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超期服役机组寿命评估技术及研究进展 |
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| 超期服役机组寿命评估技术及研究进展 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:25:27  |
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摘 要：文章阐述了火电厂超期服役机组常用寿命评估方法的理论基础及步骤，分析了优缺点，并介绍了寿命评估领域的新理论和新技术。
关键词：超期服役发电机组；寿命评估；研究；蠕变
火电机组设计寿命一般为30 a［1］，但机组的潜在寿命往往会大于设计寿命，超过部分称之为剩余寿命。利用剩余寿命继续运行的机组为超期服役机组。目前，我国服役期超过30 a的老旧机组已达46 000 MW，占装机总量的18．4％，预计2005年将增加到60 000 MW［2］。除少量的退役报废处理外，大部分仍在继续使用，老化问题日益突出，延寿使用依据不足，风险性较大。如何科学地评估其剩余寿命和治理老化，保证超期服役机组的安全运行是亟待解决的问题。从19世纪70年代起，世界上许多工业发达国家，由于受新建机组投资、用地、环境等因素的制约，开始研究利用老机组的剩余寿命，并通过周密的规划，严格地评定加强在线分析和改造，以在经济上有利、安全上有保障的原则下，使机组继续运行到50 a或更长的时间［1］。至今，随着科学的进步和相关理论的成熟，机组寿命评估的方法和技术有了很大发展。
1 寿命评估方法
随着技术的进步（包括诊断技术及计算机技术），现已建立起了多种机组部件的寿命评估方法。按评估方法的性质分一般有如下3种。
1．1 解析法
根据各种运行情况下的材质老化数据和本机组使用时间、温度和应力大小及其分布状况、启停次数等工况，利用各种曲线、公式综合判断，然后可以预测部件的剩余寿命。这种方法可以评价设备的任意部位，但随着实机长期运行，机组的材料性能数据将发生变化，势必影响评价精度，同时早期投运的机组，在其运行史中，有很多边界条件已发生了变化，运行记录也很难搜集完全。因此解析法虽经多年研究，已渐成熟，但是诊断是根据模型进行的，是间接的评价方法，还有许多局限性。
1．2 破坏性检查法
从有代表性的部位取得试样后，进行相应的机械性能实验并进行组织断口状况分析、化学成分及碳化物分析，而后进行综合判断，进而预测部件材料的剩余寿命。这种方法在实际机组上取样有2种形式：一种是从被评价的机组上直接取样；另一种是从电厂更换下来的、经过长期运行后的部件上切取试样，其数据的准确性高。但第一种方法受结构限制，相应部位的取样会有各种困难；第二种方法需要有机组运行情况的详细记录。另外，美国电力研究所（EPRI）提出采用超小型试样来评定材质状况的方法，这种方法使用的是10 mm×10 mm×0．5 mm薄试样，用穿孔来评定老化程度，特别是FATT的变化情况［3］。有人建议在任意温度下进行一次冲击实验，用冲击值和断面收缩率求出FATT。也有资料给出这种曲线关系，但这种方法所得曲线的分散度很大，有待于压缩曲线分散度后才好使用。破坏性检查法精度高，但试验评价周期长，人力、物力耗费过大，特别是有很多场合取样困难。
1．3 非破坏性检查法
不破坏机组部件，通过外部测量、试验就可以定量掌握材质状况，因此也称为无损检测方法。以高温下使用的转子材料为例，其材质变化基本上可分为以碳化物颗粒聚集长大为代表的软化和以夹杂物在晶界偏析为代表的回火脆化2大类。这2种因素严重影响设备的使用寿命。因此，寿命预测的关键在于如何把握和评价材料的软化和脆化。软化程度可采取测量硬度的方法进行，硬度与低周疲劳特性和蠕变断裂特性之间存在着定量关系，以硬度测量值作为寿命预测定量分析的依据，材料脆性转变温度的变化量ΔFATT是衡量部件脆化程度的一项指标，ΔFATT与断裂韧性值之间存在着定量的关系，ΔFATT测量值可以作为预测裂纹扩展寿命的依据。实践证明FATT往往反映常规检测手段所检测不出的内在质量问题。因为FATT随转子锻件化学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺、金相组织等各种因素的变化而变化。任何一个热加工环节上的失误都会导致FATT的明显变化，因而它是一个帮助分析、判断转子锻件工艺水平、质量水平和老化程度的有效方法。
由于硬度容易测定，故这种方法常被使用。但是回火脆化现象用硬度检测不出来，需要其它检测方法。材料在高温下长期使用后，由于内部结构发生变化，使得性能发生变化，如果找到它们之间的对应关系，就可以利用这些指标来评定材质老化状况。因此许多学者，特别是日本学者在寻找这些表征材质变化的特征量及无损诊断技术方面做了大量的工作。现通过实例介绍几种。
a．用极化曲线来判断材质老化 Al－Cu－Mg合金用作发电机的槽楔材料，该材料在80～90℃下长期使用后韧性下降，使韧性下降的内部组织变化是时效过程中析出S′相，并逐渐聚集和向S相转变，这个组织变化可用材料电化学特性的变化来表示。在固溶处理状态，材料具有高的点腐蚀电位，随着时效过程点腐蚀电位下降，逐渐接近纯铝的点腐蚀电位。另外，在时效过程中也伴随着断裂韧性的下降。因断裂韧性变化与点腐蚀电位变化有对应关系，因此可以用点腐蚀电位作为特征量，根据测出点腐蚀电位值可以得出断裂韧性值。
b．化学腐蚀法 回火脆性材料，只要有磷在晶界发生明显偏析，就可以用苦味酸溶液把偏析出的磷腐蚀出来，在晶界处形成腐蚀沟槽，而且偏析磷越多，形成的腐蚀沟槽越深、越宽。因此，利用晶界腐蚀深度或宽度可以作为评价回火脆性的特征量。这个方法对Cr－Mo－V钢、不锈钢和Al－Cu－Mg合金都适用。但是腐蚀沟槽深度的测量要求精度高，而腐蚀沟槽宽度法的误差大，因而限制了它们的使用。
c．电化学声分析法 将金属材料浸入到特定的电解液中，测量电位和电流随时间的变化，除了有50Hz的感应声外，还有微小的其它频率值存在，称为电化学声。它与腐蚀程度有关。通过这个电化学声可以评价材料的脆化程度，也有人用频谱分析法将这电化学声分解，以进一步了解其与材料老化程度的对应关系。
d．电阻诊断技术 金属材料长期在高温、高压下使用，会发生蠕变损伤，碳化物在临界聚集，产生孔洞及微裂纹等，这样使材料的电阻率增大。从电阻率的变化可以定量地了解材料的蠕变损伤情况。
利用非破坏性检查法，不需切割小型样品，仅在实物表面上测定，比较方便。虽然无损检测技术的研究有了很大进展，有的已开始达到实用阶段，但由于材料的固有特性偏差较大，即使相同的部件，运行条件也不尽相同，材料的老化程度各有其特殊性。因此组合各种诊断方法，提高诊断精度，评价安全系数，是确保机组安全运行的必要手段。
在实际对机组部件进行寿命评估时，为使结果更加可靠，往往将以上3种方法综合运用，将得到的结果综合起来并结合材料性能数据来评估、判断。
2 新理论在寿命评估中的应用
2．1 神经元网络理论［5］
神经元网络具有高度非线型、并行处理、自学习等优点，在转子剩余寿命评估中，根据评估问题的具体要求和经验，确定自适应BP人工神经元网络评估模型的结构，再根据所选择的样本集进行网络训练，调整网络连接权系数使网络的输出与目标输出逼近，对已训练好的网络，输入预测样本，通过神经元网络的运算，可得到剩余寿命的运算，该种理论的应用，可以解决汽轮发电机组的在线、自适应精确预报问题［4］。
2．2 可靠性技术［6］
由于一般的剩余寿命评估方法没有考虑工程实际中的诸多因素，使它的实际使用
受到限制，随着可靠性技术的发展，运用概率断裂力学，考虑工程中的诸多随机因素，可给人们提供部件在当前缺陷状态下的可靠度，提供整个部件在继续运行过程中可靠度的变化趋势，给寿命管理提供更为客观科学的、有预见性的指导。对于带缺陷部件在当前缺陷尺寸下的可靠度的计算一般采用一次二阶矩法及蒙特卡洛法。
2．3 突变理论［7］
此理论是英国的E．C．Zeeman于1976年提出来的一个崭新而重要的分支，该理论可用于突变事件的建模及预测，为突变性故障逐步走向定量预报打下基础，在寿命评估方面主要集中在材料裂纹的预测，借助临界现象理论研究断裂，断裂的演化突变模型及断裂的生长模型等。
3 结束语
电厂设备经数万h运行，实际上是长期的热处理或者是负荷试验，材料老化是高温运行的必然结果。为了有效延长电厂设备的使用寿命，使投资和回报有一个最佳平衡，必须进行寿命评估。其中关键在于以下几点：
a．在寿命评估工作中，将多种寿命评估方法综合运用来提高结果的准确性。
b．对于所有不同役龄的、甚至是新建机组，应注意机组设计、制造、安装、运行、监测以及改造等技术资料的收集整理，以便为今后的寿命评估提供完整的资料和可靠的依据。
c．在寿命评估方法的研究当中，引入一些新的理论和技术来提高寿命评估的可靠性，降低寿命评估的成本。
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