適切な材料分析によりボイラーの信頼性の高い運転を確保

気味が悪くなり、疲労感が増します。それが、最近の多くの石炭火力ボイラーの状態です。 障害のメカニズムと、潜在的な問題を特定するための適切なテスト方法を理解すると、問題が見つかる前に問題を発見できるようになります。

現在の規制環境により、新規発電では他の燃料源よりも天然ガスを利用することが推奨されていますが、かなりの量の既存の石炭火力発電が依然として稼働しています。 これらの石炭火力発電所の大部分は長期間にわたって稼働しており、平均築年数は 40 年近くです。 これらのプラントをオンラインにして効率的に稼働し続けることには課題がありますが、機器の状態を効果的に監視し、重要な部品を最適な時期に交換するためのプログラムが導入されているため、これらのユニットは今後何年にもわたって信頼性の高い稼働を続けることができます。

石炭火力蒸気発生器の長期運転では、クリープと熱疲労がボイラーの完全性に通常影響を与える 2 つの損傷メカニズムです。 ボイラーは、水や排ガスの化学的不均衡によって損傷を受けることもありますが、通常、これらの問題は短期間で修正できます。

熱疲労。 熱疲労は、時間の経過とともに変化する温度勾配によって引き起こされる周期的な応力によって発生します。 蒸気発生器は、起動時と停止時に最大の熱疲労を経験します。

高温のボイラー管では、応力が緩和されるまで、局所的な高応力領域が塑性変形します。 この変形プロセスは、高温でコンポーネントを一時的に緩和する一方で、システムが冷えるにつれて同じコンポーネントに新たな応力を導入し、材料は元の位置に戻れなくなります。

ボイラーの設計者は、計画された起動および停止サイクル数を予測し、これらのシナリオに対処できるようにボイラーを設計します。 しかし、蒸気発生器の過度のサイクルは、頻繁に派遣されすぎたり、計画外の強制停止（機器の信頼性の低さによる）によって発生したりして、ボイラーを早期に本来の設計寿命を過ぎてしまいます。 過剰なサイクルは最終的にボイラーチューブ要素の熱疲労亀裂につながります。 通常、熱疲労は溶接部または形状変化点で発生します。

忍び寄る。 蒸気発生器管の故障の 2 番目に重要なメカニズムはクリープです。 クリープは、高温での応力下での材料の進行性の永久変形です。

材料が製造されると、材料構造内にマイクロボイドが形成されます。 時間の経過とともに、これらの微小空隙は伝播して相互接続し始め、材料内に亀裂が形成されます。 変形は塑性的に発生し、材料が薄くなる結果、応力が高まり、クリープ速度が増加します。 この現象は、材料に高い応力がかかっているにもかかわらず、材料の降伏強度を下回るレベルで発生する可能性があります。

クリープは、材料の寿命中に 3 つの定義された段階で発生します。 最初の段階は一般に一次クリープと呼ばれます。 この段階ではひずみ速度は高くなりますが、加工硬化の結果として時間の経過とともに急速に遅くなります。 このクリープの最初の段階は比較的短期間であり、材料構造に大きな変化は生じません。

クリープの次の段階は、二次段階、つまり定常状態の段階です。 材料はその寿命の大部分にわたって二次クリープを経験します。 この段階は比較的一定のひずみ速度によって定義され、加工硬化はその回復速度によってバランスがとれています。

クリープの最終段階である三次段階は、時間の経過に伴う急速な伸びによって定義されます。 この急速な伸びは、材料の破壊が起こるまで加速します。

時間と温度に対する材料の耐用年数を計算する数学的アプローチがあります。 ゼネラル エレクトリックのエンジニアは 1950 年代に、材料のクリープ強度と破断強度の実験データを推定するために使用できる 1 つの方法を開発しました。 これはラーソン・ミラー・パラメーターとして知られており、次のように表されます。