Введение к работе
1 Ц ^5^
Актуальность темы. Барабаны, гибы необогреваемых труб и коллекторы паровых котлов, внутренняя поверхность которых контактирует с водной средой (питательная или котловая вода, пароводяная смесь, насыщенный пар) являются наиболее опасными элементами паровых котлов. В процессе эксплуатации в них могут развиваться трещины того или иного происхождения.
Трещины щелочной хрупкости (коррозионное растрескивание) ранее были причиной многих разрушений барабанов при работе котлов, в т.ч. и с катастрофическими последствиями. Причины появления этих трещин были выявлены и в основном устранены в результате американских, немецких и отечественных (В.Н.Ноев и др.) исследований в тридцатые - сороковые годы XX в. В настоящее время такой тип повреждений металла барабанов на тепловых электростанциях встречается редко.
В 60-е годы на электростанциях СССР выявились массовые повреждения барабанов котлов высокого давления в виде коррозионно-усталостных трещин (далее - «типичных») у трубных отверстий, с тех пор они обнаруживаются регулярно.
При бесконтрольном развитии трещины в барабанах могут достигнуть размеров, превышающих критические - если не для рабочей температуры, при которой критические размеры достаточно велики, то для комнатной - и привести к полному разрушению барабана при гидроиспытании (что подтверждается зарубежной и отечественной практикой).
Трещины коррозионно-усталостного происхождения, развивающиеся в нейтральной зоне гибов необогреваемых котельных труб, были основной причиной их разрушений, произошедших на электростанциях. Эти разрушения гибов во время работы котла обычно сопровождаются большим выбросом среды, что обуславливает их особую опасность.
Коллекторы экранов и экономайзеров паровых котлов в процессе эксплуатации могут поражаться трещинами у трубных отверстий (аналогично повреждениям барабанов), что может порождать серьезные проблемы в связи с сложностью своевременного их обнаружения и мониторинга.
!ЦЧУЄЛЯЛНЖРНАЛЬНАЯ I
БИБЛИОТЕКА |
і WD Ж/ТІ \
С целью выяснения причин и предотвращения повреждений барабанов котлов высокого давления в 60-70-е годы в СССР был выполнен беспрецедентный объем исследований, в которых участвовали ведущие отраслевые НИИ и наладочные организации (ЦКТИ, ЦНИИТМАШ, ВТИ, УралВТИ, ОРГ-РЭС и его региональные отделения), заводы-изготовители, службы металлов энергосистем и др. Ряд важных исследований в этом плане был выполнен и в ФРГ, где повреждения барабанов у трубных отверстий также имели массовый характер. Исследования охватывали различные стороны известной триады (материал - напряжение - среда), определяющей надежность работы конструкций: усталостные характеристики материала и качество изготовления, напряженно-деформированное состояние в зоне трубных отверстий при различных эксплуатационных нагрузках, воднохимический режим котла и режимы
, оэ
пусков и остановов, механизм воздействия среды на
В соответствии с результатами выполненных исследований толщина стенки барабанов, изготавливаемых для котлов с рабочим давлением 14 МПа, с 1973 г. была увеличена до 105 и затем до 115 мм, а внутренний диаметр снижен с 1800 (барабаны котлов ТКЗ) до 1600 мм. На заводах был реализован комплекс мероприятий по повышению качества барабанов, охватывающий всю технологическую цепочку, начиная с выплавки стали. В отраслевой нормативно-технической документации был введен весьма обременительный для электростанций регулярный (вначале - с периодичностью один - два года) дефектоскопический контроль металла барабанов в зоне трубной решетки, регламентированы ремонтные процедуры в случаях обнаружения трещин, а также скорректированы некоторые показатели воднохимического режима и режима растопок и остановов котлов.
Осуществленные мероприятия снизили остроту ситуации с барабанами в отрасли, однако обеспечение их безопасной работы по-прежнему требует постоянных усилий. Около половины находящихся в настоящее время в эксплуатации барабанов изготовлены до 1973 г. Снижение уровня рабочих напряжений в барабанах из стали 16ГНМ и 16ГНМА за счет увеличения толщины стенки и уменьшения диаметра, хотя и существенно снизило их повреждаемость, но полностью не устранило ее.
Большой объем исследований был выполнен и в связи с резко возросшим в начале 70-х годов количеством разрушений гибов необогреваемых котельных труб (работы В.А.Нахалова, Б.В.Зверькова, И.А.Данюшевского, Р.З.Шрона, И.И.Минц, Ю.Ю.Штромберга, Р.Е.Бараза, О.Г.Салашенко, Р.К.Гронского, А.В.Станюковича и др.). В соответствии с результатами исследований в качестве меры предупреждения этих разрушений, наряду с регулярным дефектоскопическим контролем, была рекомендована планомерная замена гибов на более толстостенные. Такая замена в предписанные отраслевыми директивными документами сроки оказалась нереальной из-за большого ее объема (около полутора миллионов гибов), и большое количество «тонкостенных» гибов остается в эксплуатации до сих пор. Кроме того, в «толстостенных» гибах в последнее время также начали выявляться трещины в нейтральной зоне.
В силу вышеизложенного необходимо постоянное углубление знаний о процессах появления и развития типичных трещин в рассматриваемых объектах в части ликвидации оставшихся пробелов и для корректировки принятых ранее положений, не подтвержденных практикой, а также совершенствование контрольно-диагностических процедур. Это особенно важно для суждения об остаточном ресурсе элементов при наличии в них дефектов (т.е. на стадии живучести).
Целью работы является разработка научных основ обеспечения надежной работы находящихся в эксплуатации необогреваемых элементов котлов (барабанов, гибов трубопроводов, транспортирующих водную среду, коллекторов экранов и экономайзеров).
Научная новизна работы выражена в том, что впервые:
получены аналитические и численные решения задач нестационарной теплопроводности и упругости применительно к характерным режимам работы металла в зоне трубных отверстий барабанов котлов;
осуществлены испытания на коррозионную усталость с воспроизведением характерных признаков повреждений необогреваемых элементов котлов и выявлен механизм появления трещин в реальных условиях эксплуатации;
исследована зависимость сопротивляемости гибов коррозионной усталости от конструктивных и эксплуатационных факторов и показал экстремальный характер этой зависимости от рабочих параметров;
показана возможность оценки вклада коррозионного и механического (усталостного) факторов в развитие типичных трещин путем анализа их профиля, зафиксированного при металлографическом исследовании;
выявлены различными методами (стендовые испытания, физический и статистический анализ случаев повреждений, прямые наблюдения за неудаленными дефектами) основные этапы развития типичных трещин;
для определения скорости роста типичных трещин в гибах необогреваемых труб данного назначения на всех его этапах предложен параметр, включающий наряду с числом циклов и средней частотой нагружения котла напряжение и позволяющий обойтись без идеализированных расчетных схем и сложных аналитических процедур механики разрушения;
разработаны методики прогнозирования развития типичных трещин в гибах данного котла и определения их остаточного ресурса на базе информации о глубине дефектов, выявленных при хотя бы одной проверке за истекший период эксплуатации;
разработаны математические модели выборочного контроля гибов необогреваемых котельных труб и барабанов, позволяющие оптимизировать его объем с учетом чувствительности методов и средств дефектоскопии, интенсивности развития и степени опасности трещин, подлежащих выявлению.
Практическая значимость работы выражена в том, что ее результаты использовались для решения различных вопросов, возникавших по барабанам, гибам необогревваемых труб котлов и трубопроводов с рабочей температурой до 450С, коллекторов экранов и экономайзеров, на которых в процессе эксплуатации обнаруживались дефекты коррозионно-усталостного происхождения (возможность и сроки эксплуатации, способы ремонта и контроля и др.) на Ириклинской, Кармановской, Черепетской, Василевической, Ангренской, Томь-Усинской ГРЭС, ГРЭС-8, Ленэнерго, Северодонецкой, Сормовской ТЭЦ и многих других ТЭС.
Результаты исследований автора отражены и в отраслевых нормативно-технических документах, регламентирующих систему эксплуатационного контроля (методы, периодичность, объем, парковый или установленный ресурс и др.) необогреваемых элементов котлов и трубопроводов с рабочей температурой до 450С: РД 10-262-98, РД 34.17.442-96, П 34-70-005-85, РД 153-34.0-17.464-00, и др.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются:
комплексным подходом к изучению поставленных вопросов, включающим теоретические исследования, лабораторные (стендовые) испытания, промышленные эксперименты в течение длительных периодов эксплуатации;
сходимостью результатов, полученных различными методами;
положительными итогами опробования выводов на действующем оборудовании;
Автор защищает:
результаты аналитических и численных решений задач нестационарной теплопроводности и термоупругости для определения температурных напряжений у трубных отверстий барабанов при заполнении, пусках и остановах;
результаты испытаний на термо- и коррозионную усталость, воспроизводящих характерные признаки типичных трещин в необогреваемых элементах котлов;
параметрическую форму представления результатов испытаний на коррозионную усталость и трещиностойкость;
методику оценки вклада коррозионного и силового факторов в развитие типичных трещин по данным металлографического анализа;
методику оценки агрессивности котловой воды при действии ее на высоконапряженные участки поверхности металла;
результаты исследований различными способами кинетики развития типичных трещин в барабанах и гибах необогреваемых труб;
способ прогнозирования развития типичных трещин в гибах необогреваемых труб по результатам их однократного диагностирования;
способ оценки вероятного типа предельного состояния гибов необогреваемых труб в зависимости от внешних факторов;
математические модели выборочного контроля металла барабанов и гибов необогреваемых труб, обеспечивающие его оптимизацию
Диссертационная работа является систематизацией и совершенствованием результатов 30-летних исследований, проводившихся по инициативе и под руководством автора.
Конкретное личное участие автора в решении проблемы заключается:
в аналитических и численных (совместно с Л.И.Урбановичем) решениях задач нестационарной теплопроводности и упругости и в термометрировании барабанов при пусках и остановах котлов с целью определения напряжений в зоне трубной решетки барабанов, вызываемых температурной неравномерностью по периметру, толщине стенки и вдоль радиуса трубных отверстий барабана;
в разработке методики оценки относительного вклада коррозионного и силового факторов в развитие типичных трещин в необогреваемых элементах котлов по результатам металлографического анализа;
в разработке методики оценки агрессивности котловой воды при действии ее на металл в зоне концентрации напряжений по параметрам анодно-поляризационных кривых (совместно с СГ.Салашенко и ГЛВ.Кузнецовой) и
исследовании зависимости повреждаемости гибов необогреваемых котельных труб от указанных параметров;
в анализе статистических данных по влиянию показателей воднохимиче-ского режима котлов электростанций на состояние гибов необогреваемых труб и барабанов;
в обосновании параметрических зависимостей коррозионной усталости и трещиностойкости;
в создании способа получения информации об интенсивности развития трещин в исследуемых объектах по статистическим функциям их распределения (без использования временной координаты);
в разработке способов построения графиков роста трещин в гибах заданной совокупности и определения их остаточного ресурса по результатам однократного измерения глубины трещин в выборке ограниченного объема;
в организации и проведении (совместно с В.П.Федотовым и Б.И.Волковым) промышленного эксперимента по наблюдению за развитием неудаленных трещин в барабанах котлов высокого давления в течение длительных периодов эксплуатации;
в разработке математических моделей выборочного контроля металла барабанов и гибов необогреваемых труб и алгоритмов определения оптимальных их объемов;
в подготовке предложений в отраслевые нормативно-технические документы.
Апробация результатов исследований Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом семинаре «Рациональные методы контроля, обеспечивающие надежность работы металла энергооборудования (Москва, ВДНХ, 1978); Всесоюзном симпозиуме «Технология ремонта барабанов и корпусных деталей турбин» (Иркутск, Минэнерго СССР, 1979); Всесоюзном совещании «Система контроля и оценка надежности и долговечности металла в энергоустановках» (Москва, Союзтехэнерго, 1981); Всесоюзном научно-техническом совещании «Повышение надежности сварных соединений оборудования электростанций» (Москва, Союзтехэнерго, 1982); Всесоюзном научно-техническом совещании «Состояние и пути развития средств технической диагностики тепломеханического оборудования (Москва, ВДНХ, 1982); Республиканских научно-технических конференциях по совершенствованию диагностики оборудования электростанций (Киев, 1984 и 1985); Советско-английском симпозиуме «Определение ресурса энергооборудования» (Брикет-Вуд, 1987); Республиканском научно-техническом совещании «Повышение надежности и долговечности металла энергооборудования ТЭС» (Горловка, Минэнерго УССР, 1990); Техническом совещании ведущих металловедов стран СНГ и США «Определение остаточного ресурса металла тепломеханического оборудования тепловых электростанций» (Москва, ОРГРЭС,1994);идр.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 57 работах, защищены пятью авторскими свидетельствами и отражены в семи отраслевых нормативно-технических документах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 383 наименования и трех приложений. Изложена на 267 страницах и содержит 99 рисунков и 8 таблиц.
