Прогнозирование остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов в условиях ползучести по структурному фактору тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Калугин, Роман Николаевич

• Калугин, Роман Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калугин, Роман Николаевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Анализ методов диагностирования сварных соединений с учетом их химической, структурной и механической неоднородности.

1.1. Особенности структуры и свойств сварных соединений.

1.2. Особенности и причины повреждений сварных соединений.

1.3. Методы контроля для оценки эксплуатационных повреждений сварных соединений.

1.4. Задачи исследования.

Глава 2. Методика исследований сварных соединений.

2.1. Предпосылки к разработке методики исследования.

2.2. Материал и методика исследования.

2.3. Критерии деградации микроструктуры.

2.4. Техника проведения металлографического анализа.

2.5. Выводы.

Глава 3. Закономерности изменения микроструктуры зон сварных соединений при ползучести.

3.1. Структурное состояние металла шва сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.

3.2. Эволюция микроструктуры ЗТВ и основного металла сварного соединения стали 12Х1МФ.

3.3. Эволюция микроструктуры ЗТВ и основного металла сварного соединения стали 15Х1М1Ф.

3.4. Выводы.

Глава 4. Закономерности микроповреждаемости зон сварных соединений при ползучести.

4.1. Особенности развития микроповреждаемости зон сварных соединений при ползучести.

4.2. Кинетика развития микроповреждаемости зон сварных соединений стали 12Х1МФ.

4.3. Кинетика развития микроповреждаемости зон сварных соединений стали 15Х1М1Ф.

4.4. Выводы.

Глава 5. Оценка срока службы сварных соединений по структурному фактору.

5.1. Эффективность применения метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений эксплуатирующихся паропроводов.

5.2. Методика оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору.

5.3. Производственный опыт использования методики оценки остаточного ресурса сварных соединений по структурному фактору.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов в условиях ползучести по структурному фактору»

Актуальность работы.

В современной отечественной теплоэнергетике в качестве основного материала паропроводов широкое применение получили теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали. Паропроводы эксплуатируются в условиях ползучести металла при температуре выше 510°С с давлением пара до 26 МПа. Их срок эксплуатации превысил проектный срок службы 100-^-200 тыс. ч., а во многих случаях и парковый ресурс. Сварные соединения являются одним из наиболее слабых элементов в системе паропровода. Это обусловлено их структурной, механической, химической и геометрической неоднородностью. Наличие хрупких и малопрочных прослоек металла зон сварного соединения, вызванных технологической и металлургической наследственностью, существенно сокращает срок их службы.

При длительной эксплуатации повреждения сварных соединений в условиях ползучести преимущественно развиваются по разупрочненной прослойке зоны термического влияния (ЗТВрп) , в отдельных случаях - по разупрочненному металлу шва. Проблема надежности сварных соединений остается актуальной в связи с дальнейшей эксплуатацией паропроводов сверх паркового ресурса на стареющих ТЭС.

Применяемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, маг-нитопорошковый, радиографический, вихретоковый) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения). Металлографический анализ с помощью реплик не применялся для сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей, поскольку не были установлены критерии оценки микроповрежденности зон сварных соединений и отсутствовала методика оценки остаточного ресурса. Не изучены были особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности в процессе длительной эксплуатации. Отсутствовала совершенная методика прогнозирования остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору, интегрированная в систему технического диагностирования паропроводов.

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов и предупреждения их разрушений.

Целью работы является разработка метода оценки остаточного ресурса сварных соединений теплоустойчивых хромомолиб-денованадиевых сталей по структурному фактору.

Задачи диссертационной работы:

- установление влияния структурного состояния и свойств сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей на ресурсные характеристики, анализ причин повреждений в условиях длительной эксплуатации.при ползучести;

- разработка методики исследования сварных соединений для условий испытаний образцов при ползучести, включая:

• определение температурно-силовых условий проведения испытаний образцов на термодеформационное старение, которые моделируют механизмы разрушения аналогично эксплуатирующимся сварным соединениям паропроводов;

• установление критериев деградации микроструктуры в процессе длительной эксплуатации сварных соединений в условиях ползучести;

• разработка методики металлографического исследования для установления зависимости степени исчерпания ресурса от изменения микроструктуры и накопления микроповрежденности металла зон сварных соединений;

- исследование и установление закономерностей структурных изменений и микроповреждаемости зон сварного соединения (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) в зависимости от исчерпания ресурса;

- разработка критериев для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса сварных соединений по структурным изменениям и микроповрежденности металла;

- промышленное опробование и применение метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений в рамках технического диагностирования паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести.

Материал и предмет исследования.

В качестве материала -исследования выбраны сварные соединения паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф исходного состояния и с различной наработкой. Всего было испытано и подвергнуто исследованию 207 образцов, из них 84 из сварных соединений исходного состояния и 123 после эксплуатации с различной наработкой. Форма и размер образцов для проведения испытаний на термодеформационное старение выбраны с учетом особенностей структуры и свойств сварных соединений.

Методологический алгоритм проведения исследования заключается в поэтапном проведении следующих экспериментально-расчетных операций. На первом этапе испытываются сварные образцы на термодеформационное старение с периодическим исследованием микроструктурных изменений и накопления микроповреждаемости в металле зон. Результаты исследований обрабатываются с построением закономерностей исчерпания ресурса от деградации микроструктуры различных зон сварного соединения. Устанавливается наиболее чувствительное место к инициированию и развитию микроповреждаемости металла в зависимости от механической неоднородности зон сварного соединения.

На втором этапе устанавливается взаимосвязь микроповреждаемости металла зон от исчерпания ресурса сварных соединений, которая ранжируется на стадии развития (с четкими критериями микроповрежденности и микроструктуры для каждой стадии) . Это позволяет разработать структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений. Определяется главенствующая роль критериев микроповрежденности и/или микроструктуры .

На третьем этапе формулируется методика металлографического анализа с помощью реплик (MAP), определяются зоны обследования сварных соединений (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф), основные и вспомогательные структурные критерии для оценки ресурса сварных соединений. В том числе, регламентируются требования и последовательность проведения операций при фиксации структурной картины металла зон сварных соединений на эксплуатирующихся паропроводах с помощью лаковых или ацетатных реплик и последующим металлографическим исследованием на оптических микроскопах. Эффективность использования разработанного металлографического метода (MAP) оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждается положительным промышленным опытом при использовании его на отечественных ТЭС.

Научная новизна.

• Показано влияние механической неоднородности сварных соединений, характеризующейся особенностью разупрочнения по зоне термического влияния и металлу шва (£рп, уьш) , на развитие микроповрежденности металла.

• Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более энергично по сравнению с металлом шва и основным металлом. Фактическое состояние металла ЗТВрп служит основным критерием при оценке работоспособности и остаточного ресурса сварного соединения.

• Установлена взаимосвязь стадии исчерпания ресурса (т/тр) от изменения структуры (микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности) металла зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс. ч.) при ползучести, при этом: деградация микроструктуры классифицирована на три стадии по критериям: размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (цепочки и слияния карбидов), размер зерна микроструктуры;

- процесс развития микроповрежденности классифицирован на пять стадий и оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор и далее вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен.

Практическая ценность.

• Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и микроструктурных изменений металла.

• Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести в рамках их технического диагностирования. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Методика оформлена в установленном порядке и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34.1-17.4 67-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору". Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34.17.470-2003, СО 15334.17.455-2003 и РД 10-577-03.

• По результатам диагностирования с применением разработанного метода металлографического анализа установлены сроки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ряда ТЭС России (в том числе Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ - 3, Новогорьковской ТЭЦ, Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др.).

• Определен методический подход по диагностированию сварных соединений и прогнозированию их ресурса, сочетающий комплексное применение расчетных и разработанных в рамках данной работы структурных методов, дополняющих друг друга, что должно найти применение при разработке производственных инструкций по контролю металла паропроводов.

• Создан алгоритм по оценке технического состояния и определению индивидуального ресурса сварных соединений, оптимизации регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций), основанный на комплексном использовании расчетных и структурных методик определения ресурса. Алгоритм^ успешно используется в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС для анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов по результатам их эксплуатационного контроля .

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Калугин, Роман Николаевич

Общие выводы

1. Установлены критерии и параметры оценки структурной и механической неоднородности, которые отражают микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс. ч.) при ползучести. Микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений оцениваются по критериям: размер карбидных частиц,^морфология выделения карбидной фазы (карбидные цепочки, прослойки из слипшихся карбидов) , размер зерна микроструктуры. Микроповрежденность оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор ползучести вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен. Механическая неоднородность характеризуется степенью разупрочнения в разупрочненной прослойке зоны термического влияния и металле шва (£рП/ Умш) •

2. Разработана методика исследования кинетики изменений микроструктуры и микроповреждаемости металла для условий термодеформационного старения образцов сварных соединений в условиях ползучести. Обоснованы форма и размеры образцов для испытаний на термодеформационное старение с периодической регистрацией структурного состояния металла зон сварного соединения с помощью реплик и микрошлифов. Определён способ металлографического анализа зон сварного соединения путём предварительного сканирования при увеличении хЮО (для выявления мелкозернистых зон) и последующего исследования особенностей микроструктуры при увеличении от х500 до (х800-1000).

3. Установлена взаимосвязь изменения микроструктуры металла зон сварного соединения (металла шва и ЗТВрп) с исчерпанием их ресурса для условий ползучести (х/хр) . Деградация микроструктуры классифицирована на три стадии. Начальный период <(0, 3-гО, 35) -i/ip характеризуется относительной стабильностью структурного исходного состояния; второй период <(0,6-гО, 65)-х/хр - дополнительным выделением феррито-карбидной структуры, распадом упрочняющих составляющих микроструктуры (бейнита, перлита, сорбита), коагуляцией карбидных частиц, сфероидизацией структуры; заключительный период > (0, 6-гО, 65) -х/хр характеризуется мелкозернистой структурой (8-10 баллов) в виде феррито-карбидной смеси.

4. Установлена закономерность развития микроповреждаемости металла зон во взаимосвязи с исчерпанием ресурса сварных соединений в условиях ползучести (х/хр) . Процесс развития микроповреждаемости классифицирован на пять стадий. Начальный период < (0, 5-ь0, 6)-х/хр характеризуется отсутствием (не выявляются при увеличении до хЮОО) пор ползучести размером до 1 мкм; второй период (0,5-^-0,7) -х/хр - появлением единичных пор размером 1-2 мкм плотностью р<100 пор/мм2; третий период (0, 6^0,85) -х/хр - увеличением размера пор до размера 2-3 мкм и их плотности 250<р<1000 пор/мм2 и более; четвёртый период (0,7-^-0,9)-х/хр - появлением цепочек пор (и/или слившихся пор) и микротрещин длиной до 5-15 мкм по границам зёрен; пятый период (0, 9-т-1) -х/хр - развитием микро- и макротрещин.

5. Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и структурных изменений металла. Единственным и основным критерием при оценке остаточного ресурса служит фактическое состояние металла ЗТВрп, которое выявляется при диагностировании методом металлографического анализа с помощью реплик; поврежденность этой зоны свидетельствует об остаточном ресурсе сварного соединения.

6. Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более интенсивно по сравнению с металлом шва и основным металлом. Однако, сильное влияние на место развития микроповреждаемости оказывает степень неоднородности свойств металла зон сварных соединений. При разу-прочненном шве (Умш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрп (£,рп<10%) микроповрежденность преимущественно развивается в металле шва. На разупрочнение металла шва 09Х1МФ влияет его микроструктурное состояние (содержание избыточного феррита в виде оторочек). Показана необходимость ограничения максимальной ширины ферритных оторочек Ьф<45 мкм по условию необходимого упрочнения металла швов (Умщ>1) .

7. Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса реальных сварных соединений в рамках неразрушающего контроля паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Основным структурным фактором для оценки ресурса сварных соединений принята микроповрежденность металла зон и вспомогательным фактором — изменение их микроструктуры при ползучести.

8. Эффективность использования разработанного метода оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждена положительным промышленным опытом на отечественных ТЭС.

9. Методика оформлена и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34.1-17.467-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору". Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34.17.470-2003, СО 153-34.17.455-2003 и РД 10-577-03.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калугин, Роман Николаевич, 2008 год

1. Адамович В. К. Влияние содержания молибдена на свойства перлитных жаропрочных сталей//МиТОМ.- 1977.- №11.- С.30-32.

2. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и паропроводов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 424с.

3. Березина Т.Г. Об оценке надежности металла длительно работающих паропроводов//Теплоэнергетика. -1983. -№4.- С.56-60.

4. Блантер М.Е., Исламов А.А., Сименькович В.Н., Дзюба И.Р. Изменение трещиностойкости паропроводных труб из стали 12Х1МФ в результате длительной эксплуатации//Наука производству. 1984.-№3.-С.15-18.

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

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

7. Гофман Ю.М., Лосев Ю.Я., Казанцева Н.С. Оценка повреждаемости металла паропроводов. Сб. докладов "Диагностика узлов и деталей энергооборудования для определения надежности и безопасности его работы" - М.: СПО Союзтехэнерго, 1985, С.5-7.

8. Дитяшев Б.Д., Попов А.Б. Расчетно-аналитические и методические подхода к продлению срока службы паропроводов ТЭС// Теплоэнергетика.- 2001.- №4.- С.2-8.

9. Кеннеди А.Д. Ползучесть и усталость в металлах. М.: Металлургия, 1965.- 196с.19 . Крянин И.Р., Миркин И.Л., Трусов JI.П. Кинетика структурных превращений и разрушение жаропрочных сплавов при длительных испытаниях//МиТОМ. -1967.-№5. -С.8-19.

10. Куманин В.И., Ковалева J1.A., Алексеев С.В. Долговечность металла в условиях ползучести. М.: Металлургия, 1988.224с.

11. Ланская К.А. Жаропрочные стали. М.: Металлургия, 1969. -246с.

12. Минц И.И., Березина Т.Г., Ненашева З.И., Ланская К.А. Влияние температуры изотермического превращения на тонкую структуру стали 12Х1МФ//МиТОМ. -1976.- №1.- С.4-7.

13. Минц И.И., Ходыкина Л.Е., Шульгина Н.Г., Ашмарина Н.В. Исследование особенностей разрушения при ползучести теплостойких Cr-Mo-V сталей//Металловедение и термическая обработка металлов.- 1989.- №7.- С.33-36.

14. Минц И.И., Шульгина Н.Г., Смирнова А.П. Зависимость служебных свойств паропроводных труб из стали 15Х1М1Ф от структурного состояния//МиТОМ. -1982.- №2,- С.56-58.

15. Минц Н.М., Березина Т.Г., Ходыкина JI.E. Накопление повреждаемости в материале при длительной высокотемпературной ползучести//Проблемы прочности.- 1978.- №6.- С.35-37.

16. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - С.57-93.

17. Смирнова А.П., Минц И.И., Штейнберг М.М. Кинетика распада переохлажденного аустенита стали 15Х1М1Ф//МиТОМ.- 1982.- № 8.- С.52-53.

18. Саркисян В.А., Хромченко Ф.А., Лапа В.А. Статистический анализ состояния надежности стыковых и тройниковых соединений паропроводов с температурой эксплуатации 540560°С//Энергетик.- 1990.- №4.- С.4-6.

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

20. Хромченко Ф.А. Повышение работоспособности сварных соединений трубопроводов энергетических блоков на основе оптимизации тепловых условий сварки и термической обработки. Ав-тореф. дис. докт. техн. наук. - М., 1988. - 35с.

21. Хромченко Ф.А., Бродская Г.Л., Лаппа В.А. Совершенствование технологии сварки паропроводов//Серия: Сварочные работы в энергетике. Обзорная информация.- М.: Информэнерго, 1990.-48с.

22. Шрон Р.З., Небесова И.Ф., Бараз Р.Е., Корман А.И. О повреждениях сварных соединений трубопроводов//Теплоэнергетика.-1988.- №4.- С.33-37.

23. Шрон Р.З., Небесова И.Ф., Мазель Р.Е. и др. О работоспособности сварных соединений паропроводов//Теплоэнергетика.-1981.- №11.- С.5-9.

24. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. М.: ГИ Технико-теоретической литературы, 1950. -С.207-375.

25. Annual report SC IX-H 1989/90. I.I.W. Doc.IX-1612-90.57 . Averkazi P. NDT for high temperature installations. -I.I.W. Doc.IX-1826-95.

26. Caga T. and al. Development of non-destructive damage detection and life evaluation technology for long-term used boiler pressure parts. Technical Review- Mitsubishi heavy industries. Vol.26.- 1989.- №3.- P.158-165.

27. Canale G. Comparison between calculations and experimental results in lifetime evaluations//Welding International.-1996.- №10(8). P.639-646.

28. Etinne C.F. Residual life time of Greep Loaded Structures. Results of a Project of the Netherlands Institute of Welding. - I.I.W. Doc.IX-1465-87; XI-486-87.

29. IIW Commission IX-(Working Group Creep). W.G.-meeting on 17 and 18th. May 1990, at ENEL-CRTN-Venice (Italy) Doc. IX creep 91-01.

30. Kautz H.R., Schoch H.W., Zurn H.E. Material problems in power plant engineering. Thermally impaired components and their repair by welding. - I.I.W. Doc. IX-501-88.

31. Kautz H.R., Zurn H.E. Maintenance of creep loaded components and power plant life. I.I.W. Doc.XI-534-90.64 . Kautz H.R., Zurn H.E. Termaly Damaged Power Plant Components and their Repair: Task for welding Engineering. -I.I.W. Doc. XI-551-91.

32. Kautz H.R., Zurn H.E. Materials-Performance of Welded Structures in the Creep Range. I.I.W. Doc.XI-533-90.

33. Matallkundliche Untersuchung der Versagensmechanismen zeit-standbeanspructer Schweibverbindungen: Projeckt 172.

34. Tiedje N. ТЕМ. Investigations of a service eposed weld in 14MoV63 steel/Department of metallurgy Technical University of Denmark.- June 1988.

35. Vaessen G. Annual report 1985 of the working group "Creep". I.I.W. Doc.IX-1365-85.