Повышение долговечности гибов высокотемпературных паропроводов ТЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Катанаха, Николай Александрович

• Катанаха, Николай Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Катанаха, Николай Александрович

Оглавление

Введение

1. Особенности изготовления и эксплуатации гибов паропроводов

1.1. Паропроводы ТЭС и их повреждения при их эксплуатации

1.2. Технология изготовления гибов паропроводов

1.3. Материалы высокотемпературных паропроводов

1.4. Сопротивление ползучести, релаксационная стойкость и длительная прочность материалов высокотемпературных паропроводов

1.5. Повреждения при ползучести

1.6. Модели расчёта прочности гибов паропроводов

1.7. Контроль состояния металла в гибах паропроводов при эксплуатации

1.8. Цели и задачи исследования

2. Методы исследования, используемые при изучении долговечности

гибов

2.1. Методы получения и обработки исходных данных

2.2. Численные методы определения параметров ползучести

2.3. Метод конечных элементов

3. Модифицированная модель ползучести материала и результаты

определения её параметров для трубных сталей

3.1. Модель ползучести, ориентированная на описание процесса накопления деформаций при больших сроках службы

3.2. Процедура определения параметров модели ползучести для материалов паропроводов

3.3. Изохронные кривые ползучести материалов паропроводов при разных температурах

3.4. Расчётное определение режимов отпуска для снятия остаточных

напряжений

4. Анализ напряженно-деформированного состояния гибов

высокотемпературных паропроводов

4.1. Расчётно-экспериментальное определение особенностей трубных

сталей и конструкций гибов

4.2. Напряженно-деформированное состояние гибов и его анализ

5. Расчетное определение ресурса гибов высокотемпературных паропроводов

5.1. Определение ресурса гибов из стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф

5.2. Определение ресурса гибов из стали 10Х9МФБ

6. Практические рекомендации по увеличению долговечности высокотемпературных паропроводов

Заключение и выводы

Список литературы

4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение долговечности гибов высокотемпературных паропроводов ТЭС»

Введение

Актуальность темы исследования. С повышением начальных параметров пара и мощности паротурбинных установок тепловых электростанций возрастает значение надёжности работы их главных паропроводов. Паропроводы тепловых электростанций - одна из основных систем ТЭС. Она состоит из паропроводов свежего пара и горячего промперегрева, являясь также своеобразным индикатором процессов старения ТЭС. Именно в паропроводах, прежде всего в результате взаимодействия высокой температуры, давления теплоносителя и множества других факторов, процесс старения проявляется в виде микродефектов, а затем и макроповреждений.

В практике эксплуатации ТЭС зарегистрирован ряд случаев аварийного выхода из строя оборудования в связи с повреждением гибов паропроводов.

Для выяснения причин подобных повреждений и устранения возможности их появления при длительной эксплуатации необходимо иметь в распоряжении информацию о целом ряде факторов: технологии изготовления гибов, геометрии сечения гибов, их напряженно-деформированного состояния и его изменения при эксплуатации.

В гибах паропроводах ТЭС реализуется сложный вид напряженного состояния, зависящий от конструктивных особенностей системы, изменяющийся во времени и отличающийся размерами зоны действия максимальных напряжений.

Разрушение гибов труб представляет большую опасность для обслуживающего персонала, которое может привести к человеческим жертвам, и наносит значительный материальный ущерб из-за длительных вынужденных простоев оборудования в результате аварий.

Изучению процессов, протекающих в гибах паропроводов, посвящено большое число работ. В нормативно-технической документации содержатся нормы расчёта на прочность трубопроводов пара, регламентируются объёмы и виды контроля их элементов, а также критерии оценки состояния металла в исходном состоянии и после длительной эксплуатации.

Однако существующие подходы к прочностному расчёту гибов паропроводов не учитывают особенности изменения свойств материала и геометрических характеристик гибов во времени.

В связи с изложенным выше, очевидна целесообразность выполнения дальнейших работ по изучению процессов, происходящих в ходе эксплуатации гибов.

Автор выражает глубокую благодарность A.C. Семенову за предоставленную возможность использовать в расчетах разработанный им пакет PANTOCRATOR и консультации во время проведения работы. Также выражаю благодарность В.Н. Скоробогатых за представленные данные экспериментов на ползучесть стали 10Х9МФБ.

Отдельные разделы настоящей работы выполнены в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 12-08-00-943, а также при поддержке Правительства Санкт-Петербурга в виде грантов для студентов и аспирантов, молодых учёных, молодых кандидатов наук за 2010 г.

Научная новизна.

1. Разработана новая модель ползучести, позволяющая адекватно описывать процессы ползучести на всех трех стадиях применительно к малым и большим временам эксплуатации металла и методы определения ее параметров, обеспечивающие единственность решения.

2. Определены особенности напряженно-деформированного состояния при разных температурах и длительностях эксплуатации гибов паропроводов (различной конструкции и технологии изготовления), выполненных из разных материалов.

3. Разработана методика расчетно-экспериментального определения режима отпуска для снятия напряжений деталей из перлитных сталей и титановых сплавов.

4. Определены закономерности изменения овальности гибов из сталей 15Х1М1Ф, 12Х1МФ и 10Х9МФБ во время длительной эксплуатации в диапазоне температур 500- 600 °С.

5. Разработана методика определения параметров ползучести по результатам испытаний на релаксацию напряжений

6. Подтверждена целесообразность использования стали 10Х9МФБ для изготовления паропроводов при температурах до 600 °С.

Практическая ценность. На основании результатов проведенной работы разработана модель ползучести, позволяющая адекватно определять значения деформаций ползучести при больших временах. Разработаны

рекомендации по корректировке нормативно-технической документации, применяемой для определения остаточного ресурса гибов паропроводов.

Автор защищает:

1. Единую модель долгосрочной и краткосрочной ползучести сталей;

2. Методику идентификация параметров модели и ее программная реализация;

3. Результаты определения параметров модели ползучести для трубных сталей: 10Х9МФБ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф при разных температурах;

4. Процедуру определения ресурса гибов паропроводов ТЭС с применением расчетов методом конечных элементов;

5. Результаты сопоставления значений ресурса гибов паропроводов ТЭС, изготовленных из сталей: 10Х9МФБ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, полученных с использованием аналитических формул и выполненных методом конечных элементов;

6. Результаты экспериментальных исследований ползучести материала 12Х1МФ в состоянии полугорячего наклепа;

7. Рекомендации по использованию стали 10Х9МФБ для гибов паропроводов с температурой пара 600 °С.

Апробация работы. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. «XXXVIII Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2009 г.

2. «Ресурс, надёжность и эффективность использования энергетического оборудования», г. Харьков, Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 25-28 мая 2010 г.

3. XXXIX Неделя науки СПбГПУ, г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2010 г.

4. ХЬ Неделя науки СПбГПУ, г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2011 г.

5. «Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС», г. Киев, Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, 02-05 октября 2012 г.

6. ХЫ Неделя науки СПбГПУ, г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК.

1. Особенности изготовления и эксплуатации гибов паропроводов 1.1. Паропроводы ТЭС и их повреждения при их эксплуатации

Большинство ТЭС, работающих в России, эксплуатируются уже в течение длительного времени и находятся в состоянии, приближенном к исчерпанию своего срока службы. Надежность паропроводов имеет большое значение для надежности энергоблока в целом [1].

По состоянию на 1999 г. энергооборудование ТЭС России имело длительность наработки, приведённую в таблице 1.1 [2].

Таблица 1.1 - Длительность наработки энергооборудования ТЭС

Оборудование ТЭС России Доля оборудования (%), имеющего наработку, тыс.ч.

100-220 Более 220

Котлы 14 МПа 59 24

10 МПа 17 82

Турбины 13 МПа 55 9

9 МПа 28 46,5

Блоки 150 МВт 15 85

Блоки 200 МВт 49 29

Блоки 300 МВт 91 8

Отдельные энергоустановки с давлением пара перед турбиной 9 МПа имели наработку более 350 тыс. ч., а с давлением 13 МПа - около 300 тыс. ч. Пять Энергоблоков имели наработку более 270 тыс. ч. На многих энергоустановках паропроводы работают без замены с начала эксплуатации. В настоящее время число агрегатов с наработкой более 220 тыс. ч, по-видимому, значительно возросло, что требует повышенного внимания к состоянию паропроводов.

К основным видам повреждений гибов паропроводов можно отнести следующие [3]:

1. Чрезмерная деформация.

2. Исчерпание ресурса. Разрушение происходит на растянутой части гиба с образованием сетки трещин на наружной поверхности. Данное повреждение по всем признакам характерно для повреждения гибов из-за ползучести.

3. Термическая усталость. В процессе пусков и остановок энергоблоков гибы паропроводов, равно как и сами паропроводы, подвергаются прогревам и остываниям (рисунок 1.1). В среднем за период эксплуатации количество циклов прогревов и остываний составляет порядка 1500, при этом скорость изменения температуры может достигать на коротких промежутках времени 15-20 °С/мин. При циклическом тепловом воздействии металлы могут претерпевать необратимые формоизменения, вызванные как внутренними структурными напряжениями, так и напряжениями, образующимися вследствие градиента температур. В гибах преобладают процессы необратимого формоизменения второго вида.

4. Коррозия. Стали гибов 12Х1МФ, 15Х1М1Ф отличаются высокой коррозионной стойкостью при температуре < 550 °С, так как образующиеся на их поверхности окисные пленки обладают хорошими защитными свойствами [4]. Многолетние наблюдения за котельными трубами из стали 12Х1МФ показали, что при эксплуатации при температуре до 550 °С окисная пленка покрывает поверхность плотным ровным слоем, а отслаивания ее не наблюдается. Однако, при температурах эксплуатации выше 580...600 °С скорость коррозии заметно увеличивается, причем окалина становится пористой и легко отслаивается [5, 6]. К разрушению защитной пленки может также приводить нарушение водного режима.

Для металла гибов паропроводов при эксплуатации также характерны коррозионно-механические разрушения в условиях статического нагружения - коррозионное растрескивание. Вследствие локализованной электрохимической коррозии образуются небольшие узкие трещины в виде отдельных углублений. Образование трещин, являющихся концентраторами

напряжений, приводит к появлению зон пластических деформаций, которые могут инициировать развитие процесса хрупкого разрушения.

В таблице 1.2 приведены значения глубины и скорости коррозии стали 12Х1МФ в водяном паре [7].

Таблица 1.2 - Глубина и скорость коррозии стали 12Х1МФ в водяном паре

Температура, °С Время, ч

103 103 5104 105

Глубина коррозии И, мм

500 0,008 0,021 0,040 0,053

550 0,025 0,062 0,119 0,157

600 0,065 0,163 0,311 0,410

Скорость коррозии ик, мм/год

500 0,0735 0,0185 0,0070 0,0046

550 0,2178 0,0547 0,0208 0,0138

600 0,5698 0,1431 0,0545 0,0359

Под действием переменных напряжений и коррозионно-активных сред происходит накопление коррозионно-усталостных повреждений. Этот процесс протекает практически в любых коррозионных средах, включая влажный воздух, пар, газы [8]. Типичным примером повреждения металла труб под действием коррозионной среды служит растрескивание в месте прохода через обмуровку [9].

Все вышеперечисленные повреждения зависят от состояния материала, его структуры и качества изготовления заготовок. К дефектам изготовления обычно относят: закаты, вмятины, плены, усы, риски, рванины и трещины, окалины, ужимы, подрезы, чешуя, отпечатки, сквозные продавы, перетравы, расслоения.

Авторами [10] были получены и обработаны статистические данные от более 80-ти ТЭС по отказам элементов паропроводов. Было установлено, что повреждения паропроводов, вызвавшие отказы энергоустановок, распределяются следующим образом: паропроводы свежего пара - 28 %; паропроводы горячего промперегрева - 58 %; паропроводы холодного промперегрева- 14 %.

Количество повреждений паропроводов, зарегистрированных при более высокой температуре пара, больше, чем зарегистрированных при

меньшей температуре. Таким образом, количество повреждений паропроводов увеличивается с ростом температуры пара.

Основными элементами паропроводов, на которых происходят повреждения, являются гибы (17,5%) и сварные соединения (82,5%), значительно реже прямые участки труб [2]. Анализ причин, вызвавших повреждение гибов паропроводов, показал, что 30 % повреждений происходит в результате исчерпания ресурса металла, 29 % - из-за коррозии, 28% - из-за металлургических дефектов, 13% - из-за дополнительных циклических напряжений при нестационарных режимах [2]. При этом исчерпание ресурса, как было сказано ранее, связано с повреждениями из-за ползучести, а коррозионные повреждения - с коррозионным растрескиванием.

Результаты обработки статистических данных по повреждениям гибов, эксплуатирующихся в условиях ползучести, приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Статистические данные о повреждениях гибов паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести

Группы гибов Система паропроводов Количество гибов (шт.)

Всего В том числе

Из стали 12Х1М1Ф Из стали 15Х1М1Ф С наработкой в % от паркового ресурса

> 100 70-100 <70

1 В системе паропроводов 'ГЭС 24636 18105 6531 10547 8002 6087

2 Дефектных или подвергнутых замене 3277 2825 452 942 664 1671

2.1 В том числе с макротрещинами 138 122 16 85 12 —

2.2 В том числе со сквозными трещинами, резвившимися с наружной поверхности 16 16 0 9 0 -

3 Подвергнутых контролю микроповреждённости 1684 1630 54 740 749 199

3.1 В том числе содержащие микротрещины 23 12 7 12 2 -

3.2 В том числе содержащие микродефекты в виде пор 461 444 21 286 125 -

4 С относительной остаточной деформацией прямых участков гибов более 0,8 % 40 32 8 16 8 -

5 С относительной овальностью менее 1% 85 64 11 37 0 -

Из таблицы 1.3 видно, что из общего количества гибов:

1.73% в 1999 г. приходилось на гибы, изготовленные из стали

12Х1М1Ф, 27 % - 15Х1М1Ф. Данную статистику можно объяснить тем, что сталь 15Х1М1Ф является более новой, нежели 12X1МФ, а также более жаростойкой.

2. 25 % гибов имели наработку менее 0,7 паркового ресурса (/„), 32 % -наработку от 0,7 до 1,0 43 % - более /,„ т.е. больше половины вышедших из строя гибов не проработали предусмотренный парковый ресурс. Если учесть, что парковый ресурс составляет порядка 30 лет, то проектирование и изготовление вышедших из строя гибов проводилось в 70-е годы. Таким образом, можно предположить, что при проектировании гибов не были учтены все факторы, оказывающие влияние на их ресурс, кроме того при изготовлении гибов в ряде случаев использовались технологии, имеющие большое количество недостатков.

Стоит отметить, что из общего числа дефектных или заменённых гибов (3277) только 40 (менее 1,2 %) имели остаточную деформацию прямых участков, превышающую предельно допускаемую (0,8 %) и 85 (2,6 %) -относительную овальность менее 1 % [2]. Оба показателя считаются характерными для повышенной ползучести гиба.

Согласно представленных в [2] результатов анализа причин повреждений гибов, выполненных из стали 12Х1МФ, следует, что около 50 % всех дефектов проконтролированных гибов имели макротрещины, развившиеся с наружной стороны, и 40 % - макротрещины, развившиеся с внутренней стороны. Сквозные трещины, берущие начало с наружной стороны, были зафиксированы у 6 % гибов, с внутренней стороны - у 4 %. У гибов из стали 15Х1М1Ф макротрещины, развившиеся с наружной стороны, наблюдались в 87% случаев, с внутренней стороны - в 13% случаев. Образования сквозных трещин в гибах из стали 15Х1М1Ф отмечено не было.

На рисунке 1.2 приведена зависимость количества разрушенных гибов из стали 12Х1МФ от времени наработки. Эти данные свидетельствуют о том, что в области наработок 150-190 тыс. ч. скорость нарастания числа разрушенных гибов существенно замедляется по сравнению с областью 80130 тыс. ч. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что в начале 70-х гг. на многих ТЭС было произведено снижение температуры свежего пара с 565 до 545 °С, а также с тем, что в среднем диапазоне наработок была произведена отбраковка гибов. При наработке 200 тыс. ч, очевидно, что в эксплуатации остались гибы с малой поврежденностыо металла.

пР

50 40 30 20 10 0

20 60 100 140 Г,,, ТЫС. Ч

Рисунок 1.2-Число разрушенных гибов паропроводов из стали 12Х1МФ в зависимости от наработки

В ходе проведения анализа не было обнаружено ни одного разрушения гиба из более жаропрочной стали 15Х1М1Ф, однако следует иметь в виду, что число паропроводов из нее изготовленных заметно меньше, чем из стали 12Х1МФ.

1.2. Технология изготовления гибов паропроводов

Изготовление гибов производится в соответствии с существующими стандартами организаций [11], при этом принятые конструктивные исполнения и основные размеры гибов подтверждаются расчётами на прочность, проведенными в соответствии с РД 10-249 [12].

Гибы паропроводов изготавливаются как из отечественных, так и с использованием зарубежных материалов, разрешённых к применению Ростехнадзором. Применяемый для изготовления материал выбирается из расчёта давления и температуры стенки исходя из служебных и технологических свойств материала.

Проведем анализ принятых в промышленности технологий изготовления гибов.

Перед производством гибов трубные заготовки подвергаются испытаниям и контролю: визуальному; контролю размеров; контролю химического состава; испытаниям на растяжение при комнатной и повышенной температурах с определением ав, сод, <5, у/; испытанию на ударный изгиб при комнатной температуре и при пониженной температуре; технологическим испытаниям: сплющиванию, раздаче, загибу; контролю микро и макроструктуры; испытаниям на длительную прочность, контролю загрязнённости неметаллическими включениями; УК на выявление продольных, поперечных дефектов и дефектов типа «расслоение».

В зависимости от значения относительного радиуса оси поворота ЯЮа (Я - номинальное значение радиуса поворота по нейтральной оси гнутого участка, мм, йа - наружный диаметр трубы, мм) применяют следующие способы гибки труб:

1. При Л/Д, > 3,5 в холодном или горячем состоянии;

2. При 1 < КЮа < 3,5 в горячем состоянии.

Для осуществления гибки в холодном или горячем состоянии в РФ используют следующие станки [13]:

а) гибка труб в холодном состоянии;

1) гидравлические трубогибочные станки на двух опорах (ТГР-50, ТГС-127, ТГС-2");

2) трубогибочные станки, предназначенные для гибки труб обкаткой роликом (СТВ-1/2", СТА-3/4", СТВ-Г);

3) трубогибочные станки с внутренними дорнами (ТГМ-38-159, ИО-13, ГСТМ-21, СТГ-2, ИА3528 (Украина), Пайне (США));

б) гибка труб в горячем состоянии;

1) гибка труб с нагревом током высокой частоты (ТВЧ) (ТГС-325, УЗТМ-ТВЧ 108-325, УЗТМ-ТВЧ 219-465, УЗТМ-ТВЧ 219-560, УЗТМ-ТВЧ 426-820);

2) гибка труб с нагревом в пламенных печах, газовых, электрических печах (УЗТМ 219-465, УЗТМ 108-325).

Если мощность трубогибочного станка позволяет, то гибку паропроводных труб стремятся производить в холодном состоянии. В процессе гибки происходит пластическое деформирование металла - на наружной части гиба металл растягивается, на внутренней - сжимается. В процессе пластической деформации при комнатной температуре происходит наклеп, сталь упрочняется. Из-за неравномерной пластической деформации в деталях возникают остаточные напряжения, которые могут суммироваться с напряжениями от внешних нагрузок в процессе эксплуатации и приводить к снижению работоспособности детали. Также наклепанный металл отличается пониженной коррозионной стойкостью. Для устранения наклепа после холодной гибки и снятия остаточных напряжений гибы подвергаются послеоперационной термической обработке - отпуску. Для стали 12Х1МФ отпуск осуществляется при температуре 720...750°С, для 15Х1М1Ф при 730...760 °С [11].

После окончания холодной гибки на станках освобожденная от прижима труба пружинит под действием сил упругих деформаций. Угол, на который пружинит труба, называется углом пружения. При гибке на угол 90° угол пружения для стальных труб составляет 3...5° [14]. Чтобы получить требуемый угол изгиба трубы, при гибке его увеличивают на угол пружения.

При гнутье труб в горячем состоянии нагрев трубных заготовок под деформацию может производиться всеми видами нагревательных устройств по технологии предприятия-изготовителя и проводится для сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф при температурах 950... 1100 °С.

В последнее время на трубозаготовительных базах и заводах все более широко осуществляют гнутье труб с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Гнутьё с нагревом ТВЧ по сравнению с другими методами гнутья имеет преимущества:

а) исключена возможность образования наклёпа, а изгиб узкого нагретого кольца, поддерживаемого с торцов холодными участками, приводит к уменьшению овализации в гибе, уменьшается также упругая отдача трубы;

б) можно гнуть трубы с малыми радиусами без наполнителей и внутренних поддержек (дорн), в этом случае после гибки в металле трубы отсутствуют остаточные напряжения;

в) высокая скорость нагрева при возможном регулировании температуры нагрева в широких пределах при надлежащем выборе мощности нагревательной установки;

г) обеспечивается стабильность режимов, что положительно сказывается на качестве гиба и создаёт возможность автоматизировать процесс нагрева металла в соответствии со скоростью гибки трубы.

При выполнении гибки трубопровода длину трубы Ь, мм, необходимую для получения гнутого элемента, определяют по формуле

1 = 0,01 Яа + 1, (1.1)

где Я - радиус изгиба трубы, мм, а - угол изгиба трубы, / - прямой участок трубы длиной 100. ..300 мм, необходимый для захвата трубы при гибке.

Угол поворота, радиус, длина прямых участков от торца до начала закругления назначаются разработчиками конструкции трубопровода в соответствии с требованиями стандартов или рабочих чертежей гибов [15, 16].

В результате растягивающих и сжимающих деформаций толщина стенки трубы в зоне изгиба по наружной стороне уменьшается, а по внутренней - увеличивается. Утонение или утолщение стенки зависит от радиуса изгиба трубы. Величина утонения стенки Ь (мм) в гибах труб с толщиной стенки £ (мм), изготавливаемых на трубогибочном оборудовании, определяется по формуле:

Ь = -

1 + 2 —

(1.2)

Также в процессе гибки, особенно тонкостенных труб, по сечению трубы образуется овальность, а на вогнутой части трубы гофры и волнистость.

Величина относительной овальности сечения а (%) в местах гибов труб определяется по формуле:

-^100 о/ (13)

а гпах а шш

где Д,тах и Оат-т - наибольший и наименьший наружный диаметр, измеренные в одном сечении.

Допускаемые значения относительной овальности и предельные значения волнистости гибов паропроводов в зависимости от их геометрических характеристик определены в [11].

После выполнения гибки детали подвергаются неразрушающему контролю, включающий в себя: визуальный контроль; измерительный контроль (волнистости, овальности, толщинометрии) в максимально растянутой зоне; дефектоскопия наружной поверхности (вихретоковый контроль, магнитопорошковый контроль, цветная дефектоскопия); твердость.

1.3. Материалы высокотемпературных паропроводов

Как известно [10], стали, применяемые для изготовления паропроводов ТЭС, должны обладать следующими требованиями: высокой жаропрочностью, критериями которой принимаются условный предел ползучести или длительная прочность; высокой способностью к пластической деформации при длительном разрыве; стабильностью структуры и механических свойств при рабочих параметрах; коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере при контакте с теплоизоляционными материалами, а также в паре высокого и сверхкритического давления. Важны также технологические свойства металла паропровода: высокая пластичность в горячем и холодном состояниях, обеспечивающая возможность изготовления труб и их холодную и горячую гибку на трубогибочных станах; хорошей свариваемостью всеми видами промышленной сварки.

В течение 40 последних лет для изготовления паропроводов применяются традиционные котельные и трубные материалы, разработанные в период 50-60 годов прошлого столетия[17]:

1. Углеродистые и низколегированные стали марок 10, 20, 15ГС при температурах до 500 °С.

2. Хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые перлитные стали марок 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, с температурой применения до 585 °С (при базовой температуре не выше 540...565 °С);

3. Аустенитная сталь 12Х18Н12Т при температурах до 640 °С.

В настоящее время из сталей 12Х1МФ и 15X1 MlФ изготовлены паропроводы блоков 150, 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт. Сталь 12Х1М1Ф наряду с высокими жаропрочными свойствами имеет удовлетворительные технологические свойства при прокатке и гибке, и хорошую свариваемость.

Сталь 15Х1М1Ф отличается от стали 12Х1МФ более высоким содержанием молибдена: около 1%, это обеспечивает её повышенную жаропрочность.

В 90-е годы для пароперегревателей и паропроводов ТЭС в ЦНИИТМАШ была разработана хромистая сталь марки 10Х9МФБ с повышенной жаропрочностью и технологичностью в металлургическом производстве. Применение стали марки 10Х9МФБ позволяет в настоящее время решить проблему эксплуатации трубных элементов и котельного

оборудования в составе блоков высоких параметров при температуре до 600°С [18, 19, 20]. Служебные характеристики стали марки 10Х9МФБ приведены в ГСССД 141-89 «Сталь жаропрочная хромистая 10Х9МФБ (ДИ82- Ш).

Сравнение характеристик стали 10Х9МФБ с традиционно применяющимися для изготовления пароперегревателей и паропроводов перлитными сталями марок 12Х1МФ и 15Х1М1Ф показывает возможность увеличения ресурса и существенного снижения (на 25... 30 %) металлоемкости трубных элементов котлов и паропроводов, работающих при традиционных температурах 540...565 °С за счет уменьшения толщины стенок трубных элементов (рисунке 1.3) [3].

Й325У52 0377x84 «25X30 «325X43

а) - Энергоблок 3 Харанорской ГРЭС; б) - Энергоблок 9 Новочеркасской ГРЭС

Тем не менее, несмотря на высокие жаропрочные и технологические свойства, сталь 10Х9МФБ до сих пор не востребована в отечественном энергомашиностроении.

В то же время за рубежом (США, Корея, Япония, Китай, Бельгия, Англия, Германия и др.) аналоги стали 10Х9МФБ - стали марок

X10CrMoVNb9-l (T91/P91) и 10CrMo9-10 (Р22) широко используется для изготовления паропроводов, коллекторов и пароперегревателей с рабочей температурой до 605 °С. Срок эксплуатации трубных систем из этой стали уже превысил 100000 ч. [21, 22].

С целью оценки ресурса гибов паропроводов при высокой температуры в условиях зарождения и роста трещины в Дрезденском техническом университете были проведены испытания гибов труб, выполненных из сталей Р91 и Р22. Температура испытания гиба из стали Р91 составляла 625 °С, из Р22 - 565 °С [23].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Катанаха, Николай Александрович, 2013 год

Список литературы

1.Резинских В. Ф., Гринь Е. А. Надёжность и безопасность ТЭС России на современном этапе: проблемы и перспективные задачи // Теплоэнергетика - 2010. - № 1. - С. 2-8.

2. Балдин H.H. Повышение живучести паропроводных гибов, эксплуатируемых в условиях ползучести на стационарных ТЭС: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.14 / Балдин Николай Николаевич-Иваново, 2001. - 177 с.

3. Гринь Е. А. Эксплуатационная надёжность и долговечность питательных трубопроводов энергоблоков ТЭС // Теплоэнергетика. - 2006. -№ 8. - С. 59-65.

4. Ланская К.А. Жаропрочные стали. - М.: Металлургия, 1969. - 245 с.

5. Березина Т.Г. Основные виды повреждения металла элементов теплоэнергооборудования. Конспект лекций. М.: ВИПКэнерго, 1989

6. Минц И.И., Новоселова Н.Г. О развитии деформации и разрушения деталей энергооборудования при эксплуатации в условиях ползучести // Международная научно-техническая конференция «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004», Москва, 26-27 окт., 2004: Тезисы докладов: К 85-летию научной школы МИСиС по обработке металлов давлением. М., 2004. - с. 193-194.

7. Жаростойкость конструкционных материалов энергомашиностроения //Л.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1978.-Вып.38.-235 с.

8. Букин Ю.А., Чепурина А.И., Игонин С.Л. Комплексная система диагностирования состояния металла высокотемпературных гибов паропроводов на электростанциях ОАО «Тюменьэнерго» // Контроль. Диагност. 2002 . № 8. - с. 55-56

9. Ашихмина Л.А., Березина Т.Г., Гойхенберг Ю.Н. Анализ повреждаемости длительно работающих паропроводов. // Электрические станции, 1982, № 9. - с. 36-39.

10. Израилев Ю.Л., Хромченко Ф.А. Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций. - М.: Изд-во «ТОРУС ПРЕСС», 2002. -616 с.

11. СТО ЦКТИ 10.003-2007. Трубопроводы пара и горячей воды тепловых станций

12. РД10-249-98 «Нормы расчёта на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды».

13. Боровков В.М., Кашотик А.А. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 240 с.

14. Rousea J.P., Leoma M.Z., Suna W., Hydea Т.Н., Morrisb A. Steady-state creep peak rupture stresses in 90° power plant pipe bends with manufacture induced cross-section dimension variations // International Journal of Pressure Vessels and Piping. Volumes 105-106, May-June 2013, Pages 1-11.

15. СТО ЦКТИ 321.05-2009 Отводы гнутые для паропроводов тепловых станций. Конструкция и размеры ОАО «НПО ЦКТИ» - 18 с.

16. СТО ЦКТИ 321.06-2009 Отводы крутоизогнутые для паропроводов тепловых станций. Конструкция и размеры ОАО «НПО ЦКТИ» - 6 с.

17. ПБ10-573-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов».

18. Борисов В.П., ЩенковаИ.А. и др. «Высокохромистые стали в котлостроении».//Теплоэнергетика, 1990.— № 2.

19. Марочник сталей и сплавов под редакцией ЗубченкоА.С. - М.: Машиностроение, 2001.

20. Скоробогатых В.Н., ЩенковаИ.А. «Жаропрочные хромистые стали для оборудования ТЭС - опыт и перспектива применения».//Энергетик, 2007. -№ 7.

21. Skorobogatykh V.N., HahnB., Cretsehmann V., Mitroshina LA. «Pipes for severe servise stress».//The Vallourec &MannesImann. Tubes Magazine, 2006. -№ 17.

22. Kimura K, Kushima H, Sawada K, Long-term creep deformation property of modified 9Cr-lMo steel, // Materials Science and Engineering A 510-511.-2009.

23. Gampe U, Seliger P Creep crack growth testing of P91 and P22 pipe bends // International Journal of Pressure Vessels and Piping Volume 78, Issues 11-12, 12 November 2001, Pages 859-864.

24. Блюм Р. и др. «Новые марки высокотемпературных ферритомартенситных сталей из США, Японии и Европы»: Сборник докладов на международной конференции, посвященной оценке остаточного ресурса и продлению срока службы энергоблоков ТЭС, работающих на органическом топливе. - М.: ВТИ, 1994.

25. Скоробогатых В.Н., Щенкова И.А. «Разработка и освоение материалов для тепловых блоков на суперсверхкритические параметры» // Энергонадзор и энергобезопасность, 2008. - № 1. - с. 46-49.

26. Abe F. «Alloy Design of Creep and Oxidetion Resistant 9Cr steels for Thick Section Boiler Components Operoting at 650°C,4th EPRI Internationel Technology for Fossil Power Plants», SC, USA, October 25-28, 2004.

27. Петреня Ю. К. Физико-механические основы континуальной механики повреждаемости. - СПб.: АООТ «НПО ЦКТИ», 1997.

28. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 544 с.

29. Гецов Л.Б., Материалы и прочность деталей газовых турбин. В двух книгах. Кн. 1 - Рыбинск: ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2010. - 611 с.

30. Гецов Л.Б., Материалы и прочность деталей газовых турбин. В двух книгах. Кн. 2 - Рыбинск: ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2011. - 496 с.

31. Чайдек Й. Ползучесть металлических материалов. М.: Мир, 1987. -

304 с.

32. Chandler H.D. Work hardening during primary creep of copper // Materials Science and Engineering: A. Volumes 510-511, 15 June 2009, Pages 417-419

33. Работнов Ю. H. Ползучесть элементов конструкций. - M.: Наука, 1966.-753 с.

34. Локощенко A.M., Моделирование процесса ползучести и длительной прочности металла: Монография. - М.: МГИУ, 2007. - 264 с.

35. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металле и сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 304 с.

36. Abe F Creep-resistant steel. Woodhead Publishing Limited. England. 2008-678 p.

37. SawadaK., Analysis of long-term creep curves by constitutive equations / K. Sawada, M.Tabuchi, K. Kimura // Materials Science and Engineering A 510-511.-2009.

38. ECCC developments in the Assessment of Creep-Rupture Properties.

39. Omprakash C.M., Kumar A., Srivathsa В., Satyanarayana D.V.V. Prediction of Creep Curves of High Temperature Alloys using 0 -Projection Concept // Procedia Engineering. Volume 55, 2013, Pages 756-759.

40. Hore S., Ghosh R.N. Computer simulation of the high temperature creep behaviour of Cr-Mo steels Materials Science and Engineering: A Volume 528, Issues 19-20, 25 July 2011, Pages 6095-6102.

41. Brown S.G.R., Evans R.W., Wilshire B. A Comparison of Extrapolation Techniques for Long-term Creep Strain and Creep Life Prediction Based on Equations Designed ti Represent Creep Curve Shape // Int. J. Pres. Ves. & Piping 24, 1986, Pages 251-268.

42. Es-Suoni M. Primary, secondary and anelastic creep of high temperature near a-Ti alloy Ti6242Si // Materials Characterization, 2000, Pages 153-164.

43. Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести. М.: Мир. 1986. - 360 с.

44. Шестериков С.А., Юмашева М.А. Конкретизация уравнения состояния в теории ползучести // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1984. №1. С. 86-91

45.Naumenko К., Altenbach Н. Modeling of creep for structural analysis. Springer Berlin Heidelberg New York. 2007. p. 220.

46. Кривенюк В.В. Методологические аспекты прогнозирования ползучести жаропрочных сталей и сплавов. Сообщ. 1. Анализ уравнений состояния // Пробл. прочн. 2007. № 1.-е. 55-68

47. Локощенко, А. М. Длительная прочность металлов при сложном напряженном состоянии / А. М. Локощенко // Пробл. прочн._ 1983._ № 8._ С. 55-59.

48. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979. - 168 с.

49. Новиков И.И., Ермишкин В. А. Микромеханизмы разрушения металлов. - М.: Наука, 1991. - 368 с.

50. Ashby M.F., Dyson B.F. Creep damage mechanics and micromechanisms. -Proc. 5th Int.Conf. on Fract. Dehli, 1982.

51.Хапонен H. А., Шевченко П.Н., Рассохин Г.И. Микроповрежденность как критерий оценки состояния металла и остаточного ресурса паропроводов ТЭС // Безопас. труда в пром-сти. 2004, № 5 _ с. 42-44.

52. Букин Ю.А., Чепурина А.И., Игонин C.JI. Комплексная система диагностирования состояния металла высокотемпературных гибов паропроводов на электростанциях ОАО «Тюменьэнерго» // Контроль. Диагност. 2002 . № 8. - с. 55-56

53. МинцИ.И., Новоселова Н.Г. О развитии деформации и разрушения деталей энергооборудования при эксплуатации в условиях ползучести // Международная научно-техническая конференция «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004», Москва, 26-27 окт., 2004: Тезисы докладов: К 85-летию научной школы МИСиС по обработке металлов давлением. М., 2004. - с. 193-194.

54. Гецов Л.Б. Методы оценки повреждаемости жаропрочных материалов.- Заводская лаборатория. №11,1964, С. 1371-1379

55. Балашов Ю.В., Надцына Л.В. К оценке остаточного ресурса гибов необогреваемых котельных труб с умеренной рабочей температурой // Изв. вузов. Пробл. энерг. 1999. № 7-8. - с. 90-96.

56. Вебер X. Ползучесть и особенности повредпения жаростойких ферритных сталей. «Продление ресурса ТЭС». Сборник докладов на международной конференции, посвященной оценке остаточного ресурса и продлению срока службы энергоблоков ТЭС, работающих на органическом топливе. 16-20 мая 1994 г. Москва, 1994.

57. Антикайн П.А. Металлы и расчёт на прочность котлов и трубопроводов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 369 с.

58. Бугай Н.В., Березина Т.Г., Трунин И.И. Работоспособность и долговечность металла энергетического оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 272 с.

59. Крутасова Е.И. Надёжность металла энергетического оборудования. -М.: Энергоиздат, 1981.-237 с.

60. Березина Т.Г. Структурные методы оценки повреждаемости деталей энергооборудования в условиях ползучести. Учебное пособие. - М.: ВИПКэнерго, 1989. - 342 с.

61. Гофман Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 136 с.

62. Хеннеке У., Мейер X., Мюш X. Реконструкция (замена) паропроводов свежего пара и промперегрева на электростанции Вестфалия, «Продление ресурса ТЭС». Сборник докладов на международной конференции, посвященной оценке остаточного ресурса и продлению срока службы энергоблоков ТЭС, работающих на органическом топливе. 16-20 мая 1994 г. Москва, 1994.

63. Кучер Н.К. Вариант теории упрочнения учитывающий зависимость параметров уравнений состояния от напряжения и температуры. // Проблемы прочности, 2005, № 2. - С. 19-27.

64. Петреня Ю.К., Гецов Л.Б. Прочность метериалов и ресурс элементов энергооборудования. - Труды ЦКТИ, 2009, вып. 296 - 394 с.

65. Боровков В.М. Материалы и прочность оборудования ТЭС. Под редакцией Боровкова В.М. и Гецова Л.Б. СПб: Изд. Политехник. 612 с.

66. Березина Т.Г., Трунин И.И. Взаимосвязь предельно-допустимой деформации ползучести с повреждённостью материала паропроводов. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1980, № 12. - с. 34-37.

67. Березина Т.Г., Ашихмина Л.А., КарасёвВ.В. Разрушение стали при ползучести в области температур, близких к 0,5ТШ1. // Физика металлов и металловедение, т. 42, в. 6, 1976.

68. Верещагин Ю.П., Гриневский В.В., Туляков Г.А. Роль структурного фактора при распространении трещин ползучести в перлитной стали. // Теплоэнергетика, 1991, № 12. - С. 57.

69. Брейнарт К.Л., Бенеджи С.К. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. - М: Металлургия, 1988. - 552 с.

70. Березина Т.Г. Структурный метод определения остаточного ресурса деталей длительно работающих паропроводов. // Теплоэнергетика, 1986, № 3. -С. 53-56.

71. Березина Т.Г. Шкляров М.И., Штромберг Ю.Ю. Оценка ресурса деталей энергооборудования, работающих в условиях ползучести с учётом структурного фактора. // Теплоэнергетика, 1992, № 2. - С. 2-5.

72. СО 153-34.17.456-2003 Методические указания по оценке живучести оборудования тепловых электростанций.

73. Бархатов Б.В., Добрушкин JT.C., Пермикин B.C. Оценка состояния металла гибов паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести, и определение возможности их дальнейшей эксплуатации. «Надёжность объектов котлонадзора на тепловых электростанциях». Материалы 2-го Уральского научно-технического семинара. 7-12 апреля 1997 г. Челябинск, 1997.

74. Толксдорф Е., Хальд Дж. Экспериментальные методы определения характеристик ползучести и усталости элементов оборудования электростанций, «Продление ресурса ТЭС». Сборник докладов на международной конференции, посвящённой оценке остаточного ресурса и продлению срока службы энергоблоков ТЭС, работающих на органическом топливе. 16-20 мая 1994 г. Москва, 1994.

75. Хапонен Н.А., Горшков Ю.П., Филичкин А.А. Прочностные расчеты элементов котлов по результатам диагностирования // Безопас. труда в пром-сти. 2005, № 6. - С. 43-45.

76. Гринь Е.А., Зеленский А.В., Бочкарев В.И. Методика экспресс-оценки ресурсных характеристик трубопроводов ТЭС // Энергетик. 2011. № 6 -с. 23-26.

77. Rouse J.P., Leon M.Z., Sun W., Hyde Т.Н., Morris A. Steady-state creep peak rupture stresses in 90° power plant pipe bends with manufacture induced cross-section dimension variations. // Pressure Vessels and Piping. 2013. - p. 1-11.

78. Samal M.K., Dutta B.K., Guin S, Kushwaha H.S. A finite element program for on-line life assessment of critical plant components. // Engineering Failure Analysis. 2009. № 16 - p. 85-111.

79. Киреев О.Б., Сайкова M.C., Данюшевский И.А. Влияние изгибающих моментов на долговечность гибов трубопроводов горячего промежуточного перегрева// Теплоэнергетика. 2013. № 1 - с. 39-46.

80. СТО 17330282.27.100.05-2008 Основные элементы котлов, турбин и трубопроводов ТЭС. Контроль состояния металла. Нормы и требования

81. РД 34.17.418 Инструкция по дефектоскопии гибов трубопроводов из перлитной стали.

82. РД 10-577-03 Типовая инструкция по контролю металла и продлению.

83. Дубов A.A. Оценка ресурса теплоэнергетическрнр оборудования в соответствии с новым национальным стандартом // Теплоэнергетика. 2011. № 11.-с. 68-71.

84. Куманин В.И., Ковалева JT.A., Алексеев СВ. Долговечность металла в условиях ползучести. - М., Металлургия, 1988. - 222 с.

85. Fuller Е.Р., Fields R.I., Chuand Т.-I., Signal S. Characterization of creep damage in metals using small angle neutron scattering // Journal of Research of National Bureau of Standard. 1987. - V 89. № 1 p. 35-45.

86. Туляков Г.А., Цымбал В.Д. Оценка поврежденности металла паропроводов с применением метода порометрии легким сплавом. Тезисы доклада на совещании по теме «Диагностика узлов и деталей энергооборудования для определения надежности и безопасности его работы». - М.: СПО Союзтехэнерго, 1985.

87. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. - М., Машиностроение, 1979. - 191 с.

88. Куманин В.И., Ковалева В.А. Влияние структуры на развитие разрушения при ползучести. Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы. Сборник научных трудов ЦНИИЦМ. М.: Наука, 1984.

89. Куманин В.И. Об изменении состояния границ зерен в котельной стали в процессе эксплуатации. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1981, №3.

90. МинцИ.И., Воронкова JI.B. К вопросу о возможности временной эксплуатации поврежденных порами ползучести гибов паропроводов ТЭС. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998, № 8. -С. 21-26.

91. МинцИ.И., Ходыкина JI.E., ШульгинаН.Г., Носач В.Ф. Метод оценки микроповрежденности металла паропроводов с помощью пластиковых реплик. // Теплоэнергетика, 1990, № 8. - С. 61-63.

92. Смирнова A.B., Кокорин Г.А., Полонская С.М. Электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1985. - 192 с.

93. Standard practice for production and evaluation of field metallographic replicas. ASTM, E 1351-90.

94. Скворцов Г.Е., Панов B.A., Поляков Н.И., Федин J1.A. Микроскопы. - Л.: Машиностроение, 1969. - 512 с.

95. Ланин A.A., Балина B.C. Жаропрочные металлы и сплавы: справочные материалы. Санкт- Петербург: Энерготех, 2006. - 223 с.

96. D. Marquardt "An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters", SIAM J. Appl. Math., 1963, Vol. 11, pp. 431-441.

97. СТО 17330282.27.100.005-2008 «Основные элементы котлов, турбин и трубопроводов ТЭС. Контроль состояния металла. Нормы и требования. Москва. 2008»

98. Служебные свойства котельных материалов. Л: НПО ЦКТИ выпуск 43, 1981.-76 с.

99. Norton F.H. Creep of steel at high temperatures. McGraw-Hill Book Co., New York. 1929.

100. Хортон A., Visual С++ 2010: полный курс. : Пер. с англ. - М.: ООО И.Д. Вильяме», 2011. - 1216 с. : ил. - Парал. Тит. Англ.

101. Семёнов A.C. Вычислительные методы в теории пластичности. Изд-во СПбГПУ, 2008. - 211 с.

102. Зубченко A.C. Марочник сталей и сплавов / A.C. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. -М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

103. Катанаха H.A., Гецов Л. Б. Определение характеристик ползучести по данным испытаний на релаксацию напряжений // Научно-технические ведомости. - 2010 №1,С.204-210.

104. Станюкович A.B., Лапухина Н.С. Влияние наклепа на склонность к высокотемпературной хрупкости стали 12Х1МФ. Труды ЦКТИ 169. Оценка сопротивляемости хрупким разрушениям материалов энергомашиностроения Л: 1979, С. 45-51.

105. Маркочев В.М. Оценка предельного состояния повреждённого гиба трубопровода АЭС // Изв. вузов. Ядер, энерг. 2011. № 3. - с. 63-68.

106. Семёнов A.C. PANTOCRATOR - конечно-элементный программный комплекс, ориентированный на решение нелинейных задач механики // Труды V-ой Межд. Конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения". СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. С. 466-480.