CN109992825B - 一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，属于金属材料技术领域。包括如下步骤：(a)系统根据锅炉四管运行环境、材料特性计算管壁减薄情况；(b)计算锅炉四管的减薄速率，(c)根据强度校核理论，计算减薄后的锅炉管的剩余寿命；(d)对于存在焊缝的锅炉管，计算焊缝位置的应力；(e)对剩余寿命进行修正；(f)从温度和锅炉管的持久强度的角度，评估锅炉管的寿命；(g)超过设计计算壁温，过热情况下，锅炉管寿命修正计算；(h)考虑壁厚减及过热共同作用下，锅炉管综合寿命R_f评估计算。本发明能够较全面的覆盖锅炉四管的失效因素，较为准确的进行状态及寿命评估。

Description

一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法

技术领域

本发明涉及一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

过热器、再热器、水冷壁、省煤器(简称“锅炉四管”)等部件是锅炉内部的主要结构件，长期在火焰、烟气、飞灰等十分恶劣的使用环境介质中运行，因而在服役过程中发生一系列材料组织与性能的变化，这些变化涉及蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等复杂的老化与失效机理。

对于在役机组锅炉四管的失效及其安全运行监督没有统一高度认识，对锅炉受热面的研究还有一定局限性，受热面的失效分析、温度监控、检修期间割管性能试验等手段在部分电厂得到了应用，只是人为的简单分析，范围较局限，参数类别较少，无法完全掌握锅炉运行状态。检修目的性不强，锅炉四管检修缺乏科学管理、技术监督手段缺失，虽然经历多次大小修，或是停炉检查，仍然屡次造成经济损失或是安全事故。

在材料已经确定并投入运行的机组，不考虑带超标缺陷的受热面管的情况下，影响受热面管失效发生的主要因素是使用环境，使用温度和实际应力水平。不同的失效机理往往同时作用在受热面管上，导致两种甚至多种失效机理的交互作用。

而以往采用的传统寿命评估方法，只考虑了恒定温度、应力的条件下，单一失效机理的前提下进行外推和预测，如申请号为201610101979.0的中国专利。传统的寿命评估方法，时间周期长，偏差大，无法作为状态评估的参考，导致行业内的认可度不高。

因此，通过实施的寿命评估，判断锅炉四管的状态趋势显得很有必要且意义重大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理的考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，能够较全面的覆盖锅炉四管的失效因素，较为准确的进行状态及寿命评估。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)系统根据锅炉四管运行环境、材料特性计算管壁减薄情况，计算公式为(1)：

其中：S_t——运行一段时间后由于磨损造成的管壁减薄量，单位为毫米(mm)；

k——与温度、材料等有关的系数，可以根据几次大修金属检测数据进行推算；

t₁——两次实时计算之间锅炉四管运行时间；

n——与材料相关的系数，在参考相关文献取值的基础上，根据几次大小修金属检测数据进行修正；

b₀——与材料相关的系数，在参考相关文献取值的基础上，根据几次大小修金属检测数据进行修正；

(b)计算锅炉四管的减薄速率，对于两次检修期间的减薄速率，计算公式为(2)：

其中：C——管壁减薄速率，单位为毫米每小时(mm/h)；

δ₁——上次检修测量的壁厚；

δ——本次检修测量的壁厚；

t_j——两次检修之间的运行时间；

对于两次实时计算之间的减薄速率，计算公式为(3)：

(c)根据强度校核理论，减薄后的锅炉管的剩余寿命计算公式为(4)：

其中：δ₀——管子原始壁厚，单位mm；

D——管子原始外径，单位mm；

σ_vc——管子所用钢材在平均运行环境下的蠕变极限强度，单位MPa；

p——管子内介质压力，单位MPa；

(d)对于存在焊缝的锅炉管，焊缝位置的应力按照下列公式计算(5)：

其中：σ_hf——管子焊缝在平均运行环境下的蠕变极限强度，单位MPa；

μ——焊缝持久强度减弱系数(不同材料，减弱系数不同；同一材料，不同温度，不同运行时间对应的减弱系数不同)；

(e)由于锅炉温度场的不均匀、烟气的流动性以及内部介质的不平衡，金属管的壁温存在一定的波动,需要对剩余寿命进行修正，计算公式为(6)：

R_x＝-k_x(T-T₀)R_l (6)

其中：T₀——平均运行温度；

T——温度波动期间某一温度值；

k_x——温度偏离值修正系数(不同材料，修正值不同)；

(f)锅炉管在过热环境下运行，会蠕变加速，老化加快，从温度和锅炉管的持久强度的角度，评估锅炉管的寿命，计算公式为(7)：

其中：

——材料原始性能数据中某一温度下10⁴h对应的持久强度；

——材料原始性能数据中某一温度下10⁵h对应的持久强度；

σ_max——锅炉管运行应力的最大值；

n——安全系数；

t_p——运行期间平均运行温度T₀对应的蠕变寿命；

(g)超过设计计算壁温，过热情况下，锅炉管寿命修正计算公式为(8)：

R_gr＝R_sj-k_x(T_gr-T_sj)t_p (8)

其中：T_sj——锅炉管设计计算金属壁温；

T_gr——锅炉管过热情况下金属壁温；

R_sj——锅炉管材料在设计温度、应力下对应的蠕变寿命；

(h)考虑壁厚减薄及过热共同作用下，锅炉管综合寿命R_f评估计算公式为(9)：

R_f＝A·R_x+B·R_gr (9)

其中A、B为系数，与锅炉管减薄与过热情况发生的比例有关。

操作时，按照如下步骤进行：

1)计算出待评估部位的锅炉管减薄量S_t；

2)根据两次检修金属检测数据计算得出壁厚减薄速率C，并根据这一结果实时修正壁厚减薄计算公式中系数k和定值b₀；

3)根据历史数据资料和试验，确定壁烟温波动修正系数k_x，并根据计算公式(6)，计算减薄量最终影响的管子寿命R_x；

4)根据历史数据资料和试验，确定公式(7)中的评估时间段内平均运行温度t_p和管子最大正应力σ_max；

5)根据历史数据资料和试验，确定公式(8)中的过热温度T_gr，并计算出过热影响下的锅炉管剩余寿命修正值R_gr；

6)根据历史数据资料和试验，确定综合计算系数A和B，并通过公式(9)计算出最终综合评估寿命值R_f。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明能够较全面的覆盖锅炉四管的失效因素，较为准确的进行状态及寿命评估。实现了金属管道的状态参数的在线监测与评估，有利于金属专业技术监督工作的开展和效果体现，也有利于电厂运行人员实时掌握受热面管道的状态，科学指导运行，减少对现场巡检人员的依赖，实现减人增效，同时大大提高了机组的安全性，响应了国家安全生产的政策号召。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

本实施例中的考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，包括如下步骤：

(a)得出锅炉四管管壁减薄计算公式(1)，即

(b)得出两次检修期间的减薄速率计算公式(2)，即

并通过公式(2)，对比得出两次实时计算之间的减薄速率计算公式(3)，即

(c)根据强度校核理论，减薄后的锅炉管的剩余寿命计算公式(4)，即：

以及焊缝位置的应力计算公式(5)

再考虑金属管的壁温存在一定的波动,得出减薄后锅炉管剩余寿命计算公式(6)，即R_x＝-k_x(T-T₀)R_l。

(d)根据锅炉管的持久强度与寿命，得出计算公式(7)，即

(e)在超过设计计算壁温，过热情况下，得出锅炉管寿命修正计算公式(8)，即R_gr＝R_sj-k_x(T_gr-T_sj)t_p。

(f)最终，得出锅炉管综合寿命R_f评估计算公式(9)，即R_f＝A·R_x+B·R_gr。

实施时，操作如下步骤：1、计算出待评估部位的锅炉管减薄量S_t；2、根据两次检修金属检测数据计算得出壁厚减薄速率C，并根据这一结果实时修正壁厚减薄计算公式中系数k和定值b₀；3、根据历史数据资料和试验，确定壁烟温波动修正系数k_x，并根据计算公式(6)，计算减薄量最终影响的管子寿命R_x；4、根据历史数据资料和试验，确定公式(7)中的评估时间段内平均运行温度t_p和管子最大正应力σ_max；5、根据历史数据资料和试验，确定公式(8)中的过热温度T_gr，并计算出过热影响下的锅炉管剩余寿命修正值R_gr；6、根据历史数据资料和试验，确定综合计算系数A和B，并通过公式(9)计算出最终综合评估寿命值R_f。

锅炉受热面在线寿命评估，经济效益明显，以一台350MW锅炉每年减少一次启停、每次停炉抢修6天、负荷率60％、发电利润按0.1元/kWh计算，可减少启停损失30万元，还不包含电网对电厂非停进行的罚款；同时一次非停影响发电量5702.4万kWh，如不能补发，则存在570.24万元经济损失，因此进行实时寿命评估，减少一次非停可增加经济效益570.24万元。

虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)系统根据锅炉四管运行环境、材料特性计算管壁减薄情况，计算公式为(1)：

其中：S_t——运行一段时间后由于磨损造成的管壁减薄量，单位为毫米；

k——与温度、材料有关的系数，根据几次大修金属检测数据进行推算；

t₁——两次实时计算之间锅炉四管运行时间；

n——与材料相关的系数，在参考相关文献取值的基础上，根据几次大小修金属检测数据进行修正；

b₀——与材料相关的系数，在参考相关文献取值的基础上，根据几次大小修金属检测数据进行修正；

(b)计算锅炉四管的减薄速率，对于两次检修期间的减薄速率，计算公式为(2)：

其中：C——管壁减薄速率，单位为毫米每小时；

δ₁——上次检修测量的壁厚；

δ——本次检修测量的壁厚；

t_j——两次检修之间的运行时间；

对于两次实时计算之间的减薄速率，计算公式为(3)：

(c)根据强度校核理论，减薄后的锅炉管的剩余寿命计算公式为(4)：

其中：δ₀——管子原始壁厚，单位mm；

D——管子原始外径，单位mm；

σ_vc——管子所用钢材在平均运行环境下的蠕变极限强度，单位MPa；

p——管子内介质压力，单位MPa；

(d)对于存在焊缝的锅炉管，焊缝位置的应力按照下列公式计算(5)：

其中：σ_hf——管子焊缝在平均运行环境下的蠕变极限强度，单位MPa；

μ——焊缝持久强度减弱系数；

(e)由于锅炉温度场的不均匀、烟气的流动性以及内部介质的不平衡，金属管的壁温存在一定的波动,需要对剩余寿命进行修正，计算公式为(6)：

R_x＝-k_x(T-T₀)R_l (6)

其中：T₀——平均运行温度；

T——温度波动期间某一温度值；

k_x——温度偏离值修正系数；

(f)锅炉管在过热环境下运行，会蠕变加速，老化加快，从温度和锅炉管的持久强度的角度，评估锅炉管的寿命，计算公式为(7)：

其中：

——材料原始性能数据中某一温度下10⁴h对应的持久强度；

——材料原始性能数据中某一温度下10⁵h对应的持久强度；

σ_max——锅炉管运行应力的最大值；

n——安全系数；

t_p——运行期间平均运行温度T₀对应的蠕变寿命；

(g)超过设计计算壁温，过热情况下，锅炉管寿命修正计算公式为(8)：

R_gr＝R_sj-k_x(T_gr-T_sj)t_p (8)

其中：T_sj——锅炉管设计计算金属壁温；

T_gr——锅炉管过热情况下金属壁温；

R_sj——锅炉管材料在设计温度、应力下对应的蠕变寿命；

(h)考虑壁厚减薄及过热共同作用下，锅炉管综合寿命R_f评估计算公式为(9)：

R_f＝A·R_x+B·R_gr (9)

其中A、B为系数，与锅炉管减薄与过热情况发生的比例有关。

2.根据权利要求1所述的考虑壁厚减薄及过热影响的锅炉四管实时寿命评估方法，其特征在于：按照如下步骤操作：

1)计算出待评估部位的锅炉管减薄量S_t；

2)根据两次检修金属检测数据计算得出壁厚减薄速率C，并根据这一结果实时修正壁厚减薄计算公式中系数k和定值b₀；

3)根据历史数据资料和试验，确定壁烟温波动修正系数k_x，并根据计算公式(6)，计算减薄量最终影响的管子寿命R_x；

4)根据历史数据资料和试验，确定公式(7)中的评估时间段内平均运行温度t_p和管子最大正应力σ_max；

5)根据历史数据资料和试验，确定公式(8)中的过热温度T_gr，并计算出过热影响下的锅炉管剩余寿命修正值R_gr；

6)根据历史数据资料和试验，确定综合计算系数A和B，并通过公式(9)计算出最终综合评估寿命值R_f。