автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование и оценка технического состояния стационарных котлов на основе выявленных закономерностей изменения пластичности металла в околошовной зоне сварных соединений

На правах рукописи

Зимина Виктория Анатольевна

УДК 621.791. [.052: 539.4].001.24

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2004

Работа выполнена в ЗАО "НПО "Техкранэнерго", г. Владимир, и Владимирском государственном университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В. В. Козырев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. В. Белевич, Владимирский государственный университет

кандидат технических наук, В. А. Шабаев, ОАО "НИПТИЭМ"

Ведущее предприятие

Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор)

Защита состоится декабря 2004 г. в

часов

на заседании диссертационного совета Д.212.025.05 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан ноября 2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

С. И. Малафеев

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в России и других странах увеличивается доля основных фондов, отработавших свой нормативный срок службы. Например, по данным Госгортехнадзора России, более 40 % магистральных трубопроводов эксплуатируются свыше 20 лет, износ основных фондов химической и нефтехимической промышленности достиг 70 %. В теплоэнергетике неуклонно увеличивается доля оборудования, которое отработало расчетный ресурс эксплуатации, заложенный при его проектировании. Уже отработали свой нормативный срок службы более 84 % эксплуатируемых грузоподъемных кранов и 60 % лифтов. При существующих темпах обновления парка оборудования к 2005 году доля объектов с истекшим сроком службы может превысить 90 %

Учитывая необходимость обеспечения промышленной безопасности всего комплекса опасных производственных объектов, Правительство Российской Федерации приняло в марте 2001 года Постановление № 241 "О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации", согласно которому Госгортехнадзору России было поручено организовать работу по развитию и внедрению системы контроля, позволяющей осуществлять экспертизу промышленной безопасности и проводить техническое диагностирование без нарушения пригодности к дальнейшему применению и эксплуатации проверяемых технических устройств, оборудования и сооружений (неразрушающий контроль), для принятия решения о продлении срока их безопасной эксплуатации на опасных производственных объектах (определение остаточного ресурса) на территории РФ,

Для обоснования продления срока безопасной эксплуатации оборудования, согласно Письму Управления Верхне-Волжского округа от 19.12.2002 г., необходимо разработать методики оценки остаточного ресурса потенциально опасных объектов.

Решение этих вопросов является актуальной задачей, имеющей как теоретическую ценность, так и большой практический интерес.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности эксплуатации котельного оборудования на основе совершенствования методики определения остаточного ресурса стационарных котлов.

Для достижения поставленной цели сформулирована научная задача: выполнить анализ и установить зависимости информативных параметров, определяющих остаточный ресурс металла котельного оборудования, и на основе выявленных закономерностей разработать методику определения срока службы оборудования.

Научная задача включает в себя следующие вопросы:

- выбор параметра, определяющего техническое состояние оборудования;

- определение возможности оценки значения пластичности металла сварного соединения неразрушающим способом

1 П»ОС. НАЦИОНАЛЬНА* «ИММОТЕКА

«Щ5,

- установление причины разброса значений относительного удлинения образцов металла;

- разработка методики определения остаточного ресурса сварного соединения котельного оборудования на протяжении всего периода эксплуатации с использованием выявленных закономерностей.

Методы исследования.

В работе применялись экспериментальные и теоретические методы исследования. Исследования проводились на основе теории планирования эксперимента и методов математического моделирования. Обработка результатов осуществлялась с использованием методов математической статистики, а также компьютерных программ (Mathcad, Ecxel).

Образцы подвергались растяжению на разрывной машине марки ИР-200, твердость измерялась на твердомере Роквелл ТК14-250, а также твердомером электронным малогабаритным переносным ТЭМП 3.4271-ООЗПС.

Процентное содержание углерода определялось методом кулонометрическо-го титрования на экспресс-анализаторе АН 7560.

Для отдельных исследований химсостава привлекалось химическое оборудование Центрально-заводской лаборатории ОАО "Владимирский тракторный завод".

Научная новизна работы состоит в том, что впервые предложена методика оценки остаточного ресурса сварных соединений по изменению пластичности металла, разработан способ определения ресурса пластичности косвенным методом с учетом содержания углерода в металле.

Практическая ценность работы заключается в создании методики объективной оценки реального состояния сварных соединений объектов, подконтрольных Ростехнадзору. Предлагаемая методика позволяет продлять срок безопасной эксплуатации за пределами установленного ресурса оборудования.

Разработанную методику возможно практически применить также для расчета остаточного ресурса паровых и водогрейных котлов, технологических трубопроводов, так как для этих видов оборудования в нормативно-технической документации зафиксировано предельно допустимое значение относительного удлинения металла. Для других видов оборудования возможно дальнейшее экспериментальное или расчетное определение критического значения относительного удлинения металла сварного соединения.

Результаты исследования реализуются в ЗАО "НПО "Техкранэнерго" в качестве методики экспертизы и оценки технического состояния котлов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной докладывались и обсуждались на всероссийских семинарах "Нормы расчета на прочность и определение остаточного ресурса объектов котлонадзора" (г. Владимир, 2002 г., 2003 г.), "Совершенствование деятельности по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов котлонадзора и подъемных сооружений" (г, Владимир, 2003 г.), на X научно-практической конференции

"Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), научных семинарах ВлГУ (2004 г.)

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

- оценка пластичности металла сварного соединения косвенными методами,

- установление устойчивой зависимости значений относительного удлинения от значений твердости с учетом содержания углерода в металле;

- положения методики определения остаточного ресурса сварного соединения котельного оборудования во всем периоде эксплуатации

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений.

Обший объем работы — 143 страницы машинописного текста, включающего 19 рисунков, 12 таблиц. Список использованной литературы содержит 108 наименований. Приложение объемом 51 страницу содержит таблицы экспериментальных данных, примеры практических поверочных расчетов и расчетов остаточного ресурса котельного оборудования, акты внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность оценки остаточного ресурса потенциально опасного оборудования, обусловленная необходимостью оценки достоверного срока его эксплуатации до наступления предельного состояния, что связано с реальной возможностью предотвращения человеческих жертв и экономического ущерба.

Сформулирована цель исследования, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, дана краткая аннотация глав.

В первой главе рассмотрены существующие подходы к оценке остаточного ресурса оборудования, сложившиеся в различных областях промышленности, определено место данной работы в решении проблемы, поставлена задача исследования.

Оценка остаточного ресурса рассматривается как процедура определения времени (наработки), в течение которого, с определенной вероятностью, техническое состояние оборудования не достигнет предельных значений.

Анализируя представления об остаточном ресурсе, можно выделить следующие общие тенденции:

- переход от вероятностных методов оценки ресурса, основанных на статистике отказов, к оценке индивидуального ресурса стареющего оборудования на основе комплексного подхода, сочетающего результаты разрушающего и нераз-рушающего контроля с поверочными расчетами на прочность,

- переход от дефектоскопии к методам технической диагностики, основанным на сочетании методов механики разрушений, металловедения и неразрушающе-го контроля;

- осознание необходимости 100-процентного обследования стареющего оборудования в целях определения потенциально опасных зон.

Методики расчета остаточного ресурса можно условно разделить на три группы:

- методики расчета по скорости коррозии металла;

- методики расчета на усталость металла;

- методики расчета узлов оборудования, работающего в условиях ползучести.

Оценка остаточного ресурса оборудования относится к числу инженерных задач и может решаться только в связи с конкретной спецификой объекта. Выбор параметра технического состояния, по которому ведут расчет остаточного ресурса, представляет собой нетривиальную задачу, для решения которой требуются достоверные знания особенностей процессов деформирования и разрушения материалов в заданных условиях нагружения.

Составлением методик по определению остаточного ресурса потенциально опасного оборудования занимались и занимаются в настоящее время такие ведущие отечественные институты и специализированные организации, как ВНИИТМАШ, ЦКТИ, АО "Нефтемонтаждиагностика", ГУП "Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России". Каждая из рассмотренных методик, наряду с внесением конкретного вклада в проблему определения ресурса потенциально опасного оборудования, имеет ряд недостатков, например, ни в одной из них не обращается внимания на состояние металла сварного соединения как места с нестабильными механическими свойствами. Поэтому необходим новый подход к оценке ресурса, основанный на надежности сварных соединений оборудования.

Наиболее информативными параметрами для прогнозирования остаточного ресурса сосудов и аппаратов являются измеряемые величины возникающих повреждений (глубина коррозии, величина эрозионного или механического износа, деформации ползучести), число циклов нагружения сосудов, а также физико-химические характеристики материалов.

Согласно проанализированным в первой главе исследованиям можно утверждать, что если исходить не из теоретического состояния металла и механических характеристик, присущих ему еще до изготовления изделия, а из сравнения характеристик в момент окончания проектного ресурса, то оказывается, что значительная часть объектов может успешно эксплуатироваться и по исчерпанию расчетного ресурса.

Сформулирована задача исследования: разработать методику косвенной оценки (неразрушающим методом) технического состояния котлов, исчерпавшего проектный ресурс.

Во второй главе исследованы свойства зоны термического влияния как составной части сварного шва. Нагрев и охлаждение металла в околошовных участках отличаются от обычной термообработки металлов кратковременностью теплового воздействия и нагревом металла до высоких температур вплоть до

температуры плавления Такая своеобразная термическая обработка при сварке вызывает различные структурные изменения металлов и сплавов, оказывая влияние на свойства металла в околошовных участках Зона термического влияния (ЗТВ) - составная часть сварного соединения, поэтому ее свойства влияют на общую несущую способность Микроструктура металла ЗТВ связана с особенностями процессов, проходящих при сварке Схематично эти процессы представлены на рис 1 На участке ЗТВ, нагреваемом от температуры 500° С до температуры несколько ниже АС1 (723 °С) и называемом участком рекристаллизации, наблюдается разупрочнение металла На этом же участке имеет место снижение пластичности, главным образом, ударной вязкости, что связывают со старением или дисперсионным твердением

Послв сварки и высокого отпуска

Рис 1 Схема строения сварного шва малоуглеродистой стали

Данные лаборатории ЗАО «НПО «Техкранэнерго» свидетельствуют о том, что более чем в 50 % испытаний на разрыв образцов со сварным швом местом разрыва является разупрочненная зона рекристаллизации.

Для всех деталей в первую очередь важно, чтобы их сварные соединения обладали стойкостью против хрупкого разрушения. Основной и решающей динамической характеристикой материала, определяющей склонность к хрупкому разрушению, является ударная вязкость, которую измеряют при разрушении надрезанных образцов. В зоне термического влияния величина ударной вязкости обычно понижается.

Кроме возникновения зон с пониженной сопротивляемостью хрупкому разрушению в результате сварки, возможно появление таковых и в процессе эксплуатации. К числу основных видов охрупчивания, возникающих при эксплуатации конструкций, относятся:

а) тепловая хрупкость, обусловленная сегрегацией вредных примесей типа фосфора и его химических аналогов и выделением карбидов по границам зерен при длительном воздействии повышенных температур (150-500 °С);

б) водородная хрупкость, вызванная воздействием водорода и водородосо-держащих газовых и жидкостных сред;

в) деформационное старение в зонах конструкции, испытывающих малоцикловую усталость и статическую или циклическую перегрузку в результате накопления при пластической деформации дефектов кристаллической решетки типа дислокаций и последующего закрепления их атомами внедрения типа углерода и азота;

г) сульфидное растрескивание, обусловленное влиянием сульфидосодержа-щих составляющих в жидкой и газовой средах;

д) коррозионное растрескивание под напряжением, вызванное одновременным воздействием механических нагрузок и электрохимических процессов коррозии;

е) хлоридное растрескивание, связанное с присутствием в жидкой фазе ионов хлора.

Проведено исследование стыкового шва, выполненного дуговой сваркой с валиком, где 8 - ширина листа, g - высота валика, е — ширина валика (рис. 2), именно таким образом сварены обечайки стационарных котлов.

Рис. 2. Сварной шов встык с валиком

Валик сварного шва увеличивает сечение образца в месте сварки и рассматривается как способ повышения прочности. Казалось бы, сварное соединение встык с валиком шва не должно представлять опасности с точки зрения концентрации напряжений, но данные исследования свидетельствуют о том, что это не соответствует действительности - коэффициент концентрации напряжений Ко в зоне термического влияния, в зависимости от условий сварки, колеблется от 1,25 до 1,6.

Полученные зависимости представлены на рис. 3, из которого видно, что Ко зависит от размеров валика сварного шва: чем он выше (до 0,5 толщины листа) и шире (до 1,6 толщины листа), тем больше коэффициент концентрации напряже-

Рис. 3. Влияние толщины свариваемого листа, высоты и ширины валика сварного шва на коэффициент концентрации напряжений

Расчеты показали, что влияние дефектов сварки и необработанного сварного шва на значение действующих напряжений существенно, а это может привести к возникновению микротрещин и дальнейшему разрушению конструкции.

Это обстоятельство свидетельствует о закономерной необходимости контроля пластических свойств металла, особенно в зоне термического влияния сварки, что позволит достоверно судить о надежности оборудования в условиях эксплуатации.

Так как надежность материала (сочетание прочностных и пластических свойств) определяется запасом вязкости, как ударной, так и статической, проведено исследование корреляции между этими величинами.

В качестве статической вязкости принимается произведение предела прочности в кгс/мм2 на относительное удлинение при разрыве в % (1ч,= <Ув' 3), назы-

нии.

ваемое критерием Лэнкфорда. Значения ударной вязкости (КСи) приняты по данным марочника сталей и сплавов под ред. В. Г. Сорокина - в Дж/см2.

Из сопоставления значений критерия Лэнкфорда и ударной вязкости видно, что корреляция между этими характеристиками действительно существует, однако разброс данных оказывается значительным. В результате обработки получено уравнение регрессии

КСи = 0,12 Кь-11,7,

величина достоверности аппроксимации

Причины недостаточной корреляции могут зависеть от температуры испытаний, чистоты поверхности в области надреза при нахождении ударной вязкости, точности установки образца на опорах, точности изготовления образца. Жесткость требований диктуется тем обстоятельством, что при изменении замеров нарушается закон подобия и результаты становятся ненадежными.

Но если от критерия Лэнкфорда перейти к критерию Беренова, называемому "работоспособностью" и учитывающему ход кривой разрушения, корреляция между значениями ударной и статической вязкости может стать более тесной.

Геометрически работоспособность выражается площадью под диаграммой растяжения, то есть означает так же, как ударная вязкость, работу, необходимую для разрушения единицы объема металла. Коэффициенты К1 и К2 учитывают действительную площадь под кривой зависимости деформации е, %, от напряжения о, МПа (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма ступенчатого растяжения Критерий Беренова выражается произведением:

где МПа - предел прочности металла, - относительное удлинение в

локальной области образования шейки сужения в процессе растяжения металла.

Использование для расчета срока эксплуатации значений критерия Беренова в целом, вероятно, является задачей будущего, так как необходимы наработки для него предельных значений. Так как в нормативной документации Ростехнад-

8

зора указаны значения, ниже которых нельзя допустить уменьшение пластичности, именно относительное удлинение используется в качестве параметра для определения остаточного ресурса потенциально опасного оборудования. К тому же в процессе эксплуатации, как правило, предел прочности и значения твердости металла не только не уменьшаются, но даже растут в результате старения, наклепа, а также начальной стадии усталости, что создает иллюзию благополучия. На самом же деле происходит снижение надежности из-за уменьшения запаса пластичности и ударной вязкости металла. Надежно измерить пластичность и вязкость металла можно при условии вырезки стандартных образцов, что крайне нежелательно, так как выводит оборудование из строя и создает опасность разрушения по вновь заваренным участкам. Оценка пластичности нераз-рушающим способом по измерению магнитных свойств и даже по измерениям твердости приводит к существенному разбросу данных, что не обеспечивает необходимой надежности. В диссертационной работе выдвинута гипотеза о том, что основная причина разброса значений относительного удлинения состоит в колебании содержания углерода в пределах одной марки стали.

В третьей главе экспериментально решена задача установления достаточно надежной корреляции между твердостью и значениями относительного удлинения 5.

Сопоставление текущего 5ф и минимально допустимого значений пластичности позволяет достаточно надежно оценить остаточный ресурс X (по скорости изменения относительного удлинения V):

Известно, что сварное соединение характеризуется определенной структурной неоднородностью, неоднородностью прочностных и пластических свойств по сечению, что снижает качество, надежность и долговечность сварных конструкций. Для получения надежных данных об относительной пластичности металла в околошовной зоне были выполнены следующие испытания. На разрывной машине растягивались пластинчатые сварные образцы с нанесенной на них сеткой, нагрузка прикладывалась ступенями так, чтобы образец получал заданное удлинение.

Фиксировалось усилие нагружения, полученное удлинение и твердость каждого участка. Определив удлинение Де , (в %), которое получили конкретные участки каждого образца на каждой ступени нагружения, вычислили запас удлинения в процентах, как разность между конечным относительным удлинением образца в результате разрыва 6 И относительным удлинением в каждой ступени нагружения Де По полученным данным была определена зависимость запаса удлинения от твердости и конкретного содержания углерода в металле.

Исследования проводились на сварных образцах из стали марки 20К по ГОСТ 5520-79* с фиксированным содержанием углерода в пределах данной марки: от 0,16% до 0,21%.

На каждой ступени удлинения фиксировалась твердость участков металла.

Обработка результатов эксперимента осуществлялась с использованием методов математической статистики.

Механические характеристики образцов и размеры рабочих частей представлены в таблице 1.

Таблица 1

Механические характеристики и размеры рабочих частей образцов

%с а« Ьо, и» Ь Р<В1 Рв, <»02, «в.

мм мм мм мм мм % Н Н МПа МПа

0,16 3,5 19?5 68,3 36 46?0 27,7 247 369 362 540

0,17 3,5 19;6 68,6 36 45,0 25,1 252 377 367 550

0,18 3,5 19,5 68,3 36 44,4 23,4 253 382 370 560

0,19 3,5 19,5 68,3 36 43,8 21,7 260 389 380 570

0,20 3,5 19,6 68,6 36 43,5 20,9 286 398 390 580

0,21 3,5 19,6 68,6 36 42,9 19,3 272 405 397 590

При статистической обработке результатов измерений принята доверительная вероятность Р = 0,95, коэффициент Стыодента I = 2,086 при числе измерений п = 20. По результатам измерений построены графики зависимости ресурса удлинения от твердости при различных значениях содержания углерода. Так же составлена компьютерная программа для расчета остаточного ресурса материала обечайки котла по ресурсу удлинения околошовной зоны.

Полученные данные отражены в графиках (рис. 5) зависимости ресурса удлинения от твердости при различных значениях содержания углерода.

В четвертой главе представлена разработанная методика определения остаточного ресурса сварного соединения котельного оборудования на основе выявленных закономерностей.

Настоящая методика разработана с учетом требований Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10-574-03), а также Методических указаний о техническом диагностировании котлов с рабочим давлением до 4,0 МПа (РД 34.17.435-95) (рис. 6).

Методика определяет необходимый перечень работ, испытаний и расчетов, позволяющих провести оценку остаточного ресурса стационарных котлов, основана на индивидуальной диагностике обследуемого котла неразрушающими методами контроля.

Остаточный ресурс определяется для котлов, если они:

- выработали установленный заводом-изготовителем расчетный срок службы;

- не имели установленного расчетного срока службы или расчетного ресурса и находились в эксплуатации 20 лет и более;

- временно находились при условиях нарушения режима эксплуатации на параметрах, превышающих расчетные (например, при аварии, пожаре).

Остаточный ресурс котлов устанавливается на основании технического диагностирования по программе, включающей в себя следующий комплекс работ:

- обследование технического состояния котла;

- исследование твердости и содержания углерода в металле;

- поверочный расчет на прочность на основании данных диагностики; прогнозирование остаточного ресурса котла;

- составление заключения.

У--1.8596Х+152,96

р*-о,9таз

у= -2,0914х +173,83 • й*-0,9909

у=-а,1935х+185,1 - И" = 0,9612 -

~ ~Г у=-2,1495* +183,45 ' • - - • 1^-0,9627 *

Г " ~ 7 ' у=-2,1436*+ 185,86

| П?-0,9796 У у»-2,2156к+1«>в7 '

Я"-0,9521 . <

Рио. 5. Графита иияшвот аяшшммю и—ши от теерлости при рми» го ииэдии овдцжиии умим

♦ 0.1ВКС

• 0,17%С

0,18%С

X 0,19%С

Ж 0,20 КС

• 0,21 К С

Линейный (0,1в%С)

Линейный (0,17% С)

Линейный (0,1 В К С)

Линейный (0,19 % С)

Линейный (0.20 К С)

Линейный (0,21% С)

Рис. 6. Схема определения остаточного ресурса потенциально опасных объектов

Техническое диагностирование, выполняемое для определения остаточного ресурса, должно проводиться во время плановых остановок объектов. Подготовку котлов к обследованию и необходимую безопасность при проведении работы обеспечивает предприятие-владелец.

Обследование производится с целью оценки технического состояния котла и включает в себя:

- изучение технической документации, условий эксплуатации, информации о

ранее проведенных ревизиях, выполненных ремонтах, имевших место причинах отказов;

- наружный осмотр;

- толщинометрия;

- дефектоскопия сварных соединений одним из методов неразрушающего контроля (ультразвуковой, магнито-порошковый, метод аккустической эмиссии);

- внутренний осмотр сварных швов, зачистка металла и замер твердости;

- отбор пробы металла в виде стружки из места наибольших показаний твердости.

Качество сварных швов считается удовлетворительным, если при обследовании не будет зафиксировано дефектов, превышающих допускаемые нормами Ростехнадзора и техническими условиями на изготовление.

Значения твердости металла основных элементов по данным измерения переносными приборами должны быть в следующих пределах: для сталей марок 10,20,20К и Ог3 - от 120 до 165 НВ.

При необходимости производится вырезка металла элеметов котла для определения состояния микроструктуры и прочностных характеристик.

Структура металла по результатам металлографических исследований по вырезкам, сколам, репликам не должна иметь аномальных изменений по сравнению с требованиями к исходному состоянию.

Механические свойства, определенные при комнатной температуре на образцах, полученных из вырезок металла основных элементов котла, должны удовлетворять следующим требованиям:

- прочностные характеристики металла (временное сопротивление или условный предел текучести) не должны отличаться более чем на 5 % в меньшую сторону от значений, регламентироварных действующими нормативными документами;

- отношение условного предела текучести к временному сопротивлению металла не должно превышать 0,75 для углеродистых статей и 0,8 для легированных сталей;

- относительное удлинение не должно быть менее 16 %;

- ударная вязкость на образцах с острым надрезом должна быть не менее

25 Дж/см2, более 16 мм и не менее 20 Дж/см2 для элементов с толщиной стенки менее 16 мм.

Результаты обследования технического состояния котла должны быть отражены в заключении.

По результатам диагностики проводится поверочный расчет с указанием возможных параметров работы оборудования.

Прогнозирование остаточного ресурса производится только для объекта, техническое состояние которого по результатам обследования оценивается как удовлетворительное и поверочный расчет по данным диагностики указывает на возможность дальнейшей эксплуатации котла.

Определение остаточного ресурса котла производится косвенным методом по данным оценки пластичности металла сварного соединения обечайки. Расчет ведется по результатам измерений значений твердости переносным твердомером.

Для расчета необходимы следующие данные:

- время эксплуатации Т, лет;

- измеренная твердость околошовной зоны сварного соединения (выбирается наибольшее значение);

- содержание углерода (определяется по стружке, взятой с места определения наибольшей твердости).

Этапы определения остаточного ресурса.

1. Максимальное значение остаточного удлинения бщах выбирается, исходя из содержания углерода в металле по таблице 2 (составленной по данным эксперимента).

Таблица 2

Максимальное значение остаточного удлинения в зависимости от содержания

углерода

Содержание углерода, %С 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21

Максимальное удлинение, 27,7 25,1 23,4 21,7 20,9 19,3

2. Минимальное значение остаточного удлинения 5тт= 16 %.

3. Исходя из содержания углерода и значений твердости, по одному из графиков (рис. 5) определяется изменение пластичности 5тах - 5ф.

4. Определяется скорость исчерпания пластичности V = (бщад- 5ф)/Т.

5. По результатам фактической пластичности 8ф определяется остаточный ресурс Тост = (Зр-ЗщщУУ.

В приложении приведены примеры практических поверочных расчетов и расчетов остаточного ресурса котельного оборудования согласно действующей нормативно-технической документации, а также с применением предлагаемой методики.

Расчеты проведены в лаборатории надежности ЗАО "НПО "Техкранэнерго" (свидетельство № 687 / 9 ВЦСМС, действительно до 6 июня 2006 года), а также в ООО "Центр технической диагностики, экспертизы и сертификации" (г. Нижний Новгород), о чем свидетельствует приложенный акт внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в настоящей диссертационной работе, позволили получить следующие основные результаты.

1. На основании сравнения статистических данных технического состояния потенциально-опасного оборудования в момент начала эксплуатации и в момент окончания установленного ресурса можно сделать вывод о том, что значительная часть объектов может успешно эксплуатироваться и по исчерпании расчетного срока службы.

2. Анализ существующих методик для определения остаточного ресурса показал, что ни одна из них в должной мере не учитывает механические характеристики металла оборудования, изменяющиеся в процессе эксплуатации.

3. Впервые предложена методика, основанная на уменьшении важнейшего механического свойства - пластичности металла сварного соединения.

4. Для реализации идеи контроля состояния металла без разрушения впервые предложен способ определения остаточной пластичности косвенным методом -измерением твердости переносным твердомером.

5. Экспериментально установлена линейная зависимость относительного удлинения от твердости металла с учетом содержания углерода:

изменение пластичности бщщ - = -1,9HRB + 153,'если содержание углерода в металле - 0,16%; изменение пластичности бщ,, - бф » -2,1 HRB + 174, если содержание углерода в металле - 0,17 %; изменение пластичности 6Ш< - 8ф - -2,2HRB +185, если содержание углерода в металле - 0,18 •/., изменение пластичности - 6ф = -2,1HRB +183, если содержание углерода в металле - 0,19 •/.; изменение пластичности 8и„ - 0ф = -2,1HRB +186, если содержание углерода в металле - 0,20 %; изменение пластичности - 6ф= -2,2HRB +194, если содержание углерода в металле - 0,21 %. Величины достоверности аппроксимации составляют соответственно: R1 = 0,97, R1 - 0,99, RJ = 0,98, R2 = 0,96, R2 - 0,98, R1 = 0,95.

6. Результаты проведенных исследований апробированы и успешно используются с 2003 г. на предприятиях НЦТД (г. Нижний Новгород) и ЗАО «НПО «Техкранэнерго» (г. Владимир).

7. Разработанная методика реализуется в ЗАО «НПО «Техкранэнерго» при проведении экспертизы и оценке остаточного ресурса котлов. Методика позволяет определять остаточный срок службы объектов в конкретном количестве лет, а не в оставшемся количестве циклов, зачастую более 1000, согласно РД 34.17.435-95 (что для котлов, работающих в режиме 2-4 цикла в год, представляется некорректным).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Иванов Г. П., Худошин А. А., Зимина В. А. Влияние усталостной коррозии на долговечность сварных соединений// Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 10. - С. 23-25.

2. Иванов Г. П., Худошин А. А., Зимина В. А. О расчете стальных сосудов, работающих при низкой температуре//Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 1. - С. 23-25.

3. Худошин А. А., Зимина В. А. О коэффициенте прочности сварного шва// Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 2 - С. 20-22.

4. Худошин А. А., Панфилов В. А, Зимина В. А. Расчет по несущей способности котлов, имеющих вмятины //Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 4 - С. 25-27.

5. Худошин А. А., Панфилов В. А., Зимина В. А. О прогнозировании остаточного ресурса котельного оборудования на основании запаса пластичности// Безопасность труда в промышленности. - 2004. -№ 5. - С. 45-47.

Личный вклад автора в опубликованных работах:

[1] - проведение теоретического обоснования зависимостей усталости от корро-

зионного повреждения и обезуглероженного слоя металла оборудования;

[2] - проведение теоретических исследований связи ударной вязкости KCU и

коэффициента запаса прочности п для различных марок чугуна и стали;

[3] - проведение анализа нормативных документов, предписывающих выбор

коэффициента учета сварного шва;

[4] - разработка методики быстрой оценки механических свойств металла без

вырезки образцов;

[5] - теоретическое и экспериментальное обоснование методики по определе-

нию остаточного ресурса на основе запаса пластичности металла.

Подписано в печать 12.11.2004. Формат 60x84/16. Бумага для множительной техники. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,02. Тираж 100 экз. Заказ №49 от 12.11.2004.

Отпечатано в ООО "Издательство "Посад" г. Владимир, ул. Дворянская, 27а. Тел.: (0922) 29-78-87,24-47-65

№2 6 5 6 8

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СРОКА СЛУЖБЫ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. V/

1.1. Задачи и методы обеспечения надежности функционирования потенциально -опасных объектов.^

1.2. Определение остаточного ресурса оборудования на основе контроля за состоянием металла.

1.3. Анализ современных методик оценки срока службы объектов, отработавших проектный срок службы.

Выводы, постановка задачи и определение методов исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНФОРМАТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РЕСУРС МЕТАЛЛА

КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1. Анализ эксплуатационных свойств и характеристик металла сварного соединения . .4з

2.2. Исследование методов определения пластической деформации. Зависимость ударной и статической вязкости металла.

2.3. Определение надежности сварного шва, расчета и материала.во

2.4. Исследование распределения напряжений в зоне сварного шва, возникающих в результате температурно-деформационного воздействия.

Выводы.¥

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ.£г

3.1. Описание эксперимента.

3.2. Результаты исследования.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КОТЛА НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА.

4.1. Условия определения срока службы котельного оборудования.до

4.2. Задачи предварительного технического диагностирования.&

4.3. Прогнозирование остаточного ресурса.¿.'

При эксплуатации оборудования опасных производственных объектов все большее значение приобретают контроль их технического состояния и определение безопасного остаточного ресурса с учетом эксплуатационных повреждений [60]. Приближается время, когда значительная часть оборудования, подконтрольного Ростехнадзору, выработает заданный заводами - изготовителями ресурс. Вместе с тем, ситуация с финансированием многих муниципальных предприятий, эксплуатирующих котельные установки, трубопроводы, оборудование электростанций и т. п. оставляет желать лучшего. Однако, в полном соответствии с представлениями теории надежности и накопленным опытом вероятность отказов оборудования определяется спецификой процессов износа и их продолжительностью, то есть наработкой, а не сроком службы - календарным временем от ввода оборудования до текущего момента [1,,4]. Выработка срока службы сама по себе ничего не означает, если даже расчетный срок службы рассматривать в качестве назначенного ресурса. При нормальном техническом обслуживании и эксплуатации, например, котлов (коллекторы, барабаны) [1,2, 3], они должны надежно работать до наработки 500-600 тыс. часов. В течение такого же, как минимум, срока должны эксплуатироваться и основные элементы подконтрольных сосудов.

Указанные сроки учитывают то, что котлы, сосуды и трубопроводы относятся к ремонтопригодным объектам, и, следовательно, к системам с возобновляемым ресурсом. Сроки корректны для нормальных условий эксплуатации при нормальном техническом обслуживании, а так как на это при работе в течение 70-80 лет рассчитывать не приходится, то состояние оборудования должно подвергаться периодическому техническому освидетельствованию. Однако очевидно, что его содержанием должен быть не контроль за соответствием состояния объекта и свойств металла основных его элементов техническим условиям поставки, а организация и наблюдение за приближением состояния объекта в целом или его основных элементов к предельному. После достижения предельного состояния должны последовать мероприятия по замене или ремонту соответствующих элементов.

Решение этой задачи осложнено тем, что в представляемой заводами-изготовителями технической документации не указываются ни признаки предельного состояния объекта, ни предполагаемая наработка (ресурс).

Вместо них обычно указан срок службы, а недопустимым для дальнейшей эксплуатации объекта считается его состояние, при котором геометрические характеристики элементов или механические свойства их металла не отвечают требованиям технических условий поставки [1, 2]. Такой подход избавляет разработчиков и изготовителей от проведения должных исследований и перекладывает необходимость их проведения на потребителей заводской продукции, которые из-за разобщенности и недостаточной квалификации не в состоянии правильно формулировать задачи, и тем более их решать. Данные проблемы с успехом решают экспертно-диагностические организации, например, ЗАО "НПО "Техкранэнерго" (г. Владимир), проводя обследование оборудования по программам, рекомендуемым Ростехнадзором [97].

Отсутствие в технической документации заводов - изготовителей данных о предельном состоянии и ресурсе поставленного оборудования отрицательно сказывается на надежности его эксплуатации. Определение предельного состояния и ресурса не равнозначные по сложности задачи. Само по себе понятие предельного состояния как "состояния объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация по соображениям безопасности или экономичности нецелесообразна" [4] предполагает субъективную заданность этого состояния. В то же время, понятие "ресурс" предполагает, что существует некий монотонный физический процесс деградации объекта, основные параметры которого обязательно поддаются расчету.

В большинстве случаев предельное состояние достигается в результате кратковременных воздействий на основные элементы объекта, каждое из которых - следствие нарушения требуемых условий эксплуатации, не может быть спрогнозировано и не поддается расчету.

Возможно, достаточно указать в технической документации на главные признаки предельного состояния объекта или его составных элементов, тогда фактический ресурс каждого объекта может быть установлен в процессе наблюдения за изменением параметров предельного состояния и будет учитывать и технологические особенности изготовления оборудования, и специфику условий его эксплуатации. Такая постановка задачи требует разработки и внедрения систем наблюдения, нацеленных на своевременное выявление предельного состояния.

В соответствии с действующей нормативно-технической документацией в настоящее время считается недопустимой дальнейшая эксплуатация объекта, если какие-либо его характеристики (геометрические размеры, механический свойства металла) не отвечают требованиям технических условий поставки [68]. Такая постановка вопроса представляется недостаточно обоснованной. С одной стороны, разработчик и изготовитель задают в паспорте срок службы оборудования и, следовательно, предполагают, что в течение заданного времени происходит какой-то процесс, например, разупрочнение металла, который, естественно, начинает сказываться на его состоянии уже на следующий день после пуска. С другой стороны, действующая нормативно-техническая документация разрешает применение металла со свойствами на нижнем пределе допустимого. А такой металл из-за монотонной деградации уже через день или год, а не после срока службы, делает эксплуатацию объекта недопустимой. Отсюда следует, что параметры предельного состояния и требования технических условий поставки обязаны отличаться друг от друга.

Очевидно, что наиболее полной характеристикой надежности материала должен служить критерий, сочетающий в себе прочностные и пластические характеристики материала, неоднозначно изменяющиеся со временем эксплуатации.

При ударной нагрузке и для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температурах косвенной характеристикой пригодности служит нормативное значение ударного изгиба КСи или КСУ, например, не менее ЗОДж/см2 [68].

При статической ( или квазистатической) нагрузке ведется прочностной расчет по допускаемым напряжениям, которые определяются как отношение разрушающей нагрузки к заданному запасу прочности, то есть задаются допускаемые напряжения как доля от предела прочности Ов или предела текучести от [17]. Такие прочностные расчеты являются условными, так как не учитываются изменения, происходящие в металле в процессе эксплуатации. Время возможной эксплуатации в расчет не входит. Не учитывается прямо и изменение пластичности металла.

Следует отметить, что с целью недопускания резкого снижения пластичности, и как следствие, надежности стали при повышении твердости, введены ограничения верхнего и нижнего предела твердости (например, для сталей 10, 20, СтЗ-НВ 120-165, для 25К, 16ГТ, 16ГС, 12Х1М1Ф - НВ 130-170) [74] Если не требовалось в результате диагностики определять остаточный ресурс - такие ограничения были достаточными.

Менее известен принцип расчета остаточного ресурса по допускаемым деформациям [87]: £Раб < [е].

Предельная несущая способность деталей конструкций при вязком состоянии материала (при котором их разрушению предшествует существенная пластическая деформация) рассматривается как такая стадия их нагружения, после которой существенное изменение размеров происходит без значительного увеличения нагрузки. В ряде конструкций предельное состояние такого типа определяется наибольшими допустимыми остаточными перемещениями из условий сопряженной работы с другими узлами. Например, допустимая вытяжка диска турбомашины зависит от регламентируемых зазоров между ротором и корпусом. Образованию предельных состояний предшествует существенное упругопластическое перераспределение деформаций и напряжений, поэтому расчетное определение усилий, отвечающих предельным состояниям, требует решения соответствующих задач методами теории пластичности и способами сопротивления материалов.

Когда нагрузка от внешних воздействий Рраб создает состояние, не достигающее предельного для детали, то запас ее прочности определяют по формуле

Пд = С?пред/С)раб.

Но во многих случаях предельные и рабочие состояния деталей соответствуют упруго-пластическим стадиям деформирования, и деформации и напряжения непропорциональны усилиям. Поэтому запас прочности, вычисляемый по напряжениям или деформациям па = ©пред/ страб или пе = е прСд /е раб не равен п9.

Такой же физический смысл имеет и расчет на ползучесть по апл по заданному предельному удлинению [7, 67, 80, 81]. Этот принцип расчета открывает возможность не только оценивать надежность, но и прогнозировать остаточный ресурс оборудования.

Наиболее перспективны методы определения механических свойств металла по измерению твердости в конкретном материале, ориентированные на применение к конкретным сталям. Тем не менее, в таких испытаниях (по установлению связи значений твердости с пределом прочности о в, пределом текучести а т, относительным удлинением 5) разброс химсостава в пределах одной марки стали не учитывается.

Таким образом очевидно, что для уменьшения разброса значении с ц, о у,о в функции от твердости, необходимо конкретизировать условия эксперимента.

Другими словами, методика, учитывающая химический состав металла, позволяет обеспечивать стабильные условия для установления связи твердости с остальными механическими свойствами.

Для того, чтобы не только оценить пригодность и надежность конкретного оборудования, но и определить остаточный ресурс, предлагается учитывать, в первую очередь, относительное удлинение металла. В самом деле, по изменению предела прочности ст в ресурс не определишь, прочность может снижаться или расти, а по остаточным значениям пластичности, (выражаемой в относительном удлинении), оценка представляется возможной:

5 0™> [§]

Ресурс в данном случае рассматривается как время до исчерпания относительного удлинения 5 отп вплоть до минимально допустимых значений [5], регламентированных нормативно-технической документацией, например [74]. Реальную пластичность целесообразно определять неразрушающим методом контроля через твердость, но обязательно с учетом химического состава металла (содержания углерода).

Целью данной работы является разработка методики для определения остаточного срока службы стационарных котлов на любом этапе эксплуатации с использованием выявленной закономерности исчерпания пластичности.

Действующая нормативно-техническая документация [75, 76, 77, 78] предписывает контроль свойств не просто металла оборудования, а сварных швов, как участков с нестабильными механическими свойствами. Например, согласно принятым представлениям [25], разброс значений твердости в сварных соединениях достигает 20 %. У сварного шва и в зоне термического влияния свойства могут быть совершенно отличными от свойств основного металла уже в свежесваренном соединении [25, 49, 50]. Еще большие изменения происходят в них в процессе эксплуатации и даже простого старения. Поэтому определение остаточного ресурса по остаточной пластичности (относительному удлинению) целесообразно вести по зоне термического влияния сварных соединений, в чем и состоит суть предлагаемого исследования.

Работа является составной частью исследований по повышению надежности сварных и паяных соединений, выполняемых в ЗАО "НПО "Техкранэнерго", под общим руководством А. А. Худошина. о

Диссертация состоит из введения, обзора современного состояния и перспектив развития методов расчета, теоретических и экспериментальных исследований зависимостей параметров технического состояния, предлагаемой методики по определению остаточного ресурса котла на основе изменения пластичности металла, заключения и приложений.

Выводы

1. Выявлена закомерность уменьшения рассеивания значений относительного удлинения металла при условии учета содержания углерода.

2. Отработана возможность достоверной оценки пластичности металла сварного соединения косвенными методами (неразрушающий контроль). у = -1,8596х + 152,96 ф о 16 % С Я2 = 0,9723

30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 £ 20 8 19 г 18 I 17 5 16 « 15 В 14 ® 13 1 12 Ё 11 | 10 п 9 * 8 7 6 5 4 3 2 1 0

N . \ N \ V = 2.0914Х + 173,82

V И2 = 0,9909 ч \ у =, 2,1935х + 18

Щ1 \ п2 - 0,9812 ч

Ч у = - 2.1495х + 183.45

Ч ■ Н2 = 0,9627 ч 4 ^ ж У = -2, 1436х+ 18Ь,

I N И 2 = < 3 9798

4

Ч, в\ ч ж \ • N V = - 0 + 1Ш ЛК

В = и.уэ^т

Ч г г

•

Ч ж

А.ж\

-♦ - К V -Ч-Ч > к-Чг- •ч* -

86 0,17% С 0,18% С 0,19% С ж 0,20% С • 0,21 % С

-Линейный (0,16% С)

-Линейный (0,17% С) Линейный (0,18 % С) -Линейный (0.19 % С)

65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 Линейный (0,20 % С)

Твердость НРБ

Рис. 3.2. Графики зависимости относительного удлинения от твердости Линейный (0 21 % С) при различных значениях содержания углерода

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КОТЛА НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА

Настоящая "Методика." разработана с учетом требований Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10-574-03), а также Методических указаний о техническом диагностировании котлов с рабочим давлением до 4,0 МПа (РД 34.17.435-95).

Методика." определяет необходимый перечень работ, испытаний и расчетов, позволяющих провести оценку остаточного ресурса стационарных котлов, основана на индивидуальной диагностике обследуемого котла неразру-шающими методами контроля.

4.1 Условия определения остаточного срока службы котельного оборудования

Остаточный ресурс - продолжительность безопасной эксплуатации котла на допустимых параметрах от данного момента времени до его прогнозируемого предельного состояния. Прогнозирование остаточного ресурса осуществляется в единицах времени (годы).

Остаточный ресурс определяется для котлов, если они:

- выработали установленный заводом-изготовителем расчетный срок службы,

- не имели установленного расчетного срока службы или расчетного ресурса и находились в эксплуатации 20 лет и более,

- временно находились при условиях нарушения режима эксплуатации на параметрах, превышающих расчетные (например, при аварии, пожаре).

Остаточный ресурс котлов устанавливается на основании технического диагностирования по программе, включающей в себя следующий комплекс работ:

- обследование технического состояния котла,

- исследование твердости и содержания углерода в металле,

- поверочный расчет на прочность на основании данных диагностики, прогнозирование остаточного ресурса котла,

- составление заключения.

Определение остаточного ресурса котлов проводится организациями (или предприятиями) имеющими лицензию (разрешение) органов Ростехнадзора при обязательном участии лица, ответственного за безопасную эксплуатацию котла.

Техническое диагностирование, выполняемое для определения остаточного ресурса, должно проводиться во время плановых остановок объектов. Подготовку котлов к обследованию и необходимую безопасность при проведении работы обеспечивает предприятие-владелец.

Настоящая "Методика." не распространяется на котлы, для которых в силу конструктивных особенностей имеются специальные нормативные документы, регламентирующие порядок их работы.

4.2. Задачи предварительного технического диагностирования

Обследование производится с целью оценки технического состояния котла и включает в себя:

- изучение технической документации, условий эксплуатации, информации о ранее проведенных ревизиях, выполненных ремонтах, имевших место причинах отказов;

- наружный осмотр;

- толщинометрия;

- дефектоскопия сварных соединений одним из методов неразрушающего контроля (ультразвуковой, магнито-порошковый, метод аккустической эмиссии);

- внутренний осмотр сварных швов, зачистка металла и замер твердости;

- отбор пробы металла в виде стружки из места наибольших показаний твердости.

Качество сварных швов считается удовлетворительным, если при обследовании не будет зафиксировано дефектов, превышающих допускаемымые нормами Ростехнадзора и техническими условиями на изготовление.

Значения твердости металла основных элементов по данным измерения переносными приборами должны быть в следующих пределах: для сталей марок 10, 20, 20К и СтЗ - от 120 до 165 НВ.

При необходимости производится вырезка металла элементов котла для определения состояния микроструктуры и прочностных характеристик.

Структура металла по результатам металлографических исследований по вырезкам, сколам, репликам не должна иметь аномальных изменений по сравнению с требованиями к исходному состоянию.

Механические свойства, определенные при комнатной температуре на образцах, полученных из вырезок металла основных элементов котла, должны удовлетворять следующим требованиям:

- прочностные характеристики металла (временное сопротивление или условный предел текучести ) не должны отличаться более, чем на 5 % в меньшую сторону от значений, регламентированных действующими нормативными документами;

- отношение условного предела текучести к временному сопротивлению металла не должно превышать 0,75 для углеродистых сталей и 0,8 для легированных сталей;

- относительное удлинение не должно менее 16 %;

- ударная вязкость на образцах с острым надрезом должна быть не менее

2 2 2 2 25 Дж/см , (2,5 кгс/см ) более 16 мм и не менее 20 Дж/см , (2,0 кгс/см ) для элементов с толщиной стенки менее 16 мм.

Результаты обследования технического состояния котла должны быть отражены в заключении.

По результатам диагностики проводится поверочный расчет с указанием возможных параметров работы оборудования.

4.3 Прогнозирование остаточного ресурса

Прогнозирование остаточного ресурса производится только для объекта, техническое состояние которого, по результатам обследования, оценивается как удовлетворительное, и поверочный расчет по данным диагностики указывает на возможность дальнейшей эксплуатации котла.

Определение остаточного ресурса котла производится косвенным методом по данным оценки пластичности металла сварного соединения обечайки. Расчет ведется по результатам измерений значений твердости переносным твердомером.

Для расчета необходимы следующие данные:

- время эксплуатации Т, лет;

- измеренная твердость околошовной зоны сварного соединения выбирается наибольшее значение);

- содержание углерода (определяется по стружке, взятой с места определения наибольшей твердости).

Этапы определения остаточного ресурса.

1. Максимальное значение остаточного удлинения 8тах выбирается, исходя из содержания углерода в металле по таблице 2 (составленной по данным эксперимента).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в настоящей диссертационной работе, позволили получить следующие основные результаты.

1. На основании сравнения статистических данных технического состояния потенциально-опасного оборудования в момент начала эксплуатации и в момент окончания установленного ресурса можно сделать вывод о том, что значительная часть объектов может успешно эксплуатироваться и по исчерпании расчетного срока службы.

2. Анализ существующих методик для определения остаточного ресурса показал, что ни одна из них в должной мере не учитывает механические характеристики металла оборудования, изменяющиеся в процессе эксплуатации.

3. Впервые предложена методика, основанная на уменьшении важнейшего механического свойства — пластичности металла сварного соединения.

4. Для реализации идеи контроля состояния металла без разрушения впервые предложен способ определения остаточной пластичности косвенным методом — измерением твердости переносным твердомером.

5. Экспериментально установлена линейная зависимость относительного удлинения от твердости металла с учетом содержания углерода: изменение пластичности ômax - 0ф = -1,9HRB + 153, если содержание углерода в металле - 0,16 %; изменение пластичности ômax - 0ф = -2,1HRB + 174, если содержание углерода в металле - 0,17 %; изменение пластичности ômax - 0ф = -2,2HRB + 185, если содержание углерода в металле - 0,18 %; изменение пластичности ômax - 0ф = -2,1HRB + 183, если содержание углерода в металле - 0,19 %; изменение пластичности ômax - бф = -2,1HRB + 186, если содержание углерода в металле - 0,20 %; изменение пластичности ômax - бф = -2,2HRB + 194, если содержание углерода в металле - 0,21 %. Величины достоверности аппроксимации составляют соответственно: R2 = 0,97, R2 = 0,99, R2 = 0,98,

R2 = 0,96, R2 = 0,98, R2 = 0,95.

6. Результаты проведенных исследований апробированы и успешно используются с 2003 г. на предприятиях НЦТД (г. Нижний Новгород) и ЗАО НПО "Техкранэнерго" (г. Владимир).

7. Разработанная методика реализуется в ЗАО "НПО "Техкранэнерго" при проведении экспертизы и оценке остаточного ресурса котлов. Методика позволяет определять остаточный срок службы объектов в конкретном количестве лет, а не в оставшемся количестве циклов, зачастую более 1000, согласно РД 34.17.435-95, (что для котлов, работающих в режиме 2-4 цикла в год представляется некорректным).

Автор благодарит за научные консультации по теме диссертации профессора, доктора технических наук Иванова Г.П., кандидата технических наук Ху-дошина A.A., научного руководителя, профессора, доктора технических наук Козырева В.В.

1. Аксельрод М.А. Остаточный ресурс и надежность оборудования // Безопасность труда в промышленности. - 1994. — №3.-С. 37 — 39.

2. Аксельрод М.А. Основные составляющие системы эксплуатационной надежности // Безопасность труда в промышленности. — 1995. № 12.1. С. 26-28.

3. Аксельрод М.А. Эксплуатационные дефекты трубных систем теплоэнергетического оборудования // Безопасность труда в промышленности. -1996. — № 2. С. 23-27.

4. Аксельрод М.А. Основные типы деградации металла объектов котлонадзора // Безопасность труда в промышленности. 1995. — № 8. - С. 27-31.

5. Алешин Н.П. Работы МГТУ им. Н.Э.Баумана в области неразрушающего контроля материалов и изделий // Сварочное производство. 2003. - № 1. -С. 35-38.

6. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин В.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. - 464 с.

7. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. — М.: Энергосервис, 2001.-439 с.

8. Беленький Д.М., Вернези H.JI., Черпаков A.B. Изменение механических характеристик стыкового сварного соединения при упругопластическом деформировании // Сварочное производство. 2003. - № 10. - С. 3-5.

9. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. М.: Машиностроение, 1965. - 500 с.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Высшая школа, 1980. 974 с.

11. Быков В.А., Разов И.А., Художникова Л.Ф. Циклическая прочность судо-корпусных сталей. Л.: Судостроение, 1968. 216 с.

12. Гольденблат И.И., Копнев В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. — 374 с.

13. ГОСТ 27.002 89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М., Госкомитет СССР по стандартам.

14. ГОСТ 380-94. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Минск, Межгосударственный совет по стандартизации и сертификации.

15. ГОСТ 1050-88*. Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. М., Госкомитет СССР по стандартам.

16. ГОСТ 22762-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара. М., Госкомитет СССР по стандартам.

17. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М., Госкомитет СССР по стандартам.

18. ГОСТ 25859-83*. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. М., Госкомитет СССР по стандартам.

19. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытаний на ударный изгиб. М., Госкомитет СССР по стандартам.

20. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М., Госкомитет СССР по стандартам.

21. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М., Госко митет СССР по стандартам.

22. ГОСТ 5639-82*. Стали и сплавы. Методы выявления и определениявеличины зерна. М., Госкомитет СССР по стандартам.

23. ГОСТ 5520- 79*. Сталь листовая углеродистая низколегированная и легированная для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия. М., Госкомитет СССР по стандартам.

24. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Машиностроение, 1984. 216 с.

25. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976.-592 с.

26. Гуляев А.ГТ. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 542 с.

27. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластичной области по распре- делению твердости. М.: Машиностроение, 1971. — 286 с.

28. Дегтярев В.П. Пластичность и ползучесть машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1967. 130 с.

29. Дрейер Г. Учение о прочности и упругости. М.: Машиностроение, 1964. -416с.

30. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965.- 171 с.

31. Дубов A.A. Проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования // Безопасность труда в промышленности. 2003. - № 3. -С.46-49

32. Журавлев В.Н., О.И.Николаева. Справочник машиностроительных сталей. М.: Машиностроение, 1981. 548 с.

33. Зайцев Г.П., Смолич С.А. Определение параметров пластичности методом вдавливания конусов // Заводская лаборатория. 1950. -№11. -С. 10-12.

34. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Термическая обработка и свойства сварныхсоединений. Л.: Машиностроение, 1978. 367 с.

35. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979.-352 с.

36. Зубченко М. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение. 2001. — 671 с.

37. Иванов H.H. Сопротивление материалов. М Л.: ОГИЗ, 1933. - 482 с.

38. Иванов Г.П., Худошин A.A., Котельников B.C., Кадушкин Ю.В. Надежность материала в технических расчетах. Владимир, 2002. 423 с.

39. Иванов Г.П., Худошин A.A., Котельников B.C., Кадушкин Ю.В. -Надежность материала в прочностных расчетах. (Вопросы и ответы). Владимир, 2002. 298 с.

40. Иванов Г.П. Исследование несовершенной упругости металлов. Автореферат диссертации. Минск, 1973.

41. Кондрашов А.П., Шестопалов Е.В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений. М.: Атомиздат, 1977. 198 с.

42. Кудрявцев В.И. Материалы в машиностроении, т.2, Конструкционная сталь. М.: Машиностроение, 1967. -258 с.

43. Куфарев Г.Л., Дель Г.Д., Гольдшмидт М.Г. О методе исследования пластической деформации измерением твердости // Заводская лаборатория. — 1965.-№8.-С. 12-14.

44. Лахтин Ю.М., Рахштадт А.Г. Термическая обработка в машиностроении. М.: Машиностроение, 1980. -402 с.

45. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1979. 320 с.

46. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков- М.: Машиностроение,1979.-253 с.

47. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М.: Машиностроение, 1989. — 334 с.

48. Либовиц Г. Разрушение, т.4. М.: Машиностроение, 1977. 426 с.

49. Лупин В.А., Губин А.И. О дополнительном нормировании характеристик баллонов для обеспечения их безопасности // Безопасность труда в промышленности. 2003. - № 10. - С. 35-37.

50. Ляхович Л.С. Специальные стали. Минск: Вышейшая школа, 1985. -365 с.

51. Макаров Э.Л., Выборное А.П. Моделирование критериев трещиностой-кости для расчета надежности и ресурса сварных соединений из низколегированных и среднелегированных сталей // Сварочное производство. — 2003.- № 1.-С. 7-11

52. Макаров Э.Л., Куркин A.C., Выборное А.П., Сухарев С.Н. Программный комплекс для оценки надежности и остаточного ресурса сварного соединения // Сварочное производство. 2001. - № 10. - С. 4-8.

53. Махутов H.A., Шаталов A.A., Лепихин А.М., Москвичев В.В., Черняев А.П. Методические аспекты оценки остаточного ресурса оборудования потенциально опасных промышленных объектов // Безопасность труда в промышленности. 2002. -№ 11.-С. 19-23.

54. Медведев С.Ф. Циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1961. -187 с.

55. Методические указания по проведению поверочных расчетов котлов и их элементов на прочность. АОЗТ "ДИЭКС", М., 1996.

56. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния. М., 1993.

57. Методика определения остаточного ресурса технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств (МОООР 98). Волгоград, 1998.

58. Методика оценки остаточного ресурса технологических трубопроводов. (Согласовано с Горгостехнадзором РФ 24.07.96).

59. Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: Высшая школа. 1991. 326 с.

60. Нейбер Г. Концентрация напряжений. M.-JL: Гостхиздат, 1947. — 204 с.

61. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1974.-400 с.

62. Одесский П.Д., Кулик Д.В., Толмачева Н.В. О нормативных подходах к оценке свариваемости строительных сталей для металлических конструкций // Технология металлов. 2003. - № 3. - С. 20-26.

63. ОСТ 34-70-690-96. Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации. М., 1997.

64. ПБ 10-574-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. М.: ГУП "НТЦ "Промышленная безопасность", 2003.

65. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды. М.: ГУП "НТЦ "Промышленная безопас ность", 2003.

66. Погодин-Алексеев Г.И. Справочник по машиностроительным материалам, т.1. Сталь. М.: Машгиз, 1959. 908 с.

67. Проников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. -452 с.

68. Пашков П.О. Растяжение и разрыв металлов. Государственное издательство судостроительной литературы, 1952. 113 с.

69. РД 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов. М.: ГУП "НТЦ "Промышленная безопасность", 2001.

70. РД 34.17.435-95. Методические указания о техническом диагностировании котлов с рабочим давлением до 4,0 МПа. М., 1995.

71. РД 153-34.0-17.464-00. Методические указания по контролю и продлению срока службы трубопроводов II, III, IV категорий. М., 2001.

72. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды (с изменениями). АООТ "НПО ЦКТИ", 2000.

73. РД 153-112-017-97. Инструкция по диагностированию и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров. АО "Нефтемонтаж-диагностика", 1997.

74. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. М.: ГУП "НТЦ "Промышленная безопасность", 2002.

75. РД 26-6-87. Методические указания. Сосуды и аппараты стальные. Методы расчета на прочность с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек. М., 1987.

76. РД ЭО 0186-00. Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса сосудов, энергоблоков АЭС. М.: Концерн "Росэнергоатом", 1999.

77. РД 10-262-98. Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций. М.: СПО ОРГРЭС, 1999.

78. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. 486 с.

79. РУА 93. Руководящие указания по эксплуатации и ремонту сосудов и аппаратов, работающих под давлением ниже 0,07 МПа (0,7 кгс/см ) и вакуумом. М., 1993.

80. Руге Ю. Техника сварки. М.: Металлургия, 1984. 550 с.

81. Ривлин Ю.И., Короткое М.А., Чернобыльский В.Н. Металлы и их заменители. М.: Металлургия, 1973. 241 с.

82. Сараев Ю.Н., Полетика И.М., Козлов A.B., Кириллова Н.В., Никонова

83. И.В., Салько A.E. Влияние режима сварки на структуру, распределение твердости и механические свойства сварных соединений паропроводов // Сварочное производство. 2002. - № 8. - С. 3-8.

84. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

85. Сичиков М.Ф., Захаров Б.П., Козлова Ю.В. Определение предела текучести высокохромистых нержавеющих сталей методом вдавливания конусов // Заводская лаборатория. 1947. - № 7. - С. 21-22.

86. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.П. Материаловедение. М.: МИСиС, 1999. -600 с.

87. Склерометрия. Теория. Методика. Применение испытаний на твердость царапанием. М.: Наука, 1968. 216 с.

88. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. -639 с.

89. Сидорин И.И. Основы материаловедения. М.: Машиностроение, 1976. — 440 с.

90. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. М.: Металлургия, 1989. 194 с.

91. Танасиенко А.Г., Сунцов С.И., Дубов А.А. Контроль за оборудованием химического производства с использованием метода магнитной памяти металла // Безопасность труда в промышленности. 2003. - № 9. —1. С. 7-10.

92. Тихомиров А.А, Суслов А.Н. Сборник правил и нормативно-технических документов по котлонадзору. М.: Машиностроение, 1993. документов по котлонадзору. М.: Машиностроение, 1993. 543 с.

93. Трейер В.Н. Методологические основы науки о надежности и долговечности технических средств. Минск, 1973. 215 с.

94. Федеральный закон "О техническом регулировании" ( Принят Государственной Думой 15.12.2002 г.)9S

95. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов, т. 1. М.: Машиностроение, 1974.-472 с.

96. Федюкин В.К., Береговой В.А. Влияние термоциклической обработки на механические и теплофизические свойства металлических материа лов. С-П, 1992.-235 с.

97. Фролов В.В. Теоретические основы сварки. М.: Высшая школа, 1970. -592 с.

98. Хапонен H.A., Иванов Г.П., Абрамов В.Ф. Методика комплексного не разрушающего контроля стали у оборудования повышенной опасно сти // Безопасность труда в промышленности. -2001. № 8. - С. 34-36.

99. Хапонен H.A., Горшков Ю.П., Филичкин A.A. Оценка остаточного ресурса элементов котлов, сосудов и трубопроводов. — Безопасность труда в промышленности. — 2002. № 11. - С. 24-27.

100. Хевиленд Р. Инженерная надежность и расчет на долговечность. М.: Наука, 1966.-230 с.

101. Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов. М.: Машиностроение, 2002. 351 с.

102. Хромченко Ф.А., Лапа В.А., Калугин Р.Н. Диагностика и ресурс сварных соединений паропроводов ТЭЦ // Сварочное производство. 2001.- № № 7,9. С. 21 -25, с. 21 -23, с. 15-18.

103. Худошин A.A. Уравнение прочности // Бергколлегия. 2003. — № 1. -С.10-11.

104. Шапошников H.A. Механические испытания металлов. М.: Машгиз,1954.-621 с.

105. Энциклопедия. Машиностроение, т.2. Стали и чугуны. М.: Машиностроение, 2001. 702 с.