TWI592644B - High temperature piping extension of life and high temperature piping extension of the structure - Google Patents

Description

高溫配管之延壽方法以及高溫配管之延壽化構造

本發明是關於例如火力、核能發電廠或化學廠等所使用的高溫配管、壓力容器等的高溫配管之延壽方法以及高溫配管之延壽化構造。

構成火力發電廠之例如鍋爐等，因為是在高溫高壓環境下運轉，於其構成材料之耐熱鋼，會隨著長期運轉而累積潛變等造成的損傷。於是，在這種廠運轉時，進行前述耐熱鋼之高精度的壽命評價以維持耐壓部的可靠性，在確保長期穩定的運轉上是重要的。

火力發電廠等所使用的高溫配管，具有將藉由鍋爐加熱後的蒸氣輸送到蒸氣渦輪的功能，隨著高溫且長時間的使用其潛變損傷會發展而產生潛變孔洞，這些孔洞相連會產生龜裂，最終導致斷裂。

為了防止最終的斷裂，藉由定期的非破壞性檢查來分析潛變孔洞的成長程度而導出每個構件的潛變損傷度，以進行構件的剩餘壽命評價(專利文獻1、2)。一般而言，相較於母材部，因為配管熔接部之潛變斷裂風險高，檢查部 位主要是熔接部。

先前技術文獻 專利文獻

[專利文獻1]日本特開2004-85347號公報

[專利文獻2]日本特開2008-122345號公報

該非破壞性檢查的結果，當存在高潛變損傷度的構件，而在迄下一次定期檢查為止的期間有高潛變斷裂風險的情況，藉由變更構件、或將廠整體的運轉溫度降低，以降低配管整體的金屬溫度而使潛變斷裂風險減少。

然而，將廠整體運轉溫度降低時，有廠運轉效率變差的問題。

因此，期望能有一種技術，不降低廠整體運轉溫度，不會造成廠運轉效率降低，而能使高溫構件的剩餘壽命延長。

本發明是有鑑於前述問題而開發完成的，其課題在於提供一種高溫配管之延壽方法以及高溫配管之延壽化構造，不降低廠整體運轉溫度，不會造成廠運轉效率降低，而能使高溫構件的剩餘壽命延長。

為了解決上述課題之本發明的第1發明，是一種高溫配管之延壽方法，其特徵在於，依據高溫配管的熔接部的潛變斷裂之剩餘壽命評價而判斷無法正常的繼續使用時，將被覆前述高溫配管的高潛變斷裂風險部位之保溫材的一部分除去，使前述高溫配管的外表面溫度局部地降低，以謀求高潛變斷裂風險部位的壽命延長，將前述保溫材的一部分除去之露出部的寬度是下述距離的2倍以上，該距離，是藉由從該露出部的剝離端部將前述保溫材除去而在前述高溫配管產生之拉伸應力和壓縮應力的應力改變從拉伸應力改變成壓縮應力後，壓縮應力逐漸趨近0的距離，從前述拉伸應力改變成壓縮應力後壓縮應力逐漸趨近0的距離x滿足下述式(1)，β x=5．．．(1)

β以下式(2)表示，

在此，ν為帕松比(Poisson ratio)，a為配管的平均半徑，h為配管的板厚。

第2發明，是在第1發明中，將前述保溫材被除去的構件之表面予以冷卻。

第3發明，是在第2發明中，前述冷卻是使 用空氣進行冷卻或使用冷卻水進行冷卻。

第4發明，是在第1發明中，在前述保溫材被除去的構件之表面設置散熱構件。

第5發明，是在第1發明中，測定前述保溫材被除去的構件之表面的溫度，判斷冷卻能力是否適當。

第6發明，是在第5發明中，當前述冷卻能力不適當的情況，改變成使冷卻能力成為適當。

第7發明是一種高溫配管之延壽化構造，其特徵在於，依據高溫配管的熔接部的潛變斷裂之剩餘壽命評價而判斷無法正常的繼續使用時，將被覆前述高溫配管的高潛變斷裂風險部位之保溫材的一部分除去，使前述高溫配管的外表面溫度局部地降低，將前述保溫材的一部分除去之露出部的寬度是下述距離的2倍以上，該距離，是藉由從該露出部的剝離端部將前述保溫材除去而在前述高溫配管產生之拉伸應力和壓縮應力的應力改變從拉伸應力改變成壓縮應力後，壓縮應力逐漸趨近0的距離，從前述拉伸應力改變成壓縮應力後壓縮應力逐漸趨近0的距離x滿足下述式(1)，β x=5．．．(1)

β以下式(2)表示，

在此，v為帕松比(Poisson ratio)，a為配管的平均半徑，h為配管的板厚。

第8發明，是在第7發明中，具備有：將前述保溫材被除去的構件之表面冷卻之冷卻手段。

第9發明，是在第8發明中，前述冷卻手段是使用空氣之空冷手段或使用冷卻水之水冷手段。

第10發明，是在第7發明中，在前述保溫材被除去的構件的表面設置有散熱構件。

依據本發明，藉由降低配管的金屬溫度，使配管的潛變斷裂壽命延長，而能謀求配管剩餘壽命的延壽化。

11‧‧‧高溫配管(配管)

12‧‧‧熔接部

13‧‧‧保溫材

14‧‧‧露出部

15‧‧‧鍋爐蒸氣

圖1係實施例1的高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖2係顯示將配管的保溫材剝離後的部分。

圖3係顯示，從保溫材的剝離部位起算之距離、和施加於配管內部之拉伸應力以及壓縮應力的關係。

圖4係實施例2的高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖5係圖4的立體圖。

圖6係實施例2的其他高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖7係實施例3的高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖8係顯示供給冷卻用空氣之空氣供給手段的一例之立體圖。

圖9係實施例4的高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖10係實施例4的其他高溫配管之延壽化構造的概略圖。

圖11係高溫配管之露出部的保護構造之概略圖。

圖12係高溫配管的金屬溫度控制方法之步驟圖。

以下，參照所附圖式，詳細地說明本發明的較佳實施例。又，該實施例並非用來限定本發明，此外，當實施例有複數個的情況，也包含將各實施例組合的構造。

[實施例1]

圖1係實施例1的高溫配管之延壽化構造的概略圖。

如圖1所示般，本實施例的高溫配管之延壽化構造，是依據高溫構件、即高溫配管(以下稱「配管」)11的熔接部12之潛變斷裂的剩餘壽命評價，確認高潛變斷裂風險部位(潛變損傷度高的熔接部)而判斷無法正常的繼續使用時，將被覆配管11之前述高潛變斷裂風險部位的保溫材13之一部分沿旋轉方向除去而成為露出部14，藉 此使配管11的外表面溫度局部地降低，以謀求潛變斷裂部位壽命的延長。

圖1中，符號15表示鍋爐蒸氣，例如600℃的高溫蒸氣在配管11內流動。

在依據非破壞性檢查而判斷潛變斷裂風險高之配管11的熔接部12，如圖1所示將常設的保溫材13除去而形成露出部14，從該露出部14將熱釋放，藉此使配管11的金屬溫度降低。

在此情況，藉由將保溫材13除去而形成露出部14，與外部氣體(例如100℃)產生自然對流傳熱，熱傳導率為2~12W/m²K左右。

如此般，藉由將配管11的金屬溫度降低，使配管11的潛變斷裂壽命延長，能謀求配管剩餘壽命的延壽化。

結果，因為僅使配管局部地溫度降低就能謀求延壽化，可防止習知的弊害，亦即將廠整體的運轉溫度降低，而使配管整體的金屬溫度降低，藉此減少潛變斷裂風險而造成廠運轉效率變差。

如此般，依據本實施例，當確認高溫配管之高潛變損傷風險部位的情況，以既定距離的寬度(L)將被覆配管11的保溫材13除去而形成露出部14，藉此降低金屬溫度，使潛變損傷風險減少，不致降低廠整體的運轉效率而能謀求延壽化。在此，金屬溫度的降低，不僅是潛變斷裂壽命，對於龜裂進展壽命的延壽化也是有效的。

在此，保溫材13的除去寬度L，當配管11外徑為例如460mm的情況，如後述般較佳為約900mm以上的範圍，依保溫材13的除去寬度，藉由局部面外方向變形會產生壓縮應力，應力減低所造成的延壽化也是可期待的。

接下來說明將保溫材13的一部分除去的寬度L。

在圖2，是從配管11將左側的保溫材13除去，針對從保溫材13被除去的端部x₀起算之將保溫材13除去的距離(L/2)作說明。

藉由將保溫材13除去，會對配管11施加拉伸應力和壓縮應力，將從保溫材13剝除的場所x₀起算之距離設為x(x₁、x₂、x₃)，應力改變逐漸趨近0的距離以下式表示。

β x=5．．．(1)

在此，β是以下式(2)表示，只要求取x值即可。

在此，v為帕松比(材料特性)，一般而言，配管11的金屬材料大致為0.3。此外，a為平均半徑，h為板厚。

例如，當配管11外徑460mm、板厚70mm的情況，a=195mm、h=70mm，當β x=2.4時的x值為218mm，當β x=5時的x值為454mm。此外，因為 β 1/√(ah)，x值和√(ah)為相關值，若a、h改變，則x值會改變。

因此，例如當外徑460mm、板厚70mm的情況，x=218~454mm。

使用圖2及圖3來說明，將配管11的保溫材13剝離而形成露出部14的距離(L)。

圖2係顯示將配管的保溫材剝離後的部分。又，保溫材的剝離是以熔接部為中央來進行剝離，圖2是針對左側的剝離部分作說明。

圖3係顯示，從保溫材的剝離部位x₀起算的距離(mm)、和施加於配管內部之拉伸應力以及壓縮應力的關係。

在圖2的配管，是針對配管外徑460mm、配管板厚70mm的情況作說明。

如圖3所示般，若將配管之保溫材的剝離部0mm設為x₀，如上述般，在既定距離x₁(=218mm)拉伸應力成為0。在從該既定距離x₁起算之既定距離x₂(=273mm)，壓縮應力成為最大。在從該既定距離x₂起算之既定距離x₃(=454mm)，壓縮應力成為0而收斂。

若將配管11的左側剝離部分和右側剝離部分加在一起，會變成2倍，剝離的距離L成為454mm×2=908mm。

因此，應剝離的距離L較佳為約900mm以上。

此外，要利用壓縮應力而謀求進一步壽命延 長的情況，將保溫材13除去的範圍可根據下式(3)來決定。

2.4≦β x<5．．．(3)

例如，當外徑460mm、板厚70mm的情況，至少在未施加拉伸應力的距離x₁(=218mm)必須剝離，在收斂的x₃(454mm)以上則不須將保溫材剝離。

[實施例2]

圖4係實施例2的高溫配管之延壽化構造之概略圖。圖5為圖4的立體圖。又對於與實施例1的構造重複的構件賦予同一符號而省略其說明。如圖4以及圖5所示般，實施例2的高溫配管之延壽化構造，對於實施例1中將保溫材13除去後的露出部14，以密合於其周圍的方式設置散熱構件、即多層散熱片17。

如圖5所示般，將具有複數個散熱片18之上部散熱片17A和具有複數個散熱片18之下部散熱片17B，以凸緣19彼此對齊的方式藉由緊固構件20進行緊固。

散熱片18的厚度(d₁₁)為例如70mm，高度(h₁₁)為300mm左右，而形成多層散熱片構造。

在本實施例，在藉由非破壞性檢查而判斷為高潛變斷裂風險之高溫配管的熔接部，如圖4及圖5所示將常設的保溫材13除去而形成露出部14，以與該露出部14密合的方式設置上部散熱片17A、下部散熱片17B。藉 由採用這種多層散熱片構造，使釋放熱的面積增大，而能使配管之金屬溫度降低到比實施例1更低。

依據本實施例，藉由設置於將保溫材13除去後的露出部14之多層散熱片17，使釋放熱的面積增加，與面積增加率成比例地使熱流束增加，相較於實施例1，能使金屬溫度更快冷卻。

結果，藉此將金屬溫度降低，使配管11的潛變斷裂壽命延長，能謀求配管剩餘壽命的延壽化。

圖6係實施例2的其他高溫配管之延壽化構造的概略圖。

如圖6所示般，在長度方向的熔接部12所構成的長度接頭配管11A設置多層散熱片17。如此般，藉由多層散熱片17的設置使熱流束增加，利用其與外部氣體的自然對流熱傳導來將配管冷卻，利用多層散熱片17和配管11之熱伸長率差，對配管11施加壓縮應力，而謀求應力減低效果。

[實施例3]

圖7係實施例3的高溫配管之延壽化構造的概略圖。又對於與實施例1的構造重複的構件賦予同一符號而省略其說明。如圖7所示般，實施例3的高溫配管之延壽化構造，對於實施例1中之將保溫材13除去後之露出部14的表面，將該表面藉由冷卻用媒體(例如空氣)21進行冷卻。在此，作為冷卻用媒體21，除了空氣以 外，也能使用各種用途排氣、惰性氣體等。

圖8係顯示供給冷卻用空氣之空氣供給手段的一例之立體圖。

如圖8所示般，沿著配管11之露出部14的外周設置環狀的空氣供給手段22，從環狀的空氣供給手段22之空氣噴出孔(未圖示)將空氣23遍及全周進行送風，而實施強制冷卻。

冷卻用媒體21所進行的強制冷卻之空氣的風速較佳為例如10m/s左右。

在藉由非破壞性檢查而判斷為高潛變斷裂風險之高溫配管的熔接部，如圖7及圖8所示般，將常設的保溫材13除去，藉由冷卻用媒體(空氣)21所進行的強制冷卻使其散熱，而將配管11的金屬溫度降低。

在此情況，對於將保溫材13除去後的露出部14，利用冷卻用媒體(空氣)21進行強制冷卻，使其與外部氣體產生強制對流傳熱，熱傳導率為20~100W/m²K左右。

在實施例3，不同於實施例1及2，藉由將金屬溫度利用冷卻用媒體21強制地降低，使配管11的潛變斷裂壽命延長，能謀求配管剩餘壽命的延壽化。

[實施例4]

圖9係實施例4的高溫配管之延壽化構造的概略圖。又對於與實施例1的構造重複的構件賦予同一符號而省略其說明。如圖9所示般，實施例4的高溫配管之 延壽化構造，是在實施例1中之將保溫材13除去後之露出部14的周圍，設置作為冷卻手段之水套31。藉由設置該水套31，利用其與水之自然熱傳導而將配管冷卻，與內部流體進行熱交換而謀求金屬溫度的降低。

在藉由非破壞性檢查而判斷為高潛變斷裂風險之配管的熔接部，如圖9所示將常設的保溫材13除去，利用水套31等強制地將熱釋放，使配管的金屬溫度降低。

在此情況，藉由在將保溫材13除去後的露出部14配置水套31，使其與冷卻水產生自然對流傳熱，熱傳導率為500~600W/m²K左右。結果，使金屬溫度降低，使配管11的潛變斷裂壽命延長，能謀求配管剩餘壽命的延壽化。

圖10係實施例4的其他高溫配管之延壽化構造的概略圖。

在圖10，是在將保溫材13除去後之露出部14的表面配置冷卻配管32，在其部使冷卻水33通過，利用冷卻水33進行散熱，而謀求配管11的金屬溫度降低。

該強制冷卻用的冷卻水33的速度，較佳為例如1m/s左右。此外，所捲繞之冷卻配管32的直徑為例如20mm左右。

圖11係高溫配管的露出部的保護構造之概略圖。

此外，如圖11所示般，為了防止將配管11的保溫材 13除去後之露出部14成為淋雨狀態，較佳為遍及比露出部14的範圍L更長的範圍設置遮雨板等的保護構件29，而避免對配管11構成熱阻障。此外，除了熱阻障對策以外，藉由設置保護構件29，能防止太陽所造成的熱影響，而能進行適當的冷卻。

[實施例5]

圖12係高溫配管的金屬溫度控制方法之步驟圖。

在本實施例，在使用冷卻用媒體21或冷卻水等的冷卻手段進行冷卻時，藉由溫度測定手段來測定將保溫材13除去後的配管表面的溫度，並判斷冷卻能力是否適當。

在藉由非破壞性檢查判斷為高潛變斷裂風險之高溫配管的熔接部，將常設的保溫材13除去後，在露出部14的局部安裝作為溫度測定手段之熱電偶，測定配管11的金屬溫度而進行剩餘壽命評價。該熱電偶較佳為設置成離熱影響部10~20mm，且設置於複數部位。

在此情況，藉由測定溫度，可判斷是否達成所要求的剩餘壽命，又藉由與實施例3之利用送風進行強制冷卻或實施例4的水套進行組合，而將冷卻能力控制成可滿足所要求的剩餘壽命，即可延長配管壽命。

例如離下次定期檢查的時間還有1萬小時的情況，例如圖10所示般捲繞冷卻配管32而藉由冷卻水 33進行強制冷卻的情況，當判斷必須將溫度降低50℃左右時，在實際之利用冷卻水33所進行的冷卻經由溫度測定只能降溫30℃時，例如藉由利用空氣冷卻之強制冷卻、或控制冷卻媒體的冷卻能力(將冷卻水利用冷媒進一步降溫等的控制)，來實施冷卻而使溫度進一步降低還不夠的20℃，即可延長配管壽命到所要求的剩餘壽命。

接下來，使用圖12來說明高溫配管的金屬溫度控制方法之步驟。

第1步驟，在藉由非破壞性檢查判斷為高潛變斷裂風險之配管的熔接部，將配管11的保溫材13除去，並賦予實施例3或實施例4的冷卻功能(S-1)。

第2步驟，測定運轉時配管11之露出部14的金屬溫度(S-2)。

作為第2步驟(S-2)之溫度測定結果的判斷，藉由溫度測定來判斷配管壽命是否滿足所要求的剩餘壽命(S-3)。

在第3步驟(S-3)中，當滿足剩餘壽命(Yes)的情況，不改變冷卻能力就那樣運轉(S-4)。

相對於此，在第3步驟(S-3)中，不滿足剩餘壽命(No)的情況，進行操作，將冷卻能力提昇而降溫至可滿足要求壽命的金屬溫度(S-5)。

結果，到剩餘壽命為止，都能實施正常的運轉。

此外，藉由進行溫度測定，可判斷現在的冷卻是否正常。

11‧‧‧高溫配管(配管)

12‧‧‧熔接部

13‧‧‧保溫材

14‧‧‧露出部

15‧‧‧鍋爐蒸氣

Claims (10)

1. 一種高溫配管之延壽方法，其特徵在於，依據高溫配管的熔接部的潛變斷裂之剩餘壽命評價而判斷無法正常的繼續使用時，將被覆前述高溫配管的高潛變斷裂風險部位之保溫材的一部分除去，使前述高溫配管的外表面溫度局部地降低，以謀求高潛變斷裂風險部位的壽命延長，將前述保溫材的一部分除去之露出部的寬度是下述距離的2倍以上，該距離，是藉由從該露出部的剝離端部將前述保溫材除去而在前述高溫配管產生之拉伸應力和壓縮應力的應力改變從拉伸應力改變成壓縮應力後，壓縮應力逐漸趨近0的距離，從前述拉伸應力改變成壓縮應力後壓縮應力逐漸趨近0的距離x滿足下述式(1)，β x=5．．．(1)β以下式(2)表示， 在此，ν為帕松比(Poisson ratio)，a為配管的平均半徑，h為配管的板厚。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高溫配管之延壽方法，其中，將前述保溫材被除去的構件之表面予以冷卻。
3. 如申請專利範圍第2項所述之高溫配管之延壽方 法，其中，前述冷卻是使用空氣進行冷卻或使用冷卻水進行冷卻。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高溫配管之延壽方法，其中，在前述保溫材被除去的構件之表面設置散熱構件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高溫配管之延壽方法，其中，測定前述保溫材被除去的構件之表面的溫度，判斷冷卻能力是否適當。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高溫配管之延壽方法，其中，當前述冷卻能力不適當的情況，改變成使冷卻能力成為適當。
7. 一種高溫配管之延壽化構造，其特徵在於，依據高溫配管的熔接部的潛變斷裂之剩餘壽命評價而判斷無法正常的繼續使用時，將被覆前述高溫配管的高潛變斷裂風險部位之保溫材的一部分除去，使前述高溫配管的外表面溫度局部地降低，將前述保溫材的一部分除去之露出部的寬度是下述距離的2倍以上，該距離，是藉由從該露出部的剝離端部將前述保溫材除去而在前述高溫配管產生之拉伸應力和壓縮應力的應力改變從拉伸應力改變成壓縮應力後，壓縮應力逐漸趨近0的距離， 從前述拉伸應力改變成壓縮應力後壓縮應力逐漸趨近0的距離x滿足下述式(1)，β x=5．．．(1)β以下式(2)表示， 在此，ν為帕松比(Poisson ratio)，a為配管的平均半徑，h為配管的板厚。
8. 如申請專利範圍第7項所述之高溫配管之延壽化構造，其中，具備有：將前述保溫材被除去的構件之表面冷卻之冷卻手段。
9. 如申請專利範圍第8項所述之高溫配管之延壽化構造，其中，前述冷卻手段是使用空氣之空冷手段或使用冷卻水之水冷手段。
10. 如申請專利範圍第7項所述之高溫配管之延壽化構造，其中，在前述保溫材被除去的構件的表面設置有散熱構件。