Введение к работе
Актуальность темы. Металл котельного оборудования тепловых электростанций эксплуатируется при высоких температурах и напряжениях, а также под воздействием коррозионно-активных сред. В этих условиях в металле происходят изменения вследствие накопления внутренних и внешних повреждений, обусловленные характером эксплуатации. Основной причиной (60-70 %) вынужденных остановов котлов являются повреждения поверхностей нагрева, которые вызваны как эксплуатационными, так и технологическими факторами, а также их совместным воздействием.
Значительный вклад в исследование причин повреждений и прогнозирование ресурса металла энергооборудования внесен такими российскими учеными, как Минц И.И., Березина Т.Г., Смирнов А.Н., Антикайн П.А., Бугай Н.В., Хромченко Ф.А., Гофман Ю.М., Шрон Р.З, Отс А.А., Куманин В.И., Калугин Р.Н. и др. Однако комплексный подход, который определял бы последовательность действий к анализу повреждений различного характера, зависящих от условий эксплуатации, в настоящее время отсутствует. Анализ структуры и поверхности разрушения позволяет получить надежную информацию о механизмах повреждаемости, которые привели к отказу. Это означает, что разработка классификации повреждений во взаимосвязи со структурными и фрактографическими особенности металла разрушенной трубы и подхода к выявлению условий эксплуатации, приведших к отказу, в настоящее время является актуальной проблемой.
Не менее важным остается вопрос прогнозирования долговечности пароперегревателей, так как многие агрегаты уже отработали расчетный срок. В настоящее время имеется ряд методик расчета остаточного ресурса, однако все они основаны на знании так называемой эквивалентной температуры эксплуатации (Тэкв), под которой понимают среднюю температуру за весь период работы труб. От точности определения Тэкв во многом зависит достоверность прогнозирования времени до разрушения по критерию длительной прочности. Существующие методы определения Тэкв, отраженные в нормативных документах, нуждаются в совершенствовании, так как предусматривают лишь качественную оценку структурных изменений, происходящих в металле в условиях ползучести.
Цель исследования - изучение влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на повреждаемость металла котельных труб для разработки подхода к анализу причин повреждений и прогнозирования их работоспособности.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
- оценка влияния условий эксплуатации на характер и структурно-механические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ;
исследование механизмов повреждаемости, связанных с высокотемпературной коррозией поверхностей труб, и выявление факторов, влияющих на развитие процесса;
разработка подхода к оценке фактического состояния
пароперегревательных труб для выявления причин их повреждений;
- совершенствование методов определения эквивалентной температуры
эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе структурных
изменений, вызванных старением и ползучестью.
Объектами исследования являлись котельные трубы из стали 12Х1МФ после эксплуатации в различных условиях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронно-микроскопический методы анализа. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных и натурных образцах в лабораторных и эксплуатационных условиях соответственно. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
- оценка влияния механизма разрушения на характер изменения тонкой
структуры и микронапряжений при удалении от зоны разрушения
пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ;
- установленный механизм взаимодействия металла с атмосферой
топочных газов, основанный на диффузионных уравнениях, описывающих
многокомпонентный процесс образования окалины;
- классификация повреждений пароперегревателей из стали 12Х1МФ во
взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими
особенностями разрушения, основанная на оценке характера и геометрических
характеристик разрушенных труб, их структуры и микроповреждаемости, а
также изменения твердости.
Практическая значимость:
- усовершенствован метод определения эквивалентной температуры
эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, отличающийся
применением количественной металлографии и проведением дюрометрических
испытаний металла труб, позволивший повысить достоверность
прогнозирования их остаточного ресурса;
- предложен алгоритм выявления причин разрушений пароперегревателей
из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных
особенностях повреждений, позволивший выработать рекомендации по
предупреждению возникновения аналогичных отказов.
Результаты исследований, представленные в работе, использованы:
для оценки остаточного ресурса и выявления причин повреждений поверхностей нагрева из стали 12Х1МФ энергетических котлов специалистами ОАО «Инженерный центр» (г. Оренбург);
в учебном процессе Орского гуманитарно-технологического института (ОГТИ).
Достоверность результатов, основных положений и выводов обеспечивается корректностью постановки задач, проведением экспериментов с использованием современных методов исследования, обработкой полученных результатов с использованием современных прикладных программ
(STATISTICA 6.0, Tixomet Pro), а также подтверждением результатов исследований практическим опытом эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на V всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008 г.); международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2008 г.); XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009 г.); 48-ой международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009 г.); VI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010 г.), итоговых научно - практических конференциях аспирантов, преподавателей и студентов ОГТИ (Орск, 2007...2010 г.г.).
Личное участие автора состоит в постановке и реализации задач данной работы, проведении экспериментов и математической обработке результатов, что подтверждено публикациями, а также в разработке рекомендаций по повышению работоспособности пароперегревателей из стали 12Х1МФ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 13 статей, 3 из которых - в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 206 страниц, из них 172 страницы основного текста и 33 страницы приложений. Работа включает 80 рисунков, 21 таблицу и 130 наименований использованных источников.
