Эксплуатация металлов при повышенных температурах

Паровые котлы ТЭС

Уже были рассмотрены методы организации процессов, обеспечивающих оптимальные условия работы металла элементов паровых котлов, работающих при высоком давлении. Но даже в этих условиях металл ответственных узлов (трубы поверхностей нагрева, барабан, коллекторы, паропроводы) находится в тяжелых условиях, так как в стационарных режимах он подвергается воздействию напряжений от внутреннего давления и собственной массы при высокой температуре. В переменных режимах (пусках, остановах) металл находится под дополнительным воздействием переменной температуры и давления. В некоторых режимах могут возникать и переменные температуры циклического характера.

Кроме того, на металл ответственных узлов котла действуют высокая температура и кор- розионно-активные в химическом отношении среды: топочные газы, насыщенный и перегретый пар, пароводяная смесь и питательная вода. Под воздействием этих сред возникает коррозия металла.

Многие элементы котла, особенно детали водяной и паровой арматуры и труб поверхностей нагрева, работают в условиях эрозионного и абразивного износа. Эрозионным называют износ под влиянием воздействия струи жидкости, газа или пара, абразивным— механический износ под действием твердых частиц — абразивов (например, золовой износ труб поверхностей нагрева). Эрозия металла — сложный процесс, сочетающий в себе коррозию от химического воздействия среды и механический износ под влиянием динамики потока жидкости или пара (механический износ может усиливаться в процессе эрозии при наличии в среде твердых абразивных частиц).

Металл труб воздухоподогревателя испытывает небольшое давление (до 7—8 кПа), и потому механические усилия незначительны, но металл работает при высокой температуре (до 400—450°С).

Особенно в тяжелых условиях работают находящиеся в газоходах неохлаждаемые элементы, предназначенные для подвески и крепления поверхностей нагрева. Эти элементы несут большую весовую нагрузку и подвержены воздействию агрессивных газов при высокой температуре (до 800°С).

Каркас котла также несет большую весовую нагрузку, но работает он при температуре окружающего атмосферного воздуха. Только в подвесных конструкциях паровых котлов отдельные так называемые «горячие» подвески каркаса, кроме того, подвержены высокой температуре, определяемой температурой протекающей через них рабочей среды.

Элементы котла, работающие под избыточным давлением, условно можно разделить на две группы:

1) элементы, работающие при температуре ниже 350—400°С: барабан, парообразующие трубы и их коллекторы, трубы экономайзера и переходной зоны и их коллекторы, трубопроводы и арматуры для воды и насыщенного пара;

2) элементы, работающие при температуре выше 350—400°С: пароперегреватели и их коллекторы, пароохладители, трубопроводы и арматура перегретого пара.

Специфическую опасность для надежной работы ответственных элементов парового котла представляет длительное воздействие напряжений от внутреннего давления и высокой температуры перегретого пара, если она превышает 450°С. Под совместным влиянием температуры выше 450°С и напряжений (трубы пароперегревателей, их коллекторы и магистральные паропроводы) в стали развивается опасное явление ползучести (крипа). Ползучесть представляет собой медленное и непрерывное накопление пластической деформации, т. е. постепенное увеличение размеров детали. Это особый вид пластической деформации, протекающей при напряжении ниже предела текучести. Опасной особенностью процесса ползучести является то, что по достижении определенных пределов остаточной
пластической деформации металл разрушается. Поэтому размеры деталей, работающих в условиях развития ползучести, непрерывно контролируют.

Диаграмма ползучести показана на рис. 25.1, на котором изображены кривые ползучести при постоянном напряжении для трех значений температуры /і</г</з. Рассмотрим ход процесса на примере ползучести при температуре 11. Кривая состоит из трех участков: О а, аб и бс. По времени участок 0 а — период затухающей ползучести — соответствует короткому начальному периоду /, когда металл даже несколько упрочняется. Далее наступает длительный период II установившейся ползучести— участок ab, в пределах которого деталь может работать надежно, не разрушаясь. Скорость ползучести в этом периоде постоянна:

0=A//T=tga. (25.1)

Наконец, следует опасный период III нарастающей ползучести бс, в течение которого наступает разрушение детали — точка с и которому предшествует сильная пластическая деформация, например раздутие труб поверхности нагрева. Надежная работа деталей возможна только в пределах периода II установившейся ползучести. При более высокой температуре (/2 и ^з) процесс ползучести протекает аналогично, но более активно во времени; скорость установившейся ползучести повышается, а разрушение наотупает раньше. Напряжение, при котором скорость ползучести в периоде II не превышает заданной, или напряжение, вызывающее за заданный срок службы суммарную деформацию не более некоторого безопасного, допустимого предела, называют условным пределом ползучести аП – Для большинства марок сталей допускается суммарная деформация в 1% за 100 тыс. ч работы. Этому соответствует скорость ползучести Уп=10~7 мм/(мм-ч), или 10~5% /ч.

Характеристикой прочности металла при работе в условиях ползучести служит предел длительной прочности. При нагружении металла в условиях ползучести длительность работы детали до разрушения зависит от испытываемого напряжения. Напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях ползучести за заданный период, называют пределом длительной прочности.

Зависимость времени до разрушения при постоянной температуре тР от напряжения чаще всего выражают степенным уравнением

Хр=Всгт, (25.2)

Где В и m — постоянные для данного металла и данной температуры.

Следовательно, в двойных логарифмических координатах график зависимости тР от а выражается прямыми, показанными на рис. 25.2 для трех температур 11, t2 и /з (ti<t2<ts).

Длительность безопасной работы детали при данном напряжении (без разрушения) может быть установлена по рис. 25.2. Следовательно, расчет на прочность деталей, работающих в условиях ползучести, можно проводить не по пределу ползучести, а по пределу длительной прочности. Задавшись временем безопасной работы и введя запас прочности, можно рассчитать напряжение, при котором деталь буде г надежно работать в течение заданного времени.

Физическая природа предела ползучести и предела длительной прочности неодинакова. Предел ползучести характеризует сопротивление металла малой пластической деформации при повышенной температуре, а предел длительной прочности — сопротивление металла разрушению в условиях ползучести. Тем не менее в зависимости от обстоятельств каждая из этих характеристик может фигурировать в расчетах на прочность в условиях ползучести, тем более, что для каждого материала между этими характеристиками имеется определенная взаимосвязь.

Поведение металла при высоких температурах

Рис. 25.2. Зависимость предела длительной прочности от времени до разрушения.

До последнего времени для расчета деталей, работающих в условиях ползучести, предусматривалась подстановка в расчетные формулы допускаемого напряжения по пределу длительной прочности при данной температуре стенки за заданный период работы (обычно 100 тыс. ч). Предел длительной прочности обозначается О д. п (/ — температура стенки). При коэффициенте использования рабочего времени /СРаб=0,85, т=100 тыс. ч эквивалентно сроку службы при расчетных параметрах пара — примерно 15 годам. Для дорогостоящего оборудования, каким являются паровой котел и паровая турбина с труд – нозаменяемыми элементами (паропроводы, пароперегреватели, коллекторы, головная часть турбины и др.), этот срок службы в настоящее время считается недостаточным, если учитывать большие запасы прочности, заложенные в расчетах прочности. По сроку амортизации рекомендуется его увеличить примерно в 2 раза, т. е. до 200 тыс. ч. Это может несколько снизить длительную прочность к концу ресурса металла по сравнению с длительной прочностью при 100 тыс. ч. Учитывая, однако, улучшение технологии производства сталей и их термообработки, повышение культуры эксплуатации оборудования, улучшение методов контроля работы металла в эксплуатации оборудования, следует ожидать небольшого снижения длительной прочности при намеченном ресурсе металла в 200 тыс. ч. Новые нормы расчета на прочность [4] позволяют производить расчеты деталей паровых котлов на 200 тыс. ч.

Работа металла при повышенных температурах отличается также той особенностью, что при этих температурах получают развитие диффузионные процессы, под влиянием которых могут существенно изменяться структура, а следовательно, и свойства металла. В этих условиях металл разупрочняется в результате охрупчивания и графитизации. Разупрочнение может привести к аварийной потере прочности.

Работа сталей в условиях воздействия топочных газов и перегретого пара при повышенных и высоких температурах сопровождается также активизацией процессов электрохимической коррозии и как следствие усилением окисления и окаллнообразования на поверхностях, соприкасающихся с активными средами. От воздействия топочных газов особенно страдают внешние поверхности труб пароперегревателей, от воздействия перегретого пара — внутренние поверхности этих труб, коллекторов перегретого пара и магистральных паропроводов. Окалинообразова – ние может быть настолько значительным, что толщина стенки трубы уменьшается до опасных пределов, влекущих за собой преждевременную ползучесть и даже разрушение труб. Образование окалины усугубляется интенсивными тепловыми нагрузками, высокими напряжениями, возникающими от внутреннего давления. Утонение металла вследствие окалинообразования учитывают в прочностных расчетах.

С увеличением единичной мощности требования к надежности выше, а обеспечить ее сложнее из-за большой металлоемкости поверхности нагрева и огромного числа сварных соединений. Увеличение единичной мощности часто сопровождается повышением параметров пара, что связано с применением более прочных, но менее пластичных сталей. Последние более чувствительны к концентрациям напряжений, и поэтому для них даже небольшие дефекты металла более опасны.

В итоге современные паровые котлы большой мощности требуют не только улучшения технологии производства, но и получения по результатам контроля широкой информации о работе металла в сложных условиях эксплуатации: его ползучести, структуре, составе, механических свойствах и возникающих напряжениях.

Условия работы металла при высоких температурах и давлениях позволяют сформулировать следующие основные требования к стали для обеспечения длительной надежной работы котельной установки: высокий предел ползучести; высокий предел длительной прочности; высокая стойкость против окалинообразования; стабильность структуры, гарантирующая отсутствие опасного изменения свойств в процессе длительной работы; хорошая свариваемость; отсутствие металлургических и механических дефектов поверхности, ослабляющих сечение элементов и являющихся концентраторами напряжений.

Нормальному (неаварийному) останову котла (блока) предшествует его разгрузка. При останове в резерв на короткое время (например, на ночь) стремятся в наибольшей степени сохранить тепловое состояние оборудования, в связи с чем …

Рассматриваемые режимы можно разделить на три основных этапа: подготовительные операции, собственно растопки котла и повышение нагрузки до заданной. Рассмотрим их применительно к наиболее современному оборудованию — блочным установкам. В течение …

В соответствии с тепловой схемой АЭС пар вырабатывается либо непосредственно в ядерных реакторах кипящего типа, либо в парогеиераторах-теплообменни – ках, в которых осуществляется передача теплоты от теплоносителя, поступающего из реактора, …

Источник

Все характеристики металла, длительное время пребывающего при высокой температуре, ухудшаются в большей или меньшей степени независимо от того, находится он иод нагрузкой или нет. При высокой температуре происходит изменение его структуры, и он постепенно теряет свою прочность. Говорят, что металл «старится».

Физическая причина старения состоит в зернистой структуре металла и образовании пор по границам зерен. Анализ изменения структуры металла по мере срока службы оборудования показывает, что после достаточно длительного времени по границам соседних зерен металла возникают отдельные микропоры, видимые при 500-кратном увеличении. Их число растет, и постепенно появляются цепочки микроиор. В свою очередь цепочки микропор при дальнейшем развитии процесса ползучести сливаются в микротрещины, длина которых достигает одного-двух зерен. Микроповрежденность металла оценивается по бальной системе (баллы 1—6). Отсутствие микропор, выявляемых оптическими методами, соответствует баллу 1, наличие по границам зерен микротрещин длиной 0,2— 0,3 мм и появление макротрещин — баллу 6. Промежуточные оценки соответствуют разной длине микроиор и их числу в поле микроскопа с 800—1000-кратным увеличением.

На рис. 14.1 показана зависимость разрушающих напряжений в детали и от так называемого параметра Ларсона—Миллера

где Т— абсолютная температура; тр— время пребывания материала при этой температуре.

Параметр Р характеризует требование к материалу детали проработать число часов тр при температуре Г, и тогда кривая о(Р) дает то напряжение, которое способно выдержать деталь. Наоборот, если деталь работает при напряжении а и температуре Т, то кривая о(Р) определяет

Рис. 14.1. Влияние длительной работы материала ротора при высокой температуре на его длительную прочность:

I — полоса разброса длительной прочности для центральной части ротора перед вводом в эксплуатацию; 2 — то же после длительной эксплуатации значение параметра Р, а из последнего можно получить возможное время работы детали. Если, например, в детали действует напряжение ст = 100 МПа (примерно такие напряжения действуют на расточке цельнокованого ротора), а прочность материала отражается областью для исходного (в состоянии поставки) материала, то при работе детали параметр Р = 21,8 и из формулы (14.1) легко получить, что при температуре 520 °С материал может проработать тр= 33,8 млн ч, после чего в нем появится трещина. В действительности уже после 130—150 тыс. ч работы вследствие пребывания при высокой температуре прочность материала изменится, параметр Р станет равным 19 и его возможная долговечность составит примерно 1 660 000 ч, т.е. уменьшится в 20 раз. С учетом естественного разброса свойств материала, значительной чувствительности тр к отклонениям в напряжениях и температуре долговечность в 1 660 000 ч не является чрезмерной.

На рис. 14.2 показано распределение вязкости разрушения К|С(см. гл. 1) вдоль ротора цилиндра, которая характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению при наличии трещин. Свежий пар и пар из промежуточного перегрева в таком цилиндре подводится в среднюю зону, и поэтому она самая горячая. Видно, что в зоне подвода свежего пара и пара из промежуточного пароперегревателя после 130—150 тыс. ч эксплуатации вязкость разрушения материала снизилась примерно на 20 %, и тогда деталь разрушится хрупко при наличии трещины примерно на 50 % меньшей, чем деталь из исходного материала.

Рис. 14.2. Деградация сопротивления хрупкому разрушению роторной стали вследствие длительной эксплуатации (испытания образцов при 20 и 100°С)

Рис. 14.3. Деградация твердости (по Виккерсу) роторной стали вследствие дли тельной эксплуатации

Точно гак же уменьшается твердость металла (рис. 14.3), отражающая его прочность: пребывание при высокой температуре снижает и эту характеристику металла.

Для того чтобы понять суть явления, рассмотрим результаты анализа влияния температуры и времени пребывания т материала при высокой температуре (времени старения) на время до разрушения т , полученное в испытаниях образцов после старения. Эти результаты показаны на рис. 14.4 (анализ докт. техн. наук В.Ф. Резинских). По оси абсцисс графика отложен параметр

Параметр Р,, зависящий от температуры и времени старения, определяет структуру металла: если, например, материал работает короткое время при высокой температуре или длительно, но при малой температуре, а параметр Р для этих двух случаев одинаков, то считается, что и образующаяся структура металла в этих двух случаях также одинакова.

Если из различных зон, например ротора, прослужившего достаточно длительное время, изготовить образцы, то их структура будет различной и ее можно характеризовать соответствующими значениями параметра Ру Если теперь все эти образцы нагрузить одинаковым напряжением а, например а = 160 МПа, и поместить в среду с одинаковой температурой, то через некоторое время т , отложенное по оси ординат, произойдет разрушение этих образцов, причем время пребывания под нагрузкой тр зависит от параметра Ру Для всех значений напряжений с характер зависимости долговечности тр от Р1 оказывается одинаковым (рис. 14.4): на первом этапе эксплуатации (20—40 тыс. ч) прочность стали уменьшается и затем стабилизируется, а при значении параметра Р1 в пределах 19,5—

20,0 катастрофически падает. Температура металла в наиболее горячих зонах турбины находится на уровне 500 °С, и тогда из соотношения (14.2) легко получить, что при приведенных значениях параметра Р1 для разру-

Рис. 14.4. Кинетика изменения длительной прочности роторной стали Р2МА в процессе длительной эксплуатации (анализ докт. техн. наук В.Ф. Резинских) шения необходимо достигнуть наработки в 1—2 млн ч, что в 2—5 раз меньше, чем наработка, достигнутая в настоящее время.

Аналогичным образом происходит изменение и других характеристик прочности.

Таким образом, металл длительно работающих турбин сегодня и в ближайшие 10 лет будет оставаться достаточно далеким от своего предельного состояния — полной потери несущей способности.

Почему же все-таки наработка более 170—220 тыс. ч приводит к опасности массового вывода из эксплуатации энергетического оборудования? Ответ на этот вопрос прост: в процессе эксплуатации на фоне общего ухудшения механических свойств в наиболее напряженных зонах возникают дефекты, размеры которых растут и достигают критического размера, при котором происходит практически мгновенное хрупкое разрушение детали.

Опасности внезапного хрупкого разрушения после длительной эксплуатации подвергаются паропроводы, особенно их тройники и гибы, в которых возникают повышенные напряжения; арматура (корпуса задвижек и стопорных клапанов), корпуса стопорных и регулирующих клапанов свежего пара и пара промежуточного перегрева, корпуса и цельнокованые роторы высокотемпературных цилиндров паровых турбин.

Особенно опасны но своим последствиям разрушения роторов. В качестве примера на рис. 14.5 показано разрушение ротора вала низкого давления (частота вращения 3600 об/мин), произошедшего в 1974 г. при пуске из холодного состояния на американской станции. В результате аварии образовались 23 куска массой более 40 кг и один массой 800 кг. Причиной разрушения явились мелкие трещины, появившиеся возле неметаллических включений внутри ротора иод действием малоцикловой усталости и ползучести, которые в процессе пусков (турбина прослужила 106 000 ч при 145 пусках из холодного состояния и 150 пусках из горячего состояния) объединились в магистральную трещину, достигшую критического размера, после чего и произошло разрушение.

Хрупкие разрушения роторов, как правило, приводят к механическому разрушению всего турбоагрегата (и турбины, и генератора), к возникнове-

Рис. 14.5. Хрупкое разрушение ротора американской турбины нию пожара вследствие горения масла, поступающего из системы масло- снабжения подшипников, приводящего в считанные минуты к обрушению кровли, повреждению соседствующего вспомогательного оборудования и даже устройств, находящихся вне машинного зала (например, блочных трансформаторов). На многие месяцы из эксплуатации выводятся не только турбоагрегат, претерпевший аварию, но и соседние турбоагрегаты.

При длительной работе трещины образуются (рис. 14.6) в зонах максимальной температуры: на внутренней поверхности осевых каналов под дисками первых ступеней ЦВД и ЦСД. Считается, что в общем случае они имеют плоскую полуэллигггическую форму с короткой полуосью, равной глубине / трещины, и длинной осью 2с. Чем больше эллиптичность //2с, тем опаснее трещина: при одинаковой глубине / трещина с //2с = 0,1 примерно вдвое опаснее, чем трещина с //2с = 0,5. Трещина располагается в плоскости, проходящей через ось ротора, так как при вращении центробежные силы стремятся разорвать ротор по радиальным плоскостям.

Расчеты показывают, что для хрупкого разрушения типичного цельнокованого ротора достаточно на его расточке иметь осевую трещину глубиной 25—40 мм (при диаметре бочки ротора примерно 500—550 мм).

Таким образом, главная опасность эксплуатации оборудования, отработавшего свой расчетный ресурс, состоит в возможности тяжелых массовых аварий элементов энергоблока с выводом из эксплуатации на длительный срок значительной части генерирующих мощностей вследствие возникновения и роста трещин.

Рис. 14.6. Опасная зона ротора ЦВД турбины и схема дефекта (трещины):

1 — диск цельнокованого ротора 1-й ступени; 2 — поверхность осевого канала 336

Источник