В процессе длительной эксплуатации паропроводов в условиях ползучести в металле накапливается остаточная деформация. Скорость ее развития с одной стороны зависит от чистоты и качества металла, типа исходной структуры и величины зерна, однородности свойств и интенсивности происходящих структурных изменений. С другой стороны, не менее важное значение имеют условия эксплуатации: рабочая температура и напряжение, режимы нагрева и охлаждения, количество пусков — остановов и другие.
Влияние этих факторов приводит к тому, что трубы различных типоразмеров, работая в одинаковых условиях, могут иметь различную пластическую деформацию и даже трубы одного размера в зависимости от качества поставки и термообработки могут вести себя по-разному.
Критерием, определяющим эксплуатационную надежность паропроводов, является накопленная суммарная остаточная пластическая деформация и скорость ползучести, которые являются результатом происшедших в металле изменений структуры и свойств.
С увеличением времени эксплуатации при высоких температурах в стали по границам зерен возникают повреждения, которые ограничивают способность металла деформироваться. После достижения определенной величины пластической деформации, характерной для данного состояния при определенных условиях нагружения, происходит разрушение. Способность сталей к накоплению повреждений и предельная деформация для различных классов и марок сталей оказались различными. Так, проведенные исследования кинетики образования пор в металле труб при максимально допустимых для стали 12Х1МФ температуре 585°С и напряжении σ=100 МПа в условиях сложнонапряженного состояния [114] показали, что при деформации 2,0—2,5% начинается интенсивное образование цепочек пор по границам зерен, что приводит в конечном счете к развитию магистральной трещины и разрушению. В то же время исследования развития повреждаемости металла труб из стали 12Х18Н12Т с нормированным зерном при t=650°С и σ=130 МПа показали, что предельная деформация составляет 3—4%.
В работе [135] сформулирован принцип соответствия, согласно которому наилучшим является сочетание ползучести и длительной прочности, когда ресурс пластичности εпл в 2—3 раза больше допустимой деформации εдоп·
По данным [135] ресурс пластичности стали 12МХ, определенный по обобщенным диаграммам, при 510°С равен Г%, а при 540°С 0,5%. Поэтому выбор допустимой деформации для хромомолибденовых сталей, равной 1%, не гарантирует, по-видимому, безопасной работы паропроводов, так как его ресурс пластичности при рабочей температуре едва достигает этой величины. Для стали 12Х1МФ ресурс пластичности при 510°С, определенный при довольно высоких напряжениях, равен 7%, а при 540°С 10%. Приведенные результаты свидетельствуют о том, что выбор 1%-ной допускаемой деформации для этой марки стали также не обоснован, так как сталь может работать при деформациях, превышающих 1%.
Согласно обобщенным данным [82] длительная пластичность образцов сталей Х18Н12Т и Х18Н9Т с нормированным зерном при температуре 600—610°С за 5 тыс. ч испытаний при σ=150 МПа снижается до 3— 4%. При этих же условиях испытаний суммарное удлинение образцов при длительном разрыве 12%-ной хромистой стали марки ЭИ-756 составляет 10—13%.
В связи с этим представляется необоснованным выбор допускаемой деформации ползучести 1% для любой из марок котельных сталей.
На основании многочисленных результатов исследований и анализа роста остаточной деформации при длительных сроках эксплуатации представляется целесообразным рекомендовать для низколегированных жаропрочных сталей следующие пределы допускаемой в эксплуатации деформации в зависимости от марки стали: 12Х1МФ — 1,5%; 15Х1М1Ф — 1%; 12МХ и 15ХМ — 0,8%.
Для аустенитных сталей (с нормированным зерном) типа 12Х18Н12Т и 12%-ной хромистой стали ЭИ-756 требуются дальнейшие исследования и обобщение эксплуатационных данных по значению предельной деформации, предшествующей разрушению труб.
Кинетика изменения структуры и свойств стали в процессе длительной эксплуатации чрезвычайно сложна. Это связано прежде всего с тем, что понятие структурной нестабильности включает в себя множество различного рода процессов, протекающих в металлах — особенно при сложном легировании. Как было указано, при высоких температурах в низколегированных перлитных, 12%-ных хромистых и в сталях аустенитного класса в процессе эксплуатации существенно изменяются микроструктура, фазовый состав, легированность твердого раствора. При этом заметно изменяются жаропрочные свойства металла, количество и размеры упрочняющих фаз. Такие изменения не могут определяться только пластической деформацией ползучести, которая для большинства паропроводных труб после 100 тыс. ч эксплуатации составляет не более 0,2—0,4% Исследования металла труб паропроводов из сталей 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ после расчетного срока эксплуатации свидетельствуют о том, что с увеличением времени эксплуатации заметно снижается уровень длительной прочности, пределы прочности и текучести. Предел длительной прочности низколегированных сталей после 100—200 тыс. ч эксплуатации часто находится на нижней границе допустимого 20%-ного разброса гарантированных значений, предусмотренных ТУ-14-3-460-75. Многочисленные исследования паропроводов из перлитных сталей, работающих при температуре 540— 570°С и давлении 14 МПа, и паропроводов с поперечными связями, работающих при 500—540°С и 10—11 МПа, показали отсутствие в микроструктуре скоплений пор, видимых под оптическим микроскопом после длительного расчетного времени эксплуатации. Следовательно, ухудшение эксплуатационных характеристик сталей после расчетного срока можно отнести не только за счет пластической деформации и развития повреждаемости, но и за счет изменения при высокотемпературном старении исходной структуры стали, обеднения твердого раствора легирующими элементами, развитием процессов коагуляции и сфероидизации упрочняющих фаз. Снижение длительной прочности металла паропроводов и элементов котла после 100 тыс. ч эксплуатации обусловлено преимущественно структурными изменениями, приближающими металл к более равновесному состоянию.
Таким образом, оценку работоспособности длительно работающего металла котла и паропроводов при высокотемпературной ползучести можно вести по изменению предела длительной прочности до тех пор, пока эти изменения вызваны структурными и фазовыми превращениями, и в металле не обнаружено заметной повреждаемости в виде скопления цепочек пор и микротрещин. Эти рекомендации могут быть отнесены к элементам котла и паропроводов, изготовленных из низколегированных сталей и проработавших более расчетного срока, в которых наблюдается заметное изменение типа микроструктуры, снижение прочностных характеристик по сравнению с исходным состоянием и отсутствуют повреждения, видимые под микроскопом.
Определение фактического уровня предела длительной прочности в условиях эксплуатации можно проводить путем замеров длительной горячей твердости стали при соответствующих коэффициентах перевода (см. стр. 99), после чего согласно нормам расчета [101] определяется коэффициент запаса прочности для различных типоразмеров труб по формуле
где
— фактический предел длительной прочности металла после 100 тыс. ч эксплуатации, МПа; σпр — проведенное напряжение, МПа:
где р — давление, МПа; D — наружный диаметр, мм; S — толщина стенки, мм.
В более поздний период эксплуатации, когда под оптическим микроскопом в структуре стали выявляются единичные поры, трубы должны быть подвергнуты восстановительной термообработке, если размер пор меньше критического [20] или, в случае невозможности проведения термообработки, сняты с эксплуатации. Этот вопрос в каждом отдельном случае решается специальной экспертно-технической комиссией. После длительной эксплуатации элементов котла и паропроводов имеются отдельные случаи накопления в металле труб чрезмерно большой деформации вследствие изменения ударной вязкости и прочностных характеристик металла. В этом случае также целесообразно проведение восстановительной термической обработки для повышения надежности.
После 150—200 тыс. ч эксплуатации паропроводов в связи с возможностью перехода на ускоренную стадию ползучести необходимо вести учет не только роста суммарной пластической деформации труб, но и скорости ползучести.
При этом скорость ползучести υпол, мм/(мм-ч), определяется поэтапно между двумя замерами по формуле
где ε — относительная деформация, мм/мм; τ — время эксплуатации, ч.
Путем построения зависимостей деформация — время и скорость ползучести — время можно обнаружить период интенсивного роста ползучести труб, который соответствует началу критической стадии ползучести.
Наличие в микроструктуре видимых под оптическим микроскопом цепочек пор и микротрещин по границам зерен является недопустимым, и металл должен быть снят с эксплуатации, так как залечивание таких несплошностей путем восстановительной термообработки не происходит.
Развитие сфероидизации и коагуляции выделившихся фаз в процессе эксплуатации приводит к более заметному, чем при комнатной температуре, снижению прочностных характеристик стали при рабочей температуре. В связи с этим в качестве критерия степени разупрочнения металла при эксплуатации можно рекомендовать отношение предела прочности при рабочей температуре к пределу прочности при комнатной температуре. В исходном состоянии при температурах 560—575°С отношение
для стали 12Х1МФ согласно [99] находится в пределах 0,6—0,84. После 100 тыс. ч эксплуатации это отношение заметно снижается, например, для разрушенных гибов труб паропроводов из стали 12Х1МФ оно находится в пределах 0,45—0,48. Поэтому представляется возможным рекомендовать отношение 
как критерий работоспособности металла паропроводов и гибов из низколегированных теплостойких сталей в процессе длительной эксплуатации. В случае снижения указанного отношения до 0,5 и менее необходимо провести тщательное обследование металла с определением Фактического уровня запаса прочности труб. При установлении допустимых пределов по этому критерию для других классов сталей требуется дальнейшее накопление экспериментальных данных.
Согласно [38] критическим является отношение, при котором предел прочности при рабочей температуре составляет по абсолютному значению меньше, чем 50% предела прочности металла, испытанного при 20°С в исходном состоянии. Авторы предлагают установить признание повреждаемости металла по кратковременным испытаниям. В случае заметной повреждаемости в процессе эксплуатации одновременно снижаются значения предела прочности и пластичности стали. При этом предел прочности уменьшается не из-за обеднения твердого раствора легирующими элементами, процессов коагуляции и сфероидизации, а вследствие образования микротрещин и несплошностей в виде пор по границам зерен и плоскостям скольжения при развитой степени пластической деформации ползучести.
Проведенные исследования, анализ и обобщение данных о свойствах длительно работавшего металла дают возможность рекомендовать некоторые критерии оценки качества металла паропроводов из сталей 12МХ, 15ХМ и 12X1МФ после расчетного срока службы, т. е. 100 тыс. ч.
На основании обследования состояния паропроводов из сталей 12МХ и 15ХМ электростанций высокого давления после 100—170 тыс. ч эксплуатации при температуре 500—510°С и давлении 10—11 МПа, а также изучения изменения свойств сталей после старения при более высокой, чем эксплуатационная, температуре установлено, что трубы из хромомолибденовых сталей сохраняют стабильность структуры и свойств при указанных параметрах до 250—300 тыс. ч эксплуатации [65].
После 100 тыс. ч эксплуатации критерием оценки работоспособности металла труб паропроводов из хромомолибденовых сталей можно считать микроструктуру, фазовый состав и длительную прочность. Дифференциация перлита до 5—6-го балла шкалы ВТИ, присутствие в стали более 30% сложного кубического карбида м23С6 и коэффициент запаса прочности менее 1,2, определенный по фактическому пределу длительной прочности, характеризуют сталь как непригодную к дальнейшей эксплуатации. Определение длительной
прочности хромомолибденовых сталей можно проводить по горячей твердости.
Необходимо отметить, что указанные изменения происходят прежде всего на гибах, прошедших термическую обработку в межкритическом интервале температур и имеющих перекристаллизованную структуру.
Для паропроводов блоков 150 и 200 МВт из стали 12Х1МФ, которые отработали или приближаются к расчетному сроку эксплуатации, оценка надежности работы труб в эксплуатации при температуре 570—545°С и давлении 14 МПа осложняется тем, что по своим свойствам и структуре они могут значительно отличаться друг от друга даже в пределах одного паропровода. Это связано с повышенной чувствительностью марки стали к режиму термообработки и получением различных типов структур при отклонениях от установленного режима. В связи с этим на паропроводах этих блоков наблюдается обширная гамма структур и. свойств.
После 100 тыс. ч эксплуатации паропроводы из стали 12Х1МФ по структурному состоянию можно разделить на две группы: феррито-карбидная и феррито- бейнитная (частично перлитная) структуры. Эти два состояния значительно отличаются по уровню длительной прочности и пластичности, скорости ползучести и развитию повреждаемости. Незначительная часть труб, которая к настоящему времени из-за повышенной ползучести снята, имела, как правило, ферритную структуру с крупными включениями карбидов и низкую жаропрочность (примерно 40—50% гарантированных значений).
С целью прогнозирования работоспособности металла паропроводов после расчетного срока эксплуатации представляется целесообразным рекомендовать следующие критерии для труб из стали 12X1МФ:1) скорость ползучести, 2) суммарная остаточная деформация, 3) наличие повреждений, видимых под оптическим микроскопом при увеличении в 500 раз, 4) коэффициент запаса прочности, определенный по фактическому уровню длительной прочности металла.
Путем замеров диаметров труб и подсчета скорости ползучести после. 100 тыс. ч эксплуатации можно выявить период начала развития третьей стадии ползучести, на которой в металле паропроводов происходит интенсивное образование и рост пор до размеров более 0,2 мм, последние выявляются под оптическим микроскопом. Такого рода несплошности не «залечиваются» при восстановительной термической обработке и трубы должны быть сняты с эксплуатации.
Для отбраковки труб с недопустимой остаточной деформацией после 100 тыс. ч эксплуатации необходимо вести также учет роста суммарной деформации. Наличие на прямых трубах 0,8—0,9% деформации даже в одном из замеряемых сечений является основанием для тщательного исследования металла таких труб (для паропроводов из стали 12Х1МФ, прошедших нормализацию и отпуск, допустимая предельная деформация рекомендуется 1,5%).
На прямых участках гибов ни в одном из сечений деформация не должна превышать 0,7%· Эта цифра определена путем замеров деформации на прямых участках труб вблизи от места разрушения, а также на основании исследования деформационной способности гнутых труб при стендовых испытаниях [62, 131].
Достижение 0,5% деформации на прямом участке является признаком развития ползучести в металле гиба и требует ежегодного дефектоскопического контроля гнутых отводов на наличие трещин.
При металлографическом исследовании вырезанного металла после 100 тыс. ч эксплуатации представляется обязательным контроль структуры на повреждаемость. Исследования должны проводиться на шлифах, вырезанных из различных мест трубы, так как повреждаемость развивается локально и преимущественно на более утоненных участках труб, где действуют большие напряжения. Обнаружение скопления пор в виде цепочек по границам зерен, видимых при увеличении в 500 раз, является недопустимым, и металл должен быть снят с эксплуатации. Восстановительную термическую обработку гибов можно производить при условии размеров единичных пор не более 0,2 мм.
Основанием для определения фактического уровня длительной прочности металла после продолжительного эксплуатационного старения является снижение кратковременных прочностных свойств ниже требований технических условий или отношения σвt/σв20 меньше 0,5. В случае невозможности определения жаропрочных характеристик стали стандартным методом приближенное определение уровня длительной прочности низколегированных сталей можно проводить по замерам горячей твердости, при этом переводной коэффициент для стали 12Х1МФ с феррито-карбидной структурой после 100 тыс. ч эксплуатации составляет 0,15— 0,17, а при наличии в микроструктуре бейнита (перлита) 0,19-0,20.
В заключение необходимо отметить, что надежность эксплуатации паропроводов из стали 12Х1М.Ф определяют прежде всего гнутые отводы труб. Вследствие этого на гибах в первую очередь необходимо осуществлять внешний осмотр, замеры деформации и при необходимости ежегодно проводить дефектоскопию.
