应用老化因子方法评估高温部件的状态和寿命_电力/水利_工程科技_专业资料。技术交流 应用老化因子方法 评估高温部件的状态和寿命 李耀君， 任 爱 !##$%） （国家电力热工研究院， 陕西 西安 ［摘 要］ 简要介绍了一种新的应用老化因子方法评估部 件寿 命的技

　　技术交流 应用老化因子方法 评估高温部件的状态和寿命 李耀君， 任 爱 !##$%） （国家电力热工研究院， 陕西 西安 ［摘 要］ 简要介绍了一种新的应用老化因子方法评估部 件寿 命的技术。在国内外首次提出老化因 子的概念， 并通过应用老化因子分析方法提高 寿命评估的准确性。该方法近年来在新海等 %# 多家电 的高温部件状况和寿命评估中得以应 用， 效果显著。 ［关键词］ 电高温部件； 锅炉管； 状态评估； 寿命评估； 老化因子 ［中图分类号］ &’$ ［文献标识码］ ( ［文章编号］ （%##%） ##% ) $$*+ #$ ) ##+* ) #$ 电站高温部件的使用条件相当复杂， 例如高温锅 炉管 长期在高温、 高压、 腐蚀等条件下运行， 且温度、 应力等均在运行中发生变化， 因 此， 其实际使用寿命 与原设计的 # 万 , 寿命相差很大， 存在明显超温的锅 炉更是如此 。如何科学地掌握更换时机、 更换范围、 更换材料， 需要进行详细的状态评估和寿命评估。 式中 — —内壁氧化皮厚度； !— — —使用时间； $— — —与温度相关的氧化速度系数； #— — — —材料常数。 （%） 硬度分析法和碳化物分析法等其他方法也可 间接评定部件的使用温度， 直接评定部件材 料的老化 和性能劣化状况。 ! 高温锅炉管当前的状态评估方法及 技术 近年来， 国家电力热工研究院对高温锅炉管 的状态评估及寿命评估技术进行了深入 研究和开发， 已形成了系列化评估方法和测量专用装置。 !! 温度分析方法 （） 氧化分析方法。高温锅炉管内壁由于蒸汽产 生的高温氧化而形成氧化皮， 这一方面保护 基体金 属， 另一方面则造成传热效能的降低， 促使管壁金属的 实际使用温度升高， 而温度升 高本身又加剧了氧化过 程， 使氧化皮进一步加厚。内壁氧化皮的厚度状况反 映了金属管壁实 际使用温度的高低， 因而通过测 量内壁氧化皮可定量评估金属的使用温度， 掌握部件 超 温程度。氧化分析法的基本原理可表示为： ! - #$ !# 强度分析方法 部件的残余寿命缩短主要表现为强度的下降， 强 度不足而终导致爆管失效是高温锅炉管的 主要失 效形式。因此， 通过强度分析可以预测部件的使用寿 命。部件强度的下降一般认为与 部件的使用温度、 应 力及使用时间等 $ 个因素有直接关系， 通过试验或分 析的方法确定这 $ 个 因素， 即可评估部件的寿命。 目前常用的强度分析方法是 ./0123 ) 456670 法 （ . ) 4 法） 或 8 ) 9 法。 . ) 4 法基本方程为： （ $ 0） % -（ ’ !） 式中 — —试验温度； %— — —断裂时间； $ 0— — —材料常数； &— （ — — —热强参数， 是应力的函数。 ’ !） 该方法考虑了温度、 应力、 时间之间的相互关系， 但未考虑材料的老化过程， 如果直接使用 ， 得出的结 （%） （） ! 万方数据 热力发电 ? （%） #$$# 技术交流 果远高于材料的实际寿命， 被动地采用安全系数进行 修正， 会使人为因素较大，因此必然存在严重的误差。 ! 老化因子概念和寿命修正法 由于高温部件尤其是锅炉管的使用环境复杂而多 变， 因此与其它高温部件 （如主蒸汽管道） 相 比寿命评 估的难度更大， 这也是锅炉管寿命评估技术长期以来 发展缓慢的主要原因。通过对 大量部件的研究和分 析发现， 锅炉管在使用过程中材料的老化现象十分突 出， 显微组织老化 必然导致强度的下降， 而部件的状 态和寿命又与材料的显微组织变化有明显的关联。此 外， 材料老化对所有高温部件的寿命均有直接的影 响， 也是影响部件寿命的关键因素之一 。由此， 提出 了老化因子的概念， 即部件寿命评估时必须考虑材料 老化这一基本影响因 素。这一因素对锅炉管寿命的 影响尤其重要， 因为锅炉管材料的老化速度更快， 老化 程度更 明显， 忽视老化的影响是以往寿命评估结果严 重不准确的主要原因。 根据老化因子的概念， 认为高温部件的寿命和失 效取决于温度、 应力、 时间、 材料老化 等 ! 个基本因 素。因此， 通过对运行后锅炉管的材质变化和寿命损 耗的系统研究， 提出了以 材料老化因子 ! 对 # $ % 参数法进行修正的寿命评估新方法， 即将式 （&） 改为如 下形式： （ ! ’ ()* # +） ,（ $ !） ’ ! （-） 式中 ! 为材料的老化因子。根据多年的现场实 践和研究发现， 球化级别、 抗 ! 与材料的布氏 硬度、 拉强度等存在明显的关系： ! , （ $ %& 、 ’） !.、 式中 — —布氏硬度； %& — — —材料的抗拉强度； !.— （!） 表 向 （背） 火面 运行 样品 向火面 背火面 图 老化因子方法与 # $ % 方法对比 & 老化因子修正法在电的应用 新海发电建有 & 台北京巴 威 公 司 生 产 的 693 其中 /& 号炉 （型号为 = $ 693 ; /- ? 9 $ % : ; 8锅炉， ） 高温过热器出口设计蒸汽温度为 @!3 A ， 压力 /- ? 9 至本 次检查时已 %B。该炉于 /44/ 年 C 月 4 日投运， 累计运行 @& !/6 8。以高温过热器入口段为例 （材料 为 /3& 钢） ， 分别在管样的向 火面、 背火面截取常温拉 伸等试样进行试验， 结果见表 /。由表 / 可知， 高温过 热器入口管常 温拉伸性能已有明显降低， 向火面性能 拉伸强 已接近 5@-/3 要求的下限值。与背火面相比， 度下降十分明显， 表明向火面的材料性能已严重下降。 对高温过热器不同部位取样进行的高温抗拉伸试 验结果表明， 高温过热器入口管样的高温抗 拉强度有 明显下降， 向火面与背火面比较相差近 &3D 。 常温机械性能 F 规格 ; GG @/ H 6 !. ; %B !E ; %B @ ; %B @63 6-@ @!3 7 9-6 !@3 @&@ -!&! && /C — —材料组织变化的参量。 ’— 目前， 通 过 研 究 已 初 步 确 定 了 /&0+/%)1、 2&& （/30+%)4/3） 、 5/3& 等电常用材料的老化因子 变化 规律。通过对 &3 多个电的实际评估证明， 采用老化 因子修正的 # $ % 法是安全可 行 的。该方法不仅可 应用于锅炉管， 而且还可应用于电站其它高温部件。 某电已严重老 化的高温过热器部件采用 & 种方法 采用 分别进行寿命评估的结果示于图 /。由图可知， 传统的 # $ % 法评估的结果在 6 7 /3/ 万 8 之间， 显然 与实际情况不符， 而采用老化因子修正后的结果 为 & 比较符合电实际。 7 6 万 8， /@/， /!9， /@3， /@/ /@&， /@&， /@&， /@& 5@-/3 $ C@ 电锅炉管大多采用低合金珠光体 （贝氏体） 钢制 造， 在高温高压条件下长期运行时， 固溶体 中的强化 合金元素将逐渐贫化， 碳化物相的成分也将发生相应 变化， 这种变化是材料逐渐老 化的基本特征之一。通 过碳化物相的成分测定， 可了解材料的老化状况。表 & 列出了高温过 热器的原始及运行管段各样品碳化物 相中合金元素占钢中合金元素总量的百分比。 万方数据 热力发电 ? （&） !’’! ! 技术交流 表! 样品编号 #$ 运行样品 ( 运行样品 原始样品 (( ) * (- ) ( +)/ %& +( ) , ,. ) ( -, ) . ’ ,+ ) ( ,+ ) ( 0* ) 0 碳化物相成分 碳化物中合金元素百分 含量 ! #! 残余寿命评估结果 采用老化因子 ! 4 修正的 5 6 % 法对高温过热器 残余寿命进行了评估， 结果如下： （(） 高温过热器入口管向火侧下弯头外弧面的残 平均残余寿 余寿命评估结果如图 / 所示。由图可知， 命为 /1 7** 8， 其中第 (*、 (( 排第 ( 根管由于壁厚已严 重减薄， 其寿命仅 / *** 8 左右， 应立即采取更换措施。 由表 - 可以看出， 高温过热器管样的碳化物中 #$、 表明其 材料老化 %&、 ’ 元素含量比原始管大量增加， 明显。另对碳化物相结构进行测试可知， 经 1 万多小 时运行 后 高 温 过 热 器 入 口 管 %. # 量 明 显 减 少， 而 （ %-. #0 相占绝大部分） ， 这亦 %-. #0 型碳化物大量增加 证 明材料的老化特征明显。 #$ 应力场评估结果 采用实测管段的直径、 壁厚数据对每个部位不同 标高的管材周向应力状况进行了计算分析。高温过热 器入口下弯头外弧侧应力分布场如图 - 所示。由于第 其应力陡然 (*、 (( 排第 ( 根下弯头处壁厚减 薄明显， 上升。高温过热器入口管直管段也由于减薄明显， 将 明显减少部件的使 用寿命， 其应力水平远高于下弯头 外弧处， 基本处于 1* 2 0* %34 之间， 如图 . 所示， 靠炉 墙 （ 乙侧） 处较低。 图% 高温过热器入口向火侧下弯头外弧面残余寿命分布 （-） 高温过热器入口管直管段的寿命低于下弯头 部位， 其平均寿命为 .1 0** 8， - - /** 8， 可满足安 全运行一个大修期的要求 （图 1） 。 图& 高温过热器入口向火侧直管段残余寿命分布 % 图! 高温过热器入口向火侧下弯头外弧面应力分布 结 论 由于锅炉管等高温部件的老化过程十分复杂， 要准 确评估其残余寿命， 必需考虑运 行后材 料组织老化、 性 能劣化等多方面变化对寿命的影响。老化因子 ! 4 是在 传统 5 6 % 法的基 础上充分考虑了材料的老化导致材料 性能劣化而引入的寿命评估新概念， 使高温部件寿命评 估技术由估算发展到精算的新阶段， 在理论和实践意义 上均是一个较大的突破。近年来的实 践证明， ! 4 的引入 使得高温锅炉部件寿命评估结果具有更高的可靠性。 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 作者简介： 李耀君， 国家电力热工研究院材料工程技术中心高级 工程师， 多 年从事火电机组高温金属部件状态评估、 寿命管理和状态检 修方面的研究工作。 图 高温过热器入口向火侧直管段应力分布 ! 万方数据 热力发电 ? （） !’’!
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