火电蒸汽管道寿命评估

目次前言1范围2规范性引用文件3管道寿命评估和强度校核的条件4管道寿命评估5寿命评估技术方法6寿命评估报告附录A（资料性附录）（9～12）Cr-1Mo钢的k、m值和L—M参数曲线附录B（资料性附录）评估管道蠕变寿命的法附录C（资料性附录）常用蒸汽管道钢的低周疲劳性能参数附录D（资料性附录）主蒸汽管道寿命评估举例前言本标准是根据原国家经济贸易委员会《关于确认1999年度电力行业标准制、修订计划项目的通知》（电力［2000］22号文）的安排而制定的。蒸汽管道是火电机组关键部件之一，长期在高温、高压下服役会产生蠕变损伤。蒸汽管道材料的微观组织随着运行时间的延长而老化，伴随着材料微观组织的老化引起材料强度的劣化，对于调峰机组伴随着机组的频繁启停还会产生疲劳损伤。故蒸汽管道的安全运行在火电机组安全运行中具有重要的意义。我国目前还有已投运45年的机组在运行。超过30年的老旧机组除少量作退役报废处理外，大部分仍在继续运行，蒸汽管道的老化问题和运行风险日益突出。因此，对蒸汽管道的剩余寿命进行评估，是保证老旧机组安全运行的重要措施。本标准依据我国电站金属材料工作者几十年来积累的对蒸汽管道寿命评估的经验，参照DL/T654—1998《火电厂超期服役机组寿命评估技术导则》中有关条款，国外有关蒸汽管道寿命评估方法和有关标准，提出了我国火力发电厂蒸汽管道寿命评估的基本步骤、常用的评估方法，一方面为蒸汽管道的延寿运行提供技术上的依据，另一方面可充分发挥蒸汽管道的运行潜力。本标准主要针对在役机组的蒸汽管道的剩余寿命评估，但其评估方法亦可为新机组蒸汽管道的选材、运行寿命的校核所参考。对于新建机组，应注意蒸汽管道设计、制造、监造、安装、运行、检修及改造等技术资料的收集保存，以便为以后的蒸汽管道寿命评估提供完整的资料和可靠的依据。本标准附录A、附录B、附录C、附录D是资料性附录。本标准由中国电力企业联合会提出。本标准由电力行业电站金属标准化技术委员会归口并解释。本标准起草单位：西安热工研究院有限公司、西北电力试验研究院。本标准主要起草人：李益民、杨百勋、贾建民、严苏星、刘树涛、史志刚。火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则1范围本标准规定了火力发电厂蒸汽管道的寿命评估的基本原则、基本步骤、所需的信息资料，推荐了常用的寿命评估方法。本标准适用于火力发电厂蒸汽温度高于400℃的主蒸汽管道、再热蒸汽管道及锅炉、汽轮机导汽管的寿命评估，蒸汽温度高于400℃的联箱可参照使用。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T228金属材料室温拉伸试验方法GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法GB/T2039金属拉伸蠕变及持久试验方法GB/T9222—1988水管锅炉受压元件强度计算GB/T13298金属显微组织检验方法GB/T15248金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法DL438—2000火力发电厂金属技术监督规程DL/T441—2004火力发电厂蒸汽管道蠕变监督规程DL/T551低合金耐热钢蠕变孔洞检验技术工艺导则DL/T652金相复型技术工艺导则DL/T654—1998火电厂超期服役机组寿命评估技术导则DL/T674火电厂用20号钢珠光体球化评级标准DL/T773火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准DL/T786碳钢石墨化检验及评级标准DL/T787火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准DL/T818低合金耐热钢碳化物相分析技术导则DL/T820管道焊缝超声波检验技术规程DL/T821钢制承压管道对接焊接接头射线检验技术规程DL/T5054火力发电厂汽水管道设计技术规定JB4730压力容器无损检验3管道寿命评估和强度校核的条件依据下述情况分别对蒸汽管道进行寿命评估和强度校核：a）已运行20万h（含20万h）以上的带基本负荷的火电机组，应进行寿命评估。b）对于曾提高参数（相对于设计参数）运行的机组，进行寿命评估的时间应适当提前。c）对于设计的调峰机组，当超过设计循环周次后，应进行低周疲劳—蠕变寿命评估；对由基本负荷机组改造为调峰机组或启停频繁的机组，也应进行低周疲劳—蠕变寿命评估。d）工作温度大于或等于450℃的碳钢（20G）、钼钢（0.5Mo）蒸汽管道，当出现下列情况之一时，应进行寿命评估：1）运行时间大于或等于15万h。2）珠光体球化达到5级。珠光体球化评级按DL/T674执行。3）石墨化达到3级。石墨化评级按DL/T786执行。e）12CrMo、15CrMo、12CrMoV和12Cr1MoV钢制蒸汽管道，即使运行时间未达到20万h，当出现下列情况之一时，应进行寿命评估：1）相对最大蠕变应变大于或等于0.75％或最大蠕变速率大于或等于0.35×107/h。蠕变测量按DL/T441执行。2）监督段中碳化物内钼含量占钢中钼总含量的比值：12CrMo和15CrMo大于或等于85％，12Cr1MoV大于或等于75％。碳化物中钼的测量按DL/T818执行。3）监督段金相组织中珠光体球化达到5级。15CrMo和12Cr1MoV钢的珠光体球化级别分别按DL/T787和DL/T773执行。f）除3中e）所述的钢种外，其他合金钢蒸汽管道长期运行后，当相对蠕变应变达到1.0％或最大蠕变速率大于1.0×107/h时，应进行寿命评估。g）管道的实测壁厚小于取用壁厚时，应进行壁厚强度校核。h）管道存在体积型超标缺陷时，首先应进行消缺处理；若消缺难度大或生产上暂时不具备消缺条件，应用断裂力学方法对缺陷进行安全性评定。焊缝超标缺陷评定方法按DL/T654—1998中5.4。4管道寿命评估4.1评估资料4.1.1设计、运行及检修资料a）管道设计资料，包括蒸汽参数、设计依据、部件材料及其力学性能、制造工艺、结构几何尺寸、强度计算书及管道的冷紧位置、冷紧方向和预拉紧力等。b）管道安装资料，包括光谱检测、焊接及热处理工艺、主要缺陷的处理记录等。c）管道投运时间、运行小时数和启停次数。d）管道实际运行压力、温度及压力、温度的波动范围；超设计参数运行的温度、压力及每一参数下的累积运行时间。e）管道事故记录和事故分析报告。f）管道焊缝的挖补修复与弯头（弯管）、阀门及三通的更换记录。g）管道历次检修检查记录，包括管道外观检查、壁厚和弯头不圆度测量及蠕胀测量记录，焊缝、弯头（弯管）的无损检验，材料成分的校对、金相组织、硬度检查，腐蚀状况检查和管系的支吊检查记录等。4.1.2管道材料性能数据根据机组的运行方式，确定对蒸汽管道是进行蠕变寿命评估、疲劳—蠕变交互作用寿命评估还是焊缝缺陷的安全性评定，不同类型的评估所需的材料性能数据如下。a）管道蠕变寿命评估所需的材料性能数据：1）常规力学性能。包括室温和工作温度下的拉伸性能、冲击性能，硬度。2）高温长期性能。包括持久强度、蠕变极限、最小蠕变速率。3）微观组织与碳化物特性。微观组织包括组织特征、晶粒度、表面脱碳、珠光体球化级别、石墨化级别（碳、钼钢）、蠕变孔洞和裂纹；碳化物特性包括碳化物成分与结构。4）物理性能。包括氧化速率和腐蚀速率。b）管道蠕变—疲劳交互作用寿命评估所需的材料性能数据：1）常规力学性能。包括室温和工作温度下的拉伸、冲击性能，硬度。2）高温长期性能。包括持久强度、蠕变极限、最小蠕变速率，低周疲劳性能，疲劳—蠕变交互作用曲线。3）微观组织与碳化物特性。微观组织包括组织特征、晶粒度、表面脱碳、珠光体球化级别、石墨化级别（碳、钼钢）、蠕变孔洞和裂纹；碳化物特性包括碳化物成分与结构。4）物理性能。包括弹性模量、泊松比，线膨胀系数、比热容、热导率，氧化速率和腐蚀速率。4.2应力计算4.2.1内压应力计算a）蒸汽管道直管段的内压折算应力按式（1）计算，或采用式（2）计算环向应力。（1）式中：eq——内压折算应力，MPa；p——管道正常运行下的压力，MPa；Do——蒸汽管道外径，mm；S——蒸汽管道壁厚，mm；——考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加壁厚，mm；Y——温度对计算管子壁厚公式的修正系数（对于碳钢、低合金钢和高铬钢，480℃及以下时Y=0.4，510℃时Y=0.5，538℃及以上时Y=0.7，中间温度的Y值，可按内插法计算）。（2）式中：——环向应力，MPa。b）弯头部位的最大环向应力按下式计算：（3）式中：max——最大环向应力，MPa；e——弯头不圆度；p——管道正常运行下的压力，MPa；Domax、Domin——蒸汽管道外直径的最大、最小值，mm；Dnom——管道的公称外直径；S——弯头（弯管）的最小壁厚，mm；——泊松比，0.3；E——材料弹性模量，MPa；Di——管道内直径，mm。4.2.2热应力计算对管道进行蠕变—疲劳寿命评估时，蒸汽管道的环向热应力按下式计算：（4）式中：——材料的线胀系数，1/K；T——蒸汽管道内外壁温差，℃；v——泊松比，0.3；f——与管道内外壁厚有关的结构系数，可查GB/T9222—1988中附录D的图D.3。4.3寿命评估的程序和步骤4.3.1寿命评估的程序寿命评估的程序按DL/T654—1998中的4.3执行。4.3.2管道寿命评估的步骤管道寿命评估的步骤采用三级评估法。a）Ⅰ级评估——基本评估。b）Ⅱ级评估——较精确评估。当Ⅰ级评估的蒸汽管道寿命小于蒸汽管道已运行的时间时，进行Ⅱ级评估。c）Ⅲ级评估——精确评估。当Ⅱ级评估的蒸汽管道寿命小于蒸汽管道已运行的时间时，进行Ⅲ级评估。4.3.3三个等级评估所需资料（见表1）表1三个等级评估所需资料Ⅰ级评估Ⅱ级评估Ⅲ级评估设计、制造和安装资料电厂记录电厂记录电厂记录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管道状态检测实际测量直管和弯头（弯实际测量直管和弯头（弯实际测量直管和弯头（弯管）壁厚、弯头不圆度、焊缝和弯头（弯管）的微观组织及硬度、焊缝和弯头（弯管）无损检测管）壁厚、弯头不圆度、焊缝和弯头（弯管）的微观组织及硬度、焊缝和弯头（弯管）无损检测管）壁厚、弯头不圆度、焊缝和弯头（弯管）的微观组织及硬度、碳化物成分与结构、焊缝和弯头（弯管）无损检测直管段应力计算分析计算分析计算分析弯头应力经验公式计算经验公式或有限元计算或试验应力测量经验公式或有限元计算或试验应力测量材料性能及微观组织损伤状态材料性能查阅资料取最低值割管取样进行拉伸、冲击、硬度和微观组织检查，持久、蠕变性能查阅资料取最低值割管取样进行拉伸、冲击、硬度试验、微观组织和碳化物检查、进行持久断裂或蠕变断裂试验4.3.4管道检测与材料试验方法焊缝和弯头（弯管）无损检测按JB4730或DL/T820及DL/T821执行；材料微观组织检查按GB/T13298和DL/T652执行；材料的持久、蠕变性能按GB/T2039执行；碳化物检查和蠕变孔洞检查分别按DL/T818和DL/T551执行。拉伸、冲击试验分别按GB/T228和GB/T229执行。5寿命评估技术方法5.1等温线外推法a）试验温度选与蒸汽管道运行相同条件下的温度，按GB/T2039进行材料的持久断裂试验。b）利用下式对试验数据用最小二乘法进行拟合，确定k、m值：（5）式中：——试样加载的应力水平，MPa；tr——断裂时间，h；k、m——由试验确定的材料常数。几种低合金耐热钢在不同状态下的k、m值可参照DL/T654—1998中的附录A。（9～12）Cr-1Mo钢的k、m值参见附录A中表A.1。c）用式（5）外推材料某一规定时间的持久强度时，外推的规定时间应小于最长试验点时间10倍。如外推材料540℃、10万h的持久强度，则最长试验点时间应大于10000h。d）拟合下限寿命线的k′和m′值，取下限寿命线的应力为中值寿