автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Экспериментальное исследование термомеханических факторов работоспособности труб пароперегревателя

На правах рукописи

Ташлыков Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

05 14 14 — Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2007

003162370

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский политехнический университет"

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Заворин А С

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Басин Анатолий Сергеевич, Институт теплофизики СО РАН (г Новосибирск),

кандидат технических наук, доцент Федецкий Иван Иванович, ООО «Сибтерм» (г Томск)

Ведущая организация ФГУП «Сибирский химический комбинат» (г Северск)

Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212 269 04 в Томском политехническом университете по адресу 634050, г Томск, пр Ленина, 30, корпус 4, ауд. 406

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО "Томский политехнический университет"

Автореферат разослан «/Ху> октября 2007 г.

Ученый секретарь ___

диссертационного рпггта^*~ А С Заворин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В российской энергетике растет количество объектов, исчерпавших свой проектный, а в большинстве случаев и парковый ресурс Считается, что используемые в пароперегревателях (ПП) трубы из сталей 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и др плохо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации в связи с низкой прокаливаемостью по глубине, склонностью к межкристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям Поэтому в процессе реновации оборудования тепловых электрических станций предлагается заменить для ПП трубные стали старого поколения на более перспективные материалы, например, на сталь Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которая в настоящее время проходит массовые испытания на ряде электростанций России и стран СНГ Помимо внедрения новых материалов актуальны вопросы продления срока службы уже эксплуатируемого оборудования, а также прогнозирования длительного и остаточного ресурса В этой связи чрезвычайно важной является задача исследования трубных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклического и механоциклического воздействия

В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопроводах, резервуарах, стальных конструкциях и т п Известные методики обследования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаются надежностью и достоверностью.

Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности оценки текущего состояния и прогнозов остаточного ресурса поверхностей нагрева вынуждают проводить дальнейшие исследования влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойства трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, с введением иных критериев оценки состояния материалов ответственных конструкций и узлов Одним из таких критериев можно считать внутренние структурные напряжения Анализ их функциональных зависимостей от условий эксплуатации отдельных трубных элементов предоставляет возможности для оперативного повышения надежности тепломеханического оборудования в целом

Таким образом, актуальность темы обосновывается состоянием основных энергетических мощностей, необходимостью продления остаточного ресурса труб энергетических котлов и соответственной диагностики их текущего физического состояния, задачами грядущего перевооружения отрасли, среди которых выделена замена стали труб ПП на более перспективную Тема диссертации соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетиче-

/ 8

ских объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ («Энергетика и энергосбережение»)

Цель работы: установление характеристик структурно-напряженного состояния стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) и оценка их влияния на работоспособность элементов пароперегревателей Основные задачи исследования:

1) установление зависимости внутренних структурных напряжений от температуры и выявление характера изменения структурно-напряженного состояния при изменяющихся термических и механических нагрузках,

2) определение критериев склонности к трещинообразованию и роста структурной трещины в процессе механоциклического пластического деформирования стенки трубы,

3) установление температурной зависимости коэффициентов теплового расширения кристаллических решеток стенки трубы,

Научная новизна полученных результатов:

1) впервые получены экспериментальные данные, характеризующие изменения внутренних структурных напряжений при циклических термических и механических воздействиях на стенку трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш),

2) экспериментальным путем с применением методики механического циклического нагружения по уширению линий рентгеновской дифракции определены базовые характеристики прочности и пластичности (ов, с0 2),

3) установлены аномальные скачкообразные изменения коэффициента линейных термических расширений кристаллических решеток для стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш)

Практическая значимость работы:

1) полученные зависимости внутренних структурных напряжений от температуры и внешнего механоциклического воздействия позволяют устанавливать безопасный диапазон температур эксплуатации, текущее физическое состояние, а также область применения и осуществлять подбор совместимых материалов для трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш);

2) предложенные критерии склонности к трещинообразованию и условия роста структурной трещины могут быть использованы для разработки технических мероприятий по продлению ресурса труб

Материалы исследования используются для входного контроля трубной продукции в ЗАО «Росналадка» (г Бийск), для диагностики труб поверхностей нагрева в ходе экспертизы опасных производственных объектов в РИКЦ «Котлонадзор» (г Новосибирск), а также в учебном процессе по специальностям «Тепловые электрические станции», «Котло- и реакторострое-ние» в Томском политехническом университете

Достоверность результатов обеспечивается применением прецизионных методов исследования, апробированных методик обработки экспериментальных результатов и анализом погрешностей эксперимента, сравнением с

аналогичными исследованиями для широко используемых в энергетике марок стали (Ст 10, Ст 20, 12Х1МФ) На защиту выносятся:

1) результаты экспериментальных исследований внутренних структурных напряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при термических циклических нагружениях,

2) результаты экспериментальных исследований внутренних структурных напряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при меха-ничесих циклических нагружениях,

3) обоснование критериев диагностики текущего физического состояния и прогнозирования работоспособности материала труб для пароперегревателя из перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш)

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IV, V Всероссийском студенческом научно-практическом семинарах «Энергетика экология, надежность, безопасность» (г Томск, 2002, 2003 г.г ), VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика экология, надежность, безопасность» (г Томск, 2002, 2003 г г), IX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г Томск, 2003 г ), III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г Барнаул, 2003 г), на научных семинарах кафедры парогенераторостроения и парогенераторных установок Томского политехнического университета (2002-2007 г г )

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, среди которых 3 статьи в рецензируемом издании (список ВАК)

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 4 приложений и списка литературы (66 наименований) Работа содержит 175 страниц, 25 таблиц и 29 рисунков

Личное участие автора. Автором самостоятельно определены цели исследования и развиты методические положения экспериментальных исследований Автор непосредственно участвовал в циклических температурных и механических испытаниях, в обработке экспериментальных результатов, а также провел анализ полученных результатов и сформулировал выводы В обсуждении экспериментальных результатов и выводов принимали участие к т н А А Макеев, к т.н JIЛ Любимова

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится анализ состояния российской энергетики в аспекте темы диссертационной работы и обосновывается актуальность проблемы продления работоспособности труб в условиях термической и механической усталости металла Обосновывается выбор изделия из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) как объекта исследования

В первой главе приведены сведения об основных видах повреждаемости труб поверхностей нагрева, дается обзор основных гипотез коррозионного растрескивания и сведений о влиянии микроструктурных характеристик на коррозионные и прочностные свойства сталей, включая существующие представления о механизме хрупких разрушений Охарактеризованы основные физические методы исследований структуры и свойств вещества

Показано, что имеющиеся результаты не дают целостной картины протекания всех видов усталостных явлений, не устанавливают надежно диагностические структурные признаки, провоцирующие, например, межкристал-литную коррозию, транскристаллитную коррозию, коррозионное растрескивание под напряжением. Соответственно не выработаны показатели для надежного прогнозирования поведения трубного изделия под различными эксплуатационными воздействиями. Показано, что вопросам диагностики напряженного состояния стали в части определении критериев разрушения не уделяется особого внимания. Вместе с тем из обзора следует, что прочностные свойства связываются с высокими уровнями внутренних остаточных напряжений Следовательно, информация об изменениях напряженного состояния должна быть предметом научных исследований, основой прогнозирования и определения режимов длительной эксплуатации. Обзором установлено, что применяемые методы анализа микроструктуры относятся к разрушающим и что в арсенале используемых средств не получил должного распространения метод высокотемпературной рентгенографии На основании обзора литературы по проблемам долговечности, работоспособности и термической усталости сформулированы цель и задачи исследований, обоснован выбор рентгеновского метода для определения структурных изменений

Во второй главе представлена методика исследования, включающая циклические механические и термические испытания образцов пароперегре-вательной трубы, сопровождаемые регистрацией структурных изменений с применением метода рентгенографии и высокотемпературной рентгенометрии, дано описание техники эксперимента.

Методика термических испытаний заключалась в организации форсированного искусственного старения образца трубы методом термоциклирова-ния

Термоциклические испытания проведены при давлении -1,3 10"3 Па с целью исключения окислительных реакций Использовался образец, изготовленный из прямого участка трубы в виде шлифа размером 15*20x3 мм Образец испытывался на рентгеновском аппарате Дрон-0,5 с применением высокотемпературной дифрактометрической установки УВД-2000 и рентгеновской трубки с молибденовым анодом и длиной волны Х.каср=0,710б9 А Использование жесткого молибденового излучения позволяло осуществлять сканирование образца в широком диапазоне углов дифракции, обеспечивало получение дифракционной картины не только от поверхностных слоев образ-

ца, но и от объема и увеличивало точность определения параметра элементарной ячейки

Сущность выполнения термоциклирования состояла в следующем При достижении вакуума в рабочем объеме высокотемпературной дифрактомет-рической приставки производился подъем температуры от 12 °С (температура охлаждающей воды) до температуры испытаний Диапазон температур испытаний в одном макроцикле составлял от 12 до 700 °С с шагом подъема температуры в каждом составляющем его микроцикле порядка 30 .100°С при длительности микроцикла 24 ч При рабочей температуре испытаний после достижения стационарного температурного состояния в микроцикле осуществлялось рентгенографирование образца В дальнейшем образец, испытываемый под термической нагрузкой, называется «горячим» После рентгеносъемки «горячего» образца установка расхолаживалась до температуры охлаждающей воды и осуществлялась рентгеносъемка «холодного» образца Всего было выполнено 3 макроцикла. Второй макроцикл заканчивался аусте-низацией стали с последующим у —> а переходом

В результате реализации термоциклирования и рентгенодиагностики устанавливались следующие характеристики агор и ахол — параметр элементарной ячейки для «горячего» и «холодного» образца в зависимости от температуры, а - мгновенный коэффициент линейных термических расширений кристаллической решетки, аь аи — внутренние структурные напряжения первого и второго рода в зависимости от температуры по ниже приведенным выражениям

а, - а,_! 1 а = '-~-----

К "^хоп

где а, - параметр элементарной ячейки при температуре а,_1 - параметр элементарной ячейки холодного металла предыдущего термоцикла, ^ - всегда 12 °С (температура охлаждающей воды), ^ - рабочая температура микроцикла

ст^^^-Е, (1)

а1+1

где а1+1 - параметр элементарной ячейки горячего образца при рабочей температуре VI, а, - параметр элементарной ячейки горячего образца при температуре предыдущего микроцикла, Е - модуль нормальной упругости

°п=7727-Е, (2)

где 6 - угол дифракции, п2 - часть уширения дифракционной линии, ответственного за микронапряжения

Плотность дислокаций (р, 1/см2) оценивается по выражению

Р=ЗД)2, О)

где О - размер кристаллитов, см

Методика механических испытаний для исследования структурно-напряженного состояния при пластическом механическом нагружении стенки трубы сводилась к организации процесса форсированного искусственного старения образца в ходе холодного циклического деформирования гидравлическим прессом с возрастающей нагрузкой в каждом очередном цикле деформирования

После каждого цикла нагружения производилась рентгеносъемка исследуемого образца на рентгеновском аппарате ДРОН-3,6 с использованием монохроматизированного медного излучения трубки с длиной волны 1сикр=1,39217 А Анализ внутренних остаточных напряжений выполнен по методике, позволяющей определить уширения дифракционных линий (111) и (220) (метод Уоррена) по выражениям (1-3).

Длина структурной трещины рассчитывалась на основании

/ /-\2 ОД-Е-уа

V J

0,01-Е -а

<

где Е - модуль нормальной упругости, а - период кристаллической решетки; (Ту - внутренние напряжения

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты и оценена погрешность измерений

На рис. 1 и на рис 2 представлены зависимости внутренних напряжений И рода соответственно от плотности структурных дефектов при внешнем нагружении и от приложенной внешней нагрузки Показано, что процессы упрочнения при нагружении, характеризуемые точками 1, 4, 7, 9 (рис. 2 А) и 1, 3, 7, 11 (рис 2 Б), сменяются процессами разупрочнения (точки 2, 5, В, 10, 13 на рис 2 А и 2, 5, 9, 12, 13 на рис. 2 Б) Свойства внутренней и наружной поверхностей трубы проявляют структурную стабильность (рис 1) и лимитируются зоной, находящейся между линиями разупрочнения и упрочнения (рис 2). Они не подвержены глубокой релаксации внутренних напряжений, связываемой с возникновением структурного трещинообразования Это показано на рис 3, 5 в виде зависимости длины внутризеренной и зональной трещины, возникающих при внешних разрушающих нагрузках Можно видеть (рис. 3, 5), что трещины, возникающие при внешнем нагружении, не склонны к развитию в широком диапазоне внешних нагрузок. В выполненном эксперименте (рис 3) достигнута нагрузка на наружной стороне ~ 330 МПа, а на внутренней ~ 170 МПа Перераспределение зональных напряжений в зависимости от нагрузки при циклическом деформировании показывает (рис 4), что зональные напряжения при внешнем деформировании изменяются в диапазоне 10 390 МПа При этом они не проявляют склонность к глубокой релакса-

ции, достаточной для слияния микротрещин, что характеризует высокие упруго-пластические свойства стенки трубы. 900

850

800

750

700

650

600

550

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 1. Влияние циклического нагружения на распределение внутренних напряжений ом в зависимости от плотности дислокаций р в образце (сталь Ди-82-Ш): 1 - наружная сторона; 2 — внутренняя сторона

А) Б)

Рис. 2. Зависимость внутренних напряжений оц от внешней нагрузки образца трубы (сталь Ди-82-Ш): А - наружная сторона; Б -внутренняя сторона; ♦ •' • линия разупрочнения при

деформировании;---линия упрочнения при деформировании

На рис. 6 представлена зависимость величины коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток от температуры в трех термоциклах. Во всех трех термоциклах при нагреве до 200 °С наблюдаются аномальные скачки величины коэффициента линейных термических расширений кристаллических решеток, при дальнейшем увеличении температуры амплитуда изменения а уменьшается, коэффициенты линейных термических расширений кристаллических решеток соответствуют средним справочным значениям по результатам макродилатометрии для сталей —

ан, МП a

\\ *

\ V

ч i

♦ ____♦

2' -— ♦ ► ш

1111 III) т р-10 —lili -9, 1/см2 I . 1 1 ■

(15...20)-10' 1/град. Отклонения от нормального хода зависимости a~f(t) наблюдаются: в первом термоцикле при 48 и 160 °С, во втором при 80... 150 °С, в третьем термоцикле, который выполнен после аустенизации стали, при ~ 90... 100 °С.

50 100 150 200 250 300 350

А) Б)

Рис. 3. Зависимость длины внутризеренных трещин от внешней нагрузки образца трубы: А - наружная сторона; Б - внутренняя сторона

А) Б)

Рис. 4. Зависимость внутренних напряжений о\ от внешней нагрузки образца трубы: А - наружная сторона; Б - внутренняя сторона

700 600 500 400 300 200 100

Рв,«ш. МПа

1 'зон. МКМ Г

I

2

1 / 5 6 7 8 9 « -IL/Г'

350 50 70

110 130 150 170 190

А) Б)

Рис. 5. Зависимость длины зональной трещины 1зон от внешней нагрузки образца трубы: А - наружная сторона; Б - внутренняя сторона

40 п

30 20 10 0 -10 -20

; а-10"6, 1/ ~рад

д т.

——В —^л

—1—1—1—1— и "с —1—I—1—1—1

0 100 200

-♦-1 термоцикл

300 400

в- II термоцикл

500 600

-й- III термоцикп

700

Рис. 6. Зависимость коэффициентов линейных термических

расширений кристаллических решеток а стенки трубы из стали Ди-82-Ш от температуры

600 500 400 300 200 100 О -100 -200 -300 -400

Рис.

аь МПа

/ / 1 и

Г—1-1—1—Г-4

100

_ I термоцикл

200

300 400

0- II термоцикл

500 600 700

III термоцикл

7. Зависимость внутренних зональных макронапряжений I рода альфа-фазы образца трубы из стали Ди-82-Ш от температуры

—I термоцикл Нтермоцикл III термоцикл

Рис. 8. Зависимость внутренних микронапряжений II рода альфа-фазы образца трубы из стали Ди-82-Ш от температуры

Изменения зональных и внутризеренных напряжений в трех термоциклах представлены на рис. 7 и 8.

С целью установления возможностей проведения восстановительной термической обработки (ВТО) для продления ресурса труб ПП после второго тремоцикла была проведена аустенизация. Как видно из рис. 6-8, аустениза-ция приводит к изменению соотношения между прочностью зерен и межзе-ренных границ, в частности, к снижению внутренних напряжений II рода с 1000 до 800 МПа (рис. 8) и увеличению внутренних макронапряжений I рода. Например, для эксплуатационной температуры t = 600 °С Oi увеличивается с 300 до 600 МПа). Аустенизация не приводит к устранению аномальных линейных термических расширений кристаллических решеток (рис. 6). На этих результатах показано, что ВТО, часто применяемая для продления ресурса труб и не всегда приводящая к однозначным результатам может эффективно контролироваться методом рентгеновской дифракции.

В четвертой главе приведен анализ полученных экспериментальных результатов по свойствам трубного изделия из стали Ди-82-ULI при внешнем холодном деформировании и термоциклировании в сравнении с результатами аналогичных исследований свойств образцов трубы из стали 12Х1МФ.

Показано, что количественные экспериментальные зависимости внутренних напряжений II рода от плотности структурных дефектов, представленные на рис. 1, соответствуют качественным кривым И.А. Одинга и A.A. Бочвара, согласно которым наибольшее сопротивление пластическому

деформированию должен оказывать материал с очень малой плотностью структурных дефектов По мере увеличения плотности структурных дефектов р сопротивление пластическому деформированию уменьшается до критического значения р^, При достижении этой плотности дислокаций сопротивление пластическому деформированию вновь увеличивается за счет взаимодействия силовых полей дислокаций Таким образом реальные свойства материала (пластичность и прочность) характеризуются определенной точкой на кривых Одинга-Бочвара Экспериментально показано (рис 1), что механические свойства стенки трубы из стали Ди-82-Ш для внутренней и наружной поверхности трубы отличаются незначительно и выявляют базовые характеристики материала временное сопротивление разрыву ав при t=20 °С (левая верхняя часть графика на рис 1 и линия упрочнения на рис 2), составляющее порядка 800 850 МПа, условный предел текучести о0>2 при t=20 °С (правая нижняя часть кривой на рис 1 и линия разупрочнения на рис 2), равный 600. 650 МПа Полученные методом рентгенографии экспериментальные результаты св и о0>2 соответствуют справочным значениям для аналогичных трубных сталей мартенсито-ферритного класса, установленным по иным методикам (например, для трубы размером 30x6 мм из стали 18Х12ВМБФР при t = 20°С а„ = 820 МПа, а а02 = 640 МПа) Свойства стенки трубы и текущее физическое состояние материала характеризуются экспериментальными кривыми (рис. 1) и лимитируются зоной, находящейся между кривыми упрочнения и разупрочнения (рис. 2)

Из рис 2 следует, что значения внутренних напряжений II рода (внут-ризеренные) на наружной стороне трубы, соответствующие линии упрочнения (точки 1, 4, 7, 9 на рис 2 А), усредненная величина которых равна 800 МПа, и на внутренней стороне трубы (точки 1, 3, 7, 11 на рис 2 Б), равные 750 МПа, являются наиболее опасными с точки зрения возникновения внутриструктурной пористости при внешних нагрузках, совпадающих по направлению с действующими внутренними напряжениями Это обусловлено релаксацией последних, сопровождающейся при нагружении стенки трубы внутризеренным трещинообразованием, что следует из рис 3 А (точки 2, 5, 8, 10, 13) и рис. 3 Б (точки 2, 5, 9, 13) Образующиеся внутризеренные микротрещины незначительны по величине и составляют порядка 0,08 0,1 мкм Такого размера трещины обычно отмечаются на этапе неустановившейся стадии ползучести трубных изделий, когда они обладают способностью тормозиться на препятствиях (на границах зерен)

Одним из критериев склонности материалов к опасным и внезапно наступающим хрупким разрушениям является отношение Ов/Оо2, тк в хрупких материалах предел прочности СТВ равен пределу текучести, а в пластичных а„ < 0О 2 В частности, для некоторых марок сталей это отношение может быть высоким, а сталь обладает склонностью к хрупким разрушениям, при соотношении ав / а02 = 0,88 (аустенитно-марганцовистая сталь 110 Г13Л)

Подобная склонность у стали Ди-59 обнаруживается уже при соотношении ов/а02 = 0,67 По полученным экспериментальным результатам установлено, что данная характеристика индивидуальна для каждой марки стали, а по выявленным значениям с0,2 и 0В для Ди-82-Ш определено, что при соотношении аЕ / а0,2 = 0,76 материал стенки трубы не обнаруживает признаков слияния микротрещин в магистральные

На наружной стороне трубы внутренние напряжения О] изменяются в диапазоне значений 10 210 МПа (рис 4 А) Худшие условия эксплуатации для наружной стороны достигаются при величине зональных напряжений 10 20 МПа (точки 10, 13 на рис 4 А) и внешних нагрузках порядка 180 330 МПа При этом образуются межзеренные трещины размером до 600 мкм (точка 13 на рис 4 А) Для внутренней стороны трубы величина внешней нагрузки, при которой образуются трещины порядка 65 мкм, составляет 180 МПа Это соответствует 6 баллу размера зерна, равному при этом 50 60 мкм Известно, что на третьей стадии ползучести в момент исчерпании ресурса паропроводов в нем развиваются поры диметром до З мкм, а разрушение изделия происходит путем их объединения по границам зерен в магистральные трещины Таким образом, из рис 5 следует, что при глубине релаксации внутренних напряжений I рода (зональных) 10 МПа возникает опасность потери работоспособности ПП за счет слияния межзеренных трещин в магистральную

На рис 6 показаны данные о термических расширениях кристаллических решеток, которые слабо представлены в литературе для котельных сталей Коэффициент линейных термических расширений кристаллических решеток в первом термоцикле имеет отрицательное значение при t=48 °С и при дальнейшем нагреве до 150 °С зависимость а = f(t) носит аномальный характер Скачку термических деформаций соответствует значение а = 35 10"6 1/град Во втором термоцикле аномалия а наблюдается при t=100 °С (а=29 10'6 1/град), в третьем термоцикле - в диапазоне температур 80 150 °С (а ~ 30 10"6 1/град) Во всех трех термоциклах значения коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток после 200 °С соответствуют справочным значениям, полученным по результатам макродилатометрии Анализ публикаций (в особенности по термическому поведению конструкционных материалов ядерных реакторов) со сведениями по макродилотометрии показывает, что температуры, при которых установлены аномальные удлинения и распухаемость, совпадают с температурами опасного снижения механических свойств (прочность и пластичность) и эксплуатационной надежности Это позволяет предполагать, что при наличии температурных градиентов, при переменных нагрузках и т д аномалии термических деформаций кристаллических решеток будут приводить к явлениям термической усталости стенки паропроводов и ПП

Напряжения I рода (рис 7) в процессе термоциклирования изменяются в трех термоциклах от растягивающих до сжимающих, проходя через полную 14

релаксацию напряжений, опасную ползучестью и формоизменением труб. Явления взаимодействия процессов упрочнения и разупрочнения приводят к термической усталости и сокращению ресурса труб ПП.

Напряжения II рода (рис. 8) в первом термоцикле носят знакопеременный характер, что приводит к упрочнению зерна во втором термоцикле (порядка 1 ООО МПа). Аустенизация образца стенки трубы после второго термоцикла привела к уменьшению кристаллитных напряжений на 200 МПа (рис. 8) при эксплуатационной температуре 600 °С и к увеличению прочности межзеренных границ с 300 до 600 МПа (рис. 6). Это указывает, что путем фазовой перекристаллизации можно достигать требуемого соотношения свойств по прочности зерен и межзеренных границ.

Сравнение результатов термоциклирования образцов материалов стенки трубы из стали Ди-82-Ш и 12Х1МФ, полученных одним инструментально-методическим аппаратом, представлено на рис.. 9, 10 ,11.

А Б

Рис. 9. Зависимость коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток альфа-фазы для пароперегревательных труб из сталей Ди-82-Ш (А) и 12X1МФ (Б)

Сравнительный анализ поведения коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток в области рабочих температур (580...600 °С) позволяет констатировать следующее.

Сталь Ди-82-Ш в этом диапазоне температур не испытывает аномальных скачков термических деформаций кристаллических решеток, а коэффициент линейных термических расширений кристаллических решеток колеблется в интервале 13... 15-10"6 1/град в широком диапазоне температур от 500 до 700 °С.

Для стали 12Х1МФ при этой же температуре коэффициент линейных термических расширений кристаллических решеток равен 13,810"6 1/град, что соответствует справочному значению а при этой температуре, но находится в области ярко выраженного Х-аномального скачка термических деформаций. При градиентах температур порядка ± 25 °С а будет меняться в широком интервале значений от 1310"6 до 20-10"6 1/град, что приведет к термической усталости и снижению ресурса трубы ПП. Согласно рис. 9 Б при-

емлемой температурой эксплуатации для стали 12Х1МФ может быть температура порядка 500...520 °С, т.к. в окрестности этой температуры коэффициенты линейных термических расширений кристаллических решеток изменяются в узком интервале значений - от 13-Ю"6 до 14-Ю"6 1/град.

900 • 800 ■ 700 ■ 600 ■ 500 ' 400 ■ 300 200 100 о

-100 -200 -300 -400

-500 ............................

0 100 200 300 400 500 600 700

-»-Ди-82-Ш(1 термоцикл) -Х- 12Х1МФ(1 термоцикл)

Рис. 10. Зависимость внутренних напряжений II рода в первом термоцикле для труб из сталей Ди-82-Ш и 12X1МФ

600 500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500 -600

0 100 200 300 400 500 600 700

-♦- Ди-82-Ш (I термоцикл); -х- 12Х1МФ (I термоцикл)

Рис. 11. Зависимость внутренних напряжений I рода в первом термоцикле для труб из сталей Ди-82-ILl и 12Х1МФ

Анализ поведения внутренних структурных напряжений второго рода при термических нагрузках (рис.10) показывает, что в области температур 580 ..600 °С внутренние напряжения в стенке трубы из стали 12Х1МФ близки к нулю, что обусловит повышенную ползучесть, повреждаемость порами ползучести, увеличение структурных дефектов и декорирование свободных поверхностей графитом (графитизацию) В качестве рабочей для стали 12Х1МФ может быть рекомендована температура 520 °С Прочность зерен в стали Ди-82-Ш в том же диапазоне температур составляет 480 МПа, внутренние напряжения не релаксируют при повышении температуры от 450 до 700 °С, обнаруживая стабильность прочностных свойств зерен

Сопоставление поведения внутренних структурных напряжений I рода (рис 11) показывает, что для трубы из стали 12Х1МФ при t = 580.. 600 °С 01=350 МПа, что превосходит ав (справочное значение временного сопротивления разрушению для этой стали равно о„ = 230 МПа при t=600°C), и при растягивающих внешних нагрузках приведет к зональному трещинообразова-нию и транскристаллитной коррозии. Для стали Ди-82-Ш Oí - 200 МПа, а при изменении температуры до 700 °С изменяется по схеме 200—»340—>100 МПа. При уменьшении температуры до 550 °С oí переходит в область сжимающих напряжений, что уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и повышает усталостную прочность металла.

ВЫВОДЫ

1 По результатам холодного циклического деформирования установлено, что экспериментальная кривая зависимости внутренних напряжений от плотности дислокаций в стенке трубы из стали Ди-82-Ш выявляет характер изменения структурно-напряженного состояния при механических нагрузках, подтверждая тем самым гипотезу И А Одинга о взаимосвязи сопротивления деформированию с плотностью структурных дефектов Полученная закономерность связана с базовыми механическими характеристиками ав, ст0,2, а совокупность перечисленных данных позволяет оценивать текущее физическое состояние и прогнозировать поведение стенки трубы пароперегревателя при механических нагрузках 2. Экспериментальные кривые зависимости внутренних структурных напряжений I и II рода от внешней нагрузки позволяют рассчитывать длину зональных и кристаллитных трещин стенки трубы при механическом на-гружении, а по установленным рентгенометрическим критериям — прогнозировать склонность к внутризеренному и межзеренному трещинооб-разованию

3 Расчетно-экспериментальное установление условий роста структурной трещины в процессе механоциклического пластического деформирования стенки котельной трубы является основой прогнозирования работо-

способности и совместно с результатами термоциклирования - основой выработки мероприятий по продлению ресурса поверхности нагрева

4 По результатам термоциклирования установлены зависимости внутренних структурных напряжений I и II рода от температуры и определен безопасный температурный диапазон стенки трубы при эксплуатации пароперегревателя, составляющий 500 .700 °С

5 По результатам термоциклирования экспериментально доказано, что с целью продления работоспособности труб пароперегревателя требуется проведение предварительной термической обработки труб аустенизацией в течение суток (при данной толщине стенки трубы) при температуре 700 °С

6 На основе термоциклирования определена температурная зависимость коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стенки трубы и установлены аномальные изменения коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток, являющиеся характеристиками структурно-напряженного состояния и зависящие от процесса термоциклического отжига в первом термоцикле аномальные скачки термических деформаций наблюдаются при температурах 48, 150 °С, во втором - при 100 °С, в третьем - от 80 до 150 °С

7 По результатам рентгенодилатометрических исследований и на основе сравнения их со свойствами достаточно испытанных в эксплуатации трубных сталей (12Х1МФ) подтверждена высокая надежность труб из стали Ди-82-Ш в широком диапазоне изменяющихся термических и механических нагрузок

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1 Ташлыков А А Исследование влияния циклического нагружения на распределение внутренних напряжений труб паровых котлов // Труды четвертого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика экология, надежность, безопасность» - Томск Изд ТПУ, 2002 - С 94 - 96

2 Рентгеновские исследования структурно-напряженного состояния в образцах стали 10 / JI JI Любимова, А А Макеев, А С Заворин, А А Ташлыков и др // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» -Томск Изд ТПУ,2002 - С 102-105

3 Аномалии термических линейных расширений в стали 10 / Л Л Любимова, А А Макеев, А С Заворин, А А Ташлыков и др // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика экология, надежность, безопасность» - Томск Изд ТПУ, 2002 - С 105 -108

4. Рентгеновские исследования внутренних микронапряжений в образце стали 10 при термических циклических нагрузках / А А Макеев, А.С За-ворин, А А. Ташлыков и др. // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика экология, надежность, безопасность» - Томск: Изд. ТПУ, 2002 - С 108 - 110.

5 Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей / А.С Заворин, Л JI. Любимова, А А. Макеев, А А. Ташлыков и др // Известия Томского политехнического университета - 2003 - Т 306, №2,-С 78-84.

6 Ташлыков А А, Почуев В Ф. Влияние факторов микроструктурной повреждаемости на опрессовку стальных труб // Материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика экология, надежность, безопасность». - Томск- Изд ТПУ, 2003 - Т 1 - С. 192 -196

7 Ташлыков А А, Щетинин В А Исследование структурного трещинооб-разования в трубных сталях энергетических котлов // Труды пятого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика экология, надежность, безопасность». - Томск Изд-во ТПУ, 2003 - С 98 -101

8. Экспериментальное обоснование рентгенодиагностики восстановления труб поверхностей нагрева / А.С Заворин, Л.Л Любимова, А.А Макеев, А А. Ташлыков и др. // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты Сборник научных трудов / Под. ред акад РАН В.Е Накорякова - Новосибирск Изд-во НГТУ, 2004. -Вып.8 -С 242 - 248

9. Ташлыков А А, Почуев В.Ф Рентгенометрическое выявление признаков разупрочнения котельных сталей // Ползуновский вестник, 2004, № 1. -С.168- 171

10 Lyubiraova L L, Tashlykov A.A Roentgenometrical detection of weakening pipe steel signs // The ninth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientist "Modem Techniques and Technologies" (МТГ2003) - Tomsk, TPU, 2003. - P 49 - 51.

11 Изменение внутренних напряжений в стенках труб паровых котлов при пластическом деформировании /АС Заворин, Л Л Любимова, А А Макеев, А А. Ташлыков и др //IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике - Владивосток-2005 -С 35

12 Рентгенодилатометрические температурные исследования внутренних напряжений стенок труб паровых котлов / А.С Заворин, Л Л Любимова, А А Макеев, А А. Ташлыков и др // IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике - Владивосток 2005 -С. 44

13. Влияние структурной неоднородности металла на язвенную коррозию труб паровых котлов /АС Заворин, Л Л Любимова, А А. Макеев, А А

Ташлыков и др // IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике - Владивосток 2005 — С 45

14 Механоциклические исследования образцов труб перспективной стали Ди-82-Ш для пароперегревателей энергетических котлов /АС Заворин, А А Ташлыков, Л Л Любимова, А А. Макеев и др // Материалы докладов одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика экология, надежность, безопасность» — Томск Изд-во ТПУ, 2005 -С 236

15 Микродилатометричекие исследования образцов труб энергетических котлов из новой стали Ди-82-Ш /АС Заворин, А А Ташлыков, Л Л Любимова, А А Макеев и др // Материалы докладов одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика экология, надежность, безопасность» - Томск Изд-во ТПУ, 2005 - С 233

16 Рентгенодилатометрические температурные исследования стенки котельной трубы /АС Заворин, А А Макеев, Л Л Любимова, А А Ташлыков и др // Известия Томского политехнического университета — 2006 - Т 309, №5, стр 103-106

17 Изменение внутренних напряжений в сечениях котельных труб при пластическом деформировании / Л Л Любимова, А А Ташлыков, А А Макеев, А И Артамонцев // Известия Томского политехнического университета -2006 -Том 309 -№б -С 114-119

Подписано в печать 10 10 2007г Формат 60x84/8 Бумага офсетная

Печать RICOH Услпечл 1,0 Уч-изд 1,05 Тираж 100 экземпляров Заказ №56

Отпечатано ООО "Спб Графике"

Адрес 634050, г Томск, ул Усова-4а, т (3822) 224-789

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КОТЕЛЬНЫХ

ТРУБ.

1Л. Влияние структурных термических превращений на эксплуатационные свойства котельных сталей.

1.2. Прогнозирование работы труб в процессе длительной эксплуатации.

1.3. Обоснование метода рентгенодиагностики.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТРУКТУРЫ СТЕНКИ ТРУБЫ.

2.1. Методика термических испытаний.

2.2 Теоретические основы определения мгновенного коэффициента линейных термических расширений.

2.3. Методика механических испытаний.

2.4 Установление структурно-напряженного состояния образцов стали. Теоретические основы метода.

2.4. Теоретическая оценка длины трещины.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

МЕХАНОЦИКЛИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ТРУБНОЙ СТАЛИ ДИ-82-Ш.

3.1. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для механических испытаний.

3.2. Экспериментальные результаты механоциклических испытаний.

3.3. Экспериментальные результаты измерений параметра элементарной ячейки в зависимости от температуры стали Ди-82-Ш.

3.4. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для температурных испытаний.

3.5. Экспериментальные результаты измерения термических линейных расширений кристаллических решеток энергетической трубной стали Ди-82-Ш.

3.6. Экспериментальные результаты измерений средних внутренних микронапряжений II рода Сц альфа-фазы.

3.7. Экспериментальные результаты измерений внутренних зональных макронапряжений I рода gj альфа-фазы.

3.8. Аустенизация стали Ди-82-Ш.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Анализ механических испытаний.

4.2. Анализ изменений коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток трубной стали Ди-82-Ш.

4.3. Анализ внутриструктурные напряжения I рода и II рода альфа-фазы энергетической трубной стали Ди-82-Ш.

4.4. Сравнение экспериментальных результатов по стали Ди-82-Ш с подобными исследованиями стали 12X1МФ.

Состояние и перспективы развития энергетики любой страны непосредственно связаны с общим развитием ее экономики. Последствия экономического кризиса в России 90-х годов применительно к отечественному топливно-энергетическому комплексу подтверждают это еще раз: здесь кризис сопровождался существенным спадом производства и потребления электрической и тепловой энергии, деградацией основных производственных и прекращением строительства новых и даже модернизации существующих электростанций. Сказанное подтверждается основными показателями развития электроэнергетики России, приведенными в табл. 1, и свидетельствующими о том, что после 90-х годов энергетическая отрасль России практически не развивалась, а потребности в электрической и тепловой энергии обеспечивались благодаря эксплуатации того оборудования, которое было разработано и установлено еще в 60 - 80-е годы. При этом осуществлялся демонтаж полностью изношенного оборудования, а темпы ввода новых энергетических мощностей (в объеме всего 0,6 . 1,0 млн кВт/год) лишь компенсировали вывод из эксплуатации демонтируемой техники [1].

В настоящее время нет каких-либо четких ориентиров для построения будущей энергетической стратегии. Более того, судя по прогнозам уже нескольких появившихся вариантов проектов энергетической стратегии России на период до 2020 г., эти темпы меняются в зависимости от даты разработки. Так, в оценках 2000 г. в период 2001 - 2005 гг. прогнозировался общий рост производства электроэнергии на 10,5 . 16,2 % по сравнению с 2000 г. Однако уже в 2002г., когда стало ясно, что уровень фактического производства электроэнергии ниже этих оценок (сделанных два года назад), прогнозы были заметно изменены в меньшую сторону и составили всего 5,7 . 6,8 % [1].

1 Показатель 1990 г. 1995 г. 2000 г.

Потребление электроэнергии, кВт-ч млрд 1073,8 840,4 863,71

В том промышленностью числе 553,7 381,7 396,04

Производство электроэнергии, кВтч млрд 1082,1 860 877,8

В том числе ТЭС АЭС ГЭС 797 118,3 166,8 583,4 99,3 177,3 583,4 129 165,4

Установленная мощность, млн кВт-ч 213,3 215 212,8

В том числе ТЭС АЭС 149,7 20,2 ' 149,7 21,3 147,2 21,3 1

С каждым годом идет нарастание объема генерирующих мощностей, выработавших свой расчетный ресурс в 100000 часов, в результате чего появляется необходимость продления срока их эксплуатации и перехода на так называемый парковый ресурс, значительно превышающий расчетный. При этом уже и парковый ресурс в 2000 г. оказался выработанным у 37 тыс. МВт (17,6 % общей установленной мощности), в том числе на тепловых электростанциях - 14,9 МВт (7 %). К 2015 г. по данным РАО "ЕЭС России", свой парковый ресурс выработает оборудование мощностью 112 млн кВт (из них 85,3 млн кВт на тепловых электростанциях). В виду сложившейся ситуации, намечаются следующие пути решения: по атомным электростанциям: предусматривается осуществление мероприятий, направленных на продление срока их эксплуатации на 10 лет сверх расчетного срока; по тепловым электростанциям: кроме вывода мощностей из эксплуатации по мере выработки их паркового ресурса предлагается:

• снижать мощность установок после продления на 10 лет срока эксплуатации электростанций, достигающих паркового ресурса в период до 2005 г.;

• модернизировать оборудование электростанций, достигающее паркового ресурса в период до 2005 г., и продлить срок их службы на 10 лет [1].

I Данные по состоянию энергооборудования представлены в таблице 2.

Таблица 2

Возрастная структура Российского энергооборудования [2]

Возраст Суммарная мощность, Количество установок, энергоустановки, лет % %

0 . 10 8,4 10,0

10.20 24,6 15,3

20 . 30 33,0 23,7

30.40 25,2 25,7

Более 40 8,8 25,3

Итого 100 100

При этом необходимо иметь в виду, что трубы и паропроводы, в том числе и поврежденные, выглядят внешне вполне благополучными, поскольку ряд весьма существенных факторов остается за пределами рассмотрения при проектировании и в процессе эксплуатации. К таким факторам можно отнести недооценку роли напряженно-деформированного состояния металла и внутренних структурных напряжений.

Кроме того, не разработаны методики, по которым можно было бы оценить прочность высоко- и низкотемпературных паропроводов, связанных совместными температурными расширениями. Также отсутствуют предпосылки для выполнения корректных прочностных расчетов высокотемпературных паропроводов.

Таким образом, проблема дальнейшего обоснованного продления срока эксплуатации паропроводов и других теплонапряженных элементов должна решаться путем совершенствования режимов эксплуатации с использованием полноценного контроля всех нагружающих факторов, совершенствования расчетных методов оценки напряженного состояния, а также анализа реальных особенностей эксплуатации на основе полноценной документации

И.

Основную долю в изготовлении энергооборудования занимает сталь, что связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами и т.д. Стали и сплавы широко применяются в энергетике, в ответственных узлах и деталях, таких как барабаны, трубные пучки, коллекторы, паропроводы, трубопроводы, топочные экраны, пароперегреватели, экономайзеры, а также другие различные элементы. Все перечисленные элементы работают в условиях высоких температур, под знакопеременными термическими и механическими нагрузками в агрессивных средах.

С развитием промышленности требуется увеличение номинальной производительности электростанций. Для этого необходимо использовать более современные материалы с высокими ресурсными характеристиками, жаростойкие и жаропрочные. При этом планируется повышение параметров пара (температура, давление), в том числе до сверхкритических значений. Все это обязывает сталь, а в частности стальные трубы, отвечать более высоким требованиям, обеспечивающим надежную работу паропроводов, барабанов, пароперегревателей и других не менее важных элементов.

В настоящее время в условиях низкого капиталовложения в энергетику страны наиболее важным показателем является обеспечение длительного ресурса поверхностей нагрева при сохранении стабильных механических свойств. От надежности стали зависит надежность оборудования в целом и его безопасность в процессе эксплуатации. Наиболее частые отказы работы парогенераторов происходят из-за выхода из строя поверхностей нагрева. 9

Это проявляется не только из-за не соблюдения режима эксплуатации, но и в связи с коррозионными повреждениями, такими как межкристаллитная коррозия (МКК), коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) с образованием магистральных трещин, ползучесть, графитизация.

Кроме этого выяснение причин внезапного разрушения металла (растрескивания), которое может происходить и в ненагруженном состоянии даже при комнатной температуре (25 °С), также является важной и актуальной задачей. В этой связи структура материалов котельных труб широко исследуется и ищется взаимосвязь между структурой и механическими свойствами, что открывает возможности прогнозирования свойств металлов и сплавов, разработки технологических процессов термической обработки металлов для достижения наилучших свойств металла.

В современной российской энергетике растет количество объектов, исчерпавших свой проектный ресурс работы [3]. Считается, что используемые стали, такие как 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и т.д., плохо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации [4]. Эти стали обладают низкой прокаливаемостью по глубине, подвержены межкристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям. Поэтому при техническом перевооружении отечественной энергетики предполагается эти стали заменить на более перспективные стали, такие как Ди-59 и Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которые в настоящее время проходят массовые испытания на различных электростанциях России и стран СНГ (Запорожская, Беловская, Назаровская и т.д.) [3]. Помимо внедрения новых материалов также актуальна проблема продления срока службы уже эксплуатирующегося оборудования в связи с его прогрессирующим износом, а также проблема прогнозирования длительного и остаточного ресурса.

В этой связи чрезвычайно важной является задача по исследованию трубных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклического, а также механоциклического воздействия.

При длительной эксплуатации в условиях температурных воздействий на микроструктуру металла труб они упрочняются и утрачивают пластичность. В высоколегированных аустенитных сталях отмечается выделение карбидов, в нелегированных сталях происходит процесс графитизации, а в низколегированных сталях наблюдается распад перлита, сорбита или бейнита. Такое влияние на изменения микроструктуры сталей происходит в областях сварных соединений. При повышенных температурах и давлениях эксплуатация оборудования сопровождается ползучестью, вследствие чего в микроструктуре металла появляются микротрещины, которые впоследствии могут развиться в магистральные трещины. Эти процессы ухудшают прочностные свойства металла и могут привести к внезапным хрупким аварийным разрушениям. Исходя из вышеизложенного, дальнейшая эксплуатация энергооборудования возможна только при жесткой технической диагностике, непременной составляющей которой является контроль микроструктуры.

В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопроводах, летательных аппаратах, резервуарах, стальных конструкциях и т.п. Известные на данный момент методики обследования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаются надежностью и достоверностью. Сегодня у конструкторов и производителей металлоизделий нет достаточной научной базы для оценки факторов, вызывающих разрушение, вследствие этого многие специалисты по разному определяют влияние того или иного фактора, вызывающего аварийную ситуацию [5]. Имеющиеся недостатки в определении текущего состояния металла энергооборудования дают, как следствие, ошибочные

11 оценки остаточного ресурса. Применение известных методов диагностики и прогнозирования в решении проблемы надежности не привело к успеху, поэтому в Министерстве науки и технической политики Российской Федерации было проведено совещание, посвященное вопросу разрушения металлоконструкций и в очередной раз вопросы разрушения и предупреждения аварий были подняты А.П. Гуляевым. Он показал, что проблемы надежности не решены известными путями в России и за рубежом, и призвал научную общественность к поиску иных путей к решению этой проблемы [5].

Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности прогнозов по оценке текущего состояния и остаточного ресурса поверхностей нагрева вынуждают проводить дальнейшие исследования по выявлению влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойства трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, введение иных критериев оценки состояния материалов ответственных конструкций и узлов, одним из которых могут выступать внутренние структурные напряжения. Наличие таких критериев, анализ их функциональных зависимостей от условий эксплуатации отдельных элементов и узлов оборудования представляется оперативным методом повышения надежности тепломеханического оборудования в целом.

В этой связи целевым направлением настоящей работы является установление характера изменения структурно-напряженного состояния стенки котельной трубы, выполненной из новой, перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) под влиянием механических и термических циклических нагрузок для оценки ее работоспособности в пароперегревателях котлоагрегатов.

1. Фаворский О.Н., Асланян Г.С., Доброхотов В.И. Проблемы стоящие перед энергетическим сектором страны Теплоэнергетика. 2004. №1.-С. 28-32.

2. Попов А.Б., Перевалова Е.К., Сверчков А.Ю. Проблема продления ресурса теплоэнергетического оборудования ТЭС Теплоэнергетика. 2003.-№4.-С. 2 9 3 6

3. Тумановский А.Г., Резинских В.Ф. Стратегия продления ресурса и технического перевооружения тепловых электростанций Теплоэнергетика. 2001. Х» 6. 3 10.

4. Резинских В.Ф., Школьников Б.Э., Урусова Г.А. Перспективные стали для пароперегревателей котлов СКД Теплоэнергетика. 2000. N2 10.-С. 3 9 4 3

5. Пасибов А. Г. О хрупком разрушении металла (стали) и пути предупреждения аварий Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. №8. 38.

6. Федотов А.О., Крейцер К.К. Повый метод определения микроповреждаемости стали. Электрические станции. 2002. 10. С 37-39.

7. Акользин П.А., Либерман Г.Р. Межкристаллитная коррозия металла паровых котлов. М.: Изд-во Мин-ва коммунхоза РСФСР, 1955. 124 с. 8. Хор Т.П. Коррозионное растрескивание. В сб. Коррозия конструктивных материалов водоохлаждаемых реакторов. Под ред. В.П. Погодина /Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1965 JV» 42. с. 180 205.

8. Логан Х.Л. Коррозия металлов под напряжением /Пер с англ. М.: Металлургия. 1970. 340 с.

9. Дули Р.Б. Значение защитной окисной пленки для предотвращения 114

10. Богоявленский В.П. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем.- М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с. П.Нейман П.Д., Грисс Дж.К. Коррозия конструктивных материалов водоохлаждаемых реакторов /Пер. с англ. Под ред. В.П. Погодина. М.: Атомиздат, 1965. 170 с.

11. Жданов Г.С., Уманский Я.С. Рентгенография металлов: в 2-х ч. Ч.П. М.-Л.: Гл. ред. лит. по черной и цветной металлургии, 1938. 387 с.

12. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 543 с.

13. Рябченков А.В., Никифорова Н.А., Решеткина Н.А. Труды ЦНИИТМАШ. Влияние коррозионных сред на прочность стали. Машгиз, 1955.-кн. 77. П.Рябченков А.В. Коррозия и защита металлов под напряжением.- М.: Машгиз, 1959.

14. Герасимов В.В., Касперович А.И., Мартынова О.И. Водный режим атомных электростанций. М.: Атомиздат, 1976.- 399 с.

15. Гофман Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС- М.: Энергоатомиздат, 1990. 136 с. 2О.Березина Т.Г. Структурный метод определение остаточного ресурса деталей длительно работающих паропроводов //Теплоэнергетика. 1986.-№3.-С. 53.

16. Штромберг Ю.Ю. Контроль металла на тепловых электрических станциях //Теплоэнергетика. 1996. №12. 17-20.

17. Металлография железа /Справ. Изд. В 3-х ч. Ч.1.: М.: Металлургия, 1972.-240 с.

18. Любимова Л.Л. Оценка работоспособности труб поверхностей нагрева 115

20. Почуев В.Ф. Испытания труб промышленных и отопительных котлов для определения работоспособности с применением рентгеновского метода: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.14.

22. Ташлыков А. А. Исследование влияния циклического нагружения на распределение внутренних напряжений труб паровых котлов Труды четвертого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002.-С 9 4 9 6

23. Рентгеновские исследования структурно-напряженного состояния в образцах стали 10 Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. Материалы докладов VIII Всероссийской научнотехнической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 102 105.

24. Аномалии термических линейных расширений в стали 10 Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 105 108.

25. Рентгеновские исследования внутренних микронапряжений в образце стали 10 при термических циклических нагрузках А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Всероссийской Ташлыков и др. Материалы докладов научно-технической конференции VIII «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 108-110.

26. Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. Известия Томского политехнического 116

27. Ташлыков А. А., Щетинин В. А. Исследование структурного трещинообразования в трубных сталях энергетических котлов Труды пятого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд-во. ТПУ,2003.-С98-101.

28. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Рентгенометрическое выявление признаков разупрочнения котельных сталей Ползуновский вестник, 2004, 1 С 1 6 8 1 7 1

29. Рентгенодилатометрические температурные исследования внутренних напряжений стенок труб паровых котлов А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 44.

30. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2-х кн. Гоулдстейн Дж., Ньюберри Д., Эплин П. и др. М.: Мир, 1984, Кн. 1-303 с кн. 2 3 4 8 с.

31. Шабер О. //Приборы и методы физического металловедения. Вып 2. М.: Мир, 1974. 65-130.

32. Салтыков А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970.-376 с. Зб.Гинье А. Рентгеновская кристаллография. М.: Физматгиз, 1962. 602с.

33. Жданов Г.С. Основы рентгеноструктурного анализа. М.: Гостехиздат, 1940.-446 с.

34. Акользин П.А. Гуляев В.Н. Коррозионное растрескивание аустенитных сталей. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 271 с.

35. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод)- Издание 3-е, перераб. И доп..Издательство НПОЦКТИ, СПБ. 1998. 256с.

36. Бескоровайный Н.М., Беломытцев Ю.С., Абрамович М.Д., Иванов В.К., 117

37. Ковалева Л.А., Куманин В.И. Оценка жаропрочности методом прецизионого определения плотности. М.: НИИинформтяжмаш, 1976.-76с

38. Антикайн П.А. Длительная прочность металла долго работавшего паропровода как критерий эксплуатационной надежности. Теплоэнергетика. 1999. JY25 64.

39. Минц И.И., Воронкова Л.Е. К вопросу о возможности временной эксплуатации поврежденных порами ползучести гибов паропроводов тепловых электростанций Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. №8. 21.

40. Гофман Ю.М. Изменение структуры и свойств стали 20 при высоких температурах Металловедение и термическая обработка металлов. 1971.-№11.-С.63-65.

41. Гофман Ю.М., Лосев Л.Я. Порообразование в металле, работающем при повышенных температурах под напряжением Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. №4. 43 45.

42. Дубов А.А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. №9. 35 39.

43. Пудовиков Е.И., Застава А.П., Кузьмичев Б.П., Посысаева Л.В., РТльющенкова П.Ю., Лазарев В.Л. Диагностика деталей электроподвижного состава метрополитена Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. №5. 33 44.

44. Lyubimova L.L, Tashlykov А.А. Roentgenometrical detection of weakening pipe steel signs The ninth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientist "Modem Techniques and 118

45. Влияние структурной неоднородности металла на язвенную коррозию труб паровых котлов А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 45.

46. Conobeevski S.T.// Ann. Physic. 1936. V. 26. P. 97. 51.3убенко B.B., Уманский MM.// Кристаллография. 1957. Т. 2. 508.

47. Стали и сплавы для высоких температур: Справ, изд. В 2-х кн. Кн. 1./С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова-М.: Металлургия, 1991. 383 с.

48. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Влияние факторов микроструктурной повреждаемости на опрессовку стальных труб Материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2003. Т. 1. С 192-196.

49. Изменение внутренних напряжений в стенках труб паровых котлов при пластическом деформировании А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 35.

50. Механоциклические исследования образцов труб перспективной стали Ди-82-Ш для пароперегревателей энергетических котлов А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, А.А. Материалы технической докладов одиннадцатой «Энергетика: Макеев и др. научно- Всероссийской экология, конференции надежность, безопасность». Томск: Изд-во ТПУ, 2005. 236.

51. Микродилатометрические исследования образцов труб энергетических котлов из новой стали Ди-82-Ш А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, одиннадцатой А.А. Макеев и др. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции 119