CC BY
68
_ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА_
УДК 621.791.05:620.179
А.Н. Смирнов, Н.В. Абабков, С.В. Фольмер Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева
НОВАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО-ОПАСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Вопросам безопасной эксплуатации технических устройств опасных производственных объектов (ТУОПО) во всем мире уделяется повышенное внимание. В России эта проблема особенно актуальна, так как более 60 % промышленного оборудования отработало расчетный срок, а в энергетике - более 80 %. Повреждения ТУОПО могут привести и приводят к авариям и техногенным катастрофам с человеческими жертвами. За последние 10 лет можно привести достаточное количество примеров [1]. С целью оценки технического состояния потенциально-опасного оборудования в России была создана система экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ), применение которой позволяет с достаточной степенью достоверности определять его работоспособность. Одной из составляющих ЭПБ является диагностирование и неразрушающий контроль основного металла и сварных соединений. Применение разрушающих методов для оценки микроструктуры и механических характеристик требует вырезки образцов для испытаний из действующего оборудования, поэтому эти методы практически не применяются. Следовательно, результаты неразрушающего контроля являются определяющими при экспертизе промышленной безопасности потенциально-опасного оборудования.
Существующий в настоящее время подход к оценке работоспособности металла ТУОПО отличается большим многообразием руководящих документов, методов, методик и средств исследований и испытаний. Все это значительно затрудняет процесс диагностирования и не всегда позволяет правильно оценить состояние технических устройств и, следовательно, надежно определить ресурс и прогнозировать срок их службы. Неразрушающий контроль в задачах оценки ресурса и работоспособности ТУОПО ориентирован главным образом на выявление уже существующих и развивающихся очагов разрушения, он не дает возможности выявлять стадии зарождения микроповреждений и оценивать характер из-
менения структурно-фазового состояния металла. Проблема усугубляется отсутствием научно обоснованной концепции надежного прогнозирования работоспособности длительно-работающего металла. Поэтому очевидна необходимость разработки нового методологического подхода к оценке работоспособности металла ТУОПО, основанного на выявлении закономерностей эволюции структурно-фазового состояния и изменения физико-механических характеристик неразрушающи-ми физическими методами исследования.
В процессе длительной эксплуатации потенциально-опасного оборудования в сложных напряженных условиях, зачастую в агрессивных средах, в основном металле и в металле сварных соединений происходят различные физико-химические процессы, вызывающие ползучесть, усталость, коррозию. В реальных условиях эти явления трудно отделить друг от друга, они чаще всего совместно протекают в металле (например, термоусталость, корррози-онно-термическая усталость, усталость в условиях ползучести и др.).
Ранее установлено [2 - 6], что физико-химические процессы, протекающие в металле, приводят к изменению структурно-фазового состояния, в частности, в теплоустойчивых сталях происходит перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидами. В этих сталях (например, 12Х1МФ) упрочнение при термической обработке может происходить по трем механизмам:
- в результате фазового наклепа при у ^ а превращении;
- дисперсионного твердения частицами второй фазы;
- взаимодействия атомов легирующих элементов с дислокациями в твердом растворе.
В процессе эксплуатации таких сталей в течение длительного времени при высоких температурах изменяется вклад каждого механизма упрочнения. Вклад от упрочнения твердого раствора с увеличением времени эксплуатации
(или старения) уменьшается, что связано с переходом молибдена в карбидную фазу; вклад от упрочнения частицами второй фазы практически не изменяется вследствие действий двух одновременно протекающих процессов - коагуляции частиц упрочняющей фазы и выделения новых высокодисперсных частиц карбида металла МеС в результате «подстаривания». Первый процесс снижает эффект от упрочнения, а второй приводит к дополнительному упрочнению. На более поздних стадиях эксплуатации (более 100 тыс. ч) коагуляция частиц становится основным фактором, приводящим к снижению эффекта дисперсионного твердения. Вклад от фазового наклепа в общее упрочнение, определяющийся плотностью дислокаций, закрепленных карбидами МеС, меняется в зависимости от условий эксплуатации (действующих напряжений и др.), его изменение определяется главным образом термической устойчивостью карбидов МеС.
Авторами работ [7 - 9] показано, что при локальной перестройке дислокационной структуры во время эксплуатации ТУОПО происходит образование новых источников дальнодействующих полей внутренних напряжений, и изменение этих полей характеризует работоспособность металла. Установлены зависимости между длительной прочностью хромомолибденованадиевых сталей и величиной локальных полей внутренних напряжений. В исследованиях [6, 8] с применением электронной микроскопии доказано, что для конструкционных сталей величина локальных полей внутренних напряжений и характер распределения их источников являются важнейшими показателями работоспособности и оценки ресурса потенциально-опасного оборудования. Отсюда, разработка методов нераз-рушающего контроля для оценки локальных полей внутренних напряжений - важнейшая проблема, которая была частично решена акустическими методами.
Для решения поставленных задач в Нижнем Новгороде была разработана принципиально новая акустическая система «АСТРОН» в соответствии с концепцией развития диагностики и прогнозирования разрушения ТУОПО и сварных конструкций. Основные задачи:
- разработка теории и методов прогноза несущей способности сварных конструкций на основе исследований разрушения материала и конструкций и сопутствующих ему распространяющихся упругих колебаний - носителей информации о процессах, протекающих в материале при разрушении;
- разработка математического обеспечения для обработки поступающей в аппаратуру информации; разработка теории, методов, алгоритмов и программ, связанных с прогнозированием и принятием решения о состоянии конструкции; разработка и совершенствование информационно-измерительных систем, предназначенных для анализа прогнозирующей информации.
В основу работы аппаратной части системы положен способ подробной регистрации всей серии отраженных акустических импульсов для ее последующей обработки средствами программной части системы.
Для передачи первичной акустической информации в обрабатывающую часть системы (компьютер типа NOTEBOOK) производится последовательное преобразование осциллограммы отраженных импульсов с определенным шагом дискретизации с момента зондирования исследуемого материала и до прихода n-го отраженного импульса.
Экспериментальные исследования показали, что оптимальной величиной для шага дискретизации является 5 - 10 нс. Эта величина позволяет в рамках решаемых задач обеспечить относительную погрешность определения временных параметров, не превышающую значения 10-5 .
Авторам работ [9 - 11] удалось доказать, что время задержки поверхностных акустических волн (ПАВ) является надежным параметром, характеризующим изменение локальных полей внутренних напряжений. Так, например, с увеличением величины локальных внутренних полей напряжений (средней кривизны-кручения кристаллической решетки) происходит рост времени задержки ПАВ, что объясняется ослаблением ультразвуковых колебаний на источниках (концентраторах) внутренних полей напряжений.
На основе ряда исследований установлено (рис. 1), что с уменьшением длительной прочности теплоустойчивых сталей происходит рост времени задержки ПАВ, вызванный увеличением плотности источников внутренних полей напряжений. Максимальному времени задержки ПАВ соответствуют минимальные прочностные характеристики и минимальная длительная прочность.
Результаты исследований показывают высокую чувствительность спектрально-акустического метода к определению изменений параметров микроструктуры (плотности дислокаций, средней амплитуды кривизны-кручения и плотности экстинкционных контуров).
,МПа
Рис. 1. Влияние длительной прочности теплоустойчивых сталей на время задержки ПАВ
Таким образом, применение спектрально-акустического метода позволило разработать комплексный критерий предельного состояния длительно-работающего металла:
Ж -
К = ^ "о _!_у
у - Ж
(1)
который определяется временем задержки ПАВ в металле с исходным состоянием структуры (Ж0), в металле, исчерпавшем свой ресурс работоспособности (Жу), и в контролируемом металле (Жх); здесь у - коэффициент, учитывающий материал контролируемого элемента. Комплексный критерий предельного состояния (К) апробирован на ряде разрушенных элементов энергооборудования. Экспериментально доказано, что при Ку > 0,7 металл достигает
предельного состояния.
Комплексный критерий предельного состояния применен при ЭПБ длительно-работающих
и разрушенных гнутых участков трубопроводов из сталей 20, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и труб поверхностей нагрева из стали 12Х2МФСР котло-агрегатов ряда электростанций Сибири. Получено хорошее совпадение результатов различных испытаний и расчетов с акустическими измерениями.
Для сварных соединений паротрубопрово-дов проводили комплекс специальных исследований. С применением методов электронной микроскопии изучали структуру, фазовый состав и внутренние напряжения в сварных соединениях из стали 20 и 12Х1МФ [12, 13] после различных сроков эксплуатации (рис. 2) и поврежденные соединения.
Анализ результатов акустических измерений сварных соединений паропроводов из стали 12Х1МФ показал, что наибольшее время задержки ПАВ зарегистрировано на участках образцов с максимальной величиной полей внутренних напряжений. После комплекса исследований было установлено, что в сварных соединениях паропроводов поля внутренних напряжений оказывают существенное влияние на акустические характеристики, в частности на время задержки ПАВ. При исследовании сварных соединений была обнаружена анизотропия акустических характеристик. При этом замеряли время задержки ПАВ на поверхности сварного соединения, находящегося в исходном состоянии, и на поверхности исследуемого сварного соединения. Под исходным состоянием сварного соединения понимается сварное соединение, выполненное из тех же основных и сварочных материалов по той же технологии, что и контролируемое.
б
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали 12Х1МФ: а - ферритное зерно, присутствуют частицы карбида Ме23С6, не связанные с дислокациями (основной металл); б - феррит-
ное зерно, присутствует частица карбида Ме23С6 (металл шва)
Разработан критерий оценки ресурса сварных соединений (К), который выражается формулой
К = (2)
^Ч 01^ 02
где Л01 и Л02 - среднестатистическое время задержки ПАВ, поляризованной вдоль сварного соединения и перпендикулярно сварному соединению (исходное состояние), нс; ЛЮ1 и ЛЮ2 - среднестатистическое время задержки ПАВ, поляризованной вдоль и перпендикулярно сварному соединению контролируемых элементов, нс.
Критерий апробирован на ряде электростанций Кузбассэнерго. Экспериментально доказано, что при К < 0,98 металл сварных соединений выработал свой ресурс, необходимо проведение ремонтно-восстановительных мероприятий (рис. 3).
Результаты исследований сварных соединений спектрально-акустическим методом положены в основу разработки методических рекомендаций по оценке ресурса сварных соединений трубопроводов потенциально-опасного оборудования. Методические рекомендации и комплексный критерий оценки ресурса сварных соединений реализованы при техническом диагностировании более 100 сварных соединений трубопроводов электростанций совместно с ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбасстехэнерго» и ООО «Кузбасский инженерно-консультационный диагностический центр «Надежность».
Выводы. Разработана новая методология, основанная на выявлении закономерностей изменения структурно-фазового состояния и полей внутренних напряжений в длительно-ра-
Рис. 3. Связь критерия К оценки ресурса сварных соединений с амплитудой локальных (моментных) напряжений т
ботающем металле и в сварных соединениях потенциально-опасного оборудования топливно-энергетического комплекса спектрально-акустическим методом. Разработаны комплексный акустический критерий предельного состояния металла энергооборудования и критерий оценки ресурса сварных соединений, которые нашли применение на ряде энергетических предприятий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. К л ю е в В.В. Деградация диагностики безопасности. - М.: Издательский дом «Спектр», 2012. - 128 с.
2. Л а н с к а я К.А. Жаропрочные стали. -М.: Металлургия, 1969. - 245 с.
3. К о н е в а Н.А., К о з л о в Э. В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. 8. С. 3 - 14.
4. К о н е в а Н.А., К о з л о в Э.В., Т р и ш -к и н а Л.И., Л ы ч а г и н Д.В. Дальнодей-ствующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты // Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Труды международной конференции. - Томск: изд. ТГУ, 1990. С. 83 -93.
5. И в а н о в Ю.Ф., Л ы ч а г и н Д.В., Г р ом о в В.Е. и др. Мезоскопическая субструктура и электроимпульсное подавление усталостного разрушения // Физическая мезомеханика. 2000. № 1. Т. 3. С. 103 - 108.
6. С м и р н о в А.Н., Х а п о н е н Н.А., Ч е -л ы ш е в А.Н., М е д в е д е в С.Н. Оценка состояния длительно-работающего металла технических устройств опасных производственных объектов // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 3. С. 28 -31.
С м и р н о в А.Н., Б л ю м е н ш т е й н В.Ю., К р е ч е т о в А.А., Х а п о н е н Н.А. Использование УЗ-сигналов для идентификации НДС // Безопасность труда в промышленности. 2002. С. 32 - 36. С м и р н о в А.Н., К о з л о в Э.В. Субструктура, внутренние поля напряжений и проблема разрушения паропроводов из стали 12Х1МФ. - Кемерово: Кузбассвузиз-дат, 2004. - 163 с.
С м и р н о в А.Н., М у р а в ь е в В.В., Х а п о н е н Н.А. Акустический критерий предельного состояния длительно-работающего металла технических уст-
8.
9.
ройств опасных производственных объектов // Контроль. Диагностика. 2004. № 5. С. 19 - 23.
10. С м и р н о в А.Н., М у р а в ь е в В.В., Ф о л ь м е р С.В. Структурно-фазовое состояние и ресурс длительно работающего металла технических устройств опасных производственных объектов, перспективы дальнейшего развития методов оценки работоспособности // Контроль. Диагностика. 2009. № 1. С. 22 - 32.
11. С м и р н о в А.Н., М у р а в ь е в В.В., К о н о н о в П.В. и др. Жаропрочность и поля внутренних напряжений в теплоустойчивых сталях // Контроль. Диагностика. 2009. № 2. С. 45 - 51.
12. С м и р н о в А.Н., Ф о л ь м е р С.В., А б а б к о в Н.В. Локальные поля внутренних напряжений в сварных соединениях, спектрально-акустический метод их выявления и синергетический подход к материаловедению // Вестник КузГТУ. 2009. № 3. С. 28 - 38.
13. С м и р н о в А.Н., Ф о л ь м е р С.В. Влияние исходной структуры и физико-механических свойств конструкционных сталей на их акустические характеристики // Вестник КузГТУ. 2008. № 3. С. 73 - 75.
© 2013 г. А.Н. Смирнов, Н.В. Абабков,
С.В. Фольмер Поступила 29 ноября 2013 г.
УДК 662.8
В.И. Багрянцев, С.А. Бровченко, А.П. Подольский, А.А. Рыбушкин, М.В. Темлянцев,
С.А. Казимиров
Сибирский государственный индустриальный университет
РАЗРАБОТКА АГРЕГАТА И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ПОТОКЕ
ВОЗДУХА
К настоящему времени в Кузбассе накоплено значительное количество отходов обогащения угля. Это связано с несовершенством действующих на углеобогатительных фабриках технологий, поскольку в отходах углеобогащения содержание угля может достигать 25 % и более. Отходы углеобогащения, хотя и содержат значительное количество угля, но в качестве топлива имеют крайне ограниченную область применения, поскольку характеризуются высокой зольностью, влажностью и мелкодисперсным гранулометрическим составом [1]. Большинство современных котельных установок не предназначены для работы на таком виде топлива. Для слоевого сжигания отходов углеобогащения требуется их окомкова-ние или брикетирование. Сжигание дисперсного топлива в кипящем слое, открытом факеле или приготовление на его основе водо-угольных суспензий значительно усложняет и удорожает конструкцию котельного агрегата или требует соответствующей топливоподго-товки [2], что снижает привлекательность отходов углеобогащения как относительно распространенного и дешевого вида топлива.
В связи с этим в Сибирском государственном индустриальном университете проведены исследования по разработке тепловой установки, работающей на принципах вихревых процессов, и технологии эффективного сжигания дисперсных отходов углеобогащения.
Поскольку теплотворная способность отходов углеобогащения значительно ниже, чем у традиционных видов топлива, в тепловой установке процессы сжигания, генерации тепла и нагрева теплоносителя разделены: сжигание реализовано в отдельной топке, теплообменник вынесен за пределы топочного объема как самостоятельный агрегат. В пользу такого решения служит то обстоятельство, что значительная часть отходов углеобогащения имеет высокое содержание золы, доходящее в некоторых случаях до 40 %. В связи с этим теплообменная часть агрегата должна быть приспособлена к большим потокам (расходам) твердого материала. Здесь же конструктивно решается вопрос улавливания золы, которая находится в пылевидном состоянии.
Конструкция разработанной цилиндрической вихревой топки (подобной [3]) схематично представлена на рис. 1.
