ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Исследование работоспособности питательных трубопроводов энергоблоков 160 – 800 МВт Юга России показывает, что большинство из них находится в удовлетворительном состоянии. Одна­ ко исследования повреждаемости труб питатель­ ного тракта энергоблоков мощностью 200, 300, и 800 МВт Минэнерго Украины указывают на нали­ чие серьезных проблем, связанных с необходимо­ стью как всестороннего изучения причин массово­ го повреждения указанных труб, так и с разработ­ кой конкретных мероприятий по поддержанию не­ обходимого уровня надежности работы энергобло­ ков, в условиях резко возрастающей вероятности выхода их из строя.

На Украине уже проводился анализ причин снижения надежности питательных трубопрово­ дов ПЭО Донбассэнерго (Протокол совместного заседания НТС Минэнерго Украины и Госгортех­ надзора Украины по вопросу эксплуатации ТПВ энергоблоков ТЭС. Киев, 1995 г.). В последнее время рядом НИИ, в том числе, и НПП “Проч­ ность” проведены дополнительные исследования работоспособности питательных трубопроводов, позволивших констатировать более четкое пони­ мание процессов, происходящих в металле после длительных сроков эксплуатации. Следует иметь в виду, что электростанции Украины отработали большее число часов, чем электростанции Юга России.

Условия работы гибов питательных трубопро­ водов мало чем отличаются от работы гибов необогреваемых труб котлов. Своевременное выявление дефектов и массовая замена последних по­ зволили решить практическую задачу по обеспе­ чению их дальнейшей безопасной работы.

На питательных трубопроводах массовой по­ вреждаемости до последнего времени не наблюда­ лось. Директивно и планово тотального контроля, как в первом случае, предусмотрено не было. Проблема созревала медленно. Комплексное ис­ следование, проведенное на Славянской, Ладыжинской и Змиевской ТЭС, показало, что все же существуют определенные различия в работоспо­ собности труб питательной воды (ТПВ) и необогреваемых труб [1, 2] (Информационное письмо ¹ 1-95 от 16 IV 1995 г. Минэнерго Украины “О режимах эксплуатации трубопроводов питатель­

ной воды блоков СКД”. Управление научно-техни­ ческих программ и экологии. Украина, 1995 г.).

У первых повреждаются, как правило, только гибы преимущественно из сталей 20 и 12Х1МФ под действием усталостного (коррозионно-устало­ стного и температурного) факторов. У ТПВ по­ вреждениям подвержены как гибы, так и прямые участки. Характер повреждений гибов ТПВ анало­ гичен гибам необогреваемых труб котлов, тогда как на повреждаемость прямых участков ТПВ определяющее влияние оказывает коррозионный фактор. Кроме ТПВ на ряде блоков 300 МВт с кот­ лами ТПП-210 повреждались гибы трубопроводов от водяного экономайзера до НРЧ. Эти трубопроводы изготовлены из стали 12Х1МФ. В 1994 г. на блоке 200 МВт после 250 тыс. ч работы обнаружены недопустимые дефекты и в гибах ТПВ, изготовленных из стали 20 [1].

Гибы питательных труб блока 800 МВт ст. ¹ 6 Славянской ТЭС подвержены повреждениям пре­ имущественно в зонах нейтральных волокон, прямые участки в ряде случаев и гибы – по всему пе­ риметру. Во всех исследованных случаях повреж­ дений механические свойства стали и ее химиче­ ский состав соответствовали нормативным требо­ ваниям.

Под действием циклического нагружения и ра­ бочей среды в стенке гиба образовались куполообразные углубления. Поверхность металла между ними поражена коррозией. Иной характер повреж­ дений на прямых участках этого трубопровода – типичные коррозионные язвины и развитые полостевидные трещины. Диаметр язвин до 3 мм, их глубина до 4 мм. Некоторые язвины соединены друг с другом прерывистыми трещинами. При выполнении в 1990 г. ультразвуковой дефектоскопии металла ТПВ бракуемые дефекты были обнаружены на 24 гибах и на 28 прямых участках. К этому времени ТПВ имели наработку: по корпусу 6А – 118 238 ч, по корпусу 6Б – 115 949 ч при числе пу­ сков 467 и 474 соответственно. Блок работал на нейтрально-кислородном водном режиме (НКВР).

Трещины усталостно-коррозионного характера глубиной до 6 мм были обнаружены на ТПВ Ладыжинской ТЭС после 157 000 ч работы.

Указанные трещины ступенчатого развития но­ сят типичный коррозионно-усталостный характер с превалирующим действием коррозионного фак­ тора. Об этом свидетельствуют извилистость трассы, чередующиеся пережимы и пучности, округ­ лости ответвлений в вершине трещины и продук­ тов коррозии в ее полости.

Чисто пластинчатый фасеточный излом с уча­ стками, содержащими гребешки отрыва и ямоч- ный рельеф, а также специфичные участки сотово­ го рельефа свидетельствуют о важной роли водо­ рода в разрушении. О возможности наводоражива­ ния металла питательных трубопроводов сказано в [1]. В полости микротрещины наряду с водоро­ дом и кислородом обнаружено высокое содержа­ ние углерода, а также хлор, кремний, кальций, фосфор, калий и сера [2].

Установлена идентичность распределения в зоне коррозионного поражения металла углерода и кислорода, что отражает реальность химической связи этих элементов в одном соединении. На по­ верхности прилегающего к пораженному “здоро­ вого” металла такая аналогия отсутствует: содер­ жание кислорода (в составе оксида) повышено, уг­ лерода – понижено. Обращает внимание высокая концентрация серы и кальция в зоне перехода от пораженного металла к “здоровому”, причем на поверхности последнего кальций практически от­ сутствует.

Дальнейшие исследования [2] подтвердили ги­ потезу, что источником, генерирующим водород, могли быть только коррозионные реакции.

Следует также уточнить, что в повреждении труб питательной воды сказался не фактор време­ ни, а различия в условиях эксплуатации и, прежде всего, в качестве питательной воды. Этим же объ­ ясняются и существенные различия в характере наводораживания и окисления металла ТПВ. Среднее массовое содержание водорода в основ­

ние водорода существенно выше – 7,37 · 10 – 4%. На основании проведенных исследований

[1, 3, 4] делаются некоторые важные выводы.

1.Определяющим фактором повреждаемости металла является высокое содержание углерода. Органика в тракте при отсутствии кислорода ведет себя не столь агрессивно.

2.Диффузия в металл водорода, как самого мягкого и подвижного из всех элементов, является первичной, протекает преимущественно по грани­ цам зерен, локальные пресыщения стали водоро­ дом приводят к ослаблению межзеренных сил свя­ зи, разъединению границ и блоков мозаик.

3.Даже небольшие напряжения в указанных локальных зонах вызывают расслоение на меж­ фазной поверхности, т.е. способствуют появлению трещин. Кроме этого, возникновение в процессе

эксплуатации второй фазы – четвертичного вклю­ чения – существенно ускоряет процесс разрушения металла из-за клинового эффекта.

4.Образующиеся в процессе эксплуатации четвертичные включения ускоряют процесс разви­ тия трещин.

5.Чем больше отношение электропроводно­

сти свежего пара к электропроводности питатель­ ной воды (Õï Õâ), тем больше органических за­ грязнений в тракте блока. Чем ниже показатель во­ дорода свежего пара в сравнении с показателем во­ дорода питательной воды, тем опаснее эти загряз­

нения.

6. Таким образом, механизм повреждаемости металла питательных трубопроводов свидетельст­ вует, что на стадии исчерпания рабочего ресурса коррозионные процессы, зависящие от многих эксплуатационных факторов, могут протекать с большими скоростями и малыми временными интер­ валами, что не позволяет ограничиваться профи­ лактическими мероприятиями, требующими боль-

шего времени на их реализацию, в частности: контроль процесса развития трещин в питате-

льных трубопроводах должен быть, безусловно,

оперативным, непрерывным; разрешающая способность метода контроля

должна позволять фиксировать прирост трещин

длиной более 0,2 – 0,3 мм; методика расчета остаточного ресурса питате-

льных трубопроводов должна учитывать удельные составляющие механизма повреждаемости труб питательной воды, базироваться на результатах

оперативного контроля.

Важным фактором в данной проблеме является определение временных показателей образования и развития трещин на питательных трубопрово­ дах, на которых еще нет дефектов, и на которых

дефекты уже зафиксированы [5].

Для решения этой задачи воспользуемся фор­ мулой

ãäå N1 – расчетный ресурс в пусках и временем в часах от начала эксплуатации до первичного пол­ ного контроля; n – коэффициент запаса, зависящий от качества питательной воды и равный для барабанных котлов 3,47, для прямоточных 2,73; Sa1 – амплитуда окружных напряжений в гибе, МПа, равная

ãäå Äí, Sí – номинальный наружный диаметр и но­ минальная толщина стенки трубы, мм; p – расчет­ ное давление в трубе, МПа (определяется по паспортным данным); R – радиус гиба, мм (по чертежу);

– коэффициент формы; – коэффициент, зависящий

от давления; – коэффициент формы гиба. Полученный в результате расчета расчетный

ресурс до появления трещин сравнивается с фак­ тической наработкой Nô, которая является функ­ цией числа пусков-остановов котла [6] и которую можно уточнить по фактическим значениям эксплуатационных данных

ãäå Nõ, Ní, Nã – число пусков котла из холодного, неостывшего и горячего состояний соответствен­

íî; Nîï, Nîï1,25 – число опрессовок на рабочее и повышенное давление; Nñ – число колебаний давле­

ния при работе котла с размахом p 0,6pð; K – ко­ эффициент приведения колебаний рабочего давления к пускам из холодного состояния, равный 0,1 при относительном снижении на 60% ра­ бочего давления, 0,2 – на 70%, 0,36 – на 80%, 0,62

– íà 90% è 1,0 – íà 100%.

По результатам замеров овальности гибов труб и отклонений от формы гиба при первичном конт­ роле можно рассчитать число пусков от начала эксп­

луатации до второго контроля N2. Для каждого гиба с овальностью более 3%: N2 = 7,29 · 1012 (Sa2)– 4,55

для барабанных котлов и N2 = 2,16 · 1013(Sa2)– 4,55 для прямоточных котлов.

Как видно из приведенных формул, базовым показателем является Sa2 – амплитуда окружных напряжений в гибе с учетом фактической его гео­ метрии, в том числе, и толщины стенки, которую можно определить только в период останова энер­ гоблока, в период капитального ремонта. Учитывая, что энергоблоки эксплуатируются за предела­ ми расчетного и паркового ресурсов уже с искаженным (быстротечным) механизмом повреждае­ мости, необходимо постоянное знание изменения геометрических параметров исследуемых гибов.

В НПП “Прочность” разработаны и опробованы в натурных условиях стендовой базы две системы непрерывного мониторинга работоспособ­ ности труб питательной воды, в основе которых лежат как показатели развития трещин, так и пока­ затель изменения толщины стенки труб и оваль­ ность.

Первая система мониторинга трубопроводов питательной воды базируется на использовании калибровочно-индикаторного пневмомеханичес­ кого диагностического модуля, позволяющего непрерывно при рабочих параметрах отслеживать как зарождение и развитие трещин до предельно допустимых значений, так и осуществлять измере­ ние толщин стенок калибровочных вставок в различные периоды работы ТПВ.

Калибровочно-индикаторный пневмомехани­ ческий диагностический модуль (ðèñ. 1) представ­ ляет собой трубчатую вставку, ввариваемую в схе­ му питательного трубопровода в наиболее по­ вреждаемой и термонапряженной зоне, служащую индикатором меры исчерпания ресурса по показа­ телю утонения толщины стенки труб, связанной с образованием и развитием любых дефектов до за­ данной глубины, утонением стенки за счет корро­ зии.

Модуль состоит из двух труб различного диа­ метра, помещаемых одна в другую таким образом, чтобы зазор между ними составлял 0,5 – 0,6 мм. На наружной поверхности внутренней трубы дли­ ной 1 м выполняются проточки шириной 50 мм и глубиной, равной 3 4 толщины стенки трубы. Сле­ дующая проточка выполняется также шириной 50 мм, но глубиной меньше оставшейся толщины стенки на 0,5 мм. Следующая проточка делается еще меньше на 0,5 мм и так далее, до исчерпания оставшегося запаса. Внешняя труба (кожух) состо­ ит из нескольких труб, соответствующих числу проточек на внутренней трубе.

Каждый участок внешней трубы устанавлива­ ется в зоне проточки и приваривается по торцам для обеспечения полной герметичности. В центре каждого участка внешней трубы сверлится отвер­ стие диаметром 5 мм, в которое помещается труб­ ка из легированной стали соответствующего диа­ метра с толщиной стенки 1,5 – 2 мм. Торец трубки

обращен вовнутрь внешней трубы по всей толщи­ не стенки. Трубу обваривают с наружной и внут­ ренней сторон. Ось отверстия трубки перпендику­ лярна образующей внутренней трубы и ориенти­ рована по центру проточки. Аналогичным обра­ зом устанавливают и участки внешней трубы в зоне проточек внутренней трубы.

Второй торец трубки 5 мм присоединяют к ма­ нометру, рассчитанному на давление, ориентиро­ вочно равное давлению в питательном трубопро­ воде. Этот вариант применим в случае установки в питательной магистрали одного модуля. Если на линии питательной воды предусмотрены 5 – 10 контрольных вставок-модулей, тогда все выходные торцы трубок малого диаметра объединяют в один коллектор, который соединяют с контрольным щитом.

Схема работы диагностического модуля следу­ ющая.

Устанавливают необходимое число модулей на питательной магистрали. Коммуникации из тру­ бок малого диаметра объединяют на щите управ­ ления. Подключают питательную магистраль к об­ щей схеме котла. В процессе эксплуатации под воздействием температуры, давления, агрессивнос­ ти среды и других факторов происходят измене­ ния в металле, которые, безусловно, отражаются на внутренней трубе утонением стенки, зарожде­ нием и развитием трещин и др. Если толщина стенки внутренней трубы уменьшится на 1 4 или трещина вырастет на эту же величину, произойдет разгерметизация первой проточки, где последняя составляла 3 4 толщины стенки. Рабочее тело, т.е. на­ гретая вода под давлением, заполнит полость трубки малого диаметра, на что отреагирует манометр.

Манометр от соседней проточки, глубина кото­ рой меньше на 0,5 мм, сработает тогда, когда будет поражено еще 0,5 мм стенки трубы и т.д. Когда та­ ким образом будет выбрано 50% толщины стенки трубы, необходимо ставить вопрос о проведении контроля состояния металла соседних труб или всей питательной линии. Если на других вставках­ модулях процессы “утонения” стенки идут суще­ ственно медленнее, тогда контролю подвергают трубы, расположенные слева и справа от вставки­ модуля.

Контрольные индикаторные проточки на внут­ ренней трубе можно делать от 0,1 мм до половины толщины стенки трубы, т.е. когда дальнейшая экс­ плуатация питательного трубопровода невозмож­ на без замены соответствующих участков.

Методикой использования диагностических модулей-вставок предусмотрена возможность нор­ мальной работы котла до разрушения всех прото­ чек, глубина которых не превышает 50% толщины стенки трубы. Предусмотрен также вариант пол­ ной автоматизации регистрации результатов изме­ рений с выводом на ПЭВМ, куда вводят всю ин­

формацию, касающуюся труб питательного трак­ та, т.е. время их монтажа, наработка, результаты осмотра и контроля, а также программы по расче­ ту напряжений, расчету долговечности по резуль­ татам малоцикловой усталости и расчету остаточ­ ного ресурса каждой конкретной трубы.

В упрощенном варианте время до разрушения труб питательной воды с помощью указанного диагностического модуля можно определить, зная истинную толщину стенки, минимальный размер проточки, скорость подрастания трещин в ней за время , а также предельно допустимые значения максимальной трещины и прогнозируемую ско­ рость роста трещины на завершающей стадии работы трубопровода.

Согласно действующим “Нормам расчета на прочность” ОСТ 108.031.08–85 допускаемые на­ пряжения для стали 15ГС при температуре 275°С

составляют [ ] = 16,1 кгс мм2.

Приведенные напряжения в гибах от действия внутреннего давления с учетом овальности, утоне­ ния и радиуса кривизны определяются по формуле

ãäå P – давление среды, МПа; Äí – наружный диа­ метр трубы; мм; S – толщина стенки, мм; c – сум­ марная прибавка к расчетной толщине стенки трубы, мм; Ki – торовый коэффициент гиба, равный

овальность, %; Ämax, Ämin – соответственно максимальный и минимальный наружный диаметр гиба

трубы, мм; , q – коэффициенты.

Оценка уровня дополнительных напряжений от овальности производилась в соответствии с [7].

Максимальные изгибные напряжения в гибе трубы

Максимальные значения тангенциальных на­ пряжений при изменении температуры среды t ñî

скоростью составят:

на внутренней поверхности

S 2 ô2ôì ;

на наружной поверхности

S 2 ô1ôì ;

ãäå ô1 è ô2 – коэффициенты формы (определяются

геометрическим параметром 1 = Äí Äâí) вычисляются по формулам

ôì – коэффициент материала.

Анализ графиков пуска-останова и режимов отключения-включения ПВД показывает, что в зо­ нах установленных повреждений на нейтрали внутренней поверхности гибов и прямых участках толстостенных труб (S 40 мм) имеют место два основных цикла изменения напряжений:

1.Öèêë пуска-останова с изменением суммарных напряжений, определяемых в основном на­ грузкой от внутреннего давления P, которое изме­ няется от 0,1 до 38 МПа, цикл, пульсирующий с коэффициентом асимметрии цикла R1 = 0.

2.Цикл включения (отключения) ПВД, в кото­

ром при постоянных тангенциальных напряжени­ ях от действия внутреннего давления происходит пульсация термонапряжения ( ), определяемая скоростью изменения температуры среды . Максимальные скорости составляют + 7°С мин. Об­ щее число циклов не превышает 30 – 40 в год.

Для цикла характерна высокая степень асим­ метрии

ãäå min – суммарное минимальное температурное

напряжение цикла; – суммарное температур­ ное напряжение цикла.

Анализ результатов расчетов показывает, что пульсации температурных напряжений при скоро­ стях изменений температуры среды при включе­ нии (отключении) ПВД = 7°С мин не превышают 30% напряжений от давления и формально не требуют учета [6].

Оценку малоцикловой усталости выполним то­ лько для цикла пуск-останов. Например, примем допускаемое число циклов нагружений [N] с коэф­ фициентами запаса по напряжениям n = 2 и по числу циклов nN = 10, тогда [5, 6]

ãäå E – модуль Юнга при 0°С, МПа; – относи­ тельное сужение, %; 1 0,4 â – предел устало­

ñòè, ÌÏà; â – предел прочности, МПа; à – ðàñ­

четная амплитуда напряжений, МПа; m = 0,5 – по­ казатель степени.

Амплитуда напряжений принимается равной 1 2n на внутренней поверхности нейтральной зоны гибов (область повреждений). E , â , ïðè­

нимаются по нижней границе свойств стали 15ГС при температуре t = 275°Ñ: E = 1,86 · 105 ÌÏà;â = 441 ÌÏà; = 40%.

Отмечаем, что дополнительный запас на кор­ розионное воздействие по числу циклов можно принять равным nN ê 1,5.

Фактическая оценка степени влияния числа циклов на распространение трещин и полученная расчетным путем совпадают на 80 – 87%. Расхож­ дение, очевидно, связано с дополнительным влия­ нием циклических температурных воздействий, возникающих при отключении ПВД и не учитываемых при расчетах.

При невозможности или нецелесообразности использовать описанный метод можно в определенных зонах питательного тракта установить локальный калибровочно-индикаторный модуль, конструкция которого показана на ðèñ. 2.

Модуль устанавливается непосредственно на трубы питательного тракта в зоне наибольшей по­ вреждаемости. Предварительно на трубе в зоне установки модуля сверлится отверстие (или дела­ ется выборка) несколько большего диаметра, чем диаметр пневмодатчика. Отверстие в трубе свер­ лится на глубину предельно допустимого дефекта, который может развиться с внутренней стороны трубы за время . После того как трещина или уто­ нение стенки достигает этого значения, происхо­ дит срабатывание пневмодатчика, показания кото­ рого зафиксирует манометр.

В ряде случаев целесообразно использовать и ультразвуковую высокотемпературную систему диагностики труб питательной воды. Особенно это касается малодоступных зон или зон, где раз­ витие дефектов не носит стереотипного характера и необходимо установить несколько следящих си­ стем для более достоверных результатов по всему сечению исследуемого металла.

Основными технологическими требованиями к монтажу и эксплуатации ультразвуковой следящей

7

5

4

6

3

2

1

Рис. 2. Локальный калибровочно-индикаторный модуль:

1 – корпус; 2 – кольцо уплотнительное; 3 – втулка упорная ре­ зьбовая; 4 – пневмодатчик; 5 – кожух уплотнительный; 6 – ко­ льцо уплотнительное; 7 – к манометру

системы являются требования по надежному и ка­ чественному монтажу высокотемпературных ультразвуковых преобразователей (ВУП) как первич- ных датчиков и снятие их рабочих характеристик во всем диапазоне действующих температур, необходимых для дальнейшей корректировки текущих изменений.

До пуска энергоблока в работу необходимо провести измерения расстояния между установленными преобразователями, а также уточнить толщины металла в зоне контроля, провести реги­ страцию временных интервалов между получаемыми ультразвуковыми сигналами, прошедшими в металле между преобразователями, а также отраженных от внутренних поверхностей оборудова­ ния и от дефектов металла.

Для предотвращения ошибок при оценке ре- верберационно-шумовых сигналов преобразовате­ лей и сигналов, отраженных от структурных неод­ нородностей металла, и непринятия их за основные (полезные), необходимо для каждого канала контроля (каждой комбинации ВУП) определить ожидаемый временной интервал до приема полез­ ного ультразвукового сигнала. Ориентировочно ожидаемый интервал времени до получения дон­ ного (опорного) сигнала Täîí преобразователем прямого типа определяется исходя из толщины ме­ талла в зоне контроля и скорости распространения в ней ультразвуковых волн используемого типа

ãäå S – толщина металла в зоне контроля, мм; Cïð – скорость распространения ультразвуковых волн продольного типа в данном металле, м с; Tàê – время акустической задержки преобразователя (паспортный параметр ВУП), мкс.

Для трубопровода размером 325 245 мм полу­ чаем

Время прихода сигнала, отраженного от дефек­ та Täåô в начальной стадии его развития на внут­ ренней поверхности трубопровода, для преобразо­ вателя наклонного типа можно определить из выражения

ãäå Cï – скорость распространения ультразвуковых поперечных (сдвиговых) волн в данном ме­

талле; 2 – угол наклона (ввода) ультразвукового преобразователя.

Для трубопровода размером 325 245 мм полу­ чаем

В случае контроля с совместным использова­ нием преобразователей прямого и наклонного ти­ пов ðèñ. 3 по времени получения донного (опорно­ го) сигнала прямым преобразователем можно определить временные интервалы до приема сиг­ нала Tï, излученного наклонным преобразовате­ лем и отраженным от внутренней поверхности стенки трубопровода или от дефекта,

ãäå Tàêï , Tàêí – время акустической задержки преоб­

разователей прямого и наклонного типа соответст­ венно, мкс.

Подставив в эту формулу расчетные и выбранные ранее значения, получим для трубопровода

325 245 ìì

Tï 17,56 2 2 2 2 36,89 ìêñ. 0,55cos 40

Интервалы времени, амплитуда, длительность и форма ультразвуковых сигналов, полученные в процессе поочередного опроса преобразователей при температуре 20°С, будут использоваться при обработке и анализе результатов измерений при рабочих температурах.

Расчетное время прихода сигнала от дефекта при рабочих температурах трубопровода опреде­ ляется путем перемножения расчетных значений для охлажденного до 20°С трубопровода на соот­ ветствующий коэффициент, равный 1,05 для пре­ образователей, работающих на продольных ультразвуковых волнах, и 1,08 – для преобразователей, работающих на сдвиговых ультразвуковых волнах.

Рекомендуемая периодичность проведения те­ кущих измерений – через 2 – 3 тыс. ч работы.

8

7

4

3

Рис. 3. Блок-схема устройства контроля металла:

1, 2 – преобразователь наклонного типа; 3 – наблюдаемый де­ фект металла; 4 – стенка трубопровода; 5 – преобразователь прямого типа; 6 – высокотемпературный радиокабель; 7 – ком­ мутатор; 8 – дефектоскоп

Рабочие частоты выбраны в пределах 1,25 – 2,5 МГц. Тип ультразвуковых волн – продольные и поперечные (сдвиговые).

Как показали исследования, заметную роль в развитии и распространении дефектов в трубах питательной воды играют суммарные напряжения, вызываемые различными эксплуатационными и конструктивными факторами, которые могут быть определены ультразвуковыми методами в рамках решаемых задач.

Âоснове всех способов лежит зависимость скорости ультразвуковых волн различных типов (продольных, поперечных, поверхностных и др.) от величины, знака и направления действующих в металле напряжений.

Âобщем виде линеализированное уравнение

теории упругости для одноосных напряжений можно записать

ãäå C0 è C – скорости ультразвука в ненагружен­

ном и нагруженном состоянии соответственно; – действующее одноосное напряжение, в том числе

и остаточное; – акустоупругий коэффициент одноосных напряжений, зависящий от упругих постоянных второго и третьего порядков.

Формулы для расчета можно найти в [8]. Од­ нако, так как надежные данные по величине упру­ гих модулей третьего порядка отсутствуют, а опре-

деление их достаточно сложно, то обычно коэффи­

циент определяют для данного материала по измерениям скорости ультразвука на эталонных образцах из этого материала, подвергнутых дейст­ вию соответствующих усилий.

Зная и измерив относительное измерение скорости ультразвука (C – C0) C0 в данном изде­ лии, можно определить действующее напряжение по формуле

1 C C 0 .

C 0

Для определения напряжений в металле энер­ гооборудования удобно использовать поверхностные волны, которые позволяют проводить измере­ ния только на одной поверхности тела, избежать влияния объемных дефектов и неоднородностей массивного тела, измерять напряжения в приповерхностных слоях материала.

С целью определения акустического коэффи­ циента для стали 15ГС была проведена серия экс­ периментов по измерению изменения скорости поверхностных ультразвуковых волн, возбужденных в образцах, в зависимости от действующего на­ пряжения.

Образцы изготовлялись из стали 15ГС. Сече­

ние образца 25 25 мм, длина 300 мм. На машине P-20 образцы подвергались растяжению с усилием до 104 кгс. Растягивающее усилие прикладывалось ступенчато с выдержкой после каждого нагруже­ ния 5 мин для выравнивания температур (изотер­ мическое нагружение). После выдержки измеря­ лись деформация образца и скорость ультразвука.

Поверхностные ультразвуковые волны возбуж­ дались в образце с помощью призматических ис­ кателей, подключенных к дефектоскопу УД-10УА. Время прохождения сигнала по образцу намеря­ лось с помощью осциллографа С-150. Направле­ ние распространения ультразвуковых волн совпа­ дало с направлением действующего напряжения. Акустическая база искателей составляла 199,5 мм, акустическая задержка 25,6 мкс. Аппаратура обес­ печивала относительную точность измерения ско­ рости ультразвука 10 – 4 ì ñ.

Результаты эксперимента, усредненные по 10 измерениям, представлены далее.

Зависимость C C0 от показана на ðèñ. 4. Акустический коэффициент можно найти по фор­ муле

C C 0 .

C 0

Тогда по данным измерений, приведенным ра­

нее, вычисляем .

После усреднения получим для стали 15ГС

(18, 0,4) 10 5 ÌÏà 1.

Кроме полученной информации о напряженно­ сти труб питательной воды, необходимо уточнить изменение упругих модулей, в частности, коэффи­ циента Пуассона, который характеризует дефор­ мационную способность исследуемой детали.

Как видно из теории распространения упругих волн в твердых телах, модуль упругости E данного материала можно найти, измерив скорость распро­ странения Cï в этом материале поперечной ультра­ звуковой волны

E 2(1 )C ï2 ,

где – плотность материала; – коэффициент Пу­ ассона.

Коэффициент Пуассона , а также постоянные Ляме и также определяют по измерениям ско­ рости поперечных Cï и продольных Cïð ультразвуковых волн по формулам

Для определения коэффициента Пуассона можно также произвести измерение скорости по­ верхностной волны CR и поперечной Cï.

В работе приведены также формулы для опре­ деления упругих постоянных третьего порядка, которые вычисляются по измеренным значениям скоростей продольных Cïð0 и поперечных Cï0 óëüò-

развуковых волн в ненагруженном теле и в теле под действием одноосного напряжения (скоро­

ñòè Cï è Cïð).

Таким образом, проведя измерения скоростей продольных Cïð, поперечных Cï и поверхностных CR ультразвуковых волн, можно по формулам (22),

(29) вычислить значения упругих модулей данного материала при любой заданной температуре (до 600°С), в том числе и в процессе эксплуатации.

Выводы

1.В последние годы одним из факторов, сни­ жающих надежность и безопасность работы энер­ гооборудования, различных регионов России и стран СНГ являются многочисленные поврежде­ ния внутренней поверхности питательных трубо­ проводов, отработавших 130 – 180 тыс. ч.

2.Повреждения питательных трубопроводов, как правило, носят коррозионно-усталостный ха­ рактер. Их образование и развитие в большинстве своем зависят как от качества питательной воды, так и от условий работы энергооборудования.

3.При обнаружении коррозионных поврежде­ ний на трубах питательной воды в период прове­ дения капитального ремонта энергоблока согласно директивным документам необходимо определить расчетным путем предельно допустимую глубину трещин по результатам замера толщины стенки, овальности гибов и протяженности дефектов.

4.Многочисленные исследования показали, что временной показатель коррозионного растрес­ кивания питательных трубопроводов может коле­ баться в пределах 3 – 20 тыс. ч и более в зависи­ мости от конкретного механизма повреждаемости, присущего той или другой электрической станции, энергоблоку и др.

5.Учитывая возможность быстротечного ме­ ханизма повреждаемости питательных трубопро­ водов, необходимо обеспечить оперативный конт­ роль параметров, указанных в п. 3.