锅炉吹灰器蒸汽管道材质状态评估

张志博;马翼超;范志东;姚兵印;马剑民

【摘 要】对某电厂锅炉吹灰蒸汽管道取样，进行材质检验、管道强度测试和剩余寿命计算.结果表明：该管道的几何尺寸、化学成分、显微组织和力学性能均符合标准要求；该管道实际壁厚和直管环向应力均满足强度要求；在工作压力小于4 MPa、工作温度小于400℃条件下，直管段剩余寿命大于1×105 h.%The steam pipelines of the boiler soot blower of a power plant were sampled and analyzed from the aspects of material quality inspection,pipeline strength and remaining life calculation.The results show that:the geometric

dimension,chemical composition,microstructure and mechanical properties of the pipelines could meet the standard requirements.By calculation,the actual thickness of the pipeline and straight pipe hoop stress could meet the strength requirements.When the working pressure was less than 4 MPa and working temperature was less than 400 ℃,the remaining life of the straight pipe was more than 1×105 h. 【期刊名称】《理化检验-物理分册》 【年(卷),期】2016(052)009 【总页数】5页(P650-6)

【关键词】吹灰器;蒸汽管道;材质检验;剩余寿命 【作 者】张志博;马翼超;范志东;姚兵印;马剑民

【作者单位】西安热工研究院有限公司，西安 710032;西安热工研究院有限公司，西安 710032;西安热工研究院有限公司，西安 710032;西安热工研究院有限公司，西安 710032;西安热工研究院有限公司，西安 710032 【正文语种】中 文 【中图分类】TM621.7

某电厂机组为600 MW超临界燃煤机组，是由哈尔滨三大动力设计并生产的超临界汽轮发电机组，于2010年11月投产。锅炉蒸汽吹灰汽源取自分隔屏出口，汽源参数压力为27.6 MPa，温度为524 ℃。过热蒸汽经手动门、电动门、电动调门、减温减压阀、安全阀后的设计出口压力上限为3.92 MPa，温度为400 ℃。吹灰蒸汽调门后管道规格为φ114 mm×4 mm，管道及阀门材料均为20钢。该钢种具有良好的工艺性能，在530 ℃以下具有满意的抗氧化性能，但在470～480 ℃高温下的长期运行过程中，会发生珠光体球化和石墨化。该材料主要应用于壁温不大于425 ℃的蒸汽管道、集箱等[1]。为确认吹灰时的蒸汽温度是否在设计温度400 ℃，在吹灰安全阀后1 m处安装一个温度测点，实际测得锅炉吹灰器吹灰调门后温度在450 ℃左右，最高时蒸汽温度达461 ℃，存在一定程度的超温。目前电厂已重新更改汽源，现在汽源温度391 ℃，压力不超过4 MPa。截止2015年3月1日，机组已累计运行32 732 h，每天吹灰约2.5 h。为进一步确认吹灰器蒸汽管道在超温运行后对管道材质状态和寿命的影响，在吹灰管道安全门后1 500 mm处取样约300 mm(取样位置见图1)，对该管道试样进行材质状态评估。目前国内常用的蒸汽管道寿命预测方法[2-4]有等温线外推法、L-M参数法、θ法、C射影法、蠕变曲线逐步外推法、基于可靠性的寿命评估方法、以持久强度试验为主的综合分析法，蠕变损伤及裂纹扩展的寿命评估方法等。以上评估方法试验周期较长，且需进行大量的试验。另外，部分非破坏性蒸汽管道剩余寿命评估方法[5-6]

不适用于20钢。为了在较短的时间内对超温运行后吹灰蒸汽管道的材质状态进行评估，笔者按照标准规定，分别对管道试样进行几何尺寸、化学成分、布氏硬度、显微组织、室温和高温拉伸试验，对材质状态进行了基本评估，并依据试验结果，对管道试样进行壁厚和环向应力强度计算校核，并依据经验公式最终估算出管道的剩余寿命，为电厂是否需要更换该吹灰器蒸汽管道及后续所需采取的措施提供技术依据。 1.1 宏观检查

现场所取管道试样的宏观形貌如图2所示。由图2可见，管道试样目视观察未见胀粗、变形、严重氧化等现象，内外壁氧化皮较薄且致密，未出现明显的剥落。钢管右侧有部分表面经打磨，去除了氧化皮，露出金属光泽。 1.2 几何尺寸测量

分别用游标卡尺和壁厚千分尺测量管道试样外径及壁厚，测量位置及方向如图3所示。使用壁厚游标卡尺分别测量钢管的左侧、中间、右侧的外径，结果如表1所示。由表1中数据可以看出，管道试样的外径测量结果与公称外径相当，整个管段外径较为均匀，且外径偏差在DL/T 438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》[7]规定的允许偏差范围(不大于3.5%)之内。用壁厚千分尺分别测量钢管的左侧、中间、右侧不同部位的壁厚，每个部位相隔90°分别测量4个点，测量结果如表2所示。其中管道试样表面被打磨区域壁厚最小，为4.758 mm，大于管道的公称壁厚。 1.3 化学成分分析

对管道材料的化学成分进行测试，测试结果如表3所示，可见其各种元素成分符合GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》[8]对20G新管的成分要求。 1.4 布氏硬度测试

按照GB/T 231.1-2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》[9]规定

的方法，使用HB-3000型布氏硬度计对管道试样进行布氏硬度测试，试验载荷为7 350 N(750 kgf)，钢球直径为5 mm，加载时间为10 s。硬度测点位置在管道试样中间，每隔90°测一点，硬度测试结果见表4。从表4中数据可以看出，该管道试样各点硬度没有较大差异，均在1 HB左右，硬度在DL/T 438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》[7]对201C新管规定的范围内(210C与20钢为同类钢)。

1.5 金相检验

采用线切割制取金相试样，经4%(体积分数)酒精侵蚀后在光学显微镜下进行金相检验，并按照DL/T 674-1999《火电厂用20号光体球化评级标准》[10]的规定进行球化评级。从图4可以看出，管道显微组织为铁素体+珠光体，组织中有与表面平行的带状组织，应为轧制时产生的，珠光体片层间距较小，形态明显，组织未见明显老化，球化级别评定为2级。 1.6 室温拉伸试验

按照GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[11]的规定，设计剖管纵向条状试样，拉伸试样标距70 mm，标距内宽度20 mm，厚度5 mm，室温拉伸试验结果见表5。从表5中数据可以看出，管道试样的室温规定非比例延伸强度Rp0.2、抗拉强度Rm和断后伸长率A均符合GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》[8]对20G新管的规定，该管道试样的力学性能未见明显劣化现象。 1.7 高温拉伸试验

按照GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》[12]的规定，设计剖管纵向条状试样，拉伸试样标距70 mm，标距内宽度6 mm，厚度5 mm，测试在400 ℃下该管道试样的拉伸性能，试验结果见表6。从表6中数据可以看出，管道试样高温下的规定非

比例延伸强度Rp0.2符合GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》[8]对20G新管的规定，该管道试样的高温力学性能满足标准要求。 2.1 直管最小壁厚计算

依据DL/T 50-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》[13]中的公式，计算在汽源温度为391 ℃、压力不超过4 MPa条件下该直管的最小需要壁厚Sm： 式中：Sm为最小需要壁厚，mm；P为管道设计压力，取4 MPa；DO为管道外径，取114 mm；σt为钢材在设计温度下的许用应力，钢材的许用应力应根据钢材的有关强度特性取下列3项中的最小值/1.5，其中Rm和分别由表5和表6中选取最小值，为钢材在设计温度下105 h的持久强度，由于未对管道试样进行持久强度试验，参照DL/T 6-2009《火电机组寿命评估技术导则》[14]中第7.4 b)款的规定，如在短时间内不能取得实际试验数据，可参考相同牌号材料已积累数据的下限值，该管道试样持久强度由GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》[8]选取20钢在400 ℃下的持久强度，取128 MPa；经比较，以上3项中的最小值为85 MPa，因此，该钢材在设计温度下的许用应力取85 MPa；η为许用应力修正系数，对于无缝钢管η=1.0；Y为温度对计算管道壁厚公式的修正系数，对于铁素体钢，482 ℃及以下时Y=0.4；a为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，mm，对于一般的蒸汽管道和水管道，可不考虑腐蚀和磨损的影响，取0.5 mm。 将以上各参数代入式(1)，经计算，直管的最小需要壁厚为3.13 mm。对照表2中壁厚实际测量结果，由于最小壁厚为4.758 mm，大于直管最小需要壁厚3.13 mm，管道壁厚满足强度要求。 2.2 直管内压环向应力计算

当管道承受内压力P作用以后，在管道纵向的横截面上有应力产生，此应力称为环向应力，由于管壁较薄，可以认为环向应力沿壁厚均匀分布。直管内压引起的环向应力依据DL/T 940-2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》[4]中的公

式计算，公式如下：

式中：σθ为环向应力，MPa；P为管道设计压力，取4 MPa；DO为管道外径，取114 mm；S为管道实测壁厚，mm，数据见表2。

计算得直管内压引起的环向应力最大为45.92 MPa，小于管道在400 ℃下的许用应力85 MPa，直管环向应力校核合格。薄壁管道承受内压时，其环向应力是轴向应力的两倍，因此当环向应力满足强度要求时，轴向应力也满足强度要求。 2.3 管道剩余寿命估算 2.3.1 累计蠕变损伤计算

假定管道在运行过程中未发生明显胀粗，温度恒定不变，未超温时间段内对管道的寿命损耗很小，忽略不计。从图5管道材料的持久强度曲线[15]可以看出，当管道内压环向应力为45.92 MPa时，在105 h内，不会与400 ℃持久强度曲线发生交叉。

目前，该机组累计运行32 732 h，每天吹灰约2.5 h，吹灰蒸汽管道累计运行时间约为2.5×32 732/24=3 410 h。假设吹灰器蒸汽管道在运行过程中温度恒定不变，由于DL/T 940-2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》[4]中只给出了443 ℃下等效使用期限折算系数为0.222(450 ℃下等效使用期限折算系数为0.1 3，460 ℃下等效使用期限折算系数为1.0)，当吹灰器蒸汽管道运行过程中当量温度为460 ℃时，相当于在443 ℃下蒸汽管道已累计运行约15 360 h，当吹灰器蒸汽管道运行过程中温度为450 ℃时，相当于在443 ℃下蒸汽管道已累计运行约9 850 h。从以上计算结果可以看出，当该吹灰器蒸汽管道运行过程中最高温度为460 ℃时，鉴于火电机组寿命按一般经验确定为30 a(年)[8]，以目前443 ℃下仅不到2×104 h的累计蠕变损伤，该管道依然可以满足长周期安全运行。 2.3.2 剩余寿命计算

管道寿命(直管)可以依据DL/T 940-2005《火电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》[4]

推荐的按持久强度外推法估算管道的蠕变剩余寿命，计算方法如下：

式中：t为蒸汽管道蠕变寿命，h；为钢材在某一温度下105 h的持久强度，由于未进行材料的持久强度断裂试验，参照DL/T 6-2009《火电机组寿命评估技术导则》[14]中第7.4 b)条的规定，取新管在工作温度下105 h的持久强度(由GB 5310-2008选取)；n为应力系数，当选中值寿命线时，n取1.5，当选下限线时，n取1.2；σθmax为直管内压环向应力，取45.92 MPa；为钢材在某一温度下104 h的持久强度，由于未进行材料的持久强度断裂试验，参照DL/T 6-2009《火电机组寿命评估技术导则》[14]中第7.4 b)款的规定，取新管在工作温度下104 h的持久强度(参照St45.8，DIN 17175-1979，HⅡDIN 17155-1983)。 将以上各参数代入式(3)计算，该管道试样的剩余寿命大于1×105 h。

从上述两方面对直管段的剩余寿命进行综合评估，该直管剩余寿命大于1×105 h。 3.1 结论

根据以上对吹灰器蒸汽管道试样进行的宏观检验、几何尺寸测量、化学成分分析、布氏硬度测试、金相检验、室温和高温拉伸试验，以及对管道试样进行的壁厚和环向应力强度计算校核，可以得出以下结论。

(1) 该管道试样的几何尺寸、化学成分、显微组织和力学性能均未见明显异常，满足标准中对新管性能的要求。目前该吹灰器蒸汽管道内介质温度为391 ℃，压力不超过4 MPa，满足DL/T 50-1996《火力发电厂汽水管道设计规定》[13]中关于20钢允许的上限使用温度不超过430 ℃和GB 507-2012《电厂动力管道设计规范》[16]中关于设计压力小于等于5.3 MPa的规定。

(2) 经计算，该管道试样实际壁厚均大于强度计算最小需要壁厚，直管环向应力小于工作温度下的许用应力，强度校核满足要求。

(3) 该管道试样在短时的超温运行后，对材料的蠕变损伤较小，经计算，该管道试样在工作压力小于4 MPa、工作温度小于400 ℃时，直管段剩余寿命大于1×105

h。 3.2 建议

(1) 运行中应严格控制吹灰器蒸汽管道的介质温度，防止发生超温情况的发生。定期开展对吹灰器蒸汽管道直管、弯头部位的测厚检查。

(2) 由于仅对直管段进行了强度计算校核，未对整个管系弯头和弯管部位进行相应的测量和计算，对于弯头和弯管部位的材质状况和剩余寿命，需进一步通过取样试验分析和计算得到。同时，管壁厚度减薄及焊缝等因素对管道的剩余寿命也有一定影响。

【相关文献】

[1] DL/T 715-2000 火力发电厂金属材料选用导则[S].

[2] 崔朝英,乔学亮.火电厂主蒸汽管道寿命评估方法[J].华北电力技术，2002(11)：50-. [3] 高锋,刘晖,樊玉光,等.蒸汽管道剩余寿命评估方法评述[J].腐蚀与防护，2008，29(5)：295-298.

[4] DL/T 940-2005 火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则[S].

[5] 张辉,李茂东,卢忠铭,等.SA335-P22钢主蒸汽管道非破坏性剩余寿命评估方法[J].理化检验-物理分册，2015，51(2)：100-104.

[6] 郑坊平,包文东,王飞,等.锅炉导汽管蠕变剩余寿命评估的新方法[J].理化检验-物理分册,2014,50(9):633-635.

[7] DL/T 438-2009 火力发电厂金属技术监督规程[S]. [8] GB 5310-2008 高压锅炉用无缝钢管[S].

[9] GB/T 231.1-2009 金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法[S]. [10] DL/T 674-1999 火电厂用20号光体球化评级标准[S]. [11] GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S]. [12] GB/T 4338-2006 金属材料高温拉伸试验方法[S]. [13] DL/T 50-1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定[S]. [14] DL/T 6-2009 火电机组寿命评估技术导则[S].

[15] 姜求志,王金瑞,马士林,等.火力发电厂金属材料手册[M].1版.北京:中国电力出版社,2000:100. [16] GB 507-2012 电厂动力管道设计规范[S].