автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Научное обоснование, разработка и опытное внедрение новой нормативно-методической базы и системы мониторинга применительно к особо опасным энергетическим объектам

1. Аналитические исследования показателей надежности, безопасности и долговечности работы энергооборудования в условиях выработки индивидуального ресурса.

1.1. Аналитические исследования показателей долговечности работы энергооборудования на стадии выработки физического ресурса.

1.2. Аналитические исследования различных механизмов повреждаемости металла энергооборудования.В

1.2.1. Повреждаемость в условиях ползучести металла.

1.2.2. Микродеформации с точки зрения динамики дислокации.

1.2.3. Аналитические исследования процессов микродеформаций в образцах из стали 12Х1МФ.

1.2.4. Деформация механизма разрушения конструкций с точки зрения физической мезомеханики.

1.2.5. Производство энтропии и необратимость пластической деформации в элементах энергооборудования.

1.2.6. Волны пластической деформации.

2. Исследование по оценке эффективности действующей системы технической диагностики энергетического оборудования ТЭС.

2.1. Исследование причин повреждаем ости основных элементов энергооборудования ТЭС в прогрессе эксплуатации.

2.2. Исследование повреждаемости гибов трубопроводов в информационном поле существующей системы диагностики.

2.3. Исследование качественных и количественных показателей используемых методов диагностики паропроводов.

3. Разработка систем мониторинга и оперативной диагностики паротрубопроводов и литых корпусных деталей турбин.

3.1. Исследования и разработка интегральных признаков диагностирования, применительно к особо опасным энергетическим конструкциям.

3.2. Разработка системы мониторинга и оперативной диагностики прямых и гнутых участков паротрубопроводов [24].

3.3. Методика базового варианта измерения параметров фрактальных кластеров на паропроводах ТЭС.

3.4. Методика определения характеристик металла паропроводов в процессе эксплуатации и восстановительной термообработки [25].

3.4.1. Измерительный механизм метода.

3.4.2. Технические характеристики установки.

3.4.3. Принцип работы установки.

3.5. Система мониторинга и диагностики сложнопредельных конструкций паровых турбин по критериям фрактальных кластеров.

3.5.1. Конструкция счетно-интегрирующего устройства.

3.5.2. Принцип работы счетно-интегрирующего механизма.

3.5.3. Метод расчета параметров фрактальных кластеров.

3.5.4. Техническая характеристика счетно-интегрирующего устройства.

4. Аналитические, лабораторные и стендовые испытания образцов и натурных моделей для оценки скорости деградации металла при различных состояниях металла и различных механизмах его разрушения.

4.1. Исследование повреждаемости паропроводов по механизму пористости

4.2. Исследование поврежденности паропроводов по механизму ползучести и длительной прочности.

5. Экспериментальные натурные исследования по определению механизма разрушения гибов паропроводов из стали 12Х1МФ, работающих в условиях ползучести.

5.1. Условия проведения экспериментов.

6. Научное обоснование и разработка новых нормативно-технических документов для оценки состояния энергооборудования, отнесенного к особо опасным энергетическим объектам.

6.1. Общие положения.

6.2. Требования к организации работ исполнителям, к средствам и объектам, подлежащим оперативному, индивидуальному контролю и диагностике металла после выработки паркового ресурса в условиях ползучести.

6.3. Парковый ресурс.

6.4. Методы, объемы и сроки проведения оперативного, индивидуального контроля и диагностики.

6.5. Выбор критериев диагностирования при оперативном, индивидуальном контроле и диагностике паротрубопроводов.

6.5.1. Общие положения.

6.5.2. Апробация новых и оптимизация существующих критериев для контроля и оперативной диагностики металла паропроводов.

6.6. Методика построения математической модели деформационной устойчивости паропроводных сталей по характеристикам фрактальных кластеров

6.6.1. Теоретическая и экспериментальная апробация разработки.

6.6.2. Методика экспериментального и расчетного определения максимальных значений Kijc= Kic при С = Cmin, для стали 15Х1М1Ф (тт = 640 МПа)

6.6.3. Программный комплекс для расчета на ПЭВМ долговечности конструктивных элементов по параметрам фрактальных кластеров.

Выводы по диссертационной работе.

Среди ряда особенностей, характеризующих современный этап развития науки в области конструкционной прочности длительно работающего энергооборудования можно выделить три, непосредственно относящихся к тематике диссертационной работы.

Первая - это дифференциация и специализация, с одной стороны, и идущая независимо и параллельно интеграции - с другой, когда смыкаются между собой, казалось бы, различные области знаний.

Первая особенность возникла в значительной мере за счет -того, что энергооборудование, находящееся на стадии выработки физического ресурса уже по сути в состоянии предразрушения, переходит в последнюю стадию эксплуатации, которая может колебаться в значительных пределах. Эта особенность предопределяет изменения либо условий эксплуатации энергооборудования, либо условий проведения эксплуатационного контроля с тем, чтобы обеспечить необходимый уровень его надежности, безопасности и долговечности. В этом случае необходимо дифференцировать все элементы энергоблока по степени воспринимаемых нагрузок и контролируемых характеристик металла, которые наиболее полно отражают меру исчерпания рабочего ресурса на завершающей стадии эксплуатации.

Вторая особенность в избранном направлении заключается в необходимости коренного пересмотра существующей системы технического диагностирования энергооборудования, поэтапно переходя к автоматизированным, непрерывным системам контроля с мониторинга, позволяющим оперативно получать текущую информацию о всех изменениях, происшедших в металле под воздействием рабочих параметров пара, оперативно производить оценку остаточного ресурса паротрубопроводов и других конструктивных элементов.

Третья особенность касается ремонтно-профилактических и технологических мероприятий, способных оперативно регенерировать (восстанавливать) свойства металла износившихся узлов и деталей энергоблока, что способствует существенному получению дополнительного рабочего ресурса. Это самостоятельная обширная область знаний по комплексной восстановительной термообработке энергооборудования.

Еще одна особенность интеграции науки в области обеспечения конструкционной прочности металла является обеспечение принципа совместимости объектов, критериев и времени диагностирования с контрольно-диагностическим комплексом и системой ремонтно-профилактических работ по показателям его адаптации к самым сложным по форме конструктивным элементам, а также возможности получения информации по заданным критериям, съема информации в любом временном и температурном интервале.

В ближайшие годы в результате физического износа энергооборудования может быть выведено из эксплуатации более 60% установленных генерирующих мощностей. Это обстоятельство объясняется прежде всего длительным запроектным сроком его эксплуатации, нестационарностью режимов работы, несвоевременным проведением целевых профилактических и капитальных ремонтов с заменой износившихся узлов и деталей, а также отсутствием на ТЭС систем оперативной предупредительной диагностики металла, которые позволили бы своевременно давать информацию оперативному персоналу об изменениях, 5 происшедших в металле под воздействием штатных и «спонтанных» эксплуатационных факторов.

Таким образом, энергооборудование эксплуатируемое на завершающей стадии - стадии предразрушения, остаточный ресурс которого оценивается в 20-50 тыс. час, должно переходить в совершенно другую категорию особо опасных энергетических объектов (ООО) с индивидуальным ограниченным остаточным ресурсом.

Для этой категории оборудования должна быть своя нормативно-техническая база, которая бы учитывала необходимость проведения ремонтно-профилактических работ не в определенные планом сроки, а по фактическому состоянию.

Существующие в России и за рубежом исследования и разработки в рассматриваемой области знаний позволяют констатировать, что в мире накоплен уже значительный информационный и методический потенциал, использование которого может решить отдельные научно-технические задачи. Однако решение этой проблемы находится только в начальной фазе. В России и в странах СНГ доля энергооборудования, которое можно отнести к особо опасным энергетическим объектам составляет уже более 60%.

Актуальность работы подтверждается еще и тем, что в мировой практике также не существует комплексных систем оперативной диагностики энергооборудования, которые позволяли бы решать проблемы надежности, безопасности и долговечности энергооборудования, эксплуатируемого на стадии предразрушения по интегральным характеристикам металла.

Целью настоящей работы является обоснование, разработка и опытное внедрение нормативно-технической базы и систем мониторинга применительно к особо опасным энергетическим объектам электростанций.

Исходя из изложенного необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить комплексный анализ эффективности использования существующей нормативно-технической базы для диагностики тепломеханического оборудования. Разработать методику определения особо опасных энергетических конструкций на элементах ТЭС.

2. Обобщить механизмы и причины увеличивающейся доли отказов применительно к энергооборудованию, эксплуатируемому на стадии предразрушения.

3. Разработать интегральные признаки диагностирования.

4. Разработать аппаратуру и методики оперативной диагностики физико-механических свойств металла.

5. Уточнить взаимосвязь между параметрами фрактальной размерности и физико-механическими свойствами металла.

6. Разработать методические положения по эксплуатации систем оперативной диагностики мониторинга энергооборудования. Опробовать систему мониторинга в промышленных условиях ТЭС. 6

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

На основании проделанных аналитических, экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующие выводы по диссертационной работе:

1. Выполнен комплексный анализ эффективности использования существующей нормативно-технической базы для диагностики тепломеханического оборудования ТЭС, показавший, что после выработки паркового ресурса существенно изменяется механизм повреждаемости металла, начинают появляться «спонтанные» повреждения временные характеристики которых, зачастую, меньше времени межремонтного цикла. Необходима разработка и внедрение оперативных, непрерывных систем диагностики и мониторинга, позволяющие получать информацию о степени износа конструкций в период работы ТЭС.

2. Разработана методика определения особо опасных энергетических конструкций и особо повреждаемых зон, что позволяет существенно повысить точность диагностирования, так как повреждения зарождаются, в основном, в локальных зонах конструктивных элементов.

3. Обобщены механизмы и уточнены причины увеличивающейся доли отказов энергооборудования, эксплуатируемого на стадии выработки физического ресурса.

4. Разработаны интегральные признаки диагностирования применительно к тепломеханическому оборудованию ТЭС, базирующиеся на изменении параметров фрактальных кластеров.

5. Уточнена взаимосвязь между параметрами фрактальных кластеров и физико-механическими свойствами сталей типа 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.

6. Разработан контрольно-измерительный комплекс для диагностики и мониторинга трубных систем ТЭС и литых корпусных деталей турбин и крупной запорной арматуры.

7. Контрольно-диагностический комплекс апробирован и внедрен на Ставропольской и Невинномысской ГРЭС.

8. На электростанциях отрасли внедрены семь нормативно-технических руководящих документов^ разработанных автором, направленных на повышение надежности, долговечности и безопасности действующего энергооборудования.

137

1. Канцедалов В.Г., Берлявский Т.П., Гусев В.В. Комплексная система, оперативного ультразвукового контроля и диагностики энергооборудования. -Электрические станции, 1998, № 3.

2. Титлевич А.Д. Реализация программ модернизации оборудования и» продления срока службы действующих ТЭС в США. Энергетическое строительство за рубежом, 1986, № 1.

3. Злепко В.Ф., Канцедалов В.Г. Отраслевое информационное письмо ГНТУ Минэнерго СССР. Система интегральной оперативной диагностики состояния металла тепломеханического оборудования электростанций. М., 1990.

4. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972.

5. Саламов А.А. Увеличение срока службы электростанций (Великобритания). -Экспресс-информация. Сер. Теплоэнергетика за рубежом, 1986, вып.6.

6. Борисова В.И. и др. В кн.: Вопросы физики металлов и металловедения, Изд-во АН УССР, К., 1963.

7. Рашков Н., Ганцева М. Плотность на дислокации получения при единомерной пластичности деформации на железо. Хим.технолог.институт Соция, 1967 (1971). Вып. 14 №4.

8. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов (перевод с английского). «Машиностроение», М., 1964.

9. Бунин И.Ж. Концепция фрактального металловедения. Металлы, 1996, №6.

10. Ю.Котречко С.А., Мешков Ю.Я., Меттус Г.С. К вопросу о вязком и хрупкомсостоянии поликристаллических металлов. Металлофизика. 1990, Т.2., № 6.

11. Смирнов Б.М. «Физика фрактальных кластеров». М. Наука, 1991.

12. Синергетика и фракталы в материаловедении. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. М.: Наука, 1994.

13. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992.

14. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1981.

15. Иванова B.C., Шинявский А.А. Количественная фрактография и усталостные разрушения.-Челябинск, 1993.

16. Иванова B.C., Гуревич С.Е., Копьев И.М. и др. Усталость и хрупкость металлических материалов. М.: Наука, 1968.

17. Шанявский А.А. Синергетические аспекты фрактографического анализа эксплуатационных разрушений. М.: Наука. Металлы №6, 1996.

18. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Злепко В.Ф. Новые аспекты в теории и практике надежности энергооборудования ТЭС, вырабатывающего физический ресурс. Электрические станции №3, 2000.

19. Злепко В.Ф., Федосеенко А.В., Швецова Т.А. и др. Ресурс и надежность паропроводов ТЭС. Проблемы надежности металла энергооборудования ТЭС при техперевооружении и новом строительстве ТЭС. Белгород, 1999.

20. Костовецкий Л.Д. Прочность трубопроводных систем энергетических установок. «Энергия», Ленинградское отделение, 1973.

21. Механические свойства материалов под высоким давлением. Перевод с английского под общей редакцией акад. Л.Ф.Верещагина. «Мир», Москва, 1973.138

22. Куманин В.И., Гарбизова Н.Е., Киселева Т.В. Восстановительная термическая обработка после длительной эксплуатации при повышенных температурах. М.: НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1985. Вып.9

23. Берсенев А.П., Злепко В.Ф., Гусев В.В. и др. Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов котлов, турбин и трубопроводов ТЭС. (РД 153-341-17.421-98). М: ОрГРЭС.

24. Канцедалов В.Г., Злепко В.Ф., Берлявский Г.П. и др. Индивидуальный оперативный контроль и диагностика металла паропроводов ТЭС, выработавших парковый ресурс. Электрические станции, 1996, №4

25. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Оперативный метод определения характеристик металла паропроводов в процессе восстановительной термообработки. Энергетик №5, 1996

26. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Новый способ определения остаточной деформации ползучести сложнопрофильных конструкций энергооборудования электростанций. Электрические станции №8, 1997.

27. Туляков Г.А.Колесников, Скоробогатых В.Н., Гриневский В.В. Конструкционные материалы для энергомашиностроения. М.: Машиностроение, 1991.

28. Эксплуатационная надежность сварных соединений паропроводов и корпусного оборудования энергетических установок. Сборник научных трудов под редакцией к.т.н. Хромченко Ф.А. М.: Энергоатомиздат, 1989.

29. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

30. Тайра С., Отаки Р. Теория высокотемпературной прочности материалов. (Переводе японского). М.: Металлургия, 1986.

31. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Научное обоснование целевых перспективных программ продления срока службы физически изношенного оборудования устаревших ТЭС. Электрические станции №2, 1999.

32. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Мониторинг остаточного ресурса барабанов котлов ТЭС и барабанов сепараторов АЭС. - Электрические станции №5, 1999.

33. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Непрерывный ультразвуковой автоматизированный контроль и диагностика работающего тепломеханического оборудования. Электрические станции №7, 1995.

34. Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Гусев В.В. Индивидуальный оперативный контроль и диагностика металла паропроводов ТЭС, выработавших парковый ресурс. Электрические станции №5, 1996.

35. Берлявский Г.П., Канцедалов В.Г., Гусев В.В. Об эффективных средствах измельчения смерзшегося и крупнокускового топлива на тепловых электростанциях. Энергетик №2, 1999.

36. Берсеньев А.П., Злепко В.Ф., Резинский В.Ф., Гусев В.В. и др. Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов котлов, турбин и трубопроводов ТЭС (дополнение к инструкции 1994 г.). -М.: ОрГРЭС.139

37. Берсеньев А.П., Хапонен Н.А., Гусев В.В., Шельпяков А.А., Злепко В.Ф. и др. Методические указания о техническом диагностировании котлов с рабочим давлением до 4,0 МПа. -М.: ВТИ, 1996.

38. Берсеньев А.П., Хапонен Н.А., Гусев В.В., Шельпяков А.А., Злепко В.Ф. и др. Методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы сосудов, работающих под давлением. М.: ВТИ, 1998.

39. Лантух В.М., Гринь Е.А., Злепко В.Ф., Гусев В.В., Ермолов И.Н., Зеленцов Г.Н. Методические указания по проведению ультразвукового контроля сварных соединений центробежнолитых труб из сталей 15Х1М1Ф и 15ГС. М.: ВТИ, 1998.

40. Берсеньев А.П., Хапонен Н.А., Злепко В.Ф., Гусев В.В. и др. Сварка, термообработка и контроль при ремонте сварных соединений трубных систем котлов и паропроводов в период эксплуатации. НПО ОБТ, 1996.

41. Белый В.Е., Берсеньев А.П., Злепко В.Ф., Гусев В.В., Кижватов А.П. Котлы паровые и водонагревные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения. М.: НПП «Норма», 1999.

42. Берсеньев А.П., Гусев В.В., Хопонен Н.А. и др. Инструкция по контролю и продлению срока службы паропроводов из центробежных труб на тепловых электростанциях. РД 153-34.1-17.455-98. М.: 1999.