電站鍋爐過熱器出口集箱評估

何澎 鄧學民

遼寧省本溪市特種設備監督檢驗所 遼寧本溪 117000

隨著工業的發展，高溫、高壓鍋爐使用日益廣泛，但在長期高溫、高壓、介質腐蝕和載荷的影響下，鍋爐極易產生缺陷引發事故，一旦發生事故，會造成人身傷亡和經濟損失。本文依據相關標準，利用科學、有效的檢驗手段，對鍋爐過熱器出口集箱進行安全評估，為設備的安全運行提供有力的技術支撐，避免事故發生，節約企業成本，提高企業經濟效益。

1 基本情況

某發電廠電站鍋爐（以下簡稱該鍋爐），型號為YG-35/3.82-Q，為燃氣承壓蒸汽鍋爐。該鍋爐于2000年9月投產運行，至今已運行20年，累計運行時間約17.9萬小時。根據DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》、GB/T30580-2014《電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術導則》、DL/T654-2009《火電機組壽命評估技術導則》等標準的要求，需對該鍋爐主要承壓部件進行壽命評估。

1.1 過熱器出口集箱結構參數

該鍋爐過熱器出口集箱（以下簡稱集箱）為圓筒結構，兩端為平板封頭。

集箱筒體為無縫管，規格為Φ273×16mm，材質為12Cr1MoV；端蓋為平板封頭，厚度為90mm，材質為15CrMo鍛件；集箱底部與過熱器管束相連，管束規格為Φ42×3.5mm，共39根，材質為15CrMoG。

工作溫度：430～450℃；

設計溫度：450℃；

工作壓力：3.4～3.8MPa；

設計壓力：3.82MPa。

1.2 鍋爐概況

該鍋爐由濟南鍋爐廠于1999年10月建造，由東電一公司于1999年11月安裝，2000年9月投入運行，至2021年2月累計運行178992小時。該鍋爐額定蒸發量為35t/h，額定工作壓力為3.82MPa，額定出口工作溫度450℃。運行過程中，集箱的工作溫度在430～450℃范圍之間波動，工作壓力在3.4～3.8MPa范圍內波動；總的啟停次數約240次。

2 壽命評估工作內容及評估依據

本次評估主要工作內容有：宏觀幾何檢驗、厚度檢驗、硬度檢驗、化學成分檢驗分析、微觀組織金相檢驗分析、焊接接頭無損檢測、強度校核與應力分析、蠕變壽命估算、超標缺陷安全評定等等[1]。

壽命評估主要依據：①該鍋爐本體的集箱的設計資料、安裝資料、及運行說明。②本次檢驗檢測報告。③TSGG7002-2015《鍋爐定期檢驗規則》。④GB/T35013-2018《承壓設備合于使用評價》。⑤DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》。⑥GB/T30580-2014《電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術導則》。⑦DL/T654-2009《火電機組壽命評估技術導則》。⑧DL/T940-2005《火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》。⑨GB/T19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》。

3 檢驗檢測結果分析

本次評價進行的檢驗檢測工作有厚度檢驗、硬度檢驗、化學成分檢驗分析、微觀組織金相檢驗分析、焊接接頭無損檢測等。

3.1 厚度檢驗結果

對集箱的筒體和封頭進行厚度測量。筒體部位的最小厚度為15.47mm；封頭部位的最小厚度為87.77mm。本次應力計算則以這兩個實測厚度為依據。

3.2 化學成分檢驗結果

對集箱筒體、封頭和焊縫部位進行現場光譜檢驗，檢驗結果表明：筒體其化學成分均符合12Cr1MoVG材質國家標準要求；端蓋符合15CrMo鍛件材質國家標準要求；焊材為R307材質，符合國家標準要求。

3.3 硬度檢驗結果

對集箱筒體母材、焊縫及熱影響區進行現場硬度檢驗，檢驗結果其布氏硬度值均符合相應材質國家標準要求[2]。

3.4 焊接接頭無損檢測

對集箱兩端部位的焊縫進行了表面和內部的無損檢測。采用磁粉和滲透兩種方法對所有焊縫進行了表面檢測，檢測結果均為Ⅰ級（合格）；采用常規脈沖超聲和相控陣超聲方法對所有焊縫進行了內部檢測，未發現超標缺陷，超聲檢測均為Ⅰ級（合格）。

3.5 微觀組織金相檢驗分析

在集箱筒體、焊縫部位進行金相復膜取樣，試驗室金相顯微鏡觀測，筒體金相組織基本正常，出現球化2級至3級。

4 集箱應力分析與強度校核

根據GB/T16507.4-2013《水管鍋爐第4部分：受壓元件強度計算》等標準，對集箱進行應力計算與強度校核，應力計算過程與結果如下：

計算壓力P=3.82MPa

計算溫度T=450℃

筒體外徑Do=273mm

筒體厚度δn=16mm

材料設計溫度下的許用應力[σ]t=141MPa

集箱底部排管外徑do=42mm

集箱底部排管壁厚δg=3.5mm

集箱底部排管內徑di=do-2δg=35mm

集箱底部排管間距S=80mm

管排削弱系數φmin=（S-di）/S0.562

筒體最小厚度δmin=15.47實測

筒體環向膜應力σθ=PDo/2δmin=33.706MPa

判據1：σθ＜φmin[σ]t=79.24安全

筒體腐蝕欲量C2=0.5mm（根據文獻[3]確定）

筒體有效厚度δe=δmin-C2=14.97mm

當量膜應力=PDo/2δe=34.832MPa

孔邊環向應力集中系數Kn=3.1（文獻[3]表A.1）

孔邊軸向應力集中系數KZ=-0.2（文獻[3]表A.1）

孔邊徑向應力集中系數Kr=-2δe/（Do-δe）=-0.116

孔邊環向應力σn=Knσe=107.98MPa

孔邊軸向應力σz=Kzσe=-6.966MPa

孔邊徑向應力σr=Krσe=-4.041MPa

孔邊最大應力σmax=σn-σz=114.95MPa

判據2：σmax＜3[σ]t安全

平蓋材料許用應力[σ]tg=113MPa查[2]表7

平蓋結構特性系數Kf=0.58文獻[3]表11

平蓋計算直徑Dc=Do-2δmin=242.06

平蓋最小厚度δgmin=87.77mm

平蓋應力σg=P（DcKf/δgmin）2=9.774

判據3：σg＜[σ]tg安全

上述計算結果可見：集箱筒體一次應力、孔邊最大應力和平蓋應力均滿足強度條件。

因壓力和溫度波動范圍都很小，孔邊最大應力又遠小于許用值，所以集箱筒體不會發生疲勞失效。另12Cr1MoVG材料的蠕變閾值溫度約為480℃，因此450℃溫度下工作的集箱不會發生蠕變失效[3-4]。

5 結語

通過對該集箱化學成分、硬度值均，金相組織及經強度計算和應力分析表明，集箱筒體和平蓋強度滿足要求，可以繼續使用。該集箱可以繼續運行到下一檢驗周期。