CC BY
251
Металловедение и термическая обработка
УДК 669.14.018.44:620.19
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА ТРУБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРОПРОВОДОВ ИЗ Сг-Мо^ СТАЛЕЙ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
12 1 С.А. Лоскутов', Ю.А. Букин2, Ю.Д. Корягин'
1 Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск;
2 ООО «ЗАПСИБОРГРЭС», г. Тюмень
Дан обзор структурных изменений и развития поврежденности металла теплоэнергетического оборудования, эксплуатирующегося в условиях деформации ползучести при высокой рабочей температуре. В качестве альтернативы замене исчерпавшего ресурс работоспособности металла рассмотрено применение восстановительной термической обработки (ВТО). Описана технология проведения ВТО непосредственно в условиях электростанции без демонтажа паропровода с использованием индукционного нагрева электротермической установкой повышенной частоты. Впервые проведен промышленный эксперимент по применению данного метода для продления срока эксплуатации металла гибов из стали 12Х1МФ двух паропроводов энергоблоков мощностью 200 МВт, превысивших нормативный срок службы (210 тыс. ч), с поврежденностью выше предельно допускаемого НТД уровня. Полученные результаты исследования микроповрежденности металла до и после ВТО свидетельствуют о реанимации структуры и залечивании пор ползучести в виде цепочек, образовавшихся в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации. Комплексное исследование структуры, микроповрежденности, кратковременных механических свойств и длительной прочности, выполненное в лабораторных условиях на макетных гибах, показало обеспечение нормативных запасов прочности и возможность продления срока эксплуатации восстановленного металла на последующие 100 тыс. ч при номинальных рабочих параметрах пара.
Ключевые слова: Cr-Mo-V стали, микроповрежденность, восстановительная термическая обработка.
В современных теплоэнергетических установках с рабочими параметрами пара 545-560 °С и 14-25 МПа основным материалом для элементов паропроводов являются низколегированные стали перлитного класса 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.
В длительно работающем металле паропроводов из этих сталей под постоянным воздействием напряжений (от внутреннего давления, компенсации тепловых перемещений и др.) и рабочей температуры развивается пластическая деформация ползучести. Вызванные этим процессом скольжение и переползание дислокаций, а также межзе-ренное проскальзывание приводят к накоплению в металле поврежденности в виде порообразования, преимущественно по границам зерен, и дальнейшего его развития на микро-, а затем и макроуровне.
Изучению взаимосвязи поврежденности с деформацией ползучести посвящено множество работ зарубежных и отечественных исследователей, в результате которых прослежена кинетика развития порообразования и микротрещин и разработаны шкалы для оценки степени их развития.
На рис. 1 показана шкала Б. Нойбауэра [1], используемая в качестве основы для ряда других классификаций, применяемых на электростанциях Германии.
Время
Рис. 1. Схематическое изображение шкалы повреждаемости Б. Нойбауэра
Из рис. 1 видно, что на стадии установившейся скорости ползучести в металле отсутствуют или имеются единичные поры. При изменении скорости деформирования, с увеличением ее, происходит образование цепочек пор, развивающихся в дальнейшем в микро-, а на стадии предразруше-ния - в макротрещины.
Развитие микроповрежденности на различных стадиях классической кривой деформации ползучести [2] представлено на рис. 2.
Описание указанной шкалы дано в табл. 1.
Лоскутов С.А., Букин Ю.А., Корягин Ю.Д._
Исследование микроповрежденности металла труб высокотемпературных паропроводов из Сг-Мо-У сталей...
Время, ч
Рис. 2. Характер накопления повреждённости по мере исчерпания ресурса эксплуатации
Таблица 1
Шкала микроповрежденности сталей перлитного класса
№ балла Характер поврежденности
1 Поры отсутствуют
2 Единичные поры
3 Множество пор без определенной ориентации
4 Множество пор, ориентированных по границам зерен
5 Цепочки пор по границам зерен
6 Слившиеся цепочки, микротрещины, не выявляемые при УЗК
7 Макротрещины, выявляемые при УЗК
Основываясь на результатах исследований связи долговечности металла с уровнем микроповрежденности, был выбран новый подход к проблеме прогнозирования ресурса длительно работающего оборудования для тепловой энергетики, а в типовую инструкцию [3] в качестве обязательного введен контроль методом реплик.
В связи с тем, что на работоспособность металла труб и других деталей и развитие в них повреждаемости оказывают влияние многочисленные факторы (температура, напряженное состояние, срок службы, геометрия - толщина стенки, овальность, искажение формы сечения при гнутье, структура и свойства материала и пр.), большую актуальность и важное практическое значение приобретает накопление опыта исследования состояния металла в реальных условиях эксплуатации.
В настоящей статье приводятся результаты исследования микроповрежденности металла более 1000 гибов и прямых труб, выполненного непосредственно на паропроводах электростанций неразрушающим методом контроля с использованием пластиковых реплик, и более 20 гибов, вырезанных из паропроводов при замене, - в лабораторных условиях.
Исследование проводилось в основном на ги-бах труб главных паропроводов блоков 800 МВт
(параметры пара 545 °С, 25 МПа) из стали 15Х1М1Ф типоразмера 0465x75 мм и блоков 200 МВт (параметры пара 545 °С, 14 МПа) из стали 12Х1МФ типоразмерами 0325x38 мм и 0219x25 мм.
Анализ полученных данных показал, что установить прямую зависимость микроповрежденности от какого-либо отдельного фактора не представилось возможным из-за отсутствия в большинстве случаев в полном объеме данных по состоянию металла гибов и условиям их эксплуатации.
Так, на гибах блоков 800 МВт с нормативным (парковым) ресурсом 110 тыс. ч, при близких значениях наработки (118-128 тыс. ч) обнаружена поврежденность в виде единичных (рис. 3, а), множественных пор (рис. 3, б) или цепочек (рис. 3, в).
Следует сказать, что цепочки пор (повреж-денность 5 балла) на рис. 3, в были выявлены на переходе от прямого участка к гнутому, на вершине этого же гиба поврежденность не превышала 3 балла (рис. 3, г). Последнее свидетельствует о влиянии искажения формы сечения гиба на развитие в нем микроповрежденности и необходимости ее контроля во всех указанных точках.
После 124 тыс. ч на таких же гибах с толщиной стенки в растянутой зоне 68,5 мм зафиксирована поврежденность 2 балла, а с толщиной 72 мм -4 балла.
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15, № 1. С. 24-28
Металловедение и термическая обработка
в) г)
Рис. 3. Микроструктура гиба трубы главного паропровода блока 800 МВт после эксплуатации в течении 128 тыс. ч (х800)
Выявляемое различие в поврежденности ги-бов может быть объяснено разным уровнем действующих в них напряжений.
При контроле одного из гибов 0325x38 мм (парковый ресурс 210 тыс. ч) паропровода блока 200 МВт после 241 тыс. ч эксплуатации обнаружена микроповрежденность 5-6 балла, что превышало допустимый НТД уровень (4 балл). Исследованием этого гиба после его вырезки была подтверждена данная микроповрежденность.
Рис. 4. Микроструктура растянутой зоны после 241 тыс. ч экспл
На рис. 4, а показано наличие микротрещин и множество цепочек пор у поверхности в растянутой зоне гиба, (6 балл поврежденности), а на рис. 4, б -множество цепочек пор (5 балл), распространившихся на глубину до 4 мм. Единичные микропоры наблюдались на глубине стенки до 8 мм.
В металле прямого участка данного гиба выявлена поврежденность в виде единичных пор ползучести на глубине до 4 мм, оцениваемая 2 баллом.
б)
трубы паропровода из стали 15Х1М1Ф ции: а) х500; б) х1000
Лоскутов С.А., Букин Ю.А., Корягин Ю.Д.
Исследование микроповрежденности металла труб высокотемпературных паропроводов из Сг-Мо-V сталей...
Таблица 2
Результаты определения механических свойств исследованного гиба
Наименование Температура испытания, °С СТв, МПа Ст0^ МПа % % кси, Дж/см2 HV
20 520 385 21,5 60 28 162
550 315 280 22,5 66 115
20 500 310 27,5 68 79 146
550 285 220 33,0 73 124
Требования к стали 12Х1МФ
ТУ 14-3-460-75 20 450-650 >280 >19 >50 >50 -
Таблица 3
Механические характеристики металла исследуемых гибов
№ гиба Место вырезки Температура испытания, °С СТв, МПа Ст0^ МПа % % кси, Дж/см2 НВ
1 Растянутая зона 20 460 300 29,0 71,0 140 137
545 250 210 28,0 66,0 114 -
Прямой участок 20 465 26,0 31,0 69,0 170 126
545 250 175 33,0 70,0 205 -
2 Растянутая зона 20 540 340 29,0 76,0 89 151
545 290 250 32,0 77,0 105 -
Требования ТУ 14-3-460-75 на сталь 12Х1МФ 20 450650 >280 >19 >50 >50 -
Исследованием шлифов, вырезанных по толщине стенки указанного гиба, подтверждена достоверность контроля микроповрежденности нераз-рушающим методом.
В табл. 2 приведены результаты определения механических свойств при комнатной и рабочей температурах растянутой и прямой зон исследованного гиба.
Согласно [3], к эксплуатации сверх паркового ресурса допускаются элементы оборудования, металл которых удовлетворяет принятым критериям при положительных результатах на прочность.
При проведении УЗТ гибов фиксируется минимальная толщина стенки. Использование в расчете полученных данных может привести к получению коэффициента запаса прочности ниже нормативного значения, вследствие чего возможна перебраковка гибов, сохраняющих по состоянию металла свою дальнейшую работоспособность при существующих условиях эксплуатации.
Следует отметить, что утонение стенки в локальной зоне незначительно влияет в целом на конструктивную прочность гиба.
В связи с вышесказанным было проведено исследование фактического состояния металла двух гибов 0219x25 мм, отработавших на блоках 200 МВт 189 536 и 232 393 ч и замененных из-за пониженной толщины стенки. Парковый ресурс данных гибов из стали марки 12Х1МФ при расчетных параметрах 545 °С и 14 МПа составляет 165 тыс. ч.
Механическим испытаниям подвергался металл растянутых частей гибов, а также прямого участка гиба № 1. Средние значения механических характеристик приведены в табл. 3.
Прочностные, пластические свойства и ударная вязкость всех зон исследуемых гибов удовлетворяют требованиям технических условий для стали 12Х1МФ в состоянии поставки. Отметим, что у гиба № 1 предел текучести в растянутой зоне отличается более высокими значениями по сравнению с прямым участком, а ударная вязкость при рабочей температуре в растянутой зоне ниже соответствующих значений образцов из прямого участка.
Микроповрежденность металла, выявленная в растянутой зоне гибов в виде единичных пор, соответствует 2 баллу шкалы Приложения Ж ОСТ 34-70-690-96 при допустимой, согласно требованиям [3], не выше 4 балла.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при удовлетворительных результатах обследования гибы с пониженным коэффициентом запаса прочности могут обеспечивать надежность дальнейшей эксплуатации при обязательном контроле микроповрежденности металла.
Вывод
На основании проведенного исследования следует, что контроль микро-поврежденности металла высокотемпературных элементов энергетического оборудования является наиболее объективным, информативным и надежным средством диагностики его фактического состояния в процессе длительной эксплуатации.
Литература
1. Петреня, Ю.К. Физико-механические основы континуальной механики повреждаемости / Ю.К. Петреня. - СПб.: АООТ «НПО ЦКТИ», 1997. -147 с.
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15, № 1. С. 24-28
Металловедение и термическая обработка
2. Гладштейн, В. И. Микроповреждаемость металла высокотемпературных деталей энергооборудования / В.И. Гладштейн. - М.: Машиностроение, 2014. - 363 с.
3. РД 10-577-2003.Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций. - М.: СПО ОБТ, 2003. - 93 с.
Лоскутов Сергей Алексеевич, аспирант кафедры металловедения и термической обработки металлов, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; sergantik@74.ru.
Букин Юрий Александрович, начальник лаборатории металлов, ООО «ЗАПСИБОРГРЭС», г. Тюмень; bukin.37@mail.ru.
Корягин Юрий Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой металловедения и термической обработки металлов, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; koriaginyd@susu.ac. ги.
Поступила в редакцию 10 ноября 2014 г.
PROCESSES OF FORMATION AND PREVENTING BURNS ON STEEL CASTINGS
S.A. Loskutov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, sergantik@74.ru,
Yu.A. Bukin, LLC "ZAPSIBORGRES", Tyumen, Russian Federation, bukin.37@mail.ru,
Yu.D. Koryagin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, koriaginyd@susu.ac.ru
The paper gives an overview of structural changes and the development of metal damage of power equipment operating in creep conditions at a high operating temperature. Alternatively, the use of regenerative heat treatment (RHT) is considered replacing the depleted metal resource efficiency. The RHT technology is described to be used in industrial conditions without removing the steam line and using induction heating by the electrothermal high frequency installation. For the first time the industrial experiment was made on the application of this method to extend the service life of metal bends of steel steam pipelines of two steam generating units of 200 MW, which exceeded the standard service life (210 thousand hours) with the damage of more than the maximum permissible level specified by technical norms. The results of the study of the microscopic metal damage before and after the RHT indicate resuscitation patterns and healing creep pores in the form of chains formed during the prolonged high-temperature operation. A comprehensive study of the structure, microdamage, short-term mechanical properties and durability, made in the laboratory on model bends showed regulatory strength reserves and the possibility of extending the service life of the restored metal for the next 100 thousand hours with nominal steam operating parameters.
Keywords: Cr-Mo-Vsteels, microdamage, regenerative heat treatment.
References
1. Petrenya Yu. K. Fiziko-mekhanicheskie osnovy kontinual'noy mekhaniki povrezhdaemosti [Physical and Mechanical Basics of Continuum Mechanics of Damage]. St. Petersburg, AOOT "NPO TsKTI" Publ., 1997. 147 p.
2. Gladshteyn V. I. Mikropovrezhdaemost' metalla vysokotemperaturnykh detaley energooborudovaniya [Microdamage of the Metal of High-Temperature Parts of Power Equipment]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2014. 363 p.
3. RD 10-577-2003.Tipovaya instruktsiya po kontrolyu metalla i prodleniyu sroka sluzhby osnovnykh elemen-tov kotlov, turbin i truboprovodov teplovykh elektrostantsiy [RD 10-577-2003. Typical Manual for the Control of Metal and Prolongation of Service Life of Basic Elements of Boilers, Turbines and Pipelines of Heat Power Plants]. Moscow, SPO OBT Publ., 2003. 93 p.
Received 10 November 2014
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Лоскутов, С.А. Исследование микроповрежден-ности металла труб высокотемпературных паропроводов из Сг-Мо-У сталей тепловых электростанций при длительной эксплуатации / С.А. Лоскутов, Ю.А. Букин, Ю.Д. Корягин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2015. - Т. 15, № 1. - С. 24-28.
REFERENCE TO ARTICLE
Loskutov S.A., Bukin Yu.A., Koryagin Yu.D. Study of Metal Microdamaging of High-Temperature Steam Pipelines Made of Cr-Mo-V Steels. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2015, vol. 15, no. 1, pp. 24-28. (in Russ.)
