2.8. Контроль металла элементов котлов и трубопроводов после достижения паркового ресурса

Вследствие больших запасов прочности, заложенных при проектировании и изготовлении котлов и трубопроводов, парковый ресурс превышает обычный расчетный срок службы и в ряде случаев еще не является предельным для возможности надежной и безопасной эксплуатации. Поэтому в разделе 4 типовой инструкции [61] справедливо отмечается, что парковый ресурс для большинства элементов оборудования не является фактическим пределом надежной эксплуатации.

Дальнейшее продление срока службы элементов котлов и трубопроводов, работающих под давлением, должно осуществляться на основании расчета остаточного ресурса по фактическим режимам эксплуатации за истекший период, результатам контроля металла за тот же период и результатам индивидуального контроля металла по специальной программе после выработки паркового ресурса.

Однако конкретной типовой методики расчета остаточного ресурса пока не существует. Его следует осуществлять на основании положений нормативного метода расчета на прочность элементов котлов и трубопроводов [49, 50, 51].

Исходными данными для такого расчета должны служить: информация об условиях эксплуатации за весь предшествующий период (наработка при известных параметрах, число пусков из горячего и холодного состояний и т.п.), информация о фактической форме и размерах деталей, фактические свойства металла и имеющаяся информация об отказах.

При продлении сроков эксплуатации сверх паркового ресурса необходимо учитывать экономическую и техническую целесообразность этой операции.

Объемы и методы контроля по достижении паркового ресурса на основании обобщения перечисленных выше материалов устанавливаются ВТИ или АО ОРГРЭС. Эти же организации дают предложения по возможности и допускаемым срокам дальнейшей эксплуатации. Решение по этому вопросу принимается экспертно-технической комиссией, создаваемой в зависимости от подчиненности электростанции приказом по энергетическому управлению или по РАО ЕЭС России. Состав комиссии формируется руководством электростанции.

2.9. Ремонт барабанов котлов высокого давления

При ремонте барабанов котлов высокого давления следует руководствоваться основными положениями [92], являющимися обязательным руководящим материалом для электростанций, ремонтных предприятий и монтажных организаций. В них рассматриваются рекомендуемые способы ремонта наиболее часто встречающихся повреждений металла, обнаруживаемых при обследовании барабанов паровых котлов. Если для обеспечения работы котла на номинальных параметрах требуется выполнение работ, которые регламентированы упомянутыми выше основными положениями, то технология ремонта разрабатывается ремонтным предприятием и согласовывается с руководством электростанции. Если же обнаружены дефекты, не предусмотренные в основных положениях, или требуется применение методов ремонта, не предусмотренных ими, то ремонтное предприятие разрабатывает технологию ремонта и согласовывает ее с электростанцией, заводом - изготовителем котла, НПО ЦНИИТмашем или НПО ЦКТИ.

В случае выявления при контроле барабана дефектов на поверхностях обечаек, днищ, трубных, лазовых отверстий и штуцеров и в сварных швах барабанов эти дефекты следует удалять механическим способом: абразивным кругом, расточкой, сверловкой и др. Объемы удаляемого металла должны быть минимальными, а нагрев металла не должен вызывать образования цветов побежалости. Места механической выборки дефектов должны иметь плавные переходы (рис. 2.17, а). При входном контроле металла барабанов или при его первом обследовании следует скруглить кромки около отверстий с внутренней поверхности барабана радиусом 5-7 мм (см. рис. 2.17, б). Если дефекты устраняются с применением сварки или заплавки, то переход от ремонтной заварки к основному металлу скруглять необязательно.

#G0

Рис. 2.17. Выборка дефектных мест в барабанах: а - выборка в листе барабана с плавным переходом; б - обработка кромки и поверхностей трубного отверстия

Когда глубина выборки в стенке барабана для удаления дефекта превышает 15 мм, вопрос о технологии ремонта или о переводе эксплуатации котла на пониженные параметры решается заводом-изготовителем.

Полнота удаления дефектов при выборке должна контролироваться магнитопорошковой или ультразвуковой дефектоскопией. Можно применять травление 10-20% водным раствором азотной кислоты или 15% водным раствором персульфата аммония.

После проведения выборок дефектов проверяют расчетным путем прочность всех элементов барабанов, из которых для удаления дефектов производилась выборка металла. Проверку проводят по нормам расчета на прочность ОСТ 108.031.02-75 [48]. Номинальное рабочее давление может не проверяться расчетным путем, если будет проведено бандажирование или наплавка штуцеров по приведенной в основных положениях [92] технологии, выборка дефектов с подваркой, обеспечивающей заведомое упрочнение отремонтированного элемента, а также при повреждениях барабана язвинами или рисками глубиной до 3 мм, расположенными на расстоянии не ближе диаметра ближайшего отверстия от его края. Допускается скругление внутренних кромок отверстия радиусом до 10 мм без проверки прочности расчетом.

Для проверки прочности барабана расчетным путем после удаления дефектов следует определять толщину стенки цилиндрической части барабана, днищ и штуцеров. Такие измерения выполняют специальным мерительным инструментом или ультразвуковым методом. Погрешность способа измерения не должна превышать ±3%.

Допустимое рабочее давление для барабана при наличии ремонтных выборок принимают равным наименьшему из значений для каждого из проверяемых элементов.

С целью сохранения номинального рабочего давления проводят ремонтные подварки выбранных дефектных мест.

Ремонт котлов следует поручать специализированным организациям, имеющим квалифицированный персонал, соответствующее техническое оснащение и опыт ремонта котлов. К сварке элементов котлов, пароперегревателей и экономайзеров могут быть допущены только сварщики, аттестованные в соответствии с "Правилами аттестации сварщиков", утвержденными Госгортехнадзором России [5], и имеющие соответствующее удостоверение. При этом сварщики могут быть допущены только к тем видам работ, которые указаны в удостоверении. Если предстоит выполнение сварочных работ на сложных или специфических сварных конструкциях, то ремонтное предприятие должно провести специальную подготовку и испытание сварщиков.

Ремонтная сварка и наплавка барабанов из стали 22К должны проводиться электродами УОНИ-13/45 типа Э42А, а барабанов из сталей 16ГНМ и 16ГНМА - электродами УОНИ-13/55 типа Э50А. Электроды должны соответствовать #M12291 1200001301ГОСТ 9466-75#S[29] и#M12291 1200001300ГОСТ 9467-75#S[30] и иметь сертификаты.

Перед сваркой на барабане должны быть сварены образцы-имитаторы из того же материала, что и барабан, и теми же электродами, которыми будут проводиться сварка и наплавка на ремонтируемом барабане. Образцы-имитаторы принимаются по результатам внешнего осмотра и исследования макроструктуры. Сварщики допускаются к сварке на барабане после удовлетворительного выполнения сварки на образцах-имитаторах. В металле шва или наплавки не должно быть трещин, пор и шлаковых включений.

Углы скоса кромок и радиусы скругления должны обеспечивать качественное выполнение наплавки. Места сварки и наплавки и прилегающий к ним металл на расстоянии не менее 100 мм зачищают абразивным кругом до металлического блеска и контролируют магнитопорошковой дефектоскопией и ультразвуком. Сварка и наплавка допустимы только после полного удаления дефектов.

Электроды необходимо предварительно просушить при 350-400°С в течение 4 часов.

При проведении сварки дуга должна легко зажигаться и стабильно гореть, покрытие должно плавиться равномерно, наплавленный валик должен равномерно покрываться шлаком, который потом легко удаляется при охлаждении.

Рассмотрим более подробно различные типовые случаи ремонтных работ на барабанах котлов.

1. Ремонтная подварка штуцера. Выполняется в тех случаях, когда толщина его стенки после устранения дефектов окажется меньше расчетной по нормам [82], но будет не менее 3 мм. Если стенка штуцера тоньше 3 мм, то его необходимо заменять полностью.

Штуцеры наплавляют только с наружной поверхности (рис. 2.18, I). Наплавка может быть многослойной. Толщина наплавки должна быть не менее полуторной глубины выборки для удаления дефекта. Длина наплавки по образующей штуцера должна превышать длину выборки на 10-15 мм.

Рис. 2.18. Ремонт штуцеров барабанов: I - наплавка на наружной поверхности штуцера; II - установка бандажа на штуцер

Наплавку выполняют кольцевыми швами по всей окружности штуцера. Швы накладывают в направлении от существующего сварного шва, соединяющего штуцер с барабаном. Каждый последующий валик должен перекрывать предыдущий на одну треть его ширины. После наложения каждого валика удаляют шлак и брызги с поверхности наплавленного металла и штуцеров. Необходим послойный внешний осмотр; не допускаются следующие дефекты: трещины, подрезы, поры и незаплавленные кратеры.

Наплавка должна обеспечивать плавный переход к основному металлу штуцера и предыдущему слою, чтобы избежать местной концентрации напряжений. На штуцер передаются компенсационные температурные изгибающие напряжения, которые в сочетании с концентратором напряжений могут послужить причиной образования трещин в процессе эксплуатации.

2. Бандажирование штуцеров. Производится для укрепления штуцеров, имевших ремонтные выборки дефектов (рис. 2.18, II). Длина бандажа вдоль образующей штуцера должна превышать длину выборки на 10-15 мм. Толщина бандажа должна быть не менее толщины ремонтируемого штуцера. Материал бандажа - труба из стали 20 по ТУ 14-3-460-75 [102].

Бандажные втулки можно надевать на ремонтируемый штуцер двумя способами: горячей посадкой на штуцер с предварительной обрезкой присоединяемой к нему трубы или сваркой двух половин разрезанной втулки, плотно прижатых к штуцеру перед сваркой. Перед бандажированием внутренняя поверхность бандажной втулки и наружная поверхность штуцера должны быть зачищены до металлического блеска. Места сварки показаны на рис. 2.18, II. Местный зазор между втулкой и штуцером не должен превышать 0,2 мм.

Контроль качества сварки осуществляется внешним послойным осмотром после удаления шлака и брызг.

3. Замена штуцеров. Требуется при утонении стенки до толщины менее 3 мм или при полной выборке основного металла штуцеров при повторных ремонтах.

Удаляемый штуцер срезают газовой резкой кислородно-ацетиленовым пламенем до высоты 6-7 мм. Остаток штуцера удаляют механическим способом. Металл гнезда под штуцер в барабане и наружную поверхность барабана на расстоянии 30 мм следует подвергнуть магнитопорошковой дефектоскопии на отсутствие трещин. Обнаруженные трещины необходимо удалить механическим способом.

Новый штуцер должен быть изготовлен из трубы, отвечающей требованиям ТУ 14-3-460-75. Желательно, чтобы новый штуцер имел большую толщину стенки за счет уменьшения внутреннего диаметра. При проведении сварочных работ по замене штуцеров необходим предварительный и сопутствующий подогрев до 180-220°С для сталей 16ГНМ и 16ГНМА и 120-160°С для стали 22К.

После приварки новых штуцеров должен быть проведен общий или местный отпуск по кольцу шириной не менее 500 мм с симметричным расположением зоны нагрева относительно оси штуцера. Перед термической обработкой барабан должен быть временной тепловой изоляцией. Зона нагрева должна отстоять на 500 мм или более от кольцевого шва приварки днища. При проведении термической обработки барабан должен иметь возможность свободно расширяться. Возможен вариант местной термической обработки с равномерным нагревом кольцевой зоны цилиндрической части барабана совместно с днищем. Эти условия необходимо выполнять во избежание чрезмерных температурных напряжений в барабане.

Отпуск стали 22К проводят при 600-630°С, а сталей 16ГНМ и 16ГНМА - при 620-650°С с выдержкой в обоих случаях в течение 5 часов (рис. 2.19). Нагрев до температуры отпуска должен осуществляться со скоростью 40-50°С/ч, охлаждение - со скоростью 20-30°С/ч до 150°С. После охлаждения до 150°С временная тепловая изоляция может быть снята.

Рис. 2.19. График типового режима термической обработки барабана из стали 16ГНМ после сварки и наплавки (в скобках данные для стали 22К)

Необходимы контроль и регистрация температуры наружной и внутренней поверхностей барабана. Для контроля применяют термопары. Градиент температуры по образующей должен находиться в пределах 100°С на 100 мм длины барабана. Перепад температуры по толщине стенки не должен превышать 30°С.

Возможен вариант технологии приварки ремонтных штуцеров к барабану из стали 22К с предварительным и сопутствующим подогревами, но без последующего отпуска. В этом случае требуется сохранить сопутствующий недогрев в течение 3 часов после окончания сварки и обеспечить плавное охлаждение под слоем теплоизоляции. Аналогичным образом можно поступить, приваривая одиночные ремонтные штуцеры к барабанам из сталей 16ГНМ и 16ГНМА. Но при этом общее количество ремонтных штуцеров не должно быть более десяти, а располагаться они должны не ближе чем через один друг от друга (в расчет принимаются и штуцеры, отремонтированные в прежние ремонты).

4. Наплавка на поверхность трубного отверстия. Производится с предварительным и сопутствующим подогревами, режимы которых соответствуют указанным в разделе, посвященном замене штуцеров. Зона нагрева должна быть не менее 150 мм вокруг кромки наплавляемого отверстия. Термопары должны устанавливаться со стороны, противоположной расположению нагревателя. После наплавки необходим отпуск. Его можно не применять, если на барабане из стали 22К шаг между наплавляемыми отверстиями в продольном направлении не менее 600 мм или в окружном не менее 400 мм. Допускается наплавка без последующей термообработки групп из двух-трех рядом расположенных отверстий при расстоянии между границами групп не менее 1200 мм. На барабанах из низколегированных сталей 16ГНМ и 16 ГНМА без термообработки можно оставлять наплавки отверстий в барабане при продольном шаге не менее 1200 мм и окружном - не менее 600 мм с общим количеством наплавляемых отверстий не более шести (с учетом отверстий, отремонтированных наплавкой при предыдущих ремонтах). В этих случаях сопутствующий сварке подогрев необходимо сохранять не менее 3 часов после ее окончания и обеспечивать последующее медленное охлаждение. Наплавку можно производить без последующего отпуска только на отверстия в листах барабанов, имеющих твердость не более НВ 2000. Твердость наплавленного металла и околошовной зоны должна быть не более НВ 2200. В противном случае требуется отпуск.

После наплавки отверстия растачивают на диаметр, меньший указанного в заводском чертеже на 5-8 мм.

5. Наплавка выборок в основном металле барабанов, в продольных и кольцевых сварных швах. Выполняется с предварительным и сопутствующим подогревами на участке, выходящем за пределы зоны наплавки на 150 мм с каждой стороны. Температура подогрева должна определяться с помощью термопар, устанавливаемых со стороны, противоположной расположению нагревателя. Термопары следует располагать по границе нагреваемого участка.

Наплавка делается многослойной без перерыва в работе. Слоев должно быть не менее трех. Общая толщина слоев должна быть такой, чтобы толщина стенки после наплавки была больше исходной до выборки дефектов на 3-5 мм. В случае вынужденного перерыва в наплавке сопутствующий подогрев необходимо сохранять. Первый слой валиков следует располагать поперек продольной оси барабана. Каждый валик должен перекрывать на треть ширины предыдущий валик. Второй слой валиков накладывают перпендикулярно первому, а третий - опять поперек оси барабана. Третий валик накладывается в направлении, встречном первым двум и т.д. (рис. 2.20). После наложения каждого валика надо очищать наплавку от шлака и брызг и проводить внешний осмотр. Не допускаются трещины, поры, подрезы и незаплавленные кратеры. После наплавки каждых 1000 смв местах выборок следует переводить отпуск по режимам и технологии, описанным выше (независимо от марки стали барабана).

От термической обработки можно отказаться, если объем наплавки не превышает 300 см, а толщина стенки барабана ослаблена не более чем на 35%. Количество таких выборок на барабанах из стали 22К не ограничено, если расстояние между ними более 400 мм или не менее трехкратной длины наиболее протяженной выборки. На барабанах из сталей 16ГНМ и 16ГНМА достаточным условием для отказа от отпуска является соблюдение расстояния между соседними выборками не менее 1200 мм. При определении расстояния до соседних выборок учитывают и выборки, выполненные при предыдущих ремонтах.

Рис. 2.20. Схема наложения валиков при ремонтной наплавке мест выборок в барабане

Как и при замене штуцеров, непременными условиями возможности отказа от термической обработки являются: твердость металла барабана до наплавки не выше НВ 2000; твердость наплавленного металла и околошовной зоны после наплавки не более НВ 2200. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то необходим отпуск.

6. Приварка деталей крепления внутрибарабанных устройств. Должна производиться только в случае крайней необходимости. Этот узел при заводском цикле изготовления проходит отпуск со всем барабаном. При отсутствии отпуска этот узел склонен к образованию трещин в процессе эксплуатации.

Согласно основным положениям по ремонту барабанов из сталей 22К, 16ГНМ и 16ГНМА при необходимости удаления отдельных кронштейнов внутрибарабанных устройств завод-изготовитель выдает рекомендации по креплению их механическим способом. Только при невозможности крепления механическим способом кронштейны приваривают с предварительным и сопутствующим подогревами без последующей термообработки. Зона нагрева должна быть не менее 150 мм от сварного шва в обе стороны. Режимы были описаны подробно выше. После сварки сопутствующий подогрев продолжают еще 3 часа и обеспечивают затем плавное охлаждение под слоем теплоизоляции. Кронштейны крепят двусторонним швом со сплошным проваром и катетом не менее 6 мм. Шов и околошовную зону контролируют визуально и магнитопорошковой дефектоскопией.

Все работы по осмотру барабана, его ремонту и дефектоскопическому контролю должны тщательно фиксироваться. Перед ремонтом барабана составляют акт его внутреннего осмотра. Если требуется выполнять работы по ремонту, то после их окончания составляют также акт с указанием объема и характера выполненных работ. К акту прилагают формуляр развертки барабана с пометками мест выборки металла и их размеров, а также мест и размеров наплавки. Аналогичный формуляр составляется на ремонтные работы по трубным отверстиям и штуцерам. Необходимо иметь описание технологии ремонтных работ с эскизами мест сварки и наплавки, указанием режимов сварки и порядка наложения швов. Требуются акты на все виды выполненного контроля: магнитопорошковой дефектоскопии, ультразвукового контроля, измерений твердости, а также акты на предварительный и сопутствующий подогревы и на термическую обработку (последний с приложением графиков изменения температуры со временем). Материалы по ремонту должны также содержать сертификаты на электроды, копию удостоверения электросварщика, выполнявшего работы.

После завершения ремонта барабана выполняют прокатку его труб шарами, имеющими диаметр 0,8 от номинального внутреннего диаметра труб. Эта операция позволяет очистить трубы в случае их засорения при ремонте.

Затем проводят гидравлическое испытание водой, нагретой до 50-70°С. Давление испытания составляет 1,25 от рабочего. После гидравлического испытания отремонтированные участки контролируют визуально, а места наплавки на корпус барабана и основные сварные швы - ультразвуковой и магнитопорошковой дефектоскопией. По результатам внутреннего осмотра и гидравлического испытания составляют акт.

Внутрибарабанные устройства собирают только после завершения гидравлического испытания и внутреннего осмотра отремонтированного барабана.