Экспериментальное исследование термомеханических факторов работоспособности труб пароперегревателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Ташлыков, Александр Анатольевич

• Ташлыков, Александр Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ташлыков, Александр Анатольевич

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КОТЕЛЬНЫХ

ТРУБ.

1Л. Влияние структурных термических превращений на эксплуатационные свойства котельных сталей.

1.2. Прогнозирование работы труб в процессе длительной эксплуатации.

1.3. Обоснование метода рентгенодиагностики.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТРУКТУРЫ СТЕНКИ ТРУБЫ.

2.1. Методика термических испытаний.

2.2 Теоретические основы определения мгновенного коэффициента линейных термических расширений.

2.3. Методика механических испытаний.

2.4 Установление структурно-напряженного состояния образцов стали. Теоретические основы метода.

2.4. Теоретическая оценка длины трещины.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

МЕХАНОЦИКЛИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ТРУБНОЙ СТАЛИ ДИ-82-Ш.

3.1. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для механических испытаний.

3.2. Экспериментальные результаты механоциклических испытаний.

3.3. Экспериментальные результаты измерений параметра элементарной ячейки в зависимости от температуры стали Ди-82-Ш.

3.4. Оценка погрешности определения периода кристаллической решетки методом наименьших квадратов для температурных испытаний.

3.5. Экспериментальные результаты измерения термических линейных расширений кристаллических решеток энергетической трубной стали Ди-82-Ш.

3.6. Экспериментальные результаты измерений средних внутренних микронапряжений II рода Сц альфа-фазы.

3.7. Экспериментальные результаты измерений внутренних зональных макронапряжений I рода gj альфа-фазы.

3.8. Аустенизация стали Ди-82-Ш.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Анализ механических испытаний.

4.2. Анализ изменений коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток трубной стали Ди-82-Ш.

4.3. Анализ внутриструктурные напряжения I рода и II рода альфа-фазы энергетической трубной стали Ди-82-Ш.

4.4. Сравнение экспериментальных результатов по стали Ди-82-Ш с подобными исследованиями стали 12X1МФ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование термомеханических факторов работоспособности труб пароперегревателя»

Состояние и перспективы развития энергетики любой страны непосредственно связаны с общим развитием ее экономики. Последствия экономического кризиса в России 90-х годов применительно к отечественному топливно-энергетическому комплексу подтверждают это еще раз: здесь кризис сопровождался существенным спадом производства и потребления электрической и тепловой энергии, деградацией основных производственных и прекращением строительства новых и даже модернизации существующих электростанций. Сказанное подтверждается основными показателями развития электроэнергетики России, приведенными в табл. 1, и свидетельствующими о том, что после 90-х годов энергетическая отрасль России практически не развивалась, а потребности в электрической и тепловой энергии обеспечивались благодаря эксплуатации того оборудования, которое было разработано и установлено еще в 60 - 80-е годы. При этом осуществлялся демонтаж полностью изношенного оборудования, а темпы ввода новых энергетических мощностей (в объеме всего 0,6 . 1,0 млн кВт/год) лишь компенсировали вывод из эксплуатации демонтируемой техники [1].

В настоящее время нет каких-либо четких ориентиров для построения будущей энергетической стратегии. Более того, судя по прогнозам уже нескольких появившихся вариантов проектов энергетической стратегии России на период до 2020 г., эти темпы меняются в зависимости от даты разработки. Так, в оценках 2000 г. в период 2001 - 2005 гг. прогнозировался общий рост производства электроэнергии на 10,5 . 16,2 % по сравнению с 2000 г. Однако уже в 2002г., когда стало ясно, что уровень фактического производства электроэнергии ниже этих оценок (сделанных два года назад), прогнозы были заметно изменены в меньшую сторону и составили всего 5,7 . 6,8 % [1].

1 Показатель 1990 г. 1995 г. 2000 г.

Потребление электроэнергии, кВт-ч млрд 1073,8 840,4 863,71

В том промышленностью числе 553,7 381,7 396,04

Производство электроэнергии, кВтч млрд 1082,1 860 877,8

В том числе ТЭС АЭС ГЭС 797 118,3 166,8 583,4 99,3 177,3 583,4 129 165,4

Установленная мощность, млн кВт-ч 213,3 215 212,8

В том числе ТЭС АЭС 149,7 20,2 ' 149,7 21,3 147,2 21,3 1

С каждым годом идет нарастание объема генерирующих мощностей, выработавших свой расчетный ресурс в 100000 часов, в результате чего появляется необходимость продления срока их эксплуатации и перехода на так называемый парковый ресурс, значительно превышающий расчетный. При этом уже и парковый ресурс в 2000 г. оказался выработанным у 37 тыс. МВт (17,6 % общей установленной мощности), в том числе на тепловых электростанциях - 14,9 МВт (7 %). К 2015 г. по данным РАО "ЕЭС России", свой парковый ресурс выработает оборудование мощностью 112 млн кВт (из них 85,3 млн кВт на тепловых электростанциях). В виду сложившейся ситуации, намечаются следующие пути решения: по атомным электростанциям: предусматривается осуществление мероприятий, направленных на продление срока их эксплуатации на 10 лет сверх расчетного срока; по тепловым электростанциям: кроме вывода мощностей из эксплуатации по мере выработки их паркового ресурса предлагается:

• снижать мощность установок после продления на 10 лет срока эксплуатации электростанций, достигающих паркового ресурса в период до 2005 г.;

• модернизировать оборудование электростанций, достигающее паркового ресурса в период до 2005 г., и продлить срок их службы на 10 лет [1].

I Данные по состоянию энергооборудования представлены в таблице 2.

Таблица 2

Возрастная структура Российского энергооборудования [2]

Возраст Суммарная мощность, Количество установок, энергоустановки, лет % %

0 . 10 8,4 10,0

10.20 24,6 15,3

20 . 30 33,0 23,7

30.40 25,2 25,7

Более 40 8,8 25,3

Итого 100 100

При этом необходимо иметь в виду, что трубы и паропроводы, в том числе и поврежденные, выглядят внешне вполне благополучными, поскольку ряд весьма существенных факторов остается за пределами рассмотрения при проектировании и в процессе эксплуатации. К таким факторам можно отнести недооценку роли напряженно-деформированного состояния металла и внутренних структурных напряжений.

Кроме того, не разработаны методики, по которым можно было бы оценить прочность высоко- и низкотемпературных паропроводов, связанных совместными температурными расширениями. Также отсутствуют предпосылки для выполнения корректных прочностных расчетов высокотемпературных паропроводов.

Таким образом, проблема дальнейшего обоснованного продления срока эксплуатации паропроводов и других теплонапряженных элементов должна решаться путем совершенствования режимов эксплуатации с использованием полноценного контроля всех нагружающих факторов, совершенствования расчетных методов оценки напряженного состояния, а также анализа реальных особенностей эксплуатации на основе полноценной документации

И.

Основную долю в изготовлении энергооборудования занимает сталь, что связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами и т.д. Стали и сплавы широко применяются в энергетике, в ответственных узлах и деталях, таких как барабаны, трубные пучки, коллекторы, паропроводы, трубопроводы, топочные экраны, пароперегреватели, экономайзеры, а также другие различные элементы. Все перечисленные элементы работают в условиях высоких температур, под знакопеременными термическими и механическими нагрузками в агрессивных средах.

С развитием промышленности требуется увеличение номинальной производительности электростанций. Для этого необходимо использовать более современные материалы с высокими ресурсными характеристиками, жаростойкие и жаропрочные. При этом планируется повышение параметров пара (температура, давление), в том числе до сверхкритических значений. Все это обязывает сталь, а в частности стальные трубы, отвечать более высоким требованиям, обеспечивающим надежную работу паропроводов, барабанов, пароперегревателей и других не менее важных элементов.

В настоящее время в условиях низкого капиталовложения в энергетику страны наиболее важным показателем является обеспечение длительного ресурса поверхностей нагрева при сохранении стабильных механических свойств. От надежности стали зависит надежность оборудования в целом и его безопасность в процессе эксплуатации. Наиболее частые отказы работы парогенераторов происходят из-за выхода из строя поверхностей нагрева. 9

Это проявляется не только из-за не соблюдения режима эксплуатации, но и в связи с коррозионными повреждениями, такими как межкристаллитная коррозия (МКК), коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) с образованием магистральных трещин, ползучесть, графитизация.

Кроме этого выяснение причин внезапного разрушения металла (растрескивания), которое может происходить и в ненагруженном состоянии даже при комнатной температуре (25 °С), также является важной и актуальной задачей. В этой связи структура материалов котельных труб широко исследуется и ищется взаимосвязь между структурой и механическими свойствами, что открывает возможности прогнозирования свойств металлов и сплавов, разработки технологических процессов термической обработки металлов для достижения наилучших свойств металла.

В современной российской энергетике растет количество объектов, исчерпавших свой проектный ресурс работы [3]. Считается, что используемые стали, такие как 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и т.д., плохо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации [4]. Эти стали обладают низкой прокаливаемостью по глубине, подвержены межкристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям. Поэтому при техническом перевооружении отечественной энергетики предполагается эти стали заменить на более перспективные стали, такие как Ди-59 и Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которые в настоящее время проходят массовые испытания на различных электростанциях России и стран СНГ (Запорожская, Беловская, Назаровская и т.д.) [3]. Помимо внедрения новых материалов также актуальна проблема продления срока службы уже эксплуатирующегося оборудования в связи с его прогрессирующим износом, а также проблема прогнозирования длительного и остаточного ресурса.

В этой связи чрезвычайно важной является задача по исследованию трубных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклического, а также механоциклического воздействия.

При длительной эксплуатации в условиях температурных воздействий на микроструктуру металла труб они упрочняются и утрачивают пластичность. В высоколегированных аустенитных сталях отмечается выделение карбидов, в нелегированных сталях происходит процесс графитизации, а в низколегированных сталях наблюдается распад перлита, сорбита или бейнита. Такое влияние на изменения микроструктуры сталей происходит в областях сварных соединений. При повышенных температурах и давлениях эксплуатация оборудования сопровождается ползучестью, вследствие чего в микроструктуре металла появляются микротрещины, которые впоследствии могут развиться в магистральные трещины. Эти процессы ухудшают прочностные свойства металла и могут привести к внезапным хрупким аварийным разрушениям. Исходя из вышеизложенного, дальнейшая эксплуатация энергооборудования возможна только при жесткой технической диагностике, непременной составляющей которой является контроль микроструктуры.

В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопроводах, летательных аппаратах, резервуарах, стальных конструкциях и т.п. Известные на данный момент методики обследования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаются надежностью и достоверностью. Сегодня у конструкторов и производителей металлоизделий нет достаточной научной базы для оценки факторов, вызывающих разрушение, вследствие этого многие специалисты по разному определяют влияние того или иного фактора, вызывающего аварийную ситуацию [5]. Имеющиеся недостатки в определении текущего состояния металла энергооборудования дают, как следствие, ошибочные

11 оценки остаточного ресурса. Применение известных методов диагностики и прогнозирования в решении проблемы надежности не привело к успеху, поэтому в Министерстве науки и технической политики Российской Федерации было проведено совещание, посвященное вопросу разрушения металлоконструкций и в очередной раз вопросы разрушения и предупреждения аварий были подняты А.П. Гуляевым. Он показал, что проблемы надежности не решены известными путями в России и за рубежом, и призвал научную общественность к поиску иных путей к решению этой проблемы [5].

Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности прогнозов по оценке текущего состояния и остаточного ресурса поверхностей нагрева вынуждают проводить дальнейшие исследования по выявлению влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойства трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, введение иных критериев оценки состояния материалов ответственных конструкций и узлов, одним из которых могут выступать внутренние структурные напряжения. Наличие таких критериев, анализ их функциональных зависимостей от условий эксплуатации отдельных элементов и узлов оборудования представляется оперативным методом повышения надежности тепломеханического оборудования в целом.

В этой связи целевым направлением настоящей работы является установление характера изменения структурно-напряженного состояния стенки котельной трубы, выполненной из новой, перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) под влиянием механических и термических циклических нагрузок для оценки ее работоспособности в пароперегревателях котлоагрегатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ташлыков, Александр Анатольевич, 2007 год

1. Фаворский О.Н., Асланян Г.С., Доброхотов В.И. Проблемы стоящие перед энергетическим сектором страны Теплоэнергетика. 2004. №1.-С. 28-32.

2. Попов А.Б., Перевалова Е.К., Сверчков А.Ю. Проблема продления ресурса теплоэнергетического оборудования ТЭС Теплоэнергетика. 2003.-№4.-С. 2 9 3 6

3. Тумановский А.Г., Резинских В.Ф. Стратегия продления ресурса и технического перевооружения тепловых электростанций Теплоэнергетика. 2001. Х» 6. 3 10.

4. Резинских В.Ф., Школьников Б.Э., Урусова Г.А. Перспективные стали для пароперегревателей котлов СКД Теплоэнергетика. 2000. N2 10.-С. 3 9 4 3

5. Пасибов А. Г. О хрупком разрушении металла (стали) и пути предупреждения аварий Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. №8. 38.

6. Федотов А.О., Крейцер К.К. Повый метод определения микроповреждаемости стали. Электрические станции. 2002. 10. С 37-39.

7. Акользин П.А., Либерман Г.Р. Межкристаллитная коррозия металла паровых котлов. М.: Изд-во Мин-ва коммунхоза РСФСР, 1955. 124 с. 8. Хор Т.П. Коррозионное растрескивание. В сб. Коррозия конструктивных материалов водоохлаждаемых реакторов. Под ред. В.П. Погодина /Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1965 JV» 42. с. 180 205.

8. Логан Х.Л. Коррозия металлов под напряжением /Пер с англ. М.: Металлургия. 1970. 340 с.

9. Дули Р.Б. Значение защитной окисной пленки для предотвращения 114

10. Богоявленский В.П. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем.- М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с. П.Нейман П.Д., Грисс Дж.К. Коррозия конструктивных материалов водоохлаждаемых реакторов /Пер. с англ. Под ред. В.П. Погодина. М.: Атомиздат, 1965. 170 с.

11. Жданов Г.С., Уманский Я.С. Рентгенография металлов: в 2-х ч. Ч.П. М.-Л.: Гл. ред. лит. по черной и цветной металлургии, 1938. 387 с.

12. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 543 с.

13. Рябченков А.В., Никифорова Н.А., Решеткина Н.А. Труды ЦНИИТМАШ. Влияние коррозионных сред на прочность стали. Машгиз, 1955.-кн. 77. П.Рябченков А.В. Коррозия и защита металлов под напряжением.- М.: Машгиз, 1959.

14. Герасимов В.В., Касперович А.И., Мартынова О.И. Водный режим атомных электростанций. М.: Атомиздат, 1976.- 399 с.

15. Гофман Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС- М.: Энергоатомиздат, 1990. 136 с. 2О.Березина Т.Г. Структурный метод определение остаточного ресурса деталей длительно работающих паропроводов //Теплоэнергетика. 1986.-№3.-С. 53.

16. Штромберг Ю.Ю. Контроль металла на тепловых электрических станциях //Теплоэнергетика. 1996. №12. 17-20.

17. Металлография железа /Справ. Изд. В 3-х ч. Ч.1.: М.: Металлургия, 1972.-240 с.

18. Любимова Л.Л. Оценка работоспособности труб поверхностей нагрева 115

20. Почуев В.Ф. Испытания труб промышленных и отопительных котлов для определения работоспособности с применением рентгеновского метода: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.14.

22. Ташлыков А. А. Исследование влияния циклического нагружения на распределение внутренних напряжений труб паровых котлов Труды четвертого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002.-С 9 4 9 6

23. Рентгеновские исследования структурно-напряженного состояния в образцах стали 10 Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. Материалы докладов VIII Всероссийской научнотехнической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 102 105.

24. Аномалии термических линейных расширений в стали 10 Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 105 108.

25. Рентгеновские исследования внутренних микронапряжений в образце стали 10 при термических циклических нагрузках А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Всероссийской Ташлыков и др. Материалы докладов научно-технической конференции VIII «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2002. 108-110.

26. Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. Известия Томского политехнического 116

27. Ташлыков А. А., Щетинин В. А. Исследование структурного трещинообразования в трубных сталях энергетических котлов Труды пятого Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд-во. ТПУ,2003.-С98-101.

28. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Рентгенометрическое выявление признаков разупрочнения котельных сталей Ползуновский вестник, 2004, 1 С 1 6 8 1 7 1

29. Рентгенодилатометрические температурные исследования внутренних напряжений стенок труб паровых котлов А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 44.

30. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2-х кн. Гоулдстейн Дж., Ньюберри Д., Эплин П. и др. М.: Мир, 1984, Кн. 1-303 с кн. 2 3 4 8 с.

31. Шабер О. //Приборы и методы физического металловедения. Вып 2. М.: Мир, 1974. 65-130.

32. Салтыков А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970.-376 с. Зб.Гинье А. Рентгеновская кристаллография. М.: Физматгиз, 1962. 602с.

33. Жданов Г.С. Основы рентгеноструктурного анализа. М.: Гостехиздат, 1940.-446 с.

34. Акользин П.А. Гуляев В.Н. Коррозионное растрескивание аустенитных сталей. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 271 с.

35. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод)- Издание 3-е, перераб. И доп..Издательство НПОЦКТИ, СПБ. 1998. 256с.

36. Бескоровайный Н.М., Беломытцев Ю.С., Абрамович М.Д., Иванов В.К., 117

37. Ковалева Л.А., Куманин В.И. Оценка жаропрочности методом прецизионого определения плотности. М.: НИИинформтяжмаш, 1976.-76с

38. Антикайн П.А. Длительная прочность металла долго работавшего паропровода как критерий эксплуатационной надежности. Теплоэнергетика. 1999. JY25 64.

39. Минц И.И., Воронкова Л.Е. К вопросу о возможности временной эксплуатации поврежденных порами ползучести гибов паропроводов тепловых электростанций Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. №8. 21.

40. Гофман Ю.М. Изменение структуры и свойств стали 20 при высоких температурах Металловедение и термическая обработка металлов. 1971.-№11.-С.63-65.

41. Гофман Ю.М., Лосев Л.Я. Порообразование в металле, работающем при повышенных температурах под напряжением Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. №4. 43 45.

42. Дубов А.А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. №9. 35 39.

43. Пудовиков Е.И., Застава А.П., Кузьмичев Б.П., Посысаева Л.В., РТльющенкова П.Ю., Лазарев В.Л. Диагностика деталей электроподвижного состава метрополитена Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. №5. 33 44.

44. Lyubimova L.L, Tashlykov А.А. Roentgenometrical detection of weakening pipe steel signs The ninth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientist "Modem Techniques and 118

45. Влияние структурной неоднородности металла на язвенную коррозию труб паровых котлов А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 45.

46. Conobeevski S.T.// Ann. Physic. 1936. V. 26. P. 97. 51.3убенко B.B., Уманский MM.// Кристаллография. 1957. Т. 2. 508.

47. Стали и сплавы для высоких температур: Справ, изд. В 2-х кн. Кн. 1./С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова-М.: Металлургия, 1991. 383 с.

48. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Влияние факторов микроструктурной повреждаемости на опрессовку стальных труб Материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». Томск: Изд. ТПУ, 2003. Т. 1. С 192-196.

49. Изменение внутренних напряжений в стенках труб паровых котлов при пластическом деформировании А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Владивосток: 2005. 35.

50. Механоциклические исследования образцов труб перспективной стали Ди-82-Ш для пароперегревателей энергетических котлов А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, А.А. Материалы технической докладов одиннадцатой «Энергетика: Макеев и др. научно- Всероссийской экология, конференции надежность, безопасность». Томск: Изд-во ТПУ, 2005. 236.

51. Микродилатометрические исследования образцов труб энергетических котлов из новой стали Ди-82-Ш А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, одиннадцатой А.А. Макеев и др. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции 119