Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук: 05.16.01 — Металловедение и термическая обработка
металлов и сплавов. — Оренбургский государственный университет. —
Оренбург, 2010 — 18 с.
Научный руководитель - доктор химических наук,
профессор Грызунов В.И.
Актуальность темы. Металл котельного оборудования
тепловых электростанций эксплуатируется при высоких температурах и
напряжениях, а также под воздействием коррозионно-активных сред. В
этих условиях в металле происходят изменения вследствие накопления
внутренних и внешних повреждений, обусловленные характером
эксплуатации. Основной причиной (60-70 %) вынужденных остановов
котлов являются повреждения поверхностей нагрева, которые вызваны
как эксплуатационными, так и технологическими факторами, а также их
совместным воздействием.
Значительный вклад в исследование причин повреждений и прогнозирование ресурса металла энергооборудования внесен такими российскими учеными, как Минц И.И., Березина Т.Г., Смирнов А.Н., Антикайн П.А., Бугай Н.В., Хромченко Ф.А., Гофман Ю.М., Шрон Р.З, Отс А.А., Куманин В.И., Калугин Р.Н. и др. Однако комплексный подход, который определял бы последовательность действий к анализу повреждений различного характера, зависящих от условий эксплуатации, в настоящее время отсутствует. Анализ структуры и поверхности разрушения позволяет получить надежную информацию о механизмах повреждаемости, которые привели к отказу. Это означает, что разработка классификации повреждений во взаимосвязи со структурными и фрактографическими особенности металла разрушенной трубы и подхода к выявлению условий эксплуатации, приведших к отказу, в настоящее время является актуальной проблемой.
Не менее важным остается вопрос прогнозирования долговечности пароперегревателей, так как многие агрегаты уже отработали расчетный срок. В настоящее время имеется ряд методик расчета остаточного ресурса, однако все они основаны на знании так называемой эквивалентной температуры эксплуатации (Тэкв), под которой понимают среднюю температуру за весь период работы труб. От точности определения Тэкв во многом зависит достоверность прогнозирования времени до разрушения по критерию длительной прочности. Существующие методы определения Тэкв, отраженные в нормативных документах, нуждаются в совершенствовании, так как предусматривают лишь качественную оценку структурных изменений, происходящих в металле в условиях ползучести.
Цель исследования - изучение влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на повреждаемость металла котельных труб для разработки подхода к анализу причин повреждений и прогнозирования их работоспособности.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
оценка влияния условий эксплуатации на характер и структурно-механические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ;
исследование механизмов повреждаемости, связанных с высокотемпературной коррозией поверхностей труб, и выявление факторов, влияющих на развитие процесса;
разработка подхода к оценке фактического состояния пароперегревательных труб для выявления причин их повреждений;
совершенствование методов определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе структурных изменений, вызванных старением и ползучестью.
Объектами исследования являлись котельные трубы из стали 12Х1МФ после эксплуатации в различных условиях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронно-микроскопический методы анализа. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных и натурных образцах в лабораторных и эксплуатационных условиях соответственно. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
оценка влияния механизма разрушения на характер изменения тонкой структуры и микронапряжений при удалении от зоны разрушения пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ;
установленный механизм взаимодействия металла с атмосферой топочных газов, основанный на диффузионных уравнениях, описывающих многокомпонентный процесс образования окалины;
классификация повреждений пароперегревателей из стали 12Х1МФ во взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими особенностями разрушения, основанная на оценке характера и геометрических характеристик разрушенных труб, их структуры и микроповреждаемости, а также изменения твердости.
Практическая значимость:
усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, отличающийся применением количественной металлографии и проведением дюрометрических испытаний металла труб, позволивший повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса;
предложен алгоритм выявления причин разрушений пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях повреждений, позволивший выработать рекомендации по предупреждению возникновения аналогичных отказов.
Результаты исследований, представленные в работе, использованы:
для оценки остаточного ресурса и выявления причин повреждений поверхностей нагрева из стали 12Х1МФ энергетических котлов специалистами ОАО «Инженерный центр» (г. Оренбург);
в учебном процессе Орского гуманитарно-технологического института (ОГТИ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 13 статей, 3 из которых - в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России.
в изданиях Перечня ВАК РФ:
Приймак, Е.Ю. Влияние температуры среды на кинетику газовой коррозии стали ЗОХГСА / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Коррозия: материалы, защита. - 2008. - №5. - С. 12-14.
Приймак, Е.Ю. Кинетика газовой коррозии высоколегированной аустенитной стали 12Х18Н10Т / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Т.П. Грызунова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - №9. - С. 21-24.
Приймак, Е.Ю. Кинетика формирования и роста фаз в оксидном слое
стали 30X13 при высоких температурах / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов //
Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - №9. - С. 22-25.
в прочих изданиях:
Приймак, Е.Ю. Исследование кинетики и температурной зависимости скорости окисления нержавеющей стали в атмосфере воздуха : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей, аспирантов и студентов / Е.Ю. Приймак, И.В.Щур, СВ. Чхаидзе. - Орск: ОГТИ, 2008. -С. 352-357.
Приймак, Е.Ю. Влияние агрессивных сред на поведение металлов при высоких температурах : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 464-472.
Приймак, Е.Ю. Фрактальный анализ адаптации структуры и поверхностных окислов к высокотемпературному нагреву : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова, Н.Ю. Трякина. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 484-489.
Приймак, Е.Ю. Особенности строения реакционной зоны при высокотемпературном окислении стали 12Х18Н10Т : материалы XVII международной научной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Самара: СамГТУ, 2009. -С. 32-35.
Приймак, Е.Ю. Исследование процесса окалинообразования высокохромистой стали 30X13 в воздушной атмосфере : сборник трудов XVLII международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С.107-110.
Приймак, Е.Ю. Кинетические условия образования и роста оксидного слоя при высокотемпературном окислении сталей : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Орск: ОГТИ, 2009. - Ч. 3 - С. 82-85.
Приймак, Е.Ю. Структурно-механические особенности разрушения высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. -С. 100-103.
Приймак, Е.Ю. Особенности поведения металла экранных труб парогенераторов на стадии предразрушения : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В.Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. - С. 120-125.
Приймак, Е.Ю. Анализ основных причин разрушений высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования :
материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З. - Т.2. - С. 136-139.
Приймак, Е.Ю. Анализ изменения структурно-механического состояния металла труб пароперегревателей из стали 12Х1МФ в процессе длительной эксплуатации и на стадии предразрушения : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, О.А. Якунина. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З. - Т.2. - С. 139-143.
Приймак, Е.Ю. Определение эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе количественной металлографии и измерения твердости : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 471-476.
Приймак, Е.Ю. Комплексный анализ поверхности разрушения котельных труб из стали 12Х1МФ, поврежденных по различным
эксплуатационным причинам : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, Н.Ю. Трякина. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 476-480.
Значительный вклад в исследование причин повреждений и прогнозирование ресурса металла энергооборудования внесен такими российскими учеными, как Минц И.И., Березина Т.Г., Смирнов А.Н., Антикайн П.А., Бугай Н.В., Хромченко Ф.А., Гофман Ю.М., Шрон Р.З, Отс А.А., Куманин В.И., Калугин Р.Н. и др. Однако комплексный подход, который определял бы последовательность действий к анализу повреждений различного характера, зависящих от условий эксплуатации, в настоящее время отсутствует. Анализ структуры и поверхности разрушения позволяет получить надежную информацию о механизмах повреждаемости, которые привели к отказу. Это означает, что разработка классификации повреждений во взаимосвязи со структурными и фрактографическими особенности металла разрушенной трубы и подхода к выявлению условий эксплуатации, приведших к отказу, в настоящее время является актуальной проблемой.
Не менее важным остается вопрос прогнозирования долговечности пароперегревателей, так как многие агрегаты уже отработали расчетный срок. В настоящее время имеется ряд методик расчета остаточного ресурса, однако все они основаны на знании так называемой эквивалентной температуры эксплуатации (Тэкв), под которой понимают среднюю температуру за весь период работы труб. От точности определения Тэкв во многом зависит достоверность прогнозирования времени до разрушения по критерию длительной прочности. Существующие методы определения Тэкв, отраженные в нормативных документах, нуждаются в совершенствовании, так как предусматривают лишь качественную оценку структурных изменений, происходящих в металле в условиях ползучести.
Цель исследования - изучение влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на повреждаемость металла котельных труб для разработки подхода к анализу причин повреждений и прогнозирования их работоспособности.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
оценка влияния условий эксплуатации на характер и структурно-механические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ;
исследование механизмов повреждаемости, связанных с высокотемпературной коррозией поверхностей труб, и выявление факторов, влияющих на развитие процесса;
разработка подхода к оценке фактического состояния пароперегревательных труб для выявления причин их повреждений;
совершенствование методов определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе структурных изменений, вызванных старением и ползучестью.
Объектами исследования являлись котельные трубы из стали 12Х1МФ после эксплуатации в различных условиях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронно-микроскопический методы анализа. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных и натурных образцах в лабораторных и эксплуатационных условиях соответственно. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
оценка влияния механизма разрушения на характер изменения тонкой структуры и микронапряжений при удалении от зоны разрушения пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ;
установленный механизм взаимодействия металла с атмосферой топочных газов, основанный на диффузионных уравнениях, описывающих многокомпонентный процесс образования окалины;
классификация повреждений пароперегревателей из стали 12Х1МФ во взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими особенностями разрушения, основанная на оценке характера и геометрических характеристик разрушенных труб, их структуры и микроповреждаемости, а также изменения твердости.
Практическая значимость:
усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, отличающийся применением количественной металлографии и проведением дюрометрических испытаний металла труб, позволивший повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса;
предложен алгоритм выявления причин разрушений пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях повреждений, позволивший выработать рекомендации по предупреждению возникновения аналогичных отказов.
Результаты исследований, представленные в работе, использованы:
для оценки остаточного ресурса и выявления причин повреждений поверхностей нагрева из стали 12Х1МФ энергетических котлов специалистами ОАО «Инженерный центр» (г. Оренбург);
в учебном процессе Орского гуманитарно-технологического института (ОГТИ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 13 статей, 3 из которых - в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России.
в изданиях Перечня ВАК РФ:
Приймак, Е.Ю. Влияние температуры среды на кинетику газовой коррозии стали ЗОХГСА / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Коррозия: материалы, защита. - 2008. - №5. - С. 12-14.
Приймак, Е.Ю. Кинетика газовой коррозии высоколегированной аустенитной стали 12Х18Н10Т / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Т.П. Грызунова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - №9. - С. 21-24.
Приймак, Е.Ю. Кинетика формирования и роста фаз в оксидном слое
стали 30X13 при высоких температурах / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов //
Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - №9. - С. 22-25.
в прочих изданиях:
Приймак, Е.Ю. Исследование кинетики и температурной зависимости скорости окисления нержавеющей стали в атмосфере воздуха : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей, аспирантов и студентов / Е.Ю. Приймак, И.В.Щур, СВ. Чхаидзе. - Орск: ОГТИ, 2008. -С. 352-357.
Приймак, Е.Ю. Влияние агрессивных сред на поведение металлов при высоких температурах : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 464-472.
Приймак, Е.Ю. Фрактальный анализ адаптации структуры и поверхностных окислов к высокотемпературному нагреву : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова, Н.Ю. Трякина. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 484-489.
Приймак, Е.Ю. Особенности строения реакционной зоны при высокотемпературном окислении стали 12Х18Н10Т : материалы XVII международной научной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Самара: СамГТУ, 2009. -С. 32-35.
Приймак, Е.Ю. Исследование процесса окалинообразования высокохромистой стали 30X13 в воздушной атмосфере : сборник трудов XVLII международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С.107-110.
Приймак, Е.Ю. Кинетические условия образования и роста оксидного слоя при высокотемпературном окислении сталей : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Орск: ОГТИ, 2009. - Ч. 3 - С. 82-85.
Приймак, Е.Ю. Структурно-механические особенности разрушения высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. -С. 100-103.
Приймак, Е.Ю. Особенности поведения металла экранных труб парогенераторов на стадии предразрушения : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В.Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. - С. 120-125.
Приймак, Е.Ю. Анализ основных причин разрушений высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования :
материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З. - Т.2. - С. 136-139.
Приймак, Е.Ю. Анализ изменения структурно-механического состояния металла труб пароперегревателей из стали 12Х1МФ в процессе длительной эксплуатации и на стадии предразрушения : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, О.А. Якунина. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З. - Т.2. - С. 139-143.
Приймак, Е.Ю. Определение эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе количественной металлографии и измерения твердости : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 471-476.
Приймак, Е.Ю. Комплексный анализ поверхности разрушения котельных труб из стали 12Х1МФ, поврежденных по различным
эксплуатационным причинам : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, Н.Ю. Трякина. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 476-480.