ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
КОНТРОЛЬ ЗА МЕТАЛЛОМ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ БЛОКОВ
500 и 800 МВт
3-1. СИСТЕМА КОНТРОЛЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ
Результаты многочисленных исследований, мировой опыт изготовления и эксплуатации современных электростанций показывают, что вследствие ряда причин в сложном процессе конструирования, изготовления, монтажа и эксплуатации неизбежно возникают те или иные дефекты, которые под воздействием среды, высоких температур и напряжений на электростанциях могут привести к разрушению оборудования. Поэтому для обеспечения долговечности и надежности оборудования мощных блоков разработана и непрерывно совершенствуется система контроля за металлом в процессе эксплуатации, которая должна быть органически увязана с проектированием и контролем за металлом при изготовлении оборудования. Контроль необходим для определения соответствия проектным требованиям свойств металла как отдельных элементов, так и всего пароводяного тракта в целом.
Из опыта проектирования, изготовления и эксплуатации современных ответственных конструкций вытекает необходимость в применении комплекса мероприятий, важнейшей частью которых является 100%-ный иеразрушающий контроль. Его система должна охватывать методы, средства и технологии контроля, нормативы по объему и периодичности, а также критерии оценки и прогнозирования состояния металла на основе данных неразрушающего контроля. Поэтому проектирование оборудования и трубопроводов, в том числе компоновочных схем, должно выполняться с учетом возможности применения неразрушающих методов контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации. Кроме того, на этапе проектирования необходимо учитывать требования доступности конструкций, вытекающие из технических характеристик серийных средств контроля и специального вспомогательного оборудования (оснастки).
Эффективность и стоимость системы контроля зависят от выбора совокупности его методов, порядка их применения и нормативов дефектности. При этом следует иметь в виду, что методы неразрушающего контроля в настоящем время не всегда дают прямую информацию в виде геометрических размеров выявленных дефектов (см. § 9-2).
Все это обусловливает необходимость комплексного подхода при назначении неразрушающего контроля.
Надежность и безопасность работы металла энергооборудования и трубопроводов обеспечиваются высоким качеством материала, отвечающего проектным требованиям, оптимальным конструктивным оформлением оборудования и соответствующим контролем за сплошностью металла в течение расчетного ресурса нормальной эксплуатации.
В табл. 9-1 перечислены возможные причины повреждения металла конструкций с учетом его происхождения. Как следует из анализа, повреждения могут быть предупреждены своевременным выборочным контролем за химическим составом, механическими свойствами металла и широким применением неразрушающих методов контроля за состоянием металла при условии строгого соблюдения технологий на всех этапах изготовления, монтажа и эксплуатации оборудования электростанций.
Возможные повреждения металла оборудования и трубопроводов блоков 500 и 800 МВт
Причины повреждений | Происхождение повреждений |
Непригодность основного металла | Несоответствие химического состава, механических свойств, техническим условиям; металлургические дефекты; нарушение режимов технологической обработки |
Дефекты металла сварных соединений | Нарушение технологии сборочных операций и режимов сварки; неисправность сварочного оборудования; несоответствие химических свойств и термической обработки свариваемого металла техническим условиям; недостаточная квалификация сварщиков; дефекты сплошности основного металла; несоответствие сварочных материалов техническим, условиям, например из-за нарушения условий их хранения; несоблюдение последовательности наложения швов; несоответствие температуры окружающей среды; нарушение режимов термической обработки; ошибки при контроле |
Недостатки проектных решений | Технические условия, не отвечающие современным требованиям; нетехнологичные для изготовления узлы по условиям сварки, сборки, термической обработки, контроля; конструктивные концентраторы, связанные с формой изделий или компоновкой оборудования; неучтенные изгибающие весовые или термические напряжения |
Условия эксплуатации | Отклонения условий эксплуатации от проектных режимов, например по температуре, скорости прогрева и расхолаживания металла; нарушение водных режимов, особенно на границе пар—вода; циклические, в том числе малоцикловые, вибрационные нагрузки повышенного неучтенного уровня |
Оценить прочность металла можно по следующим предельным состояниям: пластической деформации во всем сечении детали; вязкому и хрупкому разрушениям; потере устойчивости; развитию макротрещин при циклических нагружениях; возникновению недопустимых изменений формы и размеров деталей, например, в процессе ползучести металла.
Из анализа действующих норм расчета на прочность следует, что в местах конструктивных концентраторов напряжений (сварные соединения, гнутые элементы, дефекты сплошности) запас прочности может оказаться недостаточным при отклонении от проектных условий эксплуатации. Кроме того, действующими техническими материалами [8-1] не учитываются возможность ускоренного развития трещин металла в местах коррозии под напряжением, исчерпание ресурса работоспособности металла при циклических нагружениях и вибрации, термические напряжения, вызванные перепадом температуры по толщине стенки в обогреваемых элементах котлов. Опыт эксплуатации и результаты исследований выявили следующие характерные особенности:
массовые и компенсационные напряжения трубопроводов имеют максимум, как правило, на гибах и закрепленных участках у неподвижных опор, тройников, клапанов;
большие изгибающие усилия действуют на сварные соединения, расположенные рядом с неподвижной опорой. Аналогичные нагрузки и нерасчетные деформации могут возникать в сварных соединениях труб- с жесткими деталями (арматура, тройники) [9-1]. В этих условиях сварные соединения с пониженной пластичностью металла проявляют повышенную склонность к. повреждениям [9-2];
остаточные напряжения в сварных соединениях паропроводов большого диаметра могут достигать 22—34 кгс/мм2 [9-3];
повреждаемость металла гибов труб водяных и пароводяных коммуникаций выше, чем гибов труб паровых коммуникаций [9-4];
известны случаи, когда металл сварных соединений и деформированных участков труб, например гибов, работает в экстремальных нерасчетных условиях высоких, напряжений [8-4, 9-5].
Из вышеперечисленного вытекает необходимость в специальной системе наблюдения за металлом во время эксплуатации электростанции для своевременного выявления аварийных ситуаций и обеспечения ее надежности и безопасности. Сложившаяся система неразрушающего контроля учитывает особенности проектных решений и опыт сооружения и эксплуатации электростанций.
Регламентируемый контроль нераэрушающими методами оборудования блоков 500 и 800 МВт
Примечание. УЗК—ультразвуковой контроль; КЦ—капиллярный цветной; МПД—метод магнитно-порошковой дефектоскопии.
В процессе изготовления неразрушающие методы применяются для подтверждения сплошности металла исходных материалов и полуфабрикатов (листов, труб, поковок, отливок, крепежа), а также для гарантии высокого качества и надежности сварных соединений. Технология изготовления оборудования на заводах предусматривает входной, пооперационный и приемочный контроль. При этом, кроме внешнего осмотра и измерения, обязательно применение ультразвуковой дефектоскопии (в отдельных случаях в сочетании с радиографией).
На строящихся электростанциях дополнительно предусматривается профилактический входной контроль. При обнаружении дефектов при выборочном контроле его объем увеличивается до 100%. Это
способствует сокращению трудозатрат на контроль при одновременном обеспечении высокого качества монтируемого оборудования.
Места и периодичность неразрушающего контроля за элементами пароводяного тракта котлов определены путем обобщения опыта эксплуатации электростанций и экспериментальных исследований на стендах. В табл. 9-2 дан перечень регламентируемого руководящими материалами [9-6, 9-8] неразрушающего контроля. Этому перечню предшествует внешний осмотр всех доступных поверхностей для обнаружения различных видов наружных дефектов.
Измеряемые параметры при неразрушающих методах контроля за сплошностью металла
Метод | Параметр | Коррелированные помехи |
Импульсная активная ультразвуковая локация дефектов в эхо-варианте | Время прихода, амплитуда, форма (спектр) импульса эхо- сигнала; направление и точка выхода лучей | Отражения от валика усиления сварных соединений, от неровностей поверхности, от неоднородностей структуры; реверберация в искательной головке; нарушения акустического контакта |
Импульсная активная ультразвуковая локация дефектов в теневом (на пропускание) или зеркально-теневом варианте | Амплитуда, форма (спектр) переданного импульса; направление, точка выхода лучей | Непостоянство условзй отражения от поверхности (для зеркального варианта); непостоянство акустического контакта; неоднородности структуры; реверберация в искательной головке |
Импульсная пассивная ультразвуковая локация дефектов по эмиссии волн напряжений (АЭ) в процессе, развития дефектов | Интенсивность (частота следования), амплитуда, форма (спектр) импульса (АЭ); степень локализации источника импульсов | Случайные электрические и радиопомехи: вибрация; случайные акустические шумы; структурная и объемная реверберация в изделии; реверберация в акустическом тракте вне контролируемого изделия |
Проекционное просвечивание рентгеновскими или гамма-лучами с регистрацией на фотопленку (радиография) | Размеры и координаты экстремумов плотности почернения фотопленки; контрастность изображения | Непостоянство толщины изделия, например из-за валика усиления сварного соединений, неровностей поверхности; геометрическая нерезкость изображения; нерезкость из-за движения источника излучения; рассеяние лучей, неточечность источника излучения; неоднородность и неравномерность слоя фотоэмульсии |
Капиллярные методы (цветные, люминесцентные) | Протяженность и яркость контрастного следа Hi поверхности над зоной металла с капиллярными свойствами | Адсорбция пенетранта неровностями поверхности; заполнение каналов дефектов (например, трещин) отложениями, окислами и т. п.; закупоривание выходов каналов на поверхность; препятствия для смачивания стенок каналов |
Магиитно-порошковэя дефектоскопия | Протяженность скоплений мелкодисперсных магнитных частиц на поверхности ферромагнитного металла в местах максимального градиента рассеянного магнитного поля в приложенном магнитном поле | Неровности поверхности; резкие изменения формы поверхности (например, галтели); неоднородная магнитная проницаемость металла из-за непостоянства химического состава и содержания фаз; следы остаточной намагниченности; местный наклеп и термообработка |
Вихретоковые электроин- дуктивные методы | Амплитуда и фаза вихревых токов (активная и реактивная составляющие вносимого электрического сопротивления), в том числе в зависимости от частоты колебаний | То же и неоднородность электрического сопротивления |
Метод | Параметр | Коррелированные помехи |
Электрические методы | Электрическое сопротивление металла изделия постоянному или переменному (импульсному) току | Неоднородность электрического сопротивления вследствие местной механической и термической обработок или непостоянства химического и фазового составов |
Контроль за не герметичностью течспеканием | Наличие протекающих газов (гелий, аммиак и др.) либо жидкостей с красителями или люминофорами | Капиллярные силы, заполнение капиллярных каналов отложениями и т. п. |
Контроль неразрушающими методами включает в себя следующие этапы: поиск и обнаружение неоднородностей металла (предполагаемых дефектов); измерение их характеристик (соответствующих данному методу контроля) на фоне помех; классификацию дефектов и косвенное определение их эквивалентных геометрических размеров; оценку сплошности металла (качества) по полученным данным и принятие решения. В табл. 9-3 приведены основные измеряемые параметры при отдельных неразрушающих методах контроля и указаны причины, затрудняющие расшифровку результатов. Для получения достоверных выводов требуется применять комплекс дополняющих друг друга методов. При эксплуатации развивающиеся дефекты могут быть идентифицированы по изменению данных измерений, относящихся к последовательным проверкам металла.
Главной количественной обобщенной характеристикой, которую можно получить на основе данных неразрушающего контроля, является мера соответствия состояния металла проектным требованиям. Она может быть определена исходя из вероятности пропуска сверхнормативных дефектов при выполнении всего предусмотренного контроля в условиях изготовления (на заводах), монтажа и периодического обследования металла на электростанциях.
Для вероятности р пропуска одного дефекта при контроле и вероятности q наличия одного дефекта в конструкции произведение pq=D дает вероятность наличия этого дефекта в конструкции после контроля. Соответствующая вероятность для п дефектов
Суммарная вероятность пропуска хотя бы одного дефекта с учетом любого количества (всех вариантов) дефектов в конструкции до контроля определяет вероятность наличия дефектов в конструкции после контроля. Она равна:
Поскольку в практике р<§[ 1, вышеприведенная формула упрощается путем разложения в ряд по малому р второго слагаемого:
Вероятность полного отсутствия дефектов в конструкции после предписанного контроля и соответствующего ремонта равна:
где N — количество дефектов в конструкции до контроля:
Расчеты по этим формулам подтверждают важность эффективного неразрушающего контроля при изготовлении энергооборудования и трубопроводов на заводах и необходимость входного контроля за поставленным металлом на электростанциях.
Многолетний опыт эксплуатации показывает, что с увеличением продолжительности службы возрастает опасность разрушения теплосилового оборудования вследствие исчерпания ресурсов длительной прочности и пластичности металла.
Это учитывается при назначении и проведении обследования металла оборудования блоков 500 и 800 МВт.
