автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование отраслевой системы нормативов по оценке повреждений и живучести паропроводов и труб поверхностей нагрева паровых котлов ТЭС

Работа выполнена в фирме «ОРГРЭС» и Межотраслевом координационном

Совете «Живучесть ТЭС»

На правах рукописи

ШТРОМБЕРГ ЮРИЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОТРАСЛЕВОЙ СИСТЕМЫ НОРМАТИВОВ ПО ОЦЕНКЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ЖИВУЧЕСТИ ПАРОПРОВОДОВ И ТРУБ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПАРОВЫХ КОТЛОВ ТЭС

Специальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции

(тепловая часть)

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук старший научный сотрудник доктор философских наук Ю.Л. Израилев

кандидат технических наук О.В. Бритвин

ДИССЕРТАЦИЯ

Иваново 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1.

ГЛАВА 2.

ГЛАВА 3.

ГЛАВА 4.

Экспертиза традиций, современного состояния и тенденций совершенствования системы нормативов по измерению повреждений

Анализ нагружения, повреждения оборудования ТЭС и нормативных средств измерения дефектности паропроводов Исследования повреждений труб поверхностей нагрева котлов, анализ и совершенствование нормативных средств измерения этих повреждений

Экспертиза современного состояния и тенденции усовершенствования систем измерения повреждений паропроводов

и ТПНК ТЭС ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ:

Приложение 1 Основные положения концепции продления ресурса энергооборудования ТЭС

Существенные характеристики подобия машинно-человеческих (МЧС) и человеко-машинных (ЧМС) систем на примере проблемы ранних стадий повреждения О повышении живучести гибов с применением технологии их программного нагружения при рабочей температуре Усовершенствованная технология определения меры повреждения и выбора регламента контроля гибов паропроводов (на примере систем паропроводов Костромской ГРЭС)

Приложение 5 Основные обозначения

Приложение 2

Приложение 3 Приложение 4

Стр. 3

23

109

136

156 160 167 167

169

172

176

177

ВВЕДЕНИЕ

Энергетики всех стран мира стремятся эффективно использовать весьма дорогостоящее оборудование тепловых электростанций. При этом стараются максимально продлить срок службы таких ответственных узлов энергооборудования, как паропроводы и поверхности нагрева паровых котлов. Однако при исчерпании предельного ресурса металла могут произойти разрушения этих узлов, опасные для жизни персонала ТЭС и требующие больших затрат для восстановления. Поэтому в настоящее время, когда значительная доля оборудования ТЭС имеет наработку более 100 тысяч часов, актуальной является проблема измерения повреждений металла, так как она дает возможность определить остаточный ресурс оборудования, а, следовательно, предотвратить аварии и повреждения на электростанциях, связанные с состоянием металла паропроводов и труб поверхностей нагрева котлов (ТПНК).

Металл паропроводов работает в условиях ползучести, т.е. при температуре выше 450°С, и механизм разрушения его состоит из нескольких стадий: изменение микроструктуры, изменение фазового состава, изменение кратковременных и длительных механических свойств, образование микропор и последовательная их трансформация в цепочки пор, микротрещины и макротрещины. Механизм разрушения металла ТПНК еще более сложен, так как на него оказывают влияние такие явления, как эрозия, коррозия и усталость, значительно ускоряющие процесс разрушения.

Система измерения повреждений должна обеспечить максимальную длительную и безопасную работу оборудования, а эту задачу можно выполнить лишь при выявлении повреждений металла на ранних стадиях разрушения, когда можно прогнозировать скорости развития дефектов и время достижения ими критических размеров.

Действующая сегодня в отечественной энергетике система измерения повреждений не может обеспечить полного исключения случаев разрушения паропроводов, а тем более, труб поверхностей нагрева котлов; такую систему практически создать невозможно, так как нужно учитывать экономические факторы и многочисленные особенности эксплуатации энергоустановок.

Более реальной задачей является усовершенствование существующей системы, чтобы она могла обеспечить допустимую меру опасности и долговечности оборудования. При этом приходится разрешать две трудносовместимые проблемы - повышать чувствительность и достоверность контроля, с одной стороны, и не повышать его стоимости, с другой.

Повышение достоверности и надежности контроля можно обеспечить за счет применения: более чувствительных методов с большей разрешающей способностью выявления дефектов; автоматического документирования результатов контроля; мониторинга контроля и счетчиков остаточного ресурса. Сокращение же стоимости контроля возможно при: обоснованном увеличении периодичности контроля; увеличении количества контрольных выборок; применении методов неразрушающего контроля, не требующих трудоемкой подготовки контролируемой поверхности. Целе-ценностные характеристики результатов исследования:

- для совершенствования НТД, ориентированных на стареющие ТЭС, из многочисленного и многообразного «организма» ТЭС выделена система паропроводов свежего пара и горячего промперегрева в качестве наиболее характерной при старении в условиях ползучести;

- уменьшено несоответствие между процессом эксплуатации - ремонта ТЭС и процессом реализации требований НТД по измерению повреждений на основе сочетания принципов системности, технологичности и учета индивидуальных, локальных особенностей типа «слабое звено - опасная зона»;

для группы стареющих ТЭС создан действующий макет системы нормативов по измерению повреждений и принятию решений, увеличивающих достоверность контроля и уменьшающих затраты на него путем совершенствования метрологического И технологического аспектов системы НТД. Научная новизна результатов исследования состоит в следующем: выявлены наиболее повреждаемые элементы и зоны паропроводов, труб поверхностей нагрева котлов (ТПНК) и условия контроля этих повреждений, приемлемые для отраслевого НТД;

обоснована необходимость введения в систему НТД стареющих ТЭС концепции «категорий опасности»;

осуществлен переход отечественной системы НТД от безальтернативной к более соответствующей реальной ситуации в отрасли, с созданием нормативной системы «Живучесть» для группы стареющих ТЭС;

для системы паропроводов свежего пара, горячего промперегрева и паропроводов парогенераторов реализована нормативная система, увеличивающая достоверность измерения микроповреждений на основе технологии «микроструктурный мониторинг»;

- создана система мер выявления микроповреждения паропроводов из сталей

12Х1Ми 15Х1М1Ф.

Достоверность, конкретность и обоснованность полученных результатов во всей их целостности определена учетом традиций и тенденций отечественной и мировой энергетики, вьмвлением отличительных признаков отечественной системы НТД, совершенствованием этой системы и многолетней практикой проверки результатов принятых решений на многих ТЭС, включая группу отраслевых образцов стареющих ТЭС. Практическая ценность результатов исследования:

- обобщен тридцатилетний личный опыт диссертанта по решению проблемы обеспечения надежности системы паропроводов и ТПНК ТЭС путем учета наиболее прогрессивных традиций и тенденций мировой и отечественной энергетики, воплощенных в поэтапно совершенствуемых НТД

- создана нормативная основа измерения и определения живучести для группы отраслевых образцов стареющих ТЭС в виде действующей модели нормативной системы «Живучесть стареющих ТЭС».

Автор защищает:

- систему характеристик, определяющих существенные отличия и подобия традиций и тенденций отечественной энергетики и энергетики наиболее цивилизованных стран по проблеме живучести паропроводов и ТПНК стареющих ТЭС;

- «карту» опасных зон паропроводов свежего пара и горячего промперегрева группы «стареющих ТЭС»;

- комплекс характеристик, определяющих требующие первоочередного устранения недостатки действующей системы нормативов в области надежности паропроводов и ТПНК;

- критериально-нормативную систему «категорий опасности» паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф;

действующую модель нормативной системы измерения и определения живучести, регламентированную для группы отраслевых образцов стареющих ТЭС. Работа состоит из . страниц текста,.... таблиц,... рисунков и ... приложений.

ГЛАВА 1

Экспертиза традиций, современного состояния и тенденций совершенствования системы нормативов по измерению повреждений

Началом систематического контроля металла энергооборудования на ТЭС можно считать 1943 год, когда после разрыва паропровода на одной из электростанций США было выполнено массовое обследование паропроводов высокого давления американских ТЭС. Вскоре американскими энергетиками была создана первая инструкция по контролю металла паропроводов электростанций в процессе эксплуатации, предусматривающая вырезку «лодочек» из металла паропроводов и их сварных соединений, а также введение в практику контрольных участков паропроводов в виде прямой трубы с тремя поясами бобышек для измерения остаточной деформации.

В 1951 году отделением металлов ВТИ (A.B. Ратнер и И.Н. Лагунцов) была подготовлена первая отечественная инструкция по контролю металла паропроводов, имеющая много общего с американской инструкцией. Так, вырезка «лодочек» предназначалась для лабораторного исследования металла под микроскопом для выявления графитизации углеродистых сталей или малоуглеродистых сталей, легированных 0.5% молибдена.

Контрольный участок паропровода представлял собой прямую трубу длиной до 6 метров с приваренными в средней части тремя поясами специальных бобышек. Эти бобышки служили для периодического измерения остаточной деформации трубы по диаметру и по длине (поэтому три пояса бобышек). В дальнейшем от измерения «продольной» ползучести отказались и фиксировали лишь изменения диаметра труб. От контрольного участка периодически отрезались образцы в виде «катушек» для лабораторного анализа свойств металла и анализа динамики изменения этих свойств.

Сильным импульсом для развития работ по контролю металла энергооборудоваия был, начавшийся в 1960 году, массовый ввод в эксплуатацию энергоблоков ТЭС мощностью 150 и 200 МВт, а затем и сверхкритических блоков 300 МВт. При монтаже энергоблоков на ТЭС организовывались станционные лаборатории металлов и сварки; до этого времени существовали лишь лаборатории металлов и сварки крупнейших энергоуправлений (Мосэнерго, Ленэнерго, Свердловэнерго, Челябэнерго, Кузбассэнер-го, Иркутскэнерго). Первая же станционная лаборатория металлов в российской энергетике была создана в 1952 г. на Черепетской ГРЭС, где монтировались уникальные блоки мощностью 150 МВт с температурой острого пара 585°С.

В это же время была издана большим тиражом «Инструкция по наблюдению и контролю за металлом паропроводов и пароперегревателей» (Госэнергоиздат. 1961). Этой инструкцией вводились такие методы неразрушающего контроля, как замер остаточной деформации труб (с помощью микрометра или шаблона), магнитнопорошковый контроль и ультразвуковой контроль. Затем был внедрен метод карбидного анализа -вначале на вырезанных образцах, а позднее уже капельный - непосредственно на паропроводах (1961 г. Отчет ОРГРЭС «Новые методы исследования свойств металла паропроводов высокого давления в смонтированном состоянии»). Тогда же ОРГРЭСом (при участии автора диссертации) был успешно опробован переносной микроскоп 1 для исследования микроструктуры металла паропроводов на ТЭС, а несколько позже Д.Э. Кан (Мосэнергоремонт) был внедрен для этой цели метод оттисков или реплик. Нормативные документы по этим методам были выпущены позднее:

- «Методические указания по карбидному анализу перлитных, полуферритных и аустенитных сталей, применяемых в теплоэнергетике». БТИ ОРГРЭС, 1966 г.

- «Методические указания по химическому и физико-химическому фазовому анализу металла энергооборудования электростанций СССР. МУ 34-70-040-83». СПО Союзтехэнерго, 1984 г.

- «Методические указания по карбидному анализу низколегированных сталей без разрушения деталей». БТИ ОРГРЭС, 1968 г.

- «Шкалы микроструктур металла котельных труб из сталей 12Х1МФ и 12Х1М1Ф, пересмотренные и согласованные на совещании в главтрубостали 7-8 августа 1968 г.» Приложение к МРТУ 14-4-21-67. СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1972 г.

- «Рекомендации по контролю микроструктуры металла методом оттисков». СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1969 г.

При вводе в эксплуатацию на ТЭС нового оборудования было выявлено большое количество заводских дефектов в металле и сварке паропроводов и труб поверхностей нагрева котлов (ТПНК), поэтому в 1969 г. были утверждены руководством министерства энергетики «Временные руководящие указания по объему и порядку контроля металла энергооборудования с давлением 140 ата и выше до ввода его в эксплуатацию». СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1969 г.

При входном контроле металла стал обязательным неразрушающий химический

Ныне, в пределах движения «Живучесть ТЭС» при непосредственном участии автора создается новая высокая технология, в которой переносной микроскоп, видеокамера и компьютер, заменяя реплики, сканируют и документируют повреждения микроструктуры. Эта технология необходима для обеспечения живучести системы паропроводов стареющих ТЭС.

анализ металла с помощью стилоскопа в соответствии с НТД:

- «Временная инструкция по спектральному анализу металла энергетических установок с помощью стилоскопа». БТИ ОРГРЭС, 1962 г.

- «Методические указания по проведению спектрального анализа металла деталей энергетических установок с помощью стилоскопа». СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1969 г.

- Информационный листок № ЭО 49-72 «Предотвращение образования трещин в металле теплосилового оборудования в местах стилоскопических прижогов». СЦНТИ ОРГРЭС, 1972 г.

Еще раньше, до введения стилоскопирования, в отечественную энергетику были внедрены такие методы неразрушающего контроля сплошности металла, как магнито-порошковая и цветная дефектоскопии. Они были введены следующими документами: «Руководящие указания по применению метода магнитной суспензии для выявления трещин в элементах котельных соединений». Госэнергоиздат, 1954 г.

- Информационное сообщение № Т-5/61 «Выявление дефектов металла методом цветной дефектоскопии». БТИ ОРГРЭС, 1961 г.

В эти же годы внедрялись и другие методы неразрушающего контроля металла и сварки труб паропроводов и ТПНК. Некоторые из этих методов не получили в энергетике широкого распространения, как, например, магнитографический метод контроля сварных соединений (из-за малой достоверности, т.е. возможной большой перебраковки или недобраковки) и метод гаммапросвечивания (из-за технических трудностей и дефицитности тогда специальной фотопленки). И, наоборот, ультразвуковой метод получил широкое внедрение и дальнейшее всестороннее развитие. Эти методы вводились в практику следующими НТД:

- «Инструкция по магнитографическому методу контроля сварных соединений труб поверхностей нагрева паровых котлов диаметром 28-108 мм». Оргэнергост-рой,1962г.

- «Инструкция по контролю сварных соединений методом просвечивания гамма-лучами радиоактивных изотопов» И-11-57. Оргэнергострой, 1962г.

- Информационное сообщение № Т-2/61 «Выявление расслоений в стенках труб с помощью ультразвука». БТИ ОРГРЭС, 1961 г.

- «Инструкция по ультразвуковому контролю качества сварных соединений трубопроводов, коллекторов и барабанов котлов тепловых электростанций». Оргэнергострой, 1966 г.

«Временные руководящие указания по методике ультразвукового контроля сварных швов паропроводов для выявления поперечных трещин». БТИ ОРГРЭС, 1966г.

Ультразвуковой контроль оказался универсальным методом, который применялся практически во всех случаях, когда в тепловой энергетике возникали серьезные проблемы. Например, в первые годы эксплуатации энергоблоков мощностью 200 и 300 МВт были массовые повреждения труб пароперегревателей котлов, выполненных из аустенитной стали с мелким зерном (такие трубы отличались низкими жаропрочными свойствами). Для разрешения этой проблемы был разработан специальный метод:

«Методика ультразвукового контроля величины зерна в пароперегревательных трубах из стали 1Х18Н12Т». СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1970 г. В 1968 г. в нашей энергетике возникла новая серьезная проблема - многочисленные разрывы гибов необогреваемых труб котлов, а затем и паропроводов, в первую очередь это было обусловлено недостаточной толщиной стенки труб. Для отбраковки гибов были разработаны методы ультразвукового контроля:

- «Временная инструкция по ультразвуковому контролю качества металла гибов необогреваемых труб котлов тепловых электростанций». СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1970 г.

- «Инструкция по деф