Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

«неудовлетворительно». Участок с дефектом отмечают на формуляре и в

заключении.

В последнее время в связи с ростом неравномерности графика

электрической нагрузки на многих электростанциях значительно

увеличилось число пусков котлов как из холодного, так и из

горячего состояний. Характерным является останов котлов на

время от 6—8 ч до

18—24

ч.. При таком останове котел кон-

сервируют, для чего плотно закрывают арматуру на парот

водяном тракте при давлении, близком к номинальному. Одно-

временно уплотняют газовоздушный тракт для снижения тепло-

вых потерь в окружающую среду.

В результате через 6—8 ч после такого останова в змееви-

ках всех пароперегревателей начинается конденсация пара из-за

снижения температуры при остывании котла. Процесс конденса-

ции сопровождается периодическими выбросами конденсата из

змеевиков в неостывшие еще выходные коллекторы и трубопро-

воды. Особенно резкие и частые колебания температуры (на

50—100° С) наблюдаются на внутренней поверхности коллекто-

ров,

к которым присоединяются вертикальные змеевики. Если

змеевики горизонтальные, а выходные коллекторы размещены

под пакетом, то конденсат стекает из них на нижнюю часть

этих коллекторов и оттуда в присоединенный к его торцу паро-

провод. В местах, омываемых конденсатом, возникают большие

термические напряжения, которые могут вызвать появление тре-

щин термической усталости.

Образование конденсата наблюдается как в первичных, так и

в промежуточных пароперегревателях (если последние перед

остановом не обеспаривают). Особенно глубокое местное охлаж-

дение толстостенных элементов пароперегревателя происходит

при неплотном отключении линий впрыска питательной воды.

Забросы холодного конденсата из дренажей и пароперегре-

вателя происходят при растопке.

В связи с этим при капитальных ремонтах на котлах, имею-

щих более 100 остановов в резерв, необходимо проводить ультра-

звуковой контроль состояния металла выходных коллекторов

первичных и промежуточных пароперегревателей, а также при-

мыкающих к коллекторам участков паропроводов длиной 5 м.

Особое внимание надо обращать на нижний полупериметр и на

зону трубных отверстий.

4.4. Эксплуатационная надежность гибов необогреваемых

труб,

транспортирующих воду, пароводяную смесь

и насыщенный или слабоперегретый пар

Гибы — наиболее уязвимые места трассы трубопровода.

Вследствие овальности и разностенности, а также торового эф-

фекта распределение окружных напряжений в сечении гиба,

нормальном к изогнутой оси трубы, несимметрично относительно

центра сечения. Торовый эффект заключается в том, что в торо-

вой оболочке (аналоге гиба без овальности сечения и утонения

стенки) напряжение от внутреннего давления на внешнем обводе

ниже, чем на внутреннем. Эта разница тем больше, чем круче

загнут гиб. В гибах возникают дополнительные напряжения от

изгиба и кручения трассы трубопровода или трубы поверхности

нагрева, вызванные весовыми нагрузками и напряжениями само-

компенсации. Меняются свойства металла из-за наклепа при

холодной гибке. Увеличивается вероятность дефектов наружной

и внутренней поверхности трубы в местах контакта с сектором

и дорном трубогибочного станка.

Фактические напряжения на гибах тем выше, чем меньше

радиус гиба, чем больше его овальность, утонение стенки по

растянутым при гибке волокнам и уплощение (увеличение ради-

уса кривизны в поперечном сечении по нейтральному волокну).

Искажение формы кругового сечения гиба и относительное

утонение стенки трубы в растянутой при гибке зоне тем больше,

чем меньше относительный радиус гиба и чем меньше |3 = D

/D.

Здесь D

— наружный и D — внутренний диаметры трубы.

В эксплуатации отмечались повреждения гибов водоопускных

и водоперепускных труб из сталей марок 20 и 15ГС котлов

высокого давления. Металл этой группы гибов работает при от-

носительно низких температурах, при которых еще нет ползу-

чести. В то же время гибы этих труб не проходили отпуска

после холодной гибки. В процессе эксплуатации происходит ста-

рение металла, приводящее к дополнительному снижению его

пластичности.

Основными причинами повреждения гибов водоопускных труб

были коррозионные поражения от коррозионной усталости^, от

стояночной коррозии, нарушения заданной геометрии поперечно-

го сечения (овальность, утонение, уплощение), грубые дефекты

поверхности труб и металлургические дефекты.

Разрушение водоопускных и водоперепускных труб происхо-

дит путем зарождения на внутренней поверхности трубы по

нейтральным волокнам трещин, которые развиваются в процессе

эксплуатации. Когда оставшееся сечение металла при наличии

концентрации напряжений не может выдержать нагрузки от

внутреннего давления, происходит разрушение с вырывом куска

гиба трубы значительной протяженности по нейтральным волок-

нам (если трещины по обоим нейтральным волокнам развива-

лись с примерно одинаковой скоростью) или с раскрытием по

одному из нейтральных волокон с последующим широким над-

рывом [32].

В обоих случаях значительная масса перегретой воды выбра-

сывается в помещении котельного зала, так как происходит

практически мгновенное охлаждение этой воды от температуры

насыщения

до 100° С с

выделением большого количества пере-

гретого пара.

Аварийные разрушения гибов водоподводящих труб

необо-

греваемой зоне происходили

на

котлах Старобешевской ГРЭС,

Харьковской

ТЭЦ № 13,

Уфимской

ТЭЦ № 4 и др.

Исследованиями

НПО

ЦКТИ, УралВТИ

и МО

ЦКТИ уста-

новлено,

что в

большинстве случаев разрушения носили корро-

зионно-усталостный характер.

На

внутренней поверхности труб

из углеродистой

или

низколегированной перлитной стали, эксплу-

атируемых

контакте

водой,, образуется защитный слой маг-

нетита, состоящий

из

двух подслоев: первого

—

прочного

плот-

ного,

прилегающего

металлу,

второго

—

наружного рыхлого

и пористого, состоящего

из

отдельных кристаллов. Механизм

роста этих слоев различен.

Ионы кислорода, диффундирующие

из

окружающей жидкости через слой

на

поверхности раздела металл

—

оксид, образуют прочно сцепленный

плотный слой, который имеет ориентационное кристаллографическое соответст-

вие

зернами подоксидного слоя металла. Структура кристаллов

параметры

решетки железа

магнетита благоприятны

для

направленного роста слоя окси-

дов.

Между кристаллическими решетками магнетита

феррита стали существует

ориентационное соответствие, называемое когерентностью решеток; кристалли-

ческая решетка магнетита плавно переходит

решетку металла.

утолщением

слоя магнетита

при

дальнейшем окислении ориентационное соответствие ослаб-

ляется.

Приблизительно половина образующегося магнетита прилегает

поверхно-

сти металла. Внутренний слой, хотя

относительно плотный, имеет поры,

со-

ставляющие около

10%

объема. Поэтому

его

плотность составляет

4,4—4,7

г/см

по сравнению

теоретической плотностью Рез04, равной

5,1

г/см

Из

одного

объема металла получается

2,1

объема магнетита.

Так как в

первом прилегаю-

щем

металлу слое находится лишь половина окисленного железа,

то в

этом

слое магнетита напряжения почти

не

возникают.

Второй, более рыхлый слой магнетита образуется преимущественно из-за

диффузии ионов железа

воду. Диффузионные потоки ионов железа

воду

кислорода

металлу

из

воды через слой оксидов почти равновелики. Ионы

же-

леза, проникающие

воду, после реакции

ионами кислорода оседают

на

стен-

ки трубы

виде кристаллов рыхлого слоя магнетита. Возможно,

что

часть этих

кристаллов уносится потоком воды

или

пароводяной смеси.

Определенный вклад

формирование второго слоя могут вносить насосные

оксиды железа.

Коррозионный процесс

котловой воде

при

постоянной температуре под-

вержен самоторможению,

так как

регулируется диффузией через

все

увели-

чивающийся

по

толщине слой магнетита

протекает, подчиняясь параболи-

ческому закону.

Водоопускные

водоперепускные трубы

на

котлах высокого

давления изготавливаются

из

углеродистой стали

20 и

низколе-

гированной перлитной стали

15ГС.

Водоперепускные трубы

кот-

лов сверхкритического давления могут быть изготовлены из Ста-

лей 20, 15ГС и 12Х1МФ.

Плотный, хорошо сцепленный с металлом слой магнетита слу-

жит определенной защитой от кислородной коррозии при остано-

вах котла с заполнением рабочего объема воздухом и при пусках

на не полностью деаэрированной воде. На внутренней поверхно-

сти труб из низколегированной стали 12Х1МФ образуется не

чистый магнетит

РезС>4,

а ферритная хромистая шпинель типа

(Fe,

Cr)

Определенную опасность представляют повреждения плот-

ного защитного магнетитового поля. Если суммарные напряже-

ния столь велики, что произойдет пластическая деформация,

при которой в защитном магнетитовом слое образуются трещи-

ны,

то в местех повреждения при наличии растворенных в воде

кислорода или диоксида углерода будет происходить интенсив-

ное коррозионное разрушение металла по механизму электрохи-

мической коррозии.

Таким образом, необходимые условия возникновения по-

вреждений гибов необогреваемых труб — высокий уровень меха-

нических напряжений и наличие кислорода в воде или другого

окислителя. Вода в котле может насыщаться воздухом в периоды

длительных плановых простоев и при аварийных остановах, вы-

званных нарушениями герметичности пароводяного тракта (раз-

рывы, свищи). Ускоренная коррозия металла имеет место и при

пусках котлов, если питание их в это время осуществляется не

полностью деаэрированной водой.

При останове котла давление в нем падает до атмосферного.

Затем из-за конденсации паров воды возникает небольшое раз-

ряжение и котел заполняется воздухом. Оставшаяся в котле

вода насыщается кислородом из воздуха.

Технологические риски, царапины и другие концентраторы

напряжений на внутренней поверхности труб способствуют раз-

витию пластической деформации и разрушению магнетитового

слоя. Разрушения магнетитового слоя могут возникать при теп-

ловых ударах, которые имеют место, например, при разрушении

труб экранов. В этом случае происходит почти мгновенное паде-

ние температуры в водяном пространстве барабана котла от

температуры насыщения до 100° С. В районе нижней радиаци-

онной части прямоточного котла сверхкритического давления

имеет место бросок температуры приблизительно от 380 до

100° С.

Важную роль в процессе накопления повреждаемости гибов

необогреваемых труб играют пуски и остановы, вызывающие из-

меняющиеся во времени напряжения (от изменения давления и

вследствие самокомпенсации).

Микроструктура трещины свидетельствует о ступенчатом раз-

витии процесса (рис.

4.12).

Конец трещины тупой. Трещина не

Рис.

4.12. Повреждения на внутренней поверхности гибов труб из стали 20 в районе

нейтрального волокна вследствие локального разрушения магнетитовой пленки:

а — макроструктура в сечении гиба водоопускной трубы котла высокого давления типа ТП-82 в районе

минимального радиуса кривизны поперечного сечения после 87 тыс ч эксплуатации; б — микроструктура

при увеличении X 100; в — разрушенная водоопускная труба 0

133X10

мм котла ТГМ-96 ТЭЦ-23

Мосэнерго

имеет четко выраженного межкристаллического строения, ха-

рактерного для коррозии под напряжением. Обычно начальная

трещина соединяет несколько коррозионных язв, располагающих-

ся по внутренней поверхности трубы вблизи нейтрального во-

локна (в местах наименьшего радиуса кривизны и наибольших

дополнительных растягивающих напряжений). Язвы служат кон-

центраторами напряжений. Местное разрушение магнетитового

слоя может происходить из-за значительных механических

или термических напряжений, ударов, воздействия агрессивных

растворов и т. п.

Слой магнетита по имеющимся данным [34] разрушается

при остаточной деформации растяжения от 0,2 до 0,8%. Содер-

жание хрома в перлитной стали не влияет на деформационную

способность магнетита. Растяжение при одних и тех же напря-

жениях быстрее приводит к разрушению магнетитового слоя,

чем сжатие. Под нагрузкой коррозионные язвы растут быстрее.

Можно предположить, что края трещин в магнетите раскрывают-

ся и доступ кислорода к металлу облегчается. Разрушения от

коррозии под напряжением наблюдаются значительно реже,

чем от коррозионной усталости. Следует также отметить, что

металл многих поврежденных гибов имел повышенное содержа-

ние неметаллических включений, в частности сульфидов. Подоб-

ные повреждения имели место также в перепускных трубах

экранов нижних радиационных частей прямоточных котлов

сверхкритического давления.

По данным УралВТИ при испытаниях гибов труб из стали

20 и 12Х1МФ на усталость с нагружением внутренним давлени-

ем водой в случае свободного доступа кислорода к внутренней

поверхности количество циклов до разрушения снижается на

порядок по сравнению с испытаниями без доступа кислорода.

Разрушения гибов при этих испытаниях происходят с внутрен-

ней стороны по нейтральным волокнам, как и разрушения водо-

опускных труб, наблюдаемые в эксплуатации.

Наклеп и напряженное состояние оказывают определенное влияние на кор-

розионную стойкость металла. Для деформированного металла более низка ра-

бота выхода, т. е. ослаблена связь электронов с ионами, в результате иону ме-

талла легче покинуть кристаллическую решетку. Наклепанный и деформиро-

ванный металл обладает повышенной неоднородностью, связанной с появле-

нием дополнительных дефектов кристаллической решетки и в ряде случаев —

новых анодных фаз.

Скорость коррозии под влиянием упругих напряжений сравнительно слабо

изменяется в нейтральных и слабо — в щелочных средах. Однако в кислых

средах коррозионное поражение увеличивается пропорционально напряжению:

К — Ко-\-ао, где Ко — скорость коррозии без наличия упругих растягивающих

напряжений; а — коэффициент пропорциональности; о — максимальное нормаль-

ное растягивающее напряжение [40].

При наличии концентраторов напряжений электродный потенциал смещает-

ся в отрицательную сторону, что приводит к усилению процесса анодного

растворения металла. Опасность влияния напряженного состояния заключается

не в увеличении общей коррозии, а в превращении ее из равномерной в локаль-

ную.

Часто развитию хрупкого" разрушения способствует склон-

ность металла гнутой трубы

старению.

Так, на

гибах труб

245X20 мм,

выполненных

из

стали

15ГС и

имевших трещины

по нейтральному волокну, ударная вязкость после

60 тыс. ч

эксплуатации

нижней радиационной части котла блока

300 МВт (/ =

380°

С, р = 28 МПа)

снизилась

месте растянутых

при гибке волокон

до 2—1,2

Дж/см

. Относительное удлинение

составляло всего

8—12%.

Для того чтобы избежать охрупчивания металла гибов,

их

целесообразно подвергать высокому отпуску после холодной

гибки.

Кислотные промывки также могут способствовать развитию

трещин

нейтральных волокон гибов

по их

внутренней поверх-

ности.

Для

ослабления вредного влияния промывки следует про-

изводить ингибированным раствором кислоты.

Металл многих поврежденных гибов имел повышенное

со-

держание неметаллических включений,

частности сульфи-

дов.

Наряду

повреждениями гибов необогреваемых труб, разви-

вающихся

внутренней поверхности, отмечались наружные

по-

перечные трещины

на

наружной поверхности. Такие поврежде-

ния встречаются значительно реже коррозионно-усталостных

коррозионных. Обычно металл гнутой части этих гибов имеет

твердость выше

165—170 НВ

из-за наклепа

при

холодной гибке.

Металл характеризуется низкой ударной вязкостью.

Развитие трещин

подповерхностных слоях облегчается

тем,

что дополнительные изгибные напряжения из-за неправильной

формы поперечного сечения возрастают

при

приближении

поверхности. Образовавшаяся микротрещина легче развивается

в сторону ближайшей наружной свободной. поверхности гиба,

так

как в

этом направлении возрастает уровень напряжений,

поверхностных слоях облегчено сдвигообразование.

Спецификой замедленного разрушения

элементах котлов

является также большая продолжительность эксплуатации

и по-

вышенные температуры, способствующие развитию диффузион-

ных процессов

стали.

В результате анализа причин

механизма развития повреж-

дений гибов водоопускных

водоперепускных труб можно реко-

мендовать

для

повышения

их

эксплуатационной надежности сле-

дующие мероприятия:

Улучшение консервации

во

время остановов.

2. Проведение кислотных промывок хорошо ингибированным

раствором.

Проведение пуска котлов

на

деаэрированной воде

гид-

равлических опрессовок химически очищенной

деаэрированной

водой

рН^8,5.

4. Обеспечение свободных расширений трубопроводов, экра-

нов и системы водоперепускных труб для снижения дополнитель-

ных компенсационных напряжений.

5. Совершенствование технологии гибки для снижения откло-

нения формы поперечного сечения от круговой и уменьшения

утонения в зоне растянутых при гибке волокон.

6. Применение гибов с большим относительным радиусом

кривизны, имеющих меньшие отклонения формы поперечного

сечения от круговой и меньшую степень деформации металла.

7. Применение отпуска для устранения наклепа, возникающе-

го при холодной гибке, и для снятия остаточных напряжений.

8. Увеличение толщин стенок на

1,0—2,0

мм при замене гибов

в случае замены из-за наличия коррозионно-механических пора-

жений или технологических дефектов.

9. Улучшение условий хранения гибов перед монтажом котла

или ремонтных комплектов гибов с целью предотвращения раз-

вития атмосферной коррозии их внутренней поверхности.

10. Проведение в процессе эксплуатации ультразвукового

контроля на наличие коррозионно-усталостных трещин и метал-

лургических дефектов.

На электростанциях Минэнерго СССР введены внешний

осмотр, ультразвуковая дефектоскопия с замером фактической

толщины стенки и измерение овальности гибов всех необогревае-

мых труб котлов высокого давления и их паропроводов с наруж-

ным диаметром 76 мм и более, независимо от угла гиба.

Объемы, методы и сроки контроля и замены гибов необогре-

ваемых труб котлов с рабочим давлением 10 и 14 МПа, эксплу-

атируемых при температуре воды и пара до 450° С, определяются

Положением П-34-70-005-85 [109].

Контролю подвергают все гибы независимо от относительного

радиуса и угла загиба с наружным диаметром 57 мм и более. По-

ложение не распространяется на гибы труб поверхностей нагрева,

включая их необогреваемые участки.

До настоящего времени нет аналогичных массовых поврежде-

ний на гибах котлов СКД. Это связано с меньшей длительностью

эксплуатации, лучшим водным режимом, меньшей относительной

овальностью и большей относительной толщиной стенки. В связи

с ростом продолжительности эксплуатации вполне вероятно

появление таких же повреждений и на котлах СКД.

Положение П-34-70-005-85 предусматривает разный порядок

контроля гибов труб с наружным диаметром от 57 до 76 мм и

гибов труб с наружным диаметром 76 мм и выше.

Гибы труб до 76 мм подлежат контролю после наработки

70 тыс. ч. От трубы каждого функционального назначения кон-

тролируют по одному вырезанному гибу путем его разрезки и

осмотра.

При обнаружении недопустимых дефектов все гибы данной

линии подлежат замене. Если дефектов не обнаружено, то сле-

дующий контроль путем вырезки другого гиба

из той же

линии

производится

следующий капитальный ремонт.

Гибы

наружным диаметром

76 мм и

более, согласно поло-

жению, подвергаются

процессе эксплуатации трем видам

контроля: первичному, периодическому

внеочередному.

Первичный контроль может быть полным

выборочным. Пол-

ный первичный контроль проводится тогда, когда фактическое

количество пусков достигнет

80% от

допускаемого

для

наименее

надежного типоразмера гибов,

нр не

позднее достижения

100%.

Выборочный контроль определяется временем наработки. Нара-

ботка

до

начала контроля гибов зависит

от

количества пусков

котла

продолжительности эксплуатации

часах. Каждый

из

этих факторов рассматривается отдельно. Первичный контроль

необходим: если количество

Пусков

превысит

N\ *;

если

до

этого

момента наработка

часах

от

начала эксплуатации составит

150 тыс.

ч (для

котлов

долей производственного конденсата

питательной воде

не

более

5%);

если доля производственного

конденсата

5% и

более, первичный контроль следует провести

через

100

тыс.

ч.

Количество пусков

до

первичного полного контроля следует

рассчитывать

по

формуле

Л/

=4.10

(д5а1)-

(4.1)

В этой формуле

Sai —

амплитуда окружных напряжений

в гибе, МПа;

п —

коэффициент запаса. Этот коэффициент

за-

висит

от

качества питательной воды.

На

барабанных котлах

коэффициент запаса принимается равным

3,47; для

прямоточных

котлов,

где

питательная вода лучше, этот коэффициент прини-

мают равным

2,73. Для

котлов,

питательную воду которых

могут попадать химические соединения, усиливающие коррозию

металла под напряжением, расчетный ресурс

пусках

до

первич-

ного полного контроля снижается

на 30%.

Амплитуда окружных напряжений

гибе определяется

как

_ р / р+1 fi | l,23ft

-2,7l3 + 0,37] л

гдер=

[2,,9

§-,)-'

0,0П45(2

-1)

(-;]-.

В этих формулах

р —

расчетное давление

трубе,

МПа;

—

номинальный наружный диаметр

толщина стенки,

мм;

R —

радиус гиба

по

чертежу,

мм.

* yVi

—

расчетное количество пусков

до

первого контроля, определяемое

по

формуле

(4.1),

приводимой ниже.

Допускается определение расчетного количества пусков до

полного первичного контроля по номограмме, приведенной на

рис.

4.13. На этой номограмме по оси ординат отложено отноше-

ние номинального наружного диаметра к толщине стенки. Для

определения расчетного количества пусков для барабанных котлов

по номограмме следует отложить на оси ординат величину

провести горизонталь до линии соответствующего расчетного

давления и от точки пересечения опустить вертикаль на ось

абсцисс, где указано количество пусков до полного первичного

контроля гибов барабанных котлов. Для прямоточного котла

значение ресурса, полученное по номограмме, следует умножить

на три.

Расчетный ресурс не должен превышать фактического коли-

чества пусков. Эксплуатация сверх расчетного ресурса допуска-

ется только после проведения первичного контроля.