锅炉的预防维护和检修新技术

锅炉的预防维护和检修新技术1

前言设备的维护和检修是指在设备使用期内，为使其最大限度地发挥自身功能而进行的一系列工作。它并不等同于故障发生后以补修为主的设备修理。由于经济的低迷，电力需求增长较慢；同时，为适应市场的自由化必须降低成本。在这种背景下，新厂建设只好暂缓。此外，为减少C02排放量，发电电源主体转向核能发电，使得火力发电的设备投资逐渐减少。然而，对旧设备的维护而言，掌握保养和维修的最佳投资是非常重要的，因为削减投资正成为用户的永久性研究课题。

虽然如此，但发电厂毕竟已成为社会资本构成的基础。如果一味地以削减设备修缮成本为前提，压缩修补工作量，必然会招致意外停机，从而造成极大损失。这样说并不夸张，1996年美国大规模停电和最近的加里佛尼亚电力危机就是实例。随着IT时代的到来，在对待修补用的设备投资问题上，对停机带来的损失的评价越来越重要。尤其值得注意的是，有些设备要求如动态后援系统(DSS)的使用等，已经超出了当初的建设预想。为满足用户这种变动的需求，一些老龄火力发电设备正被过度使用着。另外，对于那些长期处于高启动次数状态的多年老厂，如果不在适当时期采取适当对策，势必会因设备功能下降而导致经济损失增大。根据2000年7月修正的〈电力事业法〉规定.设备维护属于设备制造者的自主责任。延长定检周期，有助于削减定检成本等固定费用。这样，满足设备使用需要的保养和维修就变得非常重要口因此，对旧设备的预防保修来讲，如何在减少投资的基础上找出最佳技资，如何把维修成本降低所引起的损伤危险控制在最低，成为关键所在，如图1所示。

2

老火电设备的保养和维护面临的环境2.1

日本国内不同电力来源的发电量构成根据资源能源厅HP公布的不同电力来源的发电量，在最新的1996年数据中，火力发电占全部发电量的55%(见图2)。同以前相比，液化天然气(LNG)和燃煤火力的比例有所增加，燃油

(石油)火力的比例下降。今后，随着核能发电量的增加，预计全部火力发电量的比例在2010年将下降到41%左右。尽管如此，火力发电今后仍将是负荷调整的主体，这一点不会改变。

2.2

本公司制造锅炉的运行时间和启动次数

由本公司交货的、以重油、煤和LNG为燃料，面向电力公司的成套设备已超过70套。在这些设备的使用状况中，运行时间和启动次数如图3所示。图中大小不同的困点儿即代表各设备启动次数的多少。启动次数最高的达3700次。同燃煤火力相比，重油和LNG火力设备启动次数多，运行时间短。此外，老龄火力发电设备已从建设当初的基本负荷运行转向近年来的调峰运行，所以启动次数增加。20世纪50、60年代开始运行的多年燃油火力发电设备(图3虚线框内所示)，同20世纪70年代之后投运的火力发电设备相比，虽然运行时间未变，但启动次数却增加了。多年的燃油火电设备年启动次数增加的例子如图4所示。该设备在建成之后承担基本负荷，近年来则承担着调峰任务，故启动次数增加。自投运至今共启动约300次，已超出当初的设计条件。今后，有必要做出针对将来形势的预防损伤计划。多年的火力发电设备，正处于如下所述的得到过度使用的状态。

a.正在进入老化期。

b.成为因电力市场自由化而实施成本削减的对象。

c.因调峰而增加了启动频率，负荷变化增大。

d.希望与新设备有相同的可信度。

e.希望有与延长定检周期相匹配的措施。

3

多年火电设备的保养和维修

针对旧设备的保养和维修工作，需要建立一套能把建设当初的部位和更新部位综合考虑的保养维修计划。该计划的制定，取决于以电力来源构成变化为依据的设备使用方针(剩余使用寿命、预想启动次数、负荷变化率)和设备本身的状态(历史管理、状态监视、检查结果)等因素。此外，对于将来可能出现的损伤影响的预测、现状确认检查以及监控等持续监视，也变成建立保养维修计划的决定性因素。从这一角度出发，为实施高效化的保养和维修，在对当前设备状态进行监视的同时，还要看准设备将来的使用方向，合理分配维修预算。这一点关系到设备寿命周期成本的优化问题，如果对剩余寿命诊断不准确，就不能确定更换时间，也就无法确立最佳计划。3.1

剩余寿命诊断的必要性美国曾报导过一家多年老厂，因高温厚壁管的焊接部损伤而造成了人身事故。据称损伤原因是配管内压的应力和配管系统的热应力引起蠕变老化，在焊接热影响部位出现的空穴变成了裂纹。在日本，由于实行定期检查，定检过程中如发现损伤，在轻度状态下就采取对策，所以未造成重大事故。但是，今后随着多年火力发电设备的增加，为防止类似事故发生，必须认识到剩余寿命诊断工作的重要性。高效率的保养和维修计划，除了为延长定检周期而进行剩余寿命诊断外，还需要进行更广泛意义上的剩余寿命诊断，如各部位的持续检查、历史管理、状态监视等。剩余寿命诊断，分为破坏性检查和非破坏性检查。根据检查部位母材或热影响区)及损伤发生原因(蠕变或疲劳)，可选用适当的检查方法。图5为剩余寿命诊断适用图。

3.2

剩余寿命诊断技术

在剩余寿命诊断技术方面，本公司为实现寿命预测高精度化，检查快速化，省力化及费用减少化，开发使用了以下新技术。a.用激光显微镜做自动蠕变寿命评价；

b.超声波噪声分析法；

c.超声波TOFD法。3.2.1

利用激光显微镜进行蠕变寿命自动评价对于锅炉高温构件(尤其是焊接部位)金属组织中出现的蠕变空穴，以往都是从诊断部位采集复制试样后带回，再用肉眼对显微图像进行检测和断定，这种诊断不仅时间长，还需要熟练的检查员来做判定。为此，开发出孔穴现场自动辨认系统(图6)。即用小型激光显微镜直接观察诊断部位，通过图像处理自动辨认。这样，在现场的短时间内就能对损伤度做出评价。空穴自动辨认系统与以往复制试样方法的顺序比较见图7。同以往的复制试样法相比，诊断时间能缩短1/3，原来在现场和分析室需7周完成的作业，现在只需2周现场作业即可完成。与旧方法相比，可减少约60%的工作量(图8)。而且，使用这种小型激光显微镜可以直接观察短管管座焊接部等一些狭窄的部位，扩大了寿命评价的范围，诊断结果也能快速反馈，有利于提高对策作业的效率。该空穴自动辨认系统的特点如下：a.

能在现场确认空穴；b.

能自动实施视野变换等连续作业；

c.

能自动计算，出空穴面积；d.

能控制因个人差异引起的偏差。3.2.2

超声波噪音法

超声波噪音法就是在诊断部位表面设置信号发生器，对表面波与第一次底面波回波之间的信号进行色谱分析，从其结果检测出材料中存在的夹杂物(空穴)，见图9。蠕变损伤，有时是构件内部损伤先于表面损伤而发生、发展，因此，材料内部的空穴检测同表面空穴检测一样，都是提高诊断精度的必需技术。超声波噪音法的特点是：不使用底面回波，故不受内部状态的影响；通过门电路设定，能对某些特定深度的部位进行评价。超声波噪音法，在对易损伤的多年材料的检查方面有显著优点。对包括新材料在内的致密材料进行诊断时，噪声强度较低，而对于多年材料的空穴或者有微小裂纹的诊断部位，噪声强度较高。假定新材料噪声强度为1，以此测定出诊断部位的噪声强度比值(噪声值比)，并计算出蠕变损伤比。在焊接部位蠕变断裂试验中，实施超声波噪音法诊断的结果见图10。在母材部、热影响部及焊接金属上的蠕变损伤比与噪声值比的关系中，在蠕变试验引起空穴发生的B侧热影响部，噪声值比升高，从而得出与空穴发生相关的结果。3.2.3

超声波TOFD法超声波TOFD法，是英国HARWELL研究所开发的一种检查方法，它与原来的超声波脉冲反射法相比，检测精度高，能用于龟裂进展的时效观察。此方法作为新的管壁内部检查法，也适用于前述的高温厚壁管发生的损伤。有关TOFD法，本公司开发出一种超声波图像模拟技术，即通过超声波的纵波/横波模式转换，排除有缺陷的叠影图像，根据人为缺陷的测量值进行超声波图像模拟。图11是2处人为缺陷的实测值与模拟值的比较结果。除缺陷处外，在底部较近处还捕捉到与缺陷图相似的反射图像，即在实际缺陷上，通过纵波/横波模式转换而捕捉到的超声波叠影图像。通过测量可以事先把握所发生的图像，从而提高测定精度。3.3

剩余寿命诊断过程在进行剩余寿命诊断时，如果对所有部位都实施诊断，虽然对致密性的确认比较理想，但经济性坤较差。为此，需要对诊断部位加以选择。选择时考虑的因素有设备使用条件、应力解析、保养维修履历以及同类设备的损伤情况。关于剩余寿命诊断，本公司在以往经验的基础上总结出了剩余寿命诊断流程(图12)。为确保诊断的可信度，不只要检查表面，对管壁内部也必须检查。其判定方法有空穴面积率法和超声波法。对裂纹的判定有TOFD法和MT法;针对不同母材可使用结晶粒变形法或碳化物组成测定法。另外，作为材料劣化指标，还需要掌握材料中不纯物所占比例。下面以易发生损伤的焊接部为例对剩余寿命的诊断方法加以介绍(图13)。按照诊断的顺序，分别在诊断部位的表面和内部实施诊断，再根据诊断结果决定对策口关于图中所高的状态用点表示;发生率低时，用白色表示。根据诊断部位表面及内部空穴发生状况的组合，可把空穴发生形态分为4种类型。要针对不同的发生形态，分别实施对策，有时还需追加诊断。下面按剩余寿命从长到短的顺序，分别介绍几种情况下的判定基准和实施对策。情况④：在诊断部位表面和内部，都检测到基准值以下的空穴，包括没有检测到空穴的情况在内，均可按照诊断出的剩余寿命确定下次的剩余寿命诊断时间。情况③：在诊断部位内部检测出超过基准值的空穴。可以从内部损伤部位判断该空穴是制造时留下的缺陷还是损伤引起的缺陷。如果是损伤引起的缺陷，要进一步判断裂纹的进展性。当判断为无进展性时，可同制造时的缺陷一样，等到下次检测时重新诊断。另一方面，如果确认裂纹有进展时，就要采取应急措施或在下次检测时采取永久措施。情况②:在诊断部位表面检测出超过基准值的空穴。此时可在表面部位取一薄层，进行再次诊断。根据诊断结果进行焊接修补，并在下次检测时重新诊断。情况①:在表面和内部均检测到超过基准值的空穴。这种情况可断定为构件整体出现老化，一方面采取补强等应急措施，另一方面立即制定计划，待下次检测时更换。3.4.1

预防维护支持系统

要制定出最合理的维修计划，实施维护状态支援维护作业，开发了锅炉信息数据库化的一元管理系统——预防维护支援系统(锅炉维护管理系统)。数据库的项目有:锅炉各部位的设计信息，设备经历信息，锅炉规格，图纸信息等。利用这些信息，配合剩余寿命诊断结果，使维护作业达到快速对应化和省力化。在对部位图与数据的相关处理方面，采用了地理信息系统技术，即在画面上一点击，就会展开下一个画面。

3.4.2

远距离监视系统

目前，本公司的一套远距离监视系统正在运行中。公司可实时接收工业锅炉的运行数据，并进行远距离的运行状态监视、异常迹象检测和趋势管理等。此外，还对照累积的运行事例，研究最适合的运行方法，以便实现高效的设备使用和维护管理。现在，对于设备使用的数据正在积累之中。

3.5

低危险度维修(RBM)

危险管理的本质在于，对某种程度上能控制结果的领域尽量使其最大化；而对于那些因果关系不定或完全不能控制结果的领域，则进行最小化处理。现在，管理方面还有一套低危险度维修理论，即以提高安全性和降低成本为目的，对前面所述的预防维护支持系统和远距离监视系统的数据进行危险评价，反映设备维修经验，从而实现对薄弱部位进行有效的、最大限度的维修投资。即RBM是把维修的危险控制在最小的一种手段。这种手段一直作为设备管理的一个思路，大多还停留在发生概率的概念阶段。在ASME和API的导向线上，标明了RBM的标准化思路。

所谓RBM，不只是简单地根据设备制造年月、设备构造和组成等情况，统一规定管理内容和顺序，而是对设备更换的协调情况、缺陷检测精度、缺陷的补修去除等存在必然危险的环节，通过设备检查和补修实绩等对设备进行评价，从而确定危险最低的维修计划。

在日本，由于规定放宽(电力事业法中规定了法定自主检查)和电力市场自由化的进展，也开始面临与欧美相同的环境。本公司在国内率先引进了欧美采用并取得成果的RBM系统(与承担全球21家电厂RBM顾问的英国AEA

Technology公司联合)，用于火力发电厂及其它的工厂和机械设备。这样，不仅是设计上的数据，就连迄今为止的运行历史、修缮历史等也都考虑在内，做出符合设备现状的评价，所以，今后准备在国内各种设备维修计划中推广。在欧美，RBM作为设备保险评定基准，其适用例子较多。RBM的“危险”可以用“该部位的损伤发生概率”与“损伤发生时修理与补偿的价格”之积来表示。该计算方法与保险签约时保险金的计算方法相同。

3.5.1

RBM实施方法（作业顺序）

RBM的实施，根据诊断部位的损伤机理，定出破损易发生度的大小和危险大小，根据危险大小，在矩阵图上定出“容许不可”、“带条件容许”、“计划变更”和“容许可能”4个阶段的危险等级。判定结果在矩阵图上标绘，根据危险等级，按照同一基准决定各部位的对策。

RBM系统按以下作业顺序实施(图17)。

a.制定目录(制定目录以防止评价项目遗漏)。

b.设备规格值(运行历史、评价期限、经济性评价数据)。

c.立性评级(损伤机理定义与现条件下损伤发生危险的评定)。评价数据汇总后，开始进行具体的危险评价工作。实施时，以EPRI指导、英国CEGB数据、AEA

Technology的经验及IHI的实绩为基准。根据危险评级结果，分成安全性方面(人员危害)和经济性方面(经济危害)，再用矩阵图对各部位的危险进行比较，将其中危害程度最重的方面作为该设备评级判定的依据。将经济性和安全性的危害在危险评级图上标示。

d.再次危险评级(查验对策实施后发生损伤的危险)。针对定性危险评级，更改对策或使用条件，实行危险再次评级。将经济性和安全性危害的再评价结果分别标示在危险评级图上。

e.补修检查计划的拟定和优化(设备修缮、检查实施计划)。

通过以上作业的经常实施(实行定期检查等)和反复实施，可将危险控制在最低限(图18)。

3.5.2

实施例

目前，对国内累计运行时间超过10万h的600MW锅炉实施了危险评价，结果见图19。图

上侧表示按现行检验基准进行的评价结果，部位A、B、C的5点标在了"变更计划"和"容许不可"栏内。图19的下侧表示按照实施对策后检查基准重新评级的结果。对于A、C部位出现的危险(高温氧化引起材料缺损)，还没有对策，需要更新构件。(该评价是以建设后一直没修缮作为前提条件实施的，该部位现已根据检查结果做了更新处理，从而降低了危险)。对于部位B，从只做致密性确认的PT检查改为能确认构件内部缺陷的UT检查，所以危险从"带条件容许"降到"容许可能"的等级。由于RBM评价与实际维修一致，加上检查方式的改变，使危险得到

降低。另外，由于设备连续运行时间从24个月变为48个月，部位D的危险增加了一级，危险等级是"带条件容许"，经过继续检查，可达到"容许可能"的状态。

当检查精度较低时，会使那些同以前一样的危险存留下来。这样，想在总检查成本不变的情况下降低危险，就需把高危险部位作为检查重点，对不必要的检查部位做省略或适当处理，从整体上降低危险(图20)。在美国，由于这种RBM的引进，设备的非运行率下降口1988年，通过引进危险管理办法，因再热器和过热器事故造成的设备停机下降了1/3，运行率提高，取得实效(图21)，引进RBM的优点见图22。

3.6

多年材料的修补焊接

当检测到多年材料中的缺陷时，作为对策首先要更换材料