ボイラの損傷事例と保全技術 2014年02月20日 エネルギー・プラントセクター 齊川孔志 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 1 目次 １．ボイラ耐圧部漏洩の部位と要因 ２．損傷の事例と対策 ２－１ クリープ損傷 ２－２ 疲労損傷 ２－３ 腐食損傷 ２－４ 摩耗損傷 ３．予防保全の考え方 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 2 １．ボイラ耐圧部漏洩の部位と要因 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 3 耐圧部漏洩の発生部位 事業用ボイラ 容器（含 む管台） 節炭器 配管 13% 11% 4% 自家発ボイラ 配管 7% 節炭器 12% 炉壁 30% 過熱器・ 再熱器 42% 〔特徴〕 ・起動停止頻度が高いことから管 寄スタブ管の管寄溶接部での損 傷が多い 容器（含 む管台） 4% 炉壁 43% 過熱器・ 再熱器 34% 〔特徴〕 ・炉壁管での損傷割合が比較的 多い IHI納入ボイラでの実績 （事業用：S43以降，自家発：S62以降） Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 4 耐圧部漏洩箇所の損傷要因 （損傷形態から分類） 事業用ボイラ その他 14% 腐食 11% 自家発ボイラ その他 18% クリープ 18% クリープ 21% 腐食 10% 摩耗 5% 疲労 52% 〔特徴〕 ・起動停止頻度が高いことから疲 労要因が多い 摩耗 23% 疲労 28% 〔特徴〕 ・ボイラ型式，燃料が多様なため 損傷要因は種々 ・流動床ボイラ等での摩耗損傷が 比較的多い IHI納入ボイラでの実績 （事業用：S43以降，自家発：S62以降） Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 5 ２．損傷の事例と対策 ２－１．クリープ損傷 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 6 クリープ損傷の過程と特徴 第１段階：遷移クリープ領域 転位のすべり運動により回復が進んで いる段階 指標としては硬さや物性質の変化 （Cr-Moの場合） 第２段階：定常クリープ領域 粒界にクリープボイドが発生・成長 する段階 損傷の指標としてはボイド 遷移クリープ領域 定常クリープ領域 第３段階：加速クリープ領域 ボイドの成長連結により粒界微小き裂 が発生し進展する段階 損傷の指標としてボイド，微小き裂 加速クリープ領域 破断 クリ ープ歪 時間 母材部 ＨＡＺ部 ・ﾌｪﾗｲﾄとﾊﾟｰﾗｲﾄ (又はﾍﾞｰﾅｲﾄ)の ２層組織 ・ﾊﾟｰﾗｲﾄ部の分解・球状化 ・ﾌｪﾗｲﾄ部への炭化物析出 ・炭化物の疑集・粗大化 ・ﾊﾟｰﾗｲﾄ部の消失 ・結晶粒の変態 ・焼き戻しﾏﾙﾃﾝｻｲﾄ 組織 ・ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄﾗｽの消失開始 ・ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄﾗｽ境界上に 炭化物析出 ・ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄﾗｽの消失 ・ﾎﾞｲﾄﾞの発生と成長 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. ・ﾎﾞｲﾄﾞ，微視き裂の 発生 ・巨視き裂の発生 ・ﾎﾞｲﾄﾞの連結 ・微視き裂の発生 ・巨視き裂の発生 7 クリープ損傷例 長時間クリープ損傷例 管外側 管内側 (b)断面マクロ組織写真 （c）ミクロ組織写真 (a)外観写真 短時間クリープ損傷例 Ｃ－１ Ｃ－２ (a)外観写真 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. C-1ミクロ組織写真 ×100 C-2ミクロ組織写真 ×100 8 クリープ損傷事例 長時間クリープ ２２％ 自家発 短時間クリープ 78％ 長時間クリープ 14％ 事業用 【長時間クリープの損傷例】 • 管列乱れによる輻射熱増によりメタル温度高 （過 熱器） • ガス偏流での収熱増によりメタル温度高 （過熱 器，再熱器） • 管内酸化スケールの成長による熱伝達率低下，メ タル温度高 （火炉壁） 【短時間クリープの損傷例】 • 管内酸化スケールの成長と剥離・堆積による流路 阻害 （吊下形過熱器，再熱器） • バーナ火炎の接触による過熱 （火炉壁） 短時間クリープ 86％ Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 9 クリープ損傷事例 管内酸化スケールによる閉塞 水蒸気酸化スケールの生成 管内面側 吊下形過 熱器 外層スケール 内層スケール 母材 管母管 水蒸気酸化スケールの成長と剥離 • 水蒸気酸化スケールの厚さは、メタル温度が高いほど，また運転時間が 蒸気側 長いほど厚く成長し，起動・停缶時のスケールとメタル母材との熱膨張 差，温度差により剥離する • 剥離したスケールは伝熱管下部ベンド部に堆積，蒸気流路を阻害し，管 を過熱する 外層スケール Feが選択的に内層スケールの外側に 別の酸化膜を形成 内層スケール 蒸気より解離した酸素が母材側に拡散 してFeの他にCr等の合金元素を含む 酸化物を形成 点検方法 • 管抜管によりスケールの厚さを計 測 • 管外面からＲＴによりベンド部で の堆積状況点検 外層スケール 対策 （Fe3O4） • 化洗によるスケール除去（Cr-Mo鋼 管） • 耐水蒸気酸化特性を有する細粒鋼 管もしくは内面ショット加工管の 採用（SUS鋼管） 内層スケール （Ｃr主体） ＳＵＳスケール 地金 Ｃｒ－Ｍｏスケール Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 10 ２．損傷の事例と対策 ２－２．疲労損傷 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 11 疲労損傷事例 腐食疲労 11% 機械的疲労 6% 熱衝撃 4% 自家発 熱疲労 79% 腐食疲労 機械的疲労 6% 6% 熱衝撃 5% 事業用 熱疲労 83% Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 【機械的疲労】 • 吊下げパネルがSB噴射時に揺れ，拘束金物溶接部に繰返 し応力で損傷 【熱疲労】 • 管寄スタブ管溶接部が起動・停止時の温度差による熱応力 で損傷 • 異なる炉壁パネル間のフィン端溶接部や金具溶接部で起動 停止時の温度差による熱応力で損傷 • 管同士および管と金具の異材溶接部（SUS/Cr-Mo）が線膨 張率の差による応力で損傷 【熱衝撃】 • スートブロワ貫通部近傍がリークドレンによる急冷で損傷 【腐食疲労】 • 節炭器管の金物溶接部の管内面が繰返し応力と腐食により 損傷 • 火炉壁の収熱変動とガス中腐食因子によるファイアクラック 12 疲労損傷事例 後伝部側壁と後伝部後壁取合部割れ ｢損傷状況」 後伝部側壁 「原因」 起動および負荷変化時に後伝部側壁／後伝部後壁／煙道 との間に温度差が発生し，起動停止毎，負荷変化每に繰り 返されることによる疲労割れ 「対策」 後伝部側壁 後伝部後壁 １．フｲン端部の応力集中緩和のため 後伝部後壁 R加工（暫定対策） ２．フｲン端部への応力集中を分散する ため補強板を取り付け 「右図」 割れ （割れ再発） 補強板 （暫定対策） 煙道 R加工 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 13 疲労損傷事例 管寄スタブ溶接部損傷 (1/3) 管寄スタブに発生する各種温度差：ΔTi 各種温度差 ΔＴ１ 管寄と天井管間の温度差 ΔＴ２ 同一パネル内の管間温度差 ΔＴ３ 管寄上下間の温度差 各種ΔＴによる管寄とスタブ の溶接継手部二番でのクラッ ク発生状況 管寄端部 管寄全体 管寄端部 左右 上下 上下 ボイラ中心 管寄 伸び差ΔＬ 管寄中心 天井貫通部 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. ボイラ中心 管寄中心 天井貫通部 14 疲労損傷事例 管寄スタブ溶接部損傷 (2/3) 損傷発生時の寿命消費率評価 ボイラ前 管№1 3 5 2 4 6 漏洩 7 9 11 8 10 12 #1 #2 #3 #4 #5 ＜現状構造＞ 缶右 120.0 120 管破断 管破断 100 100.0 80 80.0 危険領域 寿命消費率(%) 寿命消費率(%) #65 #66 #67 #68 #69 缶左 60 亀裂発生 管No.4& 9 危険領域 60.0 管No.3& 10 き裂発生 40.0 40 20.0 20 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 管No. (a) 現状構造のパネル#1＆#69各スタブの寿命消費率 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 12 1 缶左 11 21 31 41 51 パネル＃ 61 69 缶右 (b) 管No.4&9と管No.3&10の炉幅方向の寿命消費率 15 疲労損傷事例 管寄スタブ溶接部損傷 (3/3) 対策実施後の寿命消費率評価 ボイラ前 ボイラ前 漏洩 缶右 缶左 7 9 11 8 10 12 管 №1 3 5 2 4 6 管 №1 3 5 2 4 6 7 9 11 8 10 12 改善構造 ＜ 改 造構 造 ＞ ＜ 現 状 構造 ＞ 140 改善構造 140 120 120 破断 破断 100 100 寿命消費率(%) 寿命消費率(%) 従来構造 80 危険領域 60 亀裂発生 40 80 危険領域 60 き裂発生 40 管No.4&9 20 20 管No.3&10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 管No. (b) 改善構造のパネル#1Eの寿命消費率 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 11 12 0 1 缶左 11 21 31 41 51 パネル＃ 61 69 缶右 (b)管No.4&9と管No.3&10の炉幅方向の寿命消費率 16 疲労損傷事例 過熱器管スライドスペーサー溶接部割れ 「原因」 スペーサー金具と管との伸び差で割れが発生，高温使用に伴うCr-Mo側の脱炭による強度低下(クリープ 劣化) と疲労の相乗により損傷 ①管と金物の温度差 ②異材継手の伸び差：管材質がCr-Mo鋼，付着金物がSUS材による線膨張差 上記①，②が起動停止毎に繰返されることで溶接端部に疲労割れが発生 （伸び差） 管及び溶材の線膨張係数とその差 単位：Ｘ10-6/℃ (割れ発生状況） 溶接端部 2.25Cr鋼 D309 SUS321 Ｃｒ-Ｍｏ管 18.9 18.5 13.8 差 4.7 差 0.4 対 策 SUS321 INCONEL 2.25Cr鋼 15.2 18.9 差 1.4 差 3.7 溶金，母材境界-① 13.8 ＩＮＣＯＮＥＬ溶材使用 による継手短管更新 熱膨張係数α α3＞ α２＞α１ 温度｢高」 SUS金物 α３ D309 溶 材 α２ 溶金，母材境界-② α１ 温度｢低」 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. STBA24管（21/4cr-1Mo鋼） 17 ２．損傷の事例と対策 ２－３．腐食損傷 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 18 腐食損傷事例 内面腐食 29% 自家発 外面腐食 71% 内面腐食 12% 事業用 外面腐食 88% Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 【外面腐食】 • 高温酸化： 過熱器管・再熱器管の非加熱部で外面スケールの 剥離による酸化減肉が加速 • 高温腐食： 重油燃焼灰中のバナジウムを含む溶融塩により過 熱器・再熱器が腐食 • 硫化腐食： 硫化水素を含むガスによる還元性雰囲気で火炉壁 が腐食 • 低温腐食： 停缶時等の低温環境下で節炭器や天井管が硫酸 凝縮や雨水侵入により腐食 • 応力腐食（SCC）： 材料がSUS系でベンド部・金具溶接部等の高 応力残留部位に塩素などの腐食媒体が濃縮し進展する腐食 【内面腐食】 • アルカリ腐食： 火炉ホッパ管で経年的に内面スケール中にアル カリ分が濃縮し腐食 • 水素アタック： コンデンサの海水リークによる塩素混入で火炉壁 管下部が窓状に破口 • ドレン腐食： 横置き過熱器が停缶中に滞留したドレンと溶存酸 素により局部腐食（孔食） 19 腐食損傷事例 火炉下部パス硫化腐食 損傷メカニズム 火炉内ＯＡＰ部レベル以下の 還元性雰囲気 1000 炉内側 Fe-S-(O)- (Mo)- (Si) →FeS 外層 スケール Fe-O-S-(Cr)-(Mo) →Fe3O4，FeS 内層 スケール Fe-Cr-Mo 腐食発生部スケール横断面写真 母材側 模式図 外面スケール Si-O↓ H 2 Sお よびSO 2 濃 度(ppm) 経年的な腐食減肉進行 還元性ガスによる腐食 代表的な反応式： H2S+Fe→FeS+H2 2H2S+Fe2O3+H2→2FeS＋3H2O H2S 100 10 観察結果：外面スケールは還元性ガス(H2S)腐食 で見られる硫化物主体で構成 1 0.7 発生原因：還元性雰囲気下の硫化腐食 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 空気比 還元性ガスの生成 (石炭中S分0.8％の場合) 対策：溶射施工，バウンダリエアー（炉壁に沿ってフレッシュ エアーを流す），燃焼調整 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 20 1 腐食損傷事例 アルカリ腐食 〔事象〕 火炉炉底ホッパ部の管頂部が溝状に腐食 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 〔損傷メカニズム〕 〔対策〕 • 定期的な肉厚計測 21 ２．損傷の事例と対策 ２－４．摩耗損傷 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 22 摩耗損傷事例 内面摩耗 15% 自家発 外面摩耗 85% 内面摩耗 32% 事業用 外面磨耗 68% Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 【外面摩耗】 • SB噴射蒸気が燃焼灰を巻き込み摩耗 • ガス偏流により燃焼ガス流速やアッシュ濃度が局 部的に高くなり摩耗 • パネルの揺らぎなどにより管同士もしくは管と隣接 金具が接触し摩耗 • 石炭焚 ボイラの火炉壁，火炉上部伝熱部に成長し たクリンカが落下し炉底が損傷 【内面摩耗】 • 水系統の配管断面形状変化部で内部流体の縮流 によるエロージョンとコロージョンの相互作用で減 肉 （給水配管，節炭器） 23 摩耗損傷事例 スプレ給水管の減肉破口 調査部位の選定 ベンド部 ＆ エルボ部 ｔ γ－Ｒａｙ ｔ 対 応 ①減肉のある配管系のサイズアップ ②エルボ ロングエルボに改善 ボイラ性能改善等による スプレ給水量の増加 レジューサ下流部の流速ＵＰ ベンド部＆エルボ部 エロージョン・コロージョン発生進行 配管サイズをアップすると管内流速が低 減し，エロージョン，コロージョンの進 行を抑制できる 経年的に破口に至る Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 24 ３．予防保全の考え方 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 25 （１）基本的なメンテナンスの考え方 定期保全 (Ex. Every 2 Years) 予防保全 時間計画保 全 (Ex. at intervals of 8×104hrs) 状態監視 保全 保守メンテ ナンス 経時保全 寿命評価が不可欠 緊急保全 事後保全 通常事後保全 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 26 （２）なぜ予防保全が必要か？ 類似ボイラでのトラブル 検査技術・余寿命診断技術 水平展開 不可欠なツール 予防保全 緊急停止リスク の低減 高稼働率の達成 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. メンテナンス計画 の見える化（予算化） 総合的なメンテナ ンス費用の最適化 27 （３）検査実施の効果 100 検査しない場合の 推定余寿命 寿命消費率 検査した場合の 推定余寿命 不確実性 (％) 検査しない場合 検査した場合 評価時点 ０ 検査実施時期 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 運転時間（hrs) 28 （４）ライフサイクルメンテナンス 140 耐力・機能向上 修理 耐力・機能のレベル (運開時のレベルを100とする) 120 事後保全 予防保全 100 80 許容レベル 60 経年劣化 損傷 40 求められるレベル の変化 20 0 0 5 10 運用開始 Copyright © 2013 IHI Corporation All Rights Reserved. 15 運転時間（年） 20 25 30 35 40 45 廃缶 29 ご清聴ありがとうございました
© Copyright 2024 Paperzz
