4.2.1. Механические свойства.
Надежность работы энергооборудования в значительной степени зависит от качества металла его деталей и узлов. Директивными материалами [23] при входном контроле и в процессе эксплуатации блоков 300 МВт и выше предусмотрен выборочный контроль металла паропроводов без вырезки образцов. Контроль включает исследование микроструктуры с помощью оттисков или сколов, карбидный анализ и определение механических свойств стали.
Контроль микроструктуры металла с помощью оттисков, предложенный Мосэнерго [45], широко вошел в практику работы лабораторий и служб металлов. Исследование микроструктуры с помощью сколов осуществляется специально заточенным кляйстмессером. Рабочая поверхность инструмента доводится примерно до 8x2 мм, после чего на паропроводе производится скол с площадки длиной примерно 12—15 и шириной 8—10 мм. Высота скола не должна превышать 2 мм. После взятия скола производится плавная зачистка кромок лунки для устранения концентрации напряжений. Снятие скола на гибах проводится со стороны сжатых волокон. Для изготовления шлифов сколы заливаются специальным составом, при этом для удаления деформированного слоя необходимо снять с поверхности примерно 0,5 мм металла. Дальнейшее приготовление шлифа производится по обычной методике.
Карбидный анализ жаропрочных сталей аустенитного и перлитного классов в производственных условиях осуществляется согласно [116].
Важным критерием оценки работоспособности металла являются его механические свойства. В практике изготовления труб возникает необходимость определения свойств металла на готовых изделиях без вырезки и испытания образцов. Это часто обусловлено невозможностью или сложностью вырезки металла, а также большим объемом и трудоемкостью контроля. Предназначенные для этой цели переносные твердомеры со статическим нагружением довольно громоздки и имеют сложное крепление. В настоящее время широкое применение в энергетике нашли приборы динамического действия. Так, для определения твердости применяются малогабаритные переносные твердомеры ударного действия с инденторами в форме шара Ø 5 и 10 мм или двустороннего конуса с углами при вершине 136°. Такой конус аналогичен пирамиде Виккерса и дает стандартные числа твердости HV, которые для значений меньше 400 HV равны числу твердости по Бринеллю.
Прибор ВПИ-3К (ТУ 34-2907-72) разработан Волгоградским политехническим институтом под руководством М. С. Дрозда [31] и предназначен для измерения сравнительной твердости стали по Виккерсу методом ударного вдавливания конического индентора.
Схема прибора представлена на рис. 4.8. Для проведения замеров прибор с вставленным эталоном 2 устанавливается индентором 1 перпендикулярно поверхности испытуемого материала и плавно прижимается к ней до появления характерного щелчка. Прижатие прибора к поверхности детали вызывает смещение штока 3 относительно гайки 4 и корпуса 5 в сторону крышки 9. При этом захваты 8, поворачиваясь вокруг оси 7, освобождают ударник 6, который, двигаясь вдоль штока 3, наносит удар по его заплечикам. В результате этого происходит одновременное внедрение двустороннего конуса в испытуемый металл и эталон.
Рис. 4.8. Схема переносного твердомера ВПИ-3К.
Для измерения твердости по диаметру отпечатка используются отсчетные микроскопы типа МБ-2; значения твердости находятся по таблицам приложения к ГОСТ 18661-73.
Прибор ВПИ-2 (ТУ 34-2906-72) предназначен для измерения сравнительной твердости стали по Бринеллю методом ударного внедрения шарового индентора (шарик Ø 5 мм). Схема прибора представлена на рис. 4.0. Для подготовки и нанесения удара рычаг 4 поворачивают вокруг штифта 9, при этом тяги 10 своими захватами перемещают боек 6 в сторону крышки 8 до западания буртика фиксатора 13, после чего прибор готов к работе. Рычаг 4 удерживается от самопроизвольного поворота вокруг оси пружинкой 11, укрепленной на корпусе 7 с помощью винта 12. При нажатии пускового крюка 16 буртик фиксатора 13 перемещается по часовой стрелке вокруг оси 14, сжимает пружину 15 и освобождает боек 6. При этом под действием пружины 5 боек наносит удар по штоку 3, вызывая одновременное вдавливание шарика 1 и в испытуемую деталь, и в эталон 2.
Рис. 4.9. Схема твердомера ВПИ-2.
Твердость, отражающая сопротивление металла пластической деформации при вдавливании индентора (шарика или конуса), косвенно характеризует его прочность. Для горячекатаных котельных труб и литых деталей авторами [105] обработаны математически результаты исследования сталей более 100 марок и для каждой марки получены эмпирические зависимости. Ниже приведены некоторые из них (значения σ выражены в мегапаскалях).
4.2.2. Контроль ползучести.
Ползучесть металла паропроводов является основным критерием надежности и долговечности металла труб, работающих на электростанциях высоких и сверхкритических параметров.
К устройствам, предназначенным для наблюдения за ползучестью паропроводов, предъявляются требования высокой точности и надежности. Эти устройства основаны на измерении приращения диаметра паропровода при его работе. Благодаря систематическим измерениям диаметра трубы можно судить не только о суммарной остаточной деформации, но и об изменении скорости ползучести металла труб и вовремя предупредить аварии. В настоящее время в большинстве случаев применяются устройства, позволяющие измерять диаметр прямых труб паропроводов лишь в холодном состоянии со снятой изоляцией. Практически нет устройств для контроля ползучести гибов труб. В то же время точные измерения ползучести значительно повысили бы надежность работы гибов паропроводов.
Контроль остаточной деформации по бобышкам, который проводится на электростанциях согласно инструкции [43], имеет преимущества благодаря относительной простоте изготовления и монтажа приспособлений для контроля. К недостаткам метода относится низкая достоверность измерений из-за возможного перекоса измерительного инструмента.
Рис. 4.10. Устройство для измерения диаметра труб при помощи ленты с измерительными ножницами.
а — с постоянно установленной лентой и распорной пружиной; б — с параллелограммом для равномерного натяжения ленты; 1 — шкала; 2 — ограничитель; 3 — пружина; 4 — указатель; 5 — изоляция; 6 — лента.
Кроме того, в процессе длительной работы происходят загрязнение бобышек. На результат сильно влияет качество измерительного инструмента, в частности, силы прижатия измеряемой поверхности к бобышкам с помощью микрометрического винта. Фактическая погрешность метода замера по бобышкам может достигать 0,1—0,15 мм. Для устранения перекоса при измерениях Л. И. Соколовым [130] предложена конструкция бобышки, позволяющая фиксировать мерительный инструмент в одном положении. За рубежом применяются раздвижные скобы различных конструкций, замеры производятся индикаторами, которые дают возможность увеличить точность показаний.
В настоящее время предложено несколько методов измерения окружности трубы при помощи постоянно закрепленной на трубе окалиностойкой ленты. Для измерения приращения диаметра труб в рабочем состоянии гибкую ленту снабжают постоянным указателем, выступающим за изоляцию, что дает возможность наблюдать и измерять ползучесть в рабочем состоянии.
В качестве одного из таких вариантов М. С. Масленниковым [88] предложено применять «измерительные ножницы» с распорной пружиной и измерительной шкалой (рис. 4.10). Точность измерения при этом по сравнению с измерением по бобышкам увеличивается, так как на шкале фиксируется фактическое приращение диаметра. Возможны различные варианты конструктивного решения ленточных устройств. К основным их недостаткам следует отнести возможность релаксации металла закрепленной ленты и наличие большого трения между лентой и трубой.
Не менее важное значение имеет сохранение в производственных условиях исправности вмонтированных пружин, измерительных устройств и приспособлений в течение длительного времени эксплуатации паропроводов, повреждающихся под действием высокой температуры, вибрации, коррозии и других причин.
На ряде электростанций системы Мосэнерго установлены устройства МЭИ [32] и накоплен опыт их применения. На рис. 4.11 показана схема этого приспособления для наблюдения в эксплуатационных условиях в холодном и горячем состоянии за ползучестью паропроводов без съема изоляции. В качестве критерия ползучести также используется скорость роста диаметра паропровода во времени. Жесткая скоба 1 одним концом приваривается к половине окружности паропровода, а другой конец остается свободным. К нему прикрепляется стержень 2, который через трубку 3 выводится за пределы теплоизоляции паропровода. Трубка 3 также приваривается к паропроводу со стороны, диаметрально противоположной прихваченному концу скобы. При увеличении диаметра паропровода вследствие ползучести конец стержня перемещается вдоль трубки 3.
Рис. 4.11. Устройство МЭИ для наблюдения за ползучестью паропроводов в эксплуатационных условиях.
а — установка втулки на индикаторе по контрольной плитке; б — установка индикатора со втулкой на трубе при измерениях; 1 — скоба; 2 — стержень; 3 — труба; 4 — наконечник стержня; 5 — наконечник трубки; 6 — защитный колпачок; 7 — кожух; 8 — проволока; 9 — втулка; 10 — контрольная плитка, 11 — индикатор.
Рис. 4.12. Схема приспособления ВТИ для непрерывного контроля ползучести труб и гибов паропроводов.
1 — шток; 2 — измерительная лента; 3 — стержень; 4 — корпус; 5 — опора; 6 — пружина; 7 — подвижная втулка.
С возрастанием диаметра паропровода расстояние между торцевыми поверхностями стержня 2 и трубки 3 увеличивается, что фиксируется специально установленным индикатором 11. По показаниям индикатора, которые отражают изменение диаметра паропровода, можно судить о скорости ползучести. Кривые изменения диаметра паропровода во времени, полученные указанным устройством на ряде электростанций, показали достаточную надежность метода, при этом его точность на работающем паропроводе равна +0,02 мм, а на холодном паропроводе +0,01 мм. Опыт эксплуатации показал, что устройство МЭИ позволяет вести регулярное эксплуатационное наблюдение за ползучестью паропроводов при рабочих параметрах и обеспечивает более высокую точность замеров, чем по приваренным бобышкам.
Рассмотрим устройство непрерывного контроля ползучести паропроводов, разработанное во ВТИ. В этом приспособлении основным элементом, связывающим металл паропровода с измерительным устройством, является гибкая лента, изготовленная из нержавеющей стали (рис. 4.12). Измерения производятся без снятия ленты в холодном и горячем состоянии паропровода. В качестве основного критерия ползучести также используется скорость увеличения периметра трубы паропровода.
Измерительная лента опоясывает трубу паропровода. Один конец ленты неподвижно закреплен на хомуте, охватывающем трубу, второй связан со штоком измерения. Шток может перемещаться в продольном направлении при изменении положения свободного конца ленты. Приращение периметра трубы паропровода определяется изменением расстояния между верхними торцами корпуса и опоры. Лента находится под натяжением пружины, расположенной между втулками. Подвижная втулка, передающая усилие пружины через шток на ленту, позволяет изменять это усилие при помощи специального натяжного ключа. Замеры проводятся при помощи объемного индикатора. Сверху измеритель закрывается крышкой, а лента накрывается кожухом. Устройство закрывается теплоизоляцией. Точность измерения ползучести на работающем паропроводе составляет ±0,02 мм. Преимуществом ленточного устройства ВТИ является возможность измерения приращения периметра трубы не только на прямых трубах, но и на гибах. В приложении к инструкции по использованию устройства для эксплуатационного контроля деформации паропроводных труб разработаны специальные формуляры для пользования на электростанциях, в которых фиксируется изменение расстояния между плоскостями измерителя. По этой величине можно определить относительную деформацию и скорость ползучести металла труб и гибов паропроводов.
Для контроля ползучести паропроводов, изготовленных из аустенитной стали, на одной из ТЭЦ использован метод вдавливания лунок шариком диаметром 6 мм вместо установки бобышек. Для обеспечения соосности лунок использовалась специальная скоба. Измерение диаметра паропроводов по лункам выполнялось специальным микрометром с затупленными на конус наконечниками штифтов или с наклеенными на них сферами.
В различных опытных измерениях деформации ползучести на электростанциях применяются различные приспособления и методы, однако следует отметить, что давно назрела необходимость упорядочить, усовершенствовать и облегчить производство замеров ползучести с учетом накопленного опыта. Для этой цели необходимо внести соответствующие коррективы в инструкцию, где должны быть представлены более современные методы измерений.
В последнее время для выявления несплошностей металла широкое распространение получил метод акустической эмиссии, основанный на измерении деформационных шумов материала [40]. По этому методу с помощью специально разработанной аппаратуры на стенде ВТИ определялась возможность контроля за нарушением сплошности металла трубы в условиях ползучести. В результате проведенных исследований было установлено, что метод акустической эмиссии обладает высокой чувствительностью к процессам разрушения металла. При этом через 5 ч после начала испытаний труб паропроводов из стали 12Χ1Μ.Φ было зарегистрировано резкое возрастание интенсивности акустической эмиссии, а еще через 4 ч произошел разрыв трубы. Причиной разрыва явился дефект в виде несплошности размером около 3 см и сопутствующее ему явление ползучести. Данный метод, как видно, может найти применение в энергетике для осуществления контроля за нарушением сплошностей металла паропроводов. Однако основными трудностями его внедрения, очевидно, будет влияние различных производственных шумов, подавляющих сигналы об опасности разрушения паропроводов.
