Контроль металла оборудования ТЭС

Для обеспечения надежной работы металла необходимо улуч­шение технологии его изготовления, применение новых, высоко­прочных качественных сталей. Наряду с этим должен осуще­ствляться в большем объеме и более точный входной (перед монтажом) и эксплуатационный контроль металла, имеющий целью выявление дефектов металла, допущенных заводом-изготовите­лем и возникших в процессе эксплуатации.

Контроль исходного состояния металла осуществляется заво­дами-изготовителями оборудования, однако опыт показал, что этим контролем ограничиваться нельзя. Контроль при монтаже частично дублирует заводской контроль и охватывает дополни­тельно монтажные сварные соединения. Эксплуатационный кон­троль имеет целью выявление изменений в металле и сварных соединениях, обусловленных воздействием высоких температур и напряжений, своевременное обнаружение дефектов, оценку эксплуатационной надежности металла и сварных соединений. Одной из задач контроля металла на ТЭС является выявление и исключение применения не соответствующих условиям эксплуа­тации сталей.

2. Входной контроль металла

Для определения марки стали, рассортировки деталей по мар­кам широко применяется спектральный анализ. Наиболь­шее распространение получил эмиссионный спектральный анализ по линейным спектрам.

Испускание светящихся паров металла возникает под дейст­вием дугового или искрового разряда между двумя электродами, одним из которых является исследуемый металл, а вторым — медный, железный или угольный электрод. Возбужденные ато­мы, образующие разрядное облако, дают излучение, длина вол­ны которого определяется природой элемента. Это излучение с помощью оптической системы разлагается в спектр по длинам волн. Поскольку атомы излучают энергию дискретно, спектр состоит из отдельных линий разной интенсивности. Положение линии в спектре характеризуется длиной волны, излученной ато­мами данного элемента, а ее интенсивность — количеством этих атомов. Определение элементов сводится к отысканию в спектре линий, соответствующих данному элементу.

Спектральный анализ может быть количественным, полуко­личественным и качественным. В практике монтажа и эксплуа­тации преимущественно применяется полуколичественный ана­лиз, когда наличие и концентрацию примеси определяют визу­ально, путем сравнения заранее составленных таблиц спектров с полученным спектром исследуемого металла по интенсивности линий излучения. Для подобного спектрального анализа приме­няются стационарные и переносные стилоскопы, а сам анализ называется стилоскопическим.

Для точного определения химического состава металла при­меняются спектрографы. Спектр исследуемого металла фотогра­фируют в спектрографе на пластину для последующего сопостав­ления с эталонными образцами.

Основным преимуществом метода стилоскопирования являет­ся возможность быстрого качественного и примерного количест­венного определения химического состава металла на месте установки действующего оборудования, в том числе и в трудно­доступных местах, в местах его складирования, без применения разрушающих методов.

3. Контроль состояния металла в период эксплуатации

Контроль ползучести. Под совместным воздействием темпе­ратуры свыше 450° С и напряжений как от внутреннего давле­ния, так и циклических, вызываемых нарушениями процессов генерации пара и топочных, в металле труб пароперегревателей, коллекторов и паропроводов развивается ползучесть (КРИП). Ползучесть представляет медленное и непрерывное накопление

Рис. 6.10. Диаграмма ползу­чести для различных значе­ний температуры.

Рис. 6.11. Зависимость предела дли­тельной прочности металла от време­ни до разрушения.

пластической, деформации, т. е. постепенное увеличение размера детали. Процесс этот протекает при напряжениях ниже предела текучести. При достижении определенной величины пластической деформации металл разрушается. Поэтому размеры деталей, ра­ботающих в условиях, допускающих развитие ползучести, необ­ходимо постоянно контролировать.

На рис. 6.10 представлена диаграмма ползучести для трех зна­чений температуры t1<t2<t3 Участок затухающей ползучести соответствует короткому начальному периоду I, когда металл даже несколько упрочняется. Периоду II соответствует участок ab, в пределах которого деталь может работать надежно, не разру­шаясь. Скорость ползучести в этом периоде постоянна: . В течение периода III интенсивно нарастает деформация, и в точ­ке с наступает разрушение. Надежная работа возможна только в течение периода II. Нап­ряжение, при котором скорость ползучести в периоде II не пре­вышает допустимой, или напряжение, вызывающее за данный срок службы суммарную деформацию не более допустимого предела, называется условным пределом ползучести и обозначается а_п. Для стали допускается предельная суммарная деформация 1 % за 100 тыс. ч работы, чему соответствует скорость ползучести мм/мм-ч, или /ч.

В условиях ползучести длительность работы детали до разрушения зависит от величины напряжения. Напряжение, вызываю­щее разрушение металла в течение заданного периода, назы­вается пределом длительной прочности и обозначается а_д._п. Общий характер зависимости длительности работы металла до разруше­ния т_р от напряжения о.показан на рис. 6.11.

Контроль за остаточной деформацией труб вследствие ползу­чести осуществляется путем периодического замера их диамет­ров. Методика контроля за остаточной деформацией труб и ее измерения изложена в специальной литературе [13, 15, 25].

Ползучесть пароперегревательных труб определяется с по­мощью шаблонов с учетом допускаемой остаточной деформации, равной для труб из углеродистых сталей 3,5%, из легированных сталей 2,5% по отношению к номинальному диаметру. Участки с плюсовой деформацией выше указанной подлежат замене.

Контроль изменения структуры и механических свойств ме­талла. Под влиянием диффузионных процессов, интенсифици­рующихся при повышенных температурах, могут изменяться структура металла и его свойства. Так, в углеродистой и низко­легированной стали, не содержащей хрома, в зоне термического влияния сварки может происходить разложение цементита с вы­делением свободного углерода в форме графита — графитизация, сопровождающаяся сильным разупрочнением (снижением проч­ности, пластичности и ударной вязкости). Другая разновидность изменения микроструктуры этих же сталей — сфероидизация, заключающаяся в том, что карбиды перлита, имеющие в исход­ном состоянии пластинчатую форму, превращаются постепенно в округлые частицы — сфероиды, которые в дальнейшем коагули­руют. Для оценки степени графитизации и сфероидизации разра­ботана балльная система. В сфероидизированном состоянии, соот­ветствующем баллу 6 (наивысшему), пределы прочности и те­кучести снижаются на 25%, ударная вязкость -г- на 50.-80%, скорость ползучести увеличивается в 2—2,5 раза.

У легированных сталей наблюдаются фазовые превраще­ния— переход легирующих элементов в процессе эксплуатации, при высоких температурах из твердого раствора в карбидную фазу, что отрицательно влияет на жаропрочность стали.

Для аустенитных сталей (в частности, Х18Н9Т, Х18Н12Т) большое значение имеют величина зерна и расположение зерен, характеризующие качество структуры металла; отрицательно на работоспособности стали сказывается как крупнозернистая, так и мелкозернистая структура.

В целях наблюдения за структурными изменениями, ползу­честью и прочностными характеристиками металла предусматри­вается выделение контрольных участков главных паропроводов перегретого пара и горячих ниток паропроводов вторичного па­ра, работающих при температуре 450° С и выше. Контрольные участки должны быть предусмотрены при проектировании паро­проводов и выполнены при монтаже. Трубы контрольных участков поставляются заводами-изготовителями из числа труб, изготов­ленных из плавок с наименее благоприятными механическими свойствами, химическим составом и структурой. Контрольный участок должен быть прямолинейным, длиной между сварными соединениями не менее 4 м, без каких-либо опор и располагать­ся на горизонтальных участках паропровода, как правило, вбли­зи котлоагрегата.

При исследовании металла контрольных участков опреде­ляют: полный химический состав, в том числе содержание леги­рующих элементов в карбидах; механические свойства при 20° С и рабочей температуре (предел прочности, предел текучести, от­носительное удлинение, относительное сужение); ударную вяз-Кость при 20° С и твердость (НВ); микроструктуру и неметалли­ческие включения; ползучесть при расчетных параметрах..

Контроль исходного состояния металла контрольного участка выполняется перед монтажом, последующий контроль — не поз­же чем через 20 тыс. ч работы паропровода и затем при отсут­ствии существенных изменений структуры и свойств металла — через каждые 25—30 тыс. ч работы.

Вследствие большого количества труб в котлоагрегате массо­вый контроль их микроструктуры и механических свойств нерен­табелен. Поэтому ограничиваются выборочным контролем при обнаружении ползучести пароперегревательных труб или при их повреждениях.

Расчетным сроком службы деталей теплосилового оборудова­ния, в том числе и паропроводов высокого давления, принято считать 100 тыс. ч. Сверх расчетных сроков металл может рабо­тать за счет принятого запаса прочности. Для оценки степени снижения этого запаса, т. е. работоспособности металла, исполь­зуются: металлографический анализ, при котором в низколеги­рованных сталях выявляются степени сфероидизации перлита, обезуглероживания поверхностных слоев, образование структур­но свободного цементита и других хрупких выделений по грани­цам зерен, наличие и количество выделившихся альфа- и сигма фаз в аустенитных сталях, наличие межкристаллитной коррозии; испытание механических свойств; карбидный анализ, выявляю­щий степень обеднения твердого раствора легирующими элемен­тами, перешедшими в карбиды; замер остаточных деформаций. На ТЭС применяются различные методы выявления дефектов металла: рентгено- и гаммаграфия, с помощью которых можно обнаружить пустоты, шлаковые включения, крупные трещины, дефекты в арматуре (наибольшее применение для этой цели по­лучили радиоактивные изотопы кобальт-60, цезий-133); ультра­звуковая дефектоскопия (УЗД), применяемая для обнаружения внутренних дефектов, в том числе мелких трещин; магнитно-по­рошковая дефектоскопия, с помощью которой можно обнаружить поверхностные трещины на деталях, изготовленных из ферро­магнитных материалов; магнитография, с помощью которой мож­но обнаружить дефекты в сварных швах трубопроводов с тол­щиной стенки до 12 мм; люминесцентная и цветная дефектоско­пия, применяемая для обнаружения мелких трещин и пор; дефектоскопия с помощью вихревых токов, которая служит про­стым средством обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин. Получили также развитие неразрушающие (безобразцо­вые) методы контроля микроструктуры и свойств металла с по­мощью переносного металлографического микроскопа, перенос­ного прибора для определения твердости; кроме того, применя­ются методы карбидного анализа без вырезки образцов.

4. Контроль сварных соединений

Сварные соединения проверяются при помощи наружного осмотра, неразрушающих методов, металлографических исследо­ваний, механических и гидравлических испытаний.

При наружном осмотре в сварных соединениях могут быть выявлены смещение кромок стыкуемых элементов, неравномер­ность высоты и ширины швов, наплывы и подрезы в местах пе­рехода от шва к основному металлу, трещины, выходящие на поверхность шва или зоны термического влияния, непровары, не­заполненные кратеры, прожоги, пористость на наружной поверх­ности труб, осевые смещения труб.

Наружным осмотром удается выявить только видимые отно­сительно грубые поверхностные дефекты. Поэтому обязательно применение и других методов контроля, таких, как УЗД, рентге­но- и гаммаграфирование. Наибольшее распространение получил метод УЗД.

Во всех случаях после изготовления сварного соединения должна производиться оценка его качества, для чего использу­ются вышеперечисленные методы. Выбор методов проверки опре­деляется действующими положениями. При обнаружении тре­щин, непроваров, пор, незаваренных прожогов и свищей сварные швы бракуются.

Нарушения нормальной работы ТЭС, а также случаи повре­ждения энергетического оборудования в зависимости от характе­ра нарушения, степени повреждения и их последствий квалифици­руются как аварии и отказы в работе. Авария характеризуется нарушением нормальной работы электростанции, вызвавшим серьезный перебой в энергоснабжении потребителей, поврежде­нием оборудования, требующим его останова и восстановитель­ного ремонта. Отказ характеризуется нарушением работоспособ­ности оборудования электростанции.

Наиболее уязвимым оборудованием с точки зрения повре­ждаемости является котельное. Так, для ТЭС с поперечными свя­зями распределение отказов между различными видами тепло­механического оборудования определяется данными, приведен­ными в табл. 6.2.

Число отказов в течение одного года на один агрегат для тур­бинных установок находится на уровне 0,1, для котельных уста­новок — на уровне 1,2.

Распределение отказов в работе котлоагрегатов на различ­ные параметры и повреждаемости их отдельных элементов ха­рактеризуется данными, приведенными в табл. 6.3.

Таблица 6.2

Таблица 6.3

Основная часть (80%) отказов котлоагрегатов обусловливает­ся повреждениями поверхностей нагрева. Отказы из-за поврежде­ний поверхностей нагрева определяются.повреждением паропере­гревателей (~40%), водяных экономайзеров (~30%), испари­тельных экранов (~20%). Главными источниками повреждений поверхностей нагрева котлоагрегатов высокого давления явля­ются недостатки эксплуатации, дефекты ремонта, в том чи­сле золовый износ труб, технологические дефекты изготовления элементов оборудования. Некоторое количество отказов оборудо­вания обусловлено также повреждениями необогреваемых труб, среди которых особое место занимают повреждения гибов (~40%), которые вызваны дефектами металла.

Примерно 25% повреждений котельного оборудования вы­сокого давления связаны с недостатками эксплуатации. Для турбоустановок распределение повреждаемости по элементам ха­рактеризуется данными, приведенными в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Литература

1.Кудинов А.А.Тепловые электрические станции: учебное пособие.М.ИНФРА-М,2012.325с.

2.Качан А.Д. Режимы работы и эксплуатации тепловых электрических станций.Минск: Высшая школа.1978г.