ボイラーの老朽化の兆候

すべての発電所設備には寿命がありますが、すべてのコンポーネントが同じ速度で老朽化するわけではありません。 一部の設備はプラントの耐用年数を超えて存続する場合がありますが、他の機械は数年にわたって複数回交換される場合があります。 ボイラーコンポーネントがその好例です。 一般に、チューブは高温や極度の応力にさらされるとより早く劣化します。 メカニズムを理解し、早期の警告サインをどこに見ればよいかを知ることで、故障する前に修理を行うことができる可能性があります。

水の化学的制御が良好であれば、エコノマイザーは通常、輻射過熱器 (SH) や再熱器 (RH) よりも長持ちします。 劣化プロセスは、建築材料がクリープ領域で動作するのに十分な高温にさらされること、熱疲労が重大な劣化メカニズムであること、そしてもちろん微細構造の変化が起こることによって引き起こされます。

この記事の目的では、無駄や壁の薄化は考慮されません。つまり、炉辺の燃料灰の腐食、飛灰またはスートブロワーの浸食、および水/蒸気の酸化と腐食は無視されます。 通常、肉厚調査によりそのような種類の問題が発見され、必要に応じてチューブを交換できます。

微細構造の変化と同時に、硬度、強度、延性が低下します。 これらの変化には、クロム モリブデン (Cr-Mo) 鋼の炭化物の球状化、炭素 (C) および C-Mo フェライト鋼の黒鉛化、オーステナイト系ステンレス鋼のシグマ相の形成と鋭敏化が含まれます。

高温の SH および RH 出口ヘッダーの場合、ヘッダーの端に向かうスタブ チューブとヘッダーの溶接部で、クリープと熱疲労が独特の方法で相互作用し、しばしばクリープ疲労と呼ばれます。 蒸気温度がクリープ範囲を下回るヘッダーの場合、これらの場所で「単純な」熱疲労が発生する可能性があります。 高温のヘッダーと低温の水壁の間の膨張差により、水壁とヘッダーの間の「スタブ」チューブがたわみます。 拡張が長さの中間点に関して対称であると仮定すると、「曲がり」またはたわみはヘッダーの端で最大になります。

損傷の形態、クリープ疲労または熱疲労は、個々のスタブ チューブの温度に依存します。 原因を特定するには、通常、亀裂の微細構造分析が必要です。 すべてのチューブがヘッダー内の平均蒸気温度で動作するわけではありません。 中間ヘッダー内の個々のチューブの場合、850°F の蒸気温度は、SA-213 T2 スタブ チューブがクリープ範囲に入るのに十分な高さである可能性があります。ただし、850°F では、コードの許容応力レベルで T2 がクリープによって破損することは通常予想されません。

ヘッダーまたはその付近のスタブ チューブの溶接部に膨張差によってかかる応力の推定値は、単純な梁理論から計算できます。 図 1 に示すように、フレキシブルなスタブ チューブにかかる荷重が水壁/屋根の貫通点であると仮定します。

たわみは次の式で与えられます。

ここで、δ は膨張差によって生じるたわみ (インチ)、l はヘッダーと水壁の間のスタブ チューブの長さ (インチ)、E はヤング率 (1,000°F で約 22 x 106 psi)、I はパイプおよびチューブの慣性モーメント (in4) は π / 64 x (外径 4 – 内径 4) で与えられ、P はたわみを引き起こすのに必要な荷重 (単純な曲げの場合は lb) です。

表面の曲げ応力は次の式で与えられます。

ここで、S は外側ファイバーの最大応力 (psi)、M は曲げモーメント (in-lb) で、P xl (荷重 x 長さ) に等しく、c は中立軸から表面までの距離 (in. )、I は慣性モーメント (in4) です。

計算されるのは、ヘッダーの端近くの亀裂のあるチューブのたわみによる応力 S です。 2 つの方程式は次のように P について解くことができます。

2 つの方程式を互いに等しいと設定し、S を解くと次のようになります。

S の解を熟読すると、クリープ疲労または熱疲労損傷を引き起こす膨張差による応力が、スタブ チューブが長くなるにつれて減少し (柔軟性が増し、剛性が低下する)、たわみが増加するにつれて増加する (ヘッダーが長くなり、ヘッダー間の温度差が大きくなる) ことがわかります。水壁とヘッダー）およびスタブチューブの直径が大きくなります。

たわみは、1,000F での出口ヘッダーと 650F での水壁屋根の間の熱膨張の差から推定されます。したがって、次のようになります。

ここで、∝ は膨張係数 (インチ/インチ/F)、L はヘッダーの中間点からエンドチューブまでの長さ (インチ)、∝ T22 の 70F から 1,000F の場合、7.97 x 10–6 インチ/インチです。 ./F、∝ 210 A1 の 70F ～ 650F は 7.35 x 10–6 インチ/インチ/F です。

このシンプルなアプローチは、最初の徹底的な検査をどこで実行する必要があるかを示します (長さが最も短いチューブの端にあります)。

David N. French Metallurgists (DNFM) の 33 年前のボイラーのファイルからの次の例は、これらの概念の一部を示しています。 ボーナスとして、真の希少性である、ステンレス鋼側で失敗したニッケルベースの溶接合金で作成された異種金属溶接 (DMW) の図が提供されます。

ボイラーの高温 SH 出口ヘッダーを検査したところ、8 管配列の内管に重大な亀裂が見つかりました (図 2)。 損傷領域の拡大図を図 3 に示します。亀裂除去領域はより小さい直径のチューブ内にあり、ヘッダーの端に向かう半分にあることに注意してください。

膨張差によるチューブのたわみにより、チューブの張力部分がヘッダー端に面することになります。 この例の 2 つのチューブは 2.25 インチとして指定されています。 外径 (OD) x 0.460 インチ最小肉厚 (MWT) SA-213 T22 低合金鋼および 1.75 インチ。 外径 x 0.260 インチ MWT SA-213 TP321H ステンレススチール。

実際には、ヘッダーの SA-213 T22、DMW の T22 熱影響部 (HAZ)、または DMW の 321 HAZ のどこで損傷が発生するかは、チューブの直径、屋根までの長さ (曲げ) などのいくつかの要因によって決まります。モーメント）、DMW および T22 のチューブとヘッダーの溶接の形状（不十分な溶接形状による応力上昇）、DMW で使用される溶接合金。 ほとんどの場合、損傷は DMW で発生します。

DMW は、2 つの異なる合金系、通常はフェライト系とオーステナイト系、またはマルテンサイト系とオーステナイト系の間で作られる接合部です。 歴史的に、DMW はステンレス鋼溶接合金、多くの場合 E-309 で作られていました。 T22 側の HAZ で障害が発生します。

ステンレス鋼の熱膨張係数は、T22 と同様のフェライト鋼よりも約 30% 大きくなります。 この差により、溶融ゾーンの端にある T22 に大きな熱ひずみが生じました。 現代では、ニッケルベースの合金が使用されています。 これで、溶接金属と T22 の熱膨張がほぼ等しくなり、熱ひずみがステンレス鋼 HAZ に伝達されます。 通常の操作では、ステンレスは故障に耐えるのに十分な強度を持っています。

ここで示した例では、TP321H で障害が発生しました。 引張応力は付加的なものであるため、ルーフとヘッダーの間の膨張の違いによるスタブ チューブの曲げによる応力が、TP321H と溶接金属の間の膨張の違いによって生じる HAZ 内の応力に追加されます。 その結果、図 3 に示すように、より小さい直径の TP321H チューブが破損しました。

ヘッダーの長さまたはスタブチューブの長さの寸法測定は提供されていないため、実際の応力レベルの推定値は計算できません。 しかし、この点は議論の余地があるかもしれない。なぜなら、チューブが使用中にひずみを効果的に「応力緩和」するのに十分な高温と十分な時間動作したときに応力緩和が起こった可能性が高く、それが損傷を引き起こした原因である可能性が高いからである。開発には長い。

2 列目のスタブ チューブは冶金分析のために DNFM に送られ、図 4 に示されています。拡大図を図 5 に示します。DMW はよくできており、異なる直径のチューブ間の移行がスムーズです。 損傷があると予想される平面における DMW の金属組織学的分析では、4 つの興味深い微細構造の詳細が示されました。 彼らはいた：

■ TP321H の微細構造は、炭化物とシグマ相の両方で修飾された粒界を持つ等軸オーステナイトでした (図 6)。 シグマ相の出現は、このペンダントまたはいくつかの端のペンダントが、33 年間の使用期間のかなりの部分で設計温度を超えて動作していた可能性があることを示唆しています。 また、過熱器内の温度分布が U 字型であることを示唆している可能性もあります (これを確認するには、他のペンダントを調べる必要があります)。

■ 溶接金属 HAZ の隣の外径で、予想された粒界クリープまたはクリープ疲労亀裂 (図 7) が見つかりました。 これは、曲げと DMW による引張応力が組み合わさった結果です。

■ 亀裂の近くには、引張応力による塑性ひずみの証拠である双晶境界 (一部のオーステナイト粒子を横切る黒い直線) も見られました。

■ 溶接金属の端にある小さな段差または直径の変化、応力上昇部または「ノッチ」。 TP321H は、ニッケル溶接金属 (インコネル 625 と組成が類似) よりも急速に酸化します。 耐用年数にわたって、応力上昇剤により有効引張応力がさらに増加し​​ます。

要約すると、ヘッダーとルーフ間の膨張差の結果として生じるスタブチューブとヘッダーの溶接部の損傷は、単純な梁理論から推定される応力、溶接合金に予想される動作応力、および製造中に使用される条件によって説明できる可能性があります。 しかし、より重要なのは、蒸気発生器が 25 年を経過するにつれて、損傷の最初の兆候 (故障の前兆) をどこに見ればよいかを知るために提供される支援です。 これらの亀裂を見つけるために必要な注意深い検査には徹底的な洗浄が必要であり、時間がかかります。 浸透液、磁性粒子、複製などの検査技術をお勧めします。 ■

—Rama S. Koripelli、PhD、PE ([email protected]) は David N. French Metallurgists のテクニカル ディレクターであり、David N. French, ScD ([email protected]) は David N. French Metallurgists の創設者です。

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