CN108845078B - 电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法。该方法包括以下步骤：采用微取样设备，利用电火花切割方法，在电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品；测量样品中的第二相总量的质量百分含量，第二相包括M₂₃C₆相、Laves相和MX相；将第二相总量的质量百分含量带入公式I中，计算得出的t_r‑t的值即为电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命。本发明提供的上述寿命预测方法，无需进行长时的持久试验，实效性好、对部件破坏性小、安全高效、经济可靠。

Description

电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法

技术领域

本发明涉及设备寿命检测技术领域，具体而言，涉及一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法。

背景技术

我国超临界电站锅炉装机容量已跃居世界第一，高参数大型化是目前大型电站锅炉主要特征，电站锅炉是火力发电的心脏，其可靠运行与国民经济息息相关。我国超临界机组主要采用引进加自主消化的技术路线，由于发展迅猛、消化不足以及管理经验欠缺等原因，导致目前故障频发，运行可靠性统计表明，随着机组投运时间的延长，可靠性指标呈现逐年下降的趋势。电站锅炉的高温部件(通常为耐热钢材料，比如马氏体耐热钢)长期在高温、高压下运行，其材料随着时间的增长会出现材质劣化产生蠕变损伤，主要高温部件损坏事故时有发生，安全隐患增多。因此，对于电站锅炉高温部件的蠕变寿命预测，已成为目前电厂迫切需要解决的问题之一。

电站锅炉高温部件的蠕变寿命分析，国内外多采用Larson-Miller参数法及其衍生方法、无损检测方法、与蠕变过程相关的方法等。Larson-Miller参数法及其衍生方法，通过提高温度和应力的加速蠕变断裂试验，来估算较低温度及应力条件下的长期蠕变强度，此种方法需要进行长时的持久性能试验，具有破坏性，并且时效性差，预测的寿命结果较为保守，外推精度也不高；无损检测方法以超声检测为主，材料在高温、应力和环境共同作用下长期服役会受到损伤，在材料内部产生微小的裂纹，或者在材料内部使物理性质发生变化，这些材料变化都会使超声传播发生相应的变化，利用这种变化来找出材料损伤与超声波特性变化的相关性来评价材料的剩余寿命。通过无损检测方法进行寿命分析，误差非常大，实际应用意义不大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法，以解决现有技术中对电站锅炉高温部件的蠕变寿命进行预测时存在破坏性、准确性不足的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法，其包括以下步骤：采用微取样设备，利用电火花切割方法，在电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品；测量样品中的第二相总量的质量百分含量，第二相包括M₂₃C₆相、Laves相和MX相；将第二相总量的质量百分含量带入下述公式I中，公式I中，t为电站锅炉高温部件的已运行时间，t_r为电站锅炉高温部件的蠕变总寿命，y为样品中的第二相总量的质量百分含量，x₀、y₀、A₁表示与电站锅炉高温部件的材料相关的常数；

根据公式I计算得出的t_r-t的值即为电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命。

进一步地，公式I中，-0.82≤x₀≤-0.37，1.63≤y₀≤3.54，-1.214≤A₁≤-0.719。

进一步地，测量样品中的第二相总量的质量百分含量的步骤包括：对样品进行电解萃取，得到电解残渣；对电解残渣进行元素分析，测定电解残渣中的元素含量；采用硫酸、双氧水和水的混合溶液溶解电解残渣，其中硫酸在混合溶液中的体积含量为6％，双氧水在混合溶液中的体积含量为20％，得到的固相即为M₂₃C₆相，进而得到样品中M₂₃C₆相的质量百分含量；将电解残渣的质量百分含量减去M₂₃C₆相的质量百分含量，得到剩余质量百分含量；根据元素分析过程中元素Nb、V的含量，采用近似处理的方法得到剩余质量百分含量中MX相的质量百分含量，根据元素分析过程中元素Fe、Cr、Ni和Mo的含量，利用近似处理的方法得到剩余质量中Laves相的质量百分含量；M₂₃C₆相、Laves相及MX相的质量百分含量之和即为第二相总量的质量百分含量。

进一步地，对样品进行电解萃取的过程中，采用的电解萃取液为盐酸、甘油、柠檬酸和甲醇的混合溶液，且盐酸在混合溶液中的体积浓度为5％，甘油在混合溶液中的体积浓度为5％，柠檬酸在混合溶液中的重量浓度为10g/L；电流密度为0.04～0.06A/cm²，电解温度为0～5℃，总电流≤0.7A。

进一步地，溶解电解残渣的步骤包括：将硫酸、双氧水和水的混合溶液与电解残渣混合，在沸水浴中保温1～1.5h，期间补加1～3次双氧水，得到溶解体系。

进一步地，对电解残渣进行元素分析的步骤包括：采用微孔滤膜对电解残渣进行过滤，对过滤后的电解残渣进行洗涤、干燥，得到干燥沉淀；将干燥沉淀溶解在强酸溶液中，得到溶解液；利用ICP-AES法测量溶解液中元素Nb、V、Fe、Cr、Ni和Mo的含量。

进一步地，将干燥沉淀溶解在强酸溶液中的步骤包括：将干燥沉淀放入聚四氟乙烯烧杯内，加10mL盐酸，1mL硝酸和1mL氢氟酸进行溶样后，用水稀释至100mL容量瓶中定容，得到溶解液。

进一步地，对过滤后的电解残渣进行洗涤的步骤包括：依次采用柠檬酸的乙醇溶液、柠檬酸的水溶液、蒸馏水对过滤后的电解残渣进行洗涤；优选柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的浓度为10g/L，柠檬酸的水溶液中柠檬酸的浓度为10g/L。

进一步地，切取样品的步骤中，将微取样设备的取样机固定在电站锅炉高温部件的表面切取样品。

进一步地，切取样品的过程中，方法还包括对电站锅炉高温部件的取样部位表面进行冷却的步骤。

进一步地，冷却的方式采用水冷。

本发明提供的电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法中，首先采用了微取样设备，利用电火花切割方法在电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品。该微取样技术能够在不破坏部件使用功能的前提下对部件进行寿命评估，避免了传统检测方法对于电站锅炉高温部件的破坏性。其次，利用本发明提出的预测方法，无需进行长时的持久蠕变试验，提高了寿命评估的时效性，周期短、成本低。再次，本发明提出了电站锅炉高温部件材料中微观组织特征(第二相)与寿命消耗百分比的关系，详见公式I，通过此关系来预测电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命，准确性较好。此外，电厂在预测寿命后可及时更换部件或安排检修，减少了高温部件爆管破坏引起的非计划停炉事故，具有较大的经济和社会效益。总之，本发明提供的上述寿命预测方法，无需进行长时的持久试验，实效性好、对部件破坏性小、安全高效、经济可靠。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中对电站锅炉高温部件的蠕变寿命进行预测时存在破坏性、准确性不足的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法，其包括以下步骤：采用微取样设备，利用电火花切割方法，在电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品；测量样品中的第二相总量的质量百分含量，第二相包括M₂₃C₆相、Laves相和MX相；将第二相总量的质量百分含量带入下述公式I中，公式I中，t为电站锅炉高温部件的已运行时间，t_r为电站锅炉高温部件的蠕变总寿命，y为样品中的第二相总量的质量百分含量，x₀、y₀、A₁表示与电站锅炉高温部件的材料相关的常数；

根据公式I计算得出的t_r-t的值即为电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命。

根据不同材料，上述公式中的x₀、y₀、A₁可以进行调整。优选地，公式I中，-0.82≤x₀≤-0.37，1.63≤y₀≤3.54，-1.214≤A₁≤-0.719。选择上述范围内的x₀、y₀、A₁，对于耐热钢材料的蠕变剩余寿命预测更为可靠。且对于不同的耐热钢材料，可以在上述范围内进一步选择更适宜的各参数数值，在此不再赘述。

本发明发明人通过对电站锅炉高温部件进行不同蠕变阶段的持久蠕变试验，然后对其进行微观组织分析，发现随着高温蠕变时间的延长，材料的微观组织发生了较大变化，具体表现在以下几个方面：(1)亚晶回复，晶粒度增大；(2)伴随着亚晶的回复，位错密度也迅速下降，位错缠结作用下降，此外高温下扩散作用的增强加速了位错在沉淀相周围的攀移，位错运动阻力的降低严重降低了部件材料的蠕变强度；(3)M₂₃C₆粗化明显并由亚晶界处转移到亚晶内，从而丧失了对亚晶界的钉扎作用；(4)MX逐步转变为Z相，MX相的大量消耗和Z相的迅速长大都降低了材料的蠕变断裂强度，加速了材料的失效。(4)Laves相的产生和迅速长大也降低了材料蠕变性能，并增加了裂纹萌生的可能性。上述蠕变过程中的微观组织变化可以看出，第二相(包括M₂₃C₆、MX、Laves相等)的析出及长大对材料的蠕变性能产生非常大的影响。

本发明提供的电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法中，首先采用了微取样设备，利用电火花切割方法在电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品。该微取样技术能够在不破坏部件使用功能的前提下对部件进行寿命评估，避免了传统检测方法对于电站锅炉高温部件的破坏性。其次，利用本发明提出的预测方法，无需进行长时的持久蠕变试验，提高了寿命评估的时效性，周期短、成本低。再次，本发明提出了电站锅炉高温部件材料中微观组织特征(第二相)与寿命消耗百分比的关系，详见公式I，通过此关系来预测电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命，准确性较好。此外，电厂在预测寿命后可及时更换部件或安排检修，减少了高温部件爆管破坏引起的非计划停炉事故，具有较大的经济和社会效益。总之，本发明提供的上述寿命预测方法，无需进行长时的持久试验，实效性好、对部件破坏性小、安全高效、经济可靠。

具体地，将蠕变试验过程分成10个阶段，即寿命消耗为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，对10个寿命消耗阶段进行取样，采用物理化学相分析方法，确定每个阶段材料析出的第二相总量的组织定量特征，通过拟合方法给出蠕变寿命消耗与第二相总量的关系式I。采用本发明提出的公式，对于电站锅炉高温部件蠕变寿命预测的结果更为准确。

在一种优选的实施方式中，测量样品中的第二相总量的质量百分含量的步骤包括：对样品进行电解萃取，得到电解残渣。该过程中，第二相和其他一些杂质不会被电解，留在电解残渣中。对电解残渣进行元素分析，测定电解残渣中的元素含量。这样可以更准确地分析电解残渣中的元素分布情况，为后续的第二相分相的含量测定奠定基础。采用硫酸(质量浓度为95～98％的H₂SO₄水溶液)、双氧水(浓度为30％的过氧化氢水溶液)和水的混合溶液溶解电解残渣，其中硫酸在混合溶液中的体积含量为6％，双氧水在混合溶液中的体积含量为20％，得到的固相即为M₂₃C₆相，进而得到样品中M₂₃C₆相的质量百分含量。将电解残渣的质量百分含量减去M₂₃C₆相的质量百分含量，得到剩余质量百分含量；根据元素分析过程中元素Nb、V的含量，采用近似处理的方法得到剩余质量百分含量中MX相的质量百分含量，根据元素分析过程中元素Fe、Cr、Ni和Mo的含量，利用近似处理的方法得到剩余质量中Laves相的质量百分含量。电解残渣中除了第二相，还残留有一些其他杂质。在采用硫酸、双氧水和水的混合溶液溶解电解残渣后，剩余的固相为M₂₃C₆相，而溶解相中除了MX相和Laves相外，相应也含有一些杂质。MX相中的M主要是Nb和V，Laves相中主要是Fe，Cr，Ni和Mo。本发明根据元素分析结果，采用近似处理的方法可以得到更为准确的MX相和Laves相的质量百分含量，M₂₃C₆相、Laves相及MX相的质量百分含量之和即为第二相总量的质量百分含量。总之，采用上述方法能够更准确地分析计算得到样品中第二相总量的质量百分含量。

为了更准确地测定第二相总量的质量百分含量，在一种优选的实施方式中，上述对样品进行电解萃取的过程中，采用的电解萃取液为盐酸(质量浓度为36～38％的氯化氢水溶液)、甘油、柠檬酸和甲醇的混合溶液，且盐酸在混合溶液中的体积浓度为5％，甘油在混合溶液中的体积浓度为5％，柠檬酸在混合溶液中的重量浓度为10g/L；电流密度为0.04～0.06A/cm²，电解温度为0～5℃，总电流≤0.7A。该混合溶液及电解工艺条件下进行电解萃取，能够从样品中更充分地分离第二相。

在一种优选的实施方式中，溶解电解残渣的步骤包括：将硫酸、双氧水和水的混合溶液与电解残渣混合，在沸水浴中保温1～1.5h，期间补加1～3次双氧水，得到溶解体系。该工艺条件下能够尽量溶解电解残渣中除M₂₃C₆相以外的部分。

在一种优选的实施方式中，对电解残渣进行元素分析的步骤包括：采用微孔滤膜对电解残渣进行过滤，对过滤后的电解残渣进行洗涤、干燥，得到干燥沉淀；将干燥沉淀溶解在强酸溶液中，得到溶解液；利用ICP-AES法测量溶解液中元素Nb、V、Fe、Cr、Ni和Mo的含量。采用上述方法进行元素分析，分析结果更为准确。

为了进一步提高测量准确性，在一种优选的实施方式中，将干燥沉淀溶解在强酸溶液中的步骤包括：将干燥沉淀放入聚四氟乙烯烧杯内，加10mL盐酸(质量浓度为36～38％的氯化氢水溶液)，1mL硝酸(质量浓度为65～68％的HNO₃水溶液)和1mL氢氟酸(质量浓度为40％的HF水溶液)进行溶样后，用水稀释至100mL容量瓶中定容，得到溶解液。

在一种优选的实施方式中，对过滤后的电解残渣进行洗涤的步骤包括：依次采用柠檬酸的乙醇溶液、柠檬酸的水溶液、蒸馏水对过滤后的电解残渣进行洗涤；优选柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的浓度为10g/L，柠檬酸的水溶液中柠檬酸的浓度为10g/L。该工艺下能够尽量洗去电解残渣中的杂质，以提高后续的测量准确性。

在一种优选的实施方式中，上述切取样品的过程中，方法还包括对电站锅炉高温部件的取样部位表面进行冷却的步骤，冷却的方式优选采用水冷。

以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果：

实施例1

对国内某超临界电站锅炉主蒸汽管道用马氏体耐热钢P91部件主蒸汽管道进行了蠕变剩余寿命评估，具体步骤如下：

参见附图1，对电站锅炉高温部件，根据电厂需求选取要评估的部件部位(马氏体耐热钢P91部件)。采用微取样设备进行微取样，具体将取样机固定于部件表面，采用电火花切割方法，在部件表面沿环向或轴向切取微小样品。取样过程中采用水冷的方式对取样部位表面进行冷却。

微取样后，对样品进行电解萃取第二相，萃取第二相的电解条件为：5％(V/V)HCl+5％(V/V)甘油+10(g/L)柠檬酸甲醇溶液，i＝0.04～0.06A/cm²，T＝0～5℃，总电流≤0.7A。采用上述电解制度电解萃取样品中的第二相，收集电解残渣并清洗干净后，将干燥粉末进行X射线衍射分析以确定第二相类型，包括M₂₃C₆相、Laves相和MX相。

经电解萃取后的电解残渣经微孔滤膜过滤后，依次用含有10g/L柠檬酸的乙醇洗液、10g/L柠檬酸水洗液分别洗3次，最后再用蒸馏水洗净沉淀。将电解残渣放入聚四氟乙烯烧杯内，加10mL盐酸，1mL硝酸和1mL氢氟酸进行溶样，然后用水稀释至100mL容量瓶中定容，采用ICP-AES测定各元素含量。

采用5％(V/V)HCl+5％(V/V)甘油+10(g/L)柠檬酸甲醇溶液电解收集电解残渣后，用6％(V/V)H₂SO₄+20％(V/V)H₂O₂水溶液于沸水浴中保温1～1.5h，中途补加双氧水，使电解残渣中的MX相(也称M(CN)相)和Laves相溶解，保留M₂₃C₆相，根据M₂₃C₆相的重量可以计算得到其在样品中的质量百分含量。样品中电解残渣总量的质量百分含量减去M₂₃C₆相的质量百分含量，可以得到MX相和Laves相二者总量的质量百分含量。然后，根据元素分析过程中元素Nb、V的含量，采用近似处理的方法得到MX相的质量百分含量，根据Fe、Cr、Ni和Mo的含量，利用近似处理的方法得到Laves相的质量百分含量。M₂₃C₆相、Laves相及MX相的质量百分含量之和即为第二相总量的质量百分含量。然后将测得的第二相总量代入式：

得到寿命消耗百分比t/t_r，其中，t表示已运行时间，t_r表示蠕变总寿命；y表示第二相总量；x₀＝-0.53，y₀＝2.07，A₁＝-0.817。

通过上式计算得到寿命消耗百分比t/t_r后，已知该部件已运行时间t，即可计算得到蠕变总寿命t_r。进而蠕变剩余寿命为t_r-t。

申请人依照上述方法对国内两家超临界电站锅炉主蒸汽管道用马氏体耐热钢P91部件进行了蠕变剩余寿命评估。结果表明：依据本发明的微观组织定量分析方法，计算得到的蠕变剩余寿命与实际管道的失效时间非常接近，具有较高的准确性，较传统的Larson-Miller参数法及其衍生方法，时效性好且成本低廉，与无损检测方法相比较，更加准确可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电站锅炉高温部件蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用微取样设备，利用电火花切割方法，在所述电站锅炉高温部件的表面沿环向或轴向切取样品；

测量所述样品中的第二相总量的质量百分含量，所述第二相包括M₂₃C₆相、Laves相和MX相；

将所述第二相总量的质量百分含量带入下述公式I中，所述公式I中，t为所述电站锅炉高温部件的已运行时间，t_r为所述电站锅炉高温部件的蠕变总寿命，y为所述样品中的所述第二相总量的质量百分含量，x₀、y₀、A₁表示与所述电站锅炉高温部件的材料相关的常数；

根据所述公式I计算得出的t_r-t的值即为所述电站锅炉高温部件的蠕变剩余寿命；所述公式I中，-0.82≤x₀≤-0.37，1.63≤y₀≤3.54，-1.214≤A₁≤-0.719。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述样品中的第二相总量的质量百分含量的步骤包括：

对所述样品进行电解萃取，得到电解残渣；

对所述电解残渣进行元素分析，测定所述电解残渣中的元素含量；

采用硫酸、双氧水和水的混合溶液溶解所述电解残渣，其中硫酸在混合溶液中的体积含量为6％，双氧水在混合溶液中的体积含量为20％，得到的固相即为所述M₂₃C₆相，进而得到所述样品中所述M₂₃C₆相的质量百分含量；

将所述电解残渣的质量百分含量减去所述M₂₃C₆相的质量百分含量，得到剩余质量百分含量；

根据所述元素分析过程中元素Nb、V的含量，采用近似处理的方法得到所述剩余质量百分含量中所述MX相的质量百分含量，根据所述元素分析过程中元素Fe、Cr、Ni和Mo的含量，利用近似处理的方法得到所述剩余质量百分含量中所述Laves相的质量百分含量；

所述M₂₃C₆相、所述Laves相及所述MX相的质量百分含量之和即为所述第二相总量的质量百分含量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述样品进行电解萃取的过程中，采用的电解萃取液为盐酸、甘油、柠檬酸和甲醇的混合溶液，且盐酸在混合溶液中的体积浓度为5％，甘油在混合溶液中的体积浓度为5％，柠檬酸在混合溶液中的重量浓度为10g/L；电流密度为0.04～0.06A/cm²，电解温度为0～5℃，总电流≤0.7A。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，溶解所述电解残渣的步骤包括：将硫酸、双氧水和水的混合溶液与所述电解残渣混合，在沸水浴中保温1～1.5h，期间补加1～3次双氧水，得到溶解体系。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述电解残渣进行元素分析的步骤包括：

采用微孔滤膜对所述电解残渣进行过滤，对过滤后的所述电解残渣进行洗涤、干燥，得到干燥沉淀；

将所述干燥沉淀溶解在强酸溶液中，得到溶解液；

利用ICP-AES法测量所述溶解液中元素Nb、V、Fe、Cr、Ni和Mo的含量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述干燥沉淀溶解在强酸溶液中的步骤包括：将所述干燥沉淀放入聚四氟乙烯烧杯内，加10mL盐酸，1mL硝酸和1mL氢氟酸进行溶样后，用水稀释至100mL容量瓶中定容，得到所述溶解液。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对过滤后的所述电解残渣进行洗涤的步骤包括：依次采用柠檬酸的乙醇溶液、柠檬酸的水溶液、蒸馏水对过滤后的所述电解残渣进行洗涤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的浓度为10g/L，所述柠檬酸的水溶液中柠檬酸的浓度为10g/L。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，切取所述样品的步骤中，将所述微取样设备的取样机固定在所述电站锅炉高温部件的表面切取样品。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，切取所述样品的过程中，所述方法还包括对所述电站锅炉高温部件的取样部位表面进行冷却的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述冷却的方式采用水冷。

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