CN105992901B - 高温配管的寿命延长方法以及高温配管的寿命延长化构造 - Google Patents

Abstract

在通过高温配管的焊接部的蠕变断裂的剩余寿命评估判断为无法正常地继续使用时，去除所述高温配管的覆盖蠕变断裂风险高的位置的保温材料的一部分，使所述高温配管的外表面温度局部降低，实现蠕变断裂风险高的位置的寿命延长，并且，去除所述保温材料的一部分而成的剥出部的宽度为如下距离的两倍以上，所述距离是从该剥出部的剥离端部到在因去除所述保温材料而产生于所述高温配管的拉伸应力和压缩应力的应力变化从拉伸应力变化为压缩应力之后、压缩应力接近0的位置的距离，从所述拉伸应力变化为压缩应力之后压缩应力接近0的距离基于下式(1)确定，βx＝5…(1)；β由以下的式(2)表示，数学式1 $\mathrm{\β}=\sqrt[4]{\frac{3(1-v^2)}{a^2{h}^2}}\mathrm{...}\left(2\right)$ 这里，v是泊松比，a是配管的平均半径，h是配管的板厚。

Description

高温配管的寿命延长方法以及高温配管的寿命延长化构造

技术领域

本发明涉及例如在火力、原子能发电设备、化学设备等中使用的高温配管、压力容器等的高温配管的寿命延长方法、以及高温配管的寿命延长化构造。

背景技术

构成火力发电设备的例如锅炉等在高温、高压环境下运转，因此，构成上述构件的材料即耐热钢有时因长期运转而积累蠕变(creep)等导致的损伤。因此，在运用这种设备时，进行所述耐热钢的高精度的寿命评估，维持耐压部的可靠性，对于确保长期稳定的运用是非常重要的。

在火力发电设备等中使用的高温配管具有将在锅炉中加热后的蒸汽向蒸汽轮机输送的功能，但由于高温且长时间的使用而导致蠕变损伤加剧，产生蠕变空隙(creepvoid)，这些空隙相连而产生裂纹，最终断裂。

为了防止最终的断裂，通过定期的非破坏检查来分析蠕变空隙的生长程度，导出每个构件的蠕变损伤度，进行构件的剩余寿命评估(专利文献1、2)。一般来说，与母材部相比，配管焊接部的蠕变断裂风险更高，因此检查位置主要是焊接部。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-85347号公报

专利文献2：日本特开2008-122345号公报

在该非破坏检查的结果是，存在蠕变损伤度高的构件，在到下一次定期检查之间的期间蠕变断裂风险高的情况下，提出了进行构件的更换、或者通过降低设备整体的运转温度并降低配管整体的金属温度来降低蠕变断裂风险的对策。

然而，降低设备整体运转温度的做法存在设备的运转效率降低的问题。

因此，期望无需降低设备的整体运转温度且不使设备运转效率降低，就能够延长高温构件的剩余寿命的技术出现。

发明内容

发明要解决的课题

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种高温配管的寿命延长方法以及高温配管的寿命延长化构造，无需降低设备的整体运转温度且不使设备运转效率降低，就能够延长高温构件的剩余寿命。

用于解决课题的手段

用于解决上述课题的本发明的第一方案涉及一种高温配管的寿命延长方法，其特征在于，在通过高温配管的焊接部的蠕变断裂的剩余寿命评估判断为无法正常地继续使用时，去除所述高温配管的覆盖蠕变断裂风险高的位置的保温材料的一部分，使所述高温配管的外表面温度局部降低，实现蠕变断裂风险高的位置的寿命的延长，并且，去除所述保温材料的一部分而成的剥出部的宽度为如下距离的两倍以上，所述距离是从该剥出部的剥离端部到在因去除所述保温材料而产生于所述高温配管的拉伸应力和压缩应力的应力变化从拉伸应力变化为压缩应力之后、压缩应力接近0的位置的距离，从所述拉伸应力变化为压缩应力之后压缩应力接近0的距离基于下式(1)确定，

βx＝5…(1)；

β用以下的式(2)表示，

这里，ν是泊松比，a是配管的平均半径，h是配管的板厚。

第二方案以第一方案为基础，其特征在于，对去除所述保温材料后的构件的表面进行冷却。

第三方案以第二方案为基础，其特征在于，所述冷却是基于空气的冷却或者基于冷却水的冷却。

第四方案以第一方案为基础，其特征在于，在去除所述保温材料后的构件的表面设置有散热构件。

第五方案以第一方案为基础，其特征在于，测量去除所述保温材料后的构件的表面温度，判断冷却能力是否适当。

第六方案以第五方案为基础，其特征在于，在所述冷却能力不适当的情况下，变更冷却能力，以使冷却能力适当。

第七方案涉及一种高温配管的寿命延长化构造，其特征在于，在通过高温配管的蠕变断裂的剩余寿命评估判断为无法正常地继续使用时，去除所述高温配管的覆盖蠕变断裂风险高的位置的保温材料的一部分，使所述高温配管的外表面温度局部降低，并且，去除所述保温材料的一部分而成的剥出部的宽度为如下距离的两倍以上，所述距离是从该剥出部的剥离端部到在因去除所述保温材料而产生于所述高温配管的拉伸应力和压缩应力的应力变化从拉伸应力变化为压缩应力之后、压缩应力接近0的位置的距离，

从所述拉伸应力变化为压缩应力之后压缩应力接近0的距离基于下式(1)确定，

βx＝5…(1)；

β由以下的式(2)表示，

这里，ν是泊松比，a是配管的平均半径，h是配管的板厚。

第八方案以第七方案为基础，其特征在于，所述高温配管的寿命延长化构造具备对去除所述保温材料后的构件的表面进行冷却的冷却机构。

第九方案以第八方案为基础，其特征在于，所述冷却机构是基于空气的空冷机构或者基于冷却水的水冷机构。

第十方案以第七方案为基础，其特征在于，在去除所述保温材料后的构件的表面设置有散热构件。

发明效果

根据本发明，通过降低配管的金属温度，从而延长配管的蠕变断裂寿命，能够延长配管剩余寿命。

附图说明

图1是实施例1的高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图2是示出将配管的保温材料剥离后的部分的图。

图3是示出与保温材料的剥离位置相距的距离、与配管内部的拉伸应力以及压缩应力之间的关系的图。

图4是实施例2的高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图5是图4的立体图。

图6是实施例2的另一高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图7是实施例3的高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图8是示出供给冷却用空气的空气供给机构的一例的立体图。

图9是实施例4的高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图10是实施例4的另一高温配管的寿命延长化构造的概要图。

图11是高温配管的剥出部的保护结构的概要图。

图12是高温配管的金属温度控制方法的工序图。

具体实施方式

以下，参照图对本发明的优选实施例进行详细说明。需要说明的是，并不通过该实施例来限定本发明，另外，在多个实施例的情况下，本发明还包括将各实施例组合而成的方式。

【实施例1】

图1是实施例1的高温配管的寿命延长化构造的概要图。

如图1所示，在本实施例的高温配管的寿命延长化构造中，在通过作为高温构件的高温配管(以下称作“配管”)11的焊接部12的蠕变断裂的剩余寿命评估来确认蠕变断裂风险高的位置(蠕变损伤度高的焊接部)，并判断为无法正常地继续使用时，沿旋转方向去除配管11的覆盖所述蠕变断裂风险高的位置的保温材料13的一部分而形成剥出部14，配管11的外表面温度局部降低，从而实现蠕变断裂位置的寿命延长。

在图1中，附图标记15图示锅炉蒸汽，例如600℃的高温蒸汽在配管11内流动。

在通过非破坏检查判断为蠕变断裂风险高的配管11的焊接部12，如图1所示那样去除常设的保温材料13，形成剥出部14，使热量从该剥出部14散发，从而降低配管11的金属温度。

在该情况下，通过去除保温材料13而形成剥出部14，从而完成与外部气体(例如100℃)的自然对流传热，导热率为2～12W/m²K左右。

这样，通过降低配管11的金属温度，从而延长配管11的蠕变断裂寿命，能够延长配管剩余寿命。

其结果是，由于仅通过配管的局部的温度降低就能够实现寿命延长化，因此，消除了如以往那样通过降低设备整体的运转温度来降低配管整体的金属温度从而降低蠕变断裂风险的做法所导致的设备的运转效率降低的危害。

这样，根据本实施例，在确认到高温配管的蠕变损伤风险高的部位的情况下，以规定距离的宽度(L)去除覆盖配管11的保温材料13，形成剥出部14，从而降低金属温度，降低蠕变损伤风险，由此无需降低设备整体的运转效率就能够实现寿命延长化。这里，金属温度的降低不仅对蠕变断裂寿命的延长是有效的，对裂纹发展寿命的延长也是有效的。

这里，在配管11的外径例如为460mm的情况下，去除保温材料13的宽度L的优选范围如后文所述那样是约900mm以上，基于去除保温材料13的宽度的不同，存在因局部面外侧变形而产生压缩应力的情况，由此还能够期待因应力降低而带来的寿命延长化。

接下来，对去除保温材料13的一部分的宽度L进行说明。

在图2中，从配管11去除左侧的保温材料13，对从保温材料13的去除后的端部x₀起去除保温材料13的距离(L/2)进行说明。

通过去除保温材料13，从而对配管11施加拉伸应力和压缩应力，因此，若将与剥除保温材料13的位置x₀相距的距离设为x(x₁、x₂、x₃)，用下式表示应力的变化趋近于0的距离。

βx＝5…(1)

这里，β由以下的式(2)表示，因此只需求出x的值即可。

【数学式3】

这里，ν是泊松比这样的材料特性，一般来说，配管11的金属材料大致为0.3。另外，a是平均半径，h是板厚。

例如，在设为配管11的外径为460mm，板厚为70mm的情况下，a＝195mm，h＝70mm，βx＝2.4时的x的值为218mm，βx＝5时的x的值为454mm。另外，由于β∝1/√(ah)，因此x的值成为与√(ah)关联的值，当a、h改变时，x的值也改变。

因此，例如在外径为460mm，板厚为70mm的情况下，x＝218～454mm。

使用图2以及图3来说明剥离配管11的保温材料13而形成剥出部14的距离(L)。

图2是示出将配管的保温材料剥离后的部分的图。需要说明的是，对于保温材料的剥离，以焊接部为中央而进行剥离，图2对左侧的剥离部分进行说明。

图3是示出与保温材料的剥离位置x₀相距的距离(mm)、与配管内部的拉伸应力以及压缩应力之间的关系的图。

在图2的配管中，对配管的外径为460mm，配管的板厚为70mm的情况进行说明。

如图3所示，若将配管的保温材料的剥离部0mm处设为x₀，如上所述，在规定距离x₁(＝218mm)处，拉伸应力为0。在比该规定距离x₁更远的规定距离x₂(＝273mm)处，压缩应力达到最大。在比该规定距离x₂更远的规定距离x₃(＝454mm)处，压缩应力收敛至0。

若将配管11的左侧的剥离部分和右侧的剥离部分加在一起，则进行剥离的距离变为两倍，因此进行剥离的距离L为454mm×2＝908mm。

因此，进行剥离的距离L优选为约900mm以上。

另外，在通过压缩应力进一步实现寿命延长的情况下，只要根据以下的式(3)来确定去除保温材料13的范围即可。

2.4≤βx＜5…(3)

例如，在外径为460mm，板厚为70mm的情况下，至少需要剥离不施加拉伸应力的距离x₁(＝218mm)，对于收敛的x₃(454mm)以上的部分，无需剥离保温材料。

【实施例2】

图4是实施例2的高温配管的寿命延长化构造的概要图。图5是图4的立体图。需要说明的是，对与实施例1的结构重复的构件标注相同的附图标记并省略其说明。如图4以及图5所示，实施例2的高温配管的寿命延长化构造设置为，作为散热构件的多层翅片17与实施例1中的去除保温材料13而成的剥出部14的的周围紧贴。

如图5所示，以使凸缘19彼此对齐的方式，通过紧固构件20对具有多个翅片18的上部翅片17A和具有多个翅片18的下部翅片17B进行紧固。

翅片18的厚度(d₁₁)例如为70mm，高度(h₁₁)为300mm左右，形成多层翅片结构。

在本实施例中，在通过非破坏检查而判断为蠕变断裂风险高的高温配管的焊接部，如图4以及图5所示那样去除常设的保温材料13而形成剥出部14，以与该剥出部14紧贴的方式设置上部翅片17A和下部翅片17B。这样，通过使用多层翅片结构来增加散发热量的面积，与实施例1相比能够进一步降低配管的金属温度。

根据本实施例，去除保温材料13，通过设置于剥出部14的多层翅片17来增加散发热量的面积，热通量与面积增加率成比例地增加，由此与实施例1相比能够更快地降低金属温度。

其结果是，通过降低金属温度，延长配管11的蠕变断裂寿命，能够延长配管剩余寿命。

图6是实施例2的其他高温配管的寿命延长化构造的概要图。

如图6所示，在长边方向的焊接部12的纵向连接配管11A处，设置有多层翅片17。这样，通过设置多层翅片17来增加热通量，通过与外部气体的自然对流热传递来冷却配管，由此通过多层翅片17与配管11的热膨胀之差对配管11施加压缩应力，能够实现应力降低效果。

【实施例3】

图7是实施例3的高温配管的寿命延长化构造的概要图。需要说明的是，对与实施例1的结构重复的构件标注相同的附图标记并省略其说明。如图7所示，实施例3的高温配管的寿命延长化构造通过冷却用介质(例如空气)21对实施例1中去除保温材料13而成的剥出部14的表面进行冷却。这里，作为冷却用介质21，除空气以外还可以使用杂用废气、非活性气体等。

图8是示出供给冷却用空气的空气供给机构的一例的立体图。

如图8所示，沿着配管11的剥出部14的外周设置环状的空气供给机构22，从环状的空气供给机构22的空气喷出孔(未图示)在整周范围内吹送空气23，进行强制冷却。

基于冷却用介质21的强制冷却的空气的风速优选为例如10m/s左右。

在通过非破坏检查判断为蠕变断裂风险高的高温配管的焊接部，如图7以及图8所示那样去除常设的保温材料13，通过基于冷却用介质(空气)21的强制冷却进行散热，降低配管11的金属温度。

在该情况下，通过去除保温材料13，对剥出部14进行基于冷却用介质(空气)21的强制冷却，从而完成与外部气体的强制对流传热，导热率为20～100W/m²K左右。

在实施例3中，与实施例1、2不同，通过利用冷却用介质21强制地降低金属温度来延长配管11的蠕变断裂寿命，能够延长配管剩余寿命。

【实施例4】

图9是实施例4的高温配管的寿命延长化构造的概要图。需要说明的是，对与实施例1的结构重复的构件标注相同的附图标记并省略其说明。如图9所示，实施例4的高温配管的寿命延长化构造在实施例1中的去除保温材料13而成的剥出部14的周围，设置有作为冷却机构的水套31。通过设置该水套31，利用与水的自然热传递来冷却配管，从而配管与内部流体进行热交换，实现金属温度的降低。

在通过非破坏检查判断为蠕变断裂风险高的配管的焊接部，通过如图9所示那样去除常设的保温材料13，使用水套31等强制地散发热量，从而降低配管的金属温度。

在该情况下，通过去除保温材料13，并在剥出部14配置水套31，从而完成与冷却水的自然对流传热，导热率为500～600W/m²K左右。其结果是，金属温度降低，配管11的蠕变断裂寿命延长，能够延长配管剩余寿命。

图10是实施例4的其他高温配管的寿命延长化构造的概要图。

在图10中，在去除保温材料13而成的剥出部14的表面配置有冷却配管32，通过使冷却水33流通而利用冷却水33进行散热，由此实现配管11的金属温度的降低。

用于进行强制冷却的该冷却水33的速度优选为例如1m/s左右。另外，所卷绕的冷却配管32的直径只需例如是20mm左右即可。

图11是高温配管的剥出部的保护结构的概要图。

另外，如图11所示，为了防止因去除配管11的保温材料13而使得剥出部14暴露在雨中的状态，优选以不对配管11造成热障的方式，在比剥出部14的范围L长的范围内设置防雨部等保护构件29。另外，除热障对策以外，通过设置保护构件29，消除太阳带来的热影响，进行适当的冷却。

【实施例5】

图12是高温配管的金属温度控制方法的工序图。

在本实施例中，在通过冷却用介质21、冷却水等冷却机构进行冷却时，通过温度测量机构来测量去除保温材料13后的配管的表面的温度，从而判断冷却能力是否适当。

在通过非破坏检查判断为蠕变断裂风险高的高温配管的焊接部，在去除了常设的保温材料13后，在剥出部14的局部安装作为温度测量机构的热电偶，测量配管11的金属温度，进行剩余寿命评估。对于该热电偶的设置，优选设置在与热影响部相距10～20mm的多个位置。

在该情况下，通过测量温度，能够判断能否达成所要求的剩余寿命，并通过与实施例3的基于送风的强制冷却、实施例4的水套组合，将冷却能力控制为满足所要求的剩余寿命，从而能够延长配管寿命。

例如在距离下一次的定期检查的剩余时间为1万小时的情况下，在卷绕例如图10所示的冷却配管32，利用冷却水33进行强制冷却的情况下，在判断为需要将温度降低50℃左右时，在实际的基于冷却水33的冷却中，在通过温度测量发现仅降低了30℃的情况下，通过执行例如基于空气冷却的强制冷却、冷却介质的冷却能力的控制(通过制冷剂进一步降低冷却水的温度等控制)，从而执行进一步降低不足的20℃的冷却，能够延长配管寿命，以达成所要求的剩余寿命。

接下来，使用图12对高温配管的金属温度控制方法的工序进行说明。

在第一工序中，在通过非破坏检查判断为蠕变断裂风险高的配管的焊接部，去除配管11的保温材料13，付与实施例3或者实施例4的冷却功能(S-1)。

在第二工序中，测量运转时的配管11的剥出部14的金属温度(S-2)。

作为第二工序(S-2)的温度测量的结果的判断，通过温度测量来判断配管寿命是否满足所要求的剩余寿命(S-3)。

在第三工序(S-3)中，在满足剩余寿命(是)的情况下，不改变冷却能力，保持原状继续运转(S-4)。

与此相对，在第三工序(S-3)中，在不满足剩余寿命(否)的情况下，进行提高冷却能力并降温至满足要求寿命的金属温度的操作(S-5)。

其结果是，能够在到达剩余寿命之前实施稳固的运转。

另外，通过进行温度测量，能够判断当前的冷却是否充足。

附图标记说明

11 高温配管(配管)

12 焊接部

13 保温材料

14 剥出部

15 锅炉蒸汽

Claims (10)

1.一种高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

在通过高温配管的焊接部的蠕变断裂的剩余寿命评估判断为无法正常地继续使用时，

去除所述高温配管的覆盖蠕变断裂风险高的位置的保温材料的一部分，使所述高温配管的外表面温度局部降低，实现蠕变断裂风险高的位置的寿命的延长，并且，

去除所述保温材料的一部分而成的剥出部的宽度为如下距离的两倍以上，所述距离是从该剥出部的剥离端部到在因去除所述保温材料而产生于所述高温配管的拉伸应力和压缩应力的应力变化从拉伸应力变化为压缩应力之后、压缩应力接近0的位置的距离，

从所述拉伸应力变化为压缩应力之后压缩应力接近0的距离x基于下式(1)确定，

βx＝5…(1)；

β用以下的式(2)表示，

<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mroot> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mn>4</mn> </mroot> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

这里，v是泊松比，a是配管的平均半径，h是配管的板厚。

2.根据权利要求1所述的高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

对去除所述保温材料后的构件的表面进行冷却。

3.根据权利要求2所述的高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

所述冷却是基于空气的冷却或者基于冷却水的冷却。

4.根据权利要求1所述的高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

在去除所述保温材料后的构件的表面设置散热构件。

5.根据权利要求1所述的高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

测量去除所述保温材料后的构件的表面温度，判断冷却能力是否适当。

6.根据权利要求5所述的高温配管的寿命延长方法，其特征在于，

在所述冷却能力不适当的情况下，变更冷却能力，以使冷却能力适当。

7.一种高温配管的寿命延长化构造，其特征在于，

在通过高温配管的蠕变断裂的剩余寿命评估判断为无法正常地继续使用时，

去除所述高温配管的覆盖蠕变断裂风险高的位置的保温材料的一部分，使所述高温配管的外表面温度局部降低，并且，

去除所述保温材料的一部分而成的剥出部的宽度为如下距离的两倍以上，所述距离是从该剥出部的剥离端部到在因去除所述保温材料而产生于所述高温配管的拉伸应力和压缩应力的应力变化从拉伸应力变化为压缩应力之后、压缩应力接近0的位置的距离，

从所述拉伸应力变化为压缩应力之后压缩应力接近0的距离x基于下式(1)确定，

βx＝5…(1)；

β由以下的式(2)表示，

<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mroot> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mn>4</mn> </mroot> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

这里，v是泊松比，a是配管的平均半径，h是配管的板厚。

8.根据权利要求7所述的高温配管的寿命延长化构造，其特征在于，

所述高温配管的寿命延长化构造具备对去除所述保温材料后的构件的表面进行冷却的冷却机构。

9.根据权利要求8所述的高温配管的寿命延长化构造，其特征在于，

所述冷却机构是基于空气的空冷机构或者基于冷却水的水冷机构。

10.根据权利要求7所述的高温配管的寿命延长化构造，其特征在于，

在去除所述保温材料后的构件的表面设置有散热构件。