Π8.3. Фактология: живучесть паропроводов в эксплуатируемых условиях ползучести
3.1 Экспертиза и анализ современного состояния и предыстории процесса создания эффективной метролого-технологической и нормативной системы для контроля опасных зон, содержащих микроповреждения, определения меры микроповрежде-ния и восстановления живучести паропроводов ТЭС позволили выявить области почти достоверного знания, предзнания, опыта и зону незнания. Наиболее ак-туальные задачи зоны незнания сосредоточены вблизи и за пределом паркового ресурса. Их решение требует применения системно-целостного подхода для ин-дивидуального контроля живучести паропроводов.
3.1.1 Процесс термодеформационного старения микроструктуры металла паро-проводов ТЭС в условиях ползучести отличается характерными стадиями, в том числе: увеличением количества и размеров карбидов; зарождением и развитием микропор от 0,1 до 1-3 мкм; образованием цепочек микропор и их слиянием в микротрещины, измерением плотности дислокаций, распадом упрочняющей фазы. Эти особенности изменения микроструктуры наиболее исследованы для стали 12X1 МФ. В условиях ТЭС опыт контроля микроповреждений на стадии образования микропор в стали 15Х1М1Ф принципиально недостаточен.
3.1.2 Установлено, что обобщенная параметрическая зависимость Ларсена- Миллера, в которой комплексно учитываются напряжение, температура, время и механические свойства материала (временное сопротивление разрыву δВ), является наиболее представительной для расчетной корректной оценки сроков до разрушения элементов паропроводов в условиях ползучести.
3.1.3 Создана, освоена на Костромской, Рязанской ГРЭС и принята в качестве нормативной в РД 34.17. МКС 007-97 и РД 153-34.1-17.421-98, а также РД 153-34.0-04.152-2001 шкала повреждений микроструктуры для определения категорий опасности паропроводных гибов.
3.1.4 Наиболее актуальной из почти нерешенных задач контроля живучести гибов и сварных соединений паропроводов является определение опасных зон, содержащих микроповреждения на ранней стадии, до образования микротрещин.
3.1.5 Впрыскивающие пароохладители относятся к категории наиболее повре-ждаемых элементов паропроводов. До настоящего времени отсутствует отраслевой норматив, определяющий типовые решения основных видов ВПО, а также нормативных средств и периодичность контроля ВПО.
3.1.6 В условиях практически неизбежной необходимости длительной (10-20 лет и более) эксплуатации паропроводов ТЭС за пределом их паркового ресурса, в условиях принципиальной невозможности контроля на отсутствие микроповреждений свыше 100 000 гибов и сварных соединений, эксплуатируемых в условиях ползучести, следует признать соответствующие ТЭС особо опасными системами, для которых требуется соответствующий индивидуальный норматив.
3.2 Нестационарные режимы эксплуатации паропроводов ТЭС — один из важнейших факторов, определяющих процесс старения наиболее ответственных элементов паропроводов. Способы технологии реализации режимов пусков-остановов исследованы достаточно тщательно и регламентированы в виде соответствующих нормативов (типовые инструкции по пускам-остановам, типовые схемные и конструктивные решения).
Вблизи и за пределом паркового ресурса, как правило, накопление повреждений от низкочастотной составляющей (пуски-остановы), с учетом высокочастотных воздействий может существенно увеличиваться.
3.2.1 Характер остывания паропроводов свежего пара блока и стопорных клапанов турбины позволяет вести предтолчковый прогрев тракта СКД, при пусках из любого теплового состояния, сразу до регулирующих клапанов, при открытых ГПЗ и стопорных клапанах, не опасаясь захолаживания последних при подключении пароперегревателя котла.
3.2.2 При пусках блока из холодного состояния для обеспечения благоприятных условий прогрева толстостенных камер котла и задвижек рекомендуется открытие клапанов Др-3 сразу после розжига 1-2 мазутных форсунок. Длительность прогрева паропроводов свежего пара до температуры 180-200 °C, при которой может быть начат прогрев вторых перепускных труб высокого давления и системы промперегрева, составляет ~ 20 мин.
При пусках блока из горячего и неостывшего состояний используется исследованная и утвержденная технологии прогрева тракта СКД до регулирующих клапанов турбины, с плавным открытием клапанов Др-3 после получения необходимой для подключения пароперегревателя температуры пара перед встроенной задвижкой котла. Завершение этого этапа прогрева определяется стопорными клапанами турбины — к моменту открытия регулирующих клапанов допустимо отставание температуры металла сто-порных клапанов от температуры свежего пара не более, чем на 160-180 °C. Длительность прогрева паропроводов свежего пара составляет 50-60 мин при пусках после простоя 50-60 ч и 15 мин — после простоя 6 ч.
3.2.3 Интенсивное остывание паропроводов горячего промперегрева при останове блока наблюдается только на концевых участках у котла и турбины. Основная часть паропроводов остывает медленнее, в темпе, мало отличающемся от темпа остывания ЦСД турбины. Это позволяет пересмотреть существующий подход к уровню предтолчкового прогрева системы промперегрева.
Рекомендуется ограниченный «конвективный» прогрев паропровода горячего промперегрева до 160 °C, совмещенный с прогревом вторых перепускных труб высокого давления, при частоте вращения ротора турбины ~ 800 об/мин, открытых регулирующих клапанах высокого давления и обеспаренных ЦСД и ЦНД.
С целью обеспечения необходимого для прогрева паропровода расхода пара, без повышения свыше 800 об/мин частоты вращения ротора турбины, вакуум в конденсаторе на этом этапе пуска следует поддерживать на уровне ~ 500 мм рт.ст. Длительность операции по прогреву при этом составляет 45 мин при пуске из холодного состояния и 15-20 мин при пусках из неостывшего состояния. Ограниченный прогрев концевых участков ППГ обеспечивает надежный температурный режим паровпуска ЦСД при пусках турбины после простоя любой длительности. Рекомендуется ограниченный «конвективный» прогрев паропровода горячего промперегрева до 160 °C, совмещенный с прогревом вторых перепускных труб высокого давления, при частоте вращения ротора турбины ~ 800 об/мин, открытых регулирующих клапанах высокого давления и обеспаренных ЦСД и ЦНД. Пуск блока после простоя менее 30 ч может проводиться без предтолчкового прогрева системы промперегрева.
3.2.4 Исследования, проведенные на дубль-блоке Костромской ГРЭС с котлом ТГМП-114 и турбиной К-300-240 ЛМЗ, и анализ полученных результатов позволяют сделать вывод о возможности применения «моноблочной» технологии при пуске дубль-блоков мощностью 300 Вт с пусковой схемой, близкой к типовой (рис. 2.2), из любого исходного теплового состояния. Тем самым снимается один из основных вопросов, связанных с переводом парка действующих дубль-блоков 300 МВт в более экономичный моноблочный режим работы.
3.2.5 Влияние нестационарных режимов на живучесть паропроводов проявляется в наибольшей мере в зонах, где сочетаются: конструкционные концентраторы; технологические и схемно-конструктивные дефекты; агрессивность рабочей среды, особенно при наличии вредных примесей, в том числе органики, или агрессивное воздействие тепловой изоляции на повреждения, развивающиеся со стороны наружной поверхности.
Совершенствование нестационарных режимов необходимо и для увеличения живучести в условиях повреждения по модели ползучести и при коррозионно-усталостных процессах, воздействующих в наибольшей мере на внутреннюю и наружную поверхности.
3.3 Прочность элементов паропроводов и паропроводных систем достаточно досто-верно характеризуется результатами расчетов с помощью современных методов, алгоритмов и программных комплексов с учетом основных видов нагружения, фактических свойств паропроводных сталей и схемно-конструктивных особен-ностей.
3.3.1 Уточненный расчет прочности наиболее опасных зон в ответственных эле-ментах паропровода осуществляется на основе современных численных методов механики сплошной среды, в том числе метода конечных элементов, метода граничных элементов (граничных интегральных сингулярных уравнений).
3.3.2 Разработав подход к определению поврежденности гибов паропроводов, заключающийся в единообразном представлении результатов, полученных различными способами, и их последующей свертке. Реализован соответствующий алгоритм.
3.3.3 Создан алгоритм экспертизы живучести сварных соединений на примере паропровода свежего пара энергоблока ст. № 5 Костромской ГРЭС. Алгоритм основан на использовании расчетного (для сплошной среды) и структурного (по микроповрежденности) методов; в качестве вспомогательного используется метод диагностики макроповрежденности с помощью УЗК и МПД из условий обеспечения необходимой разрешающей, способности технологии определения остаточного ресурса сварных соединений. Установлена взаимосвязь категории опасности (КО) сварных соединений с запасом прочности (при расчетном подходе) и с исчерпанием ресурса (при структурном методе по микроповрежденности). Определены на уровне экспертного подхода значения коэффициента достоверности при оценке остаточного ресурса с учетом применяемых расчетно-экспериментальных методов и типов сварных соединений. Показано, что для расчетного и расчетно-экспериментальных методов (в зависимости от условий расчета) коэффициент достоверности КД= 20:70%, а для структурного метода по микроповрежденности КД = 90%.
3.4 Создан и свыше 10 лет совершенствуется расчетно-экспериментально-экспертный комплекс по учету влияния опорно-подвесной Системы на упругие напряжения в паропроводах. Основными факторами, определяющими результаты расчета напряженного состояния с помощью этого комплекса, являются все силовые факторы, в том числе состояние ОПС после длительной эксплуатации, трассировка паропровода, защемление участков трассы и ОПС, а также, влияние возможных короблений.
3.4.1 Экспертная оценка наиболее опытных специалистов по ОПС выявила, что повышенные (непроектные) напряжения, основная доля которых связана с работой ОПС системы креплений, — причина почти 25% повреждений деталей и элементов паропроводов. Практически все паропроводы имеют участки с напряжениями, превышающими допускаемые для расчетного ресурса значения.
3.4.2 Совершенствование системы ОПС осуществляется путем снижения максимальных действующих напряжений в элементах повышенной категории опасности за счет перераспределения нагрузок, улучшения схемных и конструктивных решений.
3.4.3 Основной проблемой увеличения достоверности результатов, получаемых с помощью указанного комплекса, учитывающего влияние ОПС, является определение фактических воздействий (моменты, силы, перемещения) при стационарном, малоцикловом (пуски-остановы) и многоцикловом (вибрация) нагружениях паропровода. Решение этой проблемы осуществляется путем врастания указанного комплекса в более общий — интерактивный норматив по паропроводам, осваиваемый на Костромской ГРЭС.
3.5 Установлено комплексное влияние на повреждаемость сварных соединений эксплуатационного, технологического и конструкционного факторов.
Систематизированы статистические данные почти 2 000 случаев эксплуатационных повреждений сварных соединений на 1400 паропроводах ТЭС за' 40-летний период с 1960 по 1999 г.
Показано, что:
• повреждаемость возрастает на порядок с увеличением температуры эксплуатации от 510 до 545-560 °C;
• преимущественно повреждения (95% случаев) отмечаются по сварным соединениям с повышенной концентрацией напряжений;
• преимущественно повреждения (до 92-95% случаев) наблюдаются по ЗТВр.п и 5-8% — по металлу шва.
3.5.1 Классифицированы виды эксплуатационных повреждений сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей по механизмам хладноломкости, ползучести, усталости.
3.5.2 Разработана методика экспрессной оценки исчерпания ресурса (и остаточного ресурса) по микроповреждаемости металла зон сварных соединений с помощью реплик и/или микрообразцов. Определены зоны обследования сварных соединений. Металлографический анализ с помощью реплик введен как обязательный в нормативно-технический отраслевой документ по эксплуатационному контролю сварных соединений.
3.5.3 Классифицированы сварные соединения по категориям КО = 1-7 в зависимости от запаса прочности на период наработки паропровода й/или на сроки установленного расчетного индивидуального ресурса. Категории КО = 1 соответствуют сварные соединения высокой Надежности, а категории КО = 7 — низкой надежности для принятых граничных значений
КО.
Методы оценки ресурса сварных соединений по расчетному и структурному факторам получили применение при экспертизе живучести паропроводов Костромской ГРЭС.
3.6 Отраслевой метролого-технологический комплекс реализует процесс испытания гибов и сварных соединений в условиях, достаточно близких к эксплуатационным. Выращиваемые при этом образцы и эталоны позволяют систематически пополнять атлас портретов микроструктуры и совершенствовать технологии контроля и восстановления живучести паропроводов.
3.7 Технологический комплекс для контроля и восстановления живучести гибов, сварных соединений, паропроводной арматуры, в том числе литых корпусов и крепежа, решая в качестве двух Основных задач — выявление опасных зон, содержащих микроповреждения, макродефекты, и определение меры микроповреждения, включает: ультразвуковой (по скорости ультразвука), вихретоковый и ДАО-контроль опасных зон, контроль овальности и УЗ-толщинометрия, контроль скорости ползучести, контроль повреждений микроструктуры с помощью реплик, мобильного компьютерного микроскопа и микрообразцов. Определение живучести и трещиностойкости литых корпусов паропроводной арматуры основано на использовании в качестве датчиков живучести и трещиностойкости допустимых макродефектов, контролируемых с помощью ДАО-портретов.
3.8 Интерактивный Норматив — принципиально новый тип компьютерной нормативной технологии. Наиболее существенное отличительное свойство ИАН — учет всех, в той числе кажущихся малосущественными, факторов за всю историю жизнедействия контролируемой общестанционной системы паропроводных гибов; ИАН— необходимое средство индивидуального контроля живучести сложных систем. Его необходимость до мере старения ТЭС существенно возрастает. За пределом паркового ресурса отсутствие такого средства для особо опасных систем, каковыми признаются стареющие ТЭС на этом этапе жизни,
недопустимо.
3.9 ФАКТОЛОГИЯ: факты, экспертные правила.
3.9.1 Вблизи и за пределом паркового ресурса паропроводов ТЭС необходимо использование заранее освоенной метролого-технологической и нормативной системы индивидуального контроля—определения и, желательно, восстановлений живучести наиболее ответственных элементов паропроводов и паропроводов в целом. Образцы таких индивидуальных систем созданы для Костромской и Рязанской ГРЭС (пока реализован I этап для системы паропроводных гибов). Этот опыт позволяет обосновать необходимость немонопольной системы региональных центров, ответственных за квалификацию экспертов и эффективность действия каждой такой индивидуальной системы. •
3.9.2 Универсальная мера старения паропроводов — феноменологическая
(теоретическая) физико-математическая модель обобщенного параметра- критерия Ларсона-Миллера, учитывающая четыре важнейших фактора, влияющих на исчерпание живучести: продолжительность эксплуатации; максимальную эквивалентную температуру эксплуатации на стационарном режиме; максимальное эквивалентное (за все время эксплуатации) номинальное напряжение и исходную микроструктуру. Эта модель дозволила обосновать простое правило: изменение температуры на 10 °C и напряжения на 10% приводит к изменению времени до разрушения почти в 2 раза.
3.9.3 Значительная, а, по мнению некоторых ведущих экспертов, основная (до 90%) часть повреждений паропроводных гибов связана с зарождением и развитием трещин со стороны наружной поверхности. Наиболее информативная (до 1 мм) часть этой наружной поверхности удаляется при подготовке шлифов для контроля и оптического (светового) микроскопа. Этот недостаток преодолевается путем отбора микрообразцов из наиболее повреждаемых и, тем самым, наиболее информативных зон гибов и сварных соединении. После выборки микрообразцов концентратор (лунка — полуэллипсоид глубиной до 2 мм) полностью удаляется до плоской лыски. Эксплуатация паропроводов при наличии на поверхности технологических (риски, забоины) и конструктивных концентраторов, эксплуатационных дефектов, в том числе, макротрещин, определяет целесообразность микроструктурного мониторинга с, помощью микрообразцов.
3.9.4 При всем очевидном различии паропроводного гиба и сварных соединений, ограничивающих каждый такой гиб, весьма информативно и технологично выявление меры родства гиба и примыкающего к нему сварного соединения. B целом, мера родства больше, чем мера различия, что позволило создавать для гибов и сварных соединений унифицированный, в основном, технологический комплекс для контроля живучести и почти унифицированный интерактивный норматив.
3.9.5 Зоны с минимальной толщиной стенки и максимальной овальностью не могут быть заранее достоверно определены и приняты по длине гиба в качестве типовых зон контроля какой-либо группы гибов.
3.9.6 Основным методом определения меры живучести элементов паропроводов (гибов, сварных соединений), особенно после достижения паркового ресурса, является метод оценки микроповрежденности металла. Создана, используется и принята в качестве нормативной структурная шкала с учетом накопленного отечественного и зарубежного опыта для оценки категорий повреждений микроструктуры металла элементов паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15ХГМ1Ф в процессе длительной эксплуатации. Указанная структурная шкала в течение ряда лет применяется на Костромской и Рязанской ГРЭС при определении категорий опасности гибов паропроводов и разработке регламента их контроля.
3.9.7 Для выявления локальных зон с повышенной микроповрежденностью металла в гибах паропроводов создана и опробована комплексная технология, включающая УЗК, МПД и ДАО, УЗ-толщинометрию, а также контроль по времени прохождения поверхностных УЗ-волн. Необходимо дальнейшее совершенствование указанной технологии.
3.9.8 При определении напряженного состояния элементов паропроводов необходимо учитывать как конструктивные особенности элемента, так и влияние опорно-подвесном системы. Разработана и опробована экспериментальная методика выявления элементов паропроводов, эксплуатирующихся при наиболее высоких напряжениях. В методике учитывается комплексное влияние всех факторов нагружения, в том числе: состояние ОПС после длительной эксплуатации, трассировка паропровода, защемление участков трассы и ОПС, а также влияние возможных короблений.
3.9.9 При больших сроках эксплуатации паропроводов выявлены особенности развития микроповрежденности металла гибов из сталей 12Х1МФ и
15X1Μ1Φ с бейнитной структурой, обладающего пониженной пластичностью. В данном случае период эксплуатации с момента появления единичных пор до образования сквозных трещин может быть весьма небольшим — нe превышать 0,1 от времени наработки. Для повышения эффективности контроля и определения меры живучести таких гибов, в первую очередь, вблизи и за пределами паркового ресурса необходимо выполнить комплекс лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний и исследований, в том числе по созданию усовершенствованной системы критериев согласованного (оптико-электронная микроскопия) микромониторин-га, особенно для стали 15Х1М1Ф.
3.9.10 Опасность высокочастотных вибрационных нагрузок, воздействующих на паропроводы, эксплуатируемые с не выявленными макродефектами, возрастает по мере старения ТЭСС. Эта опасность усугубляется отсутствием опыта и результатов виброобследования паропроводов ТЭС, а также отсутствием соответствующей нормативной технологии и виброаппаратуры в требуемом диапазоне частот (1-3 Гц и более). Известное положение о том, что вблизи и за пределом паркового ресурса ТЭС уже становятся особо опасными системами, определено следующими основными факторами:
• за указанным пределом традиционная научная база для определения живучести ТЭС в целом и системы паропроводов в частности практически отсутствует;
• в этой области действующая типовая нормативная система также принципиально недостаточна;
• переход на индивидуальную нормативную систему требует высокой культуры и квалификации персонала, которые пока реально могут быть освоены лишь ограниченной группой ТЭС.
3.10 Живучесть сварных соединений паропроводов: заключение.
Срок жизни сварных соединений существенно меньше, чем прямых участков паропроводов.
Более чем 50-летний опыт эксплуатации стальных корпусов турбин и крупной паропроводной арматуры с заварками показал, что можно избежать хрупкого катастрофического разрушения таких конструкций.
При эффективном контроле микродефектов (реплики, сканирующий мобильный микроскоп, микрообразцы) и макроповреждений (УЗД, круговые диаграммы, компьютерный мониторинг) возможно:
Весьма актуальными, но пока нерешенными задачами в пределах проблемы живучести паропроводов, являются:
• создание эффективного средства (вихреток, УЗД, поверхностные волны и т. д.) выявления легальных зон, где упругие напряжения, необратимые деформации существенно превышают средние нормативные значения;
• систематизация экспертных правил, определяющих соответствия между типами повреждении, повреждаемых зон и дефектами проектных ремонтных и эксплуатационных решений.
П8.4. Система нормативов «Живучесть стареющих ТЭС»
За период свыше 20 лет создана развернутая система нормативов, регламентирующих метрологические и технологические средства, схемноконструктивные и режимные решения в пределах, проблематики «Живучесть ТЭС». Эта система включает отраслевую концепцию и программу, периодически пополняемую группу Приказов, Циркуляров и нормативных документов, а также компьютеризированные базы повреждений, алгоритмов, экспертных правил и знаний, являющихся неотъемлемой частью нормативной системы. Эта отраслевая система наиболее кратко представлена в виде руководящего документа «Живучесть стареющих ТЭС» РД 34.17. МКС.007-97 и РД 1153-34.0-МКС 21-2001:
• исключить катастрофическое разрушение сварных соединений паропроводов, эксплуатируемых в условиях ползучести;
• подобно системе индивидуального мониторинга повреждений паропроводных гибов создать аналогичную систему для сварных соединений региональных центров «Живучесть ТЭС», включающую интерактивный норматив и компьютерный курс повышения квалификации персонала.
