鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算分析

荊樹春

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州310030）

0 引言

在鍋爐定期檢驗(yàn)過程中，強(qiáng)度校核計(jì)算是一種重要的檢驗(yàn)方法。根據(jù)TSG G7002-2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求，對(duì)于電站鍋爐以外的鍋爐，“受壓部件嚴(yán)重腐蝕或者磨損減薄，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，最小實(shí)測(cè)壁厚小于最小需要厚度時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修復(fù)（堆焊后磨平、挖補(bǔ)、更換）”[1]。根據(jù)TSG G0001-2012/XG1-2017《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 第1 號(hào)修改單的要求，“鍋爐本體受壓元件的強(qiáng)度可以按照GB/T 16507.4《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 16507.4)或者GB/T 16508.3《鍋殼鍋爐 第3 部分：設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 16508.3)進(jìn)行計(jì)算和校核”[2]。根據(jù)GB/T 16507.4 和GB/T 16508.3 中的計(jì)算方法要求，在鍋爐定期檢驗(yàn)過程中進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，需確定基準(zhǔn)壓力等參數(shù)。基準(zhǔn)壓力的選取或計(jì)算正確與否直接影響強(qiáng)度計(jì)算的準(zhǔn)確性[3]，并可能導(dǎo)致做出對(duì)鍋爐是否符合安全運(yùn)行要求的錯(cuò)誤判斷。因此，不同的基準(zhǔn)壓力選取方法如何影響計(jì)算結(jié)果需進(jìn)一步分析和研究。

1.強(qiáng)度校核計(jì)算方法

為了便于研究，以筒體作為研究對(duì)象，按照GB/T 16507.4 和GB/T 16508.3[4][5]，筒體的強(qiáng)度校核按公式（1）或公式（2）進(jìn)行。

其中：[p]表示最高允許工作壓力(MPa)；φmin表示最小減弱系數(shù)； [σ]表示材料許用應(yīng)力(MPa)；δe表示有效厚度（mm）；Di表示筒體內(nèi)徑（mm）；Do表示筒體外徑（mm）。

再熱蒸汽系統(tǒng)外的鍋爐元件計(jì)算壓力按公式（3）確定。

其中：p表示計(jì)算壓力(MPa)；pr表示額定工作壓力(MPa)；Δpf表示工質(zhì)流動(dòng)阻力(MPa)；Δph表示液柱靜壓力 (MPa)；Δpa表示設(shè)計(jì)附加壓力 (MPa)。

若按照GB/T 16507.4，在強(qiáng)度校核計(jì)算過程中，需要根據(jù)金屬壁溫tb選取材料的許用應(yīng)力[σ]。金屬壁溫tb可以由傳熱計(jì)算確定，但傳熱計(jì)算所需實(shí)際工況的熱流均勻系數(shù)、熱流密度、傳熱系數(shù)等參數(shù)較難確定，則通常由平均工質(zhì)溫度tm采用查表選取的方法來(lái)確定金屬壁溫tb。對(duì)于蒸汽鍋爐，鍋筒的平均工質(zhì)溫度tm應(yīng)由計(jì)算壓力p確定。

若按照GB/T 16508.3，在強(qiáng)度校核計(jì)算過程中，需要根據(jù)計(jì)算溫度tc選取材料的許用應(yīng)力[σ]。計(jì)算溫度tc可以由傳熱計(jì)算確定，但傳熱計(jì)算所需實(shí)際工況的熱流均勻系數(shù)、熱流密度、傳熱系數(shù)等參數(shù)較難確定,則通常由介質(zhì)額定平均溫度tmave采用查表選取的方法來(lái)確定計(jì)算溫度tc。對(duì)于蒸汽鍋爐，介質(zhì)額定平均溫度tmave應(yīng)由額定壓力pr確定。

以上兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于材料的許用應(yīng)力[σ]的選取給出了不同方法，應(yīng)該采用由實(shí)際工作壓力p0確定的平均工質(zhì)溫度tm，還是應(yīng)該采用由額定壓力pr確定的介質(zhì)額定平均溫度tmave，還有的工程師提出應(yīng)該采用由計(jì)算壓力p確定的計(jì)算溫度tc，還需進(jìn)一步分析和討論。

2.案例分析

2.1 工業(yè)鍋爐鍋筒

假設(shè)，一臺(tái)工業(yè)蒸汽鍋爐的額定工作壓力為1.25 MPa，鍋筒材料牌號(hào)為20，筒體內(nèi)徑Di=2 000 mm，取用壁厚10 mm，內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋筒局部減薄，經(jīng)壁厚測(cè)量得最小實(shí)測(cè)厚度7.8 mm，上次檢驗(yàn)時(shí)最小實(shí)測(cè)厚度9.6 mm，實(shí)際工作壓力p0=1.10 MPa，最小減弱系數(shù)φmin取1.0。

按以下4 種方案對(duì)鍋筒進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

方案一：額定工作壓力pr取1.25 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度193.4 ℃，即為介質(zhì)額定平均溫度tmave，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為132.2，由公式（1）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為0.790 MPa。

方案二：由公式(3)求得計(jì)算壓力p為1.30 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度195.1 ℃，即為計(jì)算溫度tc，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為131.9，由公式（1）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為0.789 MPa。

方案三：實(shí)際工作壓力p0取0.80 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度175.4 ℃，即為平均工質(zhì)溫度tm，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為135.4，由公式（1）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為0.810 MPa。

方案四：以最高允許工作壓力[p]作為基準(zhǔn)壓力，初值取0.8 MPa，由公式（1）利用迭代法進(jìn)行計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為0.809 MPa。

如圖1 所示為不同基準(zhǔn)壓力下計(jì)算得出的最高允許工作壓力變化趨勢(shì)，在工業(yè)鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，隨著基準(zhǔn)壓力的增大，計(jì)算得出的最高允許工作壓力隨之減小。如圖2 所示為工業(yè)鍋爐各方案計(jì)算得出的最高允許工作壓力及實(shí)際工作壓力對(duì)比。按照方案一和方案二計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]低于實(shí)際工作壓力p0，在實(shí)際工作壓力p0參數(shù)下運(yùn)行是不符合鍋爐安全運(yùn)行要求的；但按照方案三和方案四計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]高于實(shí)際工作壓力p0，在實(shí)際工作壓力p0參數(shù)下運(yùn)行是符合鍋爐安全運(yùn)行要求的。方案四以最高允許工作壓力[p]確定材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]，是最精確的計(jì)算方法；方案三以實(shí)際工作壓力p0確定材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]，所得最高允許工作壓力[p]高于方案四，在此最高允許工作壓力[p]參數(shù)下運(yùn)行不能保證鍋爐安全；而方案一和方案二計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]低于方案四，在此最高允許工作壓力[p]參數(shù)下運(yùn)行能夠保證鍋爐安全。

因此，在工業(yè)鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，為計(jì)算簡(jiǎn)便，可以優(yōu)先選擇方案一或方案二進(jìn)行計(jì)算，即采用計(jì)算壓力或額定工作壓力作為基準(zhǔn)壓力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，但當(dāng)利用方案一或方案二計(jì)算所得最高允許工作壓力[p]低于實(shí)際工作壓力p0時(shí)，應(yīng)利用方案四進(jìn)一步強(qiáng)度校核計(jì)算，即利用迭代法進(jìn)一步強(qiáng)度校核計(jì)算，才能判斷鍋爐是否符合安全運(yùn)行要求。

圖1 不同基準(zhǔn)壓力下計(jì)算得出的最高允許工作壓力變化趨勢(shì)

圖2 工業(yè)鍋爐各方案計(jì)算得出的最高允許工作壓力及實(shí)際工作壓力對(duì)比

2.2 電站鍋爐集箱

假設(shè)，一臺(tái)電站鍋爐的鍋爐額定工作壓力為13.7 MPa，前墻水冷壁上集箱材料牌號(hào)為20G，筒體內(nèi)徑Do=356 mm，取用壁厚50 mm，實(shí)際工作壓力p0=15.6 MPa，內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁下集箱局部減薄，經(jīng)壁厚測(cè)量得最小實(shí)測(cè)厚度32.3 mm，上次檢驗(yàn)時(shí)最小實(shí)測(cè)厚度40.6 mm，最小減弱系數(shù)φmin取1.0。按以下4種方案對(duì)鍋筒進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

方案一：額定工作壓力pr取13.7 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和水溫度335.6 ℃，即為介質(zhì)額定平均溫度tmave，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為108.7，由公式（2）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為15.72 MPa。

方案二：由公式(3)求得計(jì)算壓力p為15.85 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度347.1 ℃，即為計(jì)算溫度tc，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為105.7，由公式（2）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為15.29 MPa。

方案三：實(shí)際工作壓力p0為15.60 MPa，作為基準(zhǔn)壓力，與之對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度345.9 ℃，即為平均工質(zhì)溫度tm，利用線性插值取得材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]為106.1，由公式（2）計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為15.33 MPa。

方案四：以最高允許工作壓力[p]作為基準(zhǔn)壓力，初值取13.7 MPa，由公式（2）利用迭代法進(jìn)行計(jì)算得出最高允許工作壓力[p]為15.38 MPa。

如圖3 所示為電站鍋爐各方案計(jì)算得出的最高允許工作壓力對(duì)比。按照方案二、方案三和方案四計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]低于實(shí)際工作壓力p0，在實(shí)際工作壓力p0參數(shù)下運(yùn)行是不符合鍋爐安全運(yùn)行要求的；但按照方案一計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]高于實(shí)際工作壓力p0，在實(shí)際工作壓力p0參數(shù)下運(yùn)行是符合鍋爐安全運(yùn)行要求的。方案四以最高允許工作壓力[p]確定材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]，是最精確的計(jì)算方法；方案一以額定工作壓力pr確定材料許用應(yīng)力系數(shù)[σ]，所得最高允許工作壓力[p]高于方案四，在此最高允許工作壓力[p]參數(shù)下運(yùn)行不能保證鍋爐安全；而方案二和方案三計(jì)算得出的最高允許工作壓力[p]低于方案四，在此最高允許工作壓力[p]參數(shù)下運(yùn)行能夠保證鍋爐安全。因此，在電站鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，采用迭代法進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算也是很必要的。

圖3 電站鍋爐各方案計(jì)算得出的最高允許工作壓力對(duì)比

3.結(jié)論

（1）利用迭代法進(jìn)行計(jì)算得出的最高允許工作壓力最精確。

（2）在工業(yè)鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，為計(jì)算簡(jiǎn)便，采用計(jì)算壓力或額定工作壓力作為基準(zhǔn)壓力計(jì)算時(shí)得出的最高運(yùn)行工作壓力，安全裕度較大，符合鍋爐安全運(yùn)行要求。但當(dāng)采用計(jì)算壓力或額定工作壓力作為基準(zhǔn)壓力計(jì)算時(shí)得出的最高運(yùn)行工作壓力低于實(shí)際工作壓力時(shí)，應(yīng)利用迭代法進(jìn)一步強(qiáng)度校核計(jì)算，才能判斷鍋爐是否符合安全運(yùn)行要求。

（3）在電站鍋爐定期檢驗(yàn)中強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，采用迭代法進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算也是很有必要的。