Содержание материала

Структурные критерии определения категорий опасности и доли исчерпания ресурса элементов паропроводов
Накопленный в настоящее время в России и за рубежом экспериментальный опыт металловедческой оценки степени повреждения металла позволяет использовать ее как первый из критериев при определении категорий опасности и доли исчерпания ресурса элементов паропроводов, а также при выборе регламента их последующего контроля.
Дефекты (микроповрежденность) микроструктуры делятся по происхождению на две группы:

  1. технологические, обусловленные способом производства металла или изготовления детали, которые оцениваются по нормативным документам на технологию производства материала и технические условия на поставку деталей энергооборудования [16, 64-68];
  2. эксплуатационные, обусловленные номинальными рабочими параметрами или отклонениями от них, а также длительностью эксплуатации оборудования [12, 13, 69, 70].

Во многих публикациях [18, 53, 57, 71] отмечается, что на каждый этап развития разрушения элементов паропроводов при ползучести оказывает влияние исходная микроструктура металла. Большей долговечностью характеризуется сталь со структурой бейнита, меньшей — с феррито-карбидной структурой. Однако в [57] подчеркивается, что в сталях 12Х1МФ и 15Х1М1Ф с феррито-бейнитной структурой развитие микроповрежденности происходит медленнее, чем при феррито-карбидной структуре, только до момента образования единичных пор размером 1 мкм и более. Начиная с этого момента, процесс порообразования, зарождения и роста микро- и макротрещин развивается существенно быстрее в сталях с феррито-бейнитной структурой. Этот фактор требует особого внимания при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации элементов паропроводов.
Вблизи и за пределом паркового ресурса, в процессе индивидуального контроля живучести паропроводов, в частности, гибов, роль фактора «исходная микроструктура» может существенно ослабеть. Так, более дефектный от «рождения» гиб, испытавший неблагоприятные воздействия ремонта, опорно-подвесной системы, нерасчетных повышений температуры и воздействия значительного (500 и более) числа циклов «пуск-останов», может прожить существенно дольше, чем аналогичный гиб, имевший более благоприятную исходную микроструктуру.
Существенным элементом, также подтверждающим целесообразность индивидуального контроля «живучести» элементов паропроводов вблизи и за пределами паркового ресурса, являются результаты исследований Т. Г. Березиной [53]. В данной публикации сделан вывод, что относительная продолжительность третьей стадии ползучести перлитных сталей мало зависит от их структуры. Напомним, что третья стадия ползучести этих сталей может занимать 0,4-0,5 общего времени до разрушения.
В метрологии и технической диагностике повреждений элементов паропроводов критерий достоверности измерений микроповреждений должен быть основан на выполнении следующих условий:

  1. наличии системы мер (эталонов, образцов) характерных микроповреждений;
  2. применении двух-трех физически различных средств измерения (реплики, микрообразцы и т.п.);
  3. доведении методов и средств измерения до метролого-технологического процесса, включающего систему контроля квалификации технолога.

В настоящее время комплексная оценка поврежденности элементов паропроводов заключается в определении их категории опасности. При этом подразумевается сочетание ряда физических методов исследования неразрушающего характера и, как следующий шаг, оценка повреждения микроструктуры по репликам или микрообразцам.
Повреждения, выявляемые неразрушающими методами контроля, ультразвуковой, магнитопорошковой, цветной токовихревой дефектоскопии и т. д., дополняются микроструктурными характеристиками только при металловедческом анализе, осуществляемом с помощью пластиковых и другого типа реплик или микрообразцов (срезов металла).
Повреждение металла паропроводов ТЭС, работающего в условиях ползучести, в большинстве случаев прогрессирует на наружных поверхностях элементов [72]. Поэтому оценка микроповрежденности металла паропроводов по репликам и микрообразцам равноценны.
Результаты контроля и измерения микроповрежденности обычно дополняются результатами расчета долговечности элементов.
Излагаемая далее часть настоящего раздела характеризует металловедческий аспект метролого-технологического процесса для определения категории опасности элементов паропровода. Существенная часть металловедческого опыта сконцентрирована в конвенциальной системе мер, обычно называемой «шкала повреждений микроструктуры».
Повреждения микроструктуры обычно определяют методами оптической микроскопии при увеличении в 500-800 раз, вплоть до х 1000.
Отметим, что большинство разработанных в отечественной энергетике шкал повреждения микроструктур металла паропроводов характеризуют сталь 12Х1МФ, являющуюся модельной для теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей. Эти же шкалы можно использовать для характеристики микроповрежденности металла паропроводов из стали 15Х1М1Ф.
Шкалы, рекомендуемые для оценки повреждения микроструктуры низколегированных теплоустойчивых паропроводных сталей в зарубежной практике, распространяются на стали марок 13СrМо44 (1Сr, 0,5Мо), 10СrМо910 (2,25Сr,
1Мо) и 14MoV63 (0,5Сr; 0,5Мо; 0,25V).
На рис. 1.18 показана шкала Б. Нойбауэра и У. Веделя, которая имеет пять классов повреждений [24, 56].

Рис. 1.18. Схематическое изображение шкалы повреждаемости Б. Нойбауэра и У. Веделя
шкала повреждаемости сталей
Таблица 1.3. Зависимость Кт от поврежденности структуры порами


Балл

Характеристика повреждения микроструктуры х800

Кт

1

Единичные поры в количестве 1-2 в поле зрения микроскопа, но не более, чем на 2 полях из 20 исследованных

0,3

2

Единичные поры в количестве 3 и более

0,15

3

Цепочки пор хотя бы на 1 из полей зрения

0,05

4

Цепочки пор и их объединение в микротрещины в пределах зерна

0

5

Объединение микротрещин в магистральную трещину

0

Эта шкала лежит в основе ряда других более детальных классификационных схем, в частности, известных шкал Nordtest или VGB [73], разработанных на основании большого экспериментального материала, накопленного на тепловых электростанциях Германии.
Одной из основных характеристик работоспособности металла паропроводов, эксплуатируемых в условиях ползучести, является его повреждение порами. Для количественной оценки такого повреждения широко используется метод определения числа и объема пор [18, 41, 46-48, 52, 53, 71]. Оценка повреждения этим методом проводится при исследовании на оптическом и электронном микроскопах. Несплошности размером менее 1 мкм (микропоры) выявляются при исследовании фольг на просвечивающем электронном микроскопе или при исследовании шлифов на сканирующем электронном микроскопе, а поры размером более 1 мкм — при металлографическом анализе на оптическом микроскопе.
Для оценки остаточного ресурса вводится понятие критической долговечности, составляющей 85% от времени до разрушения, и коэффициента запаса времени Кт. Между поврежденностью структуры порами, определенной при исследовании шлифов на оптическом микроскопе при увеличении х800, и значением Кт установлена взаимосвязь (табл. 1.3).
Расчет остаточного ресурса производится по формуле
(1-14) где т — время наработки на момент контроля.
В [48] при принятии решения о сроках дальнейшей эксплуатации состояния металла предлагается учитывать одновременно изменение его плотности и результаты металлографического анализа на поперечных шлифах при увеличении х500 (табл. 1.4).
Таблица 1.4. Зависимость срока эксплуатации от поврежденности структуры порами


Уменьшение плотности металла, %

Плотность
микропор, шт/мм2

Срок эксплуатации, % от наработки

0,3

100

20-30

0,4

800

10-15

0,5-0,6

1000

0

Методы металлографического анализа металла паропроводных труб из хромомолибденованадиевых сталей в условиях эксплуатации, регламентированные ОСТ 34-70-690-96 [12], предусматривают использование двух отдельных шкал для характеристики изменений в металле:

  1. шкала оценки микроповрежденности порами ползучести (7 баллов);
  2. шкала сфероидизации упрочняющих структурных составляющих — перлита и бейнита (6 баллов).

Специалистами «УралОРГРЭС» [74] (см. также приложение 2) для низколегированных паропроводных сталей была разработана шкала микроповрежденности, адаптированная к [12]. Эта шкала приведена в табл. 1.5.
Анализируя рассмотренные выше шкалы повреждений микроструктуры низколегированных перлитных сталей, разработанные отечественными и зарубежными специалистами, можно отметить следующее.

Таблица 1.5. Шкала микроповрежденности «УралОРГРЭС»


Балл микроповрежденности

Металлографическая характеристика распределения микропор ползучести

Балл микроповрежденности по ОСТ 34-70-690-96

0

Пор нет

1

0-1

Единичные поры

2

1

Множество пор без определенной ориентации

3

1-2

Множество пор, ориентированных по границам зерен

4

2

Цепочки пор по границам зерен

5

3

Слившиеся цепочки микротрещин, не выявляемые УЗК

6

4

Макротрещины, выявляемые УЗК

7

Таблица 1.6. Категории опасности для паропроводов из сталей перлитного класса (12Х1МФ, 15Х1М1Ф), эксплуатируемых при температуре более 450 °C


КО

Характеристика категории опасности

1

Безопасная ситуация

2

Незначительное ухудшение безопасной ситуации

3

Слабо опасная ситуация

4

Ситуация повышенной опасности

5

Весьма опасная ситуация

6

Значительный риск. Явная угроза аварийной ситуации

7

Возможность катастрофической аварии (разрыв паропровода)

Большинство авторов шкал при оценке категории повреждения микроструктуры (КПМ) основное внимание уделяют процессам, развивающимся в паропроводных перлитных сталях на стадиях порообразования, зарождения и развития микротрещин и превращения их в макротрещины.
В ряде случаев авторами [12, 47, 48] либо совсем не рассматриваются структурные изменения, развивающиеся в течение достаточно длительных (до 0,5 исчерпания ресурса) сроках эксплуатации, либо дается обобщенная характеристика изменений структуры, относящаяся к весьма длительному сроку службы — до 0,65 исчерпания ресурса [56, 73, 74].
С учетом вышеизложенного межотраслевым координационным советом (МКС) и Отраслевой службой (ОС) «Живучесть ТЭС» была предложена шкала, характеризующая меру исчерпания ресурса элементов паропроводов, начиная с исходного состояния [69, 70]. Эта шкала содержит семь категорий опасности, развернутые характеристики которых приведены в табл. 1.6.
На основании табл. 1.6, с учетом рассмотренного выше отечественного и зарубежного опыта, была разработана и в течение последних 7 лет (1994- 2001) применяется шкала категорий повреждения микроструктуры. Последняя версия этой шкалы приведена в табл. 1.7, где для сравнения указаны также шкалы микроповреждения для сталей перлитного класса, регламентированные [12].
Авторами данной шкалы методом экспертной оценки были определены коэффициенты достоверности (КД) для каждой КПМ (табл. 1.8).
На основании анализа рассмотренной системы шкал повреждения микроструктур методом экспертной оценки для шкалы табл. 1.7 была установлена зависимость исчерпания ресурса элементов паропроводов, как меры, учитывающей только структурный фактор, от категорий опасности (табл. 1.9).

Таблица 1.7. Категории повреждения микроструктуры металла элементов паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в процессе длительной эксплуатации


кпм

Характеристика микроструктуры

ОСТ 34-70-690-96

Приложение Е Шкала сфероидизации перлита, балл

Приложение Ж Шкала микро- повреждаемости, балл

1

В пределах исходной сдаточной (1-5-й баллы шкалы по ТУ-14-3-460-75) микроструктуры

1

1

2

В пределах исходной браковочной микроструктуры (6-9-й баллы шкалы по ТУ-14- 3-460-75). Небольшие изменения исходной сдаточной микроструктуры на начальной стадии старения: четкие границы зерен, дисперсные карбиды располагаются по телу и границам зерен; сфероидизация продуктов распада перлитной (бейнитной) составляющей достигает 2-го балла

2

1

3

Заметные изменения исходной (сдаточной и браковочной) микроструктуры: границы зерен частично размыты, карбиды размером 1-1,5 мкм располагаются по границам и телу зерен; сфероидизация продуктов распада перлитной (бейнитной) составляющей достигает 3-4-го балла

3,4

1

4.1
4.2

Существенные изменения исходной сдаточной (4.1) и браковочной (4.2) микроструктур: наблюдается сильное размывание границ; карбиды укрупняются до 1-2 мкм, располагаясь преимущественно по границам зерен, приграничные участки шириной до 3 мкм обеднены карбидами; сфероидизация продуктов распада перлитной (бейнитной) составляющей достигает 5-6-го балла

5, 6
5, 6

1
1

5.1
5.2

Большие изменения исходной микроструктуры, характеризующиеся образованием:

  1. единичных изолированных микропор со средним размером до 2 мкм;
  2. множественных микропор со средним размером до 2 мкм без определенной ориентации;

5, 6
5, 6

2
3

5.3
5.4

  1. множественных микропор со средним размером до 2 мкм, ориентированных по границам зерен;
  2. множественных микропор, ориентированных по границам зерен, увеличение размера пор до 2,5-5 мкм

5, 6
5, 6

4
4

6.1

Значительные изменения микроструктуры, характеризующиеся образованием цепочек микропор по границам зерен:
- в пределах одного зерна;

5,

6

5

6.2

- в пределах нескольких зерен

5,

6

5

7.1

Наличие цепочек пор, слившихся в микро

5,

6

6

7.2

трещины
Наличие микротрещин по границам зерен

5,

6

7

 

вплоть до развития макротрещин

 

 

 

Как было показано выше, КПМ является только одним из критериев при определении категорий опасности элементов паропроводов и разработке регламента их контроля. Поэтому приведенные в табл. 1.6-1.9 данные рекомендуется использовать при окончательной интегральной экспертной оценке категорий опасности элементов паропроводов в сочетании с результатами других методов контроля и выполненных расчетов. Такая оценка проводится в рамках информационно-экспертной системы на Костромской и Рязанской ГРЭС, где эксплуатируются контролируемые паропроводы, и в отраслевой системе «Живучесть оборудования ТЭС». Более подробное описание алгоритма экспертной оценки живучести элементов паропроводов приведено в гл. 5.

Выводы

  1. Одной из главных причин повреждения паропроводов ТЭС, эксплуатируемых при температуре > 450 °C, является ползучесть металла.
  2. Основная модель повреждения металла при ползучести базируется на теории упрочнения и разупрочнения (наклепа и рекристаллизации). При развитии процесса ползучести действуют четыре основных механизма повреждения: уменьшения внешнего и внутреннего сечений, деградации структуры и внешнего воздействия коррозионной среды.
  3. Накопление повреждений металла при ползучести происходит по классической кривой в несколько последовательных стадий: возрастание плотности дислокаций в зернах, увеличение количества и размера карбидов, сфероидизация продуктов распада перлитной (бейнитной) составляющей; зарождение микропор, их укрупнение и слияние в цепочки; образование микро- и макротрещин.
  4. Для расчетной оценки времени до разрушения элементов паропроводов в условиях ползучести наиболее представительной является обобщенная параметрическая зависимость Ларсена-Миллера, в которой, помимо напряжения, температуры и времени, учитываются механические свойства материалов (временное сопротивление разрыву). Анализ изменений значений LM* показал, что повышение давления (рабочих напряжений) на 10% или увеличение температуры на 10 °C равноценно увеличению вдвое времени эксплуатации.
  5. Для определения категорий повреждений микроструктуры металла паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в процессе длительной эксплуатации создана шкала, учитывающая накопленный отечественный и зарубежный опыт. Указанная шкала в течение ряда лет успешно применяется на Костромской и Рязанской ГРЭС при определении категорий опасности элементов паропроводов и разработке регламента их контроля.