5.5. ХАРАКТЕРНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА
ОБОРУДОВАНИЯ
Дефекты и отказы в работе металла поверхностей
нагрева котлов и трубопроводов
Аварийные остановы котлов вызваны повреждениями труб поверхностей нагрева. Основными источниками повреждений поверхностей нагрева являются:
технологические дефекты изготовления (включая дефекты производства труб и других полуфабрикатов, поставляемых металлургической промышленностью котлостроительным заводам), свищи в сварных соединениях и разрывы труб;
недостатки отдельных конструктивных решений и условий эксплуатации (нестабильность качества топлива и др.), недостаточная изученность рабочих процессов, протекающих в котлах СКД.
Ко второму источнику относятся повреждения, вызванные ползучестью металла, механической и термической усталостью, перегревами труб (тепловая разверка и др.), высокотемпературной наружной газовой коррозией, золовым износом, нарушениями водного режима и др.
При разрушении труб поверхностей нагрева из-за наличия технологических дефектов причина устанавливается после разрезки трубы, внешнего осмотра и исследования макро- и микроструктуры. Свищи и разрывы образуются непосредственно по дефектам. Поверхность несплошности в месте заката или трещины, возникающих в процессе производства труб, обычно сильно окислена; трещины и закаты заполнены оксидами; от них начинается свежий излом. В металле, прилегающем к месту разрыва, часто наблюдаются скопления неметаллических включений. В некачественно выполненных сварных соединениях обнаруживаются поры, включения шлака, недостаточное подплавление основного металла и др.
Распространенный вид повреждений поверхностей нагрева — дефекты в узлах крепления труб, приварки штуцеров к коллекторам, в композитных сварных стыках (аустенитная и перлитная стали), в контактной приварке шипов и др. Повреждения могут быть трех типов: кольцевые трещины на змеевиках в зоне термического влияния сварки свищи в металле шва, несплавления между металлом шва и металлом камеры. Кольцевые трещины образуются из-за наличия изгибных напряжений при плохой самокомпенсации и защемления змеевиков.
Повреждения пароперегревателей, как правило, происходят в местах приварки к трубам дистанционирующих элементов (скобы, прокладки, сухари, планки и др.). Повреждения вызываются низкой деформационной способностью металла труб в зоне сплавления, наличием напряжений, возникающих от тепловых перемещений участков труб. Дополнительные напряжения в местах приварки креплений приводят к повреждениям в виде кольцевых трещин.
Дистанционирующие элементы в значительной степени подвергаются высокотемпературной ванадиевой коррозии. В результате этого трубы не удерживаются в ранжире, нарушается шаг и т. п. Подвески, опоры и крепления радиационных и конвективных пароперегревателей могут разрушаться от перегрузок под тяжестью шлаковых отложений, или из-за золового износа.
К износу труб приводят неравномерность газового потока и большое содержание летучей золы. Интенсивной коррозии пароперегревателей способствуют шлаковые отложения.
На ряде электростанций отмечаются повреждения сварных соединений экономайзеров (материал труб — сталь 20). В большинстве случаев повреждения представляют собой игольчатые свищи в наплавленном металле или околошовной зоне. Повреждения появляются в начальный период эксплуатации после монтажа или ремонта и наблюдаются как в стыковых сварных соединениях труб, тан и в угловых сварных соединениях в местах приварки змеевиков к камерам. Игольчатые свищи образуются из-за интенсивного перегрева при сварке, вызывающего образование цепочек точечных включений по границам зерен. Технологические дефекты, вызывающие концентрацию напряжений (непровары, смещения кромок, прожоги, газовые поры и т. п.), интенсифицируют процесс образования свищей.
Трещины, обнаруживаемые на радиационных поверхностях нагрева, выполненных из плавиковых труб, однотипны по характеру и имеют усталостное происхождение. Причиной повреждений являются высокие напряжения от разностей температур между соприкасающимися панелями (ходами), обусловленные неравномерностью теплового потока и различными защемлениями. Циклический характер изменения напряжений связан главным образом с пусками и остановами котлов.
Одной из причин разрушений труб является также термическая усталость в зоне действия обдувочных аппаратов.
К категории усталостных относятся и трещины в композитных сварных стыках (аустенитная и перлитная стали) из-за отличающихся значений коэффициентов линейного расширения и предела ползучести.
Важным критерием эксплуатационной надежности котельных сталей является способность к пластической деформации при ползучести. Разрушению элементов котлов, изготовленных из стали с высокой длительной пластичностью, предшествует большая остаточная деформация. Заметное увеличение наружных размеров служит сигналом о наступлении опасного состояния и позволяет своевременно заменять ненадежный элемент. Пластическая деформация в месте концентрации напряжений уменьшает опасность внезапного хрупкого разрушения.
Способность металла накапливать определенную остаточную деформацию до разрушения используется для контроля труб поверхностей нагрева в процессе эксплуатации. Для этого диаметр труб периодически измеряется специальными шаблонами.
Задачей контроля состояния металла труб поверхностей нагрева является выявление и предотвращение аварийных остановов котлов при повреждениях труб из-за перегревов, эолового износа, газовой коррозии, из-за коррозионно-усталостных процессов и др.
Для целей дефектоскопии используются различные виды шаблонов, штангенциркули, толщиномеры «Кварц-6» и др. Поверхности нагрева, имеющие склонность к повышенной повреждаемости (НРЧ, водяной экономайзер и др.), обычно обеспечиваются внеплановым контролем.
Перегрев труб поверхностей нагрева, как правило, вызван тепловой разверкой или общими нарушениями режимов работы котлов. Наиболее чувствительны к нарушениям работы котлов топочные экраны, а также ширмы и конвективные пароперегреватели. Превышение допустимой температуры приводит к уменьшению долговечности металла труб. В зависимости от длительности и степени превышения фактической температуры над допустимой может быть вызвано ускорение ползучести и окалинообразование (коррозия) металла.
Местные перегревы труб до температуры, существенно превышающей расчетную, приводят к повреждениям: свищам, вздутиям, утонениям стенок и разрывам. Наиболее типичные причины перегрева — забивание труб (полное или частичное) шарами для прогонки поверхности нагрева после сварки, сварочным гратом, случайными предметами, попавшими в трубы при монтаже или ремонте, нарушение гидродинамики, образование отложений на внутренней поверхности, перекос температур по газовому тракту.
Оказывают влияние па надежность работы поверхностей нагрева также шлакование верхней части топочной камеры и конвективных поверхностей нагрева, неэффективность средств очистки, сжигание непроектного топлива, нарушение производственных инструкций и т. п.
Высокотемпературная газовая коррозия является одной из причин разрыва экранных труб НРЧ котлов СКД. Так, в котлах, работающих на твердом топливе, замена большинства экранных труб НРЧ производится примерно через 20 000—30 000 ч работы. В котлах, сжигающих сернистый мазут, трубы выходят из строя через 15 000—20 000 ч работы.
Причиной преждевременных разрушений металла труб поверхностей нагрева котлов является также нестабильность температуры металла, вызываемая изменением режима работы. Число таких изменений резко возрастает при работе котлов в переменных режимах. Повышение температуры металла поверхностен нагрева выше расчетного значения ускоряет процесс изменения структуры металла, а колебания температуры приводят к возникновению цикличных температурных напряжений. Колебания температуры оказывают влияние на коррозию внутренних поверхностен труб элементов котлов, вызывая разрушения защитной оксидной пленки. Совместное действие переменных напряжений ч коррозионных процессов может привести к значительному ускорению разрушения металла труб из-за взаимной интенсификации процессов.
В эксплуатации отмечено, что переменные температурные напряжения практически не оказывают влияния на снижение ресурса труб при максимальных температурах металла стенки ниже 500—520 °С, При более высоких уровнях температур это влияние резко усиливается и приводит к снижению ресурса труб в 3—5 раз по сравнению с расчетным [1.1, 1.2].
Эрозионный з о л о в о и и з и о с. Сжигание топлив повышенной зольности неизбежно влечет за собой интенсификацию эолового износа конвективных поверхностей, причем эоловому износу наиболее подвержен водяной экономайзер. Например, на котлах П-57 характерными зонами эолового износа являются первые и вторые по ходу газов калачи в рассечке водяного экономайзера до первых дистанционирующих стоек, внутренняя часть гибов у выходных коллекторов, внутренние и наружные гибы калачей в местах примыкания пакетов к боковым стенкам конвективной шахты, крайние змеевики с фронта и тыла конвективной шахты по всей ширине.
Опыт эксплуатации показывает, что скорость эрозионного износа приблизительно пропорциональна кубу скорости дымовых газов. Поэтому при проектировании эти скорости снижают. Например, в конвективном газоходе котла П-57, сжигающего экибастузский уголь с высокой зольностью, скорость дымовых газов на номинальной нагрузке составляет 6,5—7 м/с. Это обеспечивает 80 000—100 000 ч эксплуатации котла без замены труб из-за износа. Все гибы труб конвективных поверхностей оснащены защитой от эрозионного износа.
Повреждения и отказы в работе трубопроводов. Основными источниками повреждений трубопроводов являются:
дефекты производства труб технологического происхождения — плены, закаты, трещины и др.;
непровары и шлаковые включения в сварных соединениях, трещины в сварочном шве и в околошовной зоне под действием остаточных напряжений и влияния термического цикла сварки;
трещины в сварных тройниках и местах приварки штуцеров;
повреждения гибов из-за чрезмерной овальности и низкой деформационной способности металла;
чрезмерные термические компенсационные напряжения;
тепловая усталость металла в результате длительной эксплуатации;
коррозионно-эрозионный износ трубопроводов питательной воды;
повышение расчетного рабочего давления.
Дефекты технологического производства паропроводов и перепускных труб котла, включая дефекты термической обработки, практически те же, что и у труб поверхностей нагрева,
Рис. 5.6. Схема расположения трещин в сварных тропинках:
а — типы I—III; б - тип II, в- тип III
Опыт эксплуатации паропроводов показывает, что больше всего повреждаются сварные соединения труб и литых корпусных деталей (арматура, тройники, клапаны) из хромомолибденовопадиевой стали.
Характерны повреждения околошовной зоны (после 10 000—15 000 ч эксплуатации) и разупрочнения участка зоны термического влияния основного металла, расположенного па расстоянии 3—5 мм от линии сплавления (после 50 000—70 000 ч эксплуатации) [5.12].
В сварных тройниковых соединениях и местах вварки штуцеров паропроводов наблюдаются три типа повреждений (рис. 5.6):
тип I —паукообразное растрескивание в металле шва (рис. 5.6, а);
тип II — кольцевые трещины по участку перегрева околошовной зоны вблизи границы сплавления, распространяющиеся от концентраторов напряжений в месте перехода шва к трубе (рис. 5,6,б);
тип III — кольцевые трещины по разупрочненному участку (мягкой прослойке) зоны термического влияния, проходящие на расстоянии 2—3 мм от линии сплавления (рис. 5,6, а и в).
Разрушения гибов паропроводов и перепускных труб обусловлены искажением формы поперечного сечения при гибке, утонением стенки в месте гиба, низком жаропрочностью и длительной пластичностью металла, а также эксплуатацией при температуре выше расчетной. Ускорению процесса высокотемпературного разрушения гибов способствуют добавочные напряжения, возникающие из-за защемления опор, подвесок и пр. Существенную роль играют изменяющиеся во времени термические, напряжения, появляющиеся при пусках, остановах и резких изменениях режима работы котла.
Разрушение гибов перепускных или паропроводных труб обычно начинается с образования трещины на наружной поверхности вдоль наиболее растянутого при гибке волокна. В этом месте действуют наибольшие дополнительные растягивающие напряжения, вызываемые изгибом поперечного сечения из-за уплощения труб при гибке, а толщина стенки минимальна вследствие вытяжки. Реже наблюдаются повреждения из-за трещин, развивающихся с внутренней стороны в районе нейтральных волокон, где дополнительные изгибные растягивающие напряжения могут достигать большой величины. Кроме того, здесь отрицательную роль играют коррозионно-усталостные процессы. Осмотр очищенного от окалины и ржавчины разрушенного гиба обычно позволяет выявить систему неглубоких трещин (до 0,8—1,0 мм), расположенных параллельно основной трещине.
В связи с существенной зависимостью долговечности гибов от исходной овальности целесообразно, чтобы она не превышала 4 %. До реализации мероприятий, позволяющих обеспечить такое требование при изготовлении гибов, целесообразно маркировать каждый гиб с овальностью более 4 % с указанием фактических значений овальности и толщины стенки в растянутой зоне. Это позволит резко снизить объем эксплуатационного контроля гибов, ограничиваясь проверкой небольшого числа наименее надежных из них. Дефектные гибы ремонту не подлежат, их надо заменять.
На паропроводах свежего пара блоков СКД иногда наблюдаются повреждения штуцеров дренажных и импульсных линий. Причина повреждений — исчерпание длительной прочности при изгибе, вызванном компенсационными напряжениями. Количество повреждений штуцеров можно резко сократить, если на штуцере после конического перехода на меньший диаметр выполнить цилиндрический участок длиной около одного диаметра, разнося таким образом в разные места концентратор напряжения из-за перехода от цилиндра к конусу и зону термического влияния шва, обладающую пониженной деформационной способностью при изгибе.
