基于内壁氧化膜厚度测量的炉管寿命诊断系统的开发

第31卷 第8期 2003年8月 15 13 继 电 器 REIAY V01．31 No．8 Aug．15，2003 49 基于内壁氧化膜厚度测量的炉管寿命诊断系统的开发 张都清 ，王雪亮 ，张广成 ，张丙法 (1．山东电力研究院，山东 济南 250002；2．山东华能德州发电厂，山东德州 255300) 摘要：介绍一种通过测量锅炉高温炉管的内壁氧化膜厚度，来计算其运行的当量温度，并结合 多种试验结果 对炉管的运行状态进行评估的系统，应用此系统可以快速地判断锅炉管子的剩余寿命，指导现场检修。 关键词：锅炉炉管； 内壁氧化膜测量； 当量温度； 剩余寿命评估 中图分类号：TK222 文献标识码：B 文章编号 ：1003-489712003)08—0049—02 1 引言 火力发电厂高温、高压锅炉炉管的工作环境十 分恶劣，其管壁金属的运行温度和应力在运行过程 中逐渐升高，造成炉管的剩余寿命明显缩短，尤其以 高温过热器和高温再热器因超温而引起的泄漏及爆 管最为明显，是导致锅炉强迫停运的最主要原因之 一 。 准确评定锅炉炉管剩余寿命的关键在于能否准 确测定锅炉炉管金属的实际运行壁温。目前，尽管 有一些在炉内直接测温的方法，但要进行长期有效 测量还存在不少困难。为此，我们开发以超声波测 量锅炉炉管内壁氧化膜厚度为基础的锅炉炉管内壁 氧化膜厚度快速无损测量和剩余寿命评定系统，为 锅炉管寿命的评定提供一种简便、快速、无损、经济 和实用的方法。 2 理论依据 金属在有不定期氧分压的高温汽(气)体中使 用，其表面必然会氧化。氧化的速度取决于温度、气 (汽)体的成份、金属的成份等因素。当金属成分和 汽(气)体成份一定时，氧化膜厚度的变化与炉管的 运行温度和时间直接相关，对碳钢而言，其氧化膜厚 度增长的速度几乎是线性的；对低合金钢而言，其氧 化膜厚度增长的速度与运行温度和运行时间之间存 在着复杂的指数关系，其动力学方程可描述为u ： X： (t。T)， ：K t 式中： 为内壁氧化膜厚度 (1nln)，t为运行时间 (hr)， 为运行温度(℃)，凡为指数，K为氧化膜增 厚速率 基金项目： 山东电力公司重点科研项 目(鲁电合 同 1997年 第 10号)。 许多研究表明，火力发电厂锅炉炉管常用的 Cr-Mo、Cr-Mo—V等低合金钢，其指数 凡值范 围在 2．1～2．6之间。 锅炉炉管内壁氧化膜厚度与运行温度和时间的 关系可进一步描述为L2 J： lgX ：A +B．LMP LMP： (20+lgt)×10 式中：LMP为L-M参数，A、 为材料系数。 通过时效模拟试验及现场取样分析验证，可建 立不同材料的氧化动力学方程。 由于锅炉炉管的运行条件的差异，如：水处理状 况、应力状况等也对炉管内壁氧化膜的增厚有明显 的影响，因此，锅炉炉管内壁氧化膜的增长规律不尽 一 致，在进行炉管壁温评定时，还要综合考虑这些因 素。 锅炉炉管的应力评定可采用周向应力计算方 法 ： ：P·D／(2W) 式中： 为平均周向应力，P为蒸气压力，D为平均 直径(D外+D内)／2， 为炉管壁厚，一般为实测壁厚 。 实际运行中的应力评定，同样要考虑壁厚的变 化，金属壁厚 随着氧化的发展而减少，这一过程 是不可逆的，由于应力的逐渐增加而导致锅炉管的 寿命明显缩短也是锅炉炉管临危状态评估的特点之 — — o 已知了炉管的当前运行壁温和应力状况，还不 能知道炉管确切的剩余寿命，必须进一步了解炉管 在当前金属材料状况下寿命损耗的规律。在这方面 的研究虽然较多，但由于材料的等级和状态的不同， 维普资讯 http://www.cqvip.com 50 继 电器 其寿命损耗的规律也不同，在其他等级和状态的材 料上所测得的规律并不完全适用于当前材料，而且 相同等级和状态的材料在不同的部件上有不同的寿 命损耗规律，因此，在寿命评估计算中有必要加以修 正，一般是采用下限分析方法或增加修正系数的方 法来解决这个问题。本项目采用的是修正系数的方 法。 目前测定材料的蠕变断裂时间的方式主要有： 等温线法和温度 一时间参数法( 参数)。研究表 明l4J， 参数法更适用于锅炉炉管剩余寿命的评 估，所以本项 目采用的是 参数法，其基本方程 为： LMP=T(C+ t )，LMP=f( ) LMP=C1+C2lga+c3l套 +c411 金属材料寿命的概念也不尽一致，对于高温炉 管，材料的寿命主要取决于管子的蠕变寿命，材料的 蠕变断裂寿命的计算是通过对大量的运行后的管子 断裂持久强度数据进行分析、绘制应力与 LMP之间 的曲线来进行的。当知道炉管的运行温度、应力和 时间，采用这些基本方程即可精确地评估炉管的剩 余寿命。 另外，如前面所述，氧化膜的不断增厚是有其基 本规律的，采用氧化动力方程，可预测在一定温度、 应力和时间条件下达到极限厚度的时间。采用极限 厚度分析方法也可预测炉管的剩余寿命。 本项 目是以上述原理为基础，通过开发现场实 用的超声波测量锅炉炉管内壁氧化膜厚度的技术， 结合多种温度预测方法和两种寿命评估方法，取其 结果平均值或下限值，由各管段的评估结果汇总后 即可得到整个部件(锅炉炉管)的温度分布场、应力 分布场、剩余寿命分布场，可直观地判断整个部件的 剩余寿命状况，以指导锅炉的安全 、经济运行和维 修。 3 系统特点 基于内壁氧化膜测量的锅炉炉管寿命评估系统 主要由锅炉管壁金属厚度及内壁氧化层厚度测量系 统和锅炉管温度及寿命评估软件两大部分组成。具 有以下几个特点： 1)该技术的超声测厚系统能分清并精确测量 锅炉管壁金属层厚度及内壁氧化层厚度。在役锅炉 管壁厚度由以下几部分组成：管外壁氧化垢层 +管 壁金属层厚度 +管内壁氧化层。目前，电站锅炉管 的壁厚测量用普通测厚仪不能分清以上几部分的厚 度，得出的读数为以上几部分厚度的总和，而不是锅 炉管实际剩余金属层厚度(只有这部分厚度为管强 度做贡献)。 2)通过锅炉管内壁氧化层厚度(管内壁氧化层 厚度的增长与其当量金属温度有对应关系)等参数 计算出管子的当量金属温度，及其沿整个炉膛宽度 和高度方向的分布场(温度场)，从而找出哪些管段 处于超温运行状态。 3)通过锅炉管金属层厚度等参数计算出锅炉 管的应力分布场(过去计算应力时采用的是管壁厚 度为金属层厚度 +氧化层厚度)。 4)通过当量金属温度及运行应力等参数计算 出各管段的剩余寿命 ，及其分布场，得出哪些管段需 要及时更换。可指导电厂制定锅炉检验 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、维护 计划、换管计划，配合其它手段实现状态检修。在更 换锅炉管时做到有目的、有计划，而不是 目前所采取 的盲 目大面积的换管，从而避免不必要的浪费。 4 应用实例 某发电厂#1炉系上海锅炉厂制造，型号为 SG- 420／13．7-M418A型锅炉。于 1993年 11月 25日投 产，截止到2001年 10月本次氧化膜测量时，机组共 运行63000余小时，开 62次，停 63次。 对流过热器管材料为钢 102，规格 6938×6，设计 压力13．7 MPa，设计温度 540 oC。在 2001年的机组 大修时发现管子球化4～5级。鉴于此，厂内决定利 用大修期间对过热器管进行寿命评估。 对流过热器现场测量的位置在对流过热器管下 弯头、离下弯头 1 m的直段和离顶棚1．5 m的直段， 对所有的 104排管子进行了内壁氧化膜测量，测量 部位为直管段和管子的弯头。检查发现管子内壁氧 化膜厚度在0．166～0．370 mill。根据内壁氧化膜的 厚度预测管子运行的当量温度在 531 oC～595 oC，已 超过该钢种的极限运行温度(590~C) 采用 L-M参数法，预测管子的剩余寿命按照目 前运行水平，该过热器管的剩余寿命不长，特别是下 弯头的部位，剩余寿命最短的弯头，仅为29000 h。 5 结论 采用本文所开发的系统，可快速地评定锅炉高 温炉管的当前状态，结合其它检查手段，可估算管子 的剩余寿命，指导现场检修，为锅炉高温炉管的状态 检修打下了基础。 (下转第59页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 陈建文，等 主系统参数变更后 自动准同期装置的调整 59 期装置本身性能限制，为解决压差问题，采用在同期 电压回路增加了一个同期变压器的方法，这样做不 仅使二次回路复杂，而且给运行操作带来繁琐，建议 更换同期装置并尝试文中介绍方法。 参考文献： [1] 许正亚．电力系统 自动装置[M] 北京：水利电力出版 社 ，1992． [2] 卓乐友，等 ．微机型 自动准同步装置的设计和应用 [M]．北京 ：中国电力出版社，2002 收稿 日期 ： 2002—10-28； 修回日期 ： 2003—03—17 作者简介 ： 陈建文(1967一)，男，工程师，从事继电保护调试及运行 维护工作； 吕季平(1972一)，男，工程师，从事继电保护整定计算及 调试、运行维护工作。 Adjustment of automatic synchronizing units for the change of parameter of main system CHEN Jian-wen，LV Ji—plr唱 (Huaibei Power Plant，Huaibei 235000，China) Ah血翟ct： ，Illis paper analyses that the parameters ofthe automatic synchronizing equipment in which the synchronous voltage is taken from different voltage stage should beedjusted，whenthe parameterofthemain system are changed．Combinedwith practice，themethodof setting the parameters ofthe equipment and the method of edjustir唱and testing are introduced in detail． Key words： ratio of main transformer； automatic synchronizing equipment； voltage mismatch setting； adjusⅡnent (上接第5O页) 参考文献： [1] Viswanathan R．Life assessment technology for fossil power plant[A]．American power conference on life assessment technology for fossil power plant．西安 ：2001． [2] 吴非文．火力发电厂高温金属运行[M]．北京 ：水利电 力出版社，1981． [3] GB9222／T-88水管锅炉强度计算[S]．北京 ：中国标准出 版社，1988． [4] 涂善东，等 ．高温过程设备的寿命评价技术进展[J]．压 力容器，1996，(2)． 收稿 日期： 2O02一l1一O1 作者简介： 张都清(1970一)，工程师，硕士，研究方向为电站金属部 件的寿命评估； 王雪亮(1970一)，工程师，研 究方向为电站金属部件的 寿命评估的研究； 张广成(1970一)，工程师，学士，研究方向为电站金属部 件的寿命评估的研究。 Rearseh on the life assessment of boiler tube based on inner wall oxide measurement ZHANGDu-qing ，WangXue—liang~，ZHANGGuang-ehengI， Bing-fa (1．Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China；2．Shandong Huaneng Power Plant，Dezhou 255300，China) Ah 眦 t： The paper introduces a system that the equivalent temperature is calculated through measuring the inner wall metal-oxide-scale thickness and the operating state ofthe boiler tube，is assessed comb ined with many tests．The application of the system can quickly estimate the IemaiIling life of the boiler tube and inspect the operating procedures on spot． Key words： boiler tube； inner wall oxide measurement； equivalent temperature； remaining life assessment 维普资讯 http://www.cqvip.com