CC BY
60
УДК 621.791
ГАЗОПОРОШКОВОЕ НАПЫЛЕНИЕ ТРУБ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛОАГРЕГАТОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
© М.В. Гречнева1, Г.Г. Гоппе2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены методы восстановления труб, поврежденных золовым (эрозионным) износом. По результатам металлографических и прочностных исследований металла труб, восстановленных и упрочненных методом газопорошкового напыления, сделан вывод, что данный метод способствует решению проблемы надежной работы труб поверхностей нагрева пылеугольных котлоагрегатов тепловых электрических станций, обеспечивает их длительную безаварийную эксплуатацию.
Ключевые слова: котлоагрегат; поверхности нагрева; золовой износ; наплавка; напыление.
GAS-POWDER SPRAYING OF THERMAL POWER STATION BOILER HEATING SURFACE PIPES M.V. Grechneva, G.G. Goppe
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The methods to repair the pipes damaged by ash (erosion) wear are considered. Metallographic and strength studies of the metal of pipes restored and hardened by a gas-powder spraying method allowed to make a conclusion that this method facilitates a solution of the problem of reliable operation of pipe heating surfaces of pulverized coal-fired boilers at thermal power stations ensuring their trouble-free operation. Keywords: boiler; heating surfaces; ash wear; weld deposit; spraying.
Повышение надежности современной техники, снижение себестоимости ее обслуживания, обеспечение конкурентоспособности, продление ресурса эксплуатации - вот наиболее приоритетные направления развития ремонтных технологий. Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых газотермические процессы занимают значительное место, является одним из кардинальных путей решения данного вопроса. С использованием существующих в настоящее время материалов, оборудования и технологий газотермического напыления стало возможным значительное снижение влияния на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия, кавитация.
Трубы поверхностей нагрева котлоагрегатов тепловых электростанций работают в исключительно тяжелых условиях высоких температур, абразивного и коррозионного износа, являясь наиболее уязвимым
местом не только котла, но и энергоблока в целом, в значительной мере определяя его работоспособность и эксплуатационную надежность.
Наиболее часто трубы (прямые и гнутые участки) водяных экономайзеров, пароперегревателей изнашиваются в результате эрозионного воздействия летучей золы.
Эрозионный износ - процесс разрушения поверхностного слоя металла под влиянием механического воздействия ударяющихся частиц. При работе на твердом топливе (угле) поверхности нагрева, расположенные в конвективной части котлоагрегата, подвергаются износу от ударов твердых частиц, уносимых потоком дымовых газов. В результате толщина стенки труб уменьшается, она становится меньше расчетной, допустимой для данных условий (температура, давление), и происходит разрушение трубы (рис. 1).
Рис. 1. Разрушение трубы в результате эрозионного износа
1Гречнева Мария Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: 89149080621, e-mail: [email protected]
Grechneva Maria, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: 89149080621, e-mail: [email protected]
2Гоппе Геннадий Гарриевич, магистрант, тел.: 89140053136, e-mail: [email protected] Goppe Gennadiy, Master's Degree student, tel.: 89140053136, e-mail: [email protected]
Одним из методов восстановления участков труб поверхностей нагрева, применяемым в филиалах ОАО «Иркутскэнерго», является восстановление наплавкой электродуговым способом штучными электродами или аргонодуговой сваркой локальных участков труб (гнутых и прямых), имеющих утонение стенок в результате золового или эрозионного износов. Исследования структуры и кратковременных механических свойств трубных элементов с такой наплавкой во Всероссийском теплотехническом научно-исследовательском институте (ВТИ) в целом положительно характеризуют микроструктуру металла, признавая ее типичной для сварных стыков, выполненных по штатной сварочной технологии [1]. Кратковременные механические свойства - удовлетворительные при оптимальном сочетании прочности (твердости) и пластичности (технологичности). Сущность метода состоит в нанесении ремонтных наплавок дуговой сваркой покрытым электродом и дуговой сваркой в защитном газе на поврежденные от золового износа трубные элементы (прямые трубы, гибы) поверхностей нагрева с рабочими параметрами Р=14,3-16,3 МПа, ¿=344-550°С, выполненные из стали 20 и 12Х1МФ [2]. При выполнении наплавки ручной дуговой сваркой исполь-
Состав и твердость
подогретый участок ремонтируемого трубного элемента (трубы или гиба).
В одном из филиалов ОАО «Иркутскэнерго» были проведены исследования восстановленных и упрочненных этим методом труб. Порошок наносился с помощью пропано-кислородного пламени горелками ГН-2. Технологический процесс восстановления и упрочнения труб методом ГПН и последующего исследования состоял из последовательно выполняемых операций:
- подготовка материалов для напыления;
- подготовка деталей под напыление;
- напыление;
- внешний осмотр;
- металлографическое исследование;
- измерение твердости и микротвердости.
Подготовка материалов для напыления. В качестве напыляемого материала использовался самофлюсующийся металлический порошок ПГ-СР2 [3, 4] с грануляцией от 20 до 160 мкм (таблица). Перед использованием порошок был просушен в печи при температуре 120-150°С в течение 1,0-1,5 часа и просеян через сетку с размером ячейки 160 мкм (ГОСТ 6613-86).
используемого порошка
Марка Массовая доля, % Твердость, HRC
№ C Cr Si В Fe
ПГ-СР2 (40Х14Н80С2Р2) основа 0,2-0,4 12-14 2,0-2,4 2,0-2,2 до 5 35
зуются покрытые электроды типа Э50А (для стали 20) и Э-09Х1МФ (для стали 12Х1МФ), при ручной дуговой сварке - вольфрамовый неплавящийся электрод, аргон в сочетании с присадочной проволокой Св-08ГС, Св-08ХМ и Св-08ХМФА. По данным исследований ВТИ, твердость металла усиливающей наплавки составляет в среднем 190-200 НВ для труб из стали 20 и 235-270 НВ - для труб из стали 12Х1МФ, что не гарантирует их длительной, надежной, безаварийной эксплуатации, а позволяет им доработать только до ближайшего капитального ремонта.
Согласно «Инструкции по технологии ремонта методом нанесения наплавки поврежденных золовым износом труб поверхностей нагрева котлов ТЭЦ ОАО "Иркутскэнерго"» размеры ремонтных наплавок ограничиваются максимальной протяженностью - 150 мм, и минимальным расстоянием между ближайшими наплавками - 500 мм [2]. Эти параметры ограничивают применение данного метода. Еще одним недостатком является низкая производительность.
Перспективным способом борьбы с негативными последствиями золового износа является восстановление трубных элементов поверхностей нагрева котлов методом газопорошкового напыления (ГПН) с последующим оплавлением. Он заключается в нанесении на поврежденную эрозионным износом утоненную часть трубы самофлюсующегося высоколегированного металлического порошка. Порошок из бункера, расположенного на газовой горелке, через эжектор попадает в газопламенную струю и на предварительно
В качестве горючего газа пламени горелки использовался пропан по ГОСТ 20448-90. В качестве газа, поддерживающего горение, применялся кислород.
Подготовка трубных элементов к напылению.
Участки труб типоразмером 032*4 мм и 038x4 мм из стали 20, подлежащих напылению, были зачищены до металлического блеска с помощью металлической щетки, наждачной шкурки, напильника, шлифовальной машинки. Зона зачистки была на 5±2мм больше площади напыляемого участка.
Поверхности были обезжирены путем обжига пламенем горелки и протиркой ветошью, смоченной в растворителе.
Технология напыления. Процесс напыления выполнялся слоями толщиной 0,5-3 мм и шириной 10-40 мм, при этом первый слой наносился последовательными участками шириной 10-15 мм с предварительным подогревом трубы на всю ширину напыляемой зоны до появления на поверхности тонкой пленки расплавленного металла в виде запотевания (=1100°С), после этого включалась подача металлического порошка в зону напыления.
Качество процесса контролировалось по хорошей смачиваемости ванночки расплавленного порошка на поверхности нагретого участка трубного элемента. Трубный элемент типоразмером 032x4 мм после напыления показан на рис. 2.
Внешним осмотром выявлено плотное сплавление напыленного слоя с металлом трубы. Пор и других дефектов в напыленном слое не обнаружено (рис. 3).
Рис. 2. Трубный элемент после напыления
Рис. 3. Протравленный шлиф напыленного элемента
При металлографическом исследовании, которое проводилось на микроскопе «Olympus GX41F», и при замерах микротвердости на приборе ПМТ-3 установлено, что структура напыленного металла состоит из мягкой аустенитной основы с микротвердостью 200 МПа и твердых карбидов и боридов с микротвердостью 600 МПа (рис. 4).
х100
Рис. 4. Микроструктура напыленного слоя
К напыленному слою 1 в металле трубы прилегает зона термовлияния, распространившаяся на всю толщину стенки по сечению трубы и на 70-75% - по периметру (рис. 5). Зона термовлияния включает в себя участки сплавления, перегрева, нормализации, неполной перекристаллизации.
1
/
б
Рис. 5. Схема расположения участков зоны термовлияния
Описание микроструктуры участков по сечению напыленной трубы.
2 - зона сплавления: микроструктура состоит из перлита и ферритной прослойки (рис. 6). Она распространяется по сечению трубы на глубину около 0,1 мм.
ж ' ^ Ж ГШГГл . X
х100
Рис. 6. Микроструктура зоны сплавления
3 - зона перегрева: микроструктура - феррито-перлитная, величина зерна - № 7+9 по шкале ГОСТ 5639-65 (рис. 7). Эта зона распространяется на всю толщину стенки, протяженность ее по периметру на 8-10 мм превосходит протяженность наплавленного слоя.
4 - зона нормализации: микроструктура феррито-перлитная, величина зерна - № 10 по шкале ГОСТ 5639-65 (рис. 8). Протяженность зоны по периметру трубы - 18-20 мм.
5 - зона неполной перекристаллизации: микроструктура - феррито-перлитная, протяженность зоны по периметру трубы - 13-15 мм (рис. 9).
6 - основной металл: микроструктура - феррито-перлитная, величина зерна - № 9 по шкале ГОСТ 5639-65 (рис. 10).
х100
х500
Рис. 7. Микроструктура зоны перегрева
х100
х500
Рис. 8. Микроструктура зоны нормализации
х100 х500
Рис. 9. Микроструктура зоны неполной перекристаллизации
х100
х500
Рис. 10. Микроструктура основного металла трубы
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Напыленный слой имеет твердую прослойку на мягкой основе, что существенно повышает износостойкость.
2. Подача наплавочного порошка в предварительно подогретую зону трубы (=1100°С) обеспечивает высокую прочность сцепления с основой, обусловленную сплавлением, а не адгезией, несущей опасность отслаивания.
3. Все участки протяженной зоны термовлияния имеют равновесные феррито-перлитные структуры с малой величиной зерна и практически одинаковую твердость (130-135 НВ), что обусловливает минимальные изменения исходной структуры.
4. Газопорошковое напыление труб поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС выполняет восстановительную и упрочняющую функции, что гарантирует их надежную работу.
Статья поступила 15.10.2015 г.
Библиографический список
1. Структура и кратковременные механические свойства трубных элементов поверхностей нагрева с ремонтными наплавками. Заключение. М.: Изд-во ОАО «ВТИ», 2002. 26 с.
2. Инструкция по технологии ремонта методом наплавки поврежденных золовым износом труб поверхностей нагрева котлов ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго». М.: Изд-во ОАО «ВТИ», 2002. 11 с.
3. Упрочнение деталей железнодорожного транспорта газопорошковым напылением с оплавлением / С.И. Медведев,
М.В. Гречнева, А.Н. Пурихов, А.Е. Неживляк // Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 108. М.: Изд-во ГОСНИТИ С. 166-170. 4. Гоппе Г.Г., Гречнева М.В. Восстановление труб поверхностей нагрева котлоагрегатов методом газопорошкового напыления // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (Иркутск, 27-30 апреля, 2015 г.) / под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. С. 68-76.
УДК 621.787.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБКАТКЕ ПЛОСКИМИ ПЛИТАМИ
© С.А. Зайдес1, Фам Дак Фыонг2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
С помощью программного комплекса ANSYS рассмотрено изменение напряженно-деформированного состояния цилиндра при радиальном обжатии в зависимости от величины обжатия. Определены пластическая и упругая деформации цилиндра после разгрузки. Получено распределение остаточных напряжений по сечению цилиндра в плоскости вертикального нагружения. Оценено напряженное состояние образцов, обкатанных плоскими плитами, по эквивалентным напряжениям и по показателю жесткости схемы напряженного состояния. Определена оптимальная величина обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве метода поверхностного пластического деформирования.
Ключевые слова: упрочнение; поперечная обкатка; напряженно-деформированное состояние; упругопласти-ческая деформация; радиальное сжатие.
DETERMINATION OF CYLINDRICAL PART STRESS-STRAIN STATE UNDER FLAT PLATE ROLLING S.A. Zaydes, Pham Dac Fyong
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
With the help of ANSYS software the change in the stress-strain state of a cylinder is considered under radial drafting depending on the value of reduction. Plastic and elastic deformation of the cylinder after load relief are determined. The distribution of residual stresses in the cross section of the cylinder in the plane of vertical load is obtained. The stress state of the samples subjected to flat plate rolling is estimated by the equivalent stresses and the stress diagram stiffness index. The optimum value of reduction under cross rolling used as a method of surface plastic deformation is determined. Keywords: strengthening; cross rolling; stress-strain state; elastic-plastic deformation; radial compression.
Для деформационного упрочнения деталей типа осей, пальцев, втулок в работе [1] предложен перспективный способ поверхностного пластического деформирования, основанный на обкатке заготовки плоски-
ми плитами, который позволяет обрабатывать цилиндрические детали, не имеющие центровых отверстий. При поперечной обкатке исключается также изгиб заготовки от действия поперечных сил нагружения. Ана-
1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, email: [email protected]
Zaydes Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: [email protected]
2Фам Дак Фыонг, аспирант, тел.: 89246069558, e-mail: [email protected] Pham Dac Fyong, Postgraduate, tel.: 89246069558, e-mail: [email protected]
