2.12. Методика анализа повреждений металла котлов, сосудов и трубопроводов

Анализ повреждений проводится для установления причин их возникновения, выработки предложений по объему и технологии ремонта, а также для разработки рекомендаций по предупреждению возможности возникновения аналогичных повреждений в процессе дальнейшей эксплуатации. Возможны случаи, когда в результате исследований делается вывод о нецелесообразности ремонта объекта и о необходимости замены его новым или коренной реконструкции.

Повреждения, обнаруживаемые при внешнем и внутреннем осмотрах и периодическом контроле металла и сварных соединений, могут являться следствием ряда причин, основными из которых являются:

дефекты металлургического производства в трубах, листе, отливках или поковках;

технологические дефекты, возникшие при производстве оборудования на заводе-изготовителе или при монтаже (дефекты сварки, трещины, надиры и надрывы в штампованных деталях; пористость, трещиноватость, усадочные раковины и другие дефекты в литых деталях; отклонение от заданных геометрических размеров сверх допусков в элементах оборудования и сварных швах и др.);

отклонения от условий эксплуатации, предусмотренных проектом (превышение температуры, давления, периодическое попадание холодной среды на горячую поверхность металла, чрезмерно высокие скорости среды и др.);

наличие неучтенных при проектировании особенностей эксплуатации или неудачные конструкторские решения;

некачественный ремонт элементов котлов, сосудов и трубопроводов.

Исследования повреждения полезно начинать с осмотра детали на месте, до ее вырезки или ремонта. Если позволяют условия, то целесообразно повреждение сфотографировать. Необходимо четко зафиксировать место расположения дефекта и его ориентацию (для поверхности нагрева по высоте, расстоянию от стенки; лобовая или тыльная образующая и др.).

Большую помощь в определении причины разрушения может оказать сравнение внешнего вида излома с уже исследованными ранее случаями, в частности с уже описанными в технической литературе. Важен систематический обзор дефектов металлургического производства в слитках, толстом листе, прутковой стали, штамповках и трубах.

Примером может служить атлас дефектов [122], отражающий опыт металлургов ГДР. Атлас содержит большое количество иллюстраций, а также анализ причин возникновения дефектов и рекомендации по их предупреждению. Анализу вида изломов в связи с причинами разрушения посвящена книга Фридмана и др. [143] (к сожалению, в ней не учитывается возможное коррозионное и эрозионное воздействие внешней среды). Опыт анализа повреждений сосудов и трубопроводов в промышленности США приводится в работе Тэлша [142]. Влияние качества металлургических полуфабрикатов, точность выполнения технологических операций и воздействие условий эксплуатации на надежность элементов котлов и трубопроводов на основе отечественного опыта отражены в [116, 117, 118].

При разрушении трубы или листа из-за дефектов металлургического производства, а также при разрушении сварных соединений из-за больших технологических трещин, непроваров, подрезов или шлаковых включений причину повреждений установить легко. Свищи и разрывы образуются непосредственно по дефектам. Поверхности несплошности в месте заката, трещины металлургического производства или горячие трещины в сварном шве покрыты окалиной. От них начинаются свежие изломы. Деформация в месте разрушения минимальная, так как сечение сильно ослаблено дефектом, который также играет роль концентратора напряжений. Часто в металле, прилегающем к месту разрыва, наблюдается скопление неметаллических включений.

Обследование повреждения желательно проводить сразу после обнаружения дефекта, так как со временем возможно окисление изломов или механическое удаление оксидов (например, "валиков" оксидов, выступающих из трещин).

Если излом уже окислился, то его можно "освежить" специальным травлением, в результате которого четко обозначаются более темная окисленная зона замедленного разрушения и более светлая зона дорыва. Методики "осветления" изломов изложены в работе [70].

Определенную помощь в установлении причин повреждений приносит измерение геометрических размеров трубы или листа. При превышении давления или кратковременном значительном перегреве сверх допустимых по расчету происходит большая пластическая деформация.

При разрушении трубы от кратковременного перегрева около места разрыва сильно увеличивается диаметр и утоняется стенка. Кромки бывают скошены под углом 45°С, так как металл пластичен, и разрушение наступает за счет среза по плоскости максимальных касательных напряжений. Трещина всегда продольная, так как тангенциальные напряжения от внутреннего давления в два раза превышают осевые. Труба обычно имеет большое раскрытие. Силой реакции струи, вытекающей из места разрыва, труба может оказаться сильно погнутой. Внутренняя поверхность чистая, так как струя смывает отложения.

При длительном перегреве по сравнению с расчетной температурой разрушение сопровождается незначительным увеличением диаметра в месте разрыва и небольшим утонением кромок, а на лобовой образующей наружной поверхности появляется сетка продольных трещин.

Разрушение труб в эксплуатации может происходить также и при замерзании в них воды во время ремонта и монтажа в зимних условиях. Чаще повреждения труб от размораживания наблюдаются в экономайзерах и в недренируемых трубах пароперегревателей. При повреждении деталей от размораживания периметр их увеличивается мало, разрыв, как правило, хрупкий, располагается вдоль трубы. Структурных изменений не наблюдается.

При многоцикловом нагружении, коррозионном или коррозионно-механическом разрушении макроскопическая деформация практически отсутствует. Коррозия вызывает местное уменьшение толщины стенки с образованием на поверхности продуктов коррозии. Эрозия также вызывает утонение стенки, но при этом продукты износа уносятся потоком разрушающей среды. Измеренные толщины стенок и диаметры следует наносить на схему поврежденного участка; сравнивать их необходимо с требованиями технических условий на поставку трубы, листа и пр.

Одновременно с осмотром рекомендуется ознакомиться с чертежами (нет ли отступлений), сертификатными данными на материалы, записями в шнуровых книгах и паспортах. Необходимо также опросить эксплуатационный и ремонтный персонал об особенностях эксплуатации и ремонта поврежденных элементов.

При массовых повреждениях однотипных элементов их полезно наносить на чертеж изделия. Например, при многократных повреждениях труб в одной и той же поверхности нагрева мощного парового котла наглядная картина, помогающая анализу, получается при нанесении мест разрыва на формуляр (схематический чертеж) поверхности нагрева.

При необходимости получения экспресс-заключения образцы металла сразу отбирают для механических испытаний и химического анализа. Если из изделия вырезан кусок металла с повреждением, то эта задача относительно легкая. Следует только предусмотреть, чтобы на изготовление образцов для механических испытаний и образцов для спектрального анализа или стружки для химического анализа не использовать металл, который может дать ценную информацию при металлографическом исследовании.

Иногда поврежденный участок металла не вырезают. Его выбирают и подваривают, но при этом требуется исследовать механические свойства металла, химический состав и микроструктуру. Аналогичная ситуация возникает иногда при обследовании барабанов долго работавших котлов. Из обечайки сосуда или барабана вдали от сварных швов, полей отверстий под трубы или других концентраторов напряжений вырезают механическим способом диск диаметром около 100 мм с таким расчетом, чтобы затем на его место можно было установить заглушенный штуцер с внутренним диаметром менее 100 мм. В этом случае рентгенографический или ультразвуковой контроль сплошности шва не требуется. Диск обычно высверливают по контуру или вырезают специальной корончатой фрезой. Из него изготавливают образцы.

При необходимости исследования только химического состава стружку набирают путем засверловки или фрезерования. Если толщина стенки меньше предельной толщины, требуемой по условию прочности, или возникает опасная концентрация напряжений, то производят подварку места выборки электродуговой сваркой. Усиление подварки целесообразно снять механической обработкой заподлицо с основным металлом.

Стружку для химического анализа следует отбирать без применения охлаждающих эмульсий или смазок сухим чистым сверлом или фрезой. Собирать ее лучше чистыми руками на кальку, чтобы избежать завышения содержания углерода. Контроль микроструктуры можно выполнить прямо на изделии, применяя переносной микроскоп или используя метод реплик.

Если металл работает при температуре не выше 250°С, то можно ограничиться исследованиями механических свойств при комнатной температуре. Если температура эксплуатации металла была выше 250°С или если повреждение произошло при минусовой температуре, то необходимо проверить механические свойства металла при этих температурах.

Как правило, механические испытания включают определение твердости металла, испытания на растяжение с определением временного сопротивления, предела текучести (физического или условного), относительного удлинения и поперечного сужения, а также испытания на ударную вязкость (обычно на образцах с круглым надрезом радиусом 1 мм).

Результаты испытаний сравнивают с требованиями технических условий, по которым был поставлен металл. Однако не следует забывать, что длительная эксплуатация при высоких температурах вызывает как бы "доотпуск" металла, т. е. возможны некоторое снижение прочностных показателей и повышение пластических. Косвенным показателем снижения работоспособности при высокой температуре служит уменьшение отношения временного сопротивления при рабочей температуре к временному сопротивлению при комнатной. Это соотношение тем ниже, чем выше рабочая температура металла. Снижение отношения временных сопротивлений при рабочей и комнатной температурах обычно соответствует уменьшению предела длительной прочности. Критические величины отношений временных сопротивлений по данным [119] приведены в табл. 2.15. Если полученное отношение ниже приведенного в табл. 2.15, то есть основания считать, что жаропрочность ниже расчетной.

Таблица 2.15