何旺軍

中石化巴陵石油化工有限公司

1 引言

某石化熱電部高溫高壓鍋爐為杭州鍋爐廠生產(chǎn)NG220/100-1型鍋爐（詳細(xì)參數(shù)見表1），配套汽輪機(jī)為武漢汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的C25-8.83/0.98I型單缸、單軸、單抽汽凝汽式汽輪機(jī)。

表1 某石化熱電部高溫高壓鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該機(jī)組于1999年投運(yùn)至2020年1月累計(jì)運(yùn)行已達(dá)16萬h，在對(duì)該機(jī)組高溫高壓蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組自鍋爐屏式過熱器至汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門材質(zhì)為12Cr1MoV的所涉及的管道、彎頭、閥門等均普遍達(dá)到4.5～5級(jí)的嚴(yán)重球化。

為了保證在此嚴(yán)重老化情況合法安全運(yùn)行，選取運(yùn)行工況惡劣、老化最為嚴(yán)重和不同規(guī)格的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，分別為：汽輪機(jī)主蒸汽管道隔離門后第一個(gè)彎頭、鍋爐主汽門后第1個(gè)彎頭和汽機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門處下方3#導(dǎo)汽管、鍋爐集汽集箱右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管等部件進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)主蒸汽管道隔離門后第一個(gè)彎頭達(dá)到5級(jí)嚴(yán)重球化狀態(tài)且硬度107HBW明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求最低值139HBW。

同時(shí)為了徹底解決該老化問題啟動(dòng)對(duì)該機(jī)組高溫高壓蒸汽系統(tǒng)材質(zhì)為12Cr1MoV的部件進(jìn)行升級(jí)改造，升級(jí)改造內(nèi)容包括：屏式過熱器、集汽聯(lián)箱、二級(jí)減溫器、一級(jí)過熱器入口集箱、主蒸汽管道，配套主蒸汽管道閥門、保溫更換等。項(xiàng)目實(shí)施后，徹底消除該機(jī)組高溫高壓蒸汽系統(tǒng)的安全隱患，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行。

2 12Cr1MoV材質(zhì)老化分析

2.1 材質(zhì)老化分析內(nèi)容及結(jié)果

對(duì)該機(jī)組高溫高壓蒸汽系統(tǒng)12Cr1MoV部件材質(zhì)老化分析時(shí)，主要部位的分析內(nèi)容及結(jié)果，見表2。

表2 評(píng)估內(nèi)容及結(jié)果

3 12Cr1MoV剩余壽命評(píng)估

選取鍋爐集汽集箱右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管彎頭、鍋爐主汽門后第1個(gè)彎頭、汽輪機(jī)來汽門后第1個(gè)彎頭和汽機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門處下方3#導(dǎo)汽管等部件（詳見表3），根據(jù)GB/T30580—2014《電站鍋爐主要承壓部件剩余壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)其進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，評(píng)估金屬部件的主要損傷模式為蠕變損傷。

3.1 評(píng)估內(nèi)容及結(jié)果

3.1.1 資料審查

查閱鍋爐的設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試資料，包括鍋爐總圖、鍋爐說明書、產(chǎn)品質(zhì)量證明書、鍋爐安裝技術(shù)資料以及金屬材料材質(zhì)證明書等，未提供鍋爐主蒸汽管道的強(qiáng)度計(jì)算書，其他鍋爐的設(shè)計(jì)制造資料以及安裝調(diào)試資料未發(fā)現(xiàn)其他異常情況；查閱鍋爐的超溫記錄、超壓記錄等，該鍋爐存在超溫超壓現(xiàn)象，超溫最高記錄為555℃，超壓最高記錄為10.01 MPa，無累計(jì)超溫、超壓時(shí)間。查閱工業(yè)管道定期檢驗(yàn)報(bào)告，汽輪機(jī)來汽門至主汽門第2個(gè)彎頭抽檢部位局部最大減薄3.7 mm。查閱設(shè)備檢修臺(tái)賬，本次評(píng)估的部件沒有進(jìn)行過修理改造及更換。

3.1.2 壁厚測(cè)量

鍋爐集汽集箱爐右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管，測(cè)點(diǎn)位于集汽集箱爐右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管垂直于正外弧截面，以正外弧為起點(diǎn)，逆時(shí)針每隔90?測(cè)一點(diǎn)，實(shí)測(cè)最小壁厚為11.58 mm，實(shí)測(cè)壁厚均小于公稱壁厚13 mm，大于最小需要壁厚10.5 mm；鍋爐主汽門后第1個(gè)彎頭實(shí)測(cè)最小壁厚為18.14 mm，實(shí)測(cè)壁厚均小于公稱壁厚，大于最小需要壁厚17.4 mm。

汽輪機(jī)主蒸汽管道，測(cè)點(diǎn)位于主蒸汽管道（汽機(jī)側(cè)）來汽門后第1個(gè)彎頭正外弧截面，實(shí)測(cè)最小壁厚為18.97 mm，實(shí)測(cè)壁厚有3個(gè)測(cè)點(diǎn)均小于公稱壁厚，大于最小需要壁厚17.9mm；汽輪機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門下方3#導(dǎo)汽管實(shí)測(cè)最小壁厚為13.14 mm，實(shí)測(cè)壁厚均小于公稱壁厚14 mm，大于最小需要壁厚11.2 mm，見表4。

表4 評(píng)估管道部件測(cè)量壁厚

3.1.3 內(nèi)壓應(yīng)力分析

彎頭部位的最大環(huán)向應(yīng)力彎頭部位的最大環(huán)向應(yīng)力按式（1）計(jì)算：

式中σθmax——最大環(huán)向應(yīng)力，MPa；

e——彎頭不圓度；

P——管道正常運(yùn)行下的壓力，MPa；

S——彎頭（彎管）的最小壁厚，mm；

ν——泊松比，0.3；

E——材料彈性模量，MPa；

Di——管道內(nèi)直徑，mm。

對(duì)鍋爐側(cè)主汽門后第1個(gè)彎頭主蒸汽管道、鍋爐集汽集箱爐右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管彎頭、主蒸汽管道（汽機(jī)側(cè)）來汽門后第1個(gè)彎頭，計(jì)算選取的管道環(huán)向應(yīng)力的各參數(shù)值及計(jì)算的最大環(huán)向應(yīng)力值，見表5。

表5 彎頭部位的最大環(huán)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.4 導(dǎo)汽管的環(huán)向應(yīng)力

導(dǎo)汽管的內(nèi)壓折算應(yīng)力為：

式中σθ——管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；

D0——管道外徑，mm；

P——管道正常運(yùn)行下的壓力，MPa；

S——管道壁厚，mm。

對(duì)于7#汽輪機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門處下方3#導(dǎo)汽管，計(jì)算的管道環(huán)向應(yīng)力，見表6。

表6 導(dǎo)汽管環(huán)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.5 壽命計(jì)算

根據(jù)GB/T30580—2014《電站鍋爐主要承壓部件壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)以蠕變?yōu)橹饕Х绞降牟考刹捎肔-M參數(shù)方法進(jìn)行壽命評(píng)估，取安全系數(shù)n=1.5。

鍋爐集汽集箱右數(shù)第一個(gè)導(dǎo)汽管彎頭，材料為12CrlMoV，規(guī)格φ133×13 mm，計(jì)算溫度540℃、計(jì)算壓力10.4 MPa。計(jì)算剩余壽命得t=91 842.76 h。

鍋爐主汽門后第一個(gè)彎頭，材料為12CrlMoV，規(guī)格φ273×20 mm，計(jì)算溫度540℃、計(jì)算壓力9.8 MPa。計(jì)算剩余壽命得t=6691.037 h。

汽輪機(jī)來汽門后第1個(gè)彎頭，材料為12CrlMoV，規(guī)格φ273×20 mm，計(jì)算溫度540℃、計(jì)算壓力9.3 MPa。計(jì)算剩余壽命得t=11 788.28 h。

汽輪機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門下方3#導(dǎo)汽管，材料為12CrlMoV，規(guī)格φ168×14 mm，計(jì)算溫度540℃、計(jì)算壓力9.3 MPa。計(jì)算剩余壽命得t=150 750 h。

3.2 結(jié)論與建議

3.2.1 結(jié)論

資料審查結(jié)果表明，鍋爐存在超溫超壓現(xiàn)象。4個(gè)部件外觀無明顯表面缺陷，無損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)可記錄相關(guān)缺陷。4個(gè)部件實(shí)測(cè)最小壁厚均小于公稱壁厚。除汽輪機(jī)主蒸汽管道（汽機(jī)側(cè)）來汽門后第1個(gè)彎頭硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)值外，其他三個(gè)部件硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。鍋爐集汽集箱爐右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管彎頭母材老化級(jí)別4.5級(jí)，鍋爐主汽第1個(gè)彎頭母材組織老化為5級(jí)（與原檢測(cè)報(bào)告評(píng)級(jí)定級(jí)有所差異），汽輪機(jī)主蒸汽管道（汽機(jī)側(cè)）來汽門后第1個(gè)彎頭母材老化級(jí)別為5級(jí)，汽輪機(jī)汽機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門處下方3#導(dǎo)汽管母材老化級(jí)別4級(jí)。

以蠕變?yōu)橹饕Х绞降牟考?，剩余壽命?jì)算結(jié)果匯總?cè)缦卤?所示。

表7 剩余壽命計(jì)算結(jié)果

3.2.2 建議

鍋爐側(cè)主蒸汽管道主汽門后第1個(gè)彎頭，剩余壽命計(jì)算結(jié)果為6691 h，材料老化5級(jí)，建議立即安排更換該部件。

汽輪機(jī)來汽門后第1個(gè)彎頭，剩余壽命計(jì)算結(jié)果為11 788 h，材料老化5級(jí)、硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值，建議立即安排更換該部件。

鍋爐集汽集箱爐右數(shù)第1個(gè)導(dǎo)汽管、7#汽輪機(jī)汽機(jī)側(cè)自動(dòng)主汽門下方3#導(dǎo)汽管剩余壽命計(jì)算結(jié)果在9萬h以上，材料存在老化現(xiàn)象，老化級(jí)別分別為4.5級(jí)和4級(jí)，建議利用停爐機(jī)會(huì)進(jìn)行金相組織檢查及相關(guān)檢測(cè)，避免超溫超壓，加大監(jiān)控力度，或割管取樣，進(jìn)行試驗(yàn)室組織及性能試驗(yàn)，進(jìn)一步深度評(píng)估。

4 結(jié)語

某石化熱電部發(fā)現(xiàn)該高溫高壓蒸汽系統(tǒng)12Cr1MoV材質(zhì)嚴(yán)重老化后，通過進(jìn)行全面的材質(zhì)老化普查和評(píng)估，選取具有代表意義的4個(gè)部位進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，及時(shí)掌控了該高溫高壓系統(tǒng)的12Cr1MoV材質(zhì)老化情況，適時(shí)地提出對(duì)該高溫高壓蒸汽系統(tǒng)12Cr1MoV材質(zhì)部件進(jìn)行升級(jí)改造的隱患治理計(jì)劃，這樣可以有效避免因系統(tǒng)長(zhǎng)期帶病運(yùn)行而引發(fā)各類生產(chǎn)安全事故。這也為同類高溫高壓蒸汽系統(tǒng)的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供了參考，下階段待升級(jí)改造項(xiàng)目實(shí)施后將選取有代表性的組織進(jìn)行進(jìn)一步分析。