автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Обеспечение надежности необогреваемых элементов паровых котлов ТЭС с водной рабочей средой

На правах рукописи

БАЛАШОВ Юрий Васильевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕОБОГРЕВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОВЫХ КОТЛОВ ТЭС С ВОДНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДОЙ

Специальность 05.14.14 - «Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново — 2003

Работа выполнена в Уральском теплотехническом научно-исследовательском институте (УралВТИ).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Богачев В. А., доктор технических наук Копсов А. Я., доктор технических наук Ларин Б. М.

Ведущее предприятие -

АООТ «НПО ЦКТИ»

Защита состоится <3$»^К-ГЛ^АЛ 2003 г. в /О ч на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу:

г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корп.«Б», ауд. № 237.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу:

153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (0932) 38-57-12, факсы: (0932) 38-57-01, (0932) 41-60-56. E-mail: admin@tes.ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «ЛО> eJU^JlJkwSi г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.064.01 профессор, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Барабаны, гибы необогреваемых труб и коллекторы паровых котлов, внутренняя поверхность которых контактирует с водной средой (питательная или котловая вода, пароводяная смесь, насыщенный пар) являются наиболее опасными элементами паровых котлов. В процессе эксплуатации в них могут развиваться трещины того или иного происхождения.

Трещины щелочной хрупкости (коррозионное растрескивание) ранее были причиной многих разрушений барабанов при работе котлов, в т.ч. и с катастрофическими последствиями. Причины появления этих трещин были выявлены и в основном устранены в результате американских, немецких и отечественных (В.Н.Ноев и др.) исследований в тридцатые - сороковые годы XX в. В настоящее время такой тип повреждений металла барабанов на тепловых электростанциях встречается редко.

В 60-е годы на электростанциях СССР выявились массовые повреждения барабанов котлов высокого давления в виде коррозионно-усталостных трещин (далее - «типичных») у трубных отверстий, с тех пор они обнаруживаются регулярно.

При бесконтрольном развитии трещины в барабанах могут достигнуть размеров, превышающих критические - если не для рабочей температуры, при которой критические размеры достаточно велики, то для комнатной - и привести к полному разрушению барабана при гидроиспытании (что подтверждается зарубежной и отечественной практикой).

Трещины коррозионно-усталостного происхождения, развивающиеся в нейтральной зоне гибов необогреваемых котельных труб, были основной причиной их разрушений, произошедших на электростанциях. Эти разрушения гибов во время работы котла обычно сопровождаются большим выбросом среды, что обуславливает их особую опасность.

Коллекторы экранов и экономайзеров паровых котлов в процессе эксплуатации могут поражаться трещинами у трубных отверстий (аналогично повреждениям барабанов), что может порождать серьезные проблемы в связи с сложностью своевременного их обнаружения и мониторинга.

С целью выяснения причин и предотвращения повреждений барабанов котлов высокого давления в 60-70-е годы в СССР был выполнен беспрецедентный объем исследований, в которых участвовали ведущие отраслевые НИИ и наладочные организации (ЦКТИ, ЦНИИТМАШ, ВТИ, УралВ'ГИ, ОРГ-РЭС и его региональные отделения), заводы-изготовители, службы металлов энергосистем и др. Ряд важных исследований в этом плане был выполнен и в ФРГ, где повреждения барабанов у трубных отверстий также имели массовый характер. Исследования охватывали различные стороны известной триады (материал - напряжение - среда), определяющей надежность работы конструкций: усталостные характеристики материала и качество изготовления, напряженно-деформированное состояние в зоне трубных отверстий при различных эксплуатационных нагрузках, воднохимический режим котла и режимы

пусков и остановов, механизм воздействия среды на

ИдеуеЛЯлКЯрНАЛЬНА* 1

библиотека |

СПеирбург Г*Г | оэ мо мо" i \

В соответствии с результатами выполненных исследований толщина стенки барабанов, изготавливаемых для котлов с рабочим давлением 14 МПа, с 1973 г. была увеличена до 105 и затем до 115 мм, а внутренний диаметр снижен с 1800 (барабаны котлов ТКЗ) до 1600 мм. На заводах был реализован комплекс мероприятий по повышению качества барабанов, охватывающий всю технологическую цепочку, начиная с выплавки стали. В отраслевой нормативно-технической документации был введен весьма обременительный для электростанций регулярный (вначале - с периодичностью один - два года) дефектоскопический контроль металла барабанов в зоне трубной решетки, регламентированы ремонтные процедуры в случаях обнаружения трещин, а также скорректированы некоторые показатели воднохимического режима и режима растопок и остановов котлов.

Осуществленные мероприятия снизили остроту ситуации с барабанами в отрасли, однако обеспечение их безопасной работы по-прежнему требует постоянных усилий. Около половины находящихся в настоящее время в эксплуатации барабанов изготовлены до 1973 г. Снижение уровня рабочих напряжений в барабанах из стали 16ГНМ и 16ГНМА за счет увеличения толщины стенки и уменьшения диаметра, хотя и существенно снизило их повреждаемость, но полностью не устранило ее.

Большой объем исследований был выполнен и в связи с резко возросшим в начале 70-х годов количеством разрушений гибов необогреваемых котельных труб (работы В.А.Нахалова, Б.В.Зверькова, И.А.Данюшевского, Р.З.Шрона, И.И.Минц, Ю.Ю.Штромберга, Р.Е.Бараза, О.Г.Салашенко, Р.К.Гронского, А.В.Станюковича и др.). В соответствии с результатами исследований в качестве меры предупреждения этих разрушений, наряду с регулярным дефектоскопическим контролем, была рекомендована планомерная замена гибов на более толстостенные. Такая замена в предписанные отраслевыми директивными документами сроки оказалась нереальной из-за большого ее объема (около полутора миллионов гибов), и большое количество «тонкостенных» гибов остается в эксплуатации до сих пор. Кроме того, в «толстостенных» гибах в последнее время также начали выявляться трещины в нейтральной зоне.

В силу вышеизложенного необходимо постоянное углубление знаний о процессах появления и развития типичных трещин в рассматриваемых объектах в части ликвидации оставшихся пробелов и для корректировки принятых ранее положений, не подтвержденных практикой, а также совершенствование контрольно-диагностических процедур. Это особенно важно для суждения об остаточном ресурсе элементов при наличии в них дефектов (т.е. на стадии живучести).

Целью работы является разработка научных основ обеспечения надежной работы находящихся в эксплуатации необогреваемых элементов котлов (барабанов, гибов трубопроводов, транспортирующих водную среду, коллекторов экранов и экономайзеров).

Научная новизна работы выражена в том, что впервые:

- получены аналитические и численные решения задач нестационарной теплопроводности и упругости применительно к характерным режимам работы металла в зоне трубных отверстий барабанов котлов;

- осуществлены испытания на коррозионную усталость с воспроизведением характерных признаков повреждений необогреваемых элементов котлов и выявлен механизм появления трещин в реальных условиях эксплуатации;

- исследована зависимость сопротивляемости гибов коррозионной усталости от конструктивных и эксплуатационных факторов и показал экстремальный характер этой зависимости от рабочих параметров;

- показана возможность оценки вклада коррозионного и механического (усталостного) факторов в развитие типичных трещин путем анализа их профиля, зафиксированного при металлографическом исследовании;

- выявлены различными методами (стендовые испытания, физический и статистический анализ случаев повреждений, прямые наблюдения за неудаленными дефектами) основные этапы развития типичных трещин;

- для определения скорости роста типичных трещин в гибах необогреваемых труб данного назначения на всех его этапах предложен параметр, включающий наряду с числом циклов и средней частотой нагружения котла напряжение и позволяющий обойтись без идеализированных расчетных схем и сложных аналитических процедур механики разрушения;

- разработаны методики прогнозирования развития типичных трещин в гибах данного котла и определения их остаточного ресурса на базе информации о глубине дефектов, выявленных при хотя бы одной проверке за истекший период эксплуатации;

- разработаны математические модели выборочного контроля гибов необогреваемых котельных труб и барабанов, позволяющие оптимизировать его объем с учетом чувствительности методов и средств дефектоскопии, интенсивности развития и степени опасности трещин, подлежащих выявлению.

Практическая значимость работы выражена в том, что ее результаты использовались для решения различных вопросов, возникавших по барабанам, гибам необогревваемых труб котлов и трубопроводов с рабочей температурой до 450°С, коллекторов экранов и экономайзеров, на которых в процессе эксплуатации обнаруживались дефекты коррозионно-усталостного происхождения (возможность и сроки эксплуатации, способы ремонта и контроля и др.) на Ириклинской, Кармановской, Черепетской, Василевической, Ангренской, Томь-Усинской ГРЭС, ГРЭС-8, Ленэнерго, Северодонецкой, Сормовской ТЭЦ и многих других ТЭС.

Результаты исследований автора отражены и в отраслевых нормативно-технических документах, регламентирующих систему эксплуатационного контроля (методы, периодичность, объем, парковый или установленный ресурс и др.) необогреваемых элементов котлов и трубопроводов с рабочей температурой до 450°С: РД 10-262-98, РД 34.17.442-96, П 34-70-005-85, РД 153-34.017.464-00, и др.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются:

- комплексным подходом к изучению поставленных вопросов, включающим теоретические исследования, лабораторные (стендовые) испытания, промышленные эксперименты в течение длительных периодов эксплуатации;

- сходимостью результатов, полученных различными методами;

- положительными итогами опробования выводов на действующем оборудовании;

Автор защищает:

- результаты аналитических и численных решений задач нестационарной теплопроводности и термоупругости для определения температурных напряжений у трубных отверстий барабанов при заполнении, пусках и остановах;

- результаты испытаний на термо- и коррозионную усталость, воспроизводящих характерные признаки типичных трещин в необогреваемых элементах котлов;

- параметрическую форму представления результатов испытаний на коррозионную усталость и трещиностойкость;

- методику оценки вклада коррозионного и силового факторов в развитие типичных трещин по данным металлографического анализа;

- методику оценки агрессивности котловой воды при действии ее на высоконапряженные участки поверхности металла;

- результаты исследований различными способами кинетики развития типичных трещин в барабанах и гибах необогреваемых труб;

- способ прогнозирования развития типичных трещин в гибах необогреваемых труб по результатам их однократного диагностирования;

- способ оценки вероятного типа предельного состояния гибов необогреваемых труб в зависимости от внешних факторов;

- математические модели выборочного контроля металла барабанов и гибов необогреваемых труб, обеспечивающие его оптимизацию

Диссертационная работа является систематизацией и совершенствованием результатов 30-летних исследований, проводившихся по инициативе и под руководством автора.

Конкретное личное участие автора в решении проблемы заключается:

- в аналитических и численных (совместно с Л.И.Урбановичем) решениях задач нестационарной теплопроводности и упругости и в термометрировании барабанов при пусках и остановах котлов с целью определения напряжений в зоне трубной решетки барабанов, вызываемых температурной неравномерностью по периметру, толщине стенки и вдоль радиуса трубных отверстий барабана;

- в разработке методики оценки относительного вклада коррозионного и силового факторов в развитие типичных трещин в необогреваемых элементах котлов по результатам металлографического анализа;

- в разработке методики оценки агрессивности котловой воды при действии ее на металл в зоне концентрации напряжений по параметрам анодно-поляризационных кривых (совместно с О.Г.Салашенко и Г.В.Кузнецовой) и

б

исследовании зависимости повреждаемости гибов необогреваемых котельных труб от указанных параметров;

- в анализе статистических данных по влиянию показателей воднохимиче-ского режима котлов электростанций на состояние гибов необогреваемых труб и барабанов;

- в обосновании параметрических зависимостей коррозионной усталости и трещиностойкости;

- в создании способа получения информации об интенсивности развития трещин в исследуемых объектах по статистическим функциям их распределения (без использования временной координаты);

- в разработке способов построения графиков роста трещин в гибах заданной совокупности и определения их остаточного ресурса по результатам однократного измерения глубины трещин в выборке ограниченного объема;

- в организации и проведении (совместно с В.П.Федотовым и Б.И.Волковым) промышленного эксперимента по наблюдению за развитием неудаленных трещин в барабанах котлов высокого давления в течение длительных периодов эксплуатации;

- в разработке математических моделей выборочного контроля металла барабанов и гибов необогреваемых труб и алгоритмов определения оптимальных их объемов;

- в подготовке предложений в отраслевые нормативно-технические документы.

Апробация результатов исследований Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом семинаре «Рациональные методы контроля, обеспечивающие надежность работы металла энергооборудования (Москва, ВДНХ, 1978); Всесоюзном симпозиуме «Технология ремонта барабанов и корпусных деталей турбин» (Иркутск, Минэнерго СССР, 1979); Всесоюзном совещании «Система контроля и оценка надежности и долговечности металла в энергоустановках» (Москва, Союзтехэнерго, 1981); Всесоюзном научно-техническом совещании «Повышение надежности сварных соединений оборудования электростанций» (Москва, Союзтехэнерго, 1982); Всесоюзном научно-техническом совещании «Состояние и пути развития средств технической диагностики тепломеханического оборудования (Москва, ВДНХ, 1982); Республиканских научно-технических конференциях по совершенствованию диагностики оборудования электростанций (Киев, 1984 и 1985); Советско-английском симпозиуме «Определение ресурса энергооборудования» (Брикет-Вуд, 1987); Республиканском научно-техническом совещании «Повышение надежности и долговечности металла энергооборудования ТЭС» (Горловка, Минэнерго УССР, 1990); Техническом совещании ведущих металловедов стран СНГ и США «Определение остаточного ресурса металла тепломеханического оборудования тепловых электростанций» (Москва, ОРГРЭС, 1994); и др.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 57 работах, защищены пятью авторскими свидетельствами и отражены в семи отраслевых нормативно-технических документах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 383 наименования и трех приложений. Изложена на 267 страницах и содержит 99 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены история вопроса и основные результаты ранее выполненных исследований по теме диссертации.

Развитие котельной техники в XX в., выражавшееся, в частности, в повышении рабочих параметров и производительности котлов, сопровождалось внедрением новых конструктивных элементов, воднохимических режимов и подходов к расчету на прочность, а с другой стороны - связанными с этим периодическими всплесками повреждаемости металла барабанов.

В начале века имели место многочисленные повреждения барабанов в виде кольцевых трещин в днищах с большой кривизной переходного участка между цилиндрической и торцевой частями барабана. Описанные повреждения были изжиты благодаря внедрению днищ с большим радиусом кривизны, обеспечившим снижение местных напряжений в зоне сопряжения цилиндрической и торцевой частей.

Повреждения котлов из-за щелочной хрупкости были устранены путем реализации комплекса режимных и конструктивных мероприятий (пассивация металла, щелочнобезопасные режимы, надлежащая организация распределения и подогрева питательной воды в барабане, защитные рубашки на вводе «холодных» потоков, переход на сварку взамен клепки и вальцовки).

Типичные трещины у трубных отверстий барабанов котлов высокого давления представляют третью, наиболее значительную, волну повреждений, что и обусловило весьма большое количество работ, посвященных различным аспектам их предотвращения.

При анализе причин повреждений необходимо располагать информацией о величине действующих напряжений того или иного происхождения.

Результаты аналитических и экспериментальных работ А.А.Захарова, Б.В.Зверькова, Г.И.Иванищева, Р.Пиха, А.Кульмана, Е.Крэгело вместе с известными решениями задач теории упругости для цилиндрических оболочек с отверстием позволяют производить оценку действующих у трубных отверстий барабанов напряжений от внутреннего давления с учетом конструктивных особенностей (отношение диаметров барабана и отверстия, наличие штуцера, взаимное расположение отверстий, скругление кромок) и возможного отличия формы поперечного сечения от круговой.

Для расчета напряжений, обусловленных температурной неравномерностью по толщине стенки, возникающей при плавном или резком («тепловой удар») изменении температуры среды, при анализе возможных причин типич-

8

них повреждений барабанов использовали известные выражения, относящиеся к стенке без отверстия. Напряжения в кромке отверстия принимали, как правило, равными удвоенным расчетным значениям. Какие-либо теоретические обоснования такого приема в публикациях отсутствуют.

Отсутствуют и выражения для расчетной оценки температурных напряжений при заданной величине перепада температур верхней и нижней образующих барабана для всей области возможных значений уровня воды, включая заполнение.

Высокий уровень напряжений в барабанах, являющийся, по мнению ряда исследователей, главной причиной типичных трещин в барабанах, объяснялся тем, что в отечественных и немецких нормах расчета на прочность допустимые напряжения регламентируются относительно предела текучести материала. Это послужило основанием для изготовления барабанов с относительно небольшой толщиной стенки, используя специально разработанные марки стали (16ГНМ - в СССР, CuNi52 Spez - в ФРГ).

Циклический характер нагружения, обусловленный пусками-остановами, гидроиспытаниями и опрессовками котлов, инициировал проведение испытаний материалов барабанов на малоцикловую усталость (в ЦНИИТМАШ, ЦКТИ, ВТИ и др.); Хотя число циклов нагружения котлов, после которого обнаруживались типичные трещины, было на три порядка меньше того, которое соответствует характеристикам малоцикловой усталости материала, последняя стала рассматриваться многими авторами как базовый элемент модели появления типичных трещин, и в этом качестве она фигурирует и в некоторых нормативных документах.

Существенное влияние коррозионного фактора на развитие типичных трещин в барабанах не оспаривалось никем. В ЦКТИ (Б.В.Зверьков с сотрудниками) этот фактор считали решающим, указывая на значительную повреждаемость барабанов из стали 22К, в которых напряжение в 1,5 раза ниже, чем в барабанах из стали 16ГНМ, а также на четкое разделение электростанций на две группы - с повреждениями барабанов и без таковых (независимо от рабочего давления и материала барабанов).

Некоторые авторы (Г. А. Туляков и др.) считали существенным влияние на состояние металла барабанов нестационарных температурных напряжений при пусках и остановах котлов и других режимах. Доказательная база была получена лишь в отношении напряжений, возникающих при заполнении неостыв-шего барабана водой под опрессовку и растопку: H.A. Никифоров и И.Н. Ко-мисарчик представили данные, показавшие четко выраженную тенденцию к увеличению поврежденности барабанов с ростом числа таких заполнений.

В результате ряда исследований были выявлены и другие факторы, способствующие развитию повреждений барабанов у трубных отверстий: высокочастотные пульсации температуры воды у входа в опускные трубы (Г.И. Ива-нищев, И.Н. Комисарчик, H.A. Никифоров); кавитационные явления в отверстиях этих труб (A.B. Ратнер); нестабильность рабочего давления при работе котла под нагрузкой (Я.Ф. Гребенюк), особенности строения поверхностного

слоя листов из стали 16ГНМ (Е.И. Квашнина); высокие остаточные напряжения из-за неудовлетворительного отпуска (М.А. Аксельрод); особенности химсостава материала (С.Ф. Бахтеев); и др.

Трещины у трубных отверстий коллекторов экранов и экономайзеров и в нейтральной зоне гибов по данным выполненных металлографических исследований имели те же характерные особенности, что и в барабанах, что указывает на идентичность основных причин возникновения.

Многие отечественные и зарубежные исследователи полагали, что долговечность гибов также определяется малоцикловой усталостью, а влияние агрессивной среды (котловой или питательной воды) так же, как и для барабанов, может быть учтено путем эквидистантного переноса кривых малоцикловой усталости. Для получения последних наряду с испытаниями образцов на стандартном оборудовании испытывали натурные гибы на специально сконструированных весьма сложных стендах. Степень «мультипликации» исходной кривой (коэффициент запаса по напряжениям) выбиралась такой, чтобы согласовать между собой отличающиеся на два порядка число циклов, соответствующее этой кривой, и количество циклов нагружения котлов до разрушения гибов, имевших место на электростанциях (рис. 1). Такой подход, противоречащий физической сущности коррозионной усталости (влияние агрессивной среды существенно зависит от продолжительности ее контакта с поверхностью образца, т.е. от напряжения в нем), был использован в качестве предпосылки при разработке отраслевого регламента контроля гибов необогреваемых труб, призванного предотвратить их массовые разрушения на котлах с весьма различным воднохимическим режимом.

Коррозионные процессы в рассматриваемых объектах реализуются постольку, поскольку нарушается целостность защитной окисной (магнетитной) пленки. Условия сохранности пленки при воздействии различной нагрузки и регенерации после повреждения, а также влияние условий образования пленки на ее защитные свойства исследованы в работах В.И. Никитина, A.B. Рябчен-кова, К. Веллингера, X. Хемига и др.

Исследования показали, что защитные свойства магнетитной пленки зависят от условий, в которых она образуется (pH и содержание кислорода, температура и др.), а напряжение в металле, приводящее к нарушению ее сплошности, зависят от материала и шероховатости поверхности и находится в большом диапазоне.

К. Веллингер с сотрудниками предложили модель развития коррозионно-усталостных трещин в необогреваемых элементах котлов, не связанную с малоцикловой усталостью материала, и выполнили большой объем экспериментальных исследований для ее подтверждения. Согласно этой модели зарождение трещин происходит в местах повреждений магнетитной пленки под действием возникающего в ней после останова котла сжимающего напряжения, в которых в период стоянки или растопки происходит интенсивная кислородная коррозия.

ю

Испытания, осуществленные с целью подтверждения описанной схемы, заключались в нагружении гибов, заполненных котловой водой с температурой 320°С, знакопеременным изгибающим моментом. Периодически гибы разгерметизировались на 16-24ч. Осуществленный режим привел к существенному (на порядок) снижению числа циклов до появления сквозных трещин в сравнении с вариантом заполнения гибов инертной средой (аргоном), но их долговечность по числу циклов тем не менее на порядок превышала ту, что имела место в реальных условиях эксплуатации.

Описанная модель не позволяет свести воедино результаты вышеупомянутых исследований, рассматривая их как звенья единого механизма развития типичных трещин и объяснить ряд имеющих место явлений (зависимость повреждаемости необогреваемых элементов от наработки, ее рост при попадании в котел потенциально кислых соединений, забросах кислорода и других окислителей и др.).

Существующая информация об особенностях развития типичных трещин является весьма ограниченной. Для прогнозирования роста трещин в необогреваемых элементах котлов используется, как правило, известная формула Пэриса, параметры которой определяются путем стандартных испытаний на трещиностойкость образцов с предварительно наведенными трещинами. Начальная стадия развития типичных трещин (коррозионные питтинги или язвы), которая была выявлена после введения регулярных обследований барабанов (работы Г.И. Асташонка и др.), находилась вне области внимания исследователей.

Объем и периодичность контроля металла барабанов и коллекторов в процессе эксплуатации назначаются преимущественно путем экспертных оценок без какого-либо теоретического анализа. Контроль гибов осуществляется на основе модели, использующей мультиплицированную кривую малоцикловой усталости. В обоих случаях не учитывается должным образом влияние агрессивности среды на интенсивность развития трещин и на характеристики статистической зависимости их глубины от наработки или числа пусков котла. В такой ситуации возможны либо чрезмерно завышенные затраты на контроль рассматриваемых объектов, либо, что гораздо серьезнее, пропуск недопустимых дефектов.

Вышеизложенное и определило цели работы, сформулированные выше.

Во второй главе описаны методы и средства исследований, использованные в работе.

Температурные поля в зоне трубных отверстий барабанов при типичных переходных режимах работы котла определяли путем аналитического или численного решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности при соответствующих граничных условиях. Для определения термических напряжений в указанных деталях использовался аппарат классической теории упругости. Распределение температуры по периметру барабанов при растопках и остановах котлов, необходимое для оценки возможных

значений напряжений, обусловленных разницей температур образующих, устанавливалось прямым термометрированием.

В качестве исходных данных при анализе повреждаемости рассматриваемых объектов использовались результаты их штатного контроля, а также сведения об авариях, связанных с разрушениями гибов.

Исследование поврежденного металла производили на темплетах («пирамидках») или сколах, взятых на барабанах 32-х котлов с различными условиями эксплуатации, и на вырезках из гибов, демонтированных либо забракованных при контроле, а также разрушившихся в процессе эксплуатации. Для металлографических исследований использовали оптические микроскопы МИМ-8 и «Неофот», для фрактографических - электронный микроскоп УЭМВ-100В. Численные характеристики дефектов коррозионно-усталостного происхождения определяли по фотоснимкам микроструктуры с использованием курвиметра.

Глубину трещин в барабанах в начальный период наблюдений за их развитием измеряли токовихревым методом (прибор ВГД-3). Погрешность определения глубины в области её умеренных значений по данным последовательных измерений составляла ± 0,5 мм. На заключительном этапе наблюдений глубину трещин оценивали по глубине выборок, образовавшихся при их вы-шлифовке.

Испытания на термоусталость произведены на установках (стендах), включающих нагревательные печи с установленными в них образцами (рис. 2), систему для периодической подачи к образцам охлаждающей воды и контрольно-измерительную аппаратуру. Температурные напряжения в образцах (пластины из стали 16ГНМ или 22К длиной 50-60 мм, шириной 35-50 мм, с отверстием 0 5 мм в центре) создавались путем резкого охлаждения после плавного нагрева до заданной температуры.Различный уровень напаряжений достигался варьированием их толщины (5-20 мм) и температуры нагрева (250-400°С). Сливавшаяся с образца вода оставалась в печи до полного выпаривания, благодаря чему образцы большую часть времени испытаний находились в контакте с водно-паровой средой. Частота нагружения образцов составляла 1015 циклов в ч.

Образцы для испытаний на коррозионную усталость представляли собой патрубки овального сечения, изготовляемые из отрезков труб диаметром 28 и 57 мм путем сплющивания с последующим отпуском. Циклическое (пульсирующее) внутреннее давление в образце, заполненном водой того или иного состава, создавалось путем периодического нагрева и охлаждения подсоединенного к нему змеевика, что позволило резко упростить испытательную установку (рис. 3), силовая часть которой не имела ни одного подвижного механизма.

в ¿и /пщр*гоо£/э. •» ----

* егоУ- * [

Щ то ¿нее 7Ю Сг 3 У. J гибоб яруВ Ф лмгЧьГ \ ДО О ¿Ьл пярмоаВр. ■) пу^ьсцр- ¿аблгние,

* отпуск 720'С. /у. [ ги£о' ФМ*. в епршссобке) после гнутья на &Р МЛа} *«оело

5*102 Ю3 ' 5*Ю3- Ю4

а

МП а

5*104

300 250

100

Сталь 35

V

\

V

\ N X 1 \

\ о\

105 106

107 Ю8

10* 10

10' Ю"

Рис.1. Результаты испытаний гибов на малоцикловую усталость в инертной среде (УралВТИ, 1974 г.) и типичное расположение кривых коррозионной усталости (симметричный изгиб с вращением) при различной а1рессивносги среды (данные Мак-Адамса).. На рис. 1а:1- график, построенный по формуле Лэнджера; 2- линия, условно соответствующая нижней границе области разрушений гибов необогреваемых котельных труб.

Испытания осуществляли при 290-300°С с частотой 30 циклов в час с ежесуточной заменой среды и пребыванием в разгерметизированном состоянии в течение 12 ч. При таком режиме на внутренней поверхности образцов в зоне наибольшей кривизны возникали язвы и трещины, по металлографическим признакам идентичные типичным трещинам в гибах.

13

г й

Рис. 2. Схемы установок для испытания на термическую усталость. 1 - печь; 2 - трубки для подвода охлаждения; 3 - образцы; 4- отражательный экран; 5 -

Выявление особенностей зарождения и развития дефектов на его начальной стадии производилось на патрубках, в которых контакт с водой осуществлялся по наружной поверхности. Для этого патрубок устанавливали внутри оболочки большего диаметра, а вода заполняла полость между ней и испытуемым патрубком, который в данном случае нагружался внешним давлением. Поверхности патрубков периодически обследовали с измерением глубины появлявшихся язвин.

Анодно-поляризационные характеристики (АПК) снимали на потенцио-стате П-5848. Помещавшийся в его электрохимическую ячейку образец представлял собой кольцо диаметром 24, шириной 10 мм, с прорезью вдоль образующей.

Для создания в образце механических изгибных напряжений в прорезь вставляли клин. Степень «расклинивания» подбирали таким образом, чтобы максимальные напряжения на поверхности образца превышали предел текучести материала (сталь 20). Предварительно на поверхности ненагруженных образцов выращивали окисную магнетитную пленку, для чего их выдерживали в автоклавах в течение одних суток при температуре 350°С. Автоклавы заполняли теми же средами, в которых снимались АПК.

Для увеличения диапазона изменения потенциала на внутренней поверхности образцов в зоне максимального напряжения выделяли рабочий участок площадью около 1 см2, а всю остальную поверхность изолировали двухслойным покрытием: клей БФ2 - перхлорвиниловая смола (отвердение при комнатной температуре в течение 24 ч).

Поляризационные кривые снимали со скоростью изменения потенциала 1,44 В/ч при вертикальном креплении образца и электродов в строго фиксиро-

груз.

ванном положении. В качестве вспомогательного электрода и электрода сравнения применяли соответственно платиновый и хлорсеребряный электроды.

к

4 1

?

б

1_____

Рис. 3. Схема установки для испытаний трубных элементов на коррозионную усталость.

1- образец; 2 - змеевик; 3 - трансформатор; 4 - печь; 5 - вентилятор; б - блок регулирования.

Третья глава посвящена оценке возможных значений напряжений, возникающих у трубных отверстий барабанов в процессе эксплуатации. Эта информация важна для установления причин появления типичных трещин в указанных местах.

Для оценки напряжений, возникающих в кромке трубного отверстия при нагружении барабана внутренним давлением использовалась формула:

/ Д а . • ,,ч

= ар(°1р + «и —). (О

где стр - Р 'Д» _ напряжение на участках вне зоны расположения трубных 2*8

отверстий;Да- дополнительное изгибное напряжение, обусловленное некруг-лостью сечения; р - внутреннее давление; Д»н - внутренний диаметр; в - толщина стенки; ар, а„- коэффициенты концентрации напряжений.

Поскольку барабан может рассматриваться как цилиндрическая оболочка, а радиус трубных отверстий относительно его радиуса мал, то для определения коэффициента концентрации напряжения от внутреннего давления можно использовать известную формулу А.И.Лурье:

<хр = 2,5(1 + 2,3-^-), (2)

Гч • Б

где г.Л - радиусы трубного отверстия и барабана.

Значения ар для отверстий, например, водоопускных труб барабанов котлов с рабочим давлением 14 МПа при толщине стенки 90 мм находятся в диапазоне 2,75-1-2,81. Коэффициент концентрации изгибных напряжений аи в формуле (1) может приниматься равным 1,8.

В качестве примера могут служить результаты определения напряжений в большом барабане котла ПК-10, в котором при контрольном измерении была выявлена повышенная овальность (1,3% при допустимой 1%). Дополнительное напряжение рассчитывали по данным измерений радиуса внутренней поверхности в 32-х точках периметра по программе, составленной для определения напряжений в некруглой трубе с неодинаковой по периметру толщиной стенки. Повышенную гибкость перфорированных участков учитывали введением в расчет фиктивной толщины стенки с той же жесткостью. В итоге было получено Да = 43,5 МПа, (Д,н= 1300 мм, б = 85 мм), ар = 2,71. «Суммарный» коэффициент концентрации напряжения в кромке отверстия (скобка в формуле (1)), получился равным 3,65.

При известной овальности напряжения, вызванные некруглостью поперечного сечения барабана, являются случайной величиной с большой дисперсией. Причина этого - отличие фактического контура поперечного сечения от эллипса.

Следует обратить внимание и на то, что ориентация максимального и минимального диаметров барабана относительно осей декартовых координат является произвольной и определенная по этим осям овальность (как регламентировано при штатном контроле) функционально не связана с максимальной овальностью данного барабана. В силу вышеизложенного величина напряжений, рассчитанная по формуле (1), может использоваться только при статистических оценках, причем следует учитывать, что половина диапазона возможных значений второго слагаемого в скобах находится в отрицательной области.

Формула (1) относится к точке пересечения кромки одиночного отверстия с его осью, параллельной оси барабана. При большом шаге между отверстиями в продольном направлении, характерном для отечественных барабанов котлов высокого давления, влиянием смежных отверстий на величину напряжения в указанной точке можно пренебречь. Имеющиеся экспериментальные данные указывают на то, что подкрепляющим эффектом штуцеров у трубных отверстий также можно пренебречь.

Напряжения, обусловленные температурной неравномерностью по толщине стенки барабана, определяли путем решения задач теории упругости с использованием термоупругого потенциала перемещений и функции напряжений Лява.

Описывающие температурное поле выражения, необходимые для определения указанных напряжений, получены путем аналитического решения уравнения нестационарной теплопроводности при граничных условиях первого и третьего рода методом конечных интегральных преобразований. Рассмот-

рены представляющие наибольший практический интерес случаи нагрева (или охлаждения) внутренней поверхности барабана и отверстия с постоянной скоростью и скачкообразного изменения температуры среды в барабане.

Для квазистационарной стадии линейного нагрева, в которой температурные градиенты и напряжения достигают максимальных значений, решение дифференциального уравнения теплопроводности получено в виде

1 = + (3)

где (4)

^ - температура внутренней поверхности барабана и отверстия; V - скорость нагрева; в - толщина стенки; г, г - координаты, г > г0, 0 > ъ > в (ноль соответствует наружной поверхности); г0 - радиус отверстия; а - коэффициент температуропроводности материала; К<, - модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка;

г „ г_ тс. ч

* = /'п =—(2-п-1).

г„ э 2

Составляющая температурного поля зависящая только от г, является известным решением для пластины без отверстия, влияние которого выражается составляющей 1".

Для окружных (относительно контура отверстия) напряжений, вызываемых температурным полем ^(г), получено следующее выражение.

где р - коэффициент линейного расширения; Е - модуль Юнга; V - коэффициент Пауссона.

При р да выражение (6) переходит в известную формулу для квазистационарных температурных напряжений при линейном нагреве плоской стенки.

Окружное напряжение, обусловленное составляющей ¿Я1, в кромке отверстия (г = 8, р = 1,0), практически отсутствует. Поэтому суммарное температурное напряжение +а"в кромке отверстия приблизительно вдвое выше, чем на внутренней поверхности барабана в удалении от отверстия.

В случае теплового удара граничные условия (конвективный теплообмен между поверхностью барабана у трубного отверстия и поступающей в барабан водой) без ущерба для общности получаемых результатов можно принимать

однородными. Тогда температурное поле в стенке с отверстием можно представить в виде произведения известных решений задачи нестационарной теплопроводности для пластины без отверстия и тела с цилиндрической полостью. Каждое из них представлено бесконечным рядом по соответствующим ортогональным функциям. При решении термоупругой задачи для данного случая, как при определении напряжений, обусловленных составляющей 1хх в выражении (3), граничные условия выполнялись частично, а в качестве Ь принималась сумма четырех бигармонических функций. Правомерность такого приема подтверждена тем, что благодаря надлежащему выбору функций Лява и точек, в которых граничные условия выполняются, неуравновешенные (фактически отсутствующие) напряжения на поверхности отверстия и вблизи него на порядок ниже окружных.

Характер изменения напряжений в кромке отверстия при тепловом ударе во времени качественно таков же, что и в стенке без отверстия: напряжение достигает максимальной величины, затем плавно снижается. Однако в кромке отверстия пик напряжений достигается гораздо быстрее.

Рис. 4. Зависимость температурных напряжений в кромке отверстия от времени (а) и

1 — v

их максимальных значений от критерия Био (6) ст, = а,--.

Н 1 Р-Е-До

При бесконечно большом коэффициенте теплоотдачи от стенки к среде (критерий Био В1-> да) напряжения в кромке вдвое выше, чем в удалении от отверстия (рис. 4). В реальных условиях эксплуатации барабанов (заполнение котла под опрессовку и растопку) этот критерий вряд ли может быть больше

18

20-25, чему соответствует примерно трехкратная разница максимальных напряжений в кромке отверстия и в удалении от него.

В результате специально выполненного анализа установлена область приемлемости таких традиционных допущений, принимаемых при решениях задач нестационарной теплопроводности применительно к барабанам и трубопроводам, как неограниченная теплоемкость воды относительно металла и идеальный характер тепловой изоляции.

Напряжения, обусловленные разницей температур образующих (АО из-за неравномерного прогрева и охлаждения барабана при растопках и остановах котлов, определяются по известному выражению для цилиндрических оболочек:

.£А!_=^ + ^соз0-1=уД I (7)

где 1 = 1 (0) - температура стенки барабана; 0 - угол между вертикалью и радиусом барабана, определяющий положение точки периметра; 10 и - нулевой и первый член разложения функции I (0) в ряд Фурье.

Формула (7) получена в предположении, что присоединенные к барабану трубы не препятствуют его тепловым деформациям.

Анализ результатов измерений температуры металла ряда барабанов при растопках и остановах, в т.ч. выполненных автором, показал, что коэффициент у при уровне воды, близком к требуемому по ПТЭ, для нижней образующей барабана не превышает 0,3 (даже с учетом поправки на ограничение теплового прогиба барабана присоединенными трубами).

Напряжение (7) резко увеличивается при малом уровне воды в барабане, характерном для начальной стадии его заполнения. В таких случаях формула (7) непригодна, т.к. она относится к стационарному (медленно изменяющемуся) состоянию, а напряжение ам на этой стадии существенно зависит от времени. Для его определения была решена двумерная задача нестационарной теплопроводности при условии, что вода с температурой, отличной от температуры металла, мгновенно заполняет нижнюю часть барабана до заданного уровня. Задача решалась численным методом (конечных разностей) для конкретных начальных условий, поскольку коэффициент теплоотдачи зависит от режима кипения (в общем случае - пленочный, переходный и, наконец, пузырьковый) и, соответственно, - от времени, и эта зависимость не может быть выражена в безразмерной форме. Для определения напряжений использовано выражение:

где - tв)/ - У; ^ I, - начальная температура металла и температура воды соответственно; Яь Я - внутренний, наружный и текущий радиус барабана соответственно, 0 - полярный угол, определяющий положение точки периметра.

Формула (7) является частным случаем выражения (8), реализующимся при отношении Лг/Ль близким к единице.

Иллюстрацией полученных результатов служит рис.5.

Напряжение стд, в рассмотренном случае достигает максимальной величины и затем убывает гораздо медленнее, чем напряжение су, в кромках отверстий, особенно при наличии в процессе теплообмена между стенкой и водой этапов с пленочным и переходным режимами кипения.

0,9

О.Ъ

Q7

Q6

О 0,05 OJO DJS

Рис.5. Зависимость напряжений, обусловленных разницей температур верхней и нижней образующих барабана, от уровня воды (начальная стадия заполнения) при to=200°C

Обусловленные температурным перепадом At напряжения, определяемые по формулам (7) и (8), действуют в осевом направлении. В окружном направлении эти напряжения существенно ниже.

Четвертая глава посвящена анализу зависимости повреждаемости не-обогреваемых элементов котлов от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

К таким факторам относятся и рабочие параметры. В работе показано, что высокая повреждаемость необогреваемых гибов на котлах с рабочим давлением 10 и 14 МПа в сравнении с установками среднего давления и СКД обусловлена более высокими относительно основных дополнительными напряжениями, вызываемыми искажением поперечного сечения трубы при гнутье, а также

экстремальным характером коррозионных потерь металла при многократных повреждениях и последующей регенерации окисной пленки. Максимум этих потерь имеет место при 300-350°С.

Минимальная наработка котлов ТЭС до обнаружения типичных трещин в барабанах составляла около двух тыс. часов при числе пусков не более восьми. Максимальная наработка, до которой такие трещины до сих пор не были выявлены, составляет 250 тыс.ч, а число пусков около 2300. Минимальная наработка котлов до первых разрушений гибов необогреваемых труб составляла 25-30 тыс. ч при числе пусков менее сорока. Максимальная наработка и число пусков, до которых гибы труб того же типоразмера находятся в эксплуатации, близки к указанным выше для барабанов.

Расчетная поврежденность металла барабанов от малоцикловой усталости, связанной с пусками-остановами и гидроиспытаниями, даже при максимально возможных значениях дополнительных напряжений из-за некруглости сечения и температурных напряжений, в т.ч. возникающих при возможных разрывах экранных труб и заполнении котла под опрессовку и растопку при неостыв-шем барабане, при гипотетическом числе пусков, равном 10000, не превосходит одной сотой, а от усталости, связанной с колебаниями давления и пульсациями температуры воды у входа в отверстия водоопускных труб при работе котла под нагрузкой - трех-пяти сотых.

Причиной того, что типичные трещины в необогреваемых элементах котлов появляются намного раньше, чем это следует из усталостных характеристик материала, и основной причиной очень большого диапазона наработки до повреждений является коррозионное воздействие среды.

Осуществленные в работе испытания на коррозионную усталость вышеупомянутых патрубков, заполнявшихся дистиллятом и имитатом котловой воды с различной величиной рН при температуре 280-350°С показали, что в пределах базы испытаний до 50 тыс. циклов существенное снижение долговечности при увеличении солесодержания среды и снижении рН имеет место только при создании условий для периодической кислородной коррозии (разгерметизация и опорожнение). В этих испытаниях размах напряжения за цикл изменения нагрузки явно превышал предельную по условию сохранности магнетит-ной пленки величину. Это обстоятельство при отсутствии периодической разгерметизации образцов практически не отразилось на их долговечности, т.е. беспрепятственная регенерация окисной пленки предотвращает существенное развитие коррозии.

То же следует и из результатов осуществленных в работе испытаний на термоусталость (рис.6). Моментом разрушения условно считали появление трещин длиной 0,2 мм, что фиксировали при периодическом осмотре зачищенной поверхности в компараторе с 20-кратным увеличением. Трещины в испытанных образцах появлялись намного раньше, чем это следует из характеристик малоцикловой усталости. Вместе с тем число циклов нагружения до появления трещин получилось на два порядка больше, чем число пусков котлов до массового появления типичных трещин у отверстий. Резкое снижение

числа циклов до появления трещин имело место, когда образцы периодически выдерживались в водопроводной воде в течение 14-15 ч. Уже после небольшого числа таких процедур на поверхности образцов у отверстий в местах наибольших напряжений появлялись полоски - холмики ржавчины, под которыми обнаруживали трещины.

Анализ повреждаемости гибов необогреваемых труб и барабанов вполне согласуется с результатами испытаний. Удельное (отнесенное к одному котлу) количество разрушений гибов на котлах с рабочим давлением 10 МПа вдвое больше, чем на котлах с рабочим давлением 14 МПа. Отличие установок этих двух категорий заключается в способах подготовки воды, идущей на восполнение потерь в пароводяном тракте (химочистка у первых и обессоливание у вторых). Из 122-х разрушений гибов на котлах с рабочим давлением 10 МПа, произошедших на 41 электростанции Минэнерго СССР с 1974 по 1983 гг., 23 (20 %) случилось на трех станциях центрального Казахстана, выделяющихся высоким солесодержанием исходной воды.

Ба.МПа 2000

1000

102 Ю3 10' N

Рис. 6. Результаты испытаний на термическую усталость с периодической выдержкой образцов из стали 16 ГНМ: 1 - на воздухе; 2 - в воде; 3 - расчетная кривая малоцикловой усталости для коэффициента асимметрии 0,75 и коэффициента запаса п = 1,0.

Оценка состояния необогреваемых гибов труб котлов и барабанов 16-ти электростанций Минчермета СССР в увязке с некоторыми показателями вод-нохимического режима показала, что уровень повреждаемости этих объектов зависит от того, насколько отличаются от нормативных показатели качества питательной воды. Наибольшая повреждаемость была отмечена на станциях, работавших с периодическим повышением содержания кислорода в питательной воде до 40-50 мкг/кг, либо с постоянно пониженным (до 8,5 и менее значениями ее рН). Отмечено также увеличение повреждаемости в случаях, когда наряду с отклонениями от норм указанных показателей заполнение котлов под

опрессовку и растопку производилось химочищениой или необработанной водой.

Анализ показал, что колебания давления около рабочего (колебания «второй частоты») не могут привести к появлению усталостных трещин в бараба-1 нах в пределах существующей их наработки (хотя их вклад намного больше, чем малоцикловой усталости). Однако защитная магнетитная пленка при воздействии циклической нагрузки с большим коэффициентом асимметрии и вы-1 сокой постоянной составляющей цикла уязвима намного сильнее (особенно, в свете исследований ЦКТИ (В.И.Никитин с сотрудниками) при наличии в воде кислорода). Повреждению защитной пленки на поверхности металла барабанов в зоне отверстий водоопускных труб способствуют и высокочастотные колебания температуры воды в этих местах при некоторых режимах работы котлов.

В работе показано, что механические (прочностные) свойства материала барабанов, его структура и химсостав, а также состояние поверхности полуфабрикатов (листов) влияют на развитие типичных трещин постольку, поскольку от них зависит (прямо или косвенно) стойкость против коррозионного воздействия среды. То же должно быть отмечено и в отношении таких режимов, как заполнения котла под опрессовку и растопку при неостывшем барабане после кратковременного простоя из-за разрушений поверхностей нагрева. При таких режимах резко возрастает вероятность повреждения магнетитной пленки, что и создает предпосылку для интенсивной локальной коррозии.

Влияние коррозионного фактора на повреждения выражается и в том, что типичные трещины в течение почти всего периода их существования растут в длину быстрее, чем в глубину, и в наличии связи уровня повреждаемости различных элементов конкретного котла с одной рабочей средой (барабаны - ги-бы, и т.п.).

При количественной оценке влияния состава рабочей среды на повреждаемость металла важно располагать интегральными характеристиками ее агрессивности. В качестве таковых в работе рассмотрены параметры потенцио-динамических анодно-поляризационных кривых (АПК), полученных применительно к условиям работы рассматриваемых объемов. В результате исследования проб питательной и котловой воды четырнадцати электростанций выявлено, что вероятность повреждений необогреваемых элементов котлов возрастает со снижением потенциалов питтингообразования и репассивации и, особенно, среднего угла наклона АПК к оси абсцисс.

Зависимость повреждаемости (в том или ином ее измерении) барабанов и гибов необогреваемых труб как от наработки, так и от числа пусков котла имеет статистический характер с весьма большим разбросом точек, относящихся к конкретным объектам, Относительно линии регрессии (рис.7). Это объясняется большим количеством факторов, определяющих интенсивность развития трещин. Почти все эти факторы являются случайными величинами, причем числовые характеристики многих из них неизвестны, а некоторые факторы не имеют численной меры вообще. В силу этого количественные показатели на-

дежности конкретного объекта (выработанная доля ресурса и т.п.) не могут быть однозначно определены по данным о его конструктивных характеристиках и условиях эксплуатации.

С учетом полученных в работе данных допустимые скорости прогрева и охлаждения барабанов и разности температур верхней и нижней образующей, а также воды и металла при заполнении барабана должны определяться по условию ограничения размаха напаряжений в кромке отверстий за ицкл нагру-жения «пуск-останов», поскольку его величина может влиять на целостность окисной пленки. На основании результатов выполненных испытаний допустимая величина указанного размаха для барабанов из стали 16ГНМ при выполнении расчетов в предположении неограниченного упругого поведения материала может быть принято равной 600 МПа, а для барабанов из стали 22К -500 МПа.

2,5

гл

2,5

** а)

5.2

о О

2.8 ¿рл/

Рис.7. Зависимость наработки (а) и число пусков (б) котлов с рабочим давлением 10 МПа до разрушения гибов по нейтральной зоне от напряжения.

Пятая глава посвящена исследованию кинетики развития трещин в не-обогреваемых элементах котлов, информация о которой особенно важна для эффективного их мониторинга и определения остаточного ресурса.

Неотъемлемым признаком типичных трещин, выявляющимся при осмотре изломов, является их многоочаговый характер, обусловленный тем, что трещины развиваются от коррозионных питтингов или язв. Трансформация язв в трещины сопровождается плавным изменением профиля дефектов, фиксируемого при просмотре поперечных шлифов. В качестве численной характеристики этого профиля в работе используется отношение глубины дефекта к его периметру («коэффициент формы профиля» Кф„).Для коррозионных питтингов (язв) полусферической формы КфП=г/7с-г. Для усталостных трещин КфП и 0,5.Увеличение этого показателя в процессе работы или испытаний означает рост вклада механического (усталостного) фактора в развитие дефектов.

На рис.8 сопоставляются значения Кф„ у трещин в гибах водоопускных труб котла ТП-48 и в модельных образцах, испытанных на коррозионную усталость. Исследованию подвергались как трещины в разрушенных образцах, так и трещины на стадии испытаний (на кольцах шириной 10 мм, вырезаемых из средней части образцов).

Рис. 8. Сопоставление параметров дефектов в испытанных образцах и гибах водоопускных труб котла ТМ-48. 1 - параметры трещин в гибах и соответствующая линия регрессии; 2 - область расположения линий регрессии для параметров трещин в образцах.

Долговечность образцов составляла 18800-30500 циклов при заполнении их имитатом котловой воды и 40100 циклов при заполнении дистиллятом.

Параметры уравнения лини регрессии на рис.8, принятого в виде

Кф„.в7лТс. (Ю)

где И - глубина дефекта, определялись методом наименьших квадратов с учетом веса каждой точки.

Из рис.8 следует, что вклад коррозии в развитие трещин в натурных гибах существенно выше, чем в испытанных образцах. Этому способствовала гораздо большая длительность их работы (около 60 тыс.ч).

Зависимость глубины питтингов (язв) от времени может быть выражена известной эмпирической формулой:

Ь=а-тт, (11)

с показателем степени, меньшим единицы.

Для питтинга (язвы) полусферической формы при постоянной скорости растворения металла т = 1/3. Пассивация полости язв продуктами коррозии приводит к замедлению последней, и фактические значения т обычно меньше указанного (рис. 9).

Развитие коррозионно-усталостных трещин описывается вышеупомянутой формулой Пэриса:

^=с(дку (12)

или

£ = С.НДК)Г, (12а)

где ф = N/т - частота нагружения, Сип - постоянные, зависящие от агрессивности среды, ДК -размах коэффициента интенсивности напряжений за цикл нагружения, и происходит с нарастающей скоростью.

. А ММ

5 2 !

о юо 2.00 500 таю.ч.

Рис.9. Максимальная глубина коррозионных язв на внутренней поверхности нейтральной зоны необогреваемых гибов труб котлов различных электростанций по данным исследования вырезок.. 1,2 - котлы на 10 и 14 МПа соответственно. А, Б - котлы Бобруйской и Яванской ТЭЦ, использовавших потенциально кислый возвратный конденсат.

2б

При плавном переходе язв в трещины совокупная кривая роста глубины дефекта коррозионно-усталостного происхождения имеет два качественно различных участка (рис.10), причем граница, начиная с которой дефект должен развиваться как трещина, по предложению Кондо должна определяться из равенства скоростей dh/dr, вычисленных по формулам (11) и (12а).

Кинетика развития трещин в рассматриваемых объектах исследовалась различными методами.

Средством получения наиболее убедительных данных об особенностях развития трещин в барабанах является периодическое измерение размеров, выявляемых при контроле и оставляемых затем неудаленными дефектов. Преднамеренная (в рамках промышленного эксперимента) или непреднамеренная (в связи с пропуском дефектов, неизбежном при выборочном контроле) работа барабанов с трещинами возможна, поскольку размеры трещин заведомо ниже критических.

Рис. 10. Схема развития дефектов коррозионно-усталостного происхождения (Ь* - глубина дефекта).

Наблюдения были осуществлены на барабанах котла ТГМ-84 (материал -сталь 16 ГНМ) и двух котлов ТП-230 (22 К). На первом этапе наблюдения, составлявшем 17 тыс. ч при 39 пусках; 18,5 и 9,9 тыс. ч при 131 и 77 пусках на барабанах первого и двух вторых котлов соответственно, измерение глубины трещин производили токовихревым методом (прибором ВГД-3). На следующем этапе наблюдения, произведенном на котле ТГМ-84, глубину трещин оценивали и по глубине выборок, образующихся при удалении наиболее значительных трещин из имеющихся. Суммарная протяженность периода, в течение которого вели наблю'дение за развитием трещин в барабане этого котла, составила 18 лет (104,9 тыс.ч.) при 177 пусках.

Результаты проведенного эксперимента, которые были идентичными на всех вышеуказанных барабанах, показали, что трещины наиболее интенсивно

растут в глубину в начальной стадии своего развития, достигают определенного уровня и сохраняются на нем в течение длительного периода (рис. 11).

В барабане котла ТТМ-84 на первом этапе наблюдения был отмечен скачкообразный переход с одного уровня на другой, превышающий прежний на 0,5 - 1 мм. Скачки имели место не у трещин - лидеров по глубине. Следует отметить, что названным скачкам сопутствовало увеличение количества пораженных отверстий и появление свищей в сварных стыках экномайзера из-за кислородной коррозии.

Результаты измерений размеров неудаленных трещин, а также статистические данные о результатах контроля и ремонта барабанов, позволяют заключить, что скорость роста трещин в длину вначале примерно такая же, что и в глубину, но в дальнейшем существенно превосходит ее. Это обстоятельство подтверждает превалирующую роль коррозионного фактора в развитии типичных трещин.

Очевидным способом изучения кинетики развития трещин в гибах в реальных условиях эксплуатации является исследование повреждений, включая определение глубины дефектов в гибах конкретного котла (или нескольких однотипных котлов данной электростанции), после различной наработки. В качестве примера приведен рис.12, а. В силу весьма ограниченного объема таких данных (поскольку в случаях повреждений принимаются, естественно, меры по недопущению их впредь), в работе использовали другие способы, позволявшие существенно расширить доказательную базу полученных результатов.

На рис.12, б представлены результаты лабораторных испытаний на коррозионную усталость патрубков овального сечения, о которых упоминалось выше.

стий водоопускных труб барабана котла ТГМ-84.

28

В качестве источника информации об особенностях развития трещин в трубных элементах могут служить результаты исследования металла, содержащие сведения о глубине дефектов (независимо от наработки), поскольку функция распределения (по статистической оценке) глубины трещин относительно трещины стенки представляет выработанную долю стадии живучести. График такой функции, построенный по данным о глубине дефектов в 140 забракованных и демонтированных гибах необогреваемых труб котлов различных электростанций, показан на рис. 13.

У,

ф

йв йб ол <хг о

/

/ /

/ /

___ _ — —■• ___• ■

— —'

аг

оА

0,6

ОА

относительная нараБоткс/ Во разрушения

ав ав оЛ о.г о

7 /

/ > /

'/ г

о-

10

число цикпоб до разрушения

5)

Рис. 12. Глубина дефектов коррозионно-усталостного происхождения в забракованных гибах водоопускных труб котлов ТГМ-84 одной электростанции (а) и в патрубках ис-пытывавшихся на коррозионную усталость (б).

Результаты, близкие к описанным, получаются и при использовании изложенного ниже метода, позволяющего осуществлять развертку во времени значений глубины дефектов в гибах с различной величиной напряжения, имевших место в момент диагностирования (рис.14, г).

|

Характер кривых роста трещин в гибах, выявленный различными способами, идентичен и соответствует схеме на рис.10. Кривые, полученные при испытаниях модельных образцов, отличаются более низкими ординатами на начальных участках, что связано с меньшим вкладом коррозионного фактора в развитие дефектов.

Стадия замедленного развития трещин на рис. 11 ...13 имеет весьма значительную протяженность. Заключительная стадия, в которой рост трещин происходит с нарастающей скоростью и может быть описан формулой (12), занимает лишь весьма малую долю стадии живучести. Трещины в барабанах в течение всего периода наблюдений (составлявшего более 40 % паркового ресурса) вообще не вышли за пределы стадии замедленного развития.

Основной причиной различия отмеченного характера развития трещин в барабанах и гибах является неодинаковое их влияние на величину средних напряжений в рабочих сечениях этих элементов: в барабанах доля рабочего сечения, занимаемая полостями трещин, не превосходит нескольких сотых, в гибах она измеряется несколькими десятыми.

Механизм формирования типичных трещин, существенно влияющий на их развитие в начальной стадии, отражается и на возможном типе предельного состояния элемента. Глубина дефекта (Ь на рис. 10), являющаяся границей между двумя вышеназванными формами дефектов, зависит от агрессивности среды и напряжения и при небольшой величине последнего может превышать толщину стенки. В этом случае язвы развиваются до сквозных, так и не сформировавшись в трещины. Отказы из-за сквозной язвенной коррозии характерны для труб теплотрасс, деаэраторных баков, необогреваемых труб котлов низкого и среднего давления и т.п.

Уз

40 о,в 0,6 оЛ

О о,2 ОА 0,6 0,8 1,0

Рис.13. Функция распределения глубины трещин в нейтральной зоне гибов, забракованных при контроле.

1

--о*- О--—---"С

Отказ трубных элементов котлов в виде сквозного свища, сопровождающийся утечкой среды (но не выбросом большого ее количества, как при разрыве с большим раскрытием) возможен не только при развитии локальной коррозии, но и при наличии трещин, критическая глубина которых больше толщины стенки. Поэтому замена забракованных при контроле гибов на гибы с большей толщиной стенки целесообразна не только в плане повышения их долговечности, но и как средство снижения вероятности отказа в наиболее опасной форме. Если критическую глубину трещин в нейтральной зоне гибов принять равной 0,85 - максимальной относительной глубине трещин в забракованных при контроле на электростанциях гибах (по имеющимся у нас данным), то увеличение толщины стенки вновь устанавливаемых гибов, необходимое для надлежащего увеличения критической глубины трещин, согласно оценке по известным соотношениям линейной механики разрушения составит около 15%.

В шестой главе изложен новый способ оценки остаточного ресурса гибов необогреваемых труб на стадии живучести, позволяющий существенно упростить процедуру этой оценки в сравнении с методами, базирующимися на формуле Пэриса. Предлагаемый способ основан на использовании параметрической зависимости трещиностойкости при переменной нагрузке в агрессивной среде.

Физической предпосылкой предложенного подхода является то, что кривые коррозионной усталости (в логарифмических координатах - прямые) для материалов одного по сопротивляемости коррозии класса в рамках определенного механизма разрушения, относящиеся к средам различной агрессивности, по мере уменьшения базы испытаний (долговечность испытуемых образцов) сближаются между собой, пересекаясь если не в одной точке, то в весьма ограниченной области. Если принять, что указанные прямые пересекаются в одой точке ("полюсе"), то влияние агрессивности среды выразится только углом наклона названных прямых к координатным осям.

Линии, соответствующие определенной глубине дефекта, на стадии их устойчивого развития представляют собой лучи, выходящие из того же полюса. Это подтверждено опытными данными, свидетельствующие об однозначной зависимости относительной глубины трещин в гибах от котангенса угла наклона названных лучей к оси абсцисс:

Б, - амплитуда напряжения за цикл изменения нагрузки, П - инвариантная мера долговечности в условиях зависимости коррозионной усталости от частоты нагружения,

Ь/Б =

(13)

где

(14)

П = —j-= т1 -N1"* , (15)

V

т, N - время и число циклов до разрушения, <р - средняя частота нагру-жения, А и В - координаты вышеупомянутого полюса. Их значения определяются по данным о разрушениях гибов и результатам соответствующих испытаний.

Эмпирическая формула (15) соответствует степенной зависимости числа циклов до разрушения при испытаниях на коррозионную усталость от частоты нагружения, имеющей место в значительном диапазоне нагрузок;

N =с^ (16)

Формуле (16) соответствует аналогичная зависимость для времени:

T=c9.li (16а)

Согласно результатам испытаний на коррозионную усталость, время до разрушения с увеличением частоты уменьшается. Из этого факта и формул (16) и (16а) следует, что значения показателя степени должны находиться в диапазоне 0<Х<1. Из опубликованных данных можно заключить, что этот показатель близок к 0,3. Применительно к условиям работы рассматриваемых объектов он составляет 0,6 ... 0,9.

Зависимость (13) позволяет определять глубину дефектов на всех стадиях их развития, включая начальную, для которой характерно снижение скорости роста глубины со временем. Во всей области существования дефектов, за исключением небольшого заключительного участка, эта зависимость может быть аппроксимирована прямой (рис. 14).

Условие прогрессирующего развития трещин имеет вид

lg S, > В - Ьг, (17)

где Ь2 - угловой коэффициент названной прямой.

Конкретному графику !д— = <p(Q) соответствует семейство кривых h = f| (т, ср,

S

S,), каждая из которых относится к гибу с определенной величиной напряжения S,¡.

Прогнозирование остаточного ресурса гибов данной совокупности (котла, назначения и т.п.) осуществляется путем экстраполяции зависимости (13), построенной по данным обследования (изменений овальности, толщины стенки, глубины дефекта) нескольких из них после демонтажа, до заданного пре-. h

дельного значения 1д— и определения соответствующей величины параметра s

(14), по которой можно вычислить отношение предельной наработки (ресурса) тпред к наработке на момент обследования т:

32

'9—-сквЛв-ав.,,«],

(18)

где 0 (Ба ш) - значение параметра О, соответствующее наработке на момент обследования и максимально возможной величине напряжения в гибах данной совокупности.

Формула (18) относится к случаю, когда средняя частота пусков котла или трубопровода в прогнозируемый период эксплуатации остается такой же, что и в истекший период.

Опробование изложенного метода на ряде электростанций дало положительные результаты: прогнозные сроки временной работы гибов с обнаруженными при УЗК дефектами (до 30 тыс.ч) были выработаны без повреждений.

2,4 2.3 а

-0

-

-2.0

• + У / + •

/ •

У »-1 о-г + -3 й

/00

!50 гоо /пас«

2)

Рис.14. Зависимость глубины трещин в нейтральной зоне гибов от параметра (}. а -водоопускные трубы 133x10 мм котла ТП-45; б - водоопускные трубы 159x12 мм (1), трубы пароводяной смеси экранов (2) и трубы от экономайзера к барабану 133x10 мм (3) котла ТГМ-84Б; в - перепускные трубы 273x25 мм и 245x22 мм между НРЧ и СРЧ котла ПК-47; г - графики, соответствующие линии регрессии на рис.106: 1 - 8а=180 МПа; 2 - 5,=165 МПа; 3 - Б, = 70 МПа.

рос. национальная!

БИБЛИОТЕКА | С. Петербург '.] ОЭ 300 акт

Седьмая глава посвящена определению оптимальных объемов и периодичности контроля необогреваемых элементов котлов в процессе эксплуатации.

В силу особой опасности разрушений этих элементов задачу оптимизации их контроля нельзя рассматривать как сугубо технико-экономическую, заключающуюся в нахождении экстремума некоторой функции, слагаемые которой зависят от аргумента противоположным образом (например, суммы затрат на контроль и ущерба от возможного пропуска дефектов в зависимости от его объема). ^

С учетом того, что отраслевой регламент контроля металла барабанов традиционно основывался только на экспертных суждениях и оценках, поиск оптимального регламента их контроля должен сводиться к обоснованному выбору количественных показателей, позволяющих сопоставлять различные его варианты.

Ключевым звеном предложенного в работе подхода к контролю металла барабанов, соответствующего их специфичности как объекта диагностирования, является критерий, на основе которого можно устанавливать оптимальное распределение затрат (средств, труда, времени) на контроль данного барабана (или данной совокупности барабанов) между его участками и узлами (или между барабанами) с учетом фактических запасов прочности и конструктивных особенностей барабана, прогнозируемой интенсивности развития возможных дефектов, результатов обследований за истекший период эксплуатации данного барабана и барабанов котлов данной или других электростанций. Таким критерием является вероятность достижения дефектом, пропущенном при контроле, заданного размера к моменту следующей проверки. Пропуск дефектов возможен из-за выборочного характера контроля элементов барабана и не абсолютного совершенства дефектоскопии.

Оптимальные доли затрат на контроль каждого элемента барабана (трубных отверстий определенного назначения и т.д.) должны удовлетворять следующей системе уравнений

где в,- затраты на контроль данного элемента (1 = 1,2,...,п); п - количество элементов, подлежащих контролю; в0- суммарные затраты на контроль всего барабана; Р,^,)- функция, определяющая вероятность достижения дефектом к моменту следующей (плановой) проверки заданного размера в зависимости от затрат на его контроль (т.е. от объема выборки).

Предельный размер дефекта может выбираться по разным, но единым для всех однотипных элементов (группы) условиям. Для трубных отверстий такими условиями могут быть, например, глубина трещин, при которой возможен

(19)

ремонт барабана без последующей термообработки, либо при которой они могут приблизиться к внешнему контуру приварки штуцера, создав риск появления свища и вынужденного останова котла и т.д.

Функция Р,(э() для трубных отверстий определяется скоростью роста трещин (средним значением и дисперсией), объемами, методами и периодичностью контроля, общим количеством отверстий и количеством поврежденных из них на момент контроля и вычисляется по формуле полной вероятности:

Р, = 1Р4Г)Р(ь > ¡Г.Дг,), (20)

где Р - вероятность того, что период бесконтрольного развития трещин

у отверстий данного назначения на момент планируемой проверки составит Дг(; к - число возможных значений Дг, для отверстий Данного назначения на

момент планируемой проверки, £ РЛГ) = 1 ;Р(Ь> Ь, Атл) - вероятность того,

что после наработки Дг, максимальная глубина трещин превысит заданную (Б).

Сформулированная выше задача решается поэтапно, с последовательным увеличением количества рассматриваемых элементов и узлов данного барабана (трубные отверстия различного назначения - основные сварные соединения - швы приварки внутри барабанных устройств и т.д.), а затем и барабанов данной группы, различающихся условиями работы металла.

Величина Р,, удовлетворяющая системе уравнений (19) и отнесенная к является интегральной характеристикой эффективности данной системы (регламента) контроля барабанов (методов, объемов и периодичности), позволяющей объективно сопоставлять ее с другими.

С учетом выявленных особенностей развития типичных трещин в барабанах частое их удаление при сохранении существовавших условий эксплуатации лишь ускорит доведение барабана до неработоспособного состояния в связи с недопустимым ослаблением рабочих сечений между отверстиями. Трещины ограниченных размеров (по протяженности по данным магнитно-порошковой дефектоскопии и по глубине по данным пробной выборки) целесообразно оставлять неудаленными при условии регулярного (например, в периоды капремонтов) контроля. Такой подход вполне согласуется с результатами определения оптимальных объемов контроля трубных отверстий разного назначения, осуществляемого по предложенной методике.

Периодический контроль гибов необогреваемых труб, осуществляемый на электростанциях с целью предупреждения их разрушений, является выборочным также в силу его большой трудоемкости (количество вышеназванных гибов на барабанном котле - до полутора тысяч). Оптимизация контроля в данном случае сводится к нахождению минимального объема контрольной группы, при которой в ней окажется хотя бы один дефектный гиб - тогда объем контроля последовательно увеличивается вплоть до 100%-го. Для решения

этой задачи необходимо знать глубину возможных дефектов в гибах контрольной группы при заданном ее объеме после определенной наработки и числа пусков.

ь

5

мс Ч

3

2

\

150 200 250 шыс.ч

Наработка

Рис. 15. Карта оценки плана выборочного контроля гибов пароотводящих труб (133x13 мм, 390 шт.) котла с рабочим давлением 14 МПа. 1 - предельно допустимая глубина трещин; 2 - порог чувствительности ультразвукового контроля; 3 - максимально возможная глубина трещин. Столбиком показан диапазон максимальных значений глубины трещин в контрольных группах из 40 выбираемых наугад гибов (пунктирный столбик - из 50 гибов) Абсцисса Т. Е - граница наработки, за пределами которой работа котла с дефектным гиба-ми недопустима.

Поскольку для вычислений глубины трещин используется ряд случайных величин, поставленная задача решалась путем статистического моделирования (методом Монте-Карло) перебором большого числа вариантов с помощью ПЭВМ при следующих исходных условиях.

1. Контроль осуществляется по альтернативному признаку с последовательным увеличением объема выборки в случае обнаружения дефектов.

2. Овальность и толщина стенки гибов, подлежащих контролю, неизвестны.

3. Отбор гибов в контрольную группу производится случайным образом.

4. Известными являются:

- диапазон возможных значений и числовые характеристики распределения овальности и толщины стенки;

- минимальная глубина дефектов, выявляемых при дефектоскопии («порог чувствительности»);

I

- глубина трещин, при достижении которой гиб должен быть демонтирован;

- числовые характеристики статистической зависимости глубины возможных трещин от рабочего напряжения, наработки и числа циклов.

Результаты моделирования представляются в виде отрезков, показывающих диапазон максимальных значений глубины трещин в гибах контрольной группы при заданном ее объеме и определенной наработке (рис. 15). Контроль должен начинаться при наработке, меньшей той, при которой максимально возможная трещина достигнет предельной глубины (абсцисса точки Е). Кривая 3 соответствует максимально возможной для данного типоразмера трубы овальности, рассчитанной по предложенной В.А. Нахаловым формуле, %:

«„« 37,2-22,40, (21)

где р - отношение наружного диаметра трубы к внутреннему.

Для надежного выявления дефектов необходимо, чтобы максимальная глубина трещин в выборке ни в одном из вариантов отбора не была меньше порога чувствительности — в противном случае количество гибов в контрольной группе должно быть увеличено. Периодичность контроля должна устанавливаться исходя из величины возможного подрастания трещин с глубиной меньше порога чувствительности за межконтрольный период.

С учетом особенности повреждаемости коллекторов экранов и экономайзеров, характеризующейся очень большой неравномерностью по разным отверстиям, и видом предельного состояния - выход трещин на поверхности отверстий труб поверхности нагрева за контур приварки штуцера) - для предотвращения последнего достаточен их регулярный внутренний осмотр (начиная с определенной наработки). Недопустимыми следует считать непрерывные трещины, распространившиеся от кромки по поверхности отверстия на длину, превышающую удвоенную толщину стенки штуцера.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе комплексного анализа результатов контроля металла необог-реваемых элементов котлов более ста электростанций, лабораторных (как традиционными, так и специально разработанными методами) исследований и прямого наблюдения за развитием неудаленных трещин в барабанах в течение длительных - до 18 лет - сроков установлены следующие основные закономерности развития типичных трещин в этих элементах.

1.1. Зарождение и развитие указанных трещин в течение длительного периода являются первым этапом коррозионной усталости металла, для которого характерны превалирующая роль коррозионного фактора в сравнении с силовым (усталостным) и замедляющийся со временем рост дефектов (язв и сформировавшихся от них трещин). Роль механического напряжения на этом этапе определяется тем, что, во-первых, оно влияет на сопротивляемость защитной окисной (магнетитной)

пленки вследствие неизбежных в эксплуатации колебаний температуры, давления и показателей воднохимического режима, во-вторых - на потенциал корродирующего металла, в третьих - на форму и ориентацию коррозионных образований.

1.2. Заключительный этап развития типичных трещин, характеризующийся непрерывным увеличением скорости их роста, составляет небольшую долю стадии живучести. Известные соотношения линейной механики разрушения, согласно которым скорость роста трещин является степенной функцией напряжения, пригодны для описания кинетики развития типичных трещин лишь на этом, завершающем этапе их существования.

2. Показано, что ресурс необогреваемых элементов котлов определяется совокупным влиянием большого количества эксплуатационных и конструктивно-технологических факторов и может отличаться на порядок даже при одинаковых расчетных параметрах, конструктивных характеристиках и проектных решениях по воднохимическому режиму.

В соответствии с этим снижение рабочего напряжения (путем увеличения толщины стенки или другими способами), приводящее к увеличению срока службы этих элементов, не является гарантией отсутствия повреждений конкретного объекта в процессе эксплуатации.

3. Показана возможность описания в явной форме кинетики развития типичных трещин в зависимости от комплексного параметра, включающего наряду с наработкой и числом пусков действующее в гибах напряжение. Это позволило резко увеличить информативную базу для определения характера развития типичных трещин в гибах и прогнозировать рост таких трещин в гибах определенной совокупности, а также определять их остаточный ресурс на стадии живучести по фактическому состоянию, зафиксированному хотя бы при одном выборочном диагностировании.

4. Предложен способ определения вероятного типа предельного состояния гибов (сквозная язвенная коррозия, трещина с утечкой среды, разрыв) в зависимости от действующего в них напряжения, агрессивности рабочей среды и механических свойств материала.

5. Определены условия, при которых замена гибов необогреваемых труб и коллекторов экранов и экономайзеров, в которых при контроле выявлены типичные трещины, может быть произведена не в экстренном порядке, а в плановые сроки, установленные по результатам диагностирования.

6. Показано, что существенное снижение ресурса необогреваемых элементов котлов связано с кислородной коррозией и отклонениями значений рН рабочей среды в кислую область, имеющими место как при стоянке котлов, так и при работе под нагрузкой.

Из нестационарных температурных режимов эксплуатации котлов наибольший вклад в развитие типичных трещин в барабанах вносят их заполнее-ния под опрессовку и растопку с превышением допустимой разности температуры воды и металла.

7. Основным средством обеспечения безопасности необогреваемых элементов котлов, находящихся в эксплуатации, являются индивидуальный и группой (поагрегатный) мониторинг, включающий и оценку остаточного ресурса объектов по их фактическому состоянию.

8. Разработаны методики определения объемов выборочного контроля не-обогреваемых элементов котлов с учетом случайного характера выбора контрольных групп, расчетных запасов прочности, браковочных размеров трещин и полноты имеющейся информации о состоянии и условиях эксплуатации контролируемых объектов, позволяющие достигать конкретных целей контроля при минимальных затратах на его проведение.

9. Результаты работы использованы на 29 электростанциях, а также отражены в отраслевой нормативно-технической документации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Балашов IO.B. Термическая усталость образцов с отверсгием/У Теплоэнергетика, 1970, № 5, с.75-78.

2. Балашов Ю.В. Нестационарные температурные напряжения в кромках отверстий в стенках энергооборудования//Инженерно-физический журнал, J971, т.-ХХ, Na 5, с.163.

3. Балашов Ю.В., Ратнер A.B. Эксплуатационный контроль нестационарных температурных напряжений в элементах энергооборудования //Электрические станции, 1969, № 1, с.5-9.

4. Балашов Ю.В. Определение температурных полей и напряжений в шаровых сгенках/Леплоэнергетика, 1971, № 11, с. 67-68.

5. Балашов Ю.В. О влиянии качества тепловой изоляции на нестационарные температурные напряжения в стенках теплосилового оборудова-ния//Энергомашиностроение, 1972, № 11, с.39-40.

6. Балашов Ю.В. Расчет допустимых температурных градиентов в барабанах паровых котлов высокого давления//Электрические станции, 1972, № 9, с.26-29.

7. Балашов Ю.В., Корман А.И. Из опыта эксплуатации котельных барабанов с центральными опускными трубами в ПНР//Энергохозяйство за рубежом (приложение к журналу «Электрические станции»), 1973, № 5, с.7-9.

8. Балашов Ю.В., Федотов В.П. Особенности определения температурных полей в толстостенных элементах котельных агрегатов/ЛТовышение надежности и экономичности энергических блоков: Труды ВТИ, вып.4, Челябинск: Южноуральское книжное изд-во, 1974, с.72-79.

9. Балашов Ю.В. К расчету температурных напряжений в стенках теплосилового оборудования при внезапном изменении температуры сре-ды//Теплоэнергетика, 1975, № 2, с.59-60.

10. Балашов Ю.В. Малоцикловая усталость образцов с отверстием при совместном действии механических и термических напряжений // Теплоэнергетика, 1976, №2, с.68-71.

11. Балашов Ю.В., Брагина В.И. Определение напряжений в котельном барабане от некруглости его сечения//Электрические станции, 1976, № 9, с.67-68.12. Волков Б.И., Балашов Ю.В. О контроле днищ барабанов котлов высокого давления//Электрические станции, 1976, № 12, с.70-71.

13. Нахалов В.А., Балашов Ю.В., Шрон Р.З. Влияние рабочего давления на надежность гибов необогреваемых труб//Электрические станции, 1977, № 2, с.29-31.

14. Балашов Ю.В., Карасев В.В., Федотов В.П. О контроле внутренней поверхности барабанов котлов высокого давления//Электрические станции, 1978, №3, с.68-69.

15. Балашов Ю.В. Температурные поля и напряжения в двуслойных стенках сосудов давления при прогреве. Труды ВТИ, вып. 10. М: Изд-во «Энергия», 1978, с. 148-157.

16. Об эксплуатационном контроле барабанов котлов высокого давления/Балашов Ю.В., Шрон Р.З., Щапова В.В., Федотов В.Ш/Повышение надежности и экономичности энергетических блоков:Труды ВТИ, вып.21, Челябинск: Южноуральское книжное изд-во, 1979, с.168-178.

17. Балашов Ю.В. Об оптимальных объемах контроля трубных отверстий барабанов/Леплоэнергетика, 1980, № 3, с.27-29.

18. Исследование скорости роста трещин в барабанах паровых котлов высокого давления/Балашов Ю.В., Федотов В.П., Шрон Р.З., Волков Б.И. // Теплоэнергетика, 1983, № 9, с.51-54.

19. О трещиностойкости сварных соединений барабанов из стали 22 К / Шрон Р.З., Балашов Ю.В., Щапова В.В., Малыгина A.A. // Теплоэнергетика, 1983, №9, с.46-49.

20. Балашов Ю.В., Надцына JI.B., Давлятова JI.H. Анализ численных характеристик коррозионно-усталостных трещин в элементах теплосилового оборудования/ЛГеплоэнергетика, 1984, № 10, с. 13-15.

21. Балашов Ю.В. Повреждения и ремонт котельных барабанов в ФРГУ/Энергохозяйство за рубежом (приложение к журналу «Электрические станции»), 1984, № 5, с. 12-14.

22. Исследование термоупругого состояния горячей тонкостенной трубы при ее заполнении холодной жидкостью/Урбанович Л.И., Утешева В.И., Балашов Ю.В., Крамченков Е.М.//Инженерно-физический журнал, 1985, T.XLIX, №2, с.ЗЗ 1-332.

23. Урбанович Л.И., Балашов Ю.В. Определение температурных полей в стенке горячего паропровода при кипении воды, попадающей в нижнюю его

часть//Кипение и конденсация: Сборник научных трудов Рижского политехнического института, Рига, 1985, с.32-34.

24. Балашов Ю.В. Определение нестационарных температурных полей и напряжений в паропроводах.//Теплоэнергетика, 1966, № 12, с.47-50.

25. Урбанович Л.И., Балашов Ю.В., Крамченков Е.М. О температурных напряжениях в котельном барабане при его заполнении/Леплоэнергетика, 1986, № 5, с.56-57.

26. Балаховская М.Б., Балашов Ю.В., Надцына Л.В. О повреждениях барабанов котлов высокого давления в зоне трубных отверстий//Теплоэнергетика, 1986, № 8, с.35-37.

27. Уточнение ресурса гибов необогреваемых котельных труб путем индикации агрессивности котловой воды/Балашов Ю.В., Кузнецова Г.В., Салашен-ко О.Г., Опарин А.А.//Эксплуатационная надежность металла оборудования тепловых электростанций: Сборник науч. трудов ВТИ под редакцией Ю.В. Балашова, М.: 1987, с.46-50.

28. О диагностике коррозионно-усталостных повреждений в деталях оборудования ТЭС/Балаховская М.Б., Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Давлятова Л.Н.//Физико-химическая механика материалов, 1988, № 3, с. 100-104.

29. Урбанович Л.И., Балашов Ю.В. Температурные поля и напряжения в стенке паропровода при внезапном охлаждении его внутренней поверхно-сти//Проблемы прочности, 1988, № 8, с. 124.

30. Особенности водно-химического режима котлов и надежность гибов необогреваемых труб и барабанов/Балашов Ю.В., Богомолов Н.М., Федотов В.П., Надцына Л.В.//Водный режим барабанных котлов и испарительных установок: Сборник научных трудов ВТИ под редакцией Р.К. Гронского. М.: Госэнергоиздат, 1990, с.30-36.

31. О ресурсе барабанов котлов высокого давления/Балашов Ю.В., Шрон Р.З., Надцына Л.В., Щапова В.В7/Электрические станции, 1991, № 6, с.44-47.

32. К анализу коррозионно-усталостных трещин в элементах паровых котлов/Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Давлятова Л.Н., Рычков А.А.//В кн. Совершенствование энергетического оборудования ТЭС. Челябинск: Южноуральское книжное изд-во, 1991, с.138-144.

33. Балашов Ю.В., Гургуцов И.В., Кузнецова Г.В. Влияние рабочей температуры на надежность гибов необогреваемых котельных труб//В кн. Совершенствование энергетического оборудования ТЭС. Челябинск: Южноуральское книжное изд-во, 1991, с.144-147.

34. Балашов Ю.В. Испытания элементов паровых котлов на коррозионную усталость//Теплоэнергетика, 1992, № 8, с.42-44.

35. Исследование металла барабана, разрушившегося при гидроопрессов-ке/Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Каминская Е.И., Давлятова Л.Н. //Электрические станции, 1993, № 12, с. 15-18.

36. Балашов Ю.В., Надцына Л.В. К оценке остаточного ресурса гибов необогреваемых котельных труб с умеренной рабочей температурой/ДТроблемы энергетики: Известия высших учебных заведений, 1999, № 7-8, с.90-96.

37. Гусев В.В., Новицкая Г.М., Балашов Ю.В. К оценке долговечности деталей паровых котлов и паропроводов при совместном действии ползучести и термоусталости/Шроблемы энергетики; Известия высших учебных заведений, 2001, № 1-2,с.101-108.

38. Балашов Ю.В., Федотов В.П. Прогнозирование развития коррозионно-усталостных трещин в необогреваемых элементах паровых кот-лов//Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: Материалы III Всеросс. научно-практической конференции - Иваново, 2002, с.95 -98.

39. Балашов Ю.В. Оптимизация эксплуатационного контроля гибов необогреваемых котельных труб с умеренной рабочей температу-рой//Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: Материалы III Всеросс. научно-практической конференции - Иваново, 2002, с.99 -102.

40. Балашов Ю.В., Таран O.E.. Новицкая Г.М. О подходах к оценке ресурса гибов необогреваемых труб и трубопроводов с различной рабочей температу-рой//Стратегия продления и восстановления ресурса энергооборудования. Отечественные и зарубежные технологии: материалы научно-технического семинара. - С.- Петербург, 1996, с. 104-106.

41. Работоспособность барабанов котлов высокого давления после длительной эксплуатации//Ланин A.A., Гринь Е.А., Балашов Ю.В. и др.//Стратегня продления и восстановления ресурса энергооборудования. Отечественные и зарубежные технологии: материалы научно-технического семинара. - С.- Петербург, 1996, с. 147-162.

42. Балашов Ю.В., Надцына JI.B., Каминская Е.И. Прогнозирование долговечности гибов труб котловой и питательной воды//Повышение надежности и эффективности работы теплотехнического оборудования ТЭС: Сборник научных трудов УралВТИ. - Челябинск, 1996, с.84-91.

43. Особенности развития коррозионно-усталостных трещин в необогреваемых элементах котлов и трубопроводов//Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Каминская Е.И., Федотов В.П./Надежность объектов котлонадзора на тепловых электростанциях: Материалы Второго Уральского научно-технического семинара. - Челябинск, 1997, с.49-55.

44. Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Каминская Е.И. Оптимальная стратегия контроля и замены деталей оборудования с дефектами коррозионно-усталостного происхождения. Материалы Второго Уральского научно-технического семинара - Челябинск, 1997, с.56-57.

45. Повреждения и ремонт корпусов ПВД ПВ-1200-380-42. Балашов Ю.В., Таран O.E., Никанорова Н.И., Нахалов В.А.//Стратегия продления и восстановления ресурса энергооборудования. Отечественные и зарубежные технологии: материалы научно-технического семинара. - С. - Петербург, 1997, с.172-174.

46. Балашов Ю.В., Щапова В.В. О контроле сварных соединений барабанов котлов высокого давления//Рациональные методы контроля, обеспечи-

вающие надежность работы металла энергооборудования: Тез. докл. Всесоюз. научно-техни-ческого семинара - М., 1978, с.24.

47. Балашов Ю.В., Шрон Р.З., Щапова В.В., Федотов В.П. О подходе к ремонту и контролю барабанов котлов высокого давления/ЛГехнология ремонта барабанов котлов и корпусных деталей турбин: Тез. докл. Всесоюз. симпозиума - Иркутск, 1979, с. 12.

48. Злепко В.Ф., Зеленский В.Г., Балашов Ю.В. Комплексная оценка долговечности металла длительно работавшего оборудования//Система контроля и оценка надежности и долговечности металла в энергоустановках: Тез. докл. Всесоюз. совещания - М., 1981, с.З.

49. Балашов Ю.В., Шрон Р.З., Щапова В.В. и др. О контроле металла барабанов котлов высокого давления// Система контроля и оценка надежности долговечности металла в энергоустановках: Тез. докл. Всесоюз. совещания. -М., 1981, с.47.

50. Шрон Р.З., Балашов Ю.В., Щапова В.В. Сопротивление сварных соединений барабанов котлов высокого давления росту трещины при циклическом нагружении//Повышение надежности сварных соединений оборудования электростанции: Тез. докл. Всесоюз. научно-технического совещания. - М., 1982, с.39.

51. Балашов Ю.В., Шрон Р.З., Федотов В.П., Щапова В.В. Анализ скорости развития трещин в барабанах котлов высокого давления//Состояние и пути развития средств технической диагностики тепломеханического энергооборудования: Тез. докл. Всесоюз. научно-технического совещания. - М., 1982, с.27.

52. Балашов Ю.В., Федотов В.П., Надцына Л.В. О причинах появления трещин у трубных отверстий барабанов//Совершенствование технической диагностики энергетического оборудования: Тез. докл. Республ. научно-технической конференции. - Киев, 1984, с.193.

53. Балашов Ю.В. Об оптимизации контроля барабанов котлов высокого давления//Диагностика энергетического оборудования: Тез. докл. и сообщ. IV Республ. Научно-технической конференции. - Киев, 1985, с.29.

54. Балаховская М.Б., Надцына Л.В., Балашов Ю.В., Давлятова Л.Н. Морфологические особенности повреждений в барабанах котлов высокого давле-ния//Диагностика узлов и деталей энергооборудования для определения надежности и безопасности его работы: Тез. докл. Всесоюз. научно-технического совещания. - М., 1985, с.116.

55. Балашов Ю.В. Проблема обеспечения надежности гибов необогревае-мых котельных труб, работающих при умеренных температурах//Повышение эксплуатационной надежности металла теплоэнергетического оборудования и перспективные методы диагностики его состояния: Тез. докл. регион, произ-водственно-технич. семинара. - г. Сургут, с.4-5.

56. Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Щапова В.В., Федотов В.П. О механизме исчерпания ресурса барабанов котлов высокого давления/ЛТовышение эксплуатационной надежности металла теплоэнергетического оборудования и

2oö3-A

перспективные методы диагностики его состояния: Тез. докл. регион, произ-водственно-технич. Семинара - г. Сургут, с. 15-17.

57. Балашов Ю.В., Надцына Л.В., Каминская Е.И. Уточнение ресурса деталей котлов и трубопроводов при коррозионно-усталостном разруше-нии//Повышение надежности и долговечности металла энергооборудования ТЭС: Тез. докл. Республ. научно-технического совещания. - г. Горловка, 1990, с.65.

58. A.c. № 1070452. Способ создания переменного внутреннего давления в трубчатых элементах при испытаниях на усталость. A.A. Рычков, Ю.В. Балашов. Опубл. в Б.И., 1984, № 4.

59. A.c. № 1270650. Способ определения коррозионной активности коррозионной среды. О.Г. Салашенко, Ю.В. Балашов, Г.В. Кузнецова. Опубл. в Б.И., 1986, №42.

60. A.c. № 1437744. Способ испытания на прочность полых изделий внутренним давлением Ю.В.Балашов, А.А.Рычков. Опубл. в Б.И., 1988, № 42.

61. A.c. № 1634979. Устройство для измерения профиля внутренней поверхности отверстий. И.А.Пермитин, Ю.В.Балашов. Опубл. в БИ, 1991, № 10.

62. A.c. № 17762190. Способ диагностирования деталей с коррозионно-усталостными дефектами. Ю.В.Балашов. Опубл. в Б.И., 1992, № 34.

Результаты работы использованы в следующих отраслевых нормативных документах:

1. Указание № Д-7708 «О повышении надежности гибов и коллекторов с номинальным давлением 10 и 14 МПа». Министерство энергетики и электрификации СССР, 1984.

2. П 334-70-005-85. Положение об оценке ресурса, порядке контроля и замене гибов необогреваемых труб котлов с рабочим давлением 10 и 14 МПа//- М.: СПО Союзтехэнерго, 1985.

3. РД 34.17.421-92. Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций - М.: МПО ОРГРЭС, 1992.

4. РД 34.17.439-96. Методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы сосудов, работающих под давлением-М.: ПМБ ВТИ, 1996.

5. РД 34.17.442-96. Инструкция по продлению срока службы барабанов котлов высокого давления - М.: НТЦ Полиформ, 1996.

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

7. РД 153-34.0-17.464-00. Методические указания по контролю металла и продлению срока службы трубопроводов II, III и IV категорий. М.: Госгортех-надзор РФ, Минтопэнерго РФ, РАО "ЕЭС России". 2001.

Отпечатано с оригинала - макета автора. Заказ №278.

Содержание.

Введение.

Глава 1. История и состояние вопроса.

Результаты предыдущих исследований.

§ 1. Барабаны котлов высокого давления.

§ 2. Гибы необогреваемых котельных труб.

§ 3. Коллекторы экранов и экономайзеров.

§ 4. Основные закономерности коррозионной усталости и особенности ее проявления в необогреваемых элементах паровых котлов.:.

§ 5. Стратегия обеспечения надежности необогреваемых элементов котлов в процессе эксплуатации.

Выводы по главе.

Глава 2. Средства и метод¿1 исследования.

Глава 3 . Анализ напряженного состояния барабанов в зоне трубных отверстий

§ 1. Напряжения от внутреннего давления.

§ 2. Температурные напряжения.

2.1. Напряжения, обусловленные температурной неравномерностью по толщине стенки.

2.2. Напряжения, обусловленные разницей температур образующих.

Выводы по главе.

Глава 4. Анализ факторов, влияющих на повреждаемость необогреваемых элементов котлов

§ 1. Рабочие параметры.

§ 2. Механические свойства, химсостав, структурное состояние материала и качество изготовления.

§ 3. Коррозия.

3.1. Статистические данные.

3.2. Показатели воднохимического режима.

3.3. Взаимосвязь повреждений различных необогреваемых элементов пароводяного тракта.

3.4. Параметры анодно-поляризационных кривых рабочей среды. t|t

§ 4. Нестабильность нагружения

§ 5. Испытания на термоусталость

§ 6. Металлографические и фрактографические исследования повреждений.

§ 7. Анализ повреждаемости коллекторов экранов.

§ 8. Обсуждение полученных данных.

Выводы по главе.

Глава 5. Кинетика развития типичных трещин в необогреваемых элементах котла

§ 1. Зарождение и развитие дефектов в начальной стадии. Изменение их профиля в процессе эксплуатации (испытаний).

§ 2. Прямые наблюдения за развитие неудаленных трещин у трубных отверстий барабанов.

§ 3. Результаты исследования кинетики развития трещин в нейтральной зоне гибов необогреваемых котельных труб.

§ 4. Обсуждение результатов. Прогнозирование типа предельного состояния необогреваемых элементов котлов.

Выводы по главе.

Глава 6. Параметрическая зависимость трещипостойкости гибов необогреваемых труб и оценка их ресурса на стадии живучести.

Глава 7. Оптимизация контроля металла необогреваемых элементов в процессе эксплуатации.

§ 1. Барабаны котлов высокого давления.

§ 2. Гибы необогреваемых труб котлов и трубопроводов.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исходные условия.

2.3. Расчетные соотношения.

2.4. Порядок вычислений.

2.5. Результаты статистического моделирования.

§ 3. Коллекторы экранов и экономайзеров.

Выводы по главе.

Выводы по диссертации.

„у" • | ., .:'.'''.■•'.• Актуальность темы. Подавляющее большинство основного оборудования рос, 1 • ' сийских тепловых электростанций выработало проектйые сроки, установленные заводами- изготовителями, причем более трети энергоустановок - и парковый ресурс .

Однако такое оборудование будет эксплуатироваться еще значительное время [1,2] » * * *

В этой ситуации вопросы обеспечения надежности находящихся в эксплуатации установок приобретают особую актуальность. , : V ■ "'

Барабаны, гибы нсобо1рсвасмых труб и коллекторы1 паровых котлов, внутренняя поверхность которых'контактирует с водной средой (питательная или котловая ' ' ' I вода, пароводяная смесь, насыщенный пар) являются наиболее опасными элементами паровых котлов. В .процессе эксплуатации в них могут, развиваться трещины того или иного происхождения.' !' ' 1 ! ;

При бесконтрольном развитии трещины в барабанах могут достигнуть размеров, превышающих критические - если не для рабочей температуры, при которой критические размеры достаточно велики, то для комнатной - и привести к полному разрушению барабана при гидроисиьггании (что подтверждается зарубежной и отечественной практикой). ,

Трещины, развивающиеся в нейтральной зоне гибов псобогреиаемых котельных

I. труб, были основной причиной их разрушений, произошедших на электростанциях. Эти разрушения гибов во время работы когла обычно сопровождаются большим выбросом срсды, что обуславливает их особую опасность/ I

Коллекторы экранов и экономайзеров паровых котлов в процессе эксплуатации могут поражаться трещинами у трубных отверстий (аналогично повреждениям бара-бапов), что может порождать серьезные проблемы в связи с сложностью своевременного их обнаружения и мониторинга. ! ,

С целыо выяснения причин и предотвращения повреждений барабанов котлов высокого давления в 60-70-е годы в СССР был выпрлнен беспрецедентный объем

I 1 исследований, в которых участвовали ведущие отраслевые НИИ и наладочные орга-пизации, заводы-изготовители, службы металлов энергосистем и др. Ряд важных исследований в этом плане был выполнен и в ФРГ, где повреждения барабанов у трубных отверстий также имели массовый характер. V ' , , '

Исследования охватывали различные стороны известной триады (материал -напряжение - среда), определяющей надежность работы конструкций: усталостные характеристики материала и качество изготовления, напряженно-деформированное состояние в зоне трубньтх отверстий при различных эксплуатационных нагрузках, воднохимический режим котла и режимы пусков и остановов, механизм воздействия среды на металл, и др. ' , '

В соответствии с результатами выполненных исследований толщина стенки барабанов, изготавливаемых для котлов с рабочим давлерие^м ,14 МПа, с 1973 г. была увеличена до 105 и затем до 115 мм, а внутренний диаметр снижен с 1800 (барабаны котлов ТКЗ) до 1600 мм. На заводах был реализован комплекс мероприятий по повышению качества барабанов, охватывающий всю технологическую цепочку, начиная с выплавки стали. В отраслевой нормативно-технической документации был введен весьма обременительный для электростанций регулярный (вначале - с пе , г риодичностыо один - два года) дефектоскопический контроль металла барабанов в зоне трубной решетки, регламентированы ремонтные процедуры в случаях обнару

I . жсиия трещин, а также скорректированы некоторые показатели воднохимического режима и режима растолок и остановов котлов. ,

Осуществленные мероприятия снизили остроту ситуации с барабанами в отрасли, однако обеспечение их безопасной работы по-прежнему требует постоянных усилий. Около половины находящихся в настоящее вр^мя',в эксплуатации барабанов изготовлены до 1973 г. Снижение уровня рабочих напряжений в барабанах из стали 16ГНМ и 16ГНМА за счет увеличения толщины стенки и уменьшения диаметра, хотя и существенно снизило их повреждаемость, но полностью не устранило се.

I I

Большой объем исследований был выполнен и всвязрт'с резко возросшим в на

I I ! : 1 . ' 1 чале 70-х годов количеством разрушений гибов необогреваемых котельных труб (работы В.А.Нахалова, Б.В.Зверькова, И. А.Данюшевского,; Р.З.Шрона, И.И.Минц,

1 I . '

Ю.Ю.Штромберга, Р.Е.Бараза, О.Г.Салашенко, Р.К.Гронского, А.В.Станюковича и др.). 11

В соответствии с результатами исследований в качестве меры предупреждения этих разрушений, наряду с ре1улярнмм дефектоскопическим контролем, была рекомендована планомерная замена гибов на более толстостенные. Такая замена в пред- , писанные отраслевыми директивными документами сроки оказалась нереальной из-за большого ее объема (около полутора миллионов гибов),1 и большое количество «тонкостенных» гибов остается в эксплуатации до сих пор. Кроме того, в «толстостенных» гибах в последнее время также начали выявляться трещины в нейтральной зоне. ' ■'•.'',''■■.

В силу вышеизложенного необходимо постоянное Углубление знаний о процессах появления и развития типичных трещин в рассматриваемых объектах в части ликвидации оставшихся пробелов и для корректировки принятых ранее положений, не подтвержденных > практикой, а также совершенствование контрольно-диагностических процедур. Это особенно важно для суждения об остаточном ресурсе элементов при наличии в них дефектов (т.е. на стадии живучести).

1 Целыо работы является разработка научных основ' обеспечения надежной работы находящихся в эксплуатации необогреваемых ¡элементов котлов (барабанов, гибов трубопроводов, транспортирующих водную среду, коллекторов экранов и экономайзеров).

Научная новизна работы выражена в том, что впервые: ,

- получены аналитические и численные решения зад^ач нестационарной теплопроводности и упругости применительно к характерным режимам работы металла в I зоне трубных отверстий барабанов котлов; • '

- осуществлены испытания на коррозионную усталость с воспроизведением характерных признаков повреждений необогреваемых элементов котлов и выявлен механизм появления трещин в реальных условиях эксплуатации;

- исследована зависимость сопротивляемости гибов коррозионной усталости от конструктивных и эксплуатационных факторов и показал' экстремальный характер этой зависимости от рабочих параметров; ' '

- показана возможность оценки вклада коррозионного и механического (усталостного) факторов в развитие типичных трещин путем анализа их профиля, зафиксированного при металлографическом исследовании; • I,

- выявлены различными методами (стендовые испытания, физический и статистический анализ случаев повреждений, прямые наблюдения за неудаленными дефектами) основные этапы развития типичных трещин; ,

- для определения скорости роста типичных трещин в гибах необогреваемых труб данного назначения на всех его этапах предложен параметр, включающий наряду с числом циклов и средней частотой нагружения котла напряжение и позволяющий обойтись без идеализированных расчетных схем и сложных аналитических I' ■ процедур механики разрушения; м , ; * |

- разработаны методики прогнозирования развития типичных трещин в гибах данного котла и определения их остаточного ресурса на базе информации о глубине дефектов, выявленных при хотя бы одной проверке за истекший период эксплуатации;' - .,■" •

- разработаны математические модели выборочного,контроля гибов необогреваемых котельных труб и барабанов, позволяющие оптимизировать его объем с учетом чувствительности методов и средств дефектоскопии^ интенсивности развития и степени опасности трещин, подлежащих выявлению. . '

Практическая значимость работы выражена в томл что ее результаты использовались для решения различных вопросов, возникавших по барабанам, гибам нсобогревпасмых труб котлов и трубопроводов с рабочей температурой до 450°С, коллекторов экранов и экономайзеров, на которых в процессе эксплуатации обнаруживались дефекты коррозионпо-усталостного происхождения (возможность и сроки эксплуатации, способы ремонта и контроля и др.) на Йриклинской, Кармановской, Чсрспстской, Василсвической, Ангренской, Томь-Усииской ГРЭС, ГРЭС-8, Лен-энерго, Северодонецкой, Сормовской ТЭЦ и многих других ТЭС.

Результаты исследований автора отражены и в отраслевых нормативно ( 1 г технических документах, регламентирующих систему эксплуатационного контроля методы, периодичность, объем, парковый или установленный ресурс и др.) необогреваемых элементов котлов и трубопроводов с рабочей Температурой до 450"С: РД 10-262-98, РД 34.17.442-96, П 34-70-005-85, РД 153-34,0-17.464-00, и др. Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются:

- комплексным подходом к изучению поставленных вопросов, включающим

• ■ ч' ■•' теорсгические исследования, лабораторные (стендовые) испытания, промышленные эксперименты в течение длительных периодов эксплуатации;

- сходимостью результатов, полученных различными методами;

- положительными итогами опробования выводов на действующем оборудовании; .: ,

Автор защищает: . '

- результаты аналитических и численных решений задач нестационарной теплопроводности и термоу пру гости для определения температурных напряжений у трубных отверстий барабанов при заполнении, пусках и останорах;

- результаты испытаний па термо- и коррозионную усталость, воспроизводящих характерные признаки типичных трещин в необогреваемых элементах котлов;

I ' '' ' '

- параметрическую форму представления результатов испытаний на коррозион 1 '• ную усталость и трещиностойкость;

- методику оценки вклада коррозионного и силового факторов в развитие типич

• ■ 1" пых трещин по данным металлографического анализа; ,

- методику оценки агрессивности котловой воды при Действии ее на высоконапряженные участки поверхности металла; . ! ■ ,

- результаты исследований различными способами кинетики развития типичных трещин в барабанах и гибах необогреваемых труб; •,'">■

- способ прогнозирования развития типичных трещин в, гибах необогреваемых труб по результатам их однократного диагностирования; ; '

1 ' • ' I ' :

- способ оценки вероятного типа предельного состояния гибов необогреваемых труб в зависимости от,внешних факторов;

I г

- математические модели выборочного контроля металла барабанов и гибов не

1; обогреваемых труб, обеспечивающие его оптимизацию

Диссертационная работа является систематизацией и совершенствованием ре1 зультатов 30-летних исследований, проводившихся по инициативе и под руководством автора. ./'.'.>

Конкретное личное участие автора в решении проблемы заключается:

- в аналитических и численных (совместно с Л.И.Урбановичем) решениях задач нестационарной теплопроводности и упругости и в термометрировании барабанов ' ■ > ' • ' ■ ■ ■' . . при пусках и остановах котлов с целью определения напряжений в зоне трубной решетки барабанов, вызываемых температурной неравномерностью по периметру, толщине стенки и вдоль радиуса трубных отверстий барабана;

- в разработке методики оценки относительного вклада коррозионного и силового факторов в развитие типичных трещин в необогреваемых элементах котлов по ре

1 , ' 1 , , * ' ' ' зультатам металлографического анализа; .

- в разработке методики оценки агрессивности котловой воды при действии ее на металл в зоне концентрации напряжений по параметрам анодно-поляризационных

I , • ■ кривых (совместно с О.Г.Салашенко и Г.В.Кузнецовой) и исследовании зависимости повреждаемости гибов необогреваемых котельных труб от указанных параметров;

- в анализе статистических данных по влиянию показателей воднохимического ; . I режима котлов электростанций на состояние гибов необогреваемых труб и бараба

•I '.,«•.!' нов;' ' - '! • ' •'

- в, обосновании параметрических зависимостей коррозионной усталости и тре-щиностойкости; - !

- в создании способа получения информации об интенсивности развития трещин г в исследуемых объектах по статистическим функциям'их распределения (без использования временной координаты); ' . ,

- в разработке способов построения графиков роста трещин в гибах заданной совокупности и определения их остаточного ресурса по .результатам однократного измерения глубины трещин в выборке ограниченного объема; •

- в организации и проведении (совместно с В.П.Фецотовым и Б.И.Волковым) промышленного эксперимента по наблюдению за развитием неудаленных трещин в

I. барабанах котлов высокого давления в течение длительных периодов эксплуатации;

- в разработке математических моделей выборочного'контроля металла барабанов и гибов необогреваемых труб и алгоритмов определения оптимальных их объемов; ■ !

- в подготовке предложений в отраслевые нормативно-технические документы. Апробация, результатов исследования.Результаты?работы' докладывались и 1 . 1 I , ' 1 ' обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом семинаре «Рациональные методы контроля, обеспечивающие надежность работы металла ?нергооборудования (Моек' 1 1 ■ ' ' ' • ' ва, ВДНХ, 1978); Всесоюзном симпозиуме «Технология ремонта барабанов и корпусных деталей турбин» (Иркутск, Минэнерго СССР, 1979); Всесоюзном совещании «Система контроля и оценка надежности и долговечности металла в энергоустановках» (Москва, Союзтсхэнсрго, 1981); Всесоюзном научно-техническом совещании

1 . 10 ' ' '

Повышение надежности сварных соединений оборудования электростанций» (Москва, Союзтехэнерго, 1982); Всесоюзном научно-техническом совещании «СостояI ние и пути развития средств технической диагностики тепломеханического оборуi дования (Москва, ВДНХ, 1982); Республиканских научно-технических конференциях по совершенствованию диагностики обору дования'электростанций (Киев, 1984 и 1985); Советско-английском симпозиуме «Определение ресурса энергооборудования» (Брикет-Вуд, 1987); Республиканском научно-техническом совещании «Повышение надежности и долговечности металла энергооборудования ТЭС» (Горловка, Минэнерго УССР, 1990); Техническом совещании ведущих металловедов стран СНГ ,! ' ' ' ' ' ' ,' I V ' 1 ' и США «Определение остаточного ресурса металла тепломеханического оборудования тепловых электростанций» (Москва, ОРГРЭС, 1994); и др.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 57 работах,

Ii защищены шестью авторскими свидетельствами и отражены в семи отраслевых нормативно-технических документах.

В работе отражены результаты, выполненных автором в котельпо-топочном I ' . отделении и отделении металлов УралВТИ в период с J 970г. по настоящее время. . |

Автор благодарен сотрудникам УралВТИ - участникам этих исследований: Б.И. Волкову, В.Е. Полицковой, В.Н. Мышенкову, A.A. Рычкову, A.A. Опарину, А.И. Корману, Г.В. Кузнецовой, Е.С. Шитт, Е.И. Каминской, и особенно В.П. Федотову и Л.В. Надцыной. Автор весьма признателен Р.З. Шрону, В.А. Нахалову, О. Г. Салашенко, ИЛ4. Минц и Р.К. Тройскому за участие в обсуждении отдельных разделов работы. . , • ,

1 I • ■*.

1 Вопросы обеспечения надежности барабанов и гибов необогреваемых котель

I .1 ных труб рассматривались, многими исследователями -"сотрудниками различных организаций (ЦКТИ, ЦНИИТМАШ, ВТИ, ОРГРЭС и др.). Из них должны быть отмечены Б.В. Зверьков, В.Н. Ноев, A.A. Захаров, A.B. Ратнер, H.A. Никифоров, В.Б. Надлер,М.И. Шкляров, И.Н. Комисарчик, В.Г. В.Г. Зеленский, Г.И. Мосеев, A.A. Бельский, И.А. Дашошевский, М.А. Аксельрод, Н.М. Богомолов, Е.А. Гринь, H.H.

Зорев, Г.И. Иванищев др. Перечисленные лица разделяли взгляды и подходы автора

• • • i г- ' к тем или иным вопросам обеспечения надежности барабанов и гибов необогреваемых котельных труб, либо были его оппонентами при обсуждений этих вопросов и действовали побуждающим образом. Автор сохранит признательность всем им. Особой признательности заслуживает Д.Я. Шамараков за содействие в организации промышленного эксперимета по наблюдению за развитие^ неудаленных трещин в барабанах. 1 i ' - ' - , ' " ' 1 ••

1. История и состояние вопроса. Основные результаты предыдущих исследований I

4 I

9. Результаты работы использованы на 29 электростанциях, а также отражены в отраслевой нормативно-технической документации. ,