过热器管和蒸汽管道长期运行过程中_省略_能变化及其运行中的检验与监督概况_王瑞坤

过热器管和蒸汽管道长期运行过程中的 组织性能变化及其运行中的检验与监督 火力发电厂高参数蒸汽锅炉的过热器管和蒸汽管道是在高温和高内压作用下长期运行 的 在这种条件下 钢管金属 的组织性能要随时间发生变化 同时 还会产生蠕变变形 这 些变化最终导致钢管金属 的性能变坏 因此 它们的安全运行是同与温度和时间有关的钢管 金属 的强度性能一 一 持久强度和蠕变强度 有密切关 系 从本世纪2 0年代末期开始 在设 计温度高于4 5 0 的高压蒸汽锅炉时 就采用持久强度和蠕变强度作为设计过热器管和蒸 汽 管道等高温承压部件的强度依据 它们的设计使用期 限一般为1 0 0 0 0 0小时 有些国家已按 20 00小时使用期限设 计了 但是 由较短试验时间所得结果 外推求 得的1 000 0 0小时或 2 0 0 00 0 小时的持久强度数据的可靠性 必须经长期实践的检验 另 一方面 持久强度是在轴 向拉伸应力条件下试验求得的 而过热器管和蒸汽管道在运行中的受力状态比较 复杂 因 此 这些部件能否安全地使用1000 0 0或20 0 0 0 0小时 或者有否可能使用 更长的时间 这个问 题引起了 电业 工作人 员的关切 研究解决这一 问题具有重大的经济效果 它不但可为电厂提 供设备安全运行的时间 使之充分利用设备潜力 有计划地适时地备料加工 以便更换或改 造设备 而且 可以给 改善耐热钢的性能 改进实验室持久和蠕变试验数据的分析 处理方 法以及对改进蒸汽锅炉 的设计方法提供有用的资料 因此 从5 0年代初期开始 一些国家就 开展了对长期运行过的过热器管和蒸汽管道金属的组织性能变化的研究工作 同时 为保证 过热器管和蒸汽管道的安全运行 防止突发性爆破事故发生 对它们进行运行监视的工作 早在4 0 年代初就开始了 一 概况 1943年美国的斯波林格一得依尔 电站 5 M 钢蒸汽管道 由于在焊缝热影响区 石墨 强烈地成链状分布于 晶界 造成一根管子在焊缝处沿整个横断面爆炸的事故 这次事故引起 了人们对蒸汽热力设备用钢石墨化过程的注意 这次事故之 后 美国就开始对0 5 M o 钢高 压蒸汽管道金属的组织进行检验监督 5 0 年代初期开始 美国底特罗依特一爱迪生 D e t ri o t E di s on 公司与密执安 Mi hig an 大学合作 对所属电站在 4 3 2 4 4 6 和4 2kg mm 应力下 运行64 00叼 时的碳钢蒸汽管道及在4 6 6 49 3 和5 6kg mm Z应 力下运行 100 13 5小 时 的 5 M 钢蒸汽管道 金属的组织性能进行了研究 于 1 9 5 5 年发表了他们的研究报告 1 后来他们又对在同样参数下 运行19 8 660小时的碳钢蒸汽管和运行1537 50小时的 5 M 钢蒸 汽管道金属 的组织性能进行了试验研究 上述研究结果表明 2 长期运行后 的碳钢和 0 5 M 钢蒸汽管道金属的室温机械性能及高温冲击韧性 都符合有关标准对同类新钢管材料的要 求 碳钢管金属在4 5 4 100 0 00小时的持久强度及0 5 M 钢管金 属49 2 1 000 0 小时的持 久强度都和新钢材的持久强度平均值处于 同一水平 蠕变速率比新钢材的平均值稍高些 但仍 在有关标准的要求范围之内 长期塑性良好 试验的管段取 自蒸汽管道 运行中应力最高的部 位 然而这样水平的应力还是低的 因此在运行中由蠕变过程引起的损伤小到不可测量的程 度 于是认为 管道在这种温度和应力下 运行 持久断裂时间可能有几百万小时 1 960年 美国机械工程协会对 C r 一M 钢管和使用中破裂的 1孤C r 一于M 钢过热器 管 和再热器管高温 强度性能进行了重新评价 证明1孤C r 一奋M 钢管许用应力比美国机械协会 老标准中提供的低 但是美 国很多蒸汽锅炉用 的这种钢管是根据老标准提供的较高的许用 应 力设计 的 而且已运行了很长时间 为了查明这种钢管在运行中的蠕变损伤 底特罗依特一 爱迪生公司和密执安大学 对所 属 电厂的1糙C r 一士M 钢 蒸汽管和巴利埃英 尔 Ba l l i em e 燃气和 电气公司 电厂 的1孤C r 一去M 钢过热器管 割管进行了持久强度试验 3 割管试验时 主蒸汽管道在5 3 8 5 skg mm Z应力下 运行了8 6 小时 过热器管在54 0 5 2kg mm Z应力 下运行了6 1 000小时 为了比较运行造成的蠕变损伤 对割管的一部分进行 了恢复热处理 然后与 割管段一起进行了持久试验 试验结果 主蒸汽管金属在5 38 10 0000 小时的持久强度为8 7kg mm 过器热管金属5 4 1 000 0 0小时的持久强度为7 3kg mm Z 而美国机械工程协会 19 57年标 准为8 o k g m m 可见 蒸 汽管和过热器管金属 经长期运 行后 其持久强度都在对新材料要求的范围内 另 一方面 割管段的试验结果与割管段经恢 复热处理后管金属 的试验结果相近似 也说明长期运行对管金属并未造成明显的蠕变损伤 1965年 美国爱迪生 电气协会 EE I冶金和管子特别 工作组决定再 次评价运行中高温蒸 汽管道用的C r 一M 钢管的性能 确定管道运行应力对寿命的影响 并确定运行后管金属 的 持久强度水平 为予计管道继续使用寿命提供依据 为了解运行情况 对8 9台在5 1 到5 6 6 运行的机组进行了调查 其 中2 1台机组运行温 度为5 3 8 2 3 台机组运行温度为5 1 0 使用2瘫C r 一 IM 钢管 6台机组运行温 度 为51 0 和1 6台机组运行温度为53 8 使用 1孤C r 一士M 钢 管 其余 51 0 运行的机组大部分用1C r 一士M o钢 管 3台机组在51 0 和5 66 运行 使用 2褪C r 一 IM 钢管 调查表明 这些机组一般都在接近于设计运行温度和法规规定的许用应力之下运行 但 是 大多机组在老标准提供的最大许用 应力下或接近于这个应力下运行 管道在运行中可能 受到蠕变损伤 在调查基础上用 船形 取样机选取以下管材进行了试验 1 在5 3 8 运行的1孤C r一士 M 钢管道的最高工作应力 4 Ikg mm 部 位和最 低工作应力 2 skg mm 部位取样 2 在5 6 6 运行的2呱C r 一IM 钢管道的最高工作应力 3 skg mm Z 和最低工作 应力 2 ikg mm 部位取样 试验结果表明 经 12 0 000小时运行后 2孤C r一i M o 钢管 566 10 0 0 00小时的持久强 度高于这种钢新材料持久强度最小值5 skg mm 1孤C r 一士M 钢管的5 3 8 100 00 0小时的 持久强度高于这种钢新材料持久强度最小值5 s k g mm 并且从试验结果还可以认为 持 久强度和 以前的管道运行应力大小无关 另外 宏观检查和蠕胀侧量均未发现管道有明显的 蠕变变形 因此 得 出结论 蒸汽管道可以继续安全运行 代 西德近年来对一系列运行达142000小时以下的1 3C r M 4 4 钢蒸汽管 过热蒸汽联箱及再 热器管 包括直管 弯管和铸件 进行了综合性试验研究 5 试验管段的情况 列入表 1 部分 管段的持久及蠕变试验结果列入表 2 从表2可以看出 不同管子的总寿命及可能继续使用 的寿命 即残余寿命 相 差很大 2号管子在53 0 及6 Ikg mm 应力下运行了90 0 0 0小时 管子蠕胀达1 左右 持久强度试验求得其残余寿命为440 00小时 但是 蠕变试 验 结果表 明 3 5 00小时后它就蠕变伸长达1纬 考虑到钢管本身已蠕胀了 1 左右 在3500小时后 它 的 总蠕变变形就达到了 2 即达到管道蠕胀监督标准允许的蠕胀极限 因此 这根管子 不能 再继续使用 这可能与管道超温运行有关 另外制造这根管子的那炉钢材本身的持久强度就 处于此类钢材的平均值之下也是一个原因 4号管子在53 0 5 Ikg mm Z应力下 已运 行了 1 00 00 0小时 但到断裂的时间还有2 o 小时 并且达到1 蠕变变形的时间还很长 因此可 以继续使用 究竟能使用多长时间主要决定于胀粗情况 8号管子是弯管 它在52 0 n 4 巴压力下运行了1160 00小时就爆破了 但根据VG B19 68年报导 西德电厂的主蒸汽管道已 有运行2 2 o小时的经验 如果超温情况 不计 主蒸汽管道直管至今还没有出现因长期运行 产生破裂的情况 次 于 l 一 廿1 钢 号 1 部件名 称 万 表 1 状件 部 形 1 1 1 3C 一 M 2 3 4 再热蒸汽 管 蒸 汽管 管子 规格 mm 3 6 8x1 1 一 运行 参数 TIP 运行 时 间 525 巴 35 小时 120 000 直管 192X24 5301539 00 0 0 蒸蒸蒸 汽 管管 蒸蒸蒸 汽管管 蒸蒸蒸 汽管管 318 X 355 25 1 1 3 5 10 5 0 0 0 27 8 x 39 530 166 10 0000 2 16X225 201 14 11 60 00 2 16X33530 192 5 7 000 245 X2 6 5 15 12810 0000 圣 生 l 1 二竺燮 气 管 1 2 9 2X 再热器管 3 6 2 5201 1 4116 0 0 0 51073 5 1 4 200 0 5二弓 1 1 800 0 再热器管 蒸 汽管 出口 联箱 318 x 4 05 3 01539 0000 360X405 251 13 5 13000 0 360X505 2 512 6 40 00 0 直 管 直管 直管 直 管 直管 直 管 弯 管 皱纹弯管 皱纹弯管 铸件 铸件 铸件 l 一l一l一 川引 一 一l l 叫 一 川 一 川 一 l s 一 口 一 一 二 曰 侧曰叫 试试试运行 情 况况 已 用用计算胀粗 根据运行条件确确 寿命命 件件件件寿 命命命 定的寿命 小时 号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号号 温温温度 度 应 力力 时 数数 最 小小 最大大至目 到断裂 裂残余 余总 一 的的 kg m m 小时 的的的 2 2 2 2 253 0 0 0 6 1 1 1900 00 0 0 42 2 21 1 1 1 2 6 6 6 3500 0 0 44000 0 02 0 0 062 2 2 3 3 3 3 3 525 5 5 5 2 2 2105000 0 0 28 8 8 0 6 6 61 1 1 15 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 4 4 4 4530 0 05 1 1 1 1000 0 0 0 033 3 3 0 7 7 71 5 5 520 0 00 0 0200 0 0 0 0 0 6 7 7 7 100 0 0 5 5 5 5 55 2 0 0 05 3 3 31 16 00 0 0 02 5 5 50 5 5 50 9 9 9 5500 0 0 0 4 0 0 0 0 0 87 7 7112 2 2 9 9 9 9 951 0 0 05 7 7 71420 0 0 0 02 0 0 00 3 3 3 0 7 7 7 2 00000 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 05 2 5 5 55 5 1 1800 0 0 0 35 5 5O 7 7 7l 4 4 4600 0 0 012 0 0 0 0 0 035 5 570 0 0 东德曾对长期运行过的 10Cr M og i o i3Cr M o 44 i 5C r iM o 12CrlM o V和捷克的15 12 8 钢蒸汽管做过综合性试验研究 以确定其残余寿命 研究的 1 0 C r M 09 1 0钢蒸汽管道 运行 温度为 5 3 0 运行应力为5 g k g m m 运行时间最短为4 22 7 5小时 最长为105000小 时 试 验结果表明 6 室温 下 a a 乙和甲均符合有关标准对新钢材的要求 但40 0 的 d 稍 低些 蠕变 试验结果指出 运行52 00 0小时的管金属 对应于运行应力外推到3 6 0 00小时 蠕 变 伸 长 即达到1 运行 422 75小时的管金属 对应于运行应力外推到 45 0 00小时 即达到1 蠕变 伸长 因此 应 当加强监督 试验结果还指出 1 0C r Mo 9 1 0 钢二在53 0 5 g k g mm Z 应力 条件下 最小的蠕变速度在1 3x1 0 一 小时到2 8欠1 0 小时之间 可见 它的蠕变速 度比较大 捷克 T 皮林卡等人对电厂 运行9 2144小时的c r一 M 一 v 0 5 c r 0 5 M 和 2 5 v 钢蒸汽管道金属进行了综合研究 蒸汽管道的运行温度为5 4 0 运行应力为5 okg m m 研究结果表明 7 长期运行后 管金属的室温强度性能有明显降低 塑性升高了 55 0 100 000小时的持 久强度为7 4kg mm 比新钢材降低了2 8 到 5 4 但外推求得 的200000 小时的持久强度为6 o k g m m Z 接近于 国际标准化组织 1 50 对该钢新钢材推荐的数值 6 2kg m m Z 作者由试验结果推断 该蒸汽管在54 0 5 o k g m m Z应 力下 可能的使用 寿命为50000 0小时 1969年日本对国内外锅炉管损坏事故做了调 查 并对运行 400 0 0到5 0 000小 时的碳 钢 及2板C r 一 IM 钢过热器管进行了硬度及持久强度试验 试验结果表明 持久强度在 持久 强度外推 曲线的高应力短时间侧较新材料降低了 但在低应力长时间侧逐渐接近于新材料 因此认为 在正常运行条件下长期使用 高温强度是没有问题的 日本仙台火力发电厂 从找沁年起对其1号炉 运行 温度57 0 压力17 4k盯 Cm Z 过 热器管和 主蒸汽管道实行系统的俭验与监督 并对运行最长达6 50 0 0小时的主蒸汽管道 2驰 C r 一 IM 钢 的焊缝及运行最长逸600 0 0小时的二 次过热器 管异种 钢 2孤 C r一 IM 和 1士 C r一奋 M 钢焊 缝及 Z I C r 一IM 和 18C r 一SN i一Ti钢焊缝 的焊缝 进行了综合性试验 试验结果指 出 9 在长期运行后 主蒸汽管焊缝和二次过热器管异种钢焊缝的机械强度都符 合有关标准对新材料的要求 的 100000小时的持久强度比新材料降低了 但是 若按原 设计运行100 000小时是没有问题的 英国中央发电管理局从1958年开始 对所属一些 电厂 的锅炉过热器管进行了综合性试验 研究 过热器管为1C r 一士M 钢 在48 2 到51 8 运行了10 O 小时 研究 结 果于1 9 6 1年 发表皿 这是一篇比较系统的研究报告 它对新钢材 运行5 316 1 2 0 00 23500 3 5 050 95223和100000小时的管子 进行比较试验研究 研究结果按珠光体球化程度及碳化物析出 和 分布分为6级 长期运行过程中室温机械性能没有明显变化 565 的屈服极限有 明显降低 5 10 100000小时的持久强度为i ikg mm 5 65 1 0 0000小时的持久强度 为3 gkg m m Z 而有些过热器管在应力为3 2kg mm 么下运 行 有些在应力为 5 2kg mm Z下 运 行 因此 只 有在大幅度降压情况下 才能继续运行 苏联从6 0年代初就开始了对1 6M 1 2M o C r 和 1 2Cr 1M o V钢蒸汽管道运行过程 中 组织 性能变化的研究 1 967年全苏热工研究院发表了对苏联1 9 33年投入运行的高参数锅炉蒸汽 管道焊缝的研究结果 该蒸汽管道为2 5 C r M 钢管 在5 0 0 13 0 大气压下运 行了2 20000 小时 结果认为 2 5 C r M 钢管金属焊缝在50 0 2 2 0 000小时运行后 组织性能比较稳定 焊缝金属5 0 0 100 0 0 0小时的持久强度为1 3kg m m 蒸