1锅炉高温部件寿命的计算

　　考虑锅炉高温金属管子的寿命时， 应用材料持久强度的概念： 持久强度是材料在给定的温度下， 经过规定的时间发生破裂的应力。持久强度是随时间的推移下降的。

　　计算锅炉高温金属管子应力的公式如下：本文锅炉管子的应力计算按薄壁圆筒的应力计算公式进行。计算时应当考虑管子使用时的温度变化， 应力按锅炉额定压力下的应力计算， 这样做可使计算简化， 但比较保守。为了符合实际， 用一个修正系数 K P， K P考虑了锅炉管子的供货状况、制造、运行等不利因素的影响。

　　应力计算公式：= K P PD 2S（ 1）

　　式中P? 管子中工质的压力， M Pa D ? 管子的平均直径， mm S ?管子的壁厚， mm由于锅炉高温金属管子在运行中要受到内外腐蚀和管子外部的磨损， 因而管子壁厚有所减薄，可用下面的公式计算管子的实际薄厚：S = S b - S w - S n - S m（ 2）

　　式中S b? 最初管子的壁厚S w? 由于外部腐蚀管子减少的壁厚S n? 由于内部腐蚀管子减少的壁厚S m?由于飞灰磨损管子减少的壁厚

　　1. 1由于内外部腐蚀管子减少壁厚的求法

　　对于由于锅炉管子金属在烟气中和高温蒸汽中的腐蚀而减少其壁厚的求法， 笔者采用了《机电工程金属材料手册》中规定的方法。对于计算实例中过热器和再热器所用的钢材 12Cr1M oV 在蒸汽中和烟气中氧化参数的计算公式如下：

　　P 1 = 14590 T 1 - lg（ 3）P 2 = 16990 T 2 - lg（ 4）

　　式中P 1? 锅炉高温金属管子内表面的氧化参数P 2? 锅炉高温金属管子外表面的氧化参数T 1? 管子的内表面温度， K T 2? 管子的外表面温度， K?运行时间， h

　　根据参考文献中的氧化参数图， 腐蚀失重的计算公式如下：

　　lgq 1 = 1 + K 1 P 1（ 5）lgq 2 = 2 + K 2 P 2（ 6）

　　式中q 1?? 由于内部腐蚀管子内表面的失重q 2?? 由于外部腐蚀管子外表面的失重1?? 参数图中的系数，1 = 4. 0896 K 1?? 参数图中的系数， K 1 = - 0. 3806 1?? 参数图中的系数，2 = 7. 5767 K 2?? 参数图中的系数， K 1 = - 0. 5421

　　在求出管子表面失重后， 利用下式可以分别求出管子壁厚的减薄量

　　S n和S w S n = 10 M q 1和 S w = 10 M q 2（ 7）

　　1. 2由于烟气的飞灰磨损管子的壁厚减薄的求法

　　由于烟气中飞灰对管子外壁磨损使锅炉壁面减薄可以利用下面的公式

　　求得S m = A（ 8）

　　式中A ?? 公式中的系数， A = 5. 0 × 1 - 3?? 运行的时间， h

　　1. 3锅炉高温金属管子材料的持久强度的计算

　　随着锅炉运行时间的延长， 其高温金属管子材料的持久强度是要下降的， 而且持久强度下降和材料的使用温度有关， 使用温度越高其下降速度越快。各种钢材都有其持久强度与使用温度、使用时间的函数关系， 常见的有 Larson-Miller 参数式， 其形式如下：

　　T （ C + lg ） = P（ ）（ 9）

　　式中T ?? 钢材的使用温度， K C?? 钢材常数? 钢材的断裂时间P（ ） ? 钢材的热强参数， 其中为使用应力查阅有关参考文献， 找到 12Cr1MoV 的由试验数据整理而来的 C 值以及 P（ ） 的关系式：

　　P（ ） = C 0 + C 1 lg + C 2 lg 2 + C 3 lg 3（ 10）

　　其中C 0 = 31326. 6471 C 1 = - 7392. 5601 C 2 = 7554. 0785 C 3 = - 4224. 2146钢材常数 C = 23

　　1. 4钢材寿命的计算方法

　　由于疲劳和蠕变同时影响钢材的寿命， 利用下式计算钢材的寿命= K∑n j= 1 j rj≤ 1（ 11）

　　式中K ??考虑疲劳与蠕变同时作用的系数，根据经验取 K= 1. 2 j??在 j 参数下部件的运行时间rj??在 j 参数下部件的蠕变断裂时间具体计算方法如下：（ 1） 首先假设一个较短的时间间隔， 例如100h， 即式（ 11） 中的j；（ 2） 根据部件运行积累的时间， 前一步管子金属的温度计算出管子金属由于腐蚀和磨损管壁减薄的壁厚， 进而求出管子残余的壁厚和管壁减薄后管壁金属的温度；（ 3） 根据管子内部蒸汽的压力求出管子管壁承受的压力；（ 4） 用管子的应力、管子金属的温度代入式（ 10） 和式（ 9） 中， 求出当时的寿命；（ 5） 把求出的寿命作为rj代入式（ 11） ， 如果比值j/r j的累加值小于 1， 重复上述步骤进行计算， 并且积累运行时间； 如果比值的累加值大于或等于 1， 计算结束， 此时的运行积累时间就是管子的寿命。

　　2计算实例

　　作者以唐山陡河电厂的 HG670/ 140-9 型锅炉作为计算实例， 在锅炉的高温过热器热段上选择了计算点。管子的壁温计算采用参考文献的方法， 热力计算数据利用哈尔滨锅炉厂的原始数据。计算的计算点管子的外壁温度为598°C，内壁温度为 595°C.计算寿命为 12480h， 按每天 24h， 每年 365 天计算， 管子的寿命为 14 年多。应当指出， 由于原设计的热力计算方法是苏联1957 年颁布的锅炉热力计算标准方法， 不适宜200MW锅炉机组， 因而， 影响了管子的寿命计算结果。