CN112580202B - 一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，包括以下步骤；1)收集设备基本信息并确定评估点；2)制定并实施金属检验方案，并获取金属检验结果；3)评估点状态评估；4)确定评估点所处的全寿命周期的具体阶段；5)计算状态修正因子CS；6)评估点状态评估修正。最终基于状态修正因子修正评估点的状态评估结果，本发明能够有效的帮助火电厂技术人员更好的制定检修策略。
Description
技术领域
本发明涉及火电厂高温设备状态评估技术领域，特别涉及一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法。
背景技术
高温集箱接管与管座的是火力发电厂锅炉系统的重要部件，近年来，随着外部环境的变化，各类大型高参数火电机组无奈的被迫变为调峰机组，这使得高温集箱接管与管座的在运行过程中处于较恶劣的工况条件，更容易受到热交变载荷作用的影响。由于高温集箱接管与管座的位于锅炉外部，如果发生失效导致泄漏事故，有引起重大人身安全和经济损失的风险，因此有必要准确的评估高温集箱接管与管座的状态。
针对高温集箱接管与管座，已有文献报道过对其进行蠕变剩余寿命评估，如文献“高温过热器出口集箱接管蠕变剩余寿命评估，铸造技术，2018(01)”，也有文献报道过对其热疲劳损伤分析，如文献“电站高温承压部件热疲劳损伤分析诊断和失效防范，理化检验(物理分册)，2014(09)”。无论是进行蠕变剩余寿命评估，还是进行热疲劳损伤分析，都需要评估人员具备多种条件：需要具有丰富的金属材料基础知识、力学计算知识、寿命评估知识及经验；需要收集完整的设计资料和设计数据；需要收集完整的运行历史数据；需要收集完整的、全面的金属检验相关数据；需要同材质的试样进行全面的实验室分析数据作为参照组等。这些条件决定了蠕变剩余寿命评估、热疲劳损伤分析等技术的开展仅仅局限于专业技术机构及人员，而且这些基本资料和数据的收集、完整又全面的金属检验以及实验室分析会导致电厂检修成本和人力成本的增加。
为此，需要探索一种具有普适性的方法，无需评估人员具有丰富的金属材料基础知识、力学计算知识、寿命评估知识及经验，也无需承担额外的试验费用成本，仅通过获得已有的金属检验数据，便可对高温集箱接管与管座的进行状态评估，从而直接帮助火电厂技术人员制定检修策略。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，帮助火电厂技术人员更好的制定检修策略。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案和本发明的有益效果是：
一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，包括以下步骤；
1)收集高温集箱接管与管座的基本信息并确定评估点；
2)制定并实施高温集箱接管与管座的金属检验方案，并获取金属检验结果；
3)评估点状态评估；
4)确定评估点所处的全寿命周期的具体阶段；
5)计算状态修正因子CS；
6)评估点状态评估修正。
所述步骤1)的基本信息包括高温集箱设计图纸，高温集箱接管设计材质、设计直径和设计壁厚，高温集箱管座的角焊缝和环焊缝基本情况，以及高温集箱接管的更换台账信息；
根据锅炉内温度场分布情况，重点选择高温区域对应的接管和管座进行金属检验，对于非高温区域，可随机抽检；由于检验点最终参与状态评估，因此又称为评估点。
所述的评估点从高温集箱接管与高温集箱管座中选点。
所述步骤2)的具体操作方法为：
综合考虑检修计划、时间及成本，针对步骤1)确定的所有评估点，从宏观检验、胀粗检查、光谱检验、壁厚测量、硬度检查、内壁氧化皮测量、金相检查、无损检测(包含超声波、磁粉、渗透、射线)中选择合适的项目指定并实施金属检验方案；
最终获取评估点的各项金属检验结果，并确认各评估点各项金属检验项目对应的状态参数；
所述步骤3)的具体操作方法为；
依据步骤2)获取的金属检验结果，分别对每个评估点进行状态评估，定义每个评估点的状态为Cj，评估模型如式(1)所示，当金属检验项目对应的状态参数CPi j中至少有一个参数数值为1时，定义该评估点的状态Cj取值1，否则，定义评估点的状态Cj为所有CPij的加权；
评估点的状态Cj的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，如果Cj值为0，则评估点的状态最佳，当Cj的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差；
综合考虑各种金属检验项目的重要性以及其实施频率、结果准确性等因素，对于式(1)中状态参数的权重Qi的取值，给出式(2)的规则；
所述步骤4)具体操作方法为：
基于下表，确定评估点处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的具体阶段；
| 全寿命周期各阶段 | 全寿命周期各阶段的时间范围 |
| 前期阶段 | (0,0.3Lc] |
| 中期阶段 | (0.3Lc～0.8Lc] |
| 末期阶段 | (0.8Lc～Lc] |
其中，Lc为设计寿命，定义300000机组运行小时。
所述步骤5)具体操作方法为：
基于步骤2)明确的评估对象所处阶段，确定其相应的状态修正因子CS；
| 全寿命周期各阶段 | 状态因子CS |
| 前期阶段 | cII(1+1·cI) |
| 中期阶段 | cII(1+0·cI) |
| 末期阶段 | cII(1+3·cI) |
定义cI和cII分别为一次修正因子和二次修正因子，根据步骤1)收集的设计和制造资料，依照下表决定其实际取值；
| 修正因子cI和cII取值的几种情况 | cI取值 | cII取值 |
| 评估点从未发生过失效更换 | 0.01 | 1 |
| 评估点从未发生过一次的失效更换 | 0.02 | 1.1 |
| 评估点从未发生过不止一次的失效更换 | 0.03 | 1.3 |
所述步骤6)具体操作方法为：
用5)计算的状态修正因子对3)计算的接管评估点和管座评估点进行状态评估修正，修正模型如式(11)所示；
无论是接管评估点，还是管座评估点，其修正的状态评估值为0，则认为评估对象的状态最佳，当P值从0向1变化时，评估点的状态逐渐变差，当/>值大于0.8时，认为评估点的状态较差，特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估点的状态值逐渐变大时，也印证了评估点状态逐渐变差，企业应做好对该评估点更换的准备。
所述步骤4)中宏观状态参数CP1 j，由宏观检验的结果{未发现缺陷，发现缺陷，发现超标缺陷}定义，如式(3)所示：
所述的步骤4)中化学成分状态参数由光谱检查的结果/>{合格，不合格}定义，如式(4)所示：
所述的步骤4)中组织状态参数CP3 j，由金相检查的结果{1级,2级,3级,4级,5级}定义，如式(5)所示：
所述的步骤4)中无损状态参数由超声波、磁粉、渗透、射线等无损检测结果{I级，II级，III级，IV级}定义，如式(6)所示：
所述的步骤4)中胀粗状态参数由胀粗检查的结果/>定义，如式(7)所示：
式(7)中，D0为设计直径，单位为mm。
所述的步骤4)中壁厚状态参数由壁厚检查的结果/>定义，如式(8)所示：
所述的步骤4)中硬度状态参数由硬度检查的结果/>定义，如式(9)所示：
所述的内壁氧化状态参数CP8 j，由内壁氧化皮测量的结果定义，如式(10)所示：
本发明的有益效果：
本发明无需评估人员具有丰富的金属材料基础知识、力学计算知识、寿命评估知识及经验，也无需承担额外的试验费用成本，仅通过获得已有的金属检验数据，便可对高温集箱接管与管座的进行状态评估，从而直接帮助火电厂技术人员制定检修策略。
附图说明
图1是本发明状态评估流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的描述。
如图1所示：
1)收集设备基本信息并确定评估点
确定评估设备为高温集箱接管与管座，收集高温集箱设计图纸，收集高温集箱接管设计材质、设计直径和设计壁厚，收集高温集箱管座的角焊缝和环焊缝基本情况，以及收集高温集箱接管的更换台账信息。
一般根据锅炉内温度场分布情况，重点选择高温区域对应的接管和管座进行金属检验，对于非高温区域，可随机抽检。由于检验点最终参与状态评估，因此又称为评估点，将评估点分为两大类：接管评估点和管座评估点，各自以下角标hn和vs区分。
2)制定并实施金属检验方案，并获取金属检验结果
综合考虑检修计划、时间及成本，针对1)确定的所有评估点，从宏观检验、胀粗检查、光谱检验、壁厚测量、硬度检查、内壁氧化皮测量、金相检查、无损检测(包含超声波、磁粉、渗透、射线)中选择合适的项目指定并实施金属检验方案。
最终获取评估点的各项金属检验结果，并确认各评估点各项金属检验项目对应的状态参数，如下表所示。
3)评估点状态评估
依据2)获取的金属检验结果，分别对每个评估点进行状态评估，定义每个评估点的状态为Cj，评估模型如式(1)所示，当金属检验项目对应的状态参数CPi j中至少有一个参数数值为1时，定义该评估点的状态Cj取值1，否则，定义评估点的状态Cj为所有CPij的加权。
评估点的状态Cj的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，如果Cj值为0，则评估点的状态最佳，当Cj的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差。
综合考虑各种金属检验项目的重要性以及其实施频率、结果准确性等因素，对于式(1)中状态参数的权重Qi的取值，给出式(2)的规则。
下面给出每个评估点金属检验项目对应的状态参数CPi j的评估方法。
3.1)宏观检验对应的宏观状态参数评估
宏观检验的结果一般为{未发现缺陷，发现缺陷，发现超标缺陷}集合中的其中一项，其对应的宏观状态参数CP1 j的定义如式(3)所示。
3.2)光谱检查对应的化学成分状态参数评估
光谱检查的结果一般为{合格，不合格}，合格或不合格的结论是通过与国家标准或行业标准对比是否符合要求得出的，其对应的化学成分状态参数/>的定义如式(4)所示。
3.3)金相检查对应的组织状态参数评估
金相检查的结果一般为{1级,2级,3级,4级,5级}，不同的金属材料，有不同的行业标准指导评级，其对应的组织状态参数CP3 j的定义如式(5)所示。
3.4)无损检查对应的无损状态参数评估
无损检测项目可分为超声波、磁粉、渗透、射线检测，所有的检测结果一般为{I级，II级，III级，IV级}，如果实施了多个无损检测项目，选择评级最高的为无损检测结果，其对应的无损状态参数/>的定义如式(6)所示。
3.5)胀粗检查对应的胀粗状态参数评估
接管评估点长期在高温条件运行时也会逐渐发生外径蠕胀，当蠕胀较严重时，评估点会处于较差的状态，为此，需要在全寿命周期的末期阶段进行胀粗检查，胀粗检查的结果对应的胀粗状态参数/>的定义如式(7)所示。
式(7)中，D0为设计直径，单位为mm。
3.6)壁厚检查对应的壁厚状态参数评估
接管评估点在高温运行过程中受到蒸汽的冲蚀会产生高温氧化，这个过程会消耗接管评估点的基体金属，使得壁厚减薄、承担更大的应力，具有更劣的状态。壁厚检查的结果对应的壁厚状态参数/>的定义如式(8)所示。
式(8)中，d0为设计壁厚，单位为mm。
3.7)硬度检查对应的硬度状态参数评估
接管评估点在高温条件下运行会逐渐发生老化现象，从而引起硬度的逐渐降低，硬度的降低使得评估点的状态变差，可能导致失效的发生。硬度检查的结果对应的硬度状态参数/>的定义如式(9)所示。
3.8)内壁氧化皮测量对应的内壁氧化状态参数评估
接管评估点在与高温高压蒸汽接触发生高温氧化，形成的内壁氧化层增加了评估点与高温高压蒸汽的传热热阻，使得评估点金属实际使用温度随运行时间升高，其厚度在一定程度上反映了评估点的老化程度，氧化皮越厚，状态越差。内壁氧化皮测量的结果对应的内壁氧化状态参数CP8 j的定义如式(10)所示。
4)明确评估点所处的全寿命周期的具体阶段
评估点的状态与其所处的全寿命周期的具体阶段有一定关系，在接管和管座投入使用的前期阶段，由于可能存在制造缺陷及安装缺陷，评估点的状态不确定，可能随时发生失效。随着长时高温运行，并未出现因制造缺陷或安装缺陷引发的失效时，评估点进入全寿命周期的中期阶段，达到了最佳状态，并能持续运行很长一段时间。当进入全寿命周期的末期阶段，长期在高温高压服役条件下，材料逐步加速老化，评估点状态会逐步急速劣化。
由于高温集箱接管可能随时发生失效而更新，因此接管和管座评估点的全寿命周期并非与机组或高温集箱筒体的全寿命周期相同，评估人员要做好设备台账，记录详细的更换时间和备件信息。
基于下表，明确评估点处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的具体阶段。
| 全寿命周期各阶段 | 全寿命周期各阶段的时间范围 |
| 前期阶段 | (0,0.3Lc] |
| 中期阶段 | (0.3Lc～0.8Lc] |
| 末期阶段 | (0.8Lc～Lc] |
其中，Lc为设计寿命，一般定义300000机组运行小时。
5)计算状态修正因子CS
基于4)明确的评估对象所处阶段，确定其相应的状态修正因子CS。
| 全寿命周期各阶段 | 状态因子CS |
| 前期阶段 | cII(1+1·cI) |
| 中期阶段 | cII(1+0·cI) |
| 末期阶段 | cII(1+3·cI) |
定义cI和cII分别为一次修正因子和二次修正因子，根据1)收集的设计和制造资料，依照下表决定其实际取值。
6)评估点状态评估修正
用5)计算的状态修正因子对3)计算的接管评估点和管座评估点进行状态评估修正，修正模型如式(11)所示。
无论是接管评估点，还是管座评估点，其修正的状态评估值为0，则认为评估对象的状态最佳，当P值从0向1变化时，评估点的状态逐渐变差。当/>值大于0.8时，认为评估点的状态较差。特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估点的状态值逐渐变大时，也印证了评估点状态逐渐变差，企业应做好对该评估点更换的准备。
采用以上技术方案，不但能够帮助火电厂技术人员了解高温集箱接管与管座的的实际状态，且可通过针对同一评估点多次状态评估结果预测其状态的变化趋势，对制定检修计划及更换策略具有重要意义。
Claims (5)
1.一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)收集高温集箱接管与管座的基本信息并确定评估点；
2)制定并实施高温集箱接管与管座的金属检验方案，并获取金属检验结果；
3)评估点状态评估；
4)确定评估点所处的全寿命周期的具体阶段；
5)计算状态修正因子CS；
6)评估点状态评估修正；
所述步骤3)的具体操作方法为；
依据步骤2)获取的金属检验结果，分别对每个评估点进行状态评估，定义每个评估点的状态为Cj，评估模型如式(1)所示，当金属检验项目对应的状态参数CPi j中至少有一个参数数值为1时，定义该评估点的状态Cj取值1，否则，定义评估点的状态Cj为所有CPi j 的加权；
评估点的状态Cj的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，如果Cj值为0，则评估点的状态最佳，当Cj的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差；
综合考虑各种金属检验项目的重要性以及其实施频率、结果准确性等因素，对于式(1)中状态参数的权重Qi的取值，给出式(2)的规则；
所述步骤4)具体操作方法为：
基于下表，确定评估点处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的具体阶段；
其中，Lc为设计寿命，定义300000机组运行小时；
所述步骤5)具体操作方法为：
基于步骤2)明确的评估对象所处阶段，确定其相应的状态修正因子CS；
定义cI和cII分别为一次修正因子和二次修正因子，根据步骤1)收集的设计和制造资料，依照下表决定其实际取值；
所述步骤6)具体操作方法为：
用步骤5)计算的状态修正因子对步骤3)计算的接管评估点和管座评估点进行状态评估修正，修正模型如式(11)所示；
无论是接管评估点，还是管座评估点，其修正的状态评估值为0，则认为评估对象的状态最佳，当P值从0向1变化时，评估点的状态逐渐变差，当/>值大于0.8时，认为评估点的状态较差，特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估点的状态/>值逐渐变大时，也印证了评估点状态逐渐变差，企业应做好对该评估点更换的准备。
所述步骤4)中宏观状态参数CP1 j，由宏观检验的结果MR1 j：{未发现缺陷，发现缺陷，发现超标缺陷}定义，如式(3)所示：
2.根据权利要求1所述的一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，其特征在于，所述步骤1)的基本信息包括：
高温集箱设计图纸，高温集箱接管设计材质、设计直径和设计壁厚，高温集箱管座的角焊缝和环焊缝基本情况，以及高温集箱接管的更换台账信息；
根据锅炉内温度场分布情况，重点选择高温区域对应的接管和管座进行金属检验，对于非高温区域，可随机抽检；由于检验点最终参与状态评估，因此又称为评估点。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，其特征在于，所述的评估点从高温集箱接管与高温集箱管座中选点。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，其特征在于，所述步骤2)的具体操作方法为：
综合考虑检修计划、时间及成本，针对步骤1)确定的所有评估点，从宏观检验、胀粗检查、光谱检验、壁厚测量、硬度检查、内壁氧化皮测量、金相检查、无损检测中选择合适的项目指定并实施金属检验方案；
最终获取评估点的各项金属检验结果，并确认各评估点各项金属检验项目对应的状态参数；
5.根据权利要求1所述的一种基于金属检验的高温集箱接管与管座的状态评估方法，其特征在于，所述的步骤4)中化学成分状态参数CP2 j，由光谱检查的结果{合格，不合格}定义，如式(4)所示：
所述的步骤4)中组织状态参数CP3 j，由金相检查的结果{1级,2级,3级,4级,5级}定义，如式(5)所示：
所述的步骤4)中无损状态参数CP4 j，由超声波、磁粉、渗透、射线等无损检测结果{I级，II级，III级，IV级}定义，如式(6)所示：
所述的步骤4)中胀粗状态参数CP5 j，由胀粗检查的结果定义，如式(7)所示：
式(7)中，D0为设计直径，单位为mm。
所述的步骤4)中壁厚状态参数CP6 j，由壁厚检查的结果定义，如式(8)所示：
所述的步骤4)中硬度状态参数CP7 j，由硬度检查的结果定义，如式(9)所示：
所述的步骤4)中内壁氧化状态参数CP8 j，由内壁氧化皮测量的结果定义，如式(10)所示：
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