CC BY
28
УДК669.018.44
МАКРОАНАЛИЗ РАЗРУШЕННОГО ГИБА ВОДОПОДВОДЯЩЕГО ТРУБОПРОВОДА В СИСТЕМЕ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ
В.В. ГЕРАСИМОВ Казанский кооперативный институт
Аннотация: Выполнен макроанализ поврежденного гиба из стали-20. Приведены свидетельства, что разрушение гиба при подаче технологической воды связано с электрохимической коррозией и усиливается «малоциклическими» напряжениями. Последнее является следствием ациклических изменений давления и температуры среды при пусках и остановках оборудования, гидравлических испытаниях, работы в режиме скользящего давления.
Ключевые слова: трубопроводы, гибы, разрушение, вода, электрохимия, напряжение, коррозия, цикличность.
Гибы трубопроводов являются одним из самых распространенных элементов энергооборудования. Количество изогнутых элементов - гибов только на необогреваемых трубах современного котла достигает нескольких тысяч. Вместе с тем гибы трубопроводов относятся к наиболее часто повреждаемым элементам теплосиловых установок. Особенно опасны разрушения гибов необогреваемых труб. Они не ограждены стенками газохода и, как правило, имеют диаметр больший, чем у обогревателя труб. Стандартом предусмотрены отводы с углом 15 о, 30 о, 45 о, 60 о и 90о. Изогнутые элементы , как известно, изготавливают в холодном состоянии с помощью гибочных станов путем гибки по шаблону (сектору) или в нагретом состоянии при температурах нагрева до 600-65 0оС. Для современных паропроводов с рабочей температурой 540-570оС и питательных трубопроводов с рабочим давлением 18 - 22,6 МПа стандартом предусмотрены крутоизогнутые отводы из труб 0 219 - 465 мм и колена из труб 0 133 и 159 мм с центральным углом 90о. При умеренных параметрах среды (давление 4 - 7,5 МПа, температура до 440оС) применяются крутоизогнутые отводы труб 0 273 - 426 мм с углами между осями 30 о, 45 о, 60 о и 90о и коленами из труб 0 89, 108 и 159 мм с углами порядка 90о. В последнем случае, в частности, для гибов водопроводящих труб, а они - наиболее массовые в системах тепловых станций, обнаруживаются весьма агрессивные виды разрушения по причине коррозионных поражений металла [1].
Цель настоящей работы - макроанализ разрушенного гиба, подвергшегося химическому воздействию технологической воды в сочетании с воздействием внутреннего напряжения - «малоциклической» нагрузки. Представлялось важным установить признаки воздействия, особенности, а также макроструктуру разрушенного металла. Подобное разрушение характерно для углеродистых сталей в системе водоотпускных и водоперепускных труб котлов высокого давления.
На рис. 1 показан разрушенный гиб водоотпускной трубы экрана котла ТПЕ-4 станционный №6 Казанской ТЭЦ -3.
Гиб 0 159х15мм, материал сталь 20. Наработка гиба на состояние разрушения составила 103345 часов, количество пусков - 71. Система выработала свой плановый ресурс. Ставится задача двух-трех-кратного его продления. Для этого важно знать причины и механизм разрушения.
© В.В. Герасимов Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
Рис.1. Разрушенный гиб 0 159 х 15 мм из стали 20 водоподводящей трубы экрана котла ТПЕ-429 станционный №6 Казанской ТЭЦ-3 с многочисленными коррозионно-усталостными трещинами на внутренней поверхности
Подготовка образцов приведена в работе [2]. Оценку макроструктуры проводили по ГОСТ 10243 и ГОСТ 22838, механические испытания на растяжение - по ГОСТ 1497-84, на ударную вязкость - по ГОСТ9454-78.
Внешний предварительный осмотр разрушенного гиба указывает, что поврежденность металла на внутренней поверхности, как и следовало ожидать, значительно выше, чем на наружной: на внутреннюю поверхность действует коррозионно-активная среда и, кроме того, дополнительный фактор - пульсирующие напряжения в металле. Покажем изменение механических свойств и микроструктуры металла на момент разрушения гиба. Механические характеристики металла вблизи поврежденного гиба следующие: ов =529 МПа, о0>2=418 МПа, 5=25%, ф=51%, КСИ=73 Дж/см2. Отношение предела текучести к пределу прочности 0,79. Приведем механические характеристики этого гиба в исходном состоянии: ов=542МПа, о0>2=422МПа, 5=25,8 %, ф=52%, КСИ=78 Дж/см2. Из сопоставления данных видно, что металл вблизи зоны разрушения не претерпел сколь-нибудь существенного изменения свойств. Характеристики металла поврежденного гиба находятся на уровне требований ТУ 14-3Р-55-2001. Таким образом, прогнозирование разрушения по снижению механических свойств вряд ли будет целесообразным и возможным. Микроструктура металла разрушенного гиба в непосредственной близости от раскрытия показана на рис. 2.
Микроструктура металла представлена зернами феррита и перлита - балл 7 по стандартной шкале зернистости [3].
На внутренней поверхности гиба обнаруживаются многочисленные трещины, ориентированные вдоль образующей. Протяженность трещин составляет от 0,5 до 60 мм, глубина - от 0,3мм до сквозных. Наряду с трещинами наблюдаются отдельные коррозионные язвины размером от точечных до 2,0 мм в диаметре. Характерно, что трещины развиваются ступенчато с внутренней поверхности вглубь металла, в изломе имеются характерные линии усталости. Трещины - широкие с пережимами, тупыми концами, практически полностью заполнены оксидами железа (соединениями Бе3 и Бе 2). По своим морфологическим характеристикам это - типичное коррозионно-усталостное разрушение [4].
>„,.»»-• - ------ -
Л
увеличение 100х Рис.2. Микроструктура металла гиба в районе разрушения
По физико-химической сущности подобная картина является результатом комплексного воздействия на металл коррозионной среды и «малоциклических» напряжений. Электрохимическая коррозия протекает в результате образования и работы короткозамкнутых гальванических элементов. Причина - химическая неоднородность поверхности металла, находящейся в контакте с раствором воды -электролитом. В результате контакта железа с продуктами коррозии (оксидами) реализуется электрохимический механизм коррозии. Чистый металл - железо, имеющий, как известно, электрохимический потенциал «-0,44» вольт, - является анодом; продукты коррозии - плюсовое значение - катодом. На аноде происходит
процесс окисления: Бе0 -3е ^ Бе3+ ( при кислородной деполяризации железо
3+ ^
окисляется до Бе ); на катоде - процесс восстановления: 2Н2 О + О 2 + 4е = 4ОН". Последний, как известно, является процессом без каких-либо химических последствий. Правда, возможно катодное охрупчивание металла [5,6]. Продуктом коррозии в результате анодного процесса является Бе(ОН) 3, который в дальнейшем теряет воду,
преобразуется в бурую ржавчину БеО(ОН), точнее - в железную кислоту НБе02 Итоговыми продуктами коррозии являются: железистая соль железной кислоты Ре+2(Ре+302)2, железная соль железной кислоты Ре+3(Ре+302)2, также соединения железистой кислоты. Процесс происходит в условиях действия попеременных ациклических или так называемых «малоциклических» напряжений. Подобные напряжения вызывается ациклическими изменениями давления и температуры среды при пусках и остановках оборудования, гидравлических испытаниях, работы системы в режиме скользящего давления. Сжатые в какой-то момент времени области металла имеют более положительный потенциал, растянутые - отрицательный. Далее полярности, соответственно, меняются. Это приводит к появлению и работе соответствующего ациклического гальванического элемента, в котором сжатые участки являются катодом (на них происходит соответствующая деполяризация, связанная с восстановлением более сильного окислителя, входящего в состав коррозионной
среды), а растянутые - анодом (на них происходит окисление металла). Теоретического рассмотрения влияния наложения подобных двух факторов на разрушение металлических конструкций в доступной нам литературе не удалось установить.
Различная химическая агрессивность котловой или питательной воды, цикличность, а точнее ацикличность нагрузки может снизить ресурс котельных гибов в десятки и сотни раз. Подобный эффект находится в зависимости от числа циклов нагружения (пусков котла), предшествующих разрушению. Таким образом, разрушения гиба с внутренней поверхности с большой степенью вероятности обусловлены циклическим воздействием как постоянно действующих - коррозионных, так и попеременных силовых факторов. При этом образуется большое число трещин, сосредоточенных в полосах вдоль нейтральных зон внутренней поверхности гиба. Излом металла при коррозионно-усталостном разрушении морфологически своебразен: ступенчатое разрушение, стенки сильно окислены (легко определяемы); раскрытие хрупкое (стенка в месте разрушения не утоняется). Излом ориентирован перпендикулярно окружным напряжениям. Обнаруживаются при осмотре три зоны:
1 - очаг разрушения, расположенный преимущественно в месте залегания язвы;
2 - собственно коррозионно-усталостное развитие трещин; 3 зона долома. Наличие характерных ступенек на поверхности излома разрушенного гиба является признаком ациклического действия факторов разрушения. При преимущественном воздействии на разрушение коррозионной среды наблюдается образование рельефа, состоящего из мелких сферических близко расположенных коррозионных ямок. Язвины образуются в месте сосредоточения максимальных напряжений в эллипсном сечении гиба, в области нейтрали, где действуют, кроме напряжений от внутреннего давления, дополнительные изгибные напряжения. Со временем под действием напряжений между язвинами образуются прерывистые трещины, заполненные оксидами. В дальнейшем количество образовавшихся дефектов растет, и одиночные трещины, соединяясь между собой, образуют магистральную трещину - раскрытие, которая развивается от внутренней поверхности к наружной. В местах раскрытия трещин видимого утонения стенок труб не наблюдается.
В заключение отметим, что после выполнения операции гибки трубопроводов главное внимание при контроле должно быть уделено не наружным, хотя это также важно, а их внутренним поверхностям. Следует иметь в виду, что по результатам ультразвукового контроля большинство дефектов типа разъеденных рисок, трещин, отдельных глубоких язвин и их цепочек расположено на внутренней поверхности гибов на участках с минимальным радиусом кривизны. Именно эти дефекты гибов, особенно прилегающие к нейтральной образующей, являются местоначалом и первопричиной коррозионно-усталостного разрушения.
Если в процессе эксплуатации износ трубопроводов, работающих при температуре ниже 450оС, связан с коррозией, эрозией, элекрохимическими эффектами, ациклическими напряжениями и тепловой усталостью, то при температуре свыше 450оС важную роль начинают играть ползучесть и структурные изменения металла. Но в этом случае картина разрушения иная [7,8].
Автор выражает благодарность О.В. Переверзевой за содействие в работе.
Summary
Made macroanalysis damaged bending of steel 20. Shows evidence that the destruction of bending when filing process water due to electrochemical corrosion of the amplified low cyclic stresses. Low cyclic stresses are the result of acyclic changes in pressure and temperature of the environment during starting and stopping of equipment, hydraulic testing and mode of sliding pressure.
Key words: pipelines, bends, destruction, water, electrochemical, corrosion, cyclic stresses.
© Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
Литература
1. Слободчикова Н.И. Анализ и обобщение случаев разрушения гибов необогреваемых труб котлов и паропроводов // Тр. ВТИ, вып. ХХ1Х «Повышение надежности и оценки ресурса гибов необогреваемых котельных труб и паропроводов». Южно-Уральское книжное издательство, 1981.
2. Герасимов В.В. Переверзева О.В. Изменение структуры и механических характеристик жаропрочной стали при длительной эксплуатации в системах теплоэнергетических установок // Материаловедение. 2004. №4. С.39-44.
3. ОСТ 34-70-690-96. Стандарт отрасли. Металл паросилового оборудования электростанций. Метод металлографического анализа в условиях эксплуатации. М, 1997.
4. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А. Зайцев А.В. Строение и анализ изломов металлов. М: Энергия,
1989.
5. Сухотин А.М., Зотиков В.С. Химическое сопротивление материалов // Справочник. Л: «Химия», 1975. 409 с.
6. Гофман Ю.М. О надежности изделий из стали 20, эксплуатируемых при высоких температурах // Теплоэнергетика. 1992. № 8. С. 21-22.
7. Герасимов В.В. Переверзева О.В. Структурный износ в системах элементов теплоэнергетических установок на объектах «Татэнерго» // Известия РАН. Энергетика. 2005. №1. C. 139-144.
8. Jokes D.R.H. Creep failures of overheated boiler, superheater and reformer tubes. End.Failure anal. 2004, 11, №6, c.873-893. РЖ. Энергетика. 2006. №4. Реф.05.04-22р. 44 (Повреждения обогреваемых труб котлов и пароперегревателей вследствие ползучести).
Поступила в редакцию 03 сентября 2013 г.
Герасимов Виталий Викторович - д-р техн. наук, профессор Казанского кооперативного института. Тел: 8(917)9369697. E-mail: gerasimov - 41@ mail.ru.
