Живучесть паропроводов стареющих ТЭС - Характеристики материалов, применяемых для изготовления деталей арматуры

Характеристики материалов, применяемых для изготовления деталей арматуры, и опыт их эксплуатации
Детали арматуры по условиям работы можно объединить в следующие основные группы: корпусные (корпус и крышка); детали затвора и регулирующего органа (тарелка, золотник и седло); шток (шпиндель), крепежные изделия (шпильки, гайки); резьбовые пары.
Различные условия работы обусловливают предъявление к различным группам деталей различных требований. Наиболее высоки требования к деталям затворов и регулирующих органов, эксплуатационная надежность которых решающим образом определяет качество регулирования.
Условия работы деталей затворов зависят, главным образом, от температуры, давления, скорости потока и состава регулируемой среды, конструктивного исполнения изделия и места его установки в схеме энергоблока.
В пусковой период работы энергоустановок уплотнительные поверхности деталей затворов подвергаются воздействию грата, шлака, окалины и других твердых частиц, несущихся вместе с потоком среды. При нестационарных режимах работы во время пусков и остановов теплосилового оборудования элементы затворов испытывают отрицательно действующие периодические перепады температуры (теплосмены), достигающие 250-350 °C. Одной из причин преждевременного выхода из строя регулирующих или запорно- регулирующих органов является эрозионное повреждение элементов проточной части. Характер и интенсивность износа зависят от перепада давлений на регулирующих органах, геометрии проточной части и эрозионной стойкости материала деталей, испытывающих кавитационное воздействие потока среды.
Для регулирующей арматуры игольчатого типа характерен износ в виде щелевой эрозии плунжера и седла, для шиберной — в виде эрозии и задирания поверхности шибера и седла, для поворотной — в виде щелевой и ударной эрозии золотников. Опыт эксплуатации показал, что арматура, работающая на перегретом паре, меньше подвергается эрозии, чем арматура, работающая на воде или влажном паре. Степень эрозионного износа деталей проточной части тем больше, чем выше перепады давлений.

Корпусные детали (корпус, крышка)

Наиболее нагруженные и ответственные детали арматуры, образующие полость, внутри которой протекает транспортируемая среда, подвергаются значительным напряжениям от внутреннего давления среды, теплосмен, компенсационных усилий со стороны трубопроводов (растяжение, сжатие, кручение), т. е. работают в условиях сложного напряженного состояния.
Поэтому материал корпуса и крышки должен обладать достаточной жаропрочностью, высоким сопротивлением теплосменам, однородностью структуры по всему объему и ее устойчивостью в заданном диапазоне рабочих температур, требуемым уровнем механических и технологических характеристик.
Материал корпусных деталей, которые подлежат соединению с трубопроводом, должен обладать хорошей свариваемостью. Его состав и свойства должны соответствовать стали сопряженных трубопроводов. Материал не должен быть склонен к межкристаллитной коррозии (МКК) при длительном воздействии транспортируемой среды.
Исходными данными при выборе материалов для корпусов являются параметры среды. По соответствующим стандартам в зависимости от давления и температуры определяется тип стали и границы ее использования. При выборе отечественных марок сталей для изготовления корпусных деталей используют ГОСТ 356-80.
Выбор материалов для изготовления корпусных деталей производится заводами-изготовителями исходя из параметров среды, при которых они будут эксплуатироваться. При этом учитываются прочностные характеристики материалов не только в исходном состоянии, но и их изменение в процессе длительной эксплуатации при рабочих температурах.
Длительное время для изготовления корпусов арматуры высоких параметров (р > 9,8 МПа) с условным проходом до 100 мм Чеховский завод «Энергомаш» (ЧЗЭМ) применял стальные поковки, а начиная со 100 мм — стальное литье. В последние годы использование стального литья для изготовления корпусов арматуры сократилось.
Таблица 1.23. Номера серий задвижек, изготовляемых из штампосварных и цельноштампованных корпусов

Таблица 1.24. Прочностные характеристики материалов, применяемых для изготовления корпусов арматуры

Для изготовления запорной арматуры, наряду с литыми, применяет штампосварные и штампованные корпуса. Штампосварные корпуса изготовляются из трех штампованных деталей: двух полукорпусов и горловины, сваренных между собой электронно-лучевым способом. Номера серий задвижек ЧЗЭМ, изготовляемых из штампосварных и штампованных корпусов, приведены в табл. 1.23 [135].
Прочностные характеристики материалов, применяемых ЧЗЭМ для изготовления корпусных деталей, приведены в табл. 1.24.
Длительное время причиной большого количества отказов арматуры являлись дефекты литых корпусных деталей — 10-12% общего количества отказов.
Основные виды повреждений корпусов: трещины, раковины, свищи. Наиболее повреждаемые участки корпусов — радиусные переходы и концы патрубков. Для предотвращения отказов на электростанциях перед монтажом арматуры проводится ее входной контроль. Об эффективности такого контроля свидетельствуют результаты входного контроля, проведенного на первом блоке 800 МВт Славянской ГРЭС: из-за наличия раковин, трещин и скрытых рыхлот на концах патрубков и в зоне радиусных переходов в корпусах задвижек на завод было возвращено 2 вагона арматуры с условным проходом от 100 до 400 мм. Большинство повреждений было выявлено в корпусах паровой арматуры, изготовленной из сталей 15Х1М1ФЛ и 20ХМФЛ. Вместе с тем некоторое количество повреждений было выявлено и на корпусах водяной арматуры из стали 25Л и 20ГСЛ больших проходов (Ду > 100 мм).
В 70-е гг. XX в. ЧЗЭМ была проведена определенная работа, направленная на повышение качества литых деталей: реконструировано литейное производство, ужесточен контроль за качеством литья. Все отливки подвергаются визуальному и измерительному контролю, а для каждой из них определяется химический состав и прочностные характеристики. Радиусные переходы к патрубкам и фланцам отливок, согласно [136], подвергаются магнитопорошковой дефектоскопии, концы присоединительных патрубков на длине 100 мм подвергаются контролю проникающим излучением. Для контроля радиусных переходов отливок из легированных сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ используется МПД, а просвечиванию проникающим излучением подвергаются отливки из сталей 25Л и 20ГСЛ.
Указанные выше мероприятия несколько улучшили качество поставляемого на ТЭС литья, однако, не исключили поступление на них арматуры с корпусами, имеющими заводские дефекты. Так, при входном контроле арматуры энергоблока 1 мощностью 800 МВт Сургутской ГРЭС-2 из 135 отревизированных на 28 ед. арматуры были выявлены дефекты литья в виде трещин глубиной от 4 мм до сквозной. На 21 ед. арматуры трещины были выбраны и заварены, а 7 ед. пришлось заменить. На Березовской ГРЭС-1 при проведении МПД литых корпусов трещины были обнаружены на 13 корпусах задвижек из проверенных 78. Однако на этой ГРЭС все трещины были выбраны и заварены, отбраковки задвижек не было. В то же время при ревизии арматуры на блоке 1 Пермской ГРЭС, проводившейся в середине 80-х гг. XX в., заводские дефекты литья корпусных деталей выявлены не были. В последние годы в связи с тем, что ввод новых энергетических мощностей практически прекратился, поставки арматуры на ТЭС сократились. Большой объем запорной арматуры изготовляется с использованием штампосварных и штампованных корпусов. В связи с этим, новая информация о дефектах литых корпусных деталей, выявленных при входном контроле, отсутствует.
В процессе эксплуатации ежегодно отмечается 8-12 повреждений корпусов задвижек, вызывающих вынужденные остановы энергооборудования. Однако процент повреждаемых ежегодно задвижек ЧЗЭМ ничтожно мал по сравнению с тем, что в эксплуатации на электростанциях находятся десятки тысяч задвижек. При этом повреждения корпусов задвижек, имеющие вид раковин, рыхлот, трещин, как правило, выявляются на корпусах, отработавших свыше 100000 ч. На одной из электростанций трещина в нижней части выходного патрубка корпуса водяной задвижки была выявлена после 249 000 ч эксплуатации, что свидетельствует о том, что трещина была скрыта под поверхностным слоем, который оказался размытым в процессе длительной эксплуатации.
На задвижках, работающих на питательной воде, отмечалось много случаев пропуска среды через закрытые задвижки. Исследование причин этого явления показало, что объясняется это не нарушением герметичности затвора, а пропуском среды между седлом и корпусом, вызванным локальной эрозией сварного шва, соединяющего эти детали арматуры.
Причиной размыва шва служит наличие уступа в месте приварки седла к корпусу. При повышенных скоростях потока, возникающих при протекании среды через сужение проточной части в зоне седла, за ним образуются вихревые потоки, вызывающие эрозию шва. Поскольку обнаружить такое эрозионное разрушение без вырезки арматуры из трубопровода невозможно, то на некоторых ТЭС были разработаны и внедрены устройства типа перископа, позволявшие исследовать состояние шва через камеру задвижки. После многочисленных претензий завод изменил конструкцию узла приварки седла к корпусу: применение специальных сварочных автоматов позволило приваривать седла к корпусу без уступа, «впотай», что полностью исключило эрозию шва.
Для устранения этого явления на задвижках старых выпусков в разработанной ОАО «Фирма ОРГРЭС» ремонтной документации рекомендуется осуществлять приварку седла к корпусу аустенитными электродами и путем наплавки обеспечить плавный переход от проточной части седла к проточной части выходного патрубка.
В [137-139] исследовано влияние количества пусков энергооборудования на повреждаемость арматуры. Показано, что работа в режиме частых пусков приводит к увеличению числа отказов. Однако анализ характера повреждений свидетельствует о том, что в большинстве случаев при работе в таком режиме повреждаются детали привода, нарушается герметичность сальниковых уплотнений, увеличивается интенсивность износа уплотнительных поверхностей деталей затвора. Влияние частых пусков на работу металла корпусов в этих работах не отмечено, хотя задвижки в этих режимах работают в условиях частых теплосмен, особенно это касается главных паровых задвижек котлов и турбин.
Ежегодно отмечается большое количество повреждений выходных патрубков корпусов регулирующих питательных клапанов, что связано, с одной стороны с работой этих клапанов в условиях больших перепадов давлений, а с другой — несовершенством проточной части используемых в качестве РПК шиберных клапанов. Наличие в проточной части этих клапанов набора резких сужений и расширений при имеющих место в процессе эксплуатации больших скоростях потока приводит к образованию завихрений, вызывающих интенсивный износ металла. Для исключения этого явления нормативные документы [140] предписывают электростанциям устанавливать защитную трубу из аустенитной стали в выходном патрубке клапанов.