电厂管道寿命计算机在线监测系统的设计

0I:10.13374/.j.1ssm1001053x.1997.02.009 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 电厂管道寿命计算机在线监测系统的设计 孙继跃)束国刚2》 陈国良)王迪) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)能源部西安热工研究所，西安710032 摘要介绍了一种电厂管道寿命计算机在线监测系统，即通过计算机连续记录管道工况，以及测 量管道蠕变，用来对管道寿命及剩余寿命进行在线预报，并执行寿命管理.同时介绍了所采用的 寿命预测方法和系统配置方式， 关键词寿命预测，烯变，管道，在线监测 中图分类号TT142 利用计算机在线监测电厂锅炉管道系统的工况及蠕变状态，可以及时方便地完成对管道 各部分的剩余寿命预测，同时也可以对一些危险的管道状态进行识别、报警，甚至完成应急控 制，本文研究电厂管道寿命计算机在线监测系统的基本组成及其功能 1寿命预测方法 本系统同时采用持久外推和蠕变曲线逼近法预测管道剩余寿命，根据需要也可采用日函 数法外推 1.1持久外推 对于电厂常用的耐热钢，已有大量的单轴拉伸持久的长时实验数据.根据这些数据可以 回归出材料蠕变断裂寿命1与应力、温度的关系： Tgt C)=a+a lgo a,lgo2+a,lgo (1) 即L一M方程山，由该方程外推材料在实际使用状态下的蠕变断裂寿命.因为管道上材料的 实际应力是多轴状态，因此采用以下公式计算等效应力： o=Pd/21-0.5) (2) 其中，P为蒸汽压力，d为管道直径，t为管道壁厚.由于机组调峰等因素的影响，管道的蒸汽温 度、压力是不可能恒定的，为此采用寿命分数法则计算剩余寿命： F=∑II (3) 这里为蠕变条件为（σ，T)时的材料断裂寿命，'是管道在相应状态下的实际工作时 间.当F接近1时表明管道寿命耗尽 1997-01-10收稿 第一作者男35岁博士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 灰 电厂 管道 寿命计算机在 线监测 系 统 的设计 孙继 跃 束 国刚 陈 国 良 王 迪 北京科技大学新金属 材料 国 家重点 实验室 ， 北京 能 源部 西 安热工 研究所 ， 西 安 摘要 介 绍 了一种 电厂 管道 寿命计算机在 线监 测 系 统 ， 即通 过 计算 机连续 记 录管道 工 况 ， 以 及 测 量 管 道蠕变 ， 用 来 对管 道 寿命及 剩余 寿命进行 在 线 预 报 ， 并 执行 寿命管理 同时介绍 了所采 用 的 寿命预测方法 和 系 统配置方式 关键词 寿命预测 ， 蠕变 ， 管道 ， 在 线监测 中图分类号 利 用 计算机在 线监 测 电厂锅 炉 管道 系 统 的工 况 及 蠕 变状 态 ， 可 以 及 时方便地完成 对管道 各部分 的剩余寿命预 测 ， 同时也 可 以 对一些 危 险 的管道状 态进行 识别 、 报警 ， 甚 至完成 应急控 制 本 文研究 电厂 管道 寿命计算 机在 线监 测 系 统 的基 本组成及 其 功能 寿命预测方法 本系 统 同时采 用持久外 推和蠕 变 曲线逼 近法 预测 管道 剩余 寿命 ， 根 据需要 也 可 采用 函 数法 外 推 持久外推 对于 电厂 常用 的耐 热 钢 ， 已 有 大 量 的单 轴拉 伸持久 的长 时 实验 数据 根 据 这 些 数据 可 以 回 归 出材料 蠕 变 断裂 寿命 与应力 、 温度 的 关 系 双 。 ， ， ， 即 一 方 程 ’ ， 由该方 程 外 推 材 料在 实 际使用状态 下 的蠕变 断裂 寿命 因 为管道 上 材料 的 实 际应力是 多 轴状态 ， 因此 采 用 以 下公 式计算等效应力 代 一 其 中 ， 尸 为蒸汽压力 ， 为管道 直径 ， 为管道 壁 厚 由于 机组调 峰等因素的影 响 ， 管道 的蒸 汽温 度 、 压力是 不 可 能恒 定 的 ， 为此 采 用 寿命分 数法 则计算剩 余寿命 一 艺毛 。 这 里 偏 为 蠕 变 条件 为 ， 劝时 的 材 料 断 裂 寿命 ， 毛是 管 道 在 相 应 状 态下 的 实 际 工 作 时 间 当 接 近 时表 明管道 寿命耗尽 一 卜 收稿 第一 作 者 男 岁 博 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．02．009

·162· 北京科技大学学报 1997年第2期 1.2蠕变曲线逼近法 大多数关于材料蠕变曲线的测量实验都是用标准拉伸试样在单轴应力条件下进行的，较 低应力下蠕变曲线可用以下方程表示： e,(0=e。+a(e-l) (4) 根据动力学计算四和实验结果分析3~，如果采用方程(2)计算受内压的管道材料应力， 则管道的直径蠕变曲线ε()与相同材料的单轴拉伸蠕变曲线ε，在蠕变寿命的前四分之三期 限内是相似的： Ep mE (t) (5) Iseda6等认为，系数m约为0.3.据此管道直径的蠕变曲线可写成与方程(4)形式相同的 函数，这里的B,α是待定参量，可通过对管道运行过程中所测量的蠕变曲线进行拟合而求得. 管道运行时间越长，所得拟合方程用于外推该管道在剩余寿命期间蠕变的精度越好，也就可 以更好的预测该管道的剩余寿命 据上述，本系统同时采用2种方法在线监测管道剩余寿命，其中持久外推法采集的是管 道蒸汽压力温度，蠕变曲线逼近法采集的是管道直径蠕变，前一种方法可以计算设计寿命，并 能较明显地反映出各种管道工况对管道寿命的影响，从而方便用户寿命管理，但持久外推的 寿命值分散度较大，为确保管道系统运行具有所必要的可靠度，就可能使管道的预测寿命值 比真实可用寿命小许多，后一种方法更直接地反映出管道的材料蠕变损伤状态，并可能及时 发现因材料性能波动等因素所致的管道提前破坏迹象，这有利于延长管道的使用寿命.该方 法仅限用于蠕变塑性好的材料6，同时注意到管道蠕变曲线方程(5)是建立在蒸汽温度压力 恒定假设基础上的，而实际管道的工况常常因机组调峰而变动，相应的蠕变曲线用方程(5)描 述也只是一种近似处理.同时使用这2种方法，能部分地弥补各自的不足. 1.30函数法 通常应用持久外推方法预测材料蠕变寿命，但一般认为该方法外推寿命值限于实验持久 寿命的3倍以内.Evanst,)等提出的0函数法，被认为可以用近千小时的蠕变实验预测长达 30万h的材料蠕变寿命.该方法将用以下本构方程描述蠕变曲线： e=eo+日，(1-e+0,(e-l) (6) 其中0，(=1,2,3,4)与温度应力的关系为： lg9g=4,+b+c,0+dgT60=1,2,3) (7) Maruyama等9,1oj对此提出修正： 6、=64=a (8) 从而将方程简化为以下形式： e=eo+A(1-e-a+e:'-1) (9) 该方法利用少量的蠕变试样在实验室测得近千小时的蠕变曲线，由曲线拟合及多元线性 回归而确定被测试材料的方程(7)中系数(a,b,cd,),由此即可坝测该材料在任意条件下的 蠕变曲线及断裂寿命.由于要求试样数量少，实验周期短，该方法用于对一些新钢种的管道寿 命预测是十分有效的

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 蠕 变 曲线逼 近 法 大 多 数 关于 材 料 蠕 变 曲线 的测 量 实 验 都是 用标 准拉伸 试样 在单 轴应力条件 下 进行 的 ， 较 低 应力 下 蠕 变 曲线可 用 以下 方 程 表示 。 一 。 护 ‘ 一 根 据 动力 学 计算 和 实 验 结 果 分 析口 一 ， 如 果 采 用方 程 计算 受 内压 的管 道 材料 应力 ， 则管道 的直径 蠕 变 曲线 ￡ 与相 同材料 的单轴拉 伸蠕 变 曲线 。 ， 在 蠕变 寿命 的前 四 分之 三期 限 内是 相 似 的 “ 服 等认 为 ， 系数 约 为 据此 管道 直 径 的蠕 变 曲线 可 写 成 与方 程 形 式 相 同的 函 数 这 里 的卢 ， 是 待 定 参量 ， 可 通 过 对管 道 运 行 过 程 中所 测量 的蠕 变 曲线 进 行 拟 合 而 求 得 管 道 运 行 时 间越 长 ， 所 得 拟 合方 程 用 于 外 推 该 管道 在 剩余 寿命期 间蠕 变 的精度 越 好 ， 也就 可 以 更 好 的预测 该管道 的剩 余 寿命 据 上 述 ， 本 系 统 同时采 用 种 方 法 在 线监 测 管道 剩 余寿命 ， 其 中持久 外 推 法 采集 的是 管 道 蒸 汽 压 力温 度 ， 蠕 变 曲线 逼 近法 采集 的是 管道 直径 蠕变 前一 种方 法 可 以 计算设计 寿命 ， 并 能 较 明显 地 反 映 出各 种 管道 工 况 对管 道 寿命 的影 响 ， 从而 方便 用 户 寿命管理 ， 但 持 久外 推 的 寿命值分 散度 较 大 ， 为确 保管道 系 统运 行 具 有 所 必 要 的可 靠 度 ， 就 可 能使 管道 的预测 寿命 值 比真 实 可 用 寿命小 许多 后 一 种 方 法 更 直 接 地 反 映 出管 道 的 材料 蠕 变损 伤状 态 ， 并 可 能 及 时 发 现 因材 料 性 能 波 动等 因 素所 致 的管 道 提 前 破 坏 迹 象 ， 这 有 利 于 延 长 管 道 的使 用 寿命 该方 法 仅 限 用 于 蠕 变 塑性 好 的 材 料 ， 同时 注 意 到 管道 蠕 变 曲线方 程 是 建 立 在 蒸 汽 温 度 压 力 恒定假设基 础 上 的 ， 而 实 际管道 的工 况 常 常 因机组调 峰而 变 动 ， 相 应 的蠕 变 曲线 用方 程 描 述 也 只 是 一种 近 似处理 同时使用这 种 方法 ， 能部分地 弥 补各 自的不 足 函数法 通 常应 用 持 久 外 推方 法 预测 材 料蠕 变 寿命 ， 但 一 般认 为 该方 法外 推 寿命 值 限于 实验持久 寿命 的 倍 以 内 等提 出 的 函 数法 ， 被 认 为可 以 用 近 千 小 时 的蠕 变 实验 预测 长 达 万 的材 料 蠕 变 寿命 该 方法 将 用 以 下 本构方 程 描述 蠕变 曲线 ￡ ￡。 一 勺 “ 一 其 中 ， ， ， ， 与温度 应力 的关 系 为 。 。 。 尸 凡 仃 ， ， 等， ’” 对此提 出修正 从而 将方程 简化 为 以下 形 式 ￡ 一 ￡。 一 一 “ ·勺 筑 二‘ 一 该方 法 利 用 少量 的蠕 变 试样 在 实验 室 测 得 近 千小 时 的蠕 变 曲线 ， 由曲线拟 合及 多元 线性 回 归 而 确 定 被 测 试 材料 的方 程 中系数 ‘ ， 娜 ，’ 试， 由此 即可 坝测 该材 料 在 任意 条件下 的 蠕 变 曲线及 断裂 寿命 由于 要 求试样 数量 少 ， 实验 周 期 短 ， 该方 法 用 于 对一些 新 钢 种 的管道 寿 命预测 是 十分有效的

Vol.19 No.2 孙继跃等：电管道寿命计算机在线监测系统的设计 ·163* 此外，利用时间硬化、应变硬化假设，该方法可以分析机组出现调峰或运行工况参数调 整等情况下的管道蠕变曲线和剩余寿命，这更能弥补蠕变曲线通近法在此方面的不足， 2硬件设计 要完成数据采集、分析、控制等任务，最简便的方法是在PC计算机中插入数据采集板、数 字量输出板.考虑到电厂一个连续运行周期长达上万小时，要保证P℃机在这么长的连续运行 周期里不出故障是困难的，而每一次故障或者是一次计算机断电事故都可能丢失大量工况 记录.最主要的是所要求的管道寿命监测系统，在它工作的绝大部分时间里不要求人机对话， 只是简单地记录工况，分析是否出现危险工况，这些任务如完全靠PC机执行势必浪费PC机 自身的资源.为此，将该管理系统设计成上位机、下位机联用形式.下位机与其他自动控制器 件组成监控仪可置于锅炉管道现场，执行工况记录采集、短期存储、以及危险工况识别、报警 等任务；上位机为PC机，可置于控制室，执行人机对话、记录整理及长期存储、寿命分析等任 务. 根据该系统的功能要求而研制开发的一种下位机，具有以下优点：断电保护数据，内存容 量可大于1Mbit,可与PC机的RS232串行接口实现通信，通信距离可大于30m, 系统具有以下特点：()操作员在个人计算机以人机对话方式操作整个系统，方便用户 使用：(2)在环境因素（温度、湿度、粉尘）较差的现场用下位机工作，提高了整个系统的长时 工作稳定性和抗环境干扰能力：(3)数据保护的可靠度大，即使系统断电，所采集数据亦不丢 失；(4)系统的开放度大，可依用户要求增加多种控制功能 根据需要整个锅炉管道可选择若干个监测点，每个监测点在线测量以下工况参数：蒸汽 温度、蒸汽压力、管道直径.这些被选工况量也可由用户根据具体情况作调整. 3软件设计 按照分工，上位机执行人机对话、记录整理及长期存储、寿命分析等，下位机执行工况记 录、采集和短期存储、危险工况识别及报警等.下位机CPU以查询方式完成串行接口通信，以 中断方式完成并行接口数据采集.上位机程序利用Windows环境下的C语言编制，在“主菜 单”下面选择进人以下状态：“系统设置”是该寿命管理系统安装时的必要参数设置，包括被监 测的管道测点数量，各测点的管道直径、壁厚及钢种，采样时间间隔等，这些参量设定后即构 成初始化文件保留，以后可随时调用；“信号监示以人机对话形式操作，操作人员通过上位机 可远距离监视现场工况；“记录传输”是将下位机的内存数据传输至上位机并形成磁盘文件； “寿命分析”是根据磁盘文件分析管道剩余寿命；“报表分析”是为用户其他要求而设定的，如 查询工况、编制锅炉运行报表等， 由于现场数据采集及控制由下位机执行，上位机中的软件工作时间较短，这使得系统可 以与电厂其他应用程序共用上位机，便于用户将此系统作为一个功能模块而组合在已有的计 算机系统中

孙 继跃等 电厂 管道 寿命计算机在线监测 系统 的 设计 此 外 ， 利 用 时 间硬 化 、 应 变 硬 化 假设 ， 该方 法 可 以 分 析 机 组 出现 调 峰 或运 行 工 况参数调 整 等情 况 下 的管道 蠕 变 曲线 和剩 余寿命 ， 这 更 能 弥补蠕 变 曲线逼 近 法 在 此方 面 的不 足 硬件设计 要 完 成 数据采集 、 分 析 、 控 制等任务 ， 最 简便 的方法是 在 计算机 中插 人 数 据采集 板 、 数 字 量 输 出板 考 虑 到 电厂 一 个 连续 运 行 周期 长达 上 万 小 时 ， 要 保证 机在 这 么 长 的连续 运行 周 期 里 不 出故 障是 困难 的 ， 而 每 一 次 故 障或 者 是 一 次计 算 机 断 电事 故 都可 能 丢 失 大 量 工 况 记 录 最 主要 的是 所 要 求 的管道 寿命监 测 系 统 ， 在 它 工作 的绝 大部 分 时 间里不 要 求 人机 对话 ， 只 是 简单地 记 录 工 况 ， 分 析是 否 出现 危 险工 况 ， 这 些 任务 如完全 靠 机 执行 势 必 浪 费 机 自身的 资源 为 此 ， 将 该 管理 系 统 设计 成 上 位 机 、 下 位机 联 用形 式 下 位 机 与其 他 自动控 制 器 件 组 成 监 控 仪 可 置 于 锅 炉 管 道 现 场 ， 执 行 工 况 记 录 采集 、 短 期 存储 、 以 及 危 险工 况 识 别 、 报 警 等任 务 上 位 机 为 机 ， 可 置 于 控 制 室 ， 执 行 人 机 对话 、 记 录 整理 及 长 期存 储 、 寿命分析等任 务 根 据 该 系 统 的功 能 要 求 而 研 制 开 发 的一 种 下 位 机 ， 具 有 以 下 优 点 断 电保护 数据 ， 内存容 量 可 大 于 ， 可 与 机 的 串行 接 口 实现通 信 ， 通 信距 离可 大 于 系 统具 有 以 下 特 点 操 作 员 在 个 人 计 算 机 以 人 机 对话 方 式 操 作 整 个 系 统 ， 方 便 用 户 使 用 在 环 境 因 素 温 度 、 湿 度 、 粉尘 较 差 的 现 场 用 下 位 机 工 作 ， 提 高 了整 个 系 统 的 长 时 工 作稳 定 性 和 抗 环 境 干 扰能 力 数 据保 护 的可 靠度大 ， 即使系 统断 电 ， 所 采集 数 据亦 不 丢 失 系 统 的 开放度 大 ， 可 依 用 户要 求增 加 多 种控 制功 能 根 据需 要 整 个锅 炉 管 道 可 选 择若 干个监 测 点 ， 每个监 测 点 在 线 测 量 以 下 工 况 参数 蒸 汽 温 度 、 蒸 汽 压 力 、 管道 直 径 这些 被 选 工 况 量 也 可 由用 户根 据具 体情 况作调 整 软件设计 按 照 分 工 ， 上 位 机 执 行 人 机 对话 、 记 录 整理 及 长 期 存储 、 寿命分 析 等 ， 下 位 机 执行 工 况 记 录 、 采集 和 短期 存储 、 危 险工 况 识别 及 报 警 等 下 位机 以 查 询 方式 完成 串行接 口 通 信 ， 以 中断方 式 完 成 并 行 接 口 数据 采集 上 位 机程 序 利 用 环 境 下 的 语 言编 制 ， 在 “ 主菜 单 ” 下 面 选 择进 人 以 下 状 态 “ 系 统设 置 ” 是 该 寿命 管理 系 统安装时 的必要 参数设 置 ， 包括 被监 测 的管道 测 点数量 ， 各 测 点 的 管 道 直 径 、 壁 厚 及 钢 种 ， 采样 时 间 间隔 等 ， 这 些 参 量设 定 后 即构 成初始 化文件 保 留 ， 以 后 可 随 时调 用 “ 信号监 示 ” 以 人机 对话形 式操作 ， 操作人 员通 过 上位机 可 远 距 离监 视 现 场工 况 “ 记 录 传输 ” 是 将 下 位 机 的 内存数 据传 输 至 上 位 机并 形 成 磁 盘 文件 “ 寿命分 析 ” 是 根 据 磁 盘 文 件 分 析 管道 剩 余 寿命 “ 报 表 分 析 ” 是 为 用 户其 他 要 求 而 设 定 的 ， 如 查 询工 况 、 编 制锅 炉 运 行 报表 等 由于 现 场 数据 采 集 及 控 制 由下 位 机 执 行 ， 上 位 机 中 的软件 工 作 时 间较 短 ， 这 使得 系 统可 以 与 电厂 其他 应 用程 序 共 用上 位 机 ， 便 于 用户将此 系 统作 为一个 功能模 块而 组 合在 已 有 的计 算机 系 统 中

·164· 北京科技大学学报 1997年第2期 4结论 研制了一种管道寿命计算机在线监测系统，即通过计算机连续记录管道工况以及测量 管道蠕变而对管道寿命及剩余寿命进行在线预报.该系统将寿命预测专家知识与现场相结 合，以便于一般用户进行管道寿命管理. 参考文献 1杨宜科，吴天禄.金属高温强度及试验.上海：上海科学技术出版社，1986 2 Taira S,Otani R.Inst Mech Eng Jpn,1967,70:1737 3 Coleman M C,Parker J D.Int J Pres Ves and Piping,1985,18:277 4 Asakawa K,Otomo A,Saiga Y.Tetsu-to-Hagane,1979,65:869 5 Otomo A,Asakawa K,Saiga Y.Tetsu-to-Hagane,1978.64 933 6 Iseda A,Sawaragi Y,Yoshikawa K.ISIJ International,1990,30:862 7 Evans R W,Parker JD,Wilshire B.Recent Advances in Creep and Fracture of Engineering Materi- als and Structure.Wilshire B,Owen D R,eds.Swansea:Pineridge Press,1982.135 8 Evans R W,Wilshire B.Creep of Metals and Alloys.London:The Institute of Metals,1985 9 Maruyama K.Oikawa H.In:Proc of Third Int Conf on Creep and Fracture of Engineering Mat and Structure.Wishire B,Evans R W,eds.London:The Institute of Metals,1987.815 10 Maruyama K,Kushima H,Watanabe T.ISIJ International,1990,30(10):817 On-line Computer System Monition the Life of Pipeline in Power Station Sun Jiyue)Shu Guogang Chen Guoliang Wang Dil) 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Thermal Power Reserch Institute,Xian ABSTRACT A on-line computer system is setup to monitor the life of pipeline in power station.The methods of life prediction which is used by this system is recom- mended and the fundation of the system is also discussed. KEY WORDS life prediction,creep,pipeline,monitors system

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 结论 研 制 了 一 种 管道 寿命 计 算 机 在 线 监 测 系 统 ， 即通 过 计 算 机 连 续 记 录 管道 工 况 以 及 测 量 管 道 蠕 变 而 对管道 寿命及 剩 余 寿命 进 行 在 线 预 报 该 系 统将 寿命 预 测 专家知识 与现 场相 结 合 ， 以便 于 一般用 户进行 管道 寿命管理 参 考 文 献 杨宜科 ， 昊 天禄 金 属 高温 强 度 及 试验 上海 上 海科学技术 出版社 ， ， 加 ， ， ， 巧 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 巧 ， ， 丁 ， ， 伽 七 ’ 口 ， ， ， ， ， ， ， 一 反 ’ 从 叮 ， 。 ‘ 瀚 ， 肠 ， ， ， 代 ， 一 面 ， ，