢来说，满 足如下公式1 1 9 ： r ：一 ( 3 2 ) l g f + b 一2 l g ( 0 4 6 7 8 z ) 式中卜_ 管子已运行时间，( h r ) ； 卜过热器或再热器管内壁的金属当量温度，( k ) x 一管子内壁氧化皮的厚度，( m ) ； a 、b 一材料常数。 该公式在高温区和较低温度区具有不同的a 、b 常数，反映出金属内壁的当 量温度与内壁氧化皮厚度的关系曲线是两条不同走向的曲线相交与某一温度 点，该温度点乃称为分界温度，对于g 1 0 2 来说，t o = 8 6 3 1 5k 。 常数盘、b 按下述温度区间分别取值： 当t 8 6 3 15 k 时，a = 7 3 8 0b = 2 1 0 5 当t 8 6 3 1 5 k 时，日= 4 8 3 3 3b = 4 9 5 3 8 我们把计算出来的内壁氧化层的厚度和管予已运行时间代入上式，便可计 算出过热器或再热器管内壁的金属当量温度，计算结果见表3 2 。 3 4 硬度法预莉锅炉管的温度 硬度是金属材料力学性能试验中最常用的个性能指标。硬度试验又是最 迅速最经济的一种试验方法。但是对于金属材料的硬度，至今国内外还没有一 个包括所有实验方法在内的统一而明确的定义。一般来说，金属的硬度常被认 为是：材料对压入塑性形变、划痕、磨损或切削等的抗力。也有认为是：材料 在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。之所以存在上述 两种说法，是因为“硬度”本身不是一个物理常数。它是一个不仅决定于所研 究材料本身的宏观与微观条件( 如宏观的变形程度，冷热加工条件，微观的金 属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等) ，而且也决定于测量条件的 量。可以这样说，对于被试的材料而言，硬度是代表着在一定的压头和力的作 用下所反映出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等 一系列不同物理量的综合性能指标。 硬度试验能成为力学性能试验中最常用的一种方法，是因为硬度试验的结 果能敏感的反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异。这种方法 在检查原材料、监督热处理工艺质量以及在研究固态相变过程和研制新合金、 新材料中被广泛的加以应用。 例如，在钢铁材料中，当马氏体形成时，由于溶入过饱和的碳原子而增大 了晶格畸变。增加了位错密度，从而显著的降低了塑变能力。这就是马氏体具 有高硬度的主要原因。显然，含碳量愈高，这种畸变程度愈大，则硬度也愈高。 不同含碳量的钢在淬火后，硬度值与马氏体量及其含碳量间在很大范围内有良 好的对应关系。合金的硬度随冷加工变形程度的增加而提高，又随退火而使材 料发生恢复再结晶的程度而降低。 科学、合理的使用硬度试验方法，对监督产品质量、加强生产管理、提高 经济效益是很重要的。 3 4 1 材质的退化现象 长期受到高温、高应力作用的金属材料，其微观组织中的碳化物及位错将 出现不同程度的变化，使其发生材质软化现象，它是个与环境温度、应力水 平和运行时间等因素有关的函数。这也就是说，机组运行方式和服役年限等因 素可使管子钢材的硬度、蠕变和疲劳等力学特性发生不同程度的退化现象1 2 。 这种退化的趋势是以锅炉管道寿命损耗加剧为代价的【2 ”。 从材料的微观角度来看，目前火电厂用得最多的是珠光体耐热钢和马氏体 耐热钢。要使以铁素体为基体的耐热钢的耐热性高，不但钢中碳化物要稳定， 分布适当，而且更重要的是铁素体基体要很强。铁索体含碳量很少，几乎可以 忽略不计，但在合金钢中，它却含有多量的台金元素，这种合金化的铁素体是 被强化了的。在这些钢中，归根到底只有两种相：固溶体和碳化物，即铁素体 和碳化物。耐热钢中的合金元素不是存在在固溶体中，就是存在于碳化物中。 当形成固溶体时，台金元素的原子是要溶入到铁的晶格点阵中去的。由于合金 元素的原子直径与铁原子直径不同( 或大于铁原子或小于铁原子) ，因而形成 固溶体时就要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的。因此，在高温长期作 用下