CN101013067A

CN101013067A - 高温炉管剩余寿命评估方法及装置

Info

Publication number: CN101013067A
Application number: CNA2007100135193A
Authority: CN
Inventors: 秦应峰; 高峰; 孟宏; 李燕
Original assignee: JINAN FENGCAI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JINAN FENGCAI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-08-08

Abstract

本发明提供了一种高温炉管剩余寿命评估方法，包括如下步骤：(1)根据超声波在氧化皮中的传播速度计算出内壁氧化皮的厚度；(2)根据超声波在高温炉管基体中的传播速度计算出金属层的厚度；(3)建立高温炉管金属内壁氧化皮厚度、运行时间及当量温度之间关系的数据库，计算出高温炉管运行的当量温度；(4)计算高温炉管的运行应力，建立高温炉管当量温度、剩余寿命及运行应力之间关系的数据库，预测高温炉管的剩余寿命。同时提供了一种高温炉管剩余寿命评估装置，该装置包括波形采集装置、波形显示接收装置和数据处理系统。本发明能够计算预测高温炉管的剩余寿命，根据该剩余寿命可提前更换处于寿命终了状态的高温炉管。

Description

高温炉管剩余寿命评估方法及装置

技术领域

本发明涉及对锅炉高温炉膛内高温炉管的剩余寿命的评估预测方法及装置，属于剩余寿命评价技术领域。

背景技术

对于火力发电厂锅炉而言，受热面是传热部件，由蒸发受热面、过热受热面、水和空气预热受热面组成，主要包括省煤器、过热器、水冷壁、再热器和空气预热器。它们都是由蛇形的合金钢、不锈钢或碳钢钢管组成，其中前面四项管道还假称“四管”。其中高温炉管主要是指过热器管和再热器管。据统计，在我国200MW及以上的大机组锅炉事故中，由锅炉器管爆漏引起的高达71.7％，而高温炉管引起的事故占到了相当大的部分。因此，对高温锅炉受热面的寿命损耗分析和寿命预测，提前更换处于寿命终了状态的高温炉管具有重要的意义。

而目前针对上述高温炉管的检测手段主要局限于厚度的测量，蠕涨测量，不能有效的评价管子以往的运行状况，并且不能计算管子的剩余寿命，给高温炉管的监督运行带来了很大的困难。

发明内容

本发明针对现有锅炉高温炉管寿命检测技术的不足，提供一种能够预测计算管道剩余寿命、防止发生事故的高温炉管剩余寿命评估方法，同时提供一种高温炉管剩余寿命的评估装置。

本发明的高温炉管剩余寿命评估方法包括如下步骤：

1.用15MHz以上的高频超声波探头分别接触到被测量的高温炉管的内壁上，采集高温炉管的内壁氧化皮的波形，根据超声波在氧化皮中的传播速度计算出内壁氧化皮的厚度；

2.用15MHz以上的高频超声波探头接触被到测量的高温炉管外壁上，采集高温炉管的纯金属层的波形，根据超声波在高温炉管基体中的传播速度计算出金属层的厚度；

3.建立高温炉管金属内壁氧化皮厚度、运行时间及当量温度之间关系的数据库，根据高温炉管的运行时间和氧化皮厚度计算出高温炉管运行的当量温度；

4.根据高温炉管金属层的厚度计算高温炉管的运行应力，建立高温炉管当量温度、剩余寿命及运行应力之间的数据库，根据该数据库预测高温炉管的剩余寿命。

高温炉管剩余寿命评估装置包括：

1.波形采集装置，采用高频超声波探头，通过通讯电缆与波形显示接收装置连接；用于采集管子内壁氧化皮和纯金属层的波形，测量高温炉管的内壁氧化皮的厚度和去掉内壁氧化皮后的纯金属层的厚度；高频超声波探头的频率分15MHz的纵波探头、30MHZ的纵波探头和20MHz的横波探头等几种，可以采用通用的数字超声波高频探头；

2.波形显示接收装置，与波形采集装置连接，用于接收所采集的波形并显示在其屏幕上；采用示波器，示波器可以采用数字超声波探伤仪来实现，通过这一部分显示波形采集装置采集的波形；

3.数据处理系统，通过传输电缆与波形显示接收装置连接，用于对采集的波形进行数据分析，并进行数据处理；其内安装有对波形显示接收装置所采集的波形进行数据分析和数据处理的程序：该程序包括氧化皮厚度、运行时间和当量温度之间关系的数据库和高温炉管运行应力、运行时间和剩余寿命之间关系的数据库。该数据处理系统采用计算机，其内的程序通过分辩自动读出管子的内壁氧化皮和纯金属层的厚度，并利用高温氧化皮厚度、运行时间和当量温度之间的数据库，计算出管子的以往运行的当量温度；同时利用高温炉管运行应力、运行时间和剩余寿命之间的数据库，计算出管子的剩余寿命，并能通过图表的形式报表输出。

本发明通过波形检测高温炉管氧化层厚度和纯金属层的厚度，通过高温炉管以往运行的温度(即当量温度)计算高温炉管的剩余寿命，根据该剩余寿命可提前更换处于寿命终了状态的高温炉管，避免了锅炉事故的发生。

附图说明

图1是本发明的高温炉管剩余寿命评估装置的系统组成示意图。

图2是数据处理系统的程序框图。

图3是超声波在管壁内产生的波形示意图。

图4是超声波显示的超声氧化皮和金属层回波信号及时间间隔示意图。

图5是氧化皮厚度与参量P的关系曲线图。

图6是计算出的各点氧化皮厚度分布示意图。

图7是计算出的各点当量温度分布示意图。

图8是计算出的各点剩余寿命分布示意图。

图中：1、高温炉管，2、高温炉管内壁氧化层，3、高温炉管外壁氧化层，4、高频超声波探头，5、数字超声波探伤仪，6、数据处理系统，7、纯金属层。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本发明的高温炉管剩余寿命评估装置包括：高频超声波探头4、数字超声波探伤仪5和数据处理系统6，通过通讯电缆依次连接在一起。高频超声波探头4用于采集高温炉管1的内壁氧化层2和纯金属层7的波形，采集纯金属层7的波形时，应去掉外壁氧化层3，探头接触在纯金属层7上。高频超声波探头4的频率分15MHz的纵波探头、30MHZ的纵波探头和20MHz的横波探头等几种，可以采用通用的数字超声波高频探头。数字超声波探伤仪5用于接收所采集的波形并显示在屏幕上；通过这一部分显示波形采集装置采集的波形。数据处理系统6采用现有计算机，其内安装有程序软件，对采集的波形进行数据分析，并进行数据处理：通过分辩自动读出管子的内壁氧化皮和纯金属层的厚度，并利用本发明通过大量的实验自主建立的高温氧化皮厚度、运行时间和当量温度之间的数据库，计算出管子的以往运行的温度；同时利用本发明通过大量的实验所建立的另外一个数据库，即高温炉管运行应力、运行时间和剩余寿命之间的数据库计算出管子的剩余寿命，并能通过图表的形式报表输出。数据处理系统6的程序框图如图2所示。

高频探头接触到带有高温氧化皮的管子上所产生的波形如图3所示，超声波显示的超声氧化皮和金属层回波信号及时间间隔如图4所示。

具体的评估高温炉管剩余寿命的步骤过程如下：

1、首先测量高温炉管的金属层厚度和内壁氧化皮的厚度，通过下述原理和方法来实现：

a金属层的厚度测量

通过测量氧化皮/空气界面一次反射波与氧化皮/金属界面的二次反射波等相位点的时间间隔t3，利用式(1)计算金属壁厚S，式中C钢是超声波在钢基体中的传播速度，取5900米/秒。

S＝C钢*t3/2 (1)

b氧化皮的厚度测量

S氧化＝C氧*t2/2 (2)

式中t2为超声波在氧化皮中的传输时间，单位为秒；

式中C氧为超声波在氧化皮中的传播速度，通过事先标定的数据得出C氧在5500米/秒和6200米/秒之间。

2、金属当量温度的计算

锅炉管高温部的金属材料在使用过程中，内壁表面的积垢会改变管子的传热特性，从而影响管壁的金属温度使之升高。其蒸汽侧氧化垢事后增长率主要取决于运行的当量温度。若能准确测定管壁上氧化垢层厚度，则可用来予测管壁的使用温度。金属的氧化膜的长大规律最普遍的有抛物线规律、直线规律和对数规律。锅炉炉管内壁金属(以Cr MO V钢种为例)在壁温为200℃-580℃时，以抛物线的规律形成以Fe₃O₄和Fe₂O₃为主的双层氧化膜，此时的氧化膜较薄，氧化速度较低。随着炉管温度的升高，氧化速度加快；当炉管温度大于580℃时，原来的氧化过程的动力学和热力学平衡被破坏；炉管金属内壁将以抛物线逐渐转变为直线的规律形成三层连续的氧化膜。

本发明所用的当量温度计算方程如下：

式中t——运行时间(小时)；

x——蒸汽侧氧化垢厚度(mm)；

a、b——材料常数；

T——平均达到的当量温度℃。

对不同的材料，a、b的值不同且与温度有关。a、b值与材料及温度的关系如下表。不同的材料有不同的转折温度，高于这个温度，氧化垢增长速度骤增。a、b为常数，具体取法见下表：

材料	温度范围	a	b
材料	温度范围	a	b	碳钢(20G)	T≤575℃	7380	2.48
T＞575℃	48333	50.553			T≤575℃	7380	2.48
T＞575℃	48333	50.553	1Cr0.5Mo(12Cr1MoV)		T≤585℃	13596	9.17
T＞585℃	13596	9.17			T≤585℃	13596	9.17
T＞585℃	13596	9.17		2.25Cr1Mo(10CrMo910)	450-650℃	14035.5	9.94
钢102	450-650℃	13596	9.67	2.25Cr1Mo(10CrMo910)	450-650℃	14035.5	9.94
		13596	9.67	13596	9.67
		9Cr1Mo(T91）	450-670℃	13596	9.67	34365	32

数据处理系统6中的程序建立了氧化皮厚度x与金属当量温度T与运行时间t之间的关系，如图5所示，氧化皮厚度与参数P符合线性关系。这些数据经过大量的试验室水汽腐蚀试验和现场的热电偶测量对比建立起来的，符合现场的实际运行情况。

3、管子的剩余寿命计算

火力发电厂的受热面的过热器和再热器管长期在高温和高压的长期作用下将产生蠕变，并可能发生断裂。本发明建立了相应材料预测管子的断裂与当量温度、运行时间和管子的应力三者之间关系的数据库。

高温炉管的寿命计算方法：

分两个步骤计算高温炉管的剩余寿命，首先计算高温炉管的蠕变断裂寿命，然后在此基础上再进一步计算高温炉管在氧化腐蚀状态下的寿命评估。

高温炉管的运行应力按下式计算：

σ_{zs} = \frac{P (D_{w} - S)}{2 . S}

上式中P为计算压力，单位MPa；

Dw为高温炉管的外径，单位为mm；

S为高温炉管的金属层壁厚，单位为mm。

a、蠕变断裂寿命：

Tr(o)＝10^((T-B)*P(σ)+A) (4)

式中：

Tr(o)-为蠕变断裂寿命

σ-工作应力(MPa)

B为常数

T-当量温度(℃)

P(σ)是拉米参数，可以表示为P(σ)，又可以表示成lgσ的三次多项式，即：

P(σ)＝C0+C1(lgσ)+C2(lgσ)2+C3(lgσ)3 (5)

式中：C0，C1，C2，C3是常数。本发明所用的参数如下：

不同温度和应力条件下，各种合金的常数值：

钢种	温度范围(℃)	A	B	C0	C1	C2	C3
钢种	温度范围(℃)	A	B	C0	C1	C2	C3	9Cr1Mo(1Cr9Mo)	500-650	11.44	327	-1.71*10^-2	-2.95*10^-4	2.19*10^-6	-9.13*10^-8
Tp304	500-650	-10.94	-273	16788	-67.455	0.5194	-0.0019192	9Cr1Mo(1Cr9Mo)	500-650	11.44	327	-1.71*10^-2	-2.95*10^-4	2.19*10^-6	-9.13*10^-8

b、氧化腐蚀作用下的寿命评估

在管子腐蚀磨损严重的部位，如弯头及壁厚减薄严重的直段。

Tnr＝{1-[k*(N-1)*Tr(o)+1]^(1/-3)}/K (6)

式中K是磨损速率，K＝(wi-wf)/(wi*T) (7)

wi-管子的初始厚度(mm)

wf-管壁的最终厚度(mm)

t-管子的运行时间(h)

Tnr-管壁减薄速率k下的运行时间(h)

Tr(o)蠕变断裂寿命(h)

N是常数在(4-8)之间。

4、超声测厚系统技术指标

本发明的装置可精确的测量厚度为在0.05mm以上的氧化皮，可以测量的最大金属层的厚度为50mm。本系统当量温度的计算精度为±2°。寿命评估计算的结果精度在1000小时以内。

5、具体实施步骤

a根据锅炉高温炉管实际运行状况选择测点，测点一般选择在向火面可实施测量的管排上，测点一般在几百点至上千点。

b测点表面需用角向磨光机轻微去除管子外表面的氧化垢层，露出金属光泽。处理区域沿周向宽20mm、沿轴向长50mm。

c应用高频超声波探头测量内壁氧化层厚度。

d全部测量工作完成后，应用锅炉管温度及寿命监测软件计算各管段的当量温度及剩余寿命。

通过数据处理系统输出的管子当量温度、剩余寿命及各排高温炉管的分布图，可以预测管子的剩余寿命。输出的氧化层厚度、当量温度和剩余寿命的分布图如图6、图7、图8所示，其中图6中氧化层厚度的单位为毫米，图8中剩余寿命的单位为小时。

Claims

1.一种高温炉管剩余寿命评估方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)用15MHz以上的高频超声波探头分别接触到被测量的高温炉管的内壁上，采集高温炉管的内壁氧化皮的波形，根据超声波在氧化皮中的传播速度计算出内壁氧化皮的厚度；

(2)用15MHz以上的高频超声波探头接触被到测量的高温炉管外壁上，采集高温炉管的纯金属层的波形，根据超声波在高温炉管基体中的传播速度计算出金属层的厚度；

(3)建立高温炉管金属内壁氧化皮厚度、运行时间及当量温度之间关系的数据库，根据高温炉管的运行时间和氧化皮厚度计算出高温炉管运行的当量温度；

(4)根据高温炉管金属层的厚度计算高温炉管的运行应力，建立高温炉管当量温度、剩余寿命及运行应力之间的数据库，根据该数据库预测高温炉管的剩余寿命。

2.一种高温炉管剩余寿命评估装置，其特征是：包括：

(1)波形采集装置，通过通讯电缆与波形显示接收装置连接；用于采集管子内壁氧化皮和纯金属层的波形，测量高温炉管的内壁氧化皮的厚度和去掉内壁氧化皮后的纯金属层的厚度；

(2)波形显示接收装置，与波形采集装置连接，用于接收所采集的波形并显示在其屏幕上；

(3)数据处理系统，通过传输电缆与波形显示接收装置连接，用于对采集的波形进行数据分析，并进行数据处理；其内安装有对波形显示接收装置所采集的波形进行数据分析和数据处理的程序；该程序包括氧化皮厚度、运行时间和当量温度之间关系的数据库和高温炉管运行应力、运行时间和剩余寿命之间关系的数据库。