Авторы: Ю. Л. Израилев, Ф. А. Хромченко, А. П. Дивинский, Б. Д. Диташев, И. Ш. Загретдинов, В. М. Трубачев, А. 3. Штерншис, А. Л. Лубны-Герцык
Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций / Под ред. Ю.Л. Израилева и Ф. А. Хромченко.
Изложены основы и опыт создания, совершенствования и применения на группе стареющих ТЭС метрологической, технологической и нормативной системы «Живучесть паропроводов стареющих ТЭС».
Обобщены основные результаты создания и применения: базы повреждений, эталонов и образцов микродефектов и макроповреждений, атласов характерных портретов микроструктуры; комплексов технологий для выявления опасных зон и микроструктурного мониторинга; принципиально нового типа нормативной системы — интерактивной компьютерной технологии, позволяющей учесть всю предысторию изготовления, нагружения и контроля гибов и сварных соединений паропроводов.
Рассмотрены конкретные примеры наиболее актуальных задач, решенных в основном на Костромской, Рязанской и Ставропольской ГРЭС, а также на иных ТЭС.
Монография предназначена для специалистов ТЭС и энергосистем, а также организаций, специализирующихся в области измерения микроповреждений и макродефектов, восстановления живучести элементов энергооборудования. Она может быть также полезной специалистам проектных институтов и заводов - поставщиков энергооборудования.
Александру Львовичу
Лубны-Герцыку в день его 87-летия посвящается этот труд.
Ю. Л. Израилев
23.04.2002
ВВЕДЕНИЕ
Паропроводы тепловых электростанций — одна из основных систем ТЭС, являющаяся частью пароводяного тракта. Эта система, включающая паропроводы свежего пара, горячего промперегрева, а также паропроводы в пределах котлоагрегата, является своеобразным индикатором процесса старения ТЭС. Именно в паропроводах, прежде всего в результате взаимодействия высокой температуры, давления теплоносителя и множества иных факторов, процесс старения проявляется в виде микродефектов, а затем и макроповреждений.
Проблема живучести стареющих ТЭС истолкована в одноименной монографии. Краткая трактовка решения проблемы «Живучесть» в целом для группы наиболее современных ТЭС с параметрами свежего пара 13 и 24 МПа и 545 °C формулируется следующим образом:
Реализация жизненного цикла ТЭС в пределах 50-60 лет путем совершенствования метрологического, технологического и нормативного аспектов жизнедеятельности ТЭС как машино-человеческих и человеко-машинных систем с улучшением культуры производства.
Живучесть стареющих ТЭС — свойство и способность реализации метрологического и технологического нормативного аспектов жизнедеятельности ТЭС вблизи и за пределом паркового ресурса. При этом контроль, восстановление и определение живучести осуществляют, выделяя наиболее ответственные системы, элементы оборудования, зданий и сооружений. По мере старения ТЭС возрастает необходимость использования интерактивного компьютерного норматива, позволяющего целостно, наглядно, достоверно и оперативно учитывать все известные факторы по всем наиболее повреждаемым зонам.
Наиболее опасные повреждения возникают в криволинейных, в том числе гнутых, участках паропроводов, называемых далее гибами. Разрушение гибов вызывали не раз тяжелые аварии, в том числе с человеческими жертвами. Кроме гибов наиболее ответственными элементами системы паропроводов, повреждаемыми в процессе старения ТЭС, являются сварные соединения, тройники, арматура, прямые участки труб и опорно-подвесная система (ОПС).
Основное содержание этой монографии относится к оборудованию, где температура теплоносителя (пара) близка к 450 °C и выше. Тогда становятся существенными процессы ползучести.
Глобальность проблемы старения системы паропроводов ТЭС определена таким важнейшим фактором, как экономический, а также сменой метролого-технологической и нормативной парадигмы. Далее кратко поясним сказанное.
Оборудование, выработавшее двойной проектный и предельный парковый ресурс (почти 30 лет эксплуатации), необходимо использовать до 50-60 лет. К такой экспертной оценке по оборудованию, зданиям и сооружениям ТЭС пришли ведущие специалисты большинства технически развитых стран. Эксплуатация стареющих ТЭС требует в 2-3 раза меньших затрат, чем их замена на новые. Эти затраты в технически развитых странах составляют 1500 долл, на 1 кВт установленной мощности. Имея почти на порядок меньшие финансовые возможности, нам необходимо (опираясь на богатые резервы, традиции и творческую инициативу специалистов) искать способы создания и освоения малозатратных нормативных технологий, соответствующих условиям вблизи и за пределами паркового ресурса. Для этого необходим индивидуальный контроль всех ответственных, наиболее повреждаемых элементов общестанционной системы паропроводов.
Сочетание требований индивидуальности контроля, достоверности выявления повреждений на стадии образования микродефектов (микропор) с характерным размером 1-3 мкм с массовостью гибов* определило глобальную новизну научной проблемы живучести паропроводов стареющих ТЭС. Так, в частности, мощный математический аппарат вероятностно-статистических методов, традиция использования лабораторных моделей (испытания образцов), в том числе на длительную прочность, и численного моделирования процессов ползучести и усталости оказываются мало эффективными, принципиально недостаточными вблизи и за пределом паркового ресурса.
* Только гибов, эксплуатируемых в условиях ползучести, выработавших почти предельный парковый ресурс на такой ТЭС, как Костромская, около 3000, а на Рязанской ГРЭС — почти 4000.
Традиционная система нормативов также требует при этом качественного преобразования.
Опытные специалисты ТЭС и энергосистем, непосредственно участвующие в решении ответственнейшей задачи выбора тех мест, где необходимо делать шлифы на действующем паропроводе в условиях неизбежного дефицита почти всех основных видов ресурсов (финансы, сроки, технологии, специалисты), чувствуют, сколь велик разрыв между расчетно-теоретическими, методическими предложениями, рассмотренными в гл. 1, и пригодной для стареющих ТЭС нормативной технологией нового типа.
В качестве новых теоретических средств упомянем здесь лишь мезомеханику академика В. Е. Панина, синергетику В. С. Ивановой [1], а также метод В. Г. Канцедалова. В гл. 1 читатель найдет соответствующую информацию и ссылки на труды этих авторов.
Упомянутая смена метролого-технологической и нормативной парадигмы обрела к настоящему времени имя интерактивного норматива. Этот норматив создается, осваивается и совершенствуется для ТЭС в целом (оборудование, здания и сооружения) как особого рода компьютерная технология, метаязык, на котором единообразно описывается, хранится и пополняется вся информация о живучести стареющих ТЭС. В настоящее время опыт освоения такого норматива по общестанционной системе паропроводов накапливается на Костромской и Рязанской ГРЭС.
Принципиальное отличие нового норматива от всех известных, в том числе отечественных инструкций по контролю металла, включая РД 153-34.1-17.421-98 — способность к внутренней активности. Так, после единообразного учета истории изготовления, эксплуатации, контроля и ремонта элементов паропровода (например, гибов, сварных соединений) пользователь, с учетом его должности (права доступа к соответствующей информации) может получить нормативный отчет — заключение по регламентированному (меню) запросов. Например, по всей ТЭС можно просмотреть по рабочим чертежам-схемам расположение гибов, содержащих цепочки микропор. Затем, если нужно, рассмотреть портреты микроструктуры металла любого из гибов, любой выделенной группы (характерной семье) и получить нормативные варианты для выбора окончательного решения.
Читатель, знакомый с традициями технически развитых стран, знает, что они имеют существенное отличие от отечественной традиции нормативного контроля повреждений оборудования ТЭС. Это отличие определено, главным образом, тем, что отечественная энергетика имеет почти полувековой опыт развертывания и совершенствования системы лабораторий контроля металлов и сварки, а в последние годы, в пределах отраслевой системы «Живучесть ТЭС», еще и лабораторий измерения дефектности оборудования (ЛИДО).
Энергетика стран Западной Европы и США пошла иным путем, опираясь в основном на фирмы - изготовители оборудования. Так, в частности, энергетика США пока почти не использует на ТЭС штатных специалистов для контроля повреждений оборудования.
Чем старее ТЭС, чем дальше она «уходит» за предел паркового ресурса, тем важнее роль опытного специалиста, знающего индивидуальную историю болезни, своего рода хозяина конкретных паропроводов. Это утверждение соответствует новейшим и древним знаниям о том, что чем многоаспектней, критичней и динамичней проблема, тем труднее ее формализация и тем большую роль играет личностно-экспертный фактор.
В таких условиях переход стареющих ТЭС на интерактивный норматив — это тот путь, выбор которого может оказаться наиболее перспективным там, где технический и интеллектуальный потенциал указанных лабораторий (ЛМС, ЛИДО) достаточно высок, а финансовая ситуация ТЭС, энергоремонтного предприятия, энергосистемы и готовность руководства этих предприятий к решению проблемы живучести ТЭС с помощью малозатратных технологий позволяют рассчитывать на успех.
Решение задач по проблеме повышения живучести паропроводов ТЭС осуществлялось в тесном взаимодействии с ведущими отечественными школами и специалистами.
В области традиционного объективно-детерминированного знания одним из наиболее существенных был выбор физико-математических моделей, на который плодотворно повлияли школы МГУ (акад. А. Н. Тихонов), физико- технического института (проф. П. И. Перлин), МИФИ (профессора Е. М. Морозов, В. М. Маркочев, Г. П. Никишков).
В результате такого взаимодействия выбраны, исследованы и усовершенствованы соответствующие виды алгоритмов и моделей: метода конечных разностей, метода конечных элементов и метода интегральных сингулярных уравнений (метод граничных элементов).
Для создания информационно-экспертных систем, соответствующих алгоритмов и правил, баз и энциклопедий осуществлялось взаимодействие со следующими школами: институт системных исследований (проф. О. И. Ларичев), институт прикладных проблем информации (В. С. Переверзев-Орлов), а также МИФИ, МЭИ.
Для создания основ теории живучести (ОТЖ) было необходимо взаимодействие с ведущими школами и специалистами в области основ познания, когнитологии, способов приближения к Истине, в том числе с институтом философии РАН, Академией гуманитарных исследований и Нью-Йоркской академией наук.
Результаты детального и основательного анализа способов приближения к Истине, созданных за 3-4 тыс. лет, изложены в книге М. Ктони «Эзотерика основ культуры» — М.: Гуманитарий, 1995.
Создание метрологической части ОТЖ потребовало также детального исследования и совершенствования методов и алгоритмов решения задач прочности, надежности, ресурса, маневренности, долговечности, живучести. Для этого осуществлялось систематическое взаимодействие с рядом ведущих школ и их специалистами: институт машиноведения (С. В. Серен- сен, Н. А. Махутов, В. П. Кагаев, А. Н. Романов, К. В. Фролов), Томский ГНЦ (акад. В. Е. Панин, В. А. Клеменов), МЭИ (А. Г. Костюк, А. Д. Трухний, В. В. Куличихин), ЦКТИ (А. А. Чижик, Ю. К. Петреня, В. И. Розенблюм, В. Н. Земзин), ЦНИИТМАШ (В.П. Рабинович, М. Г. Кабелевский, Г. С. Васильченко), ВТИ (Ф. А. Хромченко, Е. Р. Плоткин, А. Ш. Лейзерович, В. Ф. Злепко, В. И. Гладштейн, Г. В. Авруцкий, В. Ф. Резинских, А. Е. Анохов), ВНИИАМ (Г. А. Филиппов, П. А. Антикайн).
Создание, развертывание и совершенствование технологической и нормативной частей отраслевой системы «Живучесть стареющих ТЭС» потребовали систематического взаимодействия с такими организациями, как ОРГРЭС (Ю. Ю. Штромберг, Г. П. Гладышев, Б. Д. Дитяшев, В. М. Кременчугский, Е. Е. Говердовский, Б. Я. Директор, А. П. Берсенев, В. Е. Денисов), Госгортехнадзор РФ (И. А. Хапонен), Минэнерго СССР и РАО «ЕЭС России» (А. Ф. Дьяков, О. В. Бритвин, В. К. Паули), а также с большим количеством ТЭС и энергосистем России, Казахстана, Украины, Белоруссии, Прибалтики. Благодаря такой работе создаются следующие региональные центры Отраслевой Службы «Живучесть ТЭС»: Костромская, Рязанская, Ставропольская, Березовская ГРЭС, Тюменьэнерго, Башкирэнерго, Хабаровскэнерго.
Личный вклад титульных авторов определен, в основном, тем, что при написании этой монографии каждый участвовал в создании следующих разделов: Ю. Л. Израилев — монография в целом, кроме гл. 3 и 4; Ф. А. Хромченко — гл. 4 и научное редактирование монографии в целом; А. П. Ливинский — гл. 1, 2 и 5; Б. Д. Дитяшев — гл. 3, В. М. Трубачев — гл. 1, п. 1; гл. 5, п. 3; А. З. Штерншис — гл. 1, п. 3; гл. 5; А. Л. Лубны-Герцык — гл. 1, пп. 2, 4.
Кроме титульных авторов этой монографии, ее соавторами, внесшими достойный вклад в решения конкретных задач, характеризующих проблему живучести ТЭС, являются:
- Ю. Ю. Штомберг, И. О. Лейпунский, Н. Г. Березкина, А. Л. Лубны- Герцык, В.Н. Черняк, Л. С. Добрушкин, В. С. Пермикин, В. А. Лаппа, Р. Н. Калугин, Ю. А. Машков, К. К. Алексеев, Е. А. Полухина, А. Б. Попов, И. А. Терентьев, Б. X. Раев, Е. Р. Плоткин, Ю. А. Радин, В. М. Кременчугский, Е. Е. Говердовский, В. Г. Зайцев, Н. И. Каменская, Г. С. Зислин — экспертиза и анализ современного состояния проблемы живучести стареющих ТЭС.
- Н. В. Лапшин, Е. И. Заворотнов, И. Е. Матюшов, А. А. Шкуратов, А. А. Бучин, Е. А. Антонов, А. К. Крупин, А. Н. Горбачев, С. Ш. Пиитов, И. Ш. Загретдинов — создание метролого-технологического комплекса «Живучесть ТЭС» и обобщения опыта его использования.
- А. Ю. Анхимов, С. И. Клойзнер, Ю. Г. Потапович, Н. Г. Шепталина, М. Ю. Половникова, В. И. Чуйков — создание, освоение, совершенствование, обобщение опыта использования интерактивного норматива.
Авторы сердечно благодарят тех, без кого создание книги было бы невозможно: Л. Б. Меерович, Ю. С. Шилову, Н. В. Ляховецкую, М. А. Гаврилову, М. А. Целикова, А. В. Смердова.
