Обеспечение надежности необогреваемых элементов паровых котлов ТЭС с водной рабочей средой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, доктор технических наук Балашов, Юрий Васильевич

• Балашов, Юрий Васильевич
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Балашов, Юрий Васильевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение надежности необогреваемых элементов паровых котлов ТЭС с водной рабочей средой»

„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

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Балашов, Юрий Васильевич

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