火电设备寿命诊断方法及其应用.pdf

第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 450 火电设备寿命诊断方法及其应用 徐跃芹，屠 珊，孙实文 西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安 摘 要 火力发电机组的很多部件长期在高温、高压甚至高速旋转条件下运行，长期服役后的材料 老化和失效是造成设备维修的主要原因。寿命管理是在对设备状态进行检测和评估的基础上优化设 备运行与维护管理的新技术。设备寿命诊断主要研究设备部件在非稳态下的温度及热应力变化规律、 金属材料的疲劳特性以及部件的寿命损耗。通过对设备进行设备寿命诊断, 可以为电厂的运行、维修 提供决策建议, 提高火电机组的安全经济运行水平, 优化电厂的资金投入，降低大机组的事故停机率， 延长机组的服役寿命，降低电厂的生产成本。我国的能源结构以火力发电为主，而火力发电设备的 寿命损耗评价比较复杂。介绍了应力分析法、破坏试验法和非破坏损伤计测法三种代表性的锅炉部 件寿命诊断技术以及汽轮机转子的寿命诊断方法，并针对3 0 0 M W 供热凝汽式机组，对其寿命进行分析。 关键词 设备, 寿命, 诊断，管理 M e t h o d s a n d A p p l i c a t i o n i n L i f e - s p a n D i a g n o s e s o f E q u i p m e n t s i n T h e r m a l P o w e r P l a n t s XU Yue- qin TU Shan SUN Shi- wen （School of Energy and Power Engineering，Xi’ an Jiaotong University，Xi’ an 710049 China） A b s t r a c t Many parts of thermal generator set serve under high temperature and high pressure, even under high speed conditions. The main reason for maintenance of equipment is the material aging and failing after being on active service for a long time. Life- span management is to optimize the equipment and operate the new technology with maintenance management on the foundation of uating equipment state and assessing. Equipment life- span diagnoses mainly research the variation rules of unit part in unsteady temperature and thermal stress, fatigue characteristic of metals and life deterioration of equipments. Diagnosing the life- span of the equipments can offer decisions for operation and maintenance of power plant, improve the security and economy of operation, optimize the fund investment, reduce accidental outage rate, lengthen the life- span on active service of the unit and reduce the production costs of the power plant. Thermal power generation is the central energy in our country, and the life- span diagnoses of the equipments in thermal power plants are complex. Three kinds of representative s in boiler diagnoses technology and the in life- span diagnoses of steam turbine rotor are introduced. As to 300MW thermal power unit, the equipment life- span management is analyzed. K e y w o r d s equipment, life- span, diagnoses, management 随着我国电力改革的进一步深化, 厂网分开模 作者简介徐跃芹（1 9 8 3 ～） ，女汉族，河南鹤壁人，硕士研究生。 式的建立,电厂经济将独立核算。如何不断降低发电 成本、提高效益成为发电企业面临的一个重大课题, 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 451 而对电厂发电设备实施寿命管理是提高火力发电的 经济性和安全性的有效途径之一。 火力发电机组的很多部件长期在高温、高压下 服役，如过热器、再热器、联箱、蒸汽管道、高温 螺栓等部件；有的在高温、高压和高速旋转条件下 运行，如汽轮机转子。长期服役后的材料老化和失 效是造成设备维修的主要原因。通过设备老化状态 和寿命的有效及连续监测, 及时正确地将它们的状 态和寿命评估的结果反馈给管理层, 以便将其应用 于设备管理的决策中。由此, 可明显提高设备运行的 安全性、可靠性, 降低维修成本, 实现设备的以状态 监测为基础的检验与维修管理。 1 设备寿命管理与寿命诊断 图1 故障率曲线图 任何产品的故障发生率并不是一成不变的。由 多种零部件构成的设备系统, 其故障率曲线如图1 所 示，称浴盆曲线 [ 1 ] 。从时间变化看, 曲线明显呈现3 个不同的区段 初期故障期、偶发故障期和损耗故 障期。故障率特征曲线实际上就是描述产品从开始 使用到退出使用的故障率随时间的变化而变化的规 律，即描述设备从出厂、投入使用、退出使用的全 部生命周期。 寿命管理是对设备状态进行检测和评估的基础 上优化设备运行与维护管理的新技术，目标是确保 机组安全，经济地实现其全服役寿命期的发电功能， 即实现设备的寿命周期优化管理。通过寿命管理， 可以优化电厂的资金投入，降低大机组的事故停机 率，延长机组的服役寿命，降低电厂的生产成本。 寿命管理的阶段实施分为几个重要步骤调研， 寿命管理大纲的制定，设备的分级与排序（可选） ， 设备状态检验与测点安装，寿命管理软件的安装与 培训，寿命管理技术与撑起的技术支持等[2,3]。 设备寿命诊断主要研究设备部件在非稳态下温 度及热应力变化规律、金属材料的疲劳特性以及部 件的寿命损耗，合理分配寿命损耗，指导优化运行。 设备寿命诊断是以设备部件的设计和运行的历史数 据、实时运行参数和各种试验结果为依据，运用理 论解析和试验检查方法，推断设备的运行状况、故 障原因、寿命损耗及剩余寿命。 寿命预测与评估技术的应用，有利于科学合理 地安排检修和提高设备的可用率。但电力公司可能 获得的效益大部分来自于电厂主设备，因此，各国 都把寿命预测和评估研究的重点放在对锅炉、汽机、 发电机、变压器及高压开关等重要设备上。 2 锅炉部件寿命诊断 2 . 1 应力解析法 应力解析法以诊断位置的结构尺寸和温度、压 力等运行条件为基础, 根据解析式或有限元法进行 应力解析, 计算热应力、内压应力, 根据计算出的应 力值和持久强度、疲劳强度等材料强度数据, 分别计 算出蠕变损伤率和疲劳损伤率, 评估部件的剩余寿 命[4]。应力解析法进行寿命诊断的顺序见图2。 2 . 2 破坏实验法 从部件有代表性的部位割取式样，通过拉伸、 蠕变断裂和疲劳试验等材料试验，直接求取材料的 当前机械性能数据，并以此估计寿命损耗情况和剩 余寿命。为了使评估对部件强度的影响降到最低,现 在许多国家采用微型试验技术在运行设备和部件上 取实样,制备微型样块进行断裂力学和材料性能试 验,所采用的小直径冲压试验样块厚度仅为0.5mm左 右[5]。 2 . 3 无破坏损伤计测法 通过各种无损检测手段来检测部件尺寸、组织、 强度、电阻等变化情况，推算材料的剩余寿命[4]。 1微小试样法 首先，在不损坏诊断部位健全性的前提下，用 放电加工的方法或专用刀具切取柱形、船形小试块， 之后，通过电子束焊接把这个小试块与同种钢夹头 焊在一起，进行蠕变试验。 w w w . b z f x w . c o m 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 452 为了从短时的试验外推出部件的剩余寿命，选 取的试验应力与部件的受力相同。用提高温度的方 法做加速试验。另外，由于小型试验片在空气中试 验会因氧化而减薄，所以，试验时在氩气下进行的。 已证实，小型试验片在充氩条件下与通常的大气条 件下大型试验片有相同的断裂寿命。 2采取被诊断部位金相复型，借助光学显微镜 和电子显微镜进行全面观测并拍摄其有代表性的照 片，根据检验目的做如下几种或某种的检验组织 对比法、晶内碳化物观察法、孔洞面积率法、孔洞 定量A 参数法等。 3巴克好森（Barkhausen）噪声法 这个方法时以检出材料上初期损伤为目的的。 强磁体被磁化时产生巴克好森噪声，它会引起磁畴 壁位移，这个杂波对于用超声波很难检出的微观组 织（碳化物、孔洞、位错等）的变化具有敏感性。 如图3所示，实测时，让传感器与被检物便面接触。 热的劣化和蠕变损伤反映为碳化物大小和孔洞量的 变化，疲劳损伤反映为位错密度的改变，用此方法 都有可能检测出来。 4超声波法 用来计测部件内部的蠕变损伤。现场检测时， 把传感器与被诊断表面直接接触。超声波遇到孔洞 和裂纹后发生散射，含有孔、微裂纹的损伤材料的 噪声能量比未使用材料的噪声能量大，这样，采集 从超声波发出直到第一次底面回波的噪声波并进行 了AD转换后的信号，将其进行傅立叶变换和频率解 析，计算得出噪声能。 此外，还有碳化物法以及用于对传热管蠕变损伤计 测的外径计测法等。 图2 根据应力解析法进行剩余寿命诊断 图3 巴克好森噪声法的实测装置 3 汽轮机转子寿命诊断 对汽轮机进行寿命诊断时必须重点考虑汽轮 机轴瓦、叶片，转子等部件。目前，美国电力研究 院（EPRI）监测诊断中心（M＆D）已研制出用于汽 轮机诊断系统的叶片寿命动态分析系统（BLADE） 可以计算、推测叶片何处可能出现裂纹，以及产生 w w w . b z f x w . c o m 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 453 裂纹后的寿命；并帮助工程技术人员评估汽机转子 的剩余寿命及随运行时间的故障发生概率。对于转 子寿命评估的方法，国内已有较为成熟的理论[1,6]。 汽轮机的寿命一般是指从投运到转子出现第1 条宏 观裂纹期间总的工作时间。宏观裂纹的等效直径一 般取为0.12～0.15mm。实际上,汽缸和转子在运行时, 都有蠕变损伤,但由于厂家对大型汽轮机的汽缸结构 进行了一系列优化设计,如采用双层缸结构、减小汽 缸厚度等,使汽缸承受的应力远远小于转子的；再加 上低周疲劳特性对汽轮机寿命的损耗也是针对转子 的。故在计算寿命时,通常把转子的寿命作为汽轮机 的寿命。 3 . 1 汽轮机转子寿命计算 （1）温度场计算 一般，采用三维有限元法，也可以采用轴对称 二维计算模型。 （2）热应力计算 包括热应力、离心应力和转子合成应力。可以 用第一强度理论或其他强度理论得到。 3 . 2 寿命损耗计算 （1）载荷谱 载荷谱是应力随时间的变化历程，可以用不同 的载荷谱处理方法来统计应力循环。 Timo提出的传统方法，把启动、停机、负荷变 化分别视为完整的热循环处理。计算全应变或特征 应力后，从疲劳曲线上查出寿命损耗，然后取其二 分之一作为启动一次或停机一次或负荷变动一次的 寿命损耗。 雨流法是另一种较好的统计方法，能够同时考 虑应力谱中小波动的影响，对应力谱的处理更符合 实际。 （2）寿命损耗曲线和低周疲劳寿命损耗的计算 低周疲劳损耗根据转子钢低周疲劳强度曲线计 算，准确地计算应以材料的全应变作为计算依据， 简化时采用特征应力。 （3）高温蠕变寿命损耗 通过统计转子在不同温度区域运行的时间累计 值来计算。蠕变极限和蠕变速度是蠕变寿命损耗中 的重要参量。 （4）总寿命损耗 根据Miner法则，寿命损耗由低周疲劳寿命损耗 和高温蠕变寿命损耗量部分线性叠加组成。当寿命 损耗值达到1 时，就可能出现裂纹[1]。 3 . 3 汽轮机转子剩余寿命 我国目前已有相当数量的火电机组运行时间超 过了104h， 而且还要求在频繁启停等苛刻条件下继续 运行，所以必须对转子老化程度进行评价、诊断。 由于转子材料的蠕变和疲劳损伤数据不易获得，所 以无破坏损伤计测法（见锅炉寿命诊断部分）是有 效的评价方法。实际评估汽轮机钻子剩余寿命，要 将无破坏损伤计测法雨应力分析、载荷谱分析等相 结合进行。在美国和日本广泛使用的评价程序 SAFER就是一个代表。 图4 汽轮机转子温度曲线 图5 N C 3 0 0 - 1 6 . 7 / 5 3 7 / 5 3 7 机组转子寿命损耗曲线 3 . 4 3 0 0 M W 机组转子寿命分析 某厂300MW 供热凝汽机组, 在叶轮附近高压 转子温度最高的区域, 取调节级后汽室内的转子截 面为控制截面。转子材料为30Cr1Mo1V耐热高强度 w w w . b z f x w . c o m 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 454 钢, 转子总长为5099mm , 总重量为12092kg；其几 何物性转子外半径0.29m，内半径0.06m；导热系数 43.9W/m K ； 密 度 7860kg/m3 ；比 热 容 0.46kJ/kgK。 图4和图5给出了转子温度和低周疲劳寿命损耗 百分比曲线。当启停变工况时, 按照转子金属温度 确定温升量, 根据选定的温升率即可查得此次启停 变工况的转子寿命损耗百分比或由选定的转子寿命 损耗百分比在曲线上求得应选用的温升率, 作为机 组进行寿命管理、延长机组使用期限、保障机组安 全运行的依据。 4 结论 在设备整个生命周期内，对设备维护和故障诊 断工作做整体系统的综合管理, 有助于提高设备的 组织管理工作, 提高设备的可利用率, 延长设备的有 效寿命。发电设备寿命损耗的预测和合理分配，涉 及到发电设备的设计、制造、运行方式以及传热学、 高温金属学、现代力学和现代计算技术，与国家的 能源政策也有着密切的关系，是一个复杂的跨学科 研究课题。 随着我国电网容量的增大, 高参数大容量机组 的采用, 各大电网的峰谷差愈来愈大, 电网调峰问题 日益突出, 大容量火电机组参与调峰运行, 已成为势 在必行。大容量火电机组参与调峰运行, 由于启停频 繁或负荷大幅度变化, 机组部件经常承受剧烈的温 度变化和交变热应力, 导致部件产生低周疲劳损耗, 缩短机组的使用寿命。因此, 为了保证调峰机组安全 经济运行, 必须加强对机组主要设备的寿命诊断与 管理。 参考文献 [ 1 ] 黄雅罗，黄树红. 发电设备状态检修．北京中国电力出 版社，2 0 0 0 . [ 2 ] 李耀君. 火电厂重要部件的寿命管理技术研发与应用. 热 力发电，2 0 0 3 ， 5 9 1 2 . [ 3 ] 董泽，韩璞，刘吉臻. 火电厂热力设备的寿命评估技术. 上海海运学院学报, 2 0 0 1 ，2 2 3 1 7 9 1 8 2 . [ 4 ] 李兵． 日本火电厂锅炉部件剩余寿命诊断技术. 华北电力 技术，1 9 9 7 ， 8 5 1 0 . [ 5 ] 刘开敏. 国外电力设备寿命管理技术动态 . 中国电 力, 1 9 9 7 ， 5 5 0 5 2 . [ 6 ] 许婧，王晶，高峰等. 电力设备状态检修技术研究综述. 电网技术, 2 0 0 0 , 2 4 8 4 8 5 2 . [ 7 ] 杨巨生，常磊，夏同棠. 汽轮机转子的寿命研究. 太原理 工大学学报, 2 0 0 1 ，3 2 2 1 2 4 1 2 6 .