2022电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则

$$%&ß(fiü+fl§ƒ01fi¾4犜犜目 次前言 Ⅰ１范围 １２规范性引用文件 １３术语和定义 １４缩略语 ２５寿命评估前准备 ２６寿命评估条件７寿命评估程序８寿命评估方法

……………３……………４……………５９寿命评估报告 附录Ａ资料性）电站锅炉承压部件的主要损伤模式 附录Ｂ资料性）电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值 ２附录Ｃ资料性）电站锅炉常用耐热钢的低周疲劳参数 电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则１范围本文件规定了电站锅炉主要承压部件寿命评估的内容确立了寿命评估的程序描述了寿命评估的方法规定了寿命评估报告的内容。本文件适用于在用电站锅炉承压部件的寿命评估。本文件不适用于存在超标缺陷电站锅炉承压部件的寿命评估。２规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中注日期的引用文件仅该日期对应的版本适用于本文件不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于本文件。金属材料单轴拉伸蠕变试验方法金属材料轴向等辐低循环疲劳试验方法水管锅炉第４部分受压元件强度计算２０２１锅炉及压力容器规范第三卷第一册分卷高温一级部件＆３术语和定义下列术语和定义适用于本文件。１

疲劳材料或部件在循环应力或应变作用下在某点或某些点逐渐产生局部的累积损伤经一定循环次数后形成裂纹或继续扩展直至完全断裂的现象。２３４５

低周疲劳在局部循环塑性应变作用下循环周次一般低于５次循环的疲劳。蠕变狆在一定的温度下金属材料或机械部件在长时间的恒定应力作用下发生缓慢塑性变形的现象。持久强度材料在规定的蠕变断裂条件一定的温度和规定的时间下保持不失效的最大承载应力。腐蚀材料与环境之间的化学或电化学反应。１６７

磨损由于摩擦而导致的金属表面的损伤。剩余寿命承压部件在服役条件下能够保障继续安全运行的剩余时间或疲劳循环次数。４缩略语下列缩略语适用于本文件。计算流体力学有限元分析无损检测数值传热学５寿命评估前准备１基本资料采集１电站锅炉承压部件设计资料包括制造单位信息炉型设计依据部件材料质量证明文件及其力学性能试验报告制造工艺文件结构图纸强度计算书管道系统设计资料等。２电站锅炉承压部件出厂质量证明书检验报告或记录等。３电站锅炉安装资料重要安装焊口的工艺检查资料主要缺陷的处理记录高温蒸汽管道安装的预拉紧记录等。４电站锅炉运行资料包括机组投运时间累计运行小时数等。５电站锅炉典型的负荷记录或代表日负荷曲线调峰运行方式等。６电站锅炉冷态启动温态启动热态启动极热态启动以及滑参数停机正常停机异常停机次数等。７电站锅炉历次事故和事故分析报告。８电站锅炉运行记录包括承压部件实际运行的温度压力及其波动范围是否有长时间超设计参数温度压力等运行等。９电站锅炉历年可靠性统计资料。电站锅炉承压部件维修与更换记录。１ 电站锅炉历次检修检查记录包括部件内外观检查几何尺寸测定材料成分分析金相检查硬度测量蠕胀测量腐蚀磨损状况检查和部件的支吊系统检查等记录。历次检验报告。电站锅炉未来的运行计划。２损伤模式电站锅炉各承压部件主要损伤模式见附录根据部件的主要损伤模式选择适用的寿命评估方法。３寿命评估所需要的各项数据以及获得方式１寿命评估所需材料性能数据１力学性能包括常温和工作温度下的拉伸与冲击性能低周疲劳或疲劳蠕变交互作用特性韧２脆转变温度硬度持久强度蠕变极限等。２物理性能包括弹性模量泊松比线膨胀系数比热容热导率等。３化学性能包括氧化速率腐蚀速率等。４微观组织包括球化或老化级别裂纹石墨化级别等对于高铬的马氏体奥氏体耐热钢必要时应增加马氏体板条位错及第二相析出等的透镜检查。２材料性能数据的获得１在条件许可的情况下应在部件服役条件最苛刻的部位取样进行相关的材料性能试验。２若直接在部件上取样有困难可选用与部件材料牌号相同工艺相同保证微观组织和硬度范围的一致性的原材料进行试验至少有一组试验应在与部件工作温度相同的温度下进行。３如在短时间内不能取得实际试验数据可参考相同牌号相同状态材料已积累的数据的下限值。４若以上条件不具备时可采用微试样法来获得材料性能数据。３承压部件高应力危险部位应力分析１管道受力分析时应依据管道目前的支吊状况及有关管系设计安装原始资料对管系进行应力分析找出其最大受力部位并确定其应力水平尤其是管系中弯头承受的附加应力。２锅炉锅筒和汽水分离器的应力分析应考虑到承压产生的应力热应力和弯曲应力此外还应考虑筒体角变形焊缝错边和筒体不圆度引起的应力集中及下降管接管座角焊缝处的应力集中。３高温管道三通和集箱主要计算承压产生的应力及热应力但应考虑接管开孔处的应力集中。４对结构较为复杂的焊接部件应考虑焊接残余应力的影响。４应力水平的获得１按照进行应力计算。２对复杂结构和复杂应力状态的承压部件也可采用进行应力分析。３采用应力应变测量装置对监测部位进行实际测量。５确定承压部件金属壁温的考虑因素１锅筒三通集箱和管道沿壁厚方向温度分布的不均匀性。２高温集箱沿长度方向温度分布的不均匀性。３过热器再热器管子管外烟气速度温度分布和管内蒸汽速度温度分布的不均匀性。６金属壁温的获得１采用成熟的传热公式进行金属壁温计算。２在应用合理的数学物理模型的基础上采用数值分析法来确定金属壁温。３通过布置在承压部件外壁的测温装置如热电偶直接测量承压部件金属壁温对炉内过热器、再热器管在布置测温装置时应考虑管子内外壁氧化层对测量精度的影响以及飞灰磨损和烟气腐蚀而引起的测温装置的脱落或失效。４采用红外热像仪非接触式测量金属壁温。６寿命评估条件１电站锅炉承压部件运行时间不少于年或万以先到为准时应进行寿命评估。３２对于曾提高参数相对于设计参数运行的电站锅炉主要承压部件以及采用高合金马氏体钢的主蒸汽管道再热蒸汽管道热段集箱等部件进行寿命评估的运行时间应适当提前。３对超过规定允许启停次数或启停频繁以及参与调峰的锅炉应对锅筒汽水分离器进行低周疲劳寿命评估对高温蒸汽管道和高温集箱进行疲劳蠕变寿命评估。４主蒸汽管道再热蒸汽管道热段锅筒集箱的实测壁厚小于按照计算得到的理论计算壁厚时应进行寿命评估。５主蒸汽管道再热蒸汽管道热段高温集箱存在以下情况之一时应进行寿命评估：组织老化如球化石墨化以及析出相种类尺寸分布异常等程度较为严重；蠕变相对变形量或蠕变速率较大；ｃ）硬度异常。６对腐蚀磨损速率较大的受热面管子应进行寿命评估。７根据电站锅炉承压部件的检验结果检验人员或使用单位认为有必要进行寿命评估时应进行寿命评估。７寿命评估程序１通用程序电站锅炉主要承压部件寿命评估的通用程序见图。图１电站锅炉承压部件寿命评估通用程序２三级评估１Ⅰ级评估寿命的初步评估。通过审查电站锅炉的设计制造安装运行历次检修及对主要承压部件的检验与测试记录事故情况更新改造等资料来确定承压部件的寿命。２Ⅱ级评估寿命的较精确评估。通过对承压部件的当前状态进行初步检查用经验公式计算应力测量尺寸和运行工况等来取得Ⅱ级评估所需要的数据。当承压部件已运行时间超出Ⅰ级评估确定４的寿命时应进行Ⅱ级评估。３Ⅲ级评估寿命的精确评估。通过对承压部件的应力进行或实际测量并取样对材料特性进行测量。当承压部件已运行时间超出Ⅱ级评估确定的寿命时应进行Ⅲ级评估。４三级评估需要的资料见表。表１三级评估所需资料所需资料Ⅰ级评估Ⅱ级评估Ⅲ级评估设计制造和安装资料电厂及制造厂资料电厂及制造厂资料电厂及制造厂资料运行历程电厂记录电厂记录电厂记录事故维修记录电厂记录电厂记录电厂记录温度和压力设计或实际运行值实际运行或测量值实际运行或测量值运行工况运行记录或额定参数运行记录运行记录蠕变测量数据检修记录检修记录检修记录部件几何尺寸设计制造资料测量值测量值无损探伤检测检测检测是否取样否否是微观组织不检测现场复型金相现场复型＋实验室试验不可取样的部件除外）硬度不检测检测检测材料特性查阅资料取最低值查阅资料取最低值试验测定取最低值不可取样的部件除外）８寿命评估方法１蠕变损伤寿命评估１等温线外推法１适用于以上碳钢合金钢的受热面管管道及集箱的蠕变寿命评估。在使用中应结合部件材料微观组织的老化特征进行寿命评估。２选择与部件工作温度相同的温度按进行材料的持久断裂试验。３按公式对试验数据应力断裂时间用最小二乘法进行拟合作出材料的持久强度曲线见图。式中：

σ犿 １）σ——试样加载的应力水平单位为兆帕犽——由试验确定的材料系数；ｒ——断裂时间单位为小时犿——由试验确定的材料指数。５图２材料的持久强度曲线４电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值见附录。５按公式外推材料某一规定时间的持久强度σ时外推的规定时间应小于最长试验点时间的倍。对于钢根据实际条件外推的规定时间宜小于最长试验点时间３倍。６确定部件工作条件下的最大应力部位及最大应力。７按公式计算断裂时间。式中：

ｒ４

４５４

…………（２）４５——分别为某一温度下１万ｈ和万ｈ的持久强度单位为兆帕；狀 ——安全系数按中值线时狀取按下限线时狀取。见图。狀８累积蠕变损伤的计算按每一温度应力等级分别计算每一损伤单元这些损伤的总和达到１时承压部件失效。累积蠕变损伤１按公式计算。狀犇＝∑犻

…………（３）式中：

１ 犻犻——承压部件在第犻种应力与温度下的运行时间；犻——承压部件在第犻种应力与温度下的蠕变断裂时间。２犕参数法１适用于以上碳钢合金钢的受热面管管道及集箱的蠕变寿命评估犕参数是时间和温度二者相结合的参数以犘表示按公式计算。犘犜犆） ４）式中：犜——试验温度单位为开尔文犆——材料常数；ｒ——断裂时间单位为小时。２确定材料的犕参数选部件工作温度及其附近共３个温度在每一温度下至少进行４个应６力水平下的持久断裂试验。按公式对试验数据进行多元线性回归处理求解出犆值：ｒ＝０σσσ犜犆 ５）式中：０１２３４——拟合系数。依据拟合出的公式绘制犘σ曲线。３２钢的犕参数犘按公式计算。犘犜） ６）２钢的犘σ曲线见图。图钢的犘曲线４Ｖ钢的犕参数犘按公式计算。犘犜２） ７）Ｖ钢的犘σ曲线见图。图钢的犘曲线５钢的犕参数犘按公式计算。犘犜） ８）钢的犘σ曲线见图。７图钢的犘曲线６钢的犕参数犘按公式计算。犘犜） ９）钢的犘σ曲线见图。图钢的犘曲线７钢的犕参数犘按公式计算。犘犜） ０）钢的犘σ曲线见图。８图钢的犘曲线８１钢的犕参数犘按公式１计算。犘犜） …………１）１钢的犘σ曲线见图。图钢的犘曲线９钢的犕参数犘按公式计算。犘犜） ２）钢的犘σ曲线见图。９图钢的犘曲线１Ｎ异种钢焊接接头的犕参数犘按公式计算。犘犜） ３）１Ｎ异种钢焊接接头的犘σ曲线见图。图异种钢焊接接头的犘曲线１ 确定部件工作条件下的最大应力部位及最大应力。从σ曲线上查得部件最大应力对应的犕参数犘。按公式或公式或公式或公式或公式或公式或公式１或公式或公式确定部件蠕变断裂寿命。１０３θ法１适用于以上碳钢合金钢的管道的蠕变寿命评估。２用一组试样在不同温度不同应力水平下按进行蠕变断裂试验获得各试样在某一温度应力下的蠕变曲线见图。）典型曲线一 ）典型曲线二图１ 典型的蠕变曲线３按公式拟合试验条件下的蠕变曲线见图１求解每一试样蠕变方程中的犻、。式中：ε ——蠕变应变

ε１狋３狋） ４）１３——蠕变第一阶段和第三阶段的蠕变应变参数１３与应力的关系见图；２４——蠕变第一阶段和第三阶段的蠕变曲线的速率参数２４与应力的关系见图；狋 ——蠕变时间单位为小时。图与应力的关系１图与应力的关系４按公式求出试验条件下的犻犻犻犻：犻犻σ犜犜 ５）式中：犜 ——试验温度单位为开尔文犻犻犻和犻——与应力温度有关的系数。５根据求解的犻犻犻犻将所要预测部件的温度犜和应力代入公式中求出实际部件的犻。６将实际的温度应力下的犻代入公式确定所要评定的蒸汽管道在其服役条件温度应力下的材料蠕变曲线。７给定一个蠕变应变值按公式即可确定对应于这个给定值的蠕变寿命。４犆射影法１在主蒸汽管道和再热蒸汽管道热段的最高温度高应力截面初始椭圆度大的弯管和管壁最薄处安装蠕变测点准确测量直管截面蠕变应变犻犻或弯管的椭圆度犻犻犖犻为测量次数。２待测得的蠕变数据达６次及以上犖且数据测量的时间跨度超过万并含有蠕变第三阶段的变形特征之后整理出直管的犻犻或弯管的犻犻。将整理好的犻犻或犻犻数据按公式计算出系数犼式中：ε——蠕变应变，％；

ε犻＝ 犼

…………（１６）——评估截面的Ｃ射影系数与材料和运行工况有关；狋——运行时间单位为小时对于弯管按公式的蠕变应变ε替换为弯管截面的椭圆度犲进行计算。３狋等于时按公式计算相应蠕变量值的条件寿命时间。１２狋 ０ …………（１７）狋－ 犼犼犼＝０可确定所测量截面的条件蠕变寿命狋。２疲劳损伤寿命评估１确定材料的寿命设计疲劳曲线１材料的虚拟应力幅寿命曲线按公式确定：ｑ犫犮 ８）式中：虚拟应力幅单位为兆帕ｆ——疲劳强度系数单位为兆帕；ｆ——疲劳循环次数；犫——疲劳强度指数；犈——材料的弹性模量单位为兆帕ｆ——疲劳延性系数；犮——疲劳延性指数。２如果没有材料的低周疲劳试验结果则可按公式确定ｑ：ｑ犚ｍ２６６ ９）式中：犚ｍ——材料的抗拉强度单位为兆帕。ｆ——材料断裂真应变ｎψ ——材料的断面收缩率３对虚拟应力幅寿命曲线进行平均应力修正按公式确定：犚ｍ ｑ犚ｍＬ）犚ｍ 式中：ａ——平均应力修正后的虚拟应力幅单位为兆帕；——材料的屈服强度单位为兆帕。４锅筒的低周疲劳设计曲线见图。１３图锅筒的疲劳设计曲线５温度不超过的碳钢低合金钢的设计疲劳曲线见图。图温度不超过的碳钢、低合金钢的设计疲劳曲线１４６温度不超过和应力幅ａ的奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线见图。图温度不超过和应力幅犪的奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线２确定材料的寿命设计疲劳寿命曲线１按进行材料的低循环疲劳试验。２按公式回归材料的低周疲劳曲线：ａ＝εｅｐ犫犮 １）２ 犈式中：ａ——总应变幅；ε——应变范围；ｅ——弹性应变幅ｐ——塑性应变幅；ｆ——疲劳强度系数单位为兆帕；犈——材料的弹性模量单位为兆帕犫 ——疲劳强度指数；ｆ——疲劳延性系数；犮 ——疲劳延性指数；犖ｆ——裂纹萌生疲劳循环次数。３电站锅炉常用耐热钢的疲劳试验曲线的参数见附录。４在缺少ｆ曲线试验的情况下可按公式２确定材料的ｆ疲劳曲线。ａ＝ε犚ｍ…………２）２ 犈式中：犚ｍ——材料的抗拉强度单位为兆帕ｆ——材料断裂真应变ｎ１５ψ ——材料的断面收缩率犈——材料的弹性模量单位为兆帕犖ｆ——裂纹萌生疲劳循环次数。５２钢管的设计疲劳曲线见图。图钢管的设计疲劳曲线６钢的设计疲劳曲线见图。图钢的设计疲劳曲线１６７钢的设计疲劳曲线见图。图钢的设计疲劳曲线８钢的设计疲劳曲线见图。图钢的设计疲劳曲线１７３危险部位的应力、应变分析按对部件危险部位的应力进行分析和计算按附录Ｔ对危险部位的应变进行计算和分析。４疲劳寿命估算按计算的应力或应变确定引起疲劳破坏的应力幅或应变范围ａ然后由设计疲劳寿命曲线确定疲劳寿命。５安全系数公式的应力幅或公式公式２的应变幅取安全系数为计算得出低周疲劳寿命１；公式公式公式或公式２的寿命取安全系数计算得出低周疲劳寿命２锅炉承压部件的低周疲劳寿命按公式计算。ｆ＝１２） ３）将ｆ连成光滑曲线则为设计的疲劳寿命曲线。６疲劳寿命评估对只承受疲劳的锅筒汽水分离器低温集箱再热蒸汽管道冷段给水管道等承压部件采用线性累积疲劳损伤法则评估其损伤度２按公式计算。狀犇＝犻狀

…………（２４）式中：犻——犻种工况下实际循环周次

２ １犻犻——犻种工况下部件的疲劳寿命按确定。３蠕变交互作用下的寿命评估１对于承受疲劳蠕变交互作用下的高温承压部件如高温蒸汽管道高温过热器集箱等部件采用线性累积损伤法则评估疲劳蠕变损伤计算值应满足公式。狀犻＋狀狀

犻≤犇 式中：

犻犻——承压部件在第犻种应力与温度下的运行时间；犻——承压部件在第犻种应力与温度下的蠕变断裂时间按确定；犻——犻种工况下实际循环周次；犻——犻种工况下部件的疲劳寿命按确定；犇——蠕变损伤界限值。２蠕变损伤界限值犇与疲劳蠕变损伤份额有关２Ｎ和等四种锅炉钢的疲劳蠕变交互作用曲线见图。１８图四种锅炉钢的疲劳蠕变交互作用曲线４磨损损伤寿命评估１壁厚实测法犎１根据不同时间间隔测得的金属壁厚评估部件中不同位置的管壁减薄率犆按公式计算。犎式中：

犆＝犠１－犠２

…………（２６）——管壁减薄率单位为毫米每小时犠１——前一时期测得的金属壁厚单位为毫米犠２——当前测得的金属壁厚单位为毫米犎——两次测量的时间间隔单位为小时。狋＝２ ２选取评估部件中最大的管壁减薄率部件的剩余寿命狋＝２ 式中：

犠］犱犠）Ｊ）

…………（２７）——部件剩余寿命单位为小时犱 ——部件原始外径单位为毫米犠 ——部件原始壁厚单位为毫米Ｊ——材料的基本许用应力按确定单位为兆帕；狆 ——部件内部压力单位为兆帕。２壁厚估算法１由于条件限制无法测量金属壁厚时管壁减薄量可按公式估算。１９式中：

犛犃犛——由于磨损造成的管壁减薄量单位为毫米犃——系数与温度材料等有关在无法确定时可取；——管子已运行时间单位为小时狀——系数与材料有关范围在无法确定时可取。２按公式计算出部件的剩余寿命。５烟气侧腐蚀损伤寿命评估以烟气侧腐蚀损伤为主的电站锅炉承压部件宜按计算管壁减薄率确定部件的剩余寿命。６蠕变、烟气侧腐蚀和磨损共同作用下的承压部件寿命评估１承受蠕变烟气侧腐蚀和磨损共同作用下的高温承压部件如过热器和再热器管子可按公式计算寿命。１ １犽＝ｒ＝犽－狀狀｝ ９犽＝式中：

犠－犠犠

…………（３０）——管壁减薄速率下的工作寿命单位为小时犽——管壁减薄速率单位为毫米每小时按公式计算；狀——应力指数一般取ｒ——管壁不减薄下的蠕变断裂时间参照确定单位为小时；犠——管壁初始厚度单位为毫米犠ｆ——管壁最终厚度单位为毫米——管子已运行时间单位为小时。２高温过热器和再热器管子的剩余寿命可按公式计算。９寿命评估报告寿命评估报告的主要内容应包括：电站锅炉以及主要承压部件概况包括机组和各承压部件参数运行情况事故情况检修和检验情况等；现状检查情况结合基本资料对各承压部件进行各项检测并根据检测试验结果提出承压部件寿命评估意见；寿命评估采用的方法及结果分析包括材料性能数据应力金属壁温等参数的获得方式寿命评估采用的具体方法以及结果的综合分析；ｄ）寿命评估结论意见；对电站锅炉继续使用的建议与监督措施包括运行方式参数限制重点监督的部件及部位再次进行寿命评定的预计时间等。２０附录犃资料性）电站锅炉承压部件的主要损伤模式电站锅炉承压部件的主要损伤模式见表。表１电站锅炉承压部件的主要损伤模式部件名称主要损伤模式蠕变疲劳蠕变与疲劳腐蚀磨损炉内承压部件水冷壁—√—√√省煤器—√—√√过热器再热器√√√√√炉外承压部件锅筒汽水分离器—√—√—过热器集箱再热器集箱√√√√—水冷壁集箱省煤器集箱—√—√—汽水管道主蒸汽管道再热蒸汽热段管道导汽管√√√——再热蒸汽冷段管道主给水管道下降管—√—√—２１附录犅资料性）电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值见表。表１电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值材料材料制造国厂工作参数运行时间ｈ试验温度℃试样数量个最长试验点时间ｈ系数）指数犿）温度℃压力１２ＭＸ主蒸汽母管直管段苏联８８５５５主蒸汽母管弯管段６＞６００１９主蒸汽母管直管纵向９１５０６５６主蒸汽母管弯管纵向４０６０主蒸汽母管弯管横向９１０６３４１１２ＭＸ原始段苏联８０９８４７主蒸汽管监督段纵向１０４８２０主蒸汽管监督段横向７６２４主蒸汽管监督段焊缝８４８８３８主蒸汽母管弯头９０３２９８１８２２主蒸汽母管直管段１３７０１０７２２１２ＭＸ主蒸汽管弯管外弧纵向苏联９９９６９８主蒸汽管弯管外弧横向８５８４主蒸汽变管外弧横向７５６３０主蒸汽管段直段横向１０７６９０主蒸汽管直管段捷克４１２５００７１９３主蒸汽管焊缝———８９１主蒸汽管弯管４１６５００９５５７５主蒸汽管监督段纵向８１４２主蒸汽监督段横向６１６２主蒸汽管焊缝１０４１２主蒸汽弯管纵向１０２５４９主蒸汽监督段西德８８３９３９７主蒸汽管焊缝８８５５４２表１电站锅炉常用耐热钢在不同状态下的犿值续）材料材料制造国厂工作参数运行时间ｈ试验温度℃试样数量个最长试验点时间ｈ系数）指数犿）温度℃压力主蒸汽监督段西德８５４６＞１０００７２６＞１０００９３主蒸汽直管段西德８１０１６５２９２４５主蒸汽弯管段１０８４４４主蒸汽母管西德８５８２７２１０主蒸汽管焊缝９８５０５１Ｖ主蒸汽管道监督段苏联８５４８４９１２＞７０７１６４１０６００２０７０７１０１主蒸汽管监督段苏联８９０００７４５１７５８主蒸汽管弯头１０６０８３１７炉侧主蒸汽管道８６２６５机侧主蒸汽管道７２５２Ｖ主蒸汽管监督段苏联８９２２１６７３１２主蒸汽管监督段苏联８７１０３９５５４主蒸汽管焊缝８９１０原始段日本川崎钢铁公司——０６６１６４７０５０４８１６８４２７２０钢管原始段心部西德——０１０４９５原始段外壁