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摘要：水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管(“四管”)以及联箱、汽包和汽水分离器等都是锅炉的最主要的高温受热面，其安全稳定运行情况直接决定着到整个电厂的安全问题。锅炉部件准确的失效机理分析和寿命预测正是提高电厂机组运行可靠度的实用有效手段。电站锅炉的安全经济运行是电站安全生产的重要环节。在锅炉中，水冷壁、过热器、再热器和省煤器是主要受热面。这四种受热管(简称锅炉“四管”)发生爆管事故是锅炉主要的事故类型，对这些管子进行合理的寿命评估和故障诊断，可以预防或减少锅炉事故的发生，提高电厂锅炉运行的安全性和经济性。随着设计和制造技术的提高，耐高温高压材料发展，大型煤电向高参数、大容量、高效率和大电厂发展，运行的安全性和经济性也己经成为人们关注的重要问题。同时调峰机组日益增多，且不少老机组用于调峰，近年还有越来越多的大机组参与调峰，使得设备工作条件恶化，机组的老化速度加快，寿命损耗更趋严重，事故隐患也越来越多。这些都造成锅炉“四管”事故呈上升的趋势，并且严重影响机组安全运行，使得“四管”爆漏所带来的经济损失和社会影响也越来越大。因此有效的降低锅炉“四管”爆漏的事故发生率和预测爆漏趋势，并提出有针对性的预防措施，成为电厂工作者最重要而紧迫的任务。本文主要对锅炉“四管”寿命损耗监测系统进行设计。
关键词：电站锅炉，寿命，监测
1前言
随着国民经济的不断发展，社会经济对电力的需求程直线上升趋势，越来越多的大型发电机组陆续投入运行。目前对机组容量的要求也在不断地增加，容量的增大使锅炉的结构以及系统更加复杂化，运行维护问题也变得很重要，运行的安全性和经济性成为我们电力企业所关心的重要问题，与此同时，用电结构也发生了很大的变化，全国各主要电网的日用电峰谷差已经实现到30%一50%。如在每年夏季用电量的激烈扩大，使现有的发电量不能满足人们及社会的需要，白天的用电高峰与夜间用电低谷的用电量相距较大。存在这么大的峰谷差，使用通常小机组作为备用调峰机组的手段，已经不能满足电网的基本要求了。众多原来按基本负荷设计的火电机组，当前都需要承担调节电网负荷的工作。这些大型电力设备频繁的参与调峰对其性能和寿命的要求是个很大的挑战，一旦发生故障而没有被及时发现和排除，轻则引起效率下降，使电厂的经济效益受到影响，重则引起被迫停机，更严重的甚至造成灾难性的后果，导致人员伤亡，使电力企业蒙受巨大的损失。在机组的调峰过程中，由于峰谷差较大，所以经常要对机组的容量进行调整，这势必会使部件结构的温度发生波动，从而产生热应力。同时，为了节省燃料多发电，电厂运行过程中也提出了在安全的前提下加快启停速度的要求。高的启停速度必然导致部件的热应力提高和应力波动频繁，引起金属材料的疲劳和损伤，进而影响机组的安全性和寿命。在这种情况下，调峰机组工作的安全性和可靠性及其承压部件的寿命损耗研究已成为一个重要的课题。
2电厂锅炉承压部件主要失效机理简介
锅炉高温承压部件失效一般情况有蠕变、疲劳、磨损、腐蚀等，可细分为6大类23种(国外分22种，国内应包括石墨化失效)，根据对材料这些老化机理细致的仔细研究，可将每种失效的宏观及微观特性、失效机理、失效后可使用的措施等加以严格区别，使电厂实际运行管理和检测人员能够正确进行失效分析，及时判断失效原因，合理采取预防措施，从而大大地减少失效，特别是阻止重复出现同个类型爆管。在这一重要的实用技术研究上，我国同先进国家有一段的差距。
在火力发电厂，锅炉爆管(BTF)一直在燃煤锅炉的设备故障中排列第一。我国火力发电厂机组强迫停机事故中因锅炉事故造成机组停运约占40%，在锅炉事故中，各类受热面管子造成的事故占了70%，这说明锅炉爆管是火力发电厂机组强迫停机的重要原因。锅炉爆管大多在同一根管子，同一种材料或锅炉的同一区域重复发生，说明故障的根本原因未被确定；假如不了解故障的机理和根本原因，就不可能彻底解决问题。近几十年来，国内外研究了BTF的机理并确定其根本原因，总结了22种BTF的失效机理。其中有3种机理在当时是不能彻底有效的解决。这3种机理是发生在水冷壁水侧和省煤器管的腐蚀疲劳爆管，超临界机组水冷壁烟气侧管子最高热流量段的环形裂纹和飞灰磨损。
(1)短期过热失效指管子金属在短期内由于工作温度远高于设计允许温度而在应力作用下爆破形成失效；
(2)长期蠕变指金属在高温下即使所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力长期作用下也会发生缓慢的但是连续的塑性变形；
(3)异种钢焊接失效是在焊缝区域常会出现因应力原因而造成断裂；
(4)碱性腐蚀是在给水腐蚀产物中所含氢氧化钠浓缩成高HP值而来，当HP值高于12时钢管内表面的磁性氧化铁保护层被腐蚀；
(5)氢损伤引起炉管失效的原因是受热面脏污而且炉水呈酸性即低HP值状态，高温下蒸汽和铁反应生成的氢不能马上被汽水混合物带走，于是溶入钢中造成氢损伤；
(6)点蚀是在炉管的内表面因氧的侵蚀作用造成坑蚀或局部腐蚀而导致故障的失效方式；
(7)应力腐蚀指当受到临界值以上的静拉应力或低交变速率的动应力作用，在特定介质的腐蚀环境共同作用下发生，化学腐蚀过程常发生于用奥氏体钢制成的过热器和再热器管束，在用铁素体钢制成的再热器管中也有发生；
(8)低温腐蚀是在燃烧高水分高硫分的燃料室尾部受热面低温部分会受到腐蚀，它是因为管壁金属温度表面有硫酸将金属腐蚀，同时使管壁外表面受到损耗；
(9)水冷壁高温腐蚀水冷壁侧腐蚀主要是水冷壁在还原气氛中管壁遭到腐蚀所致；
(10)高温热腐蚀煤灰中含有腐蚀性物质在高温处于熔融状态将造成受热面金属的腐蚀作用；
(11)飞灰腐蚀是由于烟气中的高速灰粒冲击管壁金属，而磨损灰粒量及其速度是金属磨损的主要因素；
(12)吹灰磨损指由于吹灰器运行失当使管子磨损而引起的损坏，往往是由于吹灰蒸汽中带水或吹灰器喷嘴有缺陷引起的；
(13)掉渣冲刷指大团渣块从高处掉下将会擦伤管子并使炉管受损，煤粒冲刷磨损炉管造成炉管减薄并爆管；
(14)飞灰磨损指高流速的烟灰对受热面管子造成机械破坏和电化学腐蚀作用使管子金属受到湍流腐蚀而减薄以至失效；
(15)吹灰冲蚀是指高速的吹灰介质夹带着水或飞灰冲刷炉管使管子金属发生湍流腐蚀而减薄造成失效；
(16)机械疲劳失效指锅炉管子因振动而疲劳并逐步扩展导致断裂，锅炉的振动问题本质是山流体运动激发的，当部件的自振固有频率与流体激振频率成整数比例时就发生共振并导致炉管损坏；
(17)热疲劳是指锅炉受压部件表面山于急剧加热冷却产生冲击热应力，如果塑性材料表面热应力超过屈服点且经过多次交变将会导致疲劳裂纹而失效；
(81)腐蚀疲劳是在有腐蚀环境中和受到周期应力的联合作用引起的，在交变应力和腐蚀介质共同作用下金属疲劳强度或疲劳寿命较无腐蚀作用时有所降低；
(19)维修清理损伤是在清理维修锅炉炉管时如果清扫操作不当质量控制不严将发生炉管失效现象；
(20)化学清洗损伤是化学清洗以用于清除管束安装中遗留下来的残渣或运行中产生的积垢如果清洗程序控制不当将会造成管子失效；
(21)材料缺陷指因管子材质不良或错用管材引起的炉管失效；
(22)焊接缺陷指焊接工艺不符合质量控制要求造成焊缝出现缺陷而使炉管在焊接处出现爆漏。
3电厂高温部件剩余寿命评估概况
寿命预测是一项分析机组或部件在一定的运行情况下能够安全运行最长的时间。可将寿命预测划分为早期预测和中晚期预测。早期预测是确定部件的设计寿命或计算寿命，中晚期预测是指部件累计运行时间己超过或远超过设计寿命，通过对其运行历史的分析、无损探伤及金相检验等多种检验鉴定、断裂力学计算、其他直接和间接的寿命诊断技术作为科学依据，预测机组或部件的剩余寿命。
随着国内外对剩余寿命评估研究的深入和成熟，锅炉高温部件剩余寿命的计算方法经历了四个不同阶段。最早采用线性外推的持久强度法，侧重研究蠕变过程中断裂机理；第二阶段是蠕变损伤法，侧重于材料的组织变化，预测准确性得到很大提高；第三阶段是参数外推法，Larson Miller公式就是蠕变一时间参数外推法中最著名的一个；第四阶段是外推中的解析法，它是第三阶段的进一步丰富和发展，如θ法寿命评估，它可以把前面的各种参数法统一成一体。
4电厂锅炉寿命监测设计方案
4.1过热器和再热器寿命监测模块设计方案
离线监测是指在锅炉停机，以及在锅炉进行大、中、小修期间进行的检测，对于锅炉“四管”，离线监测的主要手段是首先确定管排序数，然后在管排容易发生失效的部位布置一定的测点进行测量，较容易发生失效的部位我们在第三章中也有介绍。
对于高温过热器及再热器管，测点一般布置在高温过热器入口段、出口段、高温再热器入口段、出口段。
因此根据这个方法来设计离线监测的流程，测量管径尺寸，分析管壁减薄率，从而得出不同管排不同部位管径变化分布图。随后进行壁厚测量及内壁氧化层厚度测量，根据测得的内壁氧化层厚度，确定不同管排不同部位温度分布图，从中可以得出管子超温情况。采用实测的管段直径、壁厚数据对每个部位不同标高部位的管材环向应力状况进行计算，得出应力分布图。有了应力分布和温度分布就可以根据L一M公式进行寿命评估，得出剩余寿命分布图，这样就可以得出不同部位，不同管排的寿命损耗情况。
内壁氧化层厚度的离线监测可以采用超声波进行的无损监测(NDT，Non-destructive Technology)技术，来测量内壁氧化层厚度，从而确定管子当量运行温度，同时可以采用其他有损监测方法来确定管壁温度，如:硬度分析法、碳化物粒子粗化分析法、球化分析法、相成分分析法，这些方法需要从现场采样进行研究。
4.2省煤器寿命监测系统设计方案
大容量高参数锅炉因为给水温度较高，省煤器壁温高，因而省煤器通常不会出现结露与腐蚀情况，所以在具体设计省煤器在线监测系统中，应当考虑受热面的磨损情况。受热面的磨损情况是不均匀的，不但是烟道截面不同部位的受热面磨损不一样，沿管子周界磨损情况也不均匀，所以比较严重的磨损部位一般发生在烟道某些特定管子的特定部位。只要是烟速较大或者飞灰浓度较大的位置，受热面的磨损就比较严重。这些部位就是省煤器爆管最容易出现的部位。比如靠近墙壁的管子弯头部位，因为这些地方缝隙比较大，烟速较高而容易产生严重的局部磨损。当烟气经水平对流烟道转入尾部下行烟道时，由于气流转弯飞灰被抛向后墙附近，使这里的飞灰浓度增高，因而靠近后墙的管子就会受到更严重的磨损。目前，电厂省煤器管排多为错列布置方式。在错列管束中第2排管子磨损要比其它各排更严重。因此，省煤器爆管都发生在局部的特定区域，这也正是在线监测所要重点研究的对象。
在线监测原理:对省煤器磨损状况进行在线监测，重点是针对烟气流过锅炉转向室这一特殊结构时，造成沿尾部烟道截面深度方向飞灰浓度分布不均，导致省煤器管壁磨损的状况不同。磨损严重的区域由于管壁的减薄量大，加之该区域综合传热状况不同，使得其管内流体的温升大于其它区域管内流体的温升。通过监测两个区域管内流体的温差值，即可达到监测省煤器磨损状况的目的。从而可以根据其磨损状况进行其寿命损耗的评估。
进行在线监测系统主要目的在于将通过传感器测得的温差与临界壁厚所对应的温差值进行有效的比较，如果这个温差值接近了临界壁厚具体对应的温差时，这就说明省煤器磨损的程度已经到达了临界壁厚，可以说明省煤器管处于危险状态。省煤器工作压力下对应的临界壁厚δ?可由下式计算:
4.3水冷壁管寿命监测系统设计方案
水冷壁的在线监测主要是监测水冷壁向火侧的超温现象，现在对于监测水冷壁向火侧超温的方法还不多，提出了一些方法，如“背火侧三点法”。背火侧三点法是利用背火侧三点温度差来得出向火侧三点
图4-3 水冷壁管寿命损耗离线监测流程图
5结语
锅炉水冷壁、过热器和再热器、省煤器及汽包是锅炉的主要承压部件，他们能否安全运行直接关系到电厂运行的经济性和安全性。锅炉部件的失效机理研究和寿命的精确评估技术则是提高机组安全性、经济性的有效手段之一。因此对他们进行寿命管理是十分必要的。
参考文献
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论文作者:李云飞
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/25
标签：锅炉论文; 省煤器论文; 寿命论文; 磨损论文; 机组论文; 炉管论文; 水冷论文; 《电力技术》2016年第4期论文;