Диагностирование и прогнозирование ресурса сварных соединений паропроводов

Сварные соединения относятся к категории относительно слабых элементов в системе паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ. Повреждения сварных соединений обусловлены технологическими, конструкционными и эксплуатационными причинами (факторами) и развиваются по механизмам хладноломкости, усталости, ползучести.

Из результатов статистического анализа, систематизированного АООТ ВТИ на массиве примерно 150 тыс. сварных соединений, эксплуатирующихся на 1500 паропроводах 105 ТЭС с максимальной наработкой до 200 – 300 тыс. ч, установлено влияние следующих факторов, вызвавших 2003 случая повреждений:

технологического фактора, обусловленного неоднородностью структуры и свойств по зонам сварного соединения; 92 – 95% повреждений развиваются по разупрочненной прослойке металла ÇÒÂðï и 5 – 8% повреждений приходятся на металл шва;

конструкционного фактора. В среднем 95% повреждений отмечается по сварным соединениям с повышенной концентрацией напряжений. К ним относятся штуцерные, тройниковые и стыковые сварные соединения разнотолщинных трубных

элементов, объем которых в общем количестве сварных соединений на паропроводе ограничива­ ется 10 – 20%. Около 5% повреждений относятся к стыковым соединениям равнотолщинных трубных элементов и отказы по ним связаны главным образом с экстремальными условиями эксплуатации;

эксплуатационного фактора. Так, с увеличе­ нием температуры эксплуатации с 510 до 545 – 560°С повреждаемость сварных соединений возрастает на порядок, что свидетельствует о вли­ янии ползучести на ускорение процесса развития повреждаемости металла по разупрочненной про­ слойке ÇÒÂðï. Процесс повреждаемости ускоряет­ ся с увеличением нагрузок èç-çà неудовлетворите­ льной работы дренажных линий, недопустимо высоких скоростей разогрева и расхолаживания, неу­ довлетворительного состояния опорно-подвесной системы, наличия защемлений и противоуклонов на трассе паропровода и др.

Повреждения сварных соединений, как правило, развиваются под комплексным воздействием технологического, конструкционного и эксплуата­ ционного факторов, что реально отражает особен­ ности их работы с учетом технологической и ме­ таллургической наследственности соединений. При этом только один из этих факторов является

Задачи технического диагностирования сварных соединений

Оценка технического сос­ тояния и принятие мер по

Определение остаточного ресурса

предупреждению повреж­

и принятие мер по надежной эксплуа­

дений на установленный

тации сварных соединений до исчер­

срок службы

пания их предельного ресурса

Рис. 3. Схема определения расчетного ресурса стыковых сварных соединений паропроводных труб диаметром 325 205 мм из стали 15Х1М1Ф с литыми патрубками диа­ метром 345 205 мм из стали 15Х1М1ФЛ паровой армату-

ры Ду200 мм (на примере сварного стыка СССртэ,

òàáë.1):

1 è 2 – номинальная длительная прочность и допускаемые на­ пряжения для стали 15Х1М1ФЛ соответственно, согласно [1]

Рис. 2. Схема методологии технического диагностирова­ ния сварных соединений паропроводов ТЭС

основной причиной повреждения, а остальные иг­ рают роль сопутствующих.

В качестве примера рассмотрим повреждение стыкового сварного соединения паропровода диа­ метром 273 201 мм из стали 12Х1МФ, отработавшего 236 тыс. ч при температуре 545 – 565°С. Ма­ гистральная трещина в этом сварном соединении развивалась по механизму ползучести в разупроч­ ненной прослойке металла ÇÒÂðï с наружной по­ верхности вглубь трубного элемента (ðèñ. 1). По результатам исследования, проведенного в ВТИ, было установлено, что основная причина повреж­ дения заключалась в действии недопустимо высоких изгибающих нагрузок из-за нарушения в ходе последнего капитального ремонта проектного со­ стояния расположенной у стыкового сварного сое­ динения опоры (это типичный пример влияния эк­ сплуатационного фактора); этот вывод подтверж­ дается отсутствием значительной микроповрежда­ емости металла по “берегам” магистральной трещины. Сопутствующими причинами были конструкционный фактор (повреждение со стороны утоненного трубного элемента) и технологиче­ ский фактор (наличие разупрочненной прослойки металла ÇÒÂðï, которая неизбежно присутствует в каждом сварном соединении с обеих сторон шва).

Обеспечение безаварийной длительной эксп­ луатации сварных соединений паропроводов тре­ бует совершенствования методов эксплуатацион-

ного контроля и прогнозирования сроков службы с учетом их возможного продления, что лежит в основе задач технического диагностирования, включающего расчетные подходы, неразрушающие методы дефектоскопии и структурный метод

оценки ресурса (ðèñ. 2).

Расчетные методы оценки ресурса. Методо­ логический подход расчетной оценки паркового, индивидуального и остаточного ресурса, принятый в ВТИ, основан на использовании современных норм расчета на прочность трубопроводов энергетических установок [1, 2] c дополнениями результатов собственных разработок института, которые позволяют учитывать конструкционные и технологические особенности сварных соедине­ ний. Парковый ресурс может в 1,5 – 2 раза превышать проектные сроки службы сварных соедине­ ний, а индивидуальный ресурс, как правило, явля­ ется более продолжительным по сравнению со сроками паркового ресурса.

Парковый ресурс определяется из результатов сопоставления расчетных эквивалентных напря­ жений, оцениваемых как приведенные напряже­ ния от внутреннего давления ýêâ = ð для проектных параметров пара (или средних параметров пара за весь период эксплуатации) и номинальных размеров (наружного диаметра и толщины стенки) трубных элементов, с допускаемыми номинальными напряжениями [ ] для данной стали при обяза­ тельном соблюдении условия

ýêâ = ð [ ] = äï n,

эквивалентные напряжения ýêâ определяются для всех видов нагрузок, включая приведенные напря­ жения от внутреннего давления ð (вектор которых направлен нормально сварному шву), изгибных напряжений от весовых нагрузок â и компенсационных напряжений от температурных расширений ê. Расчет проводится по номинальным (или фактическим) размерам (наружного диаметра и толщины стенки) трубных элементов для сред­ них параметров пара за весь период эксплуатации паропровода с учетом коэффициентов прочности сварных соединений в зависимости от их конст­ руктивного и технологического оформления. За допустимые принимаются напряжения [ïê.ð], установленные при расчете паркового ресурса.

Достоверность оценки сроков индивидуально­ го ресурса по номинальным допускаемым напря­ жениям составляет ÊÄ = 20%; при экспертной оценке значение ÊÄ повышается до 40 – 70% с пе­ реходом на расчет по фактическим нагрузкам и или фактической остаточной долговечности сварных соединений, для чего необходимо одно­ временно провести обследование трассировки па­ ропровода с анализом состояния опорно-подвес­ ной системы паропровода и испытаний на длите­ льную прочность образцов, вырезанных для этой цели из одного или нескольких представительных сварных соединений паропровода.

По установленному в расчетах запасу прочнос­ ти определяется категория опасности (ÊÎ ) ñâàð-

ных соединений из установленной зависимости ÊÎ = –12n + 19 с граничными условиями в диапа­ зоне ÊÎ = 1 7, при этом крайнему значению ÊÎ = 1 соответствуют сварные соединения высокой надежности и значению ÊÎ = 7 соответствуют соединения низкой надежности (на стадии исчер­ пания предельного состояния металла – появления макротрещин). В зависимости от полученных зна­ чений КО назначаются меры по эксплуатационно­ му контролю, ремонту или замене сварных соеди­ нений.

Остаточный ресурс определяется из разницыî.ð = ïê.ð – í è èëè î.ð = è.ð – í, ãäå ïê.ð – парковый ресурс; è.ð – индивидуальный ресурс; í – длительность наработки. Значения n è ÊÎ уста­ навливаются для сроков í è è.ð.

Из результатов расчетных исследований, проведенных по сварным соединениям паропровода свежего пара энергоблока 300 МВт ¹ 5 Костром­ ской ГРЭС (мощность 500 МВт, параметры пара 546,6°С и 22,5 МПа, номинальные размеры наруж­ ного диаметра и толщины стенки трубных элемен­ тов, длительность эксплуатации í = 185 тыс. ч), установлено следующее (ðèñ. 3, òàáë. 1):

парковый ресурс в зависимости от типоразме­ ра сварных соединений составляет ïê.ð = 90 400 òûñ. ÷ ;

индивидуальный ресурс в зависимости от ти­ поразмера сварных соединений лежит в пределахè.ð = 178 400 òûñ. ÷;

Ò à á ë è ö à 2

остаточный ресурс составляет

î.ð = 0 215 тыс. ч; запас прочности сварных соединений для сро­

категория опасности сварных соединений в за­ висимости от их типоразмера характеризуется зна­ чениями в диапазоне ÊÎ = 1 7 для сроков инди­ видуального ресурса.

Из анализа полученных результатов следует, что к категории высокой опасности ÊÎ = 7 отно­ сятся тройниковые сварные соединения диамет­ ром 325 205 + 245 155 мм из стали 15Х1М1Ф, ис- черпавшие свой индивидуальный ресурс; к катего­ рии повышенной опасности ÊÎ = 3 отнесены тройниковые соединения диаметром 325 205 + 133 61 мм из стали 15Х1М1Ф 12Х1МФ и другие отдельные соединения с остаточным ресурсомî.ð = 50 тыс. ч. Для таких сварных соединений разработаны меры по проведению 100%-ного кон­ троля с помощью ультразвукового контроля (УЗК),

магнитопорошковой дефектоскопии (МПД) и ме­ таллографического анализа реплик, а также меры по дополнительной оценке ресурса сварных сое­ динений по фактическим нагрузкам и фактиче­

ской остаточной долговечности.

Оценка ресурса по структурному фактору. Приоритетное значение в последнее время приоб­ рел металлографический анализ реплик (МАР), экспертная оценка результатов которого характе­ ризуется высокой достоверностью (ÊÄ = 90%). В основе метода МАР, разработанного ВТИ [4], ле­ жит возможность оперативно устанавливать сте­ пень исчерпания ресурса í ð сварных соедине­ ний по фактическому состоянию металла (микро­ поврежденности) в наиболее слабых участках (òàáë. 2), ãäå í – длительность наработки; ð – предельный ресурс. Учитывая, что типичные по­ вреждения сварных соединений длительно эксп­ луатирующихся паропроводов в условиях ползу­ чести преимущественно развиваются с наружной стороны по разупрочненной прослойке металла зоны термического влияния (ðèñ. 1), это позволяет

Ò à á ë è ö à 3

достаточно уверенно выбирать опасные участки сварных соединений и обследовать их с помощью металлографического анализа по репликам.

При контроле данным методом проводятся сле­ дующие операции: подготовка участка обследова­ ния размером от 10 10 до 20 30 и 20 40 мм механическим способом (шлифовкой, полиров­ кой) и травлением (4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте), получение реплики­ оттиска с контролируемого участка (лаковой или ацетатной пленочной реплики), последующий ме­ таллографический анализ реплики с помощью оп­ тической микроскопии при увеличении 500,800 или 1000. Метод МАР отличается хорошей маневренностью (практически любое сварное сое­ динение может быть подвергнуто такому контро­ лю), возможностью применения на любой ТЭС (лаборатории металлов и контроля, как правило, оснащены оптическими микроскопами), высокой достоверностью в оценке исчерпания ресурса и категории опасности (ÊÄ è ÊÎ соответственно) сварных соединений. Параметр ÊÎ оценивается в диапазоне значений от 1 до 7 (ðèñ. 4) с граничными условиями ÊÎ = 1 (высокая надежность) и ÊÎ = 7 (низкая надежность – на стадии разрушения). Через показатель исчерпания ресурса í ð определяется остаточный ресурс (остаточный срок службы) î.ð = ð – í.

Âновом отраслевом руководящем документе

[3]металлографический анализ реплик введен как обязательный в объеме 10% для сварных соедине­ ний с повышенной концентрацией напряжений (стыковых соединений разнотолщинных трубных элементов, тройниковых сварных соединений). В

зарубежной теплоэнергетике для сварных соеди­ нений паропроводов объем применения этого ме­ тода контроля достигает 50 – 100% и задачи про­ дления ресурса решаются по фактическому струк­ турному состоянию металла – микроповрежден­ ности [5].

Проведенное ВТИ на отдельных отечественных ТЭС обследование с помощью метода МАР позволило установить ресурс сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов, выявить наи­ более слабые сварные детали и рекомендовать меры по повышению работоспособности сварных соединений с целью продления их срока службы: ремонт, улучшение конструкции технологически­ ми операциями, улучшение условий эксплуатации, корректировка объемов применения контроля и его периодичности (òàáë. 3). Примером могут слу­ жить результаты металлографического анализа реплик (и микрообразцов – срезов металла) сварных соединений после наработки 185 тыс. ч па­ ропровода свежего пара на энергоблоке 300 МВт ¹ 5 Костромской ГРЭС. Их анализ позволил уста­ новить фактический остаточный ресурс, который ограничивался сроком î.ð = 14 79 тыс. ч и харак­ теризовался в отдельных случаях значительной длительностью î.ð > 123 тыс. ч в зависимости от типоразмера сварных соединений и расположения их на трассе паропровода. Одновременно было ре­ комендовано сгруппировать сварные соединения по конструкционному признаку (запасу по толщи­ не стенки, укреплению прочности тройника с уче­ том наличия в нем отверстия под штуцер) для дифференцированного назначения объемов конт­ роля от 10 до 100% методом МАР и первоочеред­ ности проведения обследования сварных соедине-

ний в зависимости от технологического, эксплуа­ тационного и конструкционного факторов с уче­ том ранее установленной категории опасности ÊÎ (òàáë. 4).

 òàáë. 4 в формулах расчета параметра конст­ рукционной прочности (ПКП) приняты следую­ щие условные обозначения:

d0 – диаметр отверстия под штуцер в корпусе тройника; Díê – наружный диаметр трубопровода

корпуса тройника; Sôê – фактическая толщина

стенки корпуса тройника в зоне углового шва, определяемая УЗТ; S ê è S ø – номинальная толщи­ на стенки корпуса и штуцера тройника соответственно; Sîê , Sîø , Sî – расчетная толщина стенки кор­

пуса тройника, штуцера и трубного элемента стыковых соединений соответственно (определяется по нормам расчета на прочность); S – номинальная толщина стенок трубных элементов; ÍÂìø è ÍÂîì

– твердость металла шва и основного металла со­

ответственно.

Неразрушающие методы дефектоскопии

(УЗК, МПД, ...), регламентированные согласно [3],

не позволяют оценивать остаточный ресурс сварных соединений по микроповрежденности метал­ ла на стадии предразрушения (òàáë. 5). Использо­ вание таких методов контроля является необходимым только для выявления недопустимых технологических дефектов и эксплуатационных макротрещин, при этом по результатам оценки ка­ тегория опасности сварных соединений может устанавливаться только граничными значениями ÊÎ = 1 (удовлетворительное качество) и ÊÎ = 7 (неудовлетворительное – низкое качество) при от­ носительно невысокой достоверности получаемых результатов ÊÄ = 15 40% в зависимости от мето­ да дефектоскопии, типоразмера сварных соедине­ ний и характера эксплуатационных повреждений.

Алгоритм экспертной оценки состояния сварных соединений разработан и реализован с помо­ щью современной компьютерной техники на при­ мере паропровода свежего пара энергоблока 300 МВт ¹ 5 Костромской ГРЭС. Алгоритм осно­ ван на использовании расчетного и структурного (по микроповрежденности) методов. При этом в качестве вспомогательной определена диагностика