■必要性及意义
火电机组大多部件长期在高温、高压下服役,有的还要在高速旋转条件下运行,同时还伴随着腐蚀、磨损等。这些部件材料的微观组织会随着运行时间的延长而劣化,产生蠕变损伤,如珠光体的分散,碳化物的球化、在晶界聚集和长大、晶界裂纹的产生;伴随着微观组织的损伤而引起材料性能的劣化,如拉伸性能、持久、蠕变强度、冲击韧性的下降和脆性形貌转变温度的上升;同时伴随着机组的频繁启停,这些部件还会产生疲劳损伤。有些部件还存在着制造过程中产生的超标缺陷,在机组运行过程中这些缺陷可能会发展为裂纹并扩展,从而导致部件的失效和损伤。 为了保障火电机组的安全运行,避免设备的损坏和人身的伤亡,有必要对机组的关键部件进行状态评估与剩余寿命估算。
■原则及方法
●寿命评估的原则
对于以蠕变失效为主要方式的部件(例如:稳定负荷运行机组锅炉范围内的蒸汽管道、高温联箱、汽轮机的高压转子、高压汽缸等),应对其蠕变寿命进行评估
对于以疲劳和疲劳-蠕变失效为主要方式的部件(例如:调峰机组锅炉的汽包、汽轮机的高压转子等),应对其疲劳寿命和疲劳-蠕变交互作用损伤进行评估
对于含超标缺陷的部件,应采用断裂力学的方法对缺陷进行安全性评估
对要进行更新改造的机组应进行状态检验和评估,并对关键部件进行寿命评估
●寿命评估的基本方法
对部件的设计、运行、更新改造、历次监督检验资料进行收集与分析
对部件的现状进行状态检验和评估
对部件危险部位的应力、应变进行分析与计算
对部件材料的各项力学性能数据(特别是蠕变、持久强度数据)、微观组织的变化进行试验分析
对部件的剩余寿命进行估算
●寿命评估分级
寿命评估的步骤通常采用三级评估法:
a)Ⅰ级评估――基本评估;
b)Ⅱ级评估――较精确评估。当Ⅰ级评估的部件寿命小于部件已运行的时间时进行Ⅱ级评估;
c)Ⅲ级评估――精确评估。当Ⅱ级评估的部件寿命小于部件已运行的时间时进行Ⅲ级评估。
三个等级评估所需掌握的资料和情况 |
各级评估所需掌握的资料和情况来源 |
Ⅰ级评估 |
Ⅱ级评估 |
Ⅲ级评估 |
设计、制造和安装资料 |
电厂及制造商资料 |
电厂及制造商资料 |
电厂及制造商资料 |
运行历程 |
电厂记录 |
电厂记录 |
电厂记录 |
事故、维修记录 |
电厂记录 |
电厂记录 |
电厂记录 |
温度和压力 |
设计或实际运行值 |
实际运行或测量值 |
实际运行或测量值 |
运行工况 |
记录或额定 |
检测 |
详细检测 |
部件几何尺寸 |
设计制造资料 |
测量 |
测量 |
微观组织 |
否 |
现场复型检查 |
现场复型+取样实验室试验(不可取样的部件除外) |
材料性能 |
查阅资料,取最低值 |
查阅资料,取最低值 |
取样试验测定,取最低值(不可取样的部件除外) |
■技术特点及应用
● 蒸汽管道、高温联箱部件等的寿命评估
技术方法特点:通常采用等温线外推法、L-M参数法、修正θ法、微观组织老化评定、蠕变-疲劳交互作用等方法对蒸汽管道的寿命作出估算。积累有包括P91、P92等在内的国内外常用蒸汽管道、高温联箱等部件材料组织老化和性能数据库。
应用情况:已对娘子关、华能南京、太原二热、焦作、姚孟(F12 钢)、兰州西固(P91钢)等10多个电厂的近100条主蒸汽管道蠕变寿命进行了估算。
● 汽轮机转子的寿命评估
研究开发了汽轮机转子寿命评估的LEOTR程序(Life Evaluation of Turbine Rotor),利用三维有限元方法对机组在冷态、热态和甩负荷工况下高压转子的温度场和热应力场进行分析;对电站汽轮机常用钢30Cr2MoV进行了大量的低周疲劳试验,建立了国内外常用转子材料疲劳、蠕变性能数据库。
应用情况:已对西固、江西分宜、上海石化、大唐首阳山等电厂的10多根汽轮机高压转子蠕变-疲劳寿命进行了估算。
● 含超标缺陷汽轮机、发电机转子的安全性和寿命评估
采用热工院研制的ZZC-型大轴部孔探伤装置,对大轴中心孔进行表面视频、近表面涡流、中远场超声波探伤,为汽轮机转子的断裂力学分析提供精确的缺陷部位和几何尺寸。 建立了国内外常用转子材料的断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率性能数据库。
应用情况:已对姚孟、黄埔、华能南通、安庆石化、国电150、常熟等电厂的20多根汽轮机、发电机转子的超标缺陷进行了安全性评估和疲劳扩展寿命估算。
●锅炉汽包的寿命评估
研究开发了锅炉汽包低周疲劳寿命估算的FETBD程序(Fatigue Evaluation Technology of Boiler Drum),建立了锅炉汽包在冷态、热态启动和停炉工况下下降管管座处的温度场和热应力场分析的三维有限元分析程序,为汽包的低周疲劳寿命估算提供了精确的应力分析;对电站汽包近10种常用材料进行了大量的低周疲劳试验,建立了汽包母材及焊缝金属的低周疲劳、断裂韧度数据库。
应用情况:已对茂名、西固、黄石、蒲城、韩城、九江石化、上海石化、华能德州、天生港等电厂20多台汽包进行了寿命评估。
●含超标缺陷汽包安全性和寿命评估
对电站锅炉汽包常用材料进行了大量的断裂力学性能试验研究,建立了国内外常用汽包材料的断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率性能数据库。
应用情况:已对韩城、红雁池、永昌、黄石、辛店、太原二热、大庆石化、河北马头、上安、珠江等电厂30多台锅炉汽包的超标缺陷进行了安全性评估和疲劳扩展寿命估算。
●火电机组整机、整炉的状态和寿命评估
对一些运行时间长,要进行更新改造的机组应进行状态检验和评估,并对关键部件进行寿命评估。 |