Прогнозирование остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов в условиях ползучести по структурному фактору

Вид материала

Автореферат

Содержание 30_» _апреля Целью работы Методы исследования. Научная новизна. Практическая ценность. Достоверность полученных результатов Личный вклад автора. Апробация работы. Структура и объем работы. Глава 1. Обзор литературы. Анализ методов диагностирования сварных соединений с учетом их химической, структурной и механической Глава 2. Методика исследований сварных соединений. В третьей главе Изменения микроструктуры ЗТВ и основного металла сварных соединений стали 12Х1МФ Рис. 1. Зависимость степени разупрочнения металла шва от ширины ферритной оторочки Рис. 4. Закономерность процесса сфероидизации бейнита в ЗТВрп (а) и основном металле (б) при ползучести сварных соединений стали Глава 4. Закономерности микроповреждаемости зон сварных соединений при ползучести. В пятой главе Классификация микроповрежденности во взаимосвязи с исчерпанием ресурса для металла ЗТВрп сварных соединений стали 12Х1МФ при пол Общие выводы. Хромченко Ф.А., Лаппа В.А., Калугин Р.Н. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Темы рефератов. Бактериальная коррозия. Виды бактерий, развивающихся в нефтепроводных, 6.66kb.
• Уважаемые коллеги!, 46.85kb.
• Контроль качества сварных соединений трубопроводов стальных, из полимерных материалов,, 375.15kb.
• Рекомендации по модернизации, реконструкции и замене длительно эксплуатирующихся устройств, 272.63kb.
• Особенности проведения физико-механических испытаний сварных соединений в соответствии, 41.23kb.
• «Локомотивы и локомотивное хозяйство», 231.13kb.
• Д. И. Менделеева прогнозирование свойств элементов и их соединений методические указания, 611.18kb.
• Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений, 874.83kb.
• Вероятностное прогнозирование ресурса нефтегазового оборудования при эксплуатации, 793.67kb.
• Влияние ультразвуковой ударной обработки на  механические свойства сварных соединений, 41.15kb.

На правах рукописи


КАЛУГИН РОМАН НИКОЛАЕВИЧ


ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ ПО СТРУКТУРНОМУ ФАКТОРУ


Специальность - 05.14.14 «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва 2008 г.


Работа выполнена в ОАО «Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт» (ВТИ)


Научный руководитель   доктор технических наук, профессор
Хромченко Феликс Афанасьевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Антикайн Петр Андреевич


доктор технических наук, профессор

Рыженков Вячеслав Алексеевич


Ведущая организация   Центральный ремонтно-механический завод, филиал ОАО «Мосэнерго»


Защита состоится «_5_» _июня_ 2008 года в _11.00_ часов на заседании диссертационного совета Д 222.001.01 при ОАО «Всерос-сийский теплотехнический научно-исследовательский институт» (ВТИ) по адресу: 115280, г.Москва, ул. Автозаводская, д. 14/23


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт» (ВТИ)


Автореферат разослан «_ 30_» _апреля_ 2008 года.


Ученый секретарь

диссертационного совета П.А. Березинец


Общая характеристика работы.


Актуальность работы.

В современной отечественной теплоэнергетике в качестве основного материала паропроводов широкое применение получили теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали. Паропроводы эксплуатируются в условиях ползучести металла при температуре выше 510°С с давлением пара до 26 МПа. Их срок эксплуатации превысил проектный срок службы 100200 тыс. ч., а во многих случаях и парковый ресурс. Сварные соединения являются одним из наиболее слабых элементов в системе паропровода. Это обусловлено их структурной, механической, химической и геометрической неоднородностью. Наличие хрупких и малопрочных прослоек металла зон сварного соединения, вызванных технологической и металлургической наследственностью, существенно сокращает срок их службы.

При длительной эксплуатации повреждения сварных соединений в условиях ползучести преимущественно развиваются по разупрочненной прослойке зоны термического влияния (ЗТВ_рп), в отдельных случаях – по разупрочненному металлу шва. Проблема надежности сварных соединений остается актуальной в связи с дальнейшей эксплуатацией паропроводов сверх паркового ресурса на стареющих ТЭС.

Применяемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, магнитопорошковый, радиографический, вихретоковый) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения). Металлографический анализ с помощью реплик не применялся для сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей, поскольку не были установлены критерии оценки микроповрежденности зон сварных соединений и отсутствовала методика оценки остаточного ресурса. Не изучены были особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности в процессе длительной эксплуатации. Отсутствовала совершенная методика прогнозирования остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору, интегрированная в систему технического диагностирования паропроводов.

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов и предупреждения их разрушений.

Целью работы является разработка метода оценки остаточного ресурса сварных соединений теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей по структурному фактору. Для достижения поставленной цели в процессе выполнения работы решались следующие задачи:

  установление влияния структурного состояния и свойств сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей на ресурсные характеристики, анализ причин повреждений в условиях длительной эксплуатации при ползучести;

  разработка методики исследования сварных соединений для условий испытаний образцов при ползучести, включая:

 определение температурно-силовых условий проведения испытаний образцов на термодеформационное старение, которые моделируют механизмы разрушения аналогично эксплуатирующимся сварным соединениям паропроводов;

 установление критериев деградации микроструктуры в процессе длительной эксплуатации сварных соединений в условиях ползучести;

 разработка методики металлографического исследования для установления зависимости степени исчерпания ресурса от изменения микроструктуры и накопления микроповрежденности металла зон сварных соединений;

  исследование и установление закономерностей структурных изменений и микроповреждаемости зон сварного соединения (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) в зависимости от исчерпания ресурса;

  разработка критериев для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса сварных соединений по структурным изменениям и микроповрежденности металла;

  промышленное опробование и применение метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений в рамках технического диагностирования паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести.

Методы исследования.

При выполнении исследований были проведены эксперименты и обработка их результатов расчетными методами. В качестве материала исследования использованы сварные соединения паропроводов сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в исходном состоянии и после различных сроков наработки. Сварные образцы испытывались на термодеформационное старение (суммарной продолжительностью испытаний 1,6 млн. ч.) с периодическим исследованием микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности в металле зон соединения. Обоснованы размеры образцов и условия термодеформационного старения для моделирования развития процессов повреждаемости аналогично повреждениям реальных эксплуатирующихся сварных соединений. Периодическая регистрация структурной картины металла зон по каждому образцу осуществлялась металлографическим методом исследования с помощью реплик (МАР) при использовании оптической микроскопии. В анализе результатов экспериментов, для построения закономерностей исчерпания ресурса от деградации микроструктуры зон сварных соединений, применена математическая обработка данных, включая методы теории вероятностей и численного интерполирования. Установленная закономерность развития микроповрежденности и изменения микроструктуры металла зон от исчерпания ресурса сварных соединений позволила установить критерии деградации микроструктуры и разработать структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений.

Научная новизна.

 Показано влияние механической неоднородности сварных соединений, характеризующейся особенностью разупрочнения по зоне термического влияния и металлу шва (_рп, _мш), на развитие микроповрежденности металла.

 Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВ_рп при ползучести протекают более энергично по сравнению с металлом шва и основным металлом. Фактическое состояние металла ЗТВ_рп служит основным критерием при оценке работоспособности и остаточного ресурса сварного соединения.

 Установлена взаимосвязь стадии исчерпания ресурса (/_р) от изменения структуры (микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности) металла зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс. ч.) при ползучести, при этом:

  деградация микроструктуры классифицирована на три стадии по критериям: размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (цепочки и слияния карбидов), размер зерна микроструктуры;

  процесс развития микроповрежденности классифицирован на пять стадий и оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор и далее вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен.

Практическая ценность.

 Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и микроструктурных изменений металла.

 Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов   микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести в рамках их технического диагностирования. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Методика оформлена в установленном порядке и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34.1-17.467-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору". Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34.17.470-2003, СО 153-34.17.455-2003 и РД 10-577-03.

 По результатам диагностирования с применением разработанного метода металлографического анализа установлены сроки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ряда ТЭС России (в том числе Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ – 3, Новогорьковской ТЭЦ, Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др.).

 Определен методический подход по диагностированию сварных соединений и прогнозированию их ресурса, сочетающий комплексное применение расчетных и разработанных в рамках данной работы структурных методов, дополняющих друг друга, что должно найти применение при разработке производственных инструкций по контролю металла паропроводов.

 Создан алгоритм по оценке технического состояния и определению индивидуального ресурса сварных соединений, оптимизации регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций), основанный на комплексном использовании расчетных и структурных методик определения ресурса. Алгоритм успешно используется в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС для анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов по результатам их эксплуатационного контроля.

Достоверность полученных результатов обеспечивается системностью подхода при проведении испытаний, большим объемом экспериментальных исследований (исследовано более 200 образцов сварных соединений исходного состояния и после различных сроков наработки), практической проверкой разработанной методики оценки остаточного ресурса на реальных сварных соединениях паропроводов ТЭС и её промышленным внедрением.

Личный вклад автора.

Постановка и реализация задач данной работы, проведение экспериментов и математической обработки результатов выполнено лично автором или при его непосредственном участии, что подтверждено публикациями. Во всех необходимых случаях заимствования других научных результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на: научно-практическом семинаре «Повышение надежности паропроводов и арматуры ТЭС» (Москва, ВВЦ, 1998 г); Всероссийском научно-практическом семинаре «Современная сварочно-термическая технология восстановления работоспособности элементов энергетического оборудования ТЭС. Сварочные материалы» (Санкт-Петербург,1998 г.); первой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла» (Москва, 1999г.); международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 2000 г.); научно-технической конференции «Металл оборудования ТЭС. Проблемы и перспективы» (Москва, 2006 г.).


Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 статей и 5 докладов научно-технических конференций и семинаров.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 244 страниц машинописного текста, 69 рисунков, 26 таблиц. Список литературы включает 70 наименования.


Содержание работы.


Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, определены задачи исследования, раскрыта научная новизна и показана практическая ценность работы.


Глава 1. Обзор литературы. Анализ методов диагностирования сварных соединений с учетом их химической, структурной и механической неоднородности.

В первой главе на основе литературных источников выполнен анализ современного состояния проблемы. Рассмотрены особенности структуры и свойств сварных соединений паропроводов, причины их повреждений в условиях длительной эксплуатации при ползучести.

Обзор литературы свидетельствует, что сварные соединения паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, эксплуатируемые в условиях высокотемпературной ползучести, относятся к категории относительно слабых элементов в системе паропроводов. Обеспечение безаварийной эксплуатации сварных соединений вызывает постоянную необходимость совершенствования методов технического диагностирования и прогнозирования сроков службы с целью их возможного продления при накоплении наработки.

Сварные соединения по сравнению с основным металлом - свариваемой сталью, отличаются неоднородностью металла по зонам соединения (химической, структурной, механической) и пониженными свойствами.

Проведенный анализ повреждений свидетельствует о комплексном влиянии эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на повреждения сварных соединений паропроводов в процессе длительной эксплуатации при ползучести. Природа повреждений связана с протеканием процессов изменения структуры и накопления микроповрежденности в металле зон сварных соединений до образования трещин.

Для основного металла прямых участков и гибов паропроводов (стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) с однородной структурой кинетика изменения микроповрежденности порами ползучести и структурного состояния металла изучена достаточно подробно в работах Т.Г. Березиной, П.А. Антикайна, Т.А. Швецовой, В.Ф. Злепко, М.М. Меламед, Н.М. Минц, В.И. Куманина, Ю.В. Балашова, Ю.М. Гофмана, Ю.Ю. Штромберга и др. Ими предложен набор критериев с достаточной степенью надежности позволяющий фиксировать предельное состояние металла, разработаны и применяются шкалы структур и повреждаемости при ползучести, что позволяет с применением различных методов исследования устанавливать степень исчерпания его ресурса. Эффективным инструментом в оценке структурного состояния и повреждаемости металла является метод металлографического анализа с помощью реплик.

Для сварных соединений повреждения отмечаются преимущественно в разупрочненной прослойке металла ЗТВ_рп, реже   в металле шва. Трещины в ЗТВ_рп развиваются с наружной поверхности трубных элементов вглубь металла и ориентированы вдоль сварного шва на расстоянии 3-5 мм от линии сплавления с металлом шва. Значительный вклад в исследования причин повреждений сварных соединений и решении проблем диагностирования и прогнозирования ресурса внесен российскими и зарубежными учеными: В.Н. Земзиным, Р.З. Шроном, Ф.А. Хромченко, Р.Е. Мазель, А.А. Ланиным, H.R. Kautz, H.E. Zurn, T. Caga, C.F. Etinne, W. Schoch, P. Averkazi и др. Однако, для сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей при длительном воздействии температуры и напряжений особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности оставались неизученными. Владение способом определения фактического структурного состояния зон сварного соединения и знание закономерностей изменений структуры и микроповрежденности открывает возможности оценивать остаточный ресурс сварных соединений по уровню накопленных микроструктурных изменений. Широко используемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, магнитопорошковый, рентгеновский, вихретоковый контроль) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения). Однако, интегрированной в систему технического диагностирования, методики оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору создано не было. Поэтому, для корректной оценки остаточного ресурса сварных соединений по структурному фактору назрела необходимость в разработке методики металлографического анализа с учетом структурной и механической неоднородности металла зон.

На основании вышеизложенного поставлена цель и определены основные задачи работы.


Глава 2. Методика исследований сварных соединений.

Во второй главе разработана методика металлографического исследования для установления взаимосвязи исчерпания ресурса и изменения структуры с накоплением микроповрежденности сварных соединений. Выбран материал и способ исследования сварных соединений, установлены критерии микроструктурного состояния для последующего анализа результатов и решения задач настоящей работы.

В качестве материала исследования выбраны сварные соединения паропроводов сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в исходном термически обработанном состоянии (до эксплуатации) и, кроме того, сварные соединения после наработки 50-300 тыс. часов в условиях ползучести на паропроводах энергоблоков 250-800 МВт при t=515 560ºС и р=3,7-25,5 МПа.

Все исследованные сварные соединения выполнены по штатной технологии как в заводских, так и монтажных условиях согласно требованиям РД 2730.940.102-92 и РД 153-34.17-003-01 (РТМ-1с). Всего было изготовлено, испытано и подвергнуто исследованию 207 образцов (84 исходного состояния и 123 после эксплуатации с различной наработкой).

При выборе формы и размеров образцов было принято решение использовать плоские образцы с поперечным швом, которые позволяют охватить повышенную площадь неоднородных по структуре, свойствам и химическому составу участков МШ и ЗТВ по толщине стенки трубных элементов. Оптимальным выбран размер (130140)205 мм поперечного сечения расчетной части плоского образца.

Образцы подвергались термодеформационному старению в условиях необходимых для развития процессов локальной повреждаемости металла аналогично эксплуатационным повреждениям ЗТВ_рп реальных сварных соединений.

При выборе условий испытаний использованы материалы работ ОАО «ВТИ», в которых были определены оптимальные области (температура-напряжение) при испытании образцов сварных соединений, влияющие на зону и механизм разрушения.

В данной работе испытания проводились в диапазоне температур 600-615°С и растягивающих напряжений 50-100 МПа с реализацией разрушения преимущественно в ЗТВ по механизму ползучести. Испытывались серии по 8-10 образцов при одинаковых температурно-силовых условиях. Первый образец из серии доводился до разрушения (для определения предельного времени испытания до разрушения), далее испытания остальных образцов периодически прерывались и на их поверхности фиксировалось структурное состояние металлографическим методом. Максимальная расчетная (на эквивалентную температуру 545°С) база испытаний образцов сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф на термодеформационное старение составила 836179 и 791248 ч соответственно.

Методический подход при проведении металлографического анализа в условиях испытания образцов заключался в периодической регистрации структурной картины и оценки динамики накопления микроповреждаемости.

Результаты металлографического анализа оценивались по критериям деградации микроструктуры, развивающейся в сварных соединениях в условиях ползучести.

На основе многочисленных экспериментов автором было установлено, что появление и развитие пор ползучести различной морфологии характерные для микроповреждаемости в основном металле являются идентичными и для повреждаемости сварных соединений, но с более энергичным развитием в ЗТВ_рп и разупрочненном металле шва. Поэтому за основу были приняты критерии деградации структуры и повреждаемости основного металла сталей 12Х1МФ и 15Х1МФ с учетом более энергичного развития деградации микроструктуры и микроповреждаемости металла сварных соединений в ЗТВ_рп и разупрочненном шве (при _мш<1).

В качестве критериев микроповрежденности структуры зон сварных соединений были приняты: размер пор ползучести на границах и телу зерна (d_п, мкм), их плотность (, пор/мм²), морфология пор (скопления пор, цепочки и слившиеся поры по границам зерен), размер: длина микро- и макротрещин, "ореол" микротрещин и пор ползучести по берегам трещины.

Параллельно с повреждаемостью, за основу критериев микроструктурных изменений были приняты: состав структурных составляющих (феррит, перлит, бейнит, карбиды и т.п.), размер карбидных частиц, балл сфероидизации, номер зерна, ширина ферритных оторочек металла шва.

Исследования микроструктуры в процессе испытания образцов проводилось металлографическим методом с помощью реплик (способом, не нарушающим геометрию и материал образца) и микрошлифов (вырезанных из разрушенных образцов) с охватом всех зон сварного соединения, а именно: металла шва, зоны термического влияния и основного металла. Дополнительно при исследовании шлифов определялась степень разупрочнения металла способом измерения твердости по зонам сварного соединения (металл шва, ЗТВ_рп, основной металл).

Подготовка поверхности металла и металлографические исследования проводились с помощью оптической микроскопии в соответствии с рекомендациями ОСТ 34-70-690-96 и ГОСТ 5639-82.

С учетом сложности в поиске зоны ЗТВ_рп сварного соединения при диагностировании микроповреждённости металла был применен способ предварительного металлографического сканирования ЗТВ с увеличением 100 и последующего анализа ЗТВ_рп при увеличении 500 (или 800, 1000).

По каждому образцу регистрировались параметры испытания: температура (t_исп, С), напряжение (_исп, МПа), время (_исп, ч), а также результаты металлографического анализа (микроповрежденность и особенности микроструктуры зон сварного соединения). Для сравнения и анализа все результаты исследований пересчитывались на установленную эквивалентную температуру с оценкой затем эквивалентного времени испытания согласно ОСТ 153-34.17.470-2003. В данной работе в качестве эквивалентной температуры была принята наиболее распространенная температура паропроводов   545ºС.

На основе полученных данных проводился анализ динамики развития микроповрежденности и структурных изменений с целью установления взаимосвязи между степенью исчерпания ресурса и деградацией структуры. При этом использовались математические методы обработки и анализа опытных данных для установления взаимосвязи между исследуемой величиной изменения микроструктуры и исчерпанием ресурса.

Дополнительно выявленные закономерности сопоставлялись с результатами металлографического анализа сварных соединений паропроводов. Полученная информация по результатам исследований образцов и сварных соединений была обобщена и использована при разработке методики оценки ресурса сварных соединений по структурному фактору.