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

Подождите немного. Документ загружается.

ляет порядок, организацию и режимы проведения восстанови-

тельной термической обработки и распространяется на трубы

паропроводов из сталей 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф

с расчетной температурой пара 450° С и выше, которые не могут

быть допущены к эксплуатации после расчетного срока службы.

Восстановительная термическая обработка при этом рассматри-

вается как ремонтная операция.

4.14. Анализ причин повреждений котлов и трубопроводов

и некоторые типичные дефекты

Анализ повреждений проводится для установления причин

их возникновения, выработки предложений по объему и техно-

логии ремонта, а также для разработки рекомендаций по пред-

упреждению возникновения аналогичных повреждений в про-

цессе дальнейшей эксплуатации. Возможны случаи, когда в ре-

зультате исследований будет сделан вывод о нецелесообразности

ремонта объекта и о необходимости замены его новым или ко-

ренной реконструкции.

Повреждения, обнаруживаемые при внешнем и внутреннем

осмотрах и периодическом контроле металла и сварных соеди-

нений, могут являться следствием ряда причин, основными из

которых являются:

дефекты металлургического производства в трубах, листе,

отливках или поковках;

технологические дефекты, возникшие при производстве обо-

рудования на заводе-изготовителе или при монтаже (дефекты

сварки, трещины, надиры и надрывы в штампованных деталях;

пористость, трещиноватость, усадочные раковины и другие дефек-

ты в литых деталях; отклонение от заданных геометрических

размеров сверх допусков в элементах оборудования и сварных

швах и др.);

отклонения от условий эксплуатации, предусмотренных про-

ектом (превышение температуры, давления, периодическое по-

падание холодной среды на горячую поверхность металла, чрез-

мерно высокие скорости среды и др.);

наличие неучтенных при проектировании особенностей экс-

плуатации и неудачных конструкторских решений;

некачественный ремонт элементов котлов, сосудов и трубо-

проводов.

Исследования повреждения целесообразно начинать с осмот-

ра детали на месте, до ее вырезки или ремонта. Если позво-

ляют условия, то следует место повреждения (дефект) сфото-

графировать. Необходимо четко зафиксировать место располо-

жения дефекта и его ориентацию (для поверхности нагрева —

по высоте, расстоянию от стенки; лобовая или тыльная обра-

зующая и др.).

зоо

Большую помощь в определении причины разрушения может

оказать сравнение внешнего вида излома с исследованными

ранее случаями, в частности с описанными в технической лите-

ратуре. Важен систематический обзор дефектов металлургиче-

ского производства в слитках, толстом листе, прутковой стали,

штамповках и трубах.

Примером может служить атлас дефектов [41]. Атлас содер-

жит большое количество иллюстраций, а также анализ причин

возникновения дефектов и рекомендации по их предупреждению.

Анализу вида изломов в связи с причинами разрушения посвя-

щена книга Фридмана и др. [123] (к сожалению, в ней не

учитывается возможное коррозионное и эрозионное воздействие

внешней среды). Анализ повреждений сосудов и трубопроводов

в промышленности США приводится в [74].

Влияние качества металлургических полуфабрикатов, выпол-

нения технологических операций и условий эксплуатации на на-

дежность элементов котлов и трубопроводов на основе отечест-

венного опыта отражено в [8, 32, 37].

При разрушении трубы или листа из-за дефектов металлур-

гического производства, а также при разрушении сварных сое-

динений из-за больших технологических трещин, непроваров,

подрезов или шлаковых включений причину повреждений уста-

новить легко. Свищи и разрывы образуются непосредственно по

дефектам. Поверхности несплошности в месте заката, трещины

металлургического производства или горячей трещины в свар-

ном шве покрыты окалиной. От них начинаются свежие изломы.

Деформация в месте разрушения минимальная, так как сечение

сильно ослаблено дефектом, который также играет роль концен-

тратора напряжений. Часто в металле, прилегающем к месту

разрыва, наблюдается скопление неметаллических включений.

Обследование повреждения желательно проводить сразу

после обнаружения дефекта, так как со временем возможно окис-

ление изломов или механическое удаление оксидов (например,

валиков оксидов, выступающих из трещин).

Если излом окислился, то его можно «освежить» специаль-

ным травлением, в результате которого четко обозначаются бо-

лее темная окисленная зона замедленного разрушения и более

светлая зона дорыва. Методики осветления изломов изложены

в [62].

Определенную помощь в установлении причин повреждений

приносит измерение геометрических размеров трубы или листа.

При превышении давления или кратковременном значительном

перегреве сверх допустимых по расчету происходит большая

пластическая деформация.

При разрушении трубы от кратковременного перегрева около

места разрыва сильно увеличивается диаметр и утоняется стенка.

Кромки бывают скошены под углом 45°, так как металл пла-

стичен, и разрушение наступает за счет среза по плоскости

максимальных касательных напряжений. Трещина всегда про-

дольная, так как тангенциальные напряжения от внутреннего

давления в 2 раза превышают осевые. Труба обычно имеет

большое раскрытие. Силой реакции струи, вытекающей из места

разрыва, труба может оказаться сильно погнутой. Внутренняя

поверхность чистая, так как струя смывает отложения.

При длительном перегреве по сравнению с расчетной темпе-

ратурой разрушение сопровождается незначительным увели-

чением диаметра в месте разрыва и небольшим утонением кро-

мок, а на лобовой образующей наружной поверхности появля-

ется сетка продольных трещин.

Типичные причины перегрева: забитие труб — полное или

частичное — шаром для прогонки поверхности нагрева после

сварки; забитие сварочным гратом; забитие случайными пред-

метами, попавшими в пароводяной тракт котла при монтаже

или ремонте; нарушение гидродинамики и, как следствие, пони-

женный расход через отдельные змеевики; отложение на внут-

ренней поверхности солей или оксидов; нарушение аэродина-

мики или сильный перекос температур по газовому тракту.

Разрушения труб в эксплуатации могут происходить также

и при замерзании в них воды. Это случается при ремонтах

и монтаже в зимних условиях. Чаще повреждения труб от раз-

мораживания наблюдаются на трубах экономайзеров, в цедре-

нируемых трубах пароперегревателей.

При повреждении деталей от размораживания периметр их

увеличивается мало, разрыв, как правило, хрупкий, располага-

ется вдоль трубы. Структурных изменений не наблюдается.

При многоцикловом нагружении, коррозионном или корро-

зионно-механическом разрушении макроскопическая деформация

практически отсутствует; Коррозия вызывает местное уменьше-

ние толщины стенки с образованием на поверхности продуктов

коррозии. Эрозия также вызывает утонение стенки, но при этом

продукты износа уносятся потоком разрушающей среды. Изме-

ренные толщины стенок и диаметры следует наносить на схему

поврежденного участка; сравнивать их необходимо с требовани-

ями технических условий на поставку трубы, листа и пр.

Одновременно с осмотром рекомендуется ознакомиться с

чертежами (нет ли отступлений), сертификатными данными на

материалы, записями в шнуровых книгах и паспортах. Необхо-

димо также опросить эксплуатационный и ремонтный персонал

об особенностях эксплуатации и ремонта поврежденных эле-

ментов.

При массовых повреждениях однотипных элементов их по-

лезно наносить на чертеж изделия. Например, при многократ-

ных повреждениях труб в одной и той же поверхности нагрева

мощного парового котла наглядная картина, помогающая ана-

лизу, получается при нанесении мест разрыва на формуляр

(схематический чертеж) поверхности нагрева [37].

При необходимости получения экспресс-заключения образцы

металла отбирают сразу для механических испытаний и хими-

ческого анализа. Если из изделия вырезан кусок металла с по-

вреждением, то эта задача относительно легкая. Следует только

предусмотреть, чтобы на изготовление образцов для механи-

ческих испытаний и образцов для спектрального анализа или

стружки для химического анализа не использовать металл, ко-

торый может дать, ценную информацию при металлографиче-

ском исследовании.

Иногда поврежденный участок металла не вырезают. Его

выбирают и подваривают. Но при этом требуется исследовать

механические свойства металла,, химический состав и микро-

структуру. Аналогичная ситуация иногда возникает при,обследо-

вании барабанов долго работавших котлов. В этом случае из

обечайки сосуда или барабана вдали от сварных швов, полей

отверстий под трубы или других концентраторов напряжений

вырезают механическим способом диск диаметром около 100 мм

так, чтобы затем на его место можно было бы установить заглу-

шённый штуцер с внутренним диаметром менее 100 мм. В этом

случае согласно Правилам по котлам [1] рентгенографический

или ультразвуковой контроль сплошности шва не требуется.

Диск обычно высверливают по контуру или вырезают специальной

корончатой фрезой. Из него изготавливают образцы.

При необходимости исследования только химического со-

става стружку набирают путем засверловки или фрезерования.

Если при этом толщина стенки меньше предельной толщины,

требуемой по условию прочности, или возникает опасная, кон-

центрация напряжений, то производят подварку места выборки

электродуговой сваркой. Усиление подварки целесообразно суять

механической обработкой заподлицо с основным металлом.

Контроль микроструктуры можно выполнить прямо на изде-

лии, применяя переносной, микроскоп или используя метод реп-

лик.

Если металл работает при температуре не выше 250° С, то

можно ограничиться исследованиями механических свойств при

комнатной температуре. Если температура эксплуатации металла

выше 250° С или если повреждение произошло при минусовой

температуре, то необходимо проверить механические свойства

металла при этих температурах.

Как правило, механические испытания включают определение

твердости металла, испытания на растяжение с определением

временного сопротивления, предела текучести (физического, или

условного), относительного удлинения и

поперечного сужения,

а также испытания на ударную вязкость (обычно на образцах

с круглым надрезом радиусом 1 мм).

Результаты испытаний сравнивают с требованиями техниче-

ских условий, по которым поставлен металл. При этом не сле-

дует забывать, что длительная эксплуатация при высоких тем-

пературах вызывает как бы доотпуск металла, т. е. возможны

некоторое снижение прочностных показателей и повышение

пластических. Косвенным показателем снижения работоспособ-

ности при высокой температуре служит уменьшение отношения

временного сопротивления при рабочей температуре к времен-

ному сопротивлению при комнатной. Это соотношение тем ниже,

чем выше рабочая температура металла. Снижению отношения

временных сопротивлений при рабочей и комнатной темпера-

турах обычно соответствует уменьшение предела длительной

прочности.

Критические величины соотношений временных сопротивле-

ний для сталей 12МХ и 15ХМ при температурах 500—510° С

составляют 0,60, для стали 12Х1МФ при 560—570° С — 0,48,

для этой же стали при 540,—545° С — 0,55, при 500—510° С —

0,58. Если получена меньшая величина, то есть основание счи-

тать,

что жаропрочность ниже расчетной.

Исследования химического состава металла проводят ана-

литическим или спектральным методом. Для определения со-

держания углерода, серы и фосфора чаще применяется химиче-

ский анализ, а содержание марганца, кремния и легирующих

элементов определяют спектральным методом.

Результаты химического анализа также сравнивают с требо-

ваниями технических условий на поставку металла. При этом

не следует забывать о том, что в изделии отклонения по хими-

ческому составу могут быть больше, чем допускается по ков-

шовой пробе.

Металлографическое исследование поврежденного металла

должно охватить зоны, примыкающие к месту разрушения и

удаленные от него. Начинать исследование следует с просмотра

шлифов при малых увеличениях (ХЮ0), когда охватывается

сразу относительно большое поле зрения, и затем переходить

к большим увеличениям (Х500). Если необходимо уточнить

строение границ зерен, получить информацию о деталях струк-

туры, то применяют большие увеличения (практически до

Х1000—1200) или электронную микроскопию (используют ме-

тод реплик или растровый электронный микроскоп). В частно-

сти,

большие увеличения позволяют ответить на вопрос, имеет-

ся ли пористость по границам зерен и какова величина пор.

Этот вопрос возникает при исследованиях металла элементов,

долго работавших в условиях ползучести, с целью оценки даль-

нейшей их работоспособности или возможности восстанови-

тельной термической обработки.

Длительная эксплуатация металла при высокой температуре

или кратковременный большой перегрев сверх расчетной тем-

пературы вызывает изменения в структуре металла. Влияние

длительной эксплуатации на структуру рассмотрено в § 4.1.

При кратковременном перегреве углеродистой стали до тем-

пературы, близкой к Ас\, т. е. до 650—715° С, наблюдается

интенсивная сфероидизация перлита. При нагреве несколько

выше 727° С по границам ферритных зерен появляются заро-

дыши аустенитных зерен. В процессе дальнейшего охлаждения

они превращаются в перлит. Перегрев значительно выше Ас\

вызывает интенсивный рост зерна; границы спрямляются. При

медленном охлаждении получается ферритно-перлитная струк-

тура.

Если перегрев так высок, что превышена температура начала

превращения перлита в аустенит (727° С для углеродистой ста-

ли),

то в микроструктуре металла разрушенных труб из углеро-

дистой и низколегированных перлитных сталей около места раз-

рушения можно наблюдать участки образования мартенсита.

Это происходит потому, что аустенит при резком охлаждении

струей воды или пара, вырывающейся с большой скоростью

из разрыва, закаливается на мартенсит. В этом случае твер-

дость металла около места разрыва существенно выше, чем на

тыльной стороне трубы в том же сечении.

При исследовании микроструктуры около места разрушения

часто можно зафиксировать растрескивание металла по гра-

ницам зерен. В микроструктуре труб из аустенитной стали

12Х18Н12Т при длительном перегреве до температуры сущест-

венно выше расчетной имеет место выпадение а-фазы. На мик-

рошлифах а-фаза протравливается более сильно и выглядит бо-

лее темной, она располагается по границам зерен.

Определенную дополнительную информацию об уровне темпе-

ратуры в эксплуатации и продолжительности перегрева труб

можно получить по толщине и строению оксидных пленок. Трубы

и лист после изготовления на металлургическом заводе прохо-

дят травление для удаления окалины. Поэтому остаточная- тех-

нологическая окалина тонкая и при анализе повреждений ею

можно пренебречь.

Толщина оксидной пленки, образующейся из-за окисления

в газовой среде, зависит от времени и температуры эксплуата-

ции. В первом приближении закономерность утонения стенки

трубы из-за коррозии описывается следующим уравнением:

As=Ae-

Q/RT

где А — константа, зависящая от стали и от состава продуктов

сгорания; е — основание натурального логарифма; Q — энергия

активации процесса коррозии (константа зависит также от

состава стали и состава продуктов сгорания); R—универсаль-

ная газовая постоянная; Т — абсолютная температура поверх-

ности металла; п — константа; т — время окисления.

Зависимости утонений стенки

от

времени

температуры,в

парах воды, воздухе

продуктах сгорания всех энергетических

топлив приведены

в РТМ

24.030.49-75

[54]. Для

приближенного

перехода

от

утонения стенки

толщине окалины можно пользо-

ваться зависимостью

As =0,47 б, где б —

толщина окалины.

Особенности методики металлографического анализа причин

повреждений гибов необогреваемых труб

процессе эксплуата-

ции подробно изложены

[109].

Рассмотрим далее некоторые типичные дефекты котлов

трубопроводов,

которыми приходилось встречаться

на

различ-

ных этапах эксплуатации.

В эксплуатации наблюдались повреждения композитных

контактных сварных соединений труб

из

сталей 12Х1МФ

12Х18Н12Т. Выходные камеры пароперегревателей котлов сверх-

критического

высокого давления обычно изготавливаются

из

стали 12Х1МФ. Привариваемые

к ним

змеевики также изготов-

лены

из

стали 12Х1МФ. Основная

же

часть поверхности нагрева,

омываемая горячими топочными газами, изготавливается

из

нержавеющей аустенитной стали 12Х18Н12Т.

конструкциях пароперегревателей котлов

ТКЗ

применялся

узел сварки, представленный

на рис. 4.33, а. В

узле образовы-

вались трещины

трубе

из

стали 12Х1МФ

на

расстоянии

—

2 мм от

усиления контактного сварного стыка из-за высоких

изгибных тепловых ^компенсационных напряжений. Разрушения

носили хрупкий характер.

В настоящее время завод усовершенствовал конструкцию

композитного стыка

(рис. 4.33,6), что

позволило существенно

повысить

его

надежность.

Для повышения эксплуатационной надежности композитных

стыков, находящихся

эксплуатации,

ТКЗ

рекомендует ремонт-

ную наплавку ослабленной части

по

схеме, представленной

на

рис.

4.33, в.

Перед наплавкой необходимо сошлифовать усиле-

ние контактного сварного стыка

зачистить место наплавки

до

металлического блеска. Наплавку следует производить

пред-

042*11

11X1МФ

032*8

12Х18Н12Т

042*11

12X1

МФ

контактного

042*11

стыка.

Ш18Н12Т

1лроход

02,5

мм

ЬД-Ш

проходы

ЦЛ-25

мм

х4-5

032*6

12X18

Н12Т

Рис.

4.33.

Комбиниро-

ванное контактное

сварное соединение

перлитного штуцера

аустенитным змееви-

ком:

—

старая конструкция;

—

новая конструкция,

в —

рекомендуемая' схема ремо-

нтной наплавки

варительным и сопутствующим подогревом до 300—350° С.

Утоненную и конусную часть трубы из стали 12Х1МФ следует

наплавить электродами ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм в один слой,

который не должен доходить до контактного стыка. Затем про-

изводят наплавку двух слоев электродами ЦЛ-25 диаметром

3 мм, перекрывая линию контактного стыка на 6—10 мм в сто-

рону трубы из стали 12Х18Н12Т. Наплавку можно выполнять

также полностью электродами АНЖР-1 без предварительного

и сопутствующего подогрева.

Неудачная конструкция сварных соединений труб поверхно-

стей нагрева или низкое качество выполнения сварных соеди-

нений могут служить причинами отказа котлов в эксплуатации.

Поэтому котлостроительные заводы стремятся к сокращению

числа сварных соединений, улучшают технологию сварки, со-

вершенствуют контроль качества сварных соединений.

Для уменьшения количества сварных соединений вместо

немерных труб длиной 4—8 м применяются мерные трубы длиной

до 12 м. С этой же целью предложена замена камер с привар-

ными штуцерами, к которым ручной электродуговой сваркой

приваривались трубы поверхностей нагрева, на бесштуцерную

конструкцию, при которой змеевики привариваются непосред-

ственно к камерам.

Вместо контактной сварки предварительно согнутых элемен-

тов поверхностей нагрева на заводах осуществляется предвари-

тельная контактная сварка плетей с последующей гибкой. Про-

дувка внутреннего грата кислородом заменена пробивкой дор-

ном.

, Применение более совершенных стыкосварочных машин

позволило резко снизить брак типа, склейки и горячих тре-

щин.

При изготовлении пароперегревателей промперегрева из тон-

костенных труб, требующих гибки с дорном во избежание чрез-

мерной овализации, трубы сначала гнут, а затем сваривают

контактной сваркой с подачей внутрь трубы защитного газа,

состоящего из смеси азота и водорода.

Подаваемый внутрь трубы газ не оказывает влияния на вы-

соту усиления шва, образующегося при осадке в процессе кон-

тактной сварки. Высота усиления пропорциональна осадке и

толщине стенки. При таком способе сварки требуемое проход-

ное сечение можно выдержать, если толщина стенки труб.из

сталей 20 и 12Х1МФ находится в пределах

3,5—4,5

мм.

Распространенный вид повреждения поверхностей нагре-

ва — дефекты приварки змеевиков к .камерам. Эти повреждения

чаще встречаются в местах приварки змеевиков конвективных

пароперегревателей острого пара у выходных камер, где наибо-

лее высокие температуры сочетаются с высоким или сверх-

критическим давлением.

Повреждения могут быть трех типов: кольцевые трещины

на змеевиках по зоне термического влияния сварки; свищи в

металле шва; несплавления между металлом шва и металлом

камеры. Кольцевые трещины образуются из-за наличия изгиб-

ных напряжений при плохой самокомпенсации и защемлении

змеевиков. Свищи и несплавления являются дефектами изго-

товления.

Плохая самокомпенсация вызывается неудачной конструк-

цией трубной системы пароперегревателя. Чрезмерно большие

напряжения приводят к разрушению по кольцевому сечению

около усиления сварного шва по механизмам ползучести и тер-

мической усталости.

Определенную роль могут играть защемления труб в местах

прохода через тепловую изоляцию. Разверки температур по

отдельным змеевикам усугубляют картину напряженного состоя-

ния. Отрицательно влияют частые пуски и остановы, вызы-

вающие изменяющиеся во времени напряжения. Компенса-

ционные напряжения от пароперепускных труб и паропроводов

могут вызывать кручения выходных коллекторов. Целесообразно

проводить совместный расчет на самокомпенсацию трубной

системы поверхности нагрева пароперегревателя вместе с кол-

лекторами, пароперепускными трубами и прилегающими участ-

ками паропроводов.

Количество случаев отказа оборудования из-за наличия

дефектов всех трех типов резко сокращается, если применить

усиленный штуцер или патрубок.

В эксплуатации могут наблюдаться повреждения из-за техно-

логических дефектов изготовления поверхностей нагрева. Напри-

мер,

если после приварки сухарей из листовой стали 12МХ,

дистанционирующих трубы ширмового пароперегревателя из

трубы

032X6

мм (сталь 12Х11В2МФ), не провести отпуск,

то в эксплуатации могут образоваться трещины. В месте при-

варки дистанционирующего сухаря действуют высокие остаточ-

ные напряжения от сварки, а металл из-за подкладки обладает

пониженной деформационной способностью.

На ряде электростанций отмечалась высокая удельная по-

вреждаемость сварных соединений экономайзеров, выполненных

ручной электродуговой сваркой. В большинстве случаев повреж-

дения представляют собой игольчатые свищи в наплавленном

металле или околошовной зоне. Материал труб — сталь 20. По-

вреждения появляются в начальный период эксплуатации и наб-

людаются как в стыковых сварных соединениях труб, так и в угло-

вых сварных соединениях в местах приварки змеевиков к камерам.

Игольчатые свищи образуются из-за интенсивного перегрева при

сварке, вызывающего образование цепочек точечных включе-

ний по границам зерен. Наличие технологических дефектов, вы-

зывающих концентрацию напряжений: непроваров, смещений

кромок, прожогов, газовых пор — интенсифицирует процесс об-

разования свища.

В эксплуатации приходится встречаться с повреждениями

трубопроводов из-за следующих причин:

дефекты производства труб металлургического происхожде-

ния — плены, закаты, трещины и др.;

чрезмерные термические компенсационные напряжения,

вызывающие образование трещин;

тепловая усталость;

коррозионно-эрозионный износ трубопроводов питательной

воды;

повреждение гибов из-за чрезмерной овальности и низкой

деформационной способности металла;

непровары и шлаковые включения в сварных соединениях

и трещины в них, развивающиеся в процессе эксплуатации;

образование трещин в околошовной зоне под действием

остаточных напряжений и влияния термического цикла сварки;

трещины в сварных тройниковых соединениях;

повреждения штуцеров дренажных линий;

превышение расчетного рабочего давления;

графитизация цементита с образованием чешуек или цепочек

графита.

Дефекты металлургического производства труб для трубопро-

водов, включая дефекты термической обработки, практически

те же, что и труб поверхностей нагрева. Ряд типичных дефек-

тов паропроводов был рассмотрен ранее. Чрезмерные компенса-

ционные напряжения могут

(

служить причиной образования

трещин в трубах.

Сварные узлы котлов й трубопроводов из углеродистой

стали или низколегированных сталей 15ГС, 16ГС и 16ГНМА

эксплуатируются в интервале повышенных температур, при ко-

торых не протекает процесс ползучести. Такие узлы могут по-

вреждаться по механизмам хрупкого, усталостного или корро-

зионного повреждения. Эти разрушения часто связаны с дефек-

тами изготовления сварных соединений.

Сварные соединения из легированных хромомолибдено-

ванадиевых сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф обычно работают при

температурах, при которых интенсивно развивается ползучесть.

На таких сварных соединениях наблюдаются межзеренные тре-

щины по околошовной зоне, где происходит подкалка металла

при сварке. Трещины связаны со снижением пластичности ме-

талла в локальной околошовной зоне из-за дисперсионного

твердения — выпадения очень мелких карбонитридов из пересы-

щенного твердого раствора в железе. Дисперсионное твердение

может происходить как в процессе отпуска, так и при длитель-

ной высокотемпературной эксплуатации. Такие трещины начина-

ются от конструкционных и технологических концентраторов