上安电厂炉评估.docx

合同编号：TPRI/T4-CA- -2004A
报告编号：TPRI/T4-RB-0 -2004

华能石家庄分公司#1炉中间再热器管及高温再热器管寿命诊断报告

国电热工研究院
材料工程技术中心
二 ○ ○ 四 年 二 月

合同编号
：
TPRI/T4-CA--2004A
报告编号
：
TPRI/T4-RB- -2004
课题承担
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国电热工研究院材料工程技术中心
课题负责人
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李建民
主要工作人员
：
李建民 韩传高
课题起讫日期
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2003年12月～2003年12月
报告编写人
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李建民
报告校阅人
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韩传高
审核
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批准
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摘 要
采用内壁氧化层厚度测试分析技术对华能上安电厂#1炉中温再热器管及高温再热器管进行寿命诊断，中温再热器发现5根管子的内壁氧化层厚度超过0.15mm，高温再热器发现10根管子的内壁氧化层厚度超过0.15mm，其中建议换管两根。
关键词：内壁氧化层厚度、金属温度、剩余寿命
华能石家庄分公司#1炉中间再热器管及高温再热器管
寿命诊断报告
1 概况
高温锅炉管的失效与其服役条件紧密相关，只有充分认识其服役条件，找到有效的诊断方法，才能预防过热器和再热器的爆管事故。对于高温过热器管和高温再热器管，运行中具有如下特点：
1)过热器、再热器管长期在高温高压下运行，会发生组织性能老化而蠕变失效。
2)各管排、各管段沿炉膛宽度及高度方向的温度分布不均匀。这种不均匀性普遍存在，且随机组容量的增大而增加。同一管排的不同管子，金属壁温可相差几十度；即使是同一根管子，沿长度方向上温度也有差异。这种壁温差的存在导致各管段的使用寿命大相径庭，有的管段可能早期失效，而又有一些管段仍可继续使用几个大修期。
3)内壁氧化皮的存在导致管壁金属温度升高。对于过热器及再热器，由于蒸汽介质作用，在管子内壁会形成一层致密的氧化皮。氧化皮的传热热阻较大，阻碍了蒸汽介质与管壁金属的热交换，从而导致管壁金属温度升高。
4)超温使管子的安全使用寿命大大降低。过热器、再热器管在额定的设计温度和压力下工作才能保证其使用寿命的实现，但由于实际运行工况的不稳定，因而不能保证在各部分均达到设计值。
5)高温腐蚀使管壁局部减薄。过热器和再热器的管壁减薄除内壁氧化之外，还有外壁的高温氧化腐蚀。
不论哪种方式的壁厚减薄，均是使管子运行应力增加。应力的增加将加速蠕变过程；当运行应力大于管子在使用温度下的极限应力时，还将发生爆管。
由于管子内壁氧化皮厚度的增长与管壁金属温度有明显的对应关系，因此，只要测得内壁氧化皮的厚度及管子的金属壁厚，就能够推算过热器管和再热器管的金属温度和运行应力，进而推导出其剩余寿命。
2 立项背景及技术路线
华能石家庄分公司#1炉为加拿大B&W公司设计的350MW亚临界一次中间再热、自然循环、双拱型单炉膛燃煤锅炉，设计采用“W”火焰燃烧、尾部双烟道、平衡通风、固态排渣。该炉在炉膛上部垂直布置了12排辐射式大屏过热器及44排高温过热器入口屏，在折焰角上方及水平烟道内垂直布置了88排高温过热器出口屏及117排高温再热器，受热面管子材质为SA213T1A、SA213T12、SA213T22及TP304H。大屏过热器底部设计烟气温度为1297℃、高温过热器入口屏前下部设计烟气温度为1163℃、高温过热器出口屏前下部设计烟气温度为1004℃、高温再热器前下部设计烟气温度为934℃；额定工况下过热器出口压力17.85MPa、再热器入口压力3.02MPa、再热器出口压力2.88MPa。
据电厂金属室的档案记载，1990～2002年#1～#4机组锅炉“四管”共发生74次爆漏，其中屏式过热器3次、高温过热器7次、高温再热器15次，占全厂“四管”爆漏总数的34％。按原因分类，过热8次，占11％。#2炉从投产至今累计运行约84000小时，该炉自1990～2002年共发生31次“四管”爆漏，其中屏式过热器2次、高温过热器入口屏3次、高温过热器出口屏0次、高温再热器5次，其中5次为过热。对于因过热所导致的爆管，则可通过快速、无损的锅炉管寿命诊断技术来积极主动地预防。为此，华能石家庄分公司特委托国电热工研究院对其#1炉高温锅炉管进行现场检测和寿命诊断，并最终实现如下目的：
1) 了解高温再热器及高温过热器各管段的超温状态，及沿炉膛东西两侧、前后方向的具体差异，为大修换管提供科学的指导依据。
2) 对“四管”爆漏综合治理工作从早规划、建立数据库，结合多次测量的数据统计分析，并指导运行工况的调整。
3) 使高温再热器、高温过热器做到有目的、有计划的更换管子。既充分利用钢材，又确保安全运行，达到节约检修成本之目的。
4) 为在上安电厂实现状态检修，并把爆管率降低到最低水平打下基础。
寿命诊断方法的选取是适应停机时间短及普查范围广的特点而采用的一种普查全面、定量精确、快速、无损的方法—超声内壁氧化层测厚法。为了使寿命评估结果更符合上安电厂#2炉的具体情况，还根据测量结果选样进行金相及力学性能试验，并对以往的爆管进行分析。
3 检测设备及诊断方法
采用热工院研制的专用超声波氧化层测量设备只需打磨测点处管子外壁的氧化垢层，露出金属光泽，即可进行管子内壁氧化层及剩余壁厚的测量。该设备由超声脉冲发生/接收器、示波器及高频探头组成。我们把能测得的最小氧化层厚度值称为测量下限，本次测量下限值为0.15mm。
图1为示波器上显示的金属/氧化层界面及氧化层背面的射频回波。示波器可同时测量超声波在管壁金属中的传播时间和在氧化层中的传播时间，测量精度为5ns。再按试验测出氧化层的超声波声速求得内壁氧化层厚度。超声波在钢中的传播速度是一定值，因而很容易由超声波在管壁金属中的传播时间来计算剩余壁厚。

图1、管子内壁有氧化层时的射频回波
通常认为超声波可以发现的最小缺陷尺寸为波长的1/2。近年来的理论研究证明，若对回波高度没有规定，并配合高频率的数字化示波器，仪器的灵敏度和信噪比会很高，不连续性检出的灵敏度能达到波长的1/5～1/10。例如，探头频率采用15MHz时，则可检出的单个不连续性可小至40μm～75μm。对于锅炉“四管”来说，单个晶粒的最小尺寸一般为12μm左右，因而，不论是氢损伤、蠕变损伤，还是疲劳损伤，从理论上来说，只要损伤面积达4～7个晶粒，采用高频超声射频回波技术就能够检出。
试验证明，采用该设备在测量内壁氧化层厚度的同时，还可对内壁晶间微裂纹进行检测，检测下限值为裂纹深度0.075mm。微损伤首先在内壁附近金属基体内萌生晶间微裂纹，随着损伤的加剧，晶间微裂纹的数量、区域扩大，并逐渐连接起来。在超声纵波沿管壁垂直传播到金属基体/晶间微裂纹界面时将会产生超声波的反射和透射现象（通常由于晶间微裂纹的取向是随机的，这种反射称之为散射），微损伤降低了超声波的传播速度，检测仪器就可能检测到并分辨金属基体/晶间微裂纹界面和管壁内表面的回波。因此通过检测这种反射回波就可以了解微损伤的情况，图2为超声波检测微损伤的原理图，图3为内壁有微损伤时的超声反射回波情况。

图2、超声波检测微损伤（微裂纹）原理示意图

图3、内壁有微损伤(微裂纹)管子的典型超声反射回波
高温锅炉管内壁氧化层的增长厚度与其在该段服役期内的金属温度有一定的对应关系。对于SA213T1A、SA213T12、SA213T22来说，满足如下的方程式：
式中：T——金属温度（℃）
X——管子内壁氧化层厚度（mm）
t——管子已运行时间（h）
a、b——材料常数
该公式在高温区和较低温度区具有不同的a、b常数，反映出金属温度与内壁氧化皮厚度的关系曲线是两条不同走向的曲线相交于某一温度点，该温度点T0称为分界温度。对于T11钢来说，T0＝575℃；对于T12钢来说，T0＝585℃；对T22来说，T0＝595℃。
高温锅炉管的寿命评估是基于当量金属温度及应力的Larson—Miller公式：

式中：tr——蠕变断裂寿命（h）
T——当量金属温度（K）
б——运行应力（Kgf/cm2）
C0、C1、C2、C3、C4——材料常数
考虑各管段在今后的使用中由于氧化、磨损或腐蚀将使壁厚明显减薄，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，理论计算寿命的评估是采用考虑壁厚减薄率的下列经验公式：

式中：trem——理论计算寿命（h）
tr——蠕变断裂寿命（h）
n——应力敏感系数，通常取4～8
K——壁厚减薄率（mm/h）
4 测点位置及数量
中间再热器（图4中测点位置#1）：测量外两圈管子，规格φ57×3.8mm，材质T11
高温再热器（图4中测点位置#2）：测量外两圈管子，规格φ51×3.8mm，材质T22
累计测量管段117×4＝468根

图4 #1炉再热器测点位置及数量
5 宏观检查结果：
高再A→B（西→东）15-1、21-1外壁存在轻微高温腐蚀。中再A→B（西→东）116-1、117-1外壁存在轻微高温腐蚀。
6测量及计算结果：
中间再热器（图4中测点位置#1）：

管排号
根数
实测壁厚mm
内壁氧化层厚度μm
金属温度℃
应力MPa
剩余寿命h
25
2

365
555

35000
29
2

347
551

58000
61
1

330
547

60000
75
1

296
538

90000
77
1

330
547

59000
90
1

296
538

80000
注：管排编号AB（西 东）
高温再热器（图4中测点位置#2）：

管排号
根数
实测壁厚mm
内壁氧化层厚度μm
金属温度℃
应力MPa
剩余寿命h
11
1

局部626
602

14840
18
1

330
587

40756
18
2

347
591

92167
20
2

347
591

100000
22
2

347
591

100000
24
1

330
587

41800
24
2

347
591

100000
26
2

347
591

78221
30
2

347
591

100000
38
1

330
587

47509
注：管排编号AB（西 东）
7 结论与建议：
建议更换AB（西 东）中间再热器25-2及高温再热器11-1，更换长度如图4中粗线所示。下次检修时及时更换高温再热器18-1、24-1、38-1。