在用蒸汽锅炉炉管剩余寿命的预测分析

张英豪，杨 楠，于成志，董 博，赵 哲

（大庆石化公司检测公司，黑龙江大庆163714）

在用蒸汽锅炉炉管剩余寿命的预测分析

张英豪，杨 楠，于成志，董 博，赵 哲

（大庆石化公司检测公司，黑龙江大庆163714）

针对蒸汽锅炉炉管失效问题及剩余寿命进行了分析，结合国外相关标准化，提出了炉管的2种剩余寿命评估方法。应用金相图片及高频超声波氧化层测厚法，对炉管剩余寿命准确的预测，并在锅炉的实际检验中得以应用。

蒸汽锅炉；炉管检验；剩余寿命预测；氧化物厚度

在锅炉检验中，通过锅炉运行资料审查、定期的检测锅炉炉管材料劣化（蠕变、疲劳、球化、高温腐蚀等），从而对锅炉炉管剩余寿命进行预测分析。结合有关国内文献对炉管寿命预测提出了2种可行的计算方法，即运行历史审查对炉管蠕变寿命评估法；公式计算炉管蠕变寿命法。为确定锅炉的使用年限和制定相关规程提供借鉴。

1 运行历史审查对炉管蠕变寿命评估法

该评估方法是根据蠕变程度，依靠应力及温度2个方面因素，而运行历史就能提供应力和温度这方面信息，再结合材料的断裂数据，来进行蠕变剩余寿命百分率计算。

在评估中，估定材料温度时，应注意锅炉设计的额定温度并不等于金属材料壁温，炉管材料的温度可能高一些（水冷壁管，过热器管材等）。也可能低一些（集油联箱，注蒸汽管等）还要依靠介质的流动方向以及锅炉系统中所处位置。

确定运行金属必须在运行中实地测量，现在大中型蒸汽锅炉高温受压元件都有测温仪表。对于运行中的应力存在。它还存在着开孔，相邻部件的互相牵制产生的附加应力。这些应力在设计时有一些未能充分考虑。这就要求在审查中注意进行具体应力分析对一些比较复杂结构最好用有限元分析法。确定了温度和应力之后下一步就是材质蠕变断裂数据。对于常用材质可以查阅到这个数据，对于这个数据选取，其一就是设计规范给出的材质标准断裂数据，其二就是应用BS500中ISO平均特性曲线，ISO断裂强度通常除以1.25得出最小蠕变断裂数据。最后应用RobinSon寿命分数规则。从设备记录中整理出直方图来表示评定部位的离散应力水平和温度。断裂时间应以蠕变断裂数据来建立。

2 公式计算炉管蠕变寿命法

炉管蠕变寿命评定计算程序包括7个步骤。

（1）对于炉管从最初置于高温条件到最终蠕变断裂失效的整个断裂时间tnr计算式［1］:

式中 tr（0）—无壁厚减薄的整个断裂时间；k—炉管外壁的减薄率；n—蠕变公式中幂指数。

（2）壁厚的减薄由炉管外壁高温腐蚀引起，减薄率k的计算:

式中 t—时间；W—时间t时的厚度；W0—原壁厚。

（3）二次蠕变率的计算:

式中 ∈—二次蠕变率；σ—应力；A—应力因子。

（4）给定炉管“无减薄”整个断裂时间tr（0）是金属温度和应力的函数［2］:

式中Teq—等效金属温度，定义是“把产生同等冶金状态的等效恒定温度代替复杂变化的温度。”

（5）Teq可以从氧化层厚度评估出来，它是当量温度时间t及氧化层厚度X的函数:

（6）氧化层的厚度根据操作时间和金属温度的关系求出经验公式[3～5]:

式中 A、B、C1为常数，对于断裂的情况:

假设X在斜率S下线性随时间变化:

则对于断裂时:

对于a1、a2、a3的取值，由相关材料的经验参数确定。

（6）对于等效金属温度包括在Larson-Miller参数P2中，P2表示钢材蠕变断裂试验数据性能特征。

（7）对于应力δr（0）在无壁厚减薄情况下:

式中 OD—炉管内直径；P—内压，W0—原壁厚。

式中 tnr—蠕变断裂时间；k—壁厚减薄率，用检验时间来代替运行时间；n—材料特性参数；P2—管子无减薄时从适合文献蠕变断裂数据获得，在相关文献中查得；δr（0）—不变的应力；C2—常数，取值20。

最后，由检验时间代替运行时间，氧化层厚度应用检验时的实测厚度，就可以应用来逐次逼近求整个断裂时间tnr。从而完成锅炉炉管剩余寿命的预测分析。

3 结束语

应用公式计算炉管蠕变寿命得出的理论值和实际运行寿命有一定的差别，这是因为应用的有关计算数值都不是精确的。像材料特性以及几何特征和操作参数都是保守值，并且这2种算法计算值都是单一值，实际上输入值都有一定的不确定性。所以还有待于进一步完善。

这2种方法为锅炉炉管检验及剩余寿命评定提供了新的计算方法，并且已经得到断管断裂的数据证明，且已经在HG410/100-11型炉管剩余寿命评定中得以初步应用，获得了较好的效果。

［1］吴非文.火力发电厂高温金属运行［M］.北京:水利电力出版社，1981:110-111.

［2］方英鹤.关于主蒸汽管道蠕变测量方法的探讨［J］.电力技术，1984，17（10）:38-41.

［3］刘尚慈.主蒸汽管道负蠕变及蠕变变形寿命损耗量修正［J］.中国电机工程学报，1990，10（4）:27-30.

［4］刘尚慈.主蒸汽管道蠕变变形寿命损耗量［J］.武汉水力电力大学学报，1995，28（5）:15-17.

［5］周顺深.用持久强度计算高温部件剩余寿命的不可靠性［J］.华东电力，1995（6）:52-53.

Predictive analysis of remaining life of in-use steam boiler tubes

Zhang Yinghao，Yang Nan，Yu Chengzhi，Dong Bo，Zhao Zhe
（Detection Company of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Analysis was made aiming at the steam boiler tube failure problem and remaining life，2 kinds of evaluation methods of remaining life was proposed combined with relevant foreign standardization.Using metallograph and high-frequency ultrasonic wave oxide lay thickness measuring method，accurate prediction was made to the remaining life of boiler tubes，so that the measuring method can be used in practical inspection.

steam boiler；boiler tube；remaining life prediction；oxide thickness

TK22

B

1671-4962（2017）02-0049-02

2017-01-21

张英豪，男，工程师，1998年毕业于燕山大学机电一体化专业，现从事特种设备检验检测工作。