Металл элементов паропроводов и котлов из перлитных сталей марок 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в процессе длительной эксплуатации при температуре свыше 450 °C претерпевает глубокие структурные изменения, связанные со сфероидизацией упрочняющих структурных составляющих — перлита и бейнита, с обеднением твердого раствора легирующими элементами и, как следствие этого, обладает пониженными механическими и жаропрочными свойствами.
В металле наиболее слабых участков паропроводов — гибах и сварных соединениях — по границам и на стыках зерен образуются сначала единичные микропоры, а затем цепочки микропор ползучести, далее переходящие в микротрещины. Распад микроструктуры в сочетании со значительной микроповрежденностью порами ползучести приводят к исчерпанию живучести и разрушению конструкции.
Для продления сроков службы (повышения живучести) паропроводов предлагается ряд технологий улучшения свойств металла: восстановительная термическая обработка (ВТО), различные технологии обработки поверхности, программное нагружение, воздействие ультразвуком (ультразвуковая ковка)и др.
Первая из перечисленных технологий — ВТО — в настоящее время получила широкое распространение на ТЭС России, другие, например удаление тонкого поврежденного поверхностного слоя, опробуются в промышленных условиях, третьи находятся на стадии лабораторных исследований.
Авторы работы [101] считают, что сравнительно недавно возникло новое направление — инженерия поверхности, предлагающее ведущую роль поверхности и ее свойств (а не объемных свойств, что является наиболее распространенной точкой зрения) в обеспечении конструкционной прочности и эксплуатационных свойств элементов энергооборудования. Удельный вес обработки поверхности начинает существенно возрастать и становится сравнимым с удельным весом объемной термической обработки.
Восстановительная термическая обработка
Технология ВТО заключается в нагреве элемента оборудования до определенной температуры нормализации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. После нормализации, как правило, выполняется отпуск. Разработаны рекомендуемые режимы ВТО, однако для каждого конкретного случая они подбираются индивидуально в зависимости от состояния металла, марки стали, типа восстанавливаемого элемента.
В процессе нормализации за счет фазовой перекристаллизации и спекания устраняются микропоры, скоагулированные при длительной эксплуатации карбиды растворяются в аустените, а затем при охлаждении происходит полное восстановление феррито-перлито-бейнитной микроструктуры, а также механических и жаропрочных свойств металла до уровня новой продукции в соответствии с требованиями ТУ 14-3-460-75 [16] на паропроводные трубы.
Появляется возможность повторного использования оборудования, в частности паропроводов на новый ресурс при номинальных параметрах эксплуатации.
Восстановительной термической обработке могут подвергаться как отдельные элементы паропровода (гнутые и прямые трубы, сварные соединения), так и паропровод в целом. Эта технология применяется также для восстановления живучести корпусных деталей арматуры, литых колен и тройников. Восстановительная термическая обработка паропроводов может выполняться как с их демонтажом, так и без демонтажа.
В нормативных документах по ВТО приведены разработанные методы контроля и браковочные критерии, определяющие рациональные пределы применения ВТО [102]. Элементы оборудования, в металле которых имеются микротрещины, поры ползучести размером более четырех микрон, а также слившиеся цепочки пор подлежат замене. Имеются также ограничения по величине накопленной остаточной деформации. Остаточная деформация гибов не должна превышать 0,8%, а прямых участков паропроводов — 1,5%.
Экономически целесообразно проводить ВТО в тех случаях, когда толщина стенки гибов паропроводов в растянутой зоне или других восстановленных элементов в соответствии с нормами расчета на прочность позволяет гарантировать дополнительный ресурс последующей эксплуатации, по крайней мере, не менее 100 тыс. ч.
Объем и виды контроля, проводимого до и после ВТО, а также в процессе эксплуатации восстановленного оборудования являются штатными и отвечают требованиям [13].
В настоящее время опубликовано много работ, освещающих основы теории ВТО, технологии ее выполнения с применением различных способов нагрева и оборудования, а также результаты практического осуществления ВТО на ряде объектов [103-107].
Восстановительная термическая обработка может проводиться с помощью индукционного и печного нагревов. В обоих случаях должны быть обеспечены контроль и регистрация температурно-временного режима. Этот режим должен обеспечивать получение в основном металле труб из сталей марок 12Х1МФ и 15Х1М1Ф микроструктуру не ниже 5-го балла по шкале микроструктур ТУ 14-3-460-75 [16]. Микроструктура труб из остальных сталей должна соответствовать микроструктуре труб заводской поставки. В сварных соединениях паропроводов должна отсутствовать разупрочненная прослойка в околошовной зоне и феррито-карбидная микроструктура в металле шва [108].
Большое распространение получила ВТО с применением индукционного метода нагрева подвижным (перемещающимся) индуктором. При последовательном шаговом перемещении индуктора по нагреваемому участку паропровода в процессе ВТО происходит восстановление микроструктуры и свойств металла каждого такого участка индивидуально. Это гарантирует стабильность и качество полученных результатов в пределах обрабатываемого паропровода, исключает наличие браковочных микроструктур после ВТО. В этом заключается преимущество проведения ВТО по сравнению с заменой старого паропровода на новый, так как известно, что трубные заводы часто поставляют на электростанции новые трубы и гибы с браковочной микроструктурой, что связано с нарушениями технологии окончательной термообработки.
Институтами ВНИИАМ, ВТИ совместно с ЗАО «Прочность МК» разработан нормативный документ РД 34.38.131-96 «Технология восстановительной термической обработки (ВТО) паропроводов ТЭС перемещающимся индуктором», утвержденный Минтопэнерго России и Госгортехнадзором России [109]. Фирмой ЗАО «Прочность МК» создана технология проведения ВТО перемещающимся водоохлаждаемым индуктором, разработано и изготавливается специальное оборудование, позволяющее выполнять ВТО как отдельных демонтированных элементов (гибов, коллекторов, пароохладителей и т.д.), так и всей трассы недемонтированного паропровода. В последнем случае проводится ВТО всего паропровода, включая последовательно его прямые участки, гибы и сварные соединения.
Для проведения ВТО на трассе недемонтированного паропровода была разработана и изготовлена установка МИТ-100 для термической обработки токами средней частоты порядка 2400 Гц подвижным индуктором. Расход воды для охлаждения установки и индуктора составляет 40-60 л/мин. Максимальная потребляемая мощность установки 137 кВ-A, выходная мощность 100 кВ-А. В комплект установки входит шкаф запуска, преобразователь ВПЧ-100-2400, постовое устройство и пульт управления. Установка МИТ-100 оснащена устройствами, позволяющими вести процесс нагрева при ВТО в автоматически заданном температурном режиме.
Разработанная технология и оборудование позволяют точно регулировать температурные режимы ВТО, а также скорость охлаждения при нормализации в интервале межкритических температур таким образом, чтобы гарантировать для каждого элемента в зависимости от его структурных особенностей ускоренное охлаждение и формирование заданной рекомендуемой феррито-перлито-бейнитной микроструктуры 2-5-го баллов для труб из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф по шкале ТУ 14-3-460-75.
При осуществлении ВТО непосредственно на объекте микроструктуру металла контролируют по сколам, снятым со сжатой зоны гибов и с прямых участков паропроводов. Многочисленные исследования, проведенные на сколах, подтверждают, что после ВТО, выполненной индукционным методом с применением подвижного индуктора, стабильно образуется рекомендуемая микроструктура преимущественно 3-4-го баллов по шкале ТУ 14-3-460-75.
Накоплен также опыт по залечиванию микроповрежденности порами ползучести гибов паропроводов. Результаты исследований отпечатков (реплик), снятых с поверхности растянутой зоны гибов и зоны перехода от гнутого к прямому участку гиба, свидетельствуют, что при индукционном нагреве токами средней частоты происходит залечивание не только единичных, но и множественных ориентированных по границам зерен микропор, а также цепочек пор ползучести. Это объясняется тем, что в процессе индукционного нагрева происходит не только перекристаллизация микроструктуры, но и как бы перемешивание металла токами средней частоты, за счет чего микропоры спекаются и исчезают. В случае значительной микроповрежденности порами ползучести (4-5-й балл по шкале ОСТ 34-70-690-96, приложение Ж) предусмотрено проведение ВТО по режиму двукратной нормализации и высокого отпуска.
Работы по ВТО были проведены на паропроводах и их элементах диаметром от 159 до 325 мм с толщиной стенки 12-60 мм из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.
Рис. 1.33. Микроструктура со шлифа (а, б) и микроповрежденность по репликам (в, г) гиба главного парового коллектора 0325 х 38 мм, сталь 12Х1МФ блока 7 Волжской ТЭЦ-1 до (а, в) и после (б, г) ВТО
На рис. 1.33 и 1.34 представлены характерная микроструктура гибов 0325 х 38 мм, сталь 12Х1МФ главного парового коллектора блока 7 Волжской ТЭЦ-1 до и после ВТО, а также характерная микроповрежденность этих гибов порами ползучести, выявленная на репликах, которая была залечена в процессе проведения ВТО. Коллектор находился в эксплуатации 200 тыс. ч при температуре 540 °C и давлении 14 МПа. После проведения ВТО дополнительный ресурс эксплуатации коллектора составляет 180 тыс. ч.
Рис. 1.34. Микроповрежденность гибов главного парового коллектора 0325 х 38 мм, сталь 12Х1МФ блока 7 Волжской ТЭЦ-1: (а) до и (б) после ВТО (х500, по репликам)
На рис. 1.35 показана характерная микроструктура металла и микроповрежденность порами ползучести гибов пароперепускных труб 0273 х 36 мм, сталь 15Х1М1Ф турбины 3 Волжской ТЭЦ-1 до и после ВТО. Пароперепускные трубы находились в эксплуатации 200 тыс. ч при температуре 540 °C и давлении 14 МПа. После проведения ВТО их ресурс продлен на 200 тыс. ч.
Рис. 1.35. Микроструктура по сколам (а, б) и микроповрежденность по репликам (в, г) металла гиба пароперепускных труб 0273 х 36 мм, сталь 15Х1М1Ф ТГ 3 Волжской ТЭЦ-1 до (а, в) и после (б, г) ВТО
Рис. 1.36. Микроповрежденность гибов пароперепускных труб 0273 х 36 мм, сталь 12Х1МФ на участке КПП-ПШП-2 блока 4 Троицкой ГРЭС: (а) до и (б) после ВТО (х500 по репликам)
На рис. 1.36 показана микроповрежденность порами ползучести гибов пароперепускных труб 0273 X 36 мм, сталь 12Х1МФ на участке КПП-ШПП-2 блока 4 Троицкой ГРЭС до и после ВТО.
Согласно инструкции, до начала проведения ВТО непосредственно на паропроводе, сначала выполняют пробную ВТО представительного макетного (участка) гиба, из которого затем вырезают темплеты для металлографических исследований, а также образцы для механических испытаний и испытаний на длительную прочность.
Исследования микроструктуры металла на темплетах показывают, что рекомендованная микроструктура, полученная после ВТО, равномерно сохраняется по всей толщине стенки для указанных выше типоразмеров труб (s = 12 — 60 мм).
Результаты испытаний образцов, вырезанных из контрольных макетных гибов, свидетельствуют, что механические и жаропрочные свойства металла после ВТО восстанавливаются и отвечают требованиям ТУ 14-3-460-75 на трубы заводской поставки по этим показателям. При этом предел длительной прочности, как правило, превосходит требования технических условий на 20-30%.
Испытания на растяжение, проведенные при рабочих температурах, свидетельствуют, что соотношение временного сопротивления при рабочей и
комнатной температурах, а также значения предела текучести при рабочей температуре отвечают требованиям по эксплуатационной надежности металла паропроводов.
При проведении ВТО на недемонтированных паропроводах выполняется контроль сварных соединений и при необходимости проводится ВТО представительного макетного сварного соединения, из которого также вырезаются образцы для механических испытаний. Результаты контроля сварных соединений свидетельствуют, что после ВТО твердость металла шва остается в допустимых пределах в соответствии с требованиями РД 153-34.1-003-01 [110]. После ВТО микроструктура основного, наплавленного металла и околошовной зоны сварного соединения выравнивается, исчезает разупрочненная мелкозернистая прослойка, сближаются механические свойства основного и наплавленного металла.
После проведения ВТО для определения дополнительного ресурса эксплуатации выполняются поверочные расчеты на прочность восстановленных элементов в соответствии с требованиями РД 10-249-98 [77] на основании геометрических размеров и фактических свойств металла этих элементов после ВТО, а именно — микроповрежденность порами ползучести отсутствует, микроструктура, механические и жаропрочные свойства отвечают требованиям ТУ 14-3-460-75 [16]. Расчеты показали, что новый ресурс после ВТО, как правило, бывает не менее паркового и составляет от 100 до 200 тыс. ч при номинальных параметрах эксплуатации. Ресурс сварных соединений паропроводов из стали 12Х1МФ с металлом шва 09Х1МФ после ВТО увеличивается на 170-300 тыс. ч [111].
Фирмой ЗАО «Прочность МК» разработан оригинальный способ, гарантирующий защиту внутренней поверхности восстанавливаемых элементов от образования окалины. Толщина слоя окалины на наружной поверхности паропроводов после ВТО составляет 0,5-0,7 мм, на внутренней поверхности остается только окалина, образовавшаяся в процессе эксплуатации.
При проведении ВТО на трассе недемонтированных паропроводов одновременно выполняются работы, связанные с ревизией и наладкой их опорноподвесной системы. До начала ВТО проводится обследование технического состояния паропровода и его опорно-подвесной системы, выбирается оптимальный вариант разгрузки паропровода для проведения ВТО. По завершении работ по ВТО проводится окончательная наладка опорно-подвесной системы, проверка уклонов, нагрузок пружинных опор и фактических тепловых перемещений паропровода, выполняются поверочные расчеты на прочность и жесткость и самокомпенсацию всего паропровода в целом.
Затраты на проведение ВТО составляют в среднем 50% от стоимости затрат, связанных с заменой старого паропровода на новый, включая демонтаж старого паропровода, монтаж нового, проектные работы, закупку новых труб.
Первая работало ВТО индукционным методом с применением подвижного индуктора была выполнена в 1991 г. силами ЗАО «Прочность МК» совместно с институтами ВНИИАМ, ВТИ и ЦРМЗ на ТЭЦ-8 Мосэнерго при восстановлении гибов недемонтированного станционного коллектора 0325 X 38 мм, сталь 12Х1МФ.
В 1993 г. теми же исполнителями была выполнена большая работа по ВТО недемонтированного главного паропровода 0219 х 29 мм из стали 12Х1МФ на котле 1 Черепетской ГРЭС. Общая протяженность трассы восстановленного паропровода составила 236 погонных метров (п.м). Фирма «ОРГРЭС» при этом выполняла работы, связанные с наладкой опорно-подвесной системы.
В дальнейшем фирма ЗАО «Прочность МК» самостоятельно в полном объеме выполняла все работы по ВТО своим оборудованием по технологии индукционного нагрева перемещающимся индуктором с выдачей заключения о дополнительном ресурсе эксплуатации. Так, в 1999 г. было закончено проведение ВТО 120 п.м недемонтированного паропровода острого пара 0219 х 29 мм, сталь 12Х1МФ на котле 2 Черепетской ГРЭС. Дополнительный ресурс последующей эксплуатации после ВТО определен в 200 тыс. ч.
Для той же Черепетской ГРЭС непосредственно на опытном производстве ЗАО «Прочность МК» была выполнена ВТО двадцати восьми новых гибов, которые поступили на станцию с браковочной микроструктурой, а также ВТО серии сварных тройников, состоящих из труб 0260 X 50 мм, сталь 12Х1МФ и 0325 X 60 мм, сталь 15Х1М1Ф.
Позднее в 1999-2000 гг. на Волжской ТЭЦ-1 была проведена массовая ВТО гибов, включая их прямые участки, демонтированных из главных паропроводов котлов и турбин, а также пароперепускных труб типоразмеров 0273 х 32 мм, 0273 х 36 мм и 0325 х 38 мм из стали 12Х1МФ блоков 3, 5, 7, 9. Все эти гибы находились в эксплуатации 240 тыс. ч, имели феррито- карбидную микроструктуру и микроповрежденность порами ползучести на растянутой зонах (рис. 1.33). После ВТО была получена микроструктура, соответствующая 3-4-м баллам по шкале ТУ 14-3-460-75 [16]. При этом дополнительный ресурс эксплуатации восстановленных элементов составил 200 тыс. ч при номинальных параметрах.
Для этой же станции была выполнена ВТО гибов, также включая их прямые участки, вырезанных из демонтированных пароперепускных трубопроводов 0273 X 36 мм, 0219 х 25 мм, сталь 15Х1М1Ф турбины 3 после эксплуатации в течение 270 тыс. ч. Микроструктура металла этих элементов до и после ВТО показана на рис. 1.35. Дополнительный ресурс эксплуатации гибов после ВТО составил 160 тыс. ч.
Часть восстановленных гибов Волжской ТЭЦ-1 сейчас находится в эксплуатации в составе паропроводов, остальные составляют резервный фонд станции. Всего на Волжской ТЭЦ-1 было восстановлено пятьдесят шесть гибов общей протяженностью 200 п.м.
На Костромской ГРЭС была проведена ВТО двух пароохладителей 0325 X 50 мм из стали 12X1 МФ, вырезанных из паропровода острого пара после 200 тыс. ч. эксплуатации. Восстановительная термическая обработка пароохладителей выполнялась на опытном производстве ЗАО «Прочность МК». Микроструктура пароохладителей восстановлена до рекомендуемой 3-4-го баллов, дополнительный ресурс определен в 100-130 тыс. ч.
Начиная с 1999 г. и по настоящее время проводятся работы по восстановлению пароперепускных трубопроводов 0273 х 36 мм из стали 12X1 МФ в пределах котлов блоков 4, 5, 7 Троицкой ГРЭС. Номинальные параметры эксплуатации этих трубопроводов — температура 486-510 °C, давление 27-28 МПа. Однако вследствие многократных перегревов при эксплуатации металл гибов имел браковочную микроструктуру и микроповрежденность порами ползучести на растянутой зоне (рис. 1.36,а).
Трубопроводы были демонтированы, разделены на крупные блоки, включающие гибы, прямые участки и сварные соединения, и опущены на нулевую отметку котельного отделения, где и проводили ВТО. В процессе ВТО микроструктура металла была восстановлена, а микроповрежденность порами ползучести залечена (рис. 1.36,б). Общая протяженность трассы восстановленных пароперепускных трубопроводов на Троицкой ГРЭС составляет 590 п.м. Дополнительный ресурс эксплуатации составляет 160-180 тыс. ч.
В странах ближнего зарубежья — Республиках Туркменистан и Узбекистан также были проведены работы по ВТО паропроводов. В Туркменистане на блоке 2 Марыйской ГРЭС была выполнена ВТО на трассе недемонтированного паропровода острого пара 0325 х 38 мм, сталь 12Х1МФ. В Узбекистане в 1996 г. была проведена ВТО пятнадцати отдельных демонтированных гибов с их прямыми участками 0273 X 20 мм из стали 12Х1МФ, бывших в эксплуатации на Тахиаташской ГРЭС.
За рубежом в Монголии на ТЭЦ-3 г. Улан-Батора в 1995-1996 гг. была выполнена ВТО в общей сложности 500 п.м. трубопроводов из стали 12Х1МФ. Это трубы станционного коллектора второй очереди 0273 х 20 мм и подводящие трубопроводы 159 X 12 мм, сталь 12Х1МФ к турбинам 5-7.
В 2001 г. совместно с ОАО «Фирма ОРГРЭС» была выполнена ВТО на трассе недемонтированного паропровода острого пара 0273 X 32 мм из стали 12Х1МФ на ТЭС «Ренте», г. Сантьяго-де-Куба, республика Куба.
Все элементы паропроводов, восстановленные по технологии индукционного нагрева подвижным индуктором с помощью электротермического оборудования, разработанного и изготовленного ЗАО «Прочность МК», сейчас находятся в успешной эксплуатации на ТЭС России и за рубежом при номинальных параметрах. За ними установлен штатный контроль согласно инструкции по эксплуатации.
Восстановление с помощью удаления тонкого поверхностного слоя
Отраслевой службой «Живучесть ТЭС» создана и реализована в виде промышленного эксперимента технология восстановления живучести гибов паропроводов путем удаления тонкого поверхностного слоя металла, имеющего микропоры, цепочки микропор, микротрещины [63].
Технология предусматривает восстановления живучести гибов в три этапа: определение опасных зон, определение меры микроповреждения, удаление тонкого поверхностного слоя.
Первый из них — выявление опасной зоны, где наиболее вероятно максимальное микроповреждение в наиболее опасной семье гибов. Такие семьи определяются для каждого энергоблока с учетом технологии изготовления, условий эксплуатации, фактической геометрии гиба (толщина стенки, овальность, радиус гиба). Выполняются соответствующие расчеты коэффициентов запаса прочности, с помощью информационно-экспертной системы (см. гл. 5) определяются категории опасности индивидуально для каждого гиба.
В каждой опасной семье контролируют все гибы, определяя наиболее повреждаемые зоны. При этом осуществляют предварительную зачистку контролируемой зоны, удаляя окалину и частично поверхностный слой (0,03- 0,1 мм). Этим совмещается подготовка к контролю с частичным восстановлением живучести гиба. После удаления окалины и части поверхностного слоя наждачными камнями проводится дополнительная зачистка поверхности с помощью наждачной шкурки. Затем методом УЗТ контролируется толщина стенки гиба и локальная кривизна поверхности на различных участках. По этим результатам размечают участки для полировки. На полированных участках измеряется микроповрежденность металла в поверхностном слое с помощью реплик и/или переносного микроскопа. Там, где выявлена максимальная микроповрежденность, отбираются микрообразцы (см. разд. 1.5.).
Как правило, в одном гибе выбираются три микрообразца: в зоне вершины гиба и местах переходов от гнутой части к прямым участкам. Худший гиб или худшую петлю, состоящую из нескольких гибов, если в нем (в ней) обнаружена значительная микроповрежденность (крупные микропоры размером 4-8 мкм, цепочки микропор или микротрещины), вырезают для исследования микроповрежденности по толщине стенки. Если при исследовании темплетов выясняется, что в худшем случае глубина микроповреждения не превышает необходимого запаса по толщине стенки (первый критерий восстановления живучести гибов), то принимается решение о допустимости восстановления живучести гибов данной семьи, а также о сроке и объеме ближайшего контроля.
В отдельных исключительных случаях, когда отсутствует возможность замены гиба, может быть рассмотрено решение о восстановлении его живучести путем удаления поверхностного слоя в пределах сохранения необходимого запаса по живому сечению (второй критерий восстановления живучести гибов).
Следует отметить, что описанная технология восстановления живучести гибов паропроводов может быть перспективна только при наличии эффективных средств контроля микро- и макродефектов, а также при соответствующей квалификации персонала.
Опытная эксплуатация восстановленных таким образом гибов осуществляется ОС «Живучесть ТЭС» по программе, утвержденной РАО «ЕЭС России» и Госгортехнадзором РФ.
Восстановленные гибы труб 0273 X 40 мм и 0133 X 18 мм находятся в эксплуатации на Костромской и Рязанской ГРЭС уже в течение 10-15 тыс. ч.
