某厂1号锅炉高过和后屏过管样寿命分析 贾炳禄（大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂，河北张家口075133）摘要： 某厂锅炉在运行时间超过15 万小时之后，炉内受热面产生了老化倾向，通过各种检测手段对高温过热器和屏式过热器进行分析，得出了受热面剩余寿命的年限，本文对新、老电厂锅炉受热面的维护管理有一定的借鉴作用关键词：锅炉 受热面 老化 寿命评估TK224.2 ：A ：1003-9082 （2015） 06-0322-02一、引言某厂1 号炉由东方锅炉厂生产制造的DG1025/177-Ⅱ型炉，为亚临界，一次中间再热、自然循环、全悬吊、平衡通风、燃煤汽包炉1 号机组于1991 年8 月25 日投运，至2013 年6 月30 日检修时累计运行约160177.54小时，启停160 次1 号炉高温过热器位于遮烟角后上方，沿宽度方向共布置57 屏，横向节距S=228.6mm，每屏由7 圈U 型管组成该处入口烟温约900℃高温过热器管子材料由12Cr2MoWVTiB 和12Cr1MoV 组成，规格均为Φ51×8mm1 号炉后屏过热器位于炉膛出口后上方，沿宽度方向共布置19 屏，横向节距S=685.8mm，每屏由13 圈U 型管组成。
后屏过热器除向火面的最外圈两圈管子为SUS304HTB （Φ51×9mm） 外，其它部位材料均为12Cr2MoWVTiB，规格Φ51×8mm为掌握1 号炉12Cr2MoWVTiB 材质的高温过热器和后屏过热器管的材质状态，对1 号炉高温过热器和后屏过热器8 根取样管进行寿命评估1.试验结果及分析1.1 宏观形貌检查8 段管样的宏观形貌：a）4 号管样整个外表面可见一层黑色的氧化皮，其它6 段运行管迎烟侧外表面可见由高温烟气腐蚀产生的红褐色痕迹，8 号新管外表面呈黑色，局部存在黄褐色锈斑b）1～7 号运行管内壁氧化层较为完整致密，未见明显剥落痕迹1.2 化学成分分析按照GB/T 223 系列标准对1 和8 号管样进行化学成分分析，结果经对比：1 和8 号管样的化学成分分析结果符合GB 5310 对12Cr2MoWVTiB的要求1.3 拉伸试验在8 段管样上制取拉伸试样，按照GB/T 228.1 在MTS880 电液伺服试验机上对试样进行室温拉伸试验，结果见表4由表可见：6 号管样室温下迎烟侧的规定塑性延伸强度和抗拉强度及背烟侧的规定塑性延伸强度低于GB 5310 对12Cr2MoWVTiB 新管要求的下限值，6 号管样室温下迎烟侧和背烟侧的断后伸长率及背烟侧的抗拉强度符合标准的要求；其它7段管样室温下的规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后伸长率符合标准的要求，但4 和5 号管样的规定塑性延伸强度和抗拉强度已接近标准要求的下限值。
1.4 冲击试验在1 和8 号管样上制取纵向冲击试样，按照GB/T 229 在JBC-300 型冲击试验机上对试样进行室温冲击试验，结果：1 和8 号管样的冲击吸收能量符合GB 5310 对12Cr2MoWVTiB 新管的要求1.5 维氏硬度试验按照GB/T 4340 在HVS-50 型维氏硬度机上对金相样进行维氏硬度试验，试验力30kgf，保持时间10S，结果见表6经对比：6 号管样迎烟侧的维氏硬度值低于DL/T 438 对12Cr2MoWVTiB 新管要求的下限值，其它管样的维氏硬度值符合标准的要求1.6 金相检验微观组织观察在8 段管样上各制取1 个环向金相试样，在OLYMPUS GX71 金相显微镜下进行金相组织检查，并依据DL/T 884-2004“火电厂金相检验与评定技术导则”对试样进行组织老化评级，结果1.6.1 中，2 号管样的微观组织为贝氏体，其它管样的微观组织均为铁素体+ 碳化物；7 段运行管迎烟侧的组织老化程度均比其背烟侧明显，1、4、6 和7 号管样迎烟侧组织老化3.5 级，2、3 和5 号管样迎烟侧组织老化3级1.6 的微观组织为铁素体+ 碳化物，不是典型的回火贝氏体组织。
二、管样材质状态与蠕变剩余寿命估算1.材质状态评估将8 段管样选取各自试验结果的最差值做为该管段的试验结果，结果：a）1～7 号管样的外径蠕变应变和壁厚减薄量符合标准的要求b）6 号管样的规定塑性延伸强度、抗拉强度和硬度已低于标准要求的下限值，6 号管样的断后伸长率和1～5 和7 号管样的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和硬度符合标准的要求c)2 号运行管微观组织为贝氏体，其它运行管微观组织为铁素体+ 碳化物；1、4、6 和7 号管样组织老化均为3.5 级，2、3 和5 号管样组织老化均为3 级；4 号管样的内壁氧化层最厚，为0.70mm，其它管样内壁氧化层厚度在0.44～0.66mm 之间d)8 号新管的微观组织为铁素体+ 碳化物，不是典型的回火贝氏体组织，其它试验结果均合格或正常综上所述，7 段运行管均有明显的性能劣化和组织老化，其中4 号管样内壁氧化层最厚，6 号管样性能劣化显著；除4 和6 号管样外的其它运行管的材质状态与其服役时间基本吻合，未见明显的加速老化、劣化和损伤现象8 号新管组织为铁素体+ 碳化物，不是典型的回火贝氏体组织，其它试验结果均合格或正常2.蠕变寿命估算在管子原始状态一定的情况下，影响锅炉管剩余寿命的主要因素有：温度、应力和已运行时间，其中温度为管子运行的当量金属壁温，应力为管子的实际应力，时间为累计运行时间。
高温锅炉管由于承受着较高压力且运行温度在蠕变温度范围内，其损伤的主要形式是高温蠕变随着运行时间的延长，管子的内壁会产生一层致密的氧化层，其成份主要是Fe2O3 和Fe3O4，管子内壁氧化层的厚度增长及形貌结构均与管壁金属温度有明显的对应关系因此，可通过锅炉管内壁氧化层的厚度来间接地估算锅炉管壁当量金属温度根据内壁氧化层厚度、运行时间和特定的材料参数就可以确定管子的当量温度，根据管壁的金属层厚度和管子内压就可以确定管子的实际应力，将上述的当量温度、实际应力代入相应材料的蠕变持久推算式就可以估算出管子的剩余寿命，从而可以有效地指导高温受热面的检修和换管工作，保障设备的安全可靠运行2.1 当量温度估算锅炉管运行过程中总存在温度波动，其寿命损耗等效于在某一固定的金属温度及特定的应力条件下服役的时间，这个金属温度就称之为当量温度因而，当量温度既不是管子的外壁温度，也不是其内壁温度或内、外壁温度的平均值，而是某段服役期内实际运行温度的一种等效描述通过内壁氧化层厚度和锅炉管运行时间可以评估当量温度高温锅炉管内壁的氧化层厚度与其当量温度和运行时间之间存在着如下的定量的关系：式中：x－内壁氧化层厚度(μm)；t－管子已运行时间(Kh)；T－当量温度(K)；[来自www.LW]A0、K0 为金属的材料系数。
各管样及管样的不同部位的当量温度估算结果见表112.2 内压应力计算锅炉管的内压应力一般由其平均周向应力表示，即：式中：P－蒸汽压力(MPa)，高过管和后屏过管分别按17.26MPa 和17.5MPa 计算Dw－炉管外径(mm)，外径小于等于公称壁厚的管样均按51.0mm 计算，大于公称壁厚的管样均按实测最大外径计算δ－实际壁厚(mm)，按实测最小壁厚计算2.3 蠕变寿命估算高温锅炉管的蠕变寿命评估采用Larson-Miller 模型：式中：tr—蠕变断裂寿命(h)；T—当量温度(K)；σ—运行应力(MPa)，寿命估算时对内压应力考虑1.5 倍的安全系数；C0、C1、C2、C3、C4、C5—特定的材料常数考虑各管段在今后的使用中由于氧化、磨损或腐蚀将使金属层厚度明显减薄，它所导致的应力升高改变了原有的蠕变速率，会造成实际寿命缩短因此，考虑了管子壁厚减薄率的使用寿命为：式中：trem —考虑管子壁厚减薄率的使用寿命(h)；tr—L-M 参数公式[来自www.LW5u.coM]计算的蠕变断裂寿命(h)；n—应力敏感系数；K—壁厚减薄率(mm/h)估算结果见表9由表可见：4 和6 号管样蠕变剩余寿命分别为1.5 和2 万小时，其它管样还有较长的蠕变剩余寿命。
3.剩余寿命综合评估由于基于管子内壁氧化皮厚度估算壁温的蠕变剩余寿命估算的结果是假定管子一直按稳定壁温运行并且管子原始状态正常的条件下的估算结果而管子实际的服役寿命还受一些偶然因素的影响，如管子短时间较大幅度的超温，这种情况下内壁氧化皮厚度并未大幅增加，但管子材料的老化、劣化和损伤却较大因此需要结合蠕变寿命估算和材质状态评估两方面因素综合评估管子的剩余寿命由以上分析可知，7 段运行管均有明显的性能劣化和组织老化，其中4号管样内壁氧化层最厚，6 号管样性能劣化显著；除4 和6 号管样外的其它运行管的材质状态与其服役时间基本吻合，未见明显的加速老化、劣化和损伤现象基于氧化层厚度基础上估算的4 和6 号管样蠕变剩余寿命分别为1.5 万和2 万小时，其它管样还有较长的蠕变剩余寿命因此综合评估认为，正常运行工况下高过左数36 屏后数第5 根（4 号）和左数41 屏后数第1 根（6 号）管样蠕变剩余寿命分别为1.5 万和2 万小时，高过其它运行管和后屏过运行管的蠕变剩余寿命均能满足较长时间（≥6 万小时）的安全运行要求三、结论和建议1.结论1.1 高过左数36 屏后数第5 根管样内壁氧化层最厚，高过左数41 屏后数第1 根管样性能劣化显著，其它5 段运行管的材质状态与其服役时间基本吻合，未见明显的加速老化、劣化和损伤现象；新管组织为铁素体+ 碳化物，不是典型的回火贝氏体组织，其它试验结果均合格或正常。
1.2 正常运行工况下高过左数36 屏后数第5 根和左数41 屏后数第1根管样蠕变剩余寿命分别为1.5 万和2 万小时，高过其它运行管和后屏过运行管的蠕变剩余寿命均能满足较长时间（≥6 万小时）的安全运行要求2.建议2.1 择机更换本次割管时仍残留的左数36 屏后数第5 根和左数41 屏后数第1 根管段2.2 采用高频超声测量技术现场对高温受热面管子进行内壁氧化皮厚度测量的蠕变剩余寿命估算参考文献[1]樊泉桂，阎维平，闫顺林．锅炉原理[M]．北京：中国电力出版社.2008[2]宋维锡．金属学[M]．北京：冶金工业出版社，1989作者简介：贾炳禄，男，（1984-），工程师，大唐国际张家口发电厂设备部锅炉专业点检员 -全文完-。