Размещено на http://www.allbest.ru/

Надежность элементов трубных систем ТЭЦ

Э.Р. Мамедов, Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, г. Казань, Республика Татарстан

Введение. Главным требованием к энергетическому оборудованию и трубопроводам ТЭЦ, как составной его части, является надежность их работы. Неисправность в какой-либо части трубопровода может привести к отключению значительной мощности или к полной остановке энергетического оборудования. Поэтому информация о причинах развития дефектов трубопроводов и их элементов, методах их определения, времени безопасной эксплуатации, отбраковки деталей трубопроводов является важной и актуальной.

Конструктивные особенности гибов труб. Одними из наиболее значимых элементов трубных систем теплоэнергетического оборудования, с точки зрения надежности, являются гибы труб.

Все гибы труб поверхностей нагрева и подавляющее большинство гибов трубопроводов изготавливаются путем гибки прямых труб на специальных трубогибочных станках. Если позволяет мощность трубогибочного станка, то гибку паропроводных труб проводят в холодном состоянии, т.к. при горячей гибке возможны неблагоприятные изменения структуры металла и как следствие - снижение его жаропрочности. Кроме того при нагреве под гибку необходимо точно выдерживать температуру по длине и периметру труб, а печное оборудование котлостроительных заводов не всегда обеспечивает необходимую точность нагрева.

Трубы большого диаметра, имеющие значительную толщину стенки, гнутся на станках в горячем состоянии обычно при 950-980 ОС. При такой температуре происходит превращение структуры углеродистой или перлитной низколегированной стали в аустенит. При гибке происходит пластическое деформирование металла - на наружной части гиба металл растягивается, а на внутренней сжимается. Чем меньше радиус гиба, тем больше деформация. После горячей гибки для улучшения структуры конструкционного металла производят полную термическую обработку - нормализацию с отпуском.

Технологические операции, используемые при производстве гибов привносят в их геометрию важную особенность - овальность. Овальность является одним из определяющих показателей эксплуатационной надежности гибов трубопроводов и поверхностей нагрева котлов. Допустимая величина овальности в зависимости от геометрии гиба и условий его эксплуатации лежит в диапазоне от 5 до 10%.

В процессе гибки труб поверхностей нагрева и трубопроводов также происходит утонение стенки трубы. На рис. 1 представлена схема формы поперечного сечения гиба. С наружной стороны гиб имеет участок сечения с большим радиусом кривизны (уплощение). В случае недостаточной длительной пластичности металла в процессе эксплуатации в этом месте могут образовываться продольные трещины на наружной поверхности, т.к. уплощенный участок будет выпучиваться и на наружной поверхности (точка 1 на рис. 1) возникнут максимальные дополнительные растягивающие напряжения.

Другим опасным местом гиба являются переходы от уплощенного участка, имеющие минимальный радиус кривизны. В этих местах максимальные дополнительные растягивающие напряжения возникают на внутренней поверхности (точка 2 на рис. 1).

При гибке в местах начала деформации заготовки возможно образование гофр. Высота гофр, образующихся при гнутье на внутреннем обводе гиба, также, как и овальность, регламентируется стандартом [1].

Влияние условий эксплуатации. Во время работы элементы трубопроводов находятся под постоянной нагрузкой: от давления протекающей среды; от массы металла труб, арматуры, протекающей среды, теплоизоляции; от нагрузок теплового удлинения; от вибрационных нагрузок. В гибах возникают дополнительные напряжения от изгиба и кручения трассы трубопровода или поверхности нагрева, вызванные весовыми нагрузками и напряжениями. Кроме того, в материалах деталей трубопровода могут возникать периодические нагрузки: от неравномерного их нагрева; от защемления подвижных опор; от чрезмерного трения в подвижных опорах трубопроводов.

Прочность трубопровода - его способность противостоять перечисленным нагрузкам. Она зависит от прочности деталей, из которых состоит трубопровод. Немаловажным фактором также являются условия закрепления трубопровода в пространстве.

Конструкционный металл элементов трубопроводов работает в разнообразных, а в ряде случаев достаточно тяжелых условиях. Рабочая температура пара может достигать 565 ОС, давление - 25,5 МПа. Длительная работа трубопроводов с температурой среды выше 450 ОС предопределяет развитие ползучести. Наиболее интенсивно процесс ползучести паропроводов происходит на гибах, поэтому здесь он является одним из основных повреждающих факторов. В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации во много раз меньшей, чем при кратковременной перегрузке при той же температуре [2].

При работе паропровода с температурой пара выше 450 ОС на внутренних стенках трубы происходит окисление металла. С течением времени толщина стенок труб уменьшается, вследствие чего в стенках труб увеличивается напряжение и ускоряется процесс ползучести. Под воздействием высоких температур в стали происходит выделение свободного углерода по границам зерен. Наличие в стали зерен графита с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению пор, раковин или пустот, ослабляющих металл и приводящих к ускорению ползучести. Накопление деформаций ползучести в металле труб до 0,2% дает незначительное количество мелких пор. При дальнейшем увеличении деформации до 0,5% стенка трубы локально утоняется, и в этом месте появляется большое количество пор и микротрещин. При достижении предельной деформации 0,9% появляются надрывы и трещины в результате слияния пор в цепочки и образования магистральной трещины. На рис. 2 показан гиб паропровода с повреждением, полученным вследствие ползучести конструкционного материала.

Длительная работа при высокой температуре приводит к снижению его механической прочности, происходит разупрочнение конструкционного материала трубопровода. Чем дольше металл работает при высоких температурах, тем меньшее напряжение требуется для его разрушения.

При пусках, остановах, переходных режимах в трубной системе, детали которой имеют конструкционные концентраторы напряжений в виде резких переходов сечений, могут возникать циклические напряжения. При внезапном охлаждении внутренней поверхности паропровода в его стенках могут появляться температурные напряжения. В таких условиях сложного напряженного состояния металл гибов и других элементов должен обладать высокими пластическими свойствами для снятия пиков местных напряжений без опасности образования трещин [3].

Существенное влияние на несущую способность гиба оказывают гидродинамические процессы, происходящие при изменении направления течения потока. Различают верхние гибы труб, в которых поток рабочего тела изменяет свое направление с восходящего (подъемного) на опускное (рис. 3а) и нижние, в которых направление потока изменяется с опускного на подъемное (рис. 3б).

По сравнению с прямыми участками труб, в местах гибов стенка трубы омывается водой менее устойчиво. Ухудшение омывания связано с центробежным эффектом забрасывания воды к наружней образующей трубы при повороте струи на 180О, что может привести к отрыву потока у стенки со стороны внутренней образующей трубы. Эта стенка может оказаться без достаточного охлаждения, что приводит к местному перегреву металла гиба в данной зоне.

Вследствие больших скоростей движения пара на наружной образующей трубы наряду с коррозией происходит значительный эрозионный износ, т.е. унос мелких частиц металла потоком протекающей среды [4].

Характерные дефекты гибов. Анализ данных по 56 случаям аварий, произошедших в региональной энергетической системе Республики Татарстан за последние 15 лет, указывает на то, что подавляющее большинство повреждений относится к гибам водо- и паропроводов, выполненных из перлитных сталей марок 20 и 12Х1МФ. Разрушения фиксировались на трубопроводах в пределах котлов, работавших в составе оборудования ТЭЦ и ГРЭС. В сводной таблице приведена структурированная информация, включающая в себя данные по конструкциям аварийных гибов и причины произошедших повреждений. Стоит отметить, что в данной таблице приведены не все проанализированные случаи аварий, а лишь те, причины которых носят массовый характер (или являются общими) для большинства повреждений.

Данные по конструкциям аварийных гибов и причины произошедших повреждений

гиб труба аварийный дефект

В большинстве случаев повреждения гибов станционных трубопроводов имеют вид продольных трещин длиной до 1,5 м различной степени раскрытия, располагаются в растянутой зоне гиба и развиваются снаружи внутрь стенки. На наружной поверхности в зоне разрушения отмечается сетка трещин, параллельных основной трещине. Во всех разрушенных гибах, подвергнутых исследованию, выявлены трещины, характерные для ползучести (развитие по границам зерен, наличие в зоне повреждений цепочек пор и микротрещин). Овальность большинства гибов к моменту разрушения увеличивается. Это является косвенным свидетельством того, что металл разрушенных гибов обладал низкой жаропрочностью. Такой металл имеет низкое сопротивление ползучести, а в результате - высокую скорость выправления сечения гибов в процессе эксплуатации. Повреждения в виде трещин обнаруживаются уже через 40 тыс. ч эксплуатации, т.е. наработка составляет только 40% от расчетного срока службы. Разрушение гибов паропроводов происходит в наиболее «узких» местах, которыми могут быть местное утонение стенки трубы, наличие концентраторов, дополнительные изгибные напряжения и др. Трещины образуются на наружной поверхности «спинки» гиба в результате появления пор, цепочек пор и слияния их в одну трещину. Анализ всех рассматриваемых аварий позволяет сделать вывод о том, что наиболее частой причиной разрушения гибов являются трещины, образовавшиеся вследствие ползучести металла. Другими распространенными причинами разрушений гибов являются неудовлетворительное качество металла - наличие в нем внутренних дефектов (закаты, наклеп), а также дефектов, возникших при изготовлении гибов и нарушение условий эксплуатации энергетического оборудования.

Выводы. Среди элементов трубных систем наиболее повреждаемыми являются места гиба. Это обусловлено тем, что одновременно с несовершенством формы сечения, приобретаемой в процессе изготовления, на гибы в процессе эксплуатации воздействует несколько повреждающих факторов, имеющих различную физическую природу. Некоторая часть оборудования в настоящее время работает в нестационарном режиме, т.е. в условиях частых пусков и остановов, что также снижает работоспособность металла в процессе эксплуатации.

Проведенный статистический анализ повреждаемости элементов энергооборудования свидетельствует о том, что ползучесть металла является одной из основных причин разрушений наряду с неудовлетворительным качеством металла, конструктивными недостатками и нарушениями режимов работы.

Литература

1. СТО ЦКТИ 10.003-2007 Трубопроводы пара и горячей воды тепловых станций. Общие технические требования к изготовлению.

2. Балашов Ю.В. Обеспечение надежности необогреваеых элементов паровых котлов ТЭС с водной рабочей средой / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 120 с.

3. Пермикин B.C., Добрушкин Л.С. Оценка состояния металла гибов паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести, и определение возможности их эксплуатации.

4. Лебедев И.К. Гидродинамика паровых котлов. М.: Энерго- атомиздат, 1987. 240 с.

Размещено на Allbest.ru