TWI820563B - 材料壽命預測方法 - Google Patents

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Abstract

一種材料壽命預測方法，係將目標物進行X光繞射，以獲取該目標物之成分狀態曲線圖，再依據資料庫之內建資料比對該目標物之成分狀態曲線圖，以獲取該目標物之成分及其含量，之後將該目標物與對照物之相同成分進行含量比對，以獲取該目標物與該對照物之間的該相同成分之含量之變化，進而量化該目標物之材料壽命之消耗程度，其中，該對照物為新的爐管，且該目標物為已使用的爐管。

Description

材料壽命預測方法
本發明係有關一種材料壽命預測方法，尤指一種預測發電鍋爐爐管壽命之材料壽命預測方法。
目前電廠之發電鍋爐在運轉當下，爐膛溫度高達攝氏1100℃，惟一般量測器件無法承受如此高溫環境，故無法以普通方式得知目前發電鍋爐相關設施之使用狀況。
因此，目前量測電廠之管路及管道潛變損壞的預測方法係將量測器件安裝於爐膛外部之集管段。
惟，此種量測方式往往導致維護人員不易立即觀察發電機組的好壞狀況，因而無法預測爐管之材料壽命之消耗程度，導致無法進行有效及適當的處理。
因此，如何克服習知技術之種種缺點，實為目前各界亟欲解決之技術問題。
鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明係提供一種材料壽命預測方法，係包括：將目標物進行X光繞射，以獲取該目標物之成分狀態曲線圖；依據資料庫之內建資料比對該目標物之成分狀態曲線圖，以獲取該目標物之成分及其含量；將對照物進行X光繞射，以獲取該對照物之成分狀態曲線圖，俾依據資料庫之內建資料比對該對照物之成分狀態曲線圖，以獲取該對照物之成分及其含量，其中，該對照物之來源與該目標物之來源相同，且該對照物之使用時間係不同於該目標物之使用時間；以及將該目標物與對照物之至少一相同成分進行含量比對，以獲取該目標物與該對照物之間的該相同成分之含量之變化，進而量化該目標物之材料壽命之消耗程度。
前述之方法中，該內建資料係採用Rietveld細化法獲取。
前述之方法中，該內建資料係包含組成材料及其X光繞射所產生之基準曲線圖。例如，該組成材料係包含成分及其含量。
前述之方法中，該目標物為已使用之爐管，且該對照物為新的爐管(或未運轉之爐管)，其使用時間少於該目標物之使用時間。
前述之方法中，該目標物之成分係包含鐵、鉬、鉻及/或碳。
前述之方法中，該目標物之成分係包含肥粒鐵、雪明碳鐵或鉻碳化合物。
前述之方法中，該目標物之成分狀態曲線圖經擬合該資料庫之基準曲線圖後，可得到最相似之曲線走向，以藉由該資料庫中最相似之基準曲線圖所對應之材料組成得知該目標物之成分及其含量該對照物為新的爐管(或未運轉之爐管)，且其使用時間少於該目標物之使用時間。
由上可知，本發明之材料壽命預測方法中，主要藉由該內建資料分析X光繞射之成分狀態曲線圖，以鑑定該目標物之成分之含量而進一步比對出該含量之變化情況，因而可量化出該目標物的材料壽命之消耗程度，故相較於習知技術，本發明可量化電廠鍋爐爐管在運轉過程中的材料壽命之消耗程度，以預測該目標物之材料壽命，使維護人員輕易及有效地判斷出該目標物是否需進行更換。
A:成分狀態曲線圖
B:內建資料
P:基準曲線圖
S:材料組成
S10~S12:步驟
圖1係為本發明之材料壽命預測方法之步驟流程圖。
圖2係為圖1之步驟S10所獲取之成分狀態曲線圖。
圖3係為圖1之步驟S11之內建資料與成分狀態曲線圖之擬合示意圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及 「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
本發明之材料壽命預測方法係用於預測爐膛中爐管(如熱交換管)之材料壽命值，藉此判斷何時需更換爐管。
圖1係為本發明之材料壽命預測方法之步驟流程圖。於本實施例中，擷取欲量測壽命之爐管端部(如末段)，以作為目標物，即該目標物為爐管，其成分例如為SA-213T91材料規格(即含9%Cr及1%Mo之耐熱鋼)，係包含鐵、鉬、鉻及/或碳，例如，肥粒鐵(α-Fe)、雪明碳鐵(Cementite)、鉻碳化合物(Cr23C6)及碳化釩(VC)等。
所述之含9%Cr及1%Mo之耐熱鋼由於合金元素的固碳作用，可解決碳原子在晶粒間溶解能力低而造成石墨化的問題。然而，低合金鋼在高溫高壓條件下長期運轉，雪明碳鐵(Cementite)之碳化物固溶體的沉澱與析出會造成麻田散鐵的分解，持續產生相變化並往能量較低的間隙碳化物狀態發展。再者，當材料溫度越高時，麻田散鐵中的碳原子在肥粒鐵(α-Fe)晶粒內擴散能力越強，爐管末段過熱器材料運轉溫度在500℃以上，鉻(Cr)原子與鉬(Mo)原子已具備足夠的擴散能力，導致肥粒鐵(α-Fe)與碳原子析出更多的雪明碳鐵新相，原本麻田散鐵晶粒中的雪明碳鐵依序脫溶(dissolution)形成正交結構的(Fe、Cr、Mo)3C、三角結構的(Fe、Cr、Mo)7C3及面心立方結構的(Fe、Cr、Mo)23C6。
因此，蒸汽鍋爐爐管在高溫與高壓環境下運轉過程所造成的壽命消耗，係與肥粒鐵(α-Fe)轉換成正交結構(Fe、Cr、Mo)3C及面心立方 結構的(Fe、Cr、Mo)23C6具有直接關係，故藉由肥粒鐵(α-Fe)、雪明碳鐵(Cementite)或鉻碳化合物(Cr23C6)之含量，可量化電廠鍋爐爐管在運轉過程中的材料剩餘壽命。具體預測方法，如下所述。
首先，於步驟S10中，將該目標物進行X光繞射(X-Ray diffraction)，以獲取該目標物之成分狀態曲線圖A，如圖2所示。
於本實施例中，該目標物例如為使用95519小時後之運轉爐管所擷取之末段。
再者，該X光繞射(X-Ray diffraction)係使用BRUKER式X光射線繞射儀及Cu-Kα輻射(波長λ=0.154060微米)通過X光射線繞射確定該目標物(SA-213T91材料)中之組成相的存在。例如，該X光射線繞射儀在30°到80°的2θ範圍內掃描速度為0.44°/min，且步長(step)為0.04°。
於步驟S11中，由一預設資料庫之內建資料B擬合該目標物之成分狀態曲線圖A，以獲取該目標物之成分及其含量，如圖3所示。
於本實施例中，該內建資料B係採用Rietveld細化法獲取其數據內容，其中，該Rietveld細化法可參考「H.M.Rietveld,A Profile Refinement Method for Nuclear and Magnetic Structures.Journal of Applied Crystallography,vol.2,pp.65-71,1969.」之來源。具體地，該Rietveld細化法係針對各種物件之材料組成S顯示其曲線走向，以獲取各種材料於各種狀態下經X光繞射所產生之曲線走向而定義出之基準曲線圖P，供作為該內建資料B，並儲存於該資料庫中。因此，該目標物(SA-213T91材料)經由X光繞射所獲取之成分狀態曲線圖A需採用Rietveld細化法鑑定其組成。
再者，於步驟S10中所獲取之成分狀態曲線圖A經擬合該資料庫之基準曲線圖P後，可得到最相似之曲線走向，故藉由該資料庫中最相 似之基準曲線圖P所對應之材料組成S(包括成分及其含量)能得知該目標物(SA-213T91材料)之成分及其含量，如下表所示：
Figure 111100440-A0101-12-0006-1
應可理解地，該資料庫之內建資料B需足夠龐大，以確保能有效鑑定出該目標物的組成，例如，該內建資料B需包含由肥粒鐵(α-Fe)、雪明碳鐵(Cementite)、碳化鉻(Cr23C6)及碳化釩(VC)所構成的結構之材料組成S於各種狀態下所呈現之基準曲線圖P。
於步驟S12中，將該目標物與對照物之至少一相同成分進行含量比對，以獲取該目標物與該對照物之間的該相同成分之含量之變化，進而量化該目標物之材料壽命之消耗程度，其中，該對照物之來源與該目標物之來源相同，且該對照物之使用時間係不同於該目標物之使用時間。
於本實施例中，該對照物係為新的SA-213T91材料規格爐管或未運轉之爐管(其使用時間少於該目標物之使用時間)，其係進行步驟S10至步驟S11以獲取該資料庫中最相似之基準曲線圖所對應之組成(包括材料及其含量)，如下表所示：
Figure 111100440-A0101-12-0006-2
由上各表可知，對鋼材中的相分析結果表明，對照物(新管)之α-Fe相(肥粒鐵)的含量為70.9wt.%，而該目標物(使用95519小時後之運轉爐管)的α-Fe相的含量為63.5wt.%。因此，將該α-Fe作為該相同成分進行含量比對，以獲取該α-Fe之含量之變化，進而量化該目標物之材料壽命之消耗程度。例如，以材料總壽命400000小時計算，可定義該對照物(新管)於α-Fe相的含量為70.9wt.%時的材料壽命消耗為0%，故該目標物於α-Fe相的含量為63.5wt.%時的材料壽命消耗23%(即95519小時/400000小時)，以將該α-Fe於各種含量之情況與該材料壽命消耗之數值製作成表格，供現場人員參照，如下表所示：
Figure 111100440-A0101-12-0007-3
由上表可知，現場人員只需知道該α-Fe之含量，即可得知該爐管目前之材料壽命消耗狀況，以判斷是否更換爐管。
再者，長期於高溫高壓運轉狀態下，肥粒鐵(α-Fe)與鉻(Cr)元素藉由奧斯瓦爾德熟化(Ostwald Ripening)作用與偏析的碳原子形成雪明碳鐵沉澱相，故對照物與目標物的Fe3C相(即雪明碳鐵)的含量分別為25.6wt.%與32.6wt.%。
另外，有關間隙相(Gap phase)沉澱析出面心立方結構之碳化釩(VC)之重量百分比對於運轉時間與材料過熱的影響，可依據上述各表可知碳化釩(VC)為一種穩定的分散強化碳化物，且元素釩(V)由晶粒內的 固溶態往化合態的碳化物中遷移的數量非常少，故由上表可知，當該爐管運轉時數少於十萬小時，甚至過熱失效時，碳化釩(VC)與材料壽命並無關聯性。
因此，於選取相同成分時，可忽略碳化釩(VC)之含量變化，使對照物與目標物可採用肥粒鐵、雪明碳鐵或Cr23C6之含量之變化進行比對。
綜上所述，本發明之材料壽命預測方法主要使用Rietveld細化法分析X光繞射(X-Ray diffraction)之數據(如成分狀態曲線圖)，以鑑定該目標物之成分(如α-Fe、Cementite、Cr23C6及VC的晶體結構)之含量而進一步比對出該含量之變化情況，因而能量化出該目標物的材料壽命之消耗程度。
因此，藉由量化電廠鍋爐爐管在運轉過程中的材料壽命之消耗程度，以預測該目標物之材料壽命，使維護人員(或其它使用者)輕易及有效地判斷出該目標物是否需進行更換。
應可理解地，該目標物並不限於爐管，可為各種結構，以廣泛應用於材料壽命之預測作業。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S10~S12:步驟

Claims (8)

  1. 一種材料壽命預測方法，係包括：將目標物進行X光繞射，以獲取該目標物之成分狀態曲線圖；依據資料庫之內建資料比對該目標物之成分狀態曲線圖，以獲取該目標物之成分及其含量；將對照物進行X光繞射，以獲取該對照物之成分狀態曲線圖，俾依據資料庫之內建資料比對該對照物之成分狀態曲線圖，以獲取該對照物之成分及其含量，其中，該對照物之來源與該目標物之來源相同，且該對照物之使用時間係不同於該目標物之使用時間；以及將該目標物與該對照物之至少一相同成分進行含量比對，以獲取該目標物與該對照物之間的該相同成分之含量之變化，該變化依據該對照物使用時間與該目標物使用時間建立表格，進而量化該目標物之材料壽命之消耗程度。
  2. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該內建資料係採用Rietveld細化法獲取。
  3. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該內建資料係包含材料組成及其X光繞射所產生之基準曲線圖。
  4. 如請求項3所述之材料壽命預測方法，其中，該材料組成係包含成分及其含量。
  5. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該目標物及對照物為爐管，且該對照物之使用時間少於該目標物之使用時間。
  6. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該目標物之成分係包含鐵、鉬、鉻及/或碳。
  7. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該目標物之成分係包含肥粒鐵、鉻碳化合物或雪明碳鐵。
  8. 如請求項1所述之材料壽命預測方法，其中，該目標物之成分狀態曲線圖經擬合該資料庫之基準曲線圖後，可得到最相似之曲線走向，以藉由該資料庫中最相似之基準曲線圖所對應之材料組成得知該目標物之成分及其含量。
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