鍋爐的預(yù)防維護(hù)和檢修新技術(shù)

鍋爐的預(yù)防維護(hù)和檢修新技術(shù)1

前言設(shè)備的維護(hù)和檢修是指在設(shè)備使用期內(nèi)，為使其最大限度地發(fā)揮自身功能而進(jìn)行的一系列工作。它并不等同于故障發(fā)生后以補(bǔ)修為主的設(shè)備修理。由于經(jīng)濟(jì)的低迷，電力需求增長較慢；同時，為適應(yīng)市場的自由化必須降低成本。在這種背景下，新廠建設(shè)只好暫緩。此外，為減少C02排放量，發(fā)電電源主體轉(zhuǎn)向核能發(fā)電，使得火力發(fā)電的設(shè)備投資逐漸減少。然而，對舊設(shè)備的維護(hù)而言，掌握保養(yǎng)和維修的最佳投資是非常重要的，因?yàn)橄鳒p投資正成為用戶的永久性研究課題。

雖然如此，但發(fā)電廠畢竟已成為社會資本構(gòu)成的基礎(chǔ)。如果一味地以削減設(shè)備修繕成本為前提，壓縮修補(bǔ)工作量，必然會招致意外停機(jī)，從而造成極大損失。這樣說并不夸張，1996年美國大規(guī)模停電和最近的加里佛尼亞電力危機(jī)就是實(shí)例。隨著IT時代的到來，在對待修補(bǔ)用的設(shè)備投資問題上，對停機(jī)帶來的損失的評價越來越重要。尤其值得注意的是，有些設(shè)備要求如動態(tài)后援系統(tǒng)(DSS)的使用等，已經(jīng)超出了當(dāng)初的建設(shè)預(yù)想。為滿足用戶這種變動的需求，一些老齡火力發(fā)電設(shè)備正被過度使用著。另外，對于那些長期處于高啟動次數(shù)狀態(tài)的多年老廠，如果不在適當(dāng)時期采取適當(dāng)對策，勢必會因設(shè)備功能下降而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失增大。根據(jù)2000年7月修正的〈電力事業(yè)法〉規(guī)定.設(shè)備維護(hù)屬于設(shè)備制造者的自主責(zé)任。延長定檢周期，有助于削減定檢成本等固定費(fèi)用。這樣，滿足設(shè)備使用需要的保養(yǎng)和維修就變得非常重要口因此，對舊設(shè)備的預(yù)防保修來講，如何在減少投資的基礎(chǔ)上找出最佳技資，如何把維修成本降低所引起的損傷危險控制在最低，成為關(guān)鍵所在，如圖1所示。

2

老火電設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)面臨的環(huán)境2.1

日本國內(nèi)不同電力來源的發(fā)電量構(gòu)成根據(jù)資源能源廳HP公布的不同電力來源的發(fā)電量，在最新的1996年數(shù)據(jù)中，火力發(fā)電占全部發(fā)電量的55%(見圖2)。同以前相比，液化天然氣(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，隨著核能發(fā)電量的增加，預(yù)計(jì)全部火力發(fā)電量的比例在2010年將下降到41%左右。盡管如此，火力發(fā)電今后仍將是負(fù)荷調(diào)整的主體，這一點(diǎn)不會改變。

2.2

本公司制造鍋爐的運(yùn)行時間和啟動次數(shù)

由本公司交貨的、以重油、煤和LNG為燃料，面向電力公司的成套設(shè)備已超過70套。在這些設(shè)備的使用狀況中，運(yùn)行時間和啟動次數(shù)如圖3所示。圖中大小不同的困點(diǎn)兒即代表各設(shè)備啟動次數(shù)的多少。啟動次數(shù)最高的達(dá)3700次。同燃煤火力相比，重油和LNG火力設(shè)備啟動次數(shù)多，運(yùn)行時間短。此外，老齡火力發(fā)電設(shè)備已從建設(shè)當(dāng)初的基本負(fù)荷運(yùn)行轉(zhuǎn)向近年來的調(diào)峰運(yùn)行，所以啟動次數(shù)增加。20世紀(jì)50、60年代開始運(yùn)行的多年燃油火力發(fā)電設(shè)備(圖3虛線框內(nèi)所示)，同20世紀(jì)70年代之后投運(yùn)的火力發(fā)電設(shè)備相比，雖然運(yùn)行時間未變，但啟動次數(shù)卻增加了。多年的燃油火電設(shè)備年啟動次數(shù)增加的例子如圖4所示。該設(shè)備在建成之后承擔(dān)基本負(fù)荷，近年來則承擔(dān)著調(diào)峰任務(wù)，故啟動次數(shù)增加。自投運(yùn)至今共啟動約300次，已超出當(dāng)初的設(shè)計(jì)條件。今后，有必要做出針對將來形勢的預(yù)防損傷計(jì)劃。多年的火力發(fā)電設(shè)備，正處于如下所述的得到過度使用的狀態(tài)。

a.正在進(jìn)入老化期。

b.成為因電力市場自由化而實(shí)施成本削減的對象。

c.因調(diào)峰而增加了啟動頻率，負(fù)荷變化增大。

d.希望與新設(shè)備有相同的可信度。

e.希望有與延長定檢周期相匹配的措施。

3

多年火電設(shè)備的保養(yǎng)和維修

針對舊設(shè)備的保養(yǎng)和維修工作，需要建立一套能把建設(shè)當(dāng)初的部位和更新部位綜合考慮的保養(yǎng)維修計(jì)劃。該計(jì)劃的制定，取決于以電力來源構(gòu)成變化為依據(jù)的設(shè)備使用方針(剩余使用壽命、預(yù)想啟動次數(shù)、負(fù)荷變化率)和設(shè)備本身的狀態(tài)(歷史管理、狀態(tài)監(jiān)視、檢查結(jié)果)等因素。此外，對于將來可能出現(xiàn)的損傷影響的預(yù)測、現(xiàn)狀確認(rèn)檢查以及監(jiān)控等持續(xù)監(jiān)視，也變成建立保養(yǎng)維修計(jì)劃的決定性因素。從這一角度出發(fā)，為實(shí)施高效化的保養(yǎng)和維修，在對當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視的同時，還要看準(zhǔn)設(shè)備將來的使用方向，合理分配維修預(yù)算。這一點(diǎn)關(guān)系到設(shè)備壽命周期成本的優(yōu)化問題，如果對剩余壽命診斷不準(zhǔn)確，就不能確定更換時間，也就無法確立最佳計(jì)劃。3.1

剩余壽命診斷的必要性美國曾報(bào)導(dǎo)過一家多年老廠，因高溫厚壁管的焊接部損傷而造成了人身事故。據(jù)稱損傷原因是配管內(nèi)壓的應(yīng)力和配管系統(tǒng)的熱應(yīng)力引起蠕變老化，在焊接熱影響部位出現(xiàn)的空穴變成了裂紋。在日本，由于實(shí)行定期檢查，定檢過程中如發(fā)現(xiàn)損傷，在輕度狀態(tài)下就采取對策，所以未造成重大事故。但是，今后隨著多年火力發(fā)電設(shè)備的增加，為防止類似事故發(fā)生，必須認(rèn)識到剩余壽命診斷工作的重要性。高效率的保養(yǎng)和維修計(jì)劃，除了為延長定檢周期而進(jìn)行剩余壽命診斷外，還需要進(jìn)行更廣泛意義上的剩余壽命診斷，如各部位的持續(xù)檢查、歷史管理、狀態(tài)監(jiān)視等。剩余壽命診斷，分為破壞性檢查和非破壞性檢查。根據(jù)檢查部位母材或熱影響區(qū))及損傷發(fā)生原因(蠕變或疲勞)，可選用適當(dāng)?shù)臋z查方法。圖5為剩余壽命診斷適用圖。

3.2

剩余壽命診斷技術(shù)

在剩余壽命診斷技術(shù)方面，本公司為實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測高精度化，檢查快速化，省力化及費(fèi)用減少化，開發(fā)使用了以下新技術(shù)。a.用激光顯微鏡做自動蠕變壽命評價；

b.超聲波噪聲分析法；

c.超聲波TOFD法。3.2.1

利用激光顯微鏡進(jìn)行蠕變壽命自動評價對于鍋爐高溫構(gòu)件(尤其是焊接部位)金屬組織中出現(xiàn)的蠕變空穴，以往都是從診斷部位采集復(fù)制試樣后帶回，再用肉眼對顯微圖像進(jìn)行檢測和斷定，這種診斷不僅時間長，還需要熟練的檢查員來做判定。為此，開發(fā)出孔穴現(xiàn)場自動辨認(rèn)系統(tǒng)(圖6)。即用小型激光顯微鏡直接觀察診斷部位，通過圖像處理自動辨認(rèn)。這樣，在現(xiàn)場的短時間內(nèi)就能對損傷度做出評價?？昭ㄗ詣颖嬲J(rèn)系統(tǒng)與以往復(fù)制試樣方法的順序比較見圖7。同以往的復(fù)制試樣法相比，診斷時間能縮短1/3，原來在現(xiàn)場和分析室需7周完成的作業(yè)，現(xiàn)在只需2周現(xiàn)場作業(yè)即可完成。與舊方法相比，可減少約60%的工作量(圖8)。而且，使用這種小型激光顯微鏡可以直接觀察短管管座焊接部等一些狹窄的部位，擴(kuò)大了壽命評價的范圍，診斷結(jié)果也能快速反饋，有利于提高對策作業(yè)的效率。該空穴自動辨認(rèn)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：a.

能在現(xiàn)場確認(rèn)空穴；b.

能自動實(shí)施視野變換等連續(xù)作業(yè)；

c.

能自動計(jì)算，出空穴面積；d.

能控制因個人差異引起的偏差。3.2.2

超聲波噪音法

超聲波噪音法就是在診斷部位表面設(shè)置信號發(fā)生器，對表面波與第一次底面波回波之間的信號進(jìn)行色譜分析，從其結(jié)果檢測出材料中存在的夾雜物(空穴)，見圖9。蠕變損傷，有時是構(gòu)件內(nèi)部損傷先于表面損傷而發(fā)生、發(fā)展，因此，材料內(nèi)部的空穴檢測同表面空穴檢測一樣，都是提高診斷精度的必需技術(shù)。超聲波噪音法的特點(diǎn)是：不使用底面回波，故不受內(nèi)部狀態(tài)的影響；通過門電路設(shè)定，能對某些特定深度的部位進(jìn)行評價。超聲波噪音法，在對易損傷的多年材料的檢查方面有顯著優(yōu)點(diǎn)。對包括新材料在內(nèi)的致密材料進(jìn)行診斷時，噪聲強(qiáng)度較低，而對于多年材料的空穴或者有微小裂紋的診斷部位，噪聲強(qiáng)度較高。假定新材料噪聲強(qiáng)度為1，以此測定出診斷部位的噪聲強(qiáng)度比值(噪聲值比)，并計(jì)算出蠕變損傷比。在焊接部位蠕變斷裂試驗(yàn)中，實(shí)施超聲波噪音法診斷的結(jié)果見圖10。在母材部、熱影響部及焊接金屬上的蠕變損傷比與噪聲值比的關(guān)系中，在蠕變試驗(yàn)引起空穴發(fā)生的B側(cè)熱影響部，噪聲值比升高，從而得出與空穴發(fā)生相關(guān)的結(jié)果。3.2.3

超聲波TOFD法超聲波TOFD法，是英國HARWELL研究所開發(fā)的一種檢查方法，它與原來的超聲波脈沖反射法相比，檢測精度高，能用于龜裂進(jìn)展的時效觀察。此方法作為新的管壁內(nèi)部檢查法，也適用于前述的高溫厚壁管發(fā)生的損傷。有關(guān)TOFD法，本公司開發(fā)出一種超聲波圖像模擬技術(shù)，即通過超聲波的縱波/橫波模式轉(zhuǎn)換，排除有缺陷的疊影圖像，根據(jù)人為缺陷的測量值進(jìn)行超聲波圖像模擬。圖11是2處人為缺陷的實(shí)測值與模擬值的比較結(jié)果。除缺陷處外，在底部較近處還捕捉到與缺陷圖相似的反射圖像，即在實(shí)際缺陷上，通過縱波/橫波模式轉(zhuǎn)換而捕捉到的超聲波疊影圖像。通過測量可以事先把握所發(fā)生的圖像，從而提高測定精度。3.3

剩余壽命診斷過程在進(jìn)行剩余壽命診斷時，如果對所有部位都實(shí)施診斷，雖然對致密性的確認(rèn)比較理想，但經(jīng)濟(jì)性坤較差。為此，需要對診斷部位加以選擇。選擇時考慮的因素有設(shè)備使用條件、應(yīng)力解析、保養(yǎng)維修履歷以及同類設(shè)備的損傷情況。關(guān)于剩余壽命診斷，本公司在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出了剩余壽命診斷流程(圖12)。為確保診斷的可信度，不只要檢查表面，對管壁內(nèi)部也必須檢查。其判定方法有空穴面積率法和超聲波法。對裂紋的判定有TOFD法和MT法;針對不同母材可使用結(jié)晶粒變形法或碳化物組成測定法。另外，作為材料劣化指標(biāo)，還需要掌握材料中不純物所占比例。下面以易發(fā)生損傷的焊接部為例對剩余壽命的診斷方法加以介紹(圖13)。按照診斷的順序，分別在診斷部位的表面和內(nèi)部實(shí)施診斷，再根據(jù)診斷結(jié)果決定對策口關(guān)于圖中所高的狀態(tài)用點(diǎn)表示;發(fā)生率低時，用白色表示。根據(jù)診斷部位表面及內(nèi)部空穴發(fā)生狀況的組合，可把空穴發(fā)生形態(tài)分為4種類型。要針對不同的發(fā)生形態(tài)，分別實(shí)施對策，有時還需追加診斷。下面按剩余壽命從長到短的順序，分別介紹幾種情況下的判定基準(zhǔn)和實(shí)施對策。情況④：在診斷部位表面和內(nèi)部，都檢測到基準(zhǔn)值以下的空穴，包括沒有檢測到空穴的情況在內(nèi)，均可按照診斷出的剩余壽命確定下次的剩余壽命診斷時間。情況③：在診斷部位內(nèi)部檢測出超過基準(zhǔn)值的空穴?？梢詮膬?nèi)部損傷部位判斷該空穴是制造時留下的缺陷還是損傷引起的缺陷。如果是損傷引起的缺陷，要進(jìn)一步判斷裂紋的進(jìn)展性。當(dāng)判斷為無進(jìn)展性時，可同制造時的缺陷一樣，等到下次檢測時重新診斷。另一方面，如果確認(rèn)裂紋有進(jìn)展時，就要采取應(yīng)急措施或在下次檢測時采取永久措施。情況②:在診斷部位表面檢測出超過基準(zhǔn)值的空穴。此時可在表面部位取一薄層，進(jìn)行再次診斷。根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行焊接修補(bǔ)，并在下次檢測時重新診斷。情況①:在表面和內(nèi)部均檢測到超過基準(zhǔn)值的空穴。這種情況可斷定為構(gòu)件整體出現(xiàn)老化，一方面采取補(bǔ)強(qiáng)等應(yīng)急措施，另一方面立即制定計(jì)劃，待下次檢測時更換。3.4.1

預(yù)防維護(hù)支持系統(tǒng)

要制定出最合理的維修計(jì)劃，實(shí)施維護(hù)狀態(tài)支援維護(hù)作業(yè)，開發(fā)了鍋爐信息數(shù)據(jù)庫化的一元管理系統(tǒng)——預(yù)防維護(hù)支援系統(tǒng)(鍋爐維護(hù)管理系統(tǒng))。數(shù)據(jù)庫的項(xiàng)目有:鍋爐各部位的設(shè)計(jì)信息，設(shè)備經(jīng)歷信息，鍋爐規(guī)格，圖紙信息等。利用這些信息，配合剩余壽命診斷結(jié)果，使維護(hù)作業(yè)達(dá)到快速對應(yīng)化和省力化。在對部位圖與數(shù)據(jù)的相關(guān)處理方面，采用了地理信息系統(tǒng)技術(shù)，即在畫面上一點(diǎn)擊，就會展開下一個畫面。

3.4.2

遠(yuǎn)距離監(jiān)視系統(tǒng)

目前，本公司的一套遠(yuǎn)距離監(jiān)視系統(tǒng)正在運(yùn)行中。公司可實(shí)時接收工業(yè)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)距離的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、異常跡象檢測和趨勢管理等。此外，還對照累積的運(yùn)行事例，研究最適合的運(yùn)行方法，以便實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)備使用和維護(hù)管理。現(xiàn)在，對于設(shè)備使用的數(shù)據(jù)正在積累之中。

3.5

低危險度維修(RBM)

危險管理的本質(zhì)在于，對某種程度上能控制結(jié)果的領(lǐng)域盡量使其最大化；而對于那些因果關(guān)系不定或完全不能控制結(jié)果的領(lǐng)域，則進(jìn)行最小化處理?，F(xiàn)在，管理方面還有一套低危險度維修理論，即以提高安全性和降低成本為目的，對前面所述的預(yù)防維護(hù)支持系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行危險評價，反映設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對薄弱部位進(jìn)行有效的、最大限度的維修投資。即RBM是把維修的危險控制在最小的一種手段。這種手段一直作為設(shè)備管理的一個思路，大多還停留在發(fā)生概率的概念階段。在ASME和API的導(dǎo)向線上，標(biāo)明了RBM的標(biāo)準(zhǔn)化思路。

所謂RBM，不只是簡單地根據(jù)設(shè)備制造年月、設(shè)備構(gòu)造和組成等情況，統(tǒng)一規(guī)定管理內(nèi)容和順序，而是對設(shè)備更換的協(xié)調(diào)情況、缺陷檢測精度、缺陷的補(bǔ)修去除等存在必然危險的環(huán)節(jié)，通過設(shè)備檢查和補(bǔ)修實(shí)績等對設(shè)備進(jìn)行評價，從而確定危險最低的維修計(jì)劃。

在日本，由于規(guī)定放寬(電力事業(yè)法中規(guī)定了法定自主檢查)和電力市場自由化的進(jìn)展，也開始面臨與歐美相同的環(huán)境。本公司在國內(nèi)率先引進(jìn)了歐美采用并取得成果的RBM系統(tǒng)(與承擔(dān)全球21家電廠RBM顧問的英國AEA

Technology公司聯(lián)合)，用于火力發(fā)電廠及其它的工廠和機(jī)械設(shè)備。這樣，不僅是設(shè)計(jì)上的數(shù)據(jù)，就連迄今為止的運(yùn)行歷史、修繕歷史等也都考慮在內(nèi)，做出符合設(shè)備現(xiàn)狀的評價，所以，今后準(zhǔn)備在國內(nèi)各種設(shè)備維修計(jì)劃中推廣。在歐美，RBM作為設(shè)備保險評定基準(zhǔn)，其適用例子較多。RBM的“危險”可以用“該部位的損傷發(fā)生概率”與“損傷發(fā)生時修理與補(bǔ)償?shù)膬r格”之積來表示。該計(jì)算方法與保險簽約時保險金的計(jì)算方法相同。

3.5.1

RBM實(shí)施方法（作業(yè)順序）

RBM的實(shí)施，根據(jù)診斷部位的損傷機(jī)理，定出破損易發(fā)生度的大小和危險大小，根據(jù)危險大小，在矩陣圖上定出“容許不可”、“帶條件容許”、“計(jì)劃變更”和“容許可能”4個階段的危險等級。判定結(jié)果在矩陣圖上標(biāo)繪，根據(jù)危險等級，按照同一基準(zhǔn)決定各部位的對策。

RBM系統(tǒng)按以下作業(yè)順序?qū)嵤?圖17)。

a.制定目錄(制定目錄以防止評價項(xiàng)目遺漏)。

b.設(shè)備規(guī)格值(運(yùn)行歷史、評價期限、經(jīng)濟(jì)性評價數(shù)據(jù))。

c.立性評級(損傷機(jī)理定義與現(xiàn)條件下?lián)p傷發(fā)生危險的評定)。評價數(shù)據(jù)匯總后，開始進(jìn)行具體的危險評價工作。實(shí)施時，以EPRI指導(dǎo)、英國CEGB數(shù)據(jù)、AEA

Technology的經(jīng)驗(yàn)及IHI的實(shí)績?yōu)榛鶞?zhǔn)。根據(jù)危險評級結(jié)果，分成安全性方面(人員危害)和經(jīng)濟(jì)性方面(經(jīng)濟(jì)危害)，再用矩陣圖對各部位的危險進(jìn)行比較，將其中危害程度最重的方面作為該設(shè)備評級判定的依據(jù)。將經(jīng)濟(jì)性和安全性的危害在危險評級圖上標(biāo)示。

d.再次危險評級(查驗(yàn)對策實(shí)施后發(fā)生損傷的危險)。針對定性危險評級，更改對策或使用條件，實(shí)行危險再次評級。將經(jīng)濟(jì)性和安全性危害的再評價結(jié)果分別標(biāo)示在危險評級圖上。

e.補(bǔ)修檢查計(jì)劃的擬定和優(yōu)化(設(shè)備修繕、檢查實(shí)施計(jì)劃)。

通過以上作業(yè)的經(jīng)常實(shí)施(實(shí)行定期檢查等)和反復(fù)實(shí)施，可將危險控制在最低限(圖18)。

3.5.2

實(shí)施例

目前，對國內(nèi)累計(jì)運(yùn)行時間超過10萬h的600MW鍋爐實(shí)施了危險評價，結(jié)果見圖19。圖

上側(cè)表示按現(xiàn)行檢驗(yàn)基準(zhǔn)進(jìn)行的評價結(jié)果，部位A、B、C的5點(diǎn)標(biāo)在了"變更計(jì)劃"和"容許不可"欄內(nèi)。圖19的下側(cè)表示按照實(shí)施對策后檢查基準(zhǔn)重新評級的結(jié)果。對于A、C部位出現(xiàn)的危險(高溫氧化引起材料缺損)，還沒有對策，需要更新構(gòu)件。(該評價是以建設(shè)后一直沒修繕作為前提條件實(shí)施的，該部位現(xiàn)已根據(jù)檢查結(jié)果做了更新處理，從而降低了危險)。對于部位B，從只做致密性確認(rèn)的PT檢查改為能確認(rèn)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的UT檢查，所以危險從"帶條件容許"降到"容許可能"的等級。由于RBM評價與實(shí)際維修一致，加上檢查方式的改變，使危險得到

降低。另外，由于設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時間從24個月變?yōu)?8個月，部位D的危險增加了一級，危險等級是"帶條件容許"，經(jīng)過繼續(xù)檢查，可達(dá)到"容許可能"的狀態(tài)。

當(dāng)檢查精度較低時，會使那些同以前一樣的危險存留下來。這樣，想在總檢查成本不變的情況下降低危險，就需把高危險部位作為檢查重點(diǎn)，對不必要的檢查部位做省略或適當(dāng)處理，從整體上降低危險(圖20)。在美國，由于這種RBM的引進(jìn)，設(shè)備的非運(yùn)行率下降口1988年，通過引進(jìn)危險管理辦法，因再熱器和過熱器事故造成的設(shè)備停機(jī)下降了1/3，運(yùn)行率提高，取得實(shí)效(圖21)，引進(jìn)RBM的優(yōu)點(diǎn)見圖22。

3.6

多年材料的修補(bǔ)焊接

當(dāng)檢測到多年材料中的缺陷時，作為對策首先要更換材料