影響鍋爐汽包低周疲勞壽命的因素分析

李 軍， 張 揚

(國家專利局材料工程發明審查部，北京 100088)

汽包是鍋爐中最關鍵的受壓元件，因此需要對汽包的壽命進行全過程規劃和控制。汽包的全壽命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis)是綜合了汽包材料選擇、汽包結構設計和安全經濟運行多方面因素來研究汽包壽命損耗的系統工程[1-3]，該壽命管理理念在國內逐漸受到重視。汽包的材料、汽包結構和動態過程中的升溫率是影響其壽命損耗最重要的3個因素，而這3個因素與汽包壽命損耗之間的函數關系是非線性的，因而目前國內對上述3個因素的影響規律研究還較少。為了全面、科學、合理地為汽包全壽命成本管理提供參考依據，筆者從汽包全壽命周期成本最優的角度出發，借助現有成熟的汽包應力和壽命計算模型，通過計算研究汽包材料、汽包結構和動態過程中的升溫率對汽包壽命損耗的影響，將計算得到的數據進行可視化處理并深入分析其變化趨勢，這對于采用汽包鍋爐的電廠在汽包選型和經濟運行等方面具有現實意義和重要的參考價值。

1 汽包壽命損耗的計算

汽包壽命損耗的計算包括汽包應力計算和汽包壽命損耗計算。

1.1 汽包應力的計算

汽包應力是汽包熱應力與汽包機械應力的合成應力。在工程上，汽包應力的計算步驟通常是先計算出汽包熱應力，再計算出汽包機械應力，然后將兩者按照一定的規則疊加成為合成應力[4]。

根據美國機械工程師協會(ASME)規范，汽包的縱向截面與下降管接合處內轉角具有最大的機械應力集中系數，該點被認為是最危險工作點，也是汽包應力的監測點，在工程計算中，我國和美、英兩國都是根據最大剪應力理論(第三強度理論)，采用應力集中系數的方法來考慮該點的應力數值。

該點的合成應力σ為：

(1)

1.2 汽包壽命損耗的計算及統計

1.2.1 汽包壽命損耗的計算

首先求得在動態過程應力循環中的最小合成應力σmin和最大合成應力σmax，則該循環的最大應力幅σa為：

σa=(σmax-σmin)/2

(2)

然后根據BS5500設計疲勞曲線來查找鍋爐汽包壽命損耗。之前還需要依據材料的彈性模量對最大應力幅進行修正處理。

(3)

式中：σd為修正應力幅值，MPa；Ed為設計疲勞曲線中給定的彈性模量，Ed=2.068×105MPa；E為所分析材料的彈性模量，MPa。

根據σd值，在BS5500設計疲勞曲線上找出與這個應力幅對應的允許的循環次數N，而1/N就是循環一次汽包的壽命損耗。

1.2.2 汽包壽命損耗的統計

工程上通常采用雨流計數法對汽包的載荷歷程進行統計[5-6]。循環過程中汽包壽命損耗的統計公式為：

H=∑ni/Ni

(4)

式中：Ni為汽包在i級幅值載荷下的疲勞壽命；ni為汽包在第i級幅值載荷下的工作循環次數。

2 汽包材料對汽包壽命的影響

2.1 汽包材料對啟動壽命的影響

對汽包應力產生影響的材料因素有熱擴散率、線膨脹系數和彈性模量等。圖1給出了材料因素在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響。從圖1可以看出，當材料的熱擴散率增大時，汽包的應力谷值上升，而應力峰值與材料因素無關，所以應力幅值及修正應力幅值下降，汽包壽命損耗也相應減小；當材料的線膨脹系數增大時，應力谷值降低，而應力峰值保持不變，因而應力幅值和修正應力幅值上升，因而汽包壽命損耗增大；當材料的彈性模量增大時，應力谷值降低，應力峰值不變，因此應力幅值上升，但是修正應力幅值受彈性模量增大的影響反而下降，因而汽包壽命損耗也相應地減小。

2.2 汽包材料對調峰壽命的影響

在鍋爐從200 MW降負荷到120 MW，經過一段時間后再升負荷到200 MW這個應力循環中，只有機械應力才會對汽包的低周疲勞壽命產生影響，因而在材料因素中只有材料的彈性模量能對汽包修正應力和汽包壽命損耗產生影響。圖2給出了材料彈性模量在調峰過程中對汽包修正應力幅值和汽包壽命損耗的影響。從圖2可以看出，隨著材料彈性模量的增大，修正應力幅值降低，汽包壽命損耗不斷減小，因而選擇高彈性模量材料有利于汽包的安全運行。

2.3 3種常用汽包材料對汽包壽命損耗的影響

目前國內在制造超高壓及臨界鍋爐汽包時使用的板材主要有19Mn5、SA299和BHW35[7-8]，表1給出了這3種常用高參數汽包材料的物理性能。

2.3.1 3種材料對冷態啟動過程中汽包壽命的影響

表2給出了3種材料在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響。圖3給出了3種材料在冷態啟動過程中對汽包應力的影響。

(a) 材料因素對冷態啟動過程中應力谷值的影響

(b) 材料因素對冷態啟動過程中應力幅值的影響

(c) 材料因素對冷態啟動過程中修正應力幅值的影響

(d) 材料因素對冷態啟動過程中汽包壽命損耗的影響圖1 材料因素在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響Fig.1 Influence of material factors on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

圖2 材料彈性模量在調峰過程中對汽包修正應力幅值和汽包壽命損耗的影響

Fig.2 Influence of material's modulus of elasticity on the modified stress and life loss of boiler drum in peaking process

綜合表1、表2和圖3可以看出，3種材料中19Mn5的熱擴散率最大，線膨脹系數和彈性模量居中，因而其應力谷值最高，對應的應力峰值與其他2種材料相同，因而應力幅值最低，修正應力幅值也最低，在3種材料中，其冷態啟動過程中汽包壽命損耗最小。SA229的熱擴散率和線膨脹系數居中，彈性模量最小，因此這種材料的汽包應力谷值居中，應力幅值也居中，但是由于該材料的彈性模量小，故修正應力幅值最高，在冷態啟動過程中汽包壽命損耗最大。BHW35的熱擴散率最小，線膨脹系數最大，彈性模量也最大，因而其應力谷值最低，應力幅值最高，但是由于其彈性模量最大，導致修正應力幅值居中，因而在冷態啟動過程中使用該材料的汽包壽命損耗也居中。

表1 3種常用汽包材料的物理性能Tab.1 Physical performance of three commonly used materials

表23種材料在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響

Tab.2Influenceofthreematerialsonthestressandlifelossofboilerdrumincoldstartupprocess

參數材料19Mn5SA299BHW35應力谷值/MPa-20.556-22.293-24.907應力峰值/MPa483.22483.22483.22應力幅值/MPa251.89252.75254.06修正應力幅值/MPa269.51279.82270.43汽包壽命損耗2.780 7×10-43.104 9×10-42.809 1×10-4

(a)(b)

圖3 3種材料在冷態啟動過程中對汽包應力的影響

Fig.3 Influence of three materials on the stress of boiler drum in cold startup process

2.3.2 3種材料對調峰過程中汽包壽命的影響

表3給出了3種材料在調峰過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響。圖4給出了3種材料在調峰過程中對汽包應力的影響。

表33種材料在調峰過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響

Tab.3Influenceofthreematerialsonthestressandlifelossofboilerdruminpeakingprocess

參數材料19Mn5SA299BHW35應力谷值/MPa405.88405.88405.88應力峰值/MPa480.24480.24480.24應力幅值/MPa37.18037.18037.180修正應力幅值/MPa39.78141.16139.576汽包壽命損耗2.248 2×10-62.310 1×10-62.239 1×10-6

綜合表3和圖4可以看出，在調峰過程中，材料因素對汽包應力谷值、應力峰值和應力幅值都沒有影響，但材料的彈性模量卻直接影響修正應力幅值，進而影響汽包壽命損耗。彈性模量越大，修正應力幅值越高，汽包壽命損耗越小。3種材料中BHW35的彈性模量最大，因而在調峰過程中的汽包壽命損耗最小；SA229的彈性模量最小，因而在調峰過程中的汽包壽命損耗是最大的。

(a)(b)

圖4 3種材料在調峰過程中對汽包應力的影響

Fig.4 Influence of three materials on the stress of boiler drum in peaking process

3 汽包結構對汽包壽命的影響

汽包結構對汽包壽命的影響主要是考慮汽包內直徑和汽包厚度這2個重要因素的影響。

3.1 汽包結構在冷態啟動過程中對汽包壽命的影響

圖5給出了結構因素在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響，其中Sy為汽包厚度。從圖5可以看出，在冷態啟動過程中，當汽包內直徑增大時，應力谷值上升，但是應力峰值上升得更多，因而應力幅值和修正應力幅值上升，汽包壽命損耗增大；而當汽包厚度增加時，應力谷值降低，但是應力峰值降低得更多，因而應力幅值和修正應力幅值降低，汽包壽命損耗減小。

3.2 汽包結構在調峰過程中對汽包壽命的影響

圖6給出了結構因素在調峰過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響。從圖6可以看出，汽包的內直徑越小，汽包厚度越大，在調峰過程中汽包壽命損耗也越小。

4 升溫率在冷態啟動過程中對汽包壽命和冷態啟動過程總成本的影響

4.1 升溫率在冷態啟動過程中對汽包壽命的影響

在鍋爐的所有循環中，冷態啟動過程中的應力幅值是最高的，該值與鍋爐啟動的升溫率有直接的關系。圖7給出了升溫率在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響。

從圖7可以看出，隨著升溫率的提高，汽包的應力谷值不斷降低，而應力峰值維持不變，因而應力幅值不斷上升，相應的修正應力幅值不斷上升，汽包壽命損耗也不斷增大。升溫率越高，汽包壽命損耗越大，這就是在冷態啟動過程中要嚴格控制升溫率的原因。工程上通常要求平均升溫率不應高于2.0K/min，圖7中與該升溫率對應的汽包壽命損耗為3.5×10-4。

(a) 結構因素對冷態啟動過程中應力谷值的影響

(b) 結構因素對冷態啟動過程中應力峰值的影響

(c) 結構因素對冷態啟動過程中應力幅值及修正應力幅值的影響

(d) 結構因素對冷態啟動過程中汽包壽命損耗的影響圖5 結構因素在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響Fig.5 Influence of structure factors on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

(a) 結構因素對調峰過程中應力峰值的影響

(b) 結構因素對調峰過程中應力峰值的影響

(c) 結構因素對調峰過程中應力幅值及修正應力幅值的影響

(d) 結構因素對調峰過程中汽包壽命損耗的影響圖6 結構因素在調峰過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響Fig.6 Influence of structure factors on the stress and life loss in peaking process

4.2 升溫率在冷態啟動過程中對冷態啟動過程總成本的影響

計算對象為東方鍋爐股份有限公司生產的型號為DG670/140-5的汽包鍋爐，該鍋爐汽包的具體參數如下：汽包內直徑D1=1 600 mm，外直徑D2=1 780 mm，設計壁厚S=90 mm，下降管內直徑d1=336 mm，汽包額定壓力pe=15.596 MPa(表壓)。水壓試驗壓力為19.62 MPa，線膨脹系數a1=1.277 6×10-5K-1，熱擴散率a=519.8 mm2/min，泊松比v=0.3，最小屈服極限σS=340 MPa，強度極限σb=580 MPa。

(a)

(b)

圖7 升溫率在冷態啟動過程中對汽包應力和汽包壽命損耗的影響

Fig.7 Influence of heating rate on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

首先根據該機組的年發電量，將汽包壽命損耗換算成該機組的發電量損失，進而得到汽包的壽命成本。

Cpd=Qa×C0/La

(5)

Cdrum=Cpd×Lcold

(6)

式中：Qa為年平均發電量，kW·h；C0為平均每kW·h電的利潤，元/(kW·h)；La為每年汽包的壽命損耗；Cpd為每損耗一個單位的汽包壽命使得機組提前報廢造成相應電廠的利潤損失，元；Lcold為汽包冷態啟動一次的壽命損耗；Cdrum為鍋爐冷態啟動一次汽包的壽命成本，元。

根據汽包全壽命周期成本(LCC)最優理論，鍋爐的冷態啟動過程總成本不僅包含所消耗的燃料成本，還包括由不同升溫率決定的汽包壽命成本：

Ctotal=Cfuel+Cdrum

(7)

式中：Cfuel為冷態啟動過程中的燃料成本，元；Ctotal為冷態啟動過程總成本，元。

圖8給出了升溫率對冷態啟動過程中鍋爐各項成本的影響。從圖8可以看出，隨著升溫率的提高，Cfuel不斷降低，但Cdrum不斷上升，而Ctotal經歷了一個由大到小，再由小到大的變化過程。當升溫率在0.8～1 K/min內，Ctotal最小，采用這種升溫率啟動鍋爐能夠使總成本最低，從而使總的經濟效益達到最優。在調峰期間升溫率對冷態啟動過程總成本的影響規律與啟動期間類似，故不再贅述。

圖8 冷態啟動過程中升溫率對鍋爐成本的影響

Fig.8 Influence of heating rate on the boiler cost in cold startup process

如果要在保持鍋爐汽包壽命成本不變的同時，減少燃料的消耗從而節約鍋爐燃料成本，可以在啟動期間和調峰期間采取變升溫率的調節方式，能夠取得更加優異的經濟效益[9-12]。

5 結 論

(1)汽包的材料、結構和升溫率都會對汽包壽命產生影響，其中材料因素和結構因素是設計階段最重要的因素，應當根據汽包所承擔的負荷類型進行優選，而升溫率是運行階段影響汽包壽命損耗的直接因素。

(2)材料因素中，較大的熱擴散率和較小的線膨脹系數對減小冷態啟動過程中汽包壽命損耗是有利的。在應變較大的冷態啟動過程中，塑性較好的19Mn5鋼板的汽包壽命損耗小；在應變相對較小的調峰過程中，強度較高的BHW35鋼板的汽包壽命損耗小。19Mn5更適合作為兩班制調峰機組鍋爐汽包的材料，而BHW35更適合作為低負荷調峰機組鍋爐汽包的材料。

(3)結構因素中，汽包內直徑和汽包厚度對應力峰值的影響比其對應力谷值的影響大得多。較小的汽包內直徑和較大的汽包厚度對減小冷態啟動過程和調峰過程中汽包壽命損耗是非常有利的。SA229這種汽包材料的最大優點是容易加工，板材可以做得很厚，可以有效降低應力峰值，達到減小汽包壽命損耗的目的。

(4)對于已經投運的鍋爐，其汽包的材料和結構已經確定，確定最優的升溫率對減小汽包壽命消耗、減少冷態啟動過程總成本，以達到最佳的經濟效益具有現實意義。