电站锅炉过热器出口集箱评估

何澎 邓学民

辽宁省本溪市特种设备监督检验所 辽宁本溪 117000

随着工业的发展，高温、高压锅炉使用日益广泛，但在长期高温、高压、介质腐蚀和载荷的影响下，锅炉极易产生缺陷引发事故，一旦发生事故，会造成人身伤亡和经济损失。本文依据相关标准，利用科学、有效的检验手段，对锅炉过热器出口集箱进行安全评估，为设备的安全运行提供有力的技术支撑，避免事故发生，节约企业成本，提高企业经济效益。

1 基本情况

某发电厂电站锅炉（以下简称该锅炉），型号为YG-35/3.82-Q，为燃气承压蒸汽锅炉。该锅炉于2000年9月投产运行，至今已运行20年，累计运行时间约17.9万小时。根据DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》、GB/T30580-2014《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》、DL/T654-2009《火电机组寿命评估技术导则》等标准的要求，需对该锅炉主要承压部件进行寿命评估。

1.1 过热器出口集箱结构参数

该锅炉过热器出口集箱（以下简称集箱）为圆筒结构，两端为平板封头。

集箱筒体为无缝管，规格为Φ273×16mm，材质为12Cr1MoV；端盖为平板封头，厚度为90mm，材质为15CrMo锻件；集箱底部与过热器管束相连，管束规格为Φ42×3.5mm，共39根，材质为15CrMoG。

工作温度：430～450℃；

设计温度：450℃；

工作压力：3.4～3.8MPa；

设计压力：3.82MPa。

1.2 锅炉概况

该锅炉由济南锅炉厂于1999年10月建造，由东电一公司于1999年11月安装，2000年9月投入运行，至2021年2月累计运行178992小时。该锅炉额定蒸发量为35t/h，额定工作压力为3.82MPa，额定出口工作温度450℃。运行过程中，集箱的工作温度在430～450℃范围之间波动，工作压力在3.4～3.8MPa范围内波动；总的启停次数约240次。

2 寿命评估工作内容及评估依据

本次评估主要工作内容有：宏观几何检验、厚度检验、硬度检验、化学成分检验分析、微观组织金相检验分析、焊接接头无损检测、强度校核与应力分析、蠕变寿命估算、超标缺陷安全评定等等[1]。

寿命评估主要依据：①该锅炉本体的集箱的设计资料、安装资料、及运行说明。②本次检验检测报告。③TSGG7002-2015《锅炉定期检验规则》。④GB/T35013-2018《承压设备合于使用评价》。⑤DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》。⑥GB/T30580-2014《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》。⑦DL/T654-2009《火电机组寿命评估技术导则》。⑧DL/T940-2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》。⑨GB/T19624-2019《在用含缺陷压力容器安全评定》。

3 检验检测结果分析

本次评价进行的检验检测工作有厚度检验、硬度检验、化学成分检验分析、微观组织金相检验分析、焊接接头无损检测等。

3.1 厚度检验结果

对集箱的筒体和封头进行厚度测量。筒体部位的最小厚度为15.47mm；封头部位的最小厚度为87.77mm。本次应力计算则以这两个实测厚度为依据。

3.2 化学成分检验结果

对集箱筒体、封头和焊缝部位进行现场光谱检验，检验结果表明：筒体其化学成分均符合12Cr1MoVG材质国家标准要求；端盖符合15CrMo锻件材质国家标准要求；焊材为R307材质，符合国家标准要求。

3.3 硬度检验结果

对集箱筒体母材、焊缝及热影响区进行现场硬度检验，检验结果其布氏硬度值均符合相应材质国家标准要求[2]。

3.4 焊接接头无损检测

对集箱两端部位的焊缝进行了表面和内部的无损检测。采用磁粉和渗透两种方法对所有焊缝进行了表面检测，检测结果均为Ⅰ级（合格）；采用常规脉冲超声和相控阵超声方法对所有焊缝进行了内部检测，未发现超标缺陷，超声检测均为Ⅰ级（合格）。

3.5 微观组织金相检验分析

在集箱筒体、焊缝部位进行金相复膜取样，试验室金相显微镜观测，筒体金相组织基本正常，出现球化2级至3级。

4 集箱应力分析与强度校核

根据GB/T16507.4-2013《水管锅炉第4部分：受压元件强度计算》等标准，对集箱进行应力计算与强度校核，应力计算过程与结果如下：

计算压力P=3.82MPa

计算温度T=450℃

筒体外径Do=273mm

筒体厚度δn=16mm

材料设计温度下的许用应力[σ]t=141MPa

集箱底部排管外径do=42mm

集箱底部排管壁厚δg=3.5mm

集箱底部排管内径di=do-2δg=35mm

集箱底部排管间距S=80mm

管排削弱系数φmin=（S-di）/S0.562

筒体最小厚度δmin=15.47实测

筒体环向膜应力σθ=PDo/2δmin=33.706MPa

判据1：σθ＜φmin[σ]t=79.24安全

筒体腐蚀欲量C2=0.5mm（根据文献[3]确定）

筒体有效厚度δe=δmin-C2=14.97mm

当量膜应力=PDo/2δe=34.832MPa

孔边环向应力集中系数Kn=3.1（文献[3]表A.1）

孔边轴向应力集中系数KZ=-0.2（文献[3]表A.1）

孔边径向应力集中系数Kr=-2δe/（Do-δe）=-0.116

孔边环向应力σn=Knσe=107.98MPa

孔边轴向应力σz=Kzσe=-6.966MPa

孔边径向应力σr=Krσe=-4.041MPa

孔边最大应力σmax=σn-σz=114.95MPa

判据2：σmax＜3[σ]t安全

平盖材料许用应力[σ]tg=113MPa查[2]表7

平盖结构特性系数Kf=0.58文献[3]表11

平盖计算直径Dc=Do-2δmin=242.06

平盖最小厚度δgmin=87.77mm

平盖应力σg=P（DcKf/δgmin）2=9.774

判据3：σg＜[σ]tg安全

上述计算结果可见：集箱筒体一次应力、孔边最大应力和平盖应力均满足强度条件。

因压力和温度波动范围都很小，孔边最大应力又远小于许用值，所以集箱筒体不会发生疲劳失效。另12Cr1MoVG材料的蠕变阈值温度约为480℃，因此450℃温度下工作的集箱不会发生蠕变失效[3-4]。

5 结语

通过对该集箱化学成分、硬度值均，金相组织及经强度计算和应力分析表明，集箱筒体和平盖强度满足要求，可以继续使用。该集箱可以继续运行到下一检验周期。