超期服役机组寿命评估技术及研究进展

电力18讯：    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