CC BY
37
МАКРО- И МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОВРЕЖДЕННЫХ ГИБОВ ПАРОПЕРЕПУСКНЫХ ТРУБ КАЗАНСКОЙ ТЭЦ-2
В.В. ГЕРАСИМОВ*, О.В. ПЕРЕВЕРЗЕВА**, П. Т. ГРЕБЕНЩИКОВ**,
Р.К. ПАПИЛОВ**, А.В. ШАРОНОВ**, А.В. ЗАВОДСКОЙ**
* Казанский Государственный энергетический университет **ООО «Инженерный центр Энергопрогресс» г. Казань
Выполнено макро- и микроскопическое исследование гибов пароперепускных труб, которые в энергетической системе наиболее подвержены микроповреждаемости. Первопричиной микротрещин являются поры, отчетливо проявляющиеся на снимках. Порообразование связано с некачественной термообработкой, формирующей нежелательную структуру металла. Рекомендованы наиболее действенные методы контроля ползучести и микроповреждаемости гибов.
Введение
Металл наиболее ответственных деталей современного энергооборудования работает постоянно при высокой температуре в условиях ползучести.
Первая стадия характеризуется повышенной скоростью ползучести, которая со временем постепенно затухает. Вторая стадия ползучести рассматривается как результат динамического равновесия двух противоположных процессов: упрочнения, вызываемого пластической
деформацией ползучести и увеличением плотности дислокаций, и возврата, который проявляется при достаточно высоких температурах за счет перераспределения дислокаций и образования субструктуры. Вторая установившаяся стадия является результатом термодинамического равновесия этих процессов в условиях ползучести. Третья стадия характеризуется быстрой ползучестью, приводящей к разрушению.
В условиях действующего производства важно зафиксировать структурные изменения, происходящие при переходе от второй к третьей стадии ползучести.
Целью работы является макро- и микроскопическое исследование порообразования и микроповреждаемости гибов пароперепускных труб, выполненных из жаропрочной стали (12Х1МФ), при длительной эксплуатации при переходе к третьей стадии ползучести.
Экспериментальная часть
Макроисследование проводили визуально и с помощью лупы ЛПП-3,5х с подсветкой. Подготовку шлифов для исследования проводили согласно ОСТ 34-70690-96. Применяли пластиковые реплики. Контроль пор проводили с помошью оптического микроскопа «Неофот-32» при 500-кратном увеличении.
Механические испытания на растяжение при комнатной температуре производили согласно ГОСТ 1497-84. Овальность и утонение гибов определяли с погрешностью не более 10%.
Для оценки микроповреждаемости для гибов паропроводов использовали семибальную шкалу ВТИ [1].
В табл. 1 представлены экспериментально-производственные данные
макроисследования поврежденных гибов на Казанской ТЭЦ-2 ОАО «Татэнерго».
© В.В. Герасимов, О.В. Переверзева, П. Т. Гребенщиков, Р.К. Папилов, А.В. Шаронов, А.В. Заводской Проблемы энергетики, 2007, № 1-2
Макроисследование гибов пароперепускных труб Казанской ТЭЦ-2
Труба. Рабочая температура Размер, мм Марка стали Наработка Механические свойства Размеры Причина повреяедения. Микроструктура металла
Ов МПа СО,2 МПа 5 % Ф % НВ оваль-ность, % утонение, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Гиб пароперепускной трубы перед паросборной камерой, 540°С 133x10 12Х1МФ 55270 час 465 260 31,5 - - 9,5 8,3-10,6 Появление микротрещин в растянутой зоне гиба. Образованию трещины ползучести и ее развитию способствовали дополнительные напряжения, вызванные овальностью. Структура - балл 7 по браковочной шкале
Гиб пароперепускной трубы, 540°С 133x10 12Х1МФ 65000 час. 485 265 40,0 - - 2Д 10-11,5 Трещина ползучести на «спинке» гиба, развивающаяся от риски. Балл 6 по браковочной шкале
Гиб пароперепускной трубы, 540°С 133x10 12Х1МФ 80000 час. 465 330 26,0 66,5 144 2Д 8,1-8,6 Трещина ползучести по «спинке», раздутие на 1,94%. Структура балл 7 по браковочной шкале
Г иб «А» пароперепускной трубы, 540°С 133x12 12Х1МФ 102176 часов 485 330 29,0 74,0 156 1,9 15 Трещина ползучести, поры. Деформация 3,1% Структура балл 6 по браковочной шкале
Требования ТУ 14-ЗР-55-2001 к стали 12Х1МФ 441- 637 не менее
274 21 55
Данные свидетельствуют, что, не смотря на явные повреждения гибов, уровень кратковременных прочностных и пластических свойств металла как в растянутой зоне, так и на прямом участке гиба остается высоким и соответствует требованиям ТУ. Это обстоятельство подтверждает известный факт, что уровень механических свойств металла не полностью отражает надежность работы гибов в процессе эксплуатации, а долговечность деталей зависит от характеристики микроповреждаемости на уровне порообразования.
Повреждения гибов в виде трещин, как следует из таблицы, обнаруживаются уже через 55 тыс. часов эксплуатации, т.е. при 50 % расчетного пробега станции.
На рис. 1 и 2 представлены данные микроскопических исследований в виде снимков двух поврежденных гибов, характеризующих переход металла от второй к третьей стадии ползучести.
Рис. 1. (Фото, увеличение 500х). Микроструктура гиба пароперепускной трубы из стали 12Х1МФ. Температура 540оС, давление 14,0 МПа, наработка 79023 часа, овальность 2,1%, раздутие 1,94%. Микроструктура металла ферритокарбидная. Обнаруживаются цепочки пор по границам зерен. Формируются цепочечные повреждения
Рис. 2. (Фото, увеличение 500х). Микроструктура гиба пароперепускной трубы из стали 12Х1МФ. Температура 540оС, давление 14,0 МПа, наработка 102176 часов, овальность 1,9%, раздутие 3,1%. Обнаруживаются надрывы и микротрещины, магистральная трещина, что свидетельствует о наступлении предразрушительного состояния
Ранее [2] нами было установлено, что металл этих гибов находился в состоянии перехода от второй к третьей стадии ползучести.
На рис. 1 представлен снимок гиба пароперепускной трубы. Наработка около 80 тыс. часов температура 540оС. Первоначальная овальность 2,1 %, деформация 1,94 %. Структура: балл 7 по браковочной шкале. Появляются множество крупных пор по границам зерен и слившиеся цепочки пор.
На рис. 2 - гиб пароперепускной трубы. Наработка около 102 тыс. часов при температуре 540оС. Деформация 3,1 %. Микроструктура ферритокарбидная. Первоначальная овальность 1,9 %. Деформация 3,1 %. Отчетливо выражены поры и микротрещины ползучести. Процесс ползучести вошел в третью стадию. На снимке видно, что сформировалась магистральная трещина, что свидетельствует о предразрушительном состоянии гиба. Трещины ползучести образуются с наружной растянутой поверхности гиба. Они развиваются внутрь и носят межзеренный характер.
Таким образом, при переходе к третьей стадии ползучести гибы претерпевают, как на макро-, так и на микроуровне, существенные структурные повреждения. В произодственных условиях в этом случае важно принять превентивные меры и своевременно заменить аварийный узел.
И в том, и в другом случае, как было установлено, гибы прошли некачественную термическую обработку, которая привела к формированию ферритокарбидной структуры и понижению жаропрочности металла.
Разрушение гибов главных паропроводов пароперепускных труб в процессе эксплуатации происходит по механизму ползучести и образования пор.
При приложении нагрузки (давления) происходит «мгновенная деформация» г о, которая не является следствием ползучести, а зависит от упругих напряжений при непрерывно возрастающей нагрузке.
Ползучесть является процессом, в значительной степени зависящим от структурных изменений в металле под действием высоких температур. Пониженное сопротивление ползучести характерно для металла с большим количеством ферритной составляющей в структуре. Для стали 12Х1МФ - это браковочные структуры 6-9 балла, для стали 15Х1М1Ф - браковочные структуры 5-10 балла (предусмотрены шкалой микроструктур, приведенной в приложении к ТУ 14-3Р-55-2001).
Все стали с браковочной структурой имели низкую длительную прочность, примерно на 30-50 % меньше гарантированной ТУ.
Производственный опыт ООО «ИЦ Энергопрогресс» показывает, что контроль металла гибов паропроводов в первую очередь целесообразно проводить на растянутой части гиба с помощью поверхностных методов дефектоскопии -магнитной или цветной. При этом можно своевременно обнаружить микротрещины, образовавшиеся на поверхности. УЗК целесообразно проводить в области нейтрали.
Другим действенным методом контроля гибов является исследование ползучести гиба по бобышкам, наваренным на прямом участке в непосредственной близости от окончания гиба. Общей закономерностью при повреждаемости гибов паропроводов является развитие на наружной поверхности продольных трещин ползучести со стороны утонения стенки. Допустимая остаточная деформация на прямом участке гиба должна быть не более 0,8 % от номинального диаметра трубы.
Трещины формируются обычно на «спинке» гиба при пороговом раздутии около 1,94 %.
Микроисследования гибов подтвердили ранее известный факт, что первопричиной трещин ползучести является порообразование. Это отчетливо проявляется на наших снимках, особенно при переходе ползучести от второй к третьей стадии. Одной из вероятных причин значительного порообразования, переходящего в трещины, является технологический фактор - некачественная термообработка, формирующая начальную структуру металла гибов. Для предупреждения повреждений необходимо прогнозировать состояние металла и в первую очередь с помощью металлографического исследования микроструктуры на микроповреждаемость.
Выводы
Приведенные макро - и микроисследования гибов пароперепускных труб подтверждают известный факт, что первопричиной микротрещин являются поры. Поры отчетливо проявляются на наших снимках микроструктуры гибов при переходе ползучести от второй к третьей стадии. Данные микроанализа свидетельствуют, что образованию микротрещин также способствуют дополнительные напряжения, вызванные овальностью и рисками на гибах. Влияет также технологический фактор - некачественная термообработка, формирующая начальную структуру металла гибов.
Summary
Macro-and-microinvestigation of microdamaged bendings of steam by-pass tubes, that are more subjected to microdamaging in power-engineering system, has been realize. The original cause of microcracks is the pores distinetly developing on prints. Poreformation is caused by unqualitative thermal treatment forming undesirable structure of metal. The most effective methods of inspecting the creep and microdamage of bendings have been recommended.
Литература
1. Инструкция-методика неразрушающего контроля
микроповреждаемости и структуры металла энергетического оборудования. - М.: Изд. ВТИ,1995. - 26 с.
2. Герасимов В.В., Переверзева О.В. Микроповреждаемость жаропрочной стали при длительной эксплуатации металла в системах теплоэнергетических установок. // Материаловедение. - 2006. - № 4.
Поступила 20.11.2006
