Испытания труб промышленных и отопительных котлов для определения работоспособности с применением рентгеновского метода

Основой теплоиспользующих мощностей в России являются промышленные установки огневой промышленной теплотехники, огнетехнические агрегаты, котлы-утилизаторы и устройства испарительного охлаждения, рекуперативные теплообменные аппараты, выпарные, ректификационные и сушильные установки химической и пищевой промышленности, трансформаторы тепла и холодильные установки, а также теплогенерирующие мощности на промышленных и отопительных котельных, которые наряду с конденсационными тепловыми электрическими станциями и теплоэлектроцентралями промышленных предприятий являются объектами повышенной: технической и экологической опасности, подконтрольными службам Госгортехнадзора России в соответствии с законом, РФ «Опромышленной безопасности опасных производственных объектов». В настоящее время ситуация в энерготехнологическом производстве оценивается как критическая из-за физического и морального износа оборудования, в большинстве случаев выработавшего свой расчетный ресурс и близкого к исчерпанию паркового ресурса. Отмечается [1,2], что по некоторым расчетам в этой связи уже к 2005 г. произойдут ограничения потребителей по потребляемым энергоресурсам и что техническое перевооружение отрасли в столь короткий срок физически невозможно.

Поэтому в данной ситуации видится путь продления срока службы оборудования путем замены отдельных элементов, снижением параметров пара и проведениемвосстановительной термической обработки основных элементов теплотехнического оборудования, что, в свою очередь, потребует надежной диагностики и научно обоснованной оценки фактического состояния металла. В качестве диагностических методов контроля рекомендуются неразрушающие методы МПД, УЗК, ТК, АЭ.

Проблема продления срока службы оборудования в связи с его прогрессирующим износом встает как для объектов малой энергетики, так и трубопроводного нефтеи газотранспорта, водяных и тепловых сетей [3].

Говоря о моральном износе оборудования [4], высказываются сомнения о дальнейшей возможности применения сталей перлитного класса и о необходимости их замены более надежными в эксплуатации коррозионно-стойкими и жаропрочными хромистыми сталями: 10Х9МФБ-Ш (Ди 82-Ш), 10Х13Г12С2Н2Д2Б (Ди-59), включенными в «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» и проходящими аттестационные и натурные испытания в котлах и трубопроводах. Надежности и ресурсу металла придается в настоящее время огромное значение вплоть до пересмотра технических условии на все виды труб. В этой связи при разработке данных технических условий выявлен ряд постановочных задач: оценка качества поверхности труб, допустимых и недопустимых дефектов и их идентификация. Отмечается, что вплоть до настоящего времени оценка качества поверхности труб остается весьма субъективной, вследствие чего при входном контроле на промышленных предприятиях и котельных заводах обнаруживаются недопустимые дефекты. Все эти обстоятельства свидетельствуют, возможно, не столько о низкой эксплуатационной1 надежности перлитных сталей, сколько о технологических трубных дефектах, которые будут развиваться в процессе эксплуатации стали и приводить к разрушению элементов, конструкций. Тем более актуальней звучит настоятельная необходимость «разработки нормг количественной оценки или эталонов по каждому виду допускаемых поверхностных дефектов, для чего нужна организация специализированных исследований с проведением соответствующих аттестационных испытаний» [5]. Бесспорно, вопросы надежной диагностики состояния металла приобретают особое значение в условиях, когда старение оборудования становится одной из проблем отечественной промышленности [5]- отмечается, что к 2005 г. назначенный ресурс энерготехнологических установокбудет исчерпан на всех действующих в настоящее время предприятиях, а парковый ресурс, который в среднем в два — три раза превышает проектный, исчерпают уже 50% производственных мощностей. Основным направлением реновации теплосилового оборудования [5] является в первую очередь, — продление ресурса< и во вторую — техническое перевооружение. Проблема увеличения срока эксплуатации [5] стоит уже более 25 лет и за это время наработаны только определенные подходы к продлению срока службы оборудования' так что вопросы стратегии продления ресурса связаны, в первую очередь, с диагностикой фактического состояния металла. Прогноз срока эксплуатации теплосиловогои энерготехнологического оборудования устанавливался директивно в 100 000 часов. Проведенные диагностические обследования устаревшего энерготехнологического оборудования показали, — что свойства сталей при наработках свыше 100 000 часов существенно не ухудшаются, что оправдывает технические решенияна двух-трех кратное продление срокаэксплуатации по РД 10−262−98 и РД 153−34.1−17.421−98. Основой продления ресурса является восстановительная термическая обработка металлов, снятие поврежденного поверхностного слоя металла В: зонах концентрации напряжений, при этом исследуются^ структура и свойства, накопленная повреждаемость, проводится' дефектоскопический контроль, расчетная оценка напряженного состояния и остаточного срока службы. Такой путь реновации, закладывает моральное отставание, приводит к повышению цен и тарифов, но очевидно, что разумные призывы увязывать продление ресурса с техническим перевооружением при сохраняющемся сокращениикапиталовложений в отрасль реализованы быть не могут.

Поэтому задачи, диагностики фактического состояния металла, его склонности к разрушениям, диагностика остаточного, а также длительного ресурса, оценка напряженных состояний теплосиловых и транспортных трубопроводов приобретают в настоящее время особенную актуальность.

Действующие в настоящее время методики обследования металла энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаясь надежностью и-достоверностью, позволяют предприятиям и организациям продлевать ресурс сверх расчетного и паркового значения, создавая предпосылки для массовых технологических отказов. Имеющиеся недостатки в определении структурно-напряженного состояния металла энерготехнологического оборудования порождают некорректные оценки выработанного и остаточного ресурса.

В условиях длительной эксплуатации при температурныхвоздействиях микроструктура металла теплоэнергетического оборудования изменяется в сторону упрочнения ш утраты пластичности. В нелегированных сталях происходит процесс графитизации, а в низколегированных сталях наблюдается" распад перлита или бейнита, в высоколегированных аустенитных сталях отмечаетсявыделение карбидов. Подобные изменения микроструктуры сталей происходят в областях термическоговлияния сварных соединений.

Эксплуатация оборудования при повышенных температурах и давлениях сопровождается > ползучестью, вследствие чего в микроструктуре металла появляются микротрещины, которые постепенно сливаются в макротрещины, перерастающие со временем-в микропоры. Все это ухудшает прочностные свойства металла и может привести к внезапным хрупким? аварийным разрушениям. В связи с этим эксплуатация теплоэнергетического оборудования возможна только при жесткой технической! диагностике, непременной составляющей которой является контроль микроструктуры.

Целью настоящей работы является установление характера изменениям структурно-напряженного состояния трубной котельной стали под влиянием: механических циклических нагрузок с экспериментальным' выявлением диагностических признаков разупрочнения для оценки текущего состояния и определения режима и параметров обследования трубопроводов котельных установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Причины разрушения трубных энергетических сталей, в особенности внезапные хрупкие разрушения, проявляющиеся как следствие межкристаллитной и транскристаллитной коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением, повреждаемости порами ползучести и графитизации, изучаются в течение многих лет специализированными организациями и привлекают к себе внимание теплоэнергетиков в последние десятилетия, т.к. решение проблемы направлено на обеспечение прочности, долговечности, эксплуатационной надежности, безопасности и экономичности эксплуатации энергоустановок. Большое количество коррозионных повреждений трубных пучков в теплоиспользующих аппаратах в технологических и котельных установках представляется самой крупной проблемой промышленной теплоэнергетики, т.к. повреждение даже одной трубы теплообменника приводит к остановке агрегата и вызывает экономические потери в результате простоя технологической цепочки. Например, по среднестатистическим данным, в энергетике в течение одного десятилетия устраняется более 30 000 отказов по всему тракту котлов — в экономайзерах, экранных трубах, пароперегревателях, промежуточных пароперегревателях. В отечественной теплоэнергетике проблема обостряется тем, что «к 2000 г. около 70% энергоустановок исчерпало свой назначенный (проектный) ресурс (100 тыс. ч). На период до 2005 г. проектный ресурс будет исчерпан на всех действующих в настоящее время электростанциях. Более того, в 1998 г. около 40% энергоустановок. выработали и парковый ресурс, который в среднем в 2 раза превышает проектный, а к 2005 г. парковый ресурс уже исчерпают около 50% энергоустановок. При этом в последнее десятилетие объем капитальных вложений в электроэнергетический комплекс снизился в 3 раза» [5]. Так что обсуждаемая проблема связана с выработкой подходов продления сроков службы, действующего оборудования, которое работает на разных стадиях исчерпания физических возможностей металла, что требует надежной диагностики текущего состояния и остаточного ресурса.

Несмотря на огромный накопленный экспериментальный опыт в исследованиях структуры металла как основы диагностики отмеченные аспекты проблемы требуют дальнейшего разрешения. Такое положение связано с применением традиционных методов исследования, отсутствием единого взгляда на механизмы протекания разного рода разрушений, в особенности хрупких, и базового структурного признака разрушения и накопления повреждаемости.

В настоящей работе в качестве базового применен хорошо зарекомендовавший себя в материаловедении метод рентгеновской дифракции, но не являющийся традиционным методом применительно к исследованиям структуры сталей и сплавов. Метод не только позволяет «наблюдать» структуру металла непосредственно, но и устраняет недостатки прочих методов, связанных с искажением поверхности исследуемых образцов шлифованием, травлением, изготовлением реплик и т. д.

Выполненные экспериментальные исследования и анализ их результатов позволяют рекомендовать:

— использование методов рентгеноструктурного анализа для диагностики трубных изделий в дополнение к традиционным методам испытаний;

— сертификацию труб по значению внутренних напряжений как характеристики материала, объективно отражающей его механические свойства;

— назначение параметров опрессовок и термомеханических испытаний труб с учетом внутренних структурных напряжений.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. Модель структурного блока стенки трубы в виде сферического поликристаллического зерна, растягиваемого силами поверхностного натяжения аморфизированной матрицы, предложенная по итогам обобщения современных преставлений о строении металла и его связи с прочностными и коррозионными свойствами, позволяет в сочетании с методами рентгеноструктурного анализа оценить величину внутренних напряжений.

2. На основе модели структурного блока стенки трубы разработана методика расчетно-экспериментального определения давления опрессовки труб, которая учитывает влияние внутренних напряжений на микроповреждаемость зерна как предпосылку коррозионных процессов.

3. Экспериментальная кривая зависимости внутренних напряжений от плотности дислокаций в стенках стальных труб подтверждает гипотезу Одинга и количественно характеризует взаимосвязь сопротивления деформированию с плотностью структурных дефектов.

4. Трубная сталь в состоянии поставки обладает существенной неоднородностью внутренних напряжений, что может приводить к разрушению металла в областях локальных концентраций напряжений при внешней термической или механической нагрузке.

5. Экспериментальная кривая зависимости внутренних напряжений в металле от плотности дислокаций, полученная при циклическом холодном деформировании, позволяет установить: а) локальные прочностные характеристики металла стенок труб: временное сопротивление разрушению ав, условный предел текучести ао, 2, допускаемое предельное напряжение адопб) условия релаксации металла стенок труб при внешнем нагружении по значению исходного внутреннего напряжения.

6. Показано, что по релаксированным остаточным внутренним напряжениям возможно расчетное прогнозирование поведения материала трубы в условиях внешнего термического или механического нагружения.

7. Рентгенометрические критерии структурного трещинообразования, устанавливаемые для образцов труб расчетно по экспериментальным данным как следствие релаксации внутренних напряжений, являются основой прогнозирования работоспособности труб и выработки мероприятий по ее продлению при эксплуатации.