火電廠高溫過熱器老化評定和壽命評估

楊迎春

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093;2.云南電力試驗(yàn)研究院 (集團(tuán))有限公司電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

火電廠高溫過熱器是鍋爐中的重要部件，其工作環(huán)境惡劣，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)出現(xiàn)材料老化、高溫持久性能下降，繼而導(dǎo)致管子的爆管、泄漏，使鍋爐的非計(jì)劃停運(yùn)增加。

目前，有很多材料老化評定和壽命評估的理論，大致可以歸為應(yīng)力解析法、非破壞性計(jì)測法和破壞試驗(yàn)法，下面進(jìn)行探討。

2 應(yīng)力解析法

應(yīng)力解析法以診斷位置的結(jié)構(gòu)尺寸和溫度、壓力等運(yùn)行條件為基礎(chǔ)，根據(jù)解析式或有限源法進(jìn)行應(yīng)力解析，計(jì)算熱應(yīng)力、內(nèi)壓應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算出的應(yīng)力值和持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)，用公式 (1)、(2)計(jì)算出蠕變損傷率和疲勞損傷率，評估部件的剩余壽命。

分別計(jì)算出蠕變壽命損耗量和疲勞壽命損耗量，兩者相加即為診斷部件的總壽命損耗量。

式中Φc－蠕變損傷率;

t——保持某應(yīng)力條件下運(yùn)行時(shí)間，h;

tr——保持某應(yīng)力條件下斷裂時(shí)間，h;

Φf——疲勞損傷率;

N——啟停及符合變化次數(shù)，次;

Nf——到破斷的循環(huán)次數(shù)，次。

應(yīng)力解析法以解析求出部件材料的應(yīng)力及材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算出部件的損傷程度，此方法的關(guān)鍵在于正確搜集到部件運(yùn)行的完整的真實(shí)的資料，優(yōu)點(diǎn)是能評價(jià)任意部位的材料，不受診斷對象所處位置的制約，但若運(yùn)行歷史或材料數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確將導(dǎo)致計(jì)算誤差，且沒有考慮材料老化這一因素。

3 非破壞性評定法

3.1 珠光體的球化評定法

珠光體中的片層狀滲碳體在高溫長期應(yīng)力下運(yùn)行，會(huì)逐步變?yōu)榍驙?，這種現(xiàn)象稱為碳化物的球化。為了評定碳化物的球化級別，按球化對強(qiáng)度性能影響程度的不同，可將鋼的球化分為未球化、輕度球化、中度球化、完全球化和嚴(yán)重球化。

電力系統(tǒng)針對不同的材料，制定了相關(guān)的球化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體評價(jià)時(shí)可參照比對。

球化的結(jié)果將導(dǎo)致鋼的室溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和持久極限下降，影響高溫金屬部件的壽命。圖1為DL/T 773－2001中列出的12CrlMoV鋼常溫抗拉強(qiáng)度與球化級別的關(guān)系。

圖1 12CrlMoV鋼常溫抗拉強(qiáng)度與球化級別的關(guān)系

由圖1中可以看到，當(dāng)5級球化時(shí)，其性能比2級球化時(shí)大概下降了1/3。通過將所檢過熱器的金相組織與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對，就可大概知道其機(jī)械強(qiáng)度的下降程度。

3.2 非珠光體鋼組織老化評定

非珠光體鋼晶內(nèi)和晶界的碳化物在長期高溫服役后會(huì)逐漸發(fā)生碳化物的聚集和粗化，進(jìn)而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。

對非珠光體鋼的老化可采用綜合考慮晶粒和晶界區(qū)域不同變化狀況的方法進(jìn)行老化評級。對電廠目前主流的 T91、P91鋼材，DL/T 884－2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》給出了相應(yīng)的評定說明和金相組織對照圖，按碳化物的形態(tài)，將老化分為5級:未老化 (原始態(tài))、輕度老化、中度老化、完全老化和嚴(yán)重老化。

標(biāo)準(zhǔn)中無相應(yīng)級別的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在實(shí)際評定材料的性能時(shí)，還應(yīng)結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)、硬度等項(xiàng)目進(jìn)行綜合評定。

3.3 碳化物組成評定法

金屬材料中合金元素隨時(shí)間由一種組織組成物向另一種組織組成物轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為合金元素的再分配。高溫過熱器在高溫長期運(yùn)行過程中，均會(huì)發(fā)生固溶強(qiáng)化的合金元素不斷脫溶向碳化物中遷移的現(xiàn)象。耐熱鋼中合金元素的遷移，既包括固溶體和碳化物中合金元素含量的變化，還包括碳化物數(shù)量、結(jié)構(gòu)類型和分布的變化，從而使耐熱鋼中合金元素的固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用減弱，使鋼的熱強(qiáng)性降低。

檢測時(shí)從過熱器管上取微小試樣進(jìn)行電解，電位的大小以不使碳化物溶解為度，把碳化物作為殘?jiān)槌?，對這些殘?jiān)瘜W(xué)分析和X射線衍射，測定碳化物中的合金元素的含量，即可分析材料老化程度［1］。

3.4 碳化物粒子尺寸評定法

顯微組織的老化可采用碳化物粒子尺寸變化的規(guī)律定量描述，晶粒內(nèi)碳化物粒子高溫下長大的規(guī)律為:

式中:

dt——使用t時(shí)間后粒子尺寸，μm;

d0——原始未使用時(shí)粒子尺寸，μm;

K——粒子長大速率;

t——使用時(shí)間，h。

原始未使用時(shí)的粒子尺寸一般應(yīng)實(shí)測，如無原始材料數(shù)據(jù)，電廠常用低合金鋼材料可采用0.3μm －0.36μm 平均值。

設(shè)蠕變失效時(shí)碳化物粒子極限尺寸為 dr，有:

式中:tr－部件蠕變壽命時(shí)間，h。

定義顯微組織老化度用Фd表示 (相當(dāng)于蠕變損傷度)，部件蠕變壽命為tr，有:

由式 (6)可知，若能通過試驗(yàn)準(zhǔn)確測定各材料的碳化物粗化極限尺寸dt值，則可采用上式定量測定部件的老化程度，計(jì)算蠕變壽命，電廠常用低合金鋼材料的 dt值可取為 0.5μm－0.55μm。

3.5 蠕變損傷定量評定A參數(shù)法

高過在高溫下長期運(yùn)行后會(huì)發(fā)生蠕變，蠕變是導(dǎo)致高過管老化的主要形式，蠕變損傷時(shí)首先在晶界上出現(xiàn)微觀的孔洞，在平行于最大主應(yīng)力的方向上通過統(tǒng)計(jì)損傷晶界的數(shù)量和總的晶界數(shù)量的比值，即可看出材料的蠕變損傷程度，用A參數(shù)表示，稱為A參數(shù)法。

其式見 (7)，測量的示意圖見圖2。

式中:

A——孔洞晶界分?jǐn)?shù);

ND——損傷晶界的數(shù)量;

Nu——無損傷的晶界。

圖2 A參數(shù)法測量示意圖

3.6 蠕變損傷定量評定晶粒變形法

電廠常用的CrMo鋼等材料韌性較好，在長期的蠕變應(yīng)力作用下，其晶粒很容易發(fā)生變形，并且變形主要集中于晶粒內(nèi)，如圖3所示，由于其變形是非常緩慢而微小的，必須采用定量分析的方法才能進(jìn)行評定。

圖3 晶粒變形示意圖

定義晶粒變形程度W和晶粒取向程度E為:

式中:

W——晶粒變形程度;

E——晶粒取向程度;

La——與應(yīng)力方向平行的截線上測得的平均晶粒弦長;

Lv——與應(yīng)力方向垂直的截線上測得的平均晶粒弦長;

Pv——與應(yīng)力方向平行的截線上測得的晶界數(shù)量;

Pa——與應(yīng)力方向垂直的截線上測得的晶界數(shù)量;

W和E的值越高，則材料的老化程度越高。

4 破壞性試驗(yàn)法

4.1 持久強(qiáng)度法

持久強(qiáng)度主要用來衡量耐熱材料在高溫長期應(yīng)力作用下，抵抗塑形斷裂抗力的一種高溫強(qiáng)度指標(biāo)。用持久強(qiáng)度法估算高溫部件的壽命是建立在雙對數(shù)坐標(biāo)的持久強(qiáng)度曲線基礎(chǔ)上。公式如下:

б—應(yīng)力，MPa

t—斷裂時(shí)間，h

A、B材料常數(shù)

通過取多組試樣進(jìn)行不同應(yīng)力下的斷裂試驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)的斷裂時(shí)間，利用最小二乘法即可擬合得到準(zhǔn)確的方程式。

通常試驗(yàn)的時(shí)間為幾千小時(shí)，通過回歸方程外推，可以得到數(shù)萬小時(shí)以后的斷裂強(qiáng)度。

用持久強(qiáng)度法計(jì)算高溫鍋爐管道壽命時(shí)，由于計(jì)算確定持久強(qiáng)度值是由幾千小時(shí)的持久強(qiáng)度曲線線性外推所得。有試驗(yàn)證明，用直線外推1×105h或2×105h的持久強(qiáng)度值與試驗(yàn)實(shí)際測得的持久強(qiáng)度相差很大［2］。

在進(jìn)行壽命評估時(shí)，應(yīng)結(jié)合金相和碳化物的檢測結(jié)果對材料進(jìn)行綜合評定，為安全起見，所得的預(yù)測壽命應(yīng)低于計(jì)算所得的壽命。

4.2 時(shí)間－溫度參數(shù)法

時(shí)間－溫度參數(shù)法的基本概念是在蠕變斷裂試驗(yàn)中，提高試驗(yàn)溫度而縮短試驗(yàn)時(shí)間。故把時(shí)間－溫度參數(shù)表示成一個(gè)互相補(bǔ)償?shù)膮?shù)f(τ、Τ)，并把該參數(shù)標(biāo)識為應(yīng)力的函數(shù) P(б) =f(τ、Τ)。由于對參數(shù)的要求比較低，可以比較容易地根據(jù)蠕變溫度獲得蠕變斷裂壽命，因此是目前在蠕變壽命計(jì)算中較為流行的方法［3］。

時(shí)間－溫度參數(shù)式中應(yīng)用較多的有拉森－米勒參數(shù)式 (簡稱L－M參數(shù)式)

式中T－鋼材的使用溫度

C——鋼材常數(shù)

τ——鋼材的蠕斷時(shí)間

如果只考慮溫度的變化，應(yīng)力按額定壓力下的內(nèi)壓應(yīng)力計(jì)算，就可得出如下簡化成果

該式只和金屬溫度有關(guān)，在實(shí)際計(jì)算中只要能夠確定金屬的溫度，就能方便的計(jì)算出相應(yīng)的蠕變斷裂時(shí)間τ0。

有了相應(yīng)工況的斷裂時(shí)間τ就可以應(yīng)用羅賓遜法則求出蠕變壽命損耗:

式中:Фr－材料的蠕變壽命損耗量

Φr——材料的蠕變壽命損耗量

Δτi——在 i參數(shù)下部件的運(yùn)行時(shí)間

τri——在i參數(shù)下部件的蠕變斷裂時(shí)間。

4.3 蠕變曲線逐步外推法

文獻(xiàn)［4］中提出了蠕變曲線逐步外推法。它認(rèn)為，由于低合金鋼蠕變曲線呈偽三階段，因而在這個(gè)過程中，可參照B.F.Dyson對第三階段蠕變損傷的分類方法，得到其蠕變損傷與蠕變變形成正比。根據(jù)實(shí)測得到的短時(shí)蠕變數(shù)據(jù)，按下列損傷分?jǐn)?shù)D隨時(shí)間的變化速率方程:

進(jìn)行回歸和外推得出整體蠕變曲線，從而可獲得使用壽命。這種外推可在部件使用中隨時(shí)進(jìn)行，通過試驗(yàn)證明:隨著實(shí)測蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加，其回歸和外推的結(jié)果將更加準(zhǔn)確，且只要有蠕變壽命的2/3蠕變實(shí)測數(shù)據(jù)，其回歸和外推的結(jié)果就很準(zhǔn)確;上式可以準(zhǔn)確地描述蠕變的損傷過程，經(jīng)歸一化處理后的損傷與時(shí)間的關(guān)系曲線不受溫度、應(yīng)力及其他因素的影響，為材料的特征曲線，因而可用于實(shí)際服役條件下的部件。

蠕變曲線逐步外推法用實(shí)測蠕變數(shù)據(jù)外推未來一段時(shí)間內(nèi)材料的形變行為，且可分段逐步外推;其區(qū)別與其他壽命評估方法的最大有點(diǎn)在于避免了由于工況變化 (如溫度、壓力波動(dòng)、機(jī)組啟停等)所帶來的誤差。

5 結(jié)束語

隨著火電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，過熱器的壽命必將會(huì)逐漸降低，掌握過熱器老化狀況可以為合理的檢修工作提供參考，提高鍋爐檢修效率和鍋爐的安全性。以上所述的老化損傷和壽命評定理論和方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有的還在不斷完善中，尤其是進(jìn)行壽命評估時(shí)，影響因素眾多，而且有的理論建立在理想狀況下，與實(shí)際工況還有很大不同，實(shí)際計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合幾種方法，使評定結(jié)果方更加準(zhǔn)確。

［1］李兵，日本火電廠鍋爐部件剩余壽命診斷技術(shù) ［J］.華北電力技術(shù)，1997 No.8

［2］周順深.用持久強(qiáng)度計(jì)算高溫部件剩余壽命的不可靠性 (上) ［J］.華東電力，1995，(3).

［3］劉彤，徐鋼，龐力平，梁志福(【鍋爐爐內(nèi)承壓部件的蠕變分析及壽命計(jì)算】) ［J］.動(dòng)力工程2004年10月

［4］束國剛，李益民，趙彥芬，基于蠕變曲線的12Cr1MoV鋼壽命外推計(jì)算方法 ［J］.熱力發(fā)電，2000(6):32－35)