Исследование микроповрежденности металла труб высокотемпературных паропроводов из Cr-Mo-V сталей тепловых электростанций при длительной эксплуатации

На рис. 1 показана шкала Б. Нойбауэра [1], используемая в качестве основы для ряда других классификаций, применяемых на электростанциях Германии.

Рис. 1. Схематическое изображение шкалы повреждаемости Б. Нойбауэра

Из рис. 1 видно, что на стадии установившейся скорости ползучести в металле отсутствуют или имеются единичные поры. При изменении скорости деформирования, с увеличением ее, происходит образование цепочек пор, развивающихся в дальнейшем в микро-, а на стадии предразруше-ния – в макротрещины.

Развитие микроповрежденности на различных стадиях классической кривой деформации ползучести [2] представлено на рис. 2.

Описание указанной шкалы дано в табл. 1.

Время, ч

Рис. 2. Характер накопления повреждённости по мере исчерпания ресурса эксплуатации

Таблица 1

Шкала микроповрежденности сталей перлитного класса

№ балла	Характер поврежденности
1	Поры отсутствуют
2	Единичные поры
3	Множество пор без определенной ориентации
4	Множество пор, ориентированных по границам зерен
5	Цепочки пор по границам зерен
6	Слившиеся цепочки, микротрещины, не выявляемые при УЗК
7	Макротрещины, выявляемые при УЗК

Основываясь на результатах исследований связи долговечности металла с уровнем микропо-врежденности, был выбран новый подход к проблеме прогнозирования ресурса длительно работающего оборудования для тепловой энергетики, а в типовую инструкцию [3] в качестве обязательного введен контроль методом реплик.

В связи с тем, что на работоспособность металла труб и других деталей и развитие в них повреждаемости оказывают влияние многочисленные факторы (температура, напряженное состояние, срок службы, геометрия – толщина стенки, овальность, искажение формы сечения при гнутье, структура и свойства материала и пр.), большую актуальность и важное практическое значение приобретает накопление опыта исследования состояния металла в реальных условиях эксплуатации.

В настоящей статье приводятся результаты исследования микроповрежденности металла более 1000 гибов и прямых труб, выполненного непосредственно на паропроводах электростанций неразрушающим методом контроля с использованием пластиковых реплик, и более 20 гибов, вырезанных из паропроводов при замене, – в лабораторных условиях.

Исследование проводилось в основном на ги-бах труб главных паропроводов блоков 800 МВт

(параметры пара 545 °С, 25 МПа) из стали 15Х1М1Ф типоразмера 0 465 x 75 мм и блоков 200 МВт (параметры пара 545 °С, 14 МПа) из стали 12Х1МФ типоразмерами 0 325 x 3 8 мм и 0 219 x 25 мм.

Анализ полученных данных показал, что установить прямую зависимость микроповрежденности от какого-либо отдельного фактора не представилось возможным из-за отсутствия в большинстве случаев в полном объеме данных по состоянию металла гибов и условиям их эксплуатации.

Так, на гибах блоков 800 МВт с нормативным (парковым) ресурсом 110 тыс. ч, при близких значениях наработки (118–128 тыс. ч) обнаружена поврежденность в виде единичных (рис. 3, а), множественных пор (рис. 3, б) или цепочек (рис. 3, в).

Следует сказать, что цепочки пор (повреж-денность 5 балла) на рис. 3, в были выявлены на переходе от прямого участка к гнутому, на вершине этого же гиба поврежденность не превышала 3 балла (рис. 3, г). Последнее свидетельствует о влиянии искажения формы сечения гиба на развитие в нем микроповрежденности и необходимости ее контроля во всех указанных точках.

После 124 тыс. ч на таких же гибах с толщиной стенки в растянутой зоне 68,5 мм зафиксирована поврежденность 2 балла, а с толщиной 72 мм – 4 балла.

Металловедение и термическая обработка

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Микроструктура гиба трубы главного паропровода блока 800 МВт после эксплуатации в течении 128 тыс. ч ( х 800)

Выявляемое различие в поврежденности г и- бов может быть объяснено разным уровнем дейс твующих в них напряжений.

При контроле одного из гибов 0 325 x 38 мм (парковый ресурс 210 тыс. ч) паропровода блока 200 МВт после 241 тыс. ч эксплуатации обнаруж ена микроповрежденность 5– 6 балла, что превыш ало допустимый НТД уровень (4 балл). Исследов а нием этого гиба после его вырезки была по дтвер ждена данная микроповрежденность.

На рис. 4, а показано наличие микротрещин и множество цепочек пор у поверхности в растянутой зоне гиба, (6 балл поврежденности), а на рис. 4, б – множество цепочек пор (5 балл), распространившихся на глубину до 4 мм. Единичные микропоры наблюдались на глубине стенки до 8 мм.

В металле прямого участка данного гиба выявлена поврежденность в виде единичных пор ползучести на глубине до 4 мм, оцениваемая 2 баллом.

а)

Рис. 4. Микроструктура растянутой зоны гиба трубы паропровода из стали 15Х1М1Ф после 241 тыс. ч эксплуатации: а) х 500; б) х 1000

б)

Таблица 2

Результаты определения механических свойств исследованного гиба

Наименование	Температура испытания, °С	^ в , МПа	^ 0,2 , МПа	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	HV
	20	520	385	21,5	60	28	162
	550	315	280	22,5	66	115
	20	500	310	27,5	68	79	146
	550	285	220	33,0	73	124
Требования к стали 12Х1МФ
ТУ 14-3-460-75	20	450–650	≥280	≥19	≥50	≥50	–

Таблица 3

Механические характеристики металла исследуемых гибов

№ гиба	Место вырезки	Температура испытания, °С	^ в , МПа	^ 0,2, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	HВ
1	Растянутая зона	20	460	300	29,0	71,0	140	137
		545	250	210	28,0	66,0	114	–
	Прямой участок	20	465	26,0	31,0	69,0	170	126
		545	250	175	33,0	70,0	205	–
2	Растянутая зона	20	540	340	29,0	76,0	89	151
		545	290	250	32,0	77,0	105	–
Требования ТУ 14-3-460-75 на сталь 12Х1МФ		20	450– 650	≥280	≥19	≥50	≥50	–

Исследованием шлифов, вырезанных по толщине стенки указанного гиба, подтверждена достоверность контроля микроповрежденности неразрушающим методом.

В табл. 2 приведены результаты определения механических свойств при комнатной и рабочей температурах растянутой и прямой зон исследованного гиба.

Согласно [3], к эксплуатации сверх паркового ресурса допускаются элементы оборудования, металл которых удовлетворяет принятым критериям при положительных результатах на прочность.

При проведении УЗТ гибов фиксируется минимальная толщина стенки. Использование в расчете полученных данных может привести к получению коэффициента запаса прочности ниже нормативного значения, вследствие чего возможна перебраковка гибов, сохраняющих по состоянию металла свою дальнейшую работоспособность при существующих условиях эксплуатации.

Следует отметить, что утонение стенки в локальной зоне незначительно влияет в целом на конструктивную прочность гиба.

В связи с вышесказанным было проведено исследование фактического состояния металла двух гибов 0 219 x 25 мм, отработавших на блоках 200 МВт 189 536 и 232 393 ч и замененных из-за пониженной толщины стенки. Парковый ресурс данных гибов из стали марки 12Х1МФ при расчетных параметрах 545 °С и 14 МПа составляет 165 тыс. ч.

Механическим испытаниям подвергался металл растянутых частей гибов, а также прямого участка гиба № 1. Средние значения механических характеристик приведены в табл. 3.

Прочностные, пластические свойства и ударная вязкость всех зон исследуемых гибов удовлетворяют требованиям технических условий для стали 12Х1МФ в состоянии поставки. Отметим, что у гиба № 1 предел текучести в растянутой зоне отличается более высокими значениями по сравнению с прямым участком, а ударная вязкость при рабочей температуре в растянутой зоне ниже соответствующих значений образцов из прямого участка.

Микроповрежденность металла, выявленная в растянутой зоне гибов в виде единичных пор, соответствует 2 баллу шкалы Приложения Ж ОСТ 34-70-690-96 при допустимой, согласно требованиям [3], не выше 4 балла.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при удовлетворительных результатах обследования гибы с пониженным коэффициентом запаса прочности могут обеспечивать надежность дальнейшей эксплуатации при обязательном контроле микроповрежденности металла.

Вывод

На основании проведенного исследования следует, что контроль микро-поврежденности металла высокотемпературных элементов энергетического оборудования является наиболее объективным, информативным и надежным средством диагностики его фактического состояния в процессе длительной эксплуатации.