CN113449396A - 一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，包括以下步骤；1)明确评估对象及基本信息；2)明确评估对象所处的全寿命周期的具体阶段；3)计算校正因子C_f；4)计算状态因子C_S；5)明确详细评估点；6)制定离线检验方案并实施；7)获取离线检验结果；8)评估点状态评估；9)评估对象状态评估；10)评估结果归档及反馈。本发明能够帮助火电厂技术人员更好的制定检修策略。

Description

一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法

技术领域

本发明属于火电厂设备状态评估技术领域，特别涉及一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法。

背景技术

锅筒是火力发电厂亚临界锅炉系统的重要部件。首先，面对日益严峻的外部环境，亚临界机组逐步进行灵活性改造，参与深度调峰，在运行过程中处于较恶劣的工况条件，容易受到热交变载荷作用的影响。特别是锅筒本体作为大壁厚部件，内外壁温度差沿壁厚线性分布，厚度越大，温差越大，应力越大。其次，国内亚临界机组于2000年至2005年之间大规模投产，很多机组已投产接近20年，锅筒处于全寿命周期的中后期阶段，其材质也面临加速老化的状况。第三，由于锅筒位于锅炉外部，如果本体发生泄漏事故有较高的引起重大人身安全和经济损失的风险，因此有必要较为准确的评估亚临界锅炉锅筒本体的状态。

针对亚临界锅炉锅筒，已有文献报道过采用ANSYS有限元分析了汽包温度场、热应力场和总应力场，并运用ASME的标准方法对汽包进行了寿命评估，如文献“600MW亚临界控制循环锅炉承压部件应力分析及寿命评估，华北电力大学，2015”，也有文献报道过基于EN12952-3/4标准中的疲劳、蠕变寿命计算方法，借助ANSYS有限元软件，对锅筒进行疲劳-蠕变损伤分析和寿命预测，如文献“基于EN12952的余热锅炉锅筒疲劳-蠕变寿命分析，科学与信息化，2020,(4)”。无论是进行应力分析，还是进行寿命损耗计算，都需要具备以下多个条件：需要评估人员具有丰富的数学分析基础知识、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、全面的离线检验相关数据；需要构建应力场、温度场模型；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。这些复杂的条件决定了应力分析、寿命损耗计算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、完整又全面的离线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，需要寻找一种具有普适性的方法，无需评估人员具有丰富的数学分析基础知识、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，仅通过获得已有的离线检验数据，便可对亚临界锅炉锅筒本体进行状态评估，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离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，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：

一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，包括以下步骤；

1)明确评估对象及基本信息；

2)明确评估对象所处的全寿命周期的具体阶段；

3)计算校正因子C_f；

4)计算状态因子C_S；

5)明确详细评估点；

6)制定离线检验方案并实施；

7)获取离线检验结果；

8)评估点状态评估；

9)评估对象状态评估；

10)评估结果归档及反馈。

所述步骤1)的评估对象为亚临界锅炉锅筒本体，基本信息包括设计图纸，设计直径、设计壁厚、设计材质、详细检修记录档案；

所述步骤2)具体操作步骤为：

明确亚临界锅炉锅筒本体处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的哪个阶段；

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	(0,0.1L<sub>c</sub>]
中期阶段	(0.1L<sub>c</sub>,0.8L<sub>c</sub>]
		末期阶段	(0.8L<sub>c</sub>,L<sub>c</sub>]

其中，L_c为设计寿命，一般定义为机组的设计寿命30年。

所述步骤3)中计算校正因子的具体操作步骤为：

基于从步骤1)收集的详细检修记录档案，查找评估对象最近一次评估结果的反馈，根据式(1)确定校正因子C_f；

式中，参数δ和f的取值，从下表中查找；

所述步骤4)中计算状态因子的具体操作步骤为：

基于步骤2)明确的评估对象所处阶段，根据式(2)确定其相应的状态因子C_S；

C_S＝1+α·s (2)

式中，参数α的取值，从下表中查找。

全寿命周期各阶段	参数α的取值
		前期阶段	1
中期阶段	0
		末期阶段	5

其中根据步骤1)收集的设计和制造资料，依照下表查找s的取值。

所述步骤5)具体操作步骤为：

明确评估对象的所有评估点，将其分为：焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点，分别以下角标wb、bd、dh区分。

所述步骤6)具体操作步骤为：

综合考虑检修计划、时间及成本，针对步骤5)确定的所有评估点，从宏观检验、表面探伤、无损探伤、金相检查、壁厚测量、硬度检查中选择合适的项目制定离线检验方案并实施。

所述步骤7)具体的操作步骤为：

根据步骤6)确定的离线检验项目，获取评估点的各项离线检验结果，按照离线检验结果将状态参数分为两大类，并确认各评估点各项离线检验项目对应的状态参数CP及权重Q。

所述步骤8)具体操作步骤为：

依据步骤7)获取的离线检验结果，对单个评估点进行状态评估，定义单个评估点的状态为C_j，评估模型如式(3)所示；

评估点的状态C_j的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，当C_j的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差。

所述式(3)中两类状态参数的权重Q_Ri和Q_Ni的取值，给出式(4)的规则；

所述步骤9)中具体操作步骤为：

对步骤8)得到的所有评估点，按照焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点的分类(下角标分别是wb、bd、dh)进行统计，统计焊缝评估点数量l、筒体评估点数量m、封头评估点数量n，然后对评估对象进行整体评估，最终状态值的评估模型如式(11)所示；

评估对象的状态C值从0向1变化时，评估对象的状态逐渐变差；当C值大于0.7时，评估对象状态一般，但是有部分评估点状态较差，要引起技术人员关注；当C值大于0.85时，评估对象状态较差，有多数评估点状态不佳；特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估对象的状态C值逐渐变大时，也印证了评估对象状态较差，企业应做好评估对象整体更换的准备。

所述步骤10)具体操作步骤为：

将步骤9)得到的评估对象的状态评估结果完整记录归档，为下一次评估进行反馈用于计算步骤3)中的校正因子。

所述的评估对象为亚临界锅炉锅筒本体，所述的评估点从亚临界锅炉锅筒的焊缝、筒体、封头选点。

所述的步骤8)中第一类状态参数：宏观状态参数CP_R1-j，由宏观检验的结果E_R1-j：{未发现缺陷，发现少量可疑缺陷，发明显缺陷}定义，如式(5)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：表面状态参数CP_R2-j，由表面探伤检查的结果E_R2-j：{未发现缺陷,发现表面缺陷但打磨后消除,发现表面缺陷但打磨后仍然存在}定义，如式(6)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：无损状态参数CP_R3-j，由无损探伤的结果E_R3-j：{I级,II级,III级,IV级}定义，如式(7)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：组织状态参数CP_R4-j，由金相检查的结果E_R4-j：{1级,2级,3级,4级,5级}定义，如式(8)所示：

CP_R4-j＝E_R4-j/5 (8)

所述的步骤8)中第二类状态参数：壁厚状态参数CP_N1-j，由壁厚检查的结果E_N1-j定义，如式(9)所示：

式(9)中，d₀为设计壁厚，单位为mm。

所述的步骤8)中第二类状态参数：硬度状态参数CP_N2-j，由硬度检查的结果E_N2-j定义，如式(10)所示：

式(10)中，HB_min和HB_max为推荐硬度最小值和最大值。

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，仅通过获得已有的离线检验数据，便可对亚临界锅炉锅筒本体进行状态评估，从而直接帮助火电厂技术人员制定检修策略。

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，基于针对亚临界锅炉锅筒本体的宏观检验、表面探伤、无损探伤、金相检查、壁厚测量、硬度检查这些常规的离线检验数据，通过校正因子和状态因子的修正，对亚临界锅炉锅筒本体进行状态评估，从而直接帮助火电厂技术人员制定下次检修策略，如果连续多次评估，亚临界锅炉锅筒本体的状态值逐渐变大、状态越来越差，企业应做好评估对象整体更换的准备。

以某600MW亚临界锅炉锅筒本体于2019年11月B+修的结果为例，按照此发明方法实施状态评估，其评估过程及最终结果如下所示。

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)明确评估对象及基本信息

首先明确评估对象是亚临界锅炉锅筒本体，无论是焊缝、筒体和封头，都可以用此方法评估。

此外，还需要收集并明确评估对象的设计图纸，设计直径、设计壁厚、设计材质、详细检修记录档案等信息。

2)明确评估对象所处全寿命周期的具体阶段

评估对象的状态与其所处的全寿命周期的具体阶段有一定关系，在全寿命周期的前期阶段，由设计制造缺陷以及安装遗留隐患导致设备状态并不优良。随着机组的稳定运行，运行人员对设备的逐渐熟悉，进入全寿命周期的中期阶段后，评估对象达到了最佳状态，并能持续很长一段时间。当进入全寿命周期的末期阶段，长期在高温高压、深度调峰条件下服役，评估对象材质逐步加速老化，状态逐渐劣化。

明确评估对象处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的哪个阶段。

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	(0,0.1L<sub>c</sub>]
中期阶段	(0.1L<sub>c</sub>,0.8L<sub>c</sub>]
		末期阶段	(0.8L<sub>c</sub>,L<sub>c</sub>]

其中，L_c为设计寿命，一般定义为机组的设计寿命30年。

3)计算校正因子C_f

基于从步骤1)收集的详细检修记录档案，查找评估对象最近一次评估结果的反馈，根据式(1)确定校正因子；

式中，参数δ和f的取值，从下表中查找。

4)计算状态因子C_S

基于步骤2)明确的评估对象所处阶段，根据式(2)确定其相应的状态因子C_S；

C_S＝1+α·s (2)

式中，参数α的取值，从下表中查找。

全寿命周期各阶段	参数α的取值
		前期阶段	1
中期阶段	0
		末期阶段	5

其中根据步骤1)收集的设计和制造资料，依照下表查找s的取值。

如果设计、制造资料中所有指标正常，未发现重大问题，则c取值0.01，否则，根据在设计、制造阶段发现的问题但评估人员也可根据部件实际情况进行调整。

5)明确详细评估点

为了详细了解评估对象的实际状态，一般建议对评估对象选取多个位置(焊缝、筒体、封头)进行检验，由于检验点最终会参与状态评估，因此又称为评估点，并将评估点分为：焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点，分别以下角标wb、bd、dh区分。

6)制定离线检验方案并实施

综合考虑检修计划、时间及成本，针对步骤5)确定的所有评估点，从宏观检验、表面探伤、无损探伤、金相检查、壁厚测量、硬度检查中选择合适的项目制定离线检验方案并实施。

7)获取离线检验结果

根据步骤6)确定的离线检验项目，获取评估点的各项离线检验结果，按照离线检验结果将状态参数分为两大类，并确认各评估点各项离线检验项目对应的状态参数CP及权重Q。

8)评估点状态评估

依据7)获取的离线检验结果，对单个评估点进行状态评估，定义单个评估点的状态为C_j，评估模型如式(3)所示。

评估点的状态C_j的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，当C_j的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差。

综合考虑各种离线检验项目的重要性以及其实施频率、结果准确性等因素，对于所述式(3)中两类状态参数的权重Q_Ri和Q_Ni的取值，给出式(4)的规则；

下面给出单个评估点三类状态参数的评估方法。

8.1)第一类状态参数评估

8.1.1)宏观检验对应的宏观状态参数评估

宏观检验的结果E_R1-j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CP_R1-j的定义如式(5)所示。

8.1.2)表面探伤对应的表面状态参数评估

表面探伤检查的结果E_R2-j一般为{未发现缺陷,发现表面缺陷但打磨后消除,发现表面缺陷但打磨后仍然存在}，其对应的表面状态参数CP_R2-j的定义如式(6)所示。

8.1.3)无损探伤对应的无损状态参数评估

无损探伤可根据实际情况实施超声波、磁粉、渗透或射线检测，无损探伤的结果E_R3-j一般定义为{I级,II级,III级,IV级}，如果实施了多个无损探伤项目，选择评级最高的为无损探伤结果，其对应的无损状态参数CP_R3-j的定义如式(7)所示。

8.1.4)金相检查对应的无损状态参数评估

金相检查的结果E_R4-j一般定义为{1级,2级,3级,4级,5级}，其对应的组织状态参数CP_R4-j的定义如式(8)所示。

CP_R4-j＝E_R4-j/5 (8)

8.2)第二类状态参数评估

8.2.1)壁厚检查对应的壁厚状态参数评估

评估对象在高温运行过程中受到蒸汽的冲蚀及腐蚀会产生高温氧化，这个过程会消耗评估对象的基体金属，使得评估对象壁厚减薄、承担更大的应力，具有更劣的状态。壁厚检查的结果E_N1-j对应的壁厚状态参数CP_N1-j的定义如式(9)所示。

式(9)中，d₀为设计壁厚，单位为mm。

8.2.2)硬度检查对应的硬度状态参数评估

评估对象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对象的状态变差，可能导致失效的发生。硬度检查的结果E_N2-j对应的硬度状态参数CP_N2-j的定义如式(10)所示。

式(10)中，HB_min和HB_max为推荐硬度最小值和最大值。

9)评估对象状态评估

对步骤8)得到的所有评估点，按照焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点的分类(下角标分别是wb、bd、dh)进行统计，统计焊缝评估点数量l、筒体评估点数量m、封头评估点数量n，然后对评估对象进行整体评估，最终状态值的评估模型如式(11)所示；

评估对象的状态C值从0向1变化时，评估对象的状态逐渐变差；当C值大于0.7时，评估对象状态一般，但是有部分评估点状态较差，要引起技术人员关注；当C值大于0.85时，评估对象状态较差，有多数评估点状态不佳；特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估对象的状态C值逐渐变大时，也印证了评估对象状态较差，企业应做好评估对象整体更换的准备。

10)评估结果反馈

将步骤9)得到的评估对象的状态评估结果完整记录归档，为下一次评估进行反馈用于计算步骤3)中的校正因子。

采用以上技术方案评估得到亚临界锅炉锅筒本体的状态，不但能够帮助火电厂技术人员了解亚临界锅炉锅筒本体的实际状态，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，也可综合所有评估点的状态结果对亚临界锅炉锅筒本体的整体的状态进行评估，对制定检修计划及更换策略具有重要意义。

Claims (10)

1.一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤；

1)明确评估对象及基本信息；

2)明确评估对象所处全寿命周期的具体阶段；

3)计算校正因子C_f；

4)计算状态因子C_S；

5)明确详细评估点；

6)制定离线检验方案并实施；

7)获取离线检验结果；

8)评估点状态评估；

9)评估对象状态评估；

10)评估结果归档及反馈。

2.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤1)的评估对象为亚临界锅炉锅筒本体；基本信息包括设计图纸，设计直径、设计壁厚、设计材质以及详细检修记录档案等信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤2)具体操作步骤为：

明确亚临界锅炉锅筒本体的处于全寿命周期的前期阶段、中期阶段、末期阶段中的哪个阶段；

其中，L_c为设计寿命，一般定义为机组的设计寿命30年。

4.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤3)具体操作步骤为：

基于从步骤1)收集的详细检修记录档案，查找评估对象最近一次评估结果的反馈，根据式(1)确定校正因子；

式中，参数δ和f的取值，从下表中查找。

5.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤4)中具体操作步骤为：

基于步骤2)明确的评估对象所处阶段，根据式(2)确定其相应的状态因子C_S；

C_S＝1+α·s (2)

式中，参数α的取值，从下表中查找。

全寿命周期各阶段 参数α的取值 前期阶段 1 中期阶段 0 末期阶段 5

其中根据步骤1)收集的设计和制造资料，依照下表查找s的取值。

6.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤5)具体操作步骤为：

明确评估对象的所有评估点，将其分为：焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点，分别以下角标wb、bd、dh区分。

7.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤6)具体操作步骤为：

综合考虑检修计划、时间及成本，针对步骤5)确定的所有评估点，从宏观检验、表面探伤、无损探伤、金相检查、壁厚测量、硬度检查中选择合适的项目制定离线检验方案并实施。

8.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤7)具体的操作步骤为：

根据步骤6)确定的离线检验项目，获取评估点的各项离线检验结果，按照离线检验结果将状态参数分为两大类，并确认各评估点各项离线检验项目对应的状态参数CP及权重Q。

9.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤8)具体操作步骤为：

依据步骤7)获取的离线检验结果，对单个评估点进行状态评估，定义单个评估点的状态为C_j，评估模型如式(3)所示；

评估点的状态C_j的数值结果正常落在[0,1]区间范围内，当C_j的数值从0向1变化时，评估点的状态越来越差；

所述式(3)中两类状态参数的权重Q_Ri和Q_Ni的取值，给出式(4)的规则；

所述的步骤8)中第一类状态参数：宏观状态参数CP_R1-j，由宏观检验的结果E_R1-j：{未发现缺陷，发现少量可疑缺陷，发明显缺陷}定义，如式(5)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：表面状态参数CP_R2-j，由表面探伤检查的结果E_R2-j：{未发现缺陷,发现表面缺陷但打磨后消除,发现表面缺陷但打磨后仍然存在}定义，如式(6)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：无损状态参数CP_R3-j，由无损探伤的结果E_R3-j：{I级,II级,III级,IV级}定义，如式(7)所示：

所述的步骤8)中第一类状态参数：组织状态参数CP_R4-j，由金相检查的结果E_R4-j：{1级,2级,3级,4级,5级}定义，如式(8)所示：

CP_R4-j＝Grade/5 (8)

式(8)中，Grade为金相评级对应的数字。

所述的步骤8)中第二类状态参数：壁厚状态参数CP_N1-j，由壁厚检查的结果E_N1-j定义，如式(9)所示：

式(8)中，d₀为设计壁厚，单位为mm；

所述的步骤8)中第二类状态参数：硬度状态参数CP_N2-j，由硬度检查的结果E_N2-j定义，如式(10)所示：

式(10)中，HB_min和HB_max为推荐硬度最小值和最大值。

10.根据权利要求1所述的一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒本体的状态评估方法，其特征在于，所述步骤9)中具体操作步骤为：

对步骤8)得到的所有评估点，按照焊缝评估点、筒体评估点、封头评估点的分类(下角标分别是wb、bd、dh)进行统计，统计焊缝评估点数量l、筒体评估点数量m、封头评估点数量n，然后对评估对象进行整体评估，最终状态值的评估模型如式(11)所示；

评估对象的状态C值从0向1变化时，评估对象的状态逐渐变差；当C值大于0.7时，评估对象状态一般，但是有部分评估点状态较差，要引起技术人员关注；当C值大于0.85时，评估对象状态较差，有多数评估点状态不佳；特别是处于全寿命周期的末期阶段时，如果连续多次评估，评估对象的状态C值逐渐变大时，也印证了评估对象状态较差，企业应做好评估对象整体更换的准备；

所述步骤10)中具体操作步骤为：

将步骤9)得到的评估对象的状态评估结果完整记录并归档，为下一次评估进行反馈用于计算步骤3)的校正因子。

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