某廠1號(hào)鍋爐高過(guò)和后屏過(guò)熱器壽命分析

摘 要：屏式過(guò)熱器通常也稱半輻射式過(guò)熱器，是指布置在爐膛上部或爐膛出口煙窗處，既接受爐內(nèi)的直接輻射熱，又吸收煙氣的對(duì)流熱的受熱面。大型鍋爐中一般設(shè)置：分隔屏（前屏、大屏）和屏式過(guò)熱器. 某廠鍋爐在運(yùn)行時(shí)間超過(guò)15萬(wàn)小時(shí)之后，爐內(nèi)受熱面產(chǎn)生了老化傾向，通過(guò)各種檢測(cè)手段對(duì)高溫過(guò)熱器和屏式過(guò)熱器進(jìn)行分析，得出了受熱面剩余壽命的年限，本文對(duì)新、老電廠鍋爐受熱面的維護(hù)管理有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：鍋爐； 受熱面； 老化； 壽命評(píng)估

中圖分類號(hào)：TK22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

0 引言

某廠1號(hào)爐由東方鍋爐廠生產(chǎn)制造的DG1025/177-Ⅱ型爐，為亞臨界，一次中間再熱、自然循環(huán)、全懸吊、平衡通風(fēng)、燃煤汽包爐。鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。1號(hào)機(jī)組于1991年8月25日投運(yùn)，至2013年6月30日檢修時(shí)累計(jì)運(yùn)行約160177.54小時(shí)，啟停160次。

1號(hào)爐高溫過(guò)熱器位于折煙角后上方，沿寬度方向共布置57屏，橫向節(jié)距S=228.6mm，每屏由7圈U型管組成該處入口煙溫約900℃。高溫過(guò)熱器管子材料由12Cr2MoWVTiB和12Cr1MoV組成，規(guī)格均為Φ51×8mm。

1號(hào)爐后屏過(guò)熱器位于爐膛出口后上方，沿寬度方向共布置19屏，橫向節(jié)距S=685.8mm，每屏由13圈U型管組成。后屏過(guò)熱器除迎煙側(cè)的最外兩圈管子為T(mén)P304H（Φ51×9mm）外，其它部位材料均為12Cr2MoWVTiB，規(guī)格Φ51×8mm。

為掌握1號(hào)爐12Cr2MoWVTiB材質(zhì)的高溫過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器管的材質(zhì)狀態(tài)，對(duì)1號(hào)爐高溫過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器8根取樣管進(jìn)行試驗(yàn)分析。

11 試驗(yàn)結(jié)果及分析

11.1化學(xué)成分分析

按照GB/T 223系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1和8號(hào)管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表可見(jiàn)：1和8號(hào)管樣的化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB 5310對(duì)12Cr2MoWVTiB的要求[2] [4]。

11.2拉伸試驗(yàn)

在8段管樣上制取拉伸試樣，按照GB/T 228.1在MTS880電液伺服試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)[5]，結(jié)果見(jiàn)表4。由表可見(jiàn)：6號(hào)管樣室溫下迎煙側(cè)的規(guī)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及背煙側(cè)的規(guī)定屈服強(qiáng)度低于GB 5310對(duì)12Cr2MoWVTiB新管要求的下限值，6號(hào)管樣室溫下迎煙側(cè)和背煙側(cè)的斷后伸長(zhǎng)率及背煙側(cè)的抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；其它7段管樣室溫下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但4和5號(hào)管樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度已接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。

11.3沖擊試驗(yàn)

在1和8號(hào)管樣上制取縱向沖擊試樣，按照GB/T 229在JBC-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)：1和8號(hào)管樣的沖擊吸收能量符合GB 5310對(duì)12Cr2MoWVTiB新管的要求[5]。

11.4維氏硬度試驗(yàn)

按照GB/T 4340在HVS-50型維氏硬度機(jī)上對(duì)金相樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)力30kgf，保持時(shí)間10S，結(jié)果見(jiàn)表6。由表可見(jiàn)：6號(hào)管樣迎煙側(cè)的維氏硬度值低于DL/T 438對(duì)12Cr2MoWVTiB新管要求的下限值，其它管樣的維氏硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。

1 1.5金相檢驗(yàn)

12.5.1 微觀組織觀察

在8段管樣上各制取1個(gè)環(huán)向金相試樣，在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下進(jìn)行金相組織檢查，并依據(jù)DL/T 884-2004“火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則”對(duì)試樣進(jìn)行組織老化評(píng)級(jí)[7]，結(jié)果見(jiàn)圖1和表7。由圖1和表7可見(jiàn)：

a）（1）7段運(yùn)行管中，2號(hào)管樣的微觀組織為回火貝氏體，其它管樣的微觀組織均為鐵素體+碳化物；7段運(yùn)行管迎煙側(cè)的組織老化程度均比其背煙側(cè)明顯，1、4、6和7號(hào)管樣迎煙側(cè)組織老化3.5級(jí)，2、3和5號(hào)管樣迎煙側(cè)組織老化3級(jí)。

b）（2）8號(hào)新管的微觀組織為鐵素體+碳化物，不是典型的回火貝氏體組織。

22 管樣材質(zhì)狀態(tài)與蠕變剩余壽命估算

22.1材質(zhì)狀態(tài)評(píng)估

將8段管樣選取各自試驗(yàn)結(jié)果的最差值做為該管段的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)表8。由表可見(jiàn)：

a）（1）1～7號(hào)管樣的外徑蠕變應(yīng)變和壁厚減薄量符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

b）（2）6號(hào)管樣的規(guī)定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度已低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，6號(hào)管樣的斷后伸長(zhǎng)率和1～5和7號(hào)管樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

c）（3）2號(hào)運(yùn)行管微觀組織為貝氏體，其它運(yùn)行管微觀組織為鐵素體+碳化物；1、4、6和7號(hào)管樣組織老化均為3.5級(jí)，2、3和5號(hào)管樣組織老化均為3級(jí)；4號(hào)管樣的內(nèi)壁氧化層最厚，為0.70mm，其它管樣內(nèi)壁氧化層厚度在0.44～0.66mm之間。根據(jù)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求，過(guò)熱器管和再熱器管氧化皮厚度超過(guò)0.6mm，應(yīng)及時(shí)更換管段[3]。

d）（4）8號(hào)新管的微觀組織為鐵素體+碳化物，不是典型的回火貝氏體組織，其它試驗(yàn)結(jié)果均合格或正常。

綜上所述，7段運(yùn)行管均有明顯的性能劣化和組織老化，其中4號(hào)管樣內(nèi)壁氧化層最厚，6號(hào)管樣性能劣化顯著；除4和6號(hào)管樣外的其它運(yùn)行管的材質(zhì)狀態(tài)與其服役時(shí)間基本吻合，未見(jiàn)明顯的加速老化、劣化和損傷現(xiàn)象。8號(hào)新管組織為鐵素體+碳化物，不是典型的回火貝氏體組織，其它試驗(yàn)結(jié)果均合格或正常。

22.2 蠕變壽命估算

在管子原始狀態(tài)一定的情況下，影響鍋爐管剩余壽命的主要因素有：溫度、應(yīng)力和已運(yùn)行時(shí)間，其中溫度為管子運(yùn)行的當(dāng)量金屬壁溫，應(yīng)力為管子的實(shí)際應(yīng)力，時(shí)間為累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

高溫鍋爐管由于承受著較高壓力且運(yùn)行溫度在蠕變溫度范圍內(nèi)，其損傷的主要形式是高溫蠕變。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，管子的內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生一層致密的氧化層，其成份主要是Fe2O3和Fe3O4，管子內(nèi)壁氧化層的厚度增長(zhǎng)及形貌結(jié)構(gòu)均與管壁金屬溫度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，可通過(guò)鍋爐管內(nèi)壁氧化層的厚度來(lái)間接地估算鍋爐管壁當(dāng)量金屬溫度。

根據(jù)內(nèi)壁氧化層厚度、運(yùn)行時(shí)間和特定的材料參數(shù)就可以確定管子的當(dāng)量溫度，根據(jù)管壁的金屬層厚度和管子內(nèi)壓就可以確定管子的實(shí)際應(yīng)力，將上述的當(dāng)量溫度、實(shí)際應(yīng)力代入相應(yīng)材料的蠕變持久推算式就可以估算出管子的剩余壽命，從而可以有效地指導(dǎo)高溫受熱面的檢修和換管工作，保障設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

23.2.1 當(dāng)量溫度估算

鍋爐管運(yùn)行過(guò)程中總存在溫度波動(dòng)，其壽命損耗等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役的時(shí)間，這個(gè)金屬溫度就稱之為當(dāng)量溫度。因而，當(dāng)量溫度既不是管子的外壁溫度，也不是其內(nèi)壁溫度或內(nèi)、外壁溫度的平均值，而是某段服役期內(nèi)實(shí)際運(yùn)行溫度的一種等效描述。通過(guò)內(nèi)壁氧化層厚度和鍋爐管運(yùn)行時(shí)間可以評(píng)估當(dāng)量溫度。

22.3 剩余壽命綜合評(píng)估

由于基于管子內(nèi)壁氧化皮厚度估算壁溫的蠕變剩余壽命估算的結(jié)果是假定管子一直按穩(wěn)定壁溫運(yùn)行并且管子原始狀態(tài)正常的條件下的估算結(jié)果。而管子實(shí)際的服役壽命還受一些偶然因素的影響，如管子短時(shí)間較大幅度的超溫，這種情況下內(nèi)壁氧化皮厚度并未大幅增加，但管子材料的老化、劣化和損傷卻較大。因此需要結(jié)合蠕變壽命估算和材質(zhì)狀態(tài)評(píng)估兩方面因素綜合評(píng)估管子的剩余壽命。

由以上分析可知，7段運(yùn)行管均有明顯的性能劣化和組織老化，其中4號(hào)管樣內(nèi)壁氧化層最厚，6號(hào)管樣性能劣化顯著；除4和6號(hào)管樣外的其它運(yùn)行管的材質(zhì)狀態(tài)與其服役時(shí)間基本吻合，未見(jiàn)明顯的加速老化、劣化和損傷現(xiàn)象。基于氧化層厚度基礎(chǔ)上估算的4和6號(hào)管樣蠕變剩余壽命分別為1.5萬(wàn)和2萬(wàn)小時(shí)，其它管樣還有較長(zhǎng)的蠕變剩余壽命。

因此綜合評(píng)估認(rèn)為，正常運(yùn)行工況下高過(guò)左數(shù)36屏后數(shù)第5根（4號(hào)）和左數(shù)41屏后數(shù)第1根（6號(hào)）管樣蠕變剩余壽命分別為1.5萬(wàn)和2萬(wàn)小時(shí)，高過(guò)其它運(yùn)行管和后屏過(guò)運(yùn)行管的蠕變剩余壽命均能滿足較長(zhǎng)時(shí)間（≥6萬(wàn)小時(shí)）的安全運(yùn)行要求。

33 結(jié)論和建議

33.1結(jié)論

a（1））高過(guò)左數(shù)36屏后數(shù)第5根管樣內(nèi)壁氧化層最厚，高過(guò)左數(shù)41屏后數(shù)第1根管樣性能劣化顯著，其它5段運(yùn)行管的材質(zhì)狀態(tài)，雖有一定程度老化，但仍可運(yùn)行一段時(shí)間。；新管組織為鐵素體+碳化物，不是典型的回火貝氏體組織，其它試驗(yàn)結(jié)果均合格或正常。

b）（2）正常運(yùn)行工況下高過(guò)左數(shù)36屏后數(shù)第5根和左數(shù)41屏后數(shù)第1根管樣蠕變剩余壽命分別為1.5萬(wàn)和2萬(wàn)小時(shí)，高過(guò)其它運(yùn)行管和后屏過(guò)運(yùn)行管的蠕變剩余壽命均能滿足較長(zhǎng)時(shí)間（≥6萬(wàn)小時(shí)）的安全運(yùn)行要求。

33.2 建議

a）（1）擇機(jī)更換本次割管時(shí)仍殘留的左數(shù)36屏后數(shù)第5根和左數(shù)41屏后數(shù)第1根管段。

b）（2）采用高頻超聲測(cè)量技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高溫受熱面管子進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮厚度測(cè)量的蠕變剩余壽命估算。

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[5] GB/T229-2007，金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法

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作者簡(jiǎn)介：賈炳祿（1984-），男，工程師，大唐國(guó)際張家口發(fā)電廠設(shè)備部鍋爐專業(yè)點(diǎn)檢員。電話：15028527051