锅炉定期检验中强度校核计算分析

荆树春

（华电电力科学研究院有限公司，杭州310030）

0 引言

在锅炉定期检验过程中，强度校核计算是一种重要的检验方法。根据TSG G7002-2015《锅炉定期检验规则》要求，对于电站锅炉以外的锅炉，“受压部件严重腐蚀或者磨损减薄，应当进行强度校核计算，最小实测壁厚小于最小需要厚度时，应当进行修复（堆焊后磨平、挖补、更换）”[1]。根据TSG G0001-2012/XG1-2017《锅炉安全技术监察规程》 第1 号修改单的要求，“锅炉本体受压元件的强度可以按照GB/T 16507.4《水管锅炉 第4部分：受压元件强度计算》(以下简称GB/T 16507.4)或者GB/T 16508.3《锅壳锅炉 第3 部分：设计与强度计算》(以下简称GB/T 16508.3)进行计算和校核”[2]。根据GB/T 16507.4 和GB/T 16508.3 中的计算方法要求，在锅炉定期检验过程中进行强度校核计算时，需确定基准压力等参数。基准压力的选取或计算正确与否直接影响强度计算的准确性[3]，并可能导致做出对锅炉是否符合安全运行要求的错误判断。因此，不同的基准压力选取方法如何影响计算结果需进一步分析和研究。

1.强度校核计算方法

为了便于研究，以筒体作为研究对象，按照GB/T 16507.4 和GB/T 16508.3[4][5]，筒体的强度校核按公式（1）或公式（2）进行。

其中：[p]表示最高允许工作压力(MPa)；φmin表示最小减弱系数； [σ]表示材料许用应力(MPa)；δe表示有效厚度（mm）；Di表示筒体内径（mm）；Do表示筒体外径（mm）。

再热蒸汽系统外的锅炉元件计算压力按公式（3）确定。

其中：p表示计算压力(MPa)；pr表示额定工作压力(MPa)；Δpf表示工质流动阻力(MPa)；Δph表示液柱静压力 (MPa)；Δpa表示设计附加压力 (MPa)。

若按照GB/T 16507.4，在强度校核计算过程中，需要根据金属壁温tb选取材料的许用应力[σ]。金属壁温tb可以由传热计算确定，但传热计算所需实际工况的热流均匀系数、热流密度、传热系数等参数较难确定，则通常由平均工质温度tm采用查表选取的方法来确定金属壁温tb。对于蒸汽锅炉，锅筒的平均工质温度tm应由计算压力p确定。

若按照GB/T 16508.3，在强度校核计算过程中，需要根据计算温度tc选取材料的许用应力[σ]。计算温度tc可以由传热计算确定，但传热计算所需实际工况的热流均匀系数、热流密度、传热系数等参数较难确定,则通常由介质额定平均温度tmave采用查表选取的方法来确定计算温度tc。对于蒸汽锅炉，介质额定平均温度tmave应由额定压力pr确定。

以上两种标准对于材料的许用应力[σ]的选取给出了不同方法，应该采用由实际工作压力p0确定的平均工质温度tm，还是应该采用由额定压力pr确定的介质额定平均温度tmave，还有的工程师提出应该采用由计算压力p确定的计算温度tc，还需进一步分析和讨论。

2.案例分析

2.1 工业锅炉锅筒

假设，一台工业蒸汽锅炉的额定工作压力为1.25 MPa，锅筒材料牌号为20，筒体内径Di=2 000 mm，取用壁厚10 mm，内部检验时发现锅筒局部减薄，经壁厚测量得最小实测厚度7.8 mm，上次检验时最小实测厚度9.6 mm，实际工作压力p0=1.10 MPa，最小减弱系数φmin取1.0。

按以下4 种方案对锅筒进行强度校核计算。

方案一：额定工作压力pr取1.25 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和蒸汽温度193.4 ℃，即为介质额定平均温度tmave，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为132.2，由公式（1）计算得出最高允许工作压力[p]为0.790 MPa。

方案二：由公式(3)求得计算压力p为1.30 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和蒸汽温度195.1 ℃，即为计算温度tc，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为131.9，由公式（1）计算得出最高允许工作压力[p]为0.789 MPa。

方案三：实际工作压力p0取0.80 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和蒸汽温度175.4 ℃，即为平均工质温度tm，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为135.4，由公式（1）计算得出最高允许工作压力[p]为0.810 MPa。

方案四：以最高允许工作压力[p]作为基准压力，初值取0.8 MPa，由公式（1）利用迭代法进行计算得出最高允许工作压力[p]为0.809 MPa。

如图1 所示为不同基准压力下计算得出的最高允许工作压力变化趋势，在工业锅炉定期检验中强度校核计算时，随着基准压力的增大，计算得出的最高允许工作压力随之减小。如图2 所示为工业锅炉各方案计算得出的最高允许工作压力及实际工作压力对比。按照方案一和方案二计算得出的最高允许工作压力[p]低于实际工作压力p0，在实际工作压力p0参数下运行是不符合锅炉安全运行要求的；但按照方案三和方案四计算得出的最高允许工作压力[p]高于实际工作压力p0，在实际工作压力p0参数下运行是符合锅炉安全运行要求的。方案四以最高允许工作压力[p]确定材料许用应力系数[σ]，是最精确的计算方法；方案三以实际工作压力p0确定材料许用应力系数[σ]，所得最高允许工作压力[p]高于方案四，在此最高允许工作压力[p]参数下运行不能保证锅炉安全；而方案一和方案二计算得出的最高允许工作压力[p]低于方案四，在此最高允许工作压力[p]参数下运行能够保证锅炉安全。

因此，在工业锅炉定期检验中强度校核计算时，为计算简便，可以优先选择方案一或方案二进行计算，即采用计算压力或额定工作压力作为基准压力进行强度校核计算，但当利用方案一或方案二计算所得最高允许工作压力[p]低于实际工作压力p0时，应利用方案四进一步强度校核计算，即利用迭代法进一步强度校核计算，才能判断锅炉是否符合安全运行要求。

图1 不同基准压力下计算得出的最高允许工作压力变化趋势

图2 工业锅炉各方案计算得出的最高允许工作压力及实际工作压力对比

2.2 电站锅炉集箱

假设，一台电站锅炉的锅炉额定工作压力为13.7 MPa，前墙水冷壁上集箱材料牌号为20G，筒体内径Do=356 mm，取用壁厚50 mm，实际工作压力p0=15.6 MPa，内部检验时发现前墙水冷壁下集箱局部减薄，经壁厚测量得最小实测厚度32.3 mm，上次检验时最小实测厚度40.6 mm，最小减弱系数φmin取1.0。按以下4种方案对锅筒进行强度校核计算。

方案一：额定工作压力pr取13.7 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和水温度335.6 ℃，即为介质额定平均温度tmave，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为108.7，由公式（2）计算得出最高允许工作压力[p]为15.72 MPa。

方案二：由公式(3)求得计算压力p为15.85 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和蒸汽温度347.1 ℃，即为计算温度tc，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为105.7，由公式（2）计算得出最高允许工作压力[p]为15.29 MPa。

方案三：实际工作压力p0为15.60 MPa，作为基准压力，与之对应的饱和蒸汽温度345.9 ℃，即为平均工质温度tm，利用线性插值取得材料许用应力系数[σ]为106.1，由公式（2）计算得出最高允许工作压力[p]为15.33 MPa。

方案四：以最高允许工作压力[p]作为基准压力，初值取13.7 MPa，由公式（2）利用迭代法进行计算得出最高允许工作压力[p]为15.38 MPa。

如图3 所示为电站锅炉各方案计算得出的最高允许工作压力对比。按照方案二、方案三和方案四计算得出的最高允许工作压力[p]低于实际工作压力p0，在实际工作压力p0参数下运行是不符合锅炉安全运行要求的；但按照方案一计算得出的最高允许工作压力[p]高于实际工作压力p0，在实际工作压力p0参数下运行是符合锅炉安全运行要求的。方案四以最高允许工作压力[p]确定材料许用应力系数[σ]，是最精确的计算方法；方案一以额定工作压力pr确定材料许用应力系数[σ]，所得最高允许工作压力[p]高于方案四，在此最高允许工作压力[p]参数下运行不能保证锅炉安全；而方案二和方案三计算得出的最高允许工作压力[p]低于方案四，在此最高允许工作压力[p]参数下运行能够保证锅炉安全。因此，在电站锅炉定期检验中强度校核计算时，采用迭代法进行强度校核计算也是很必要的。

图3 电站锅炉各方案计算得出的最高允许工作压力对比

3.结论

（1）利用迭代法进行计算得出的最高允许工作压力最精确。

（2）在工业锅炉定期检验中强度校核计算时，为计算简便，采用计算压力或额定工作压力作为基准压力计算时得出的最高运行工作压力，安全裕度较大，符合锅炉安全运行要求。但当采用计算压力或额定工作压力作为基准压力计算时得出的最高运行工作压力低于实际工作压力时，应利用迭代法进一步强度校核计算，才能判断锅炉是否符合安全运行要求。

（3）在电站锅炉定期检验中强度校核计算时，采用迭代法进行强度校核计算也是很有必要的。