Прогнозирование остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов в условиях ползучести по структурному фактору

Актуальность работы.

В современной отечественной теплоэнергетике в качестве основного материала паропроводов широкое применение получили теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали. Паропроводы эксплуатируются в условиях ползучести металла при температуре выше 510 °C с давлением пара до 26 МПа. Их срок эксплуатации превысил проектный срок службы 100-^-200 тыс. ч., а во многих случаях и парковый ресурс. Сварные соединения являются одним из наиболее слабых элементов в системе паропровода. Это обусловлено их структурной, механической, химической и геометрической неоднородностью. Наличие хрупких и малопрочных прослоек металла зон сварного соединения, вызванных технологической и металлургической наследственностью, существенно сокращает срок их службы.

При длительной эксплуатации повреждения сварных соединений в условиях ползучести преимущественно развиваются по разупрочненной прослойке зоны термического влияния (ЗТВрп), в отдельных случаях — по разупрочненному металлу шва. Проблема надежности сварных соединений остается актуальной в связи с дальнейшей эксплуатацией паропроводов сверх паркового ресурса на стареющих ТЭС.

Применяемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, маг-нитопорошковый, радиографический, вихретоковый) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения). Металлографический анализ с помощью реплик не применялся для сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей, поскольку не были установлены критерии оценки микроповрежденности зон сварных соединений и отсутствовала методика оценки остаточного ресурса. Не изучены были особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности в процессе длительной эксплуатации. Отсутствовала совершенная методика прогнозирования остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору, интегрированная в систему технического диагностирования паропроводов.

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов и предупреждения их разрушений.

Целью работы является разработка метода оценки остаточного ресурса сварных соединений теплоустойчивых хромомолиб-денованадиевых сталей по структурному фактору.

Задачи диссертационной работы:

— установление влияния структурного состояния и свойств сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей на ресурсные характеристики, анализ причин повреждений в условиях длительной эксплуатации. при ползучести;

— разработка методики исследования сварных соединений для условий испытаний образцов при ползучести, включая:

• определение температурно-силовых условий проведения испытаний образцов на термодеформационное старение, которые моделируют механизмы разрушения аналогично эксплуатирующимся сварным соединениям паропроводов;

• установление критериев деградации микроструктуры в процессе длительной эксплуатации сварных соединений в условиях ползучести;

• разработка методики металлографического исследования для установления зависимости степени исчерпания ресурса от изменения микроструктуры и накопления микроповрежденности металла зон сварных соединений;

— исследование и установление закономерностей структурных изменений и микроповреждаемости зон сварного соединения (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) в зависимости от исчерпания ресурса;

— разработка критериев для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса сварных соединений по структурным изменениям и микроповрежденности металла;

— промышленное опробование и применение метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений в рамках технического диагностирования паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести.

Материал и предмет исследования.

В качестве материалаисследования выбраны сварные соединения паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф исходного состояния и с различной наработкой. Всего было испытано и подвергнуто исследованию 207 образцов, из них 84 из сварных соединений исходного состояния и 123 после эксплуатации с различной наработкой. Форма и размер образцов для проведения испытаний на термодеформационное старение выбраны с учетом особенностей структуры и свойств сварных соединений.

Методологический алгоритм проведения исследования заключается в поэтапном проведении следующих экспериментально-расчетных операций. На первом этапе испытываются сварные образцы на термодеформационное старение с периодическим исследованием микроструктурных изменений и накопления микроповреждаемости в металле зон. Результаты исследований обрабатываются с построением закономерностей исчерпания ресурса от деградации микроструктуры различных зон сварного соединения. Устанавливается наиболее чувствительное место к инициированию и развитию микроповреждаемости металла в зависимости от механической неоднородности зон сварного соединения.

На втором этапе устанавливается взаимосвязь микроповреждаемости металла зон от исчерпания ресурса сварных соединений, которая ранжируется на стадии развития (с четкими критериями микроповрежденности и микроструктуры для каждой стадии). Это позволяет разработать структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений. Определяется главенствующая роль критериев микроповрежденности и/или микроструктуры .

На третьем этапе формулируется методика металлографического анализа с помощью реплик (MAP), определяются зоны обследования сварных соединений (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф), основные и вспомогательные структурные критерии для оценки ресурса сварных соединений. В том числе, регламентируются требования и последовательность проведения операций при фиксации структурной картины металла зон сварных соединений на эксплуатирующихся паропроводах с помощью лаковых или ацетатных реплик и последующим металлографическим исследованием на оптических микроскопах. Эффективность использования разработанного металлографического метода (MAP) оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждается положительным промышленным опытом при использовании его на отечественных ТЭС.

Научная новизна.

• Показано влияние механической неоднородности сварных соединений, характеризующейся особенностью разупрочнения по зоне термического влияния и металлу шва (£рп, уьш), на развитие микроповрежденности металла.

• Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более энергично по сравнению с металлом шва и основным металлом. Фактическое состояние металла ЗТВрп служит основным критерием при оценке работоспособности и остаточного ресурса сварного соединения.

• Установлена взаимосвязь стадии исчерпания ресурса (т/тр) от изменения структуры (микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности) металла зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300−350 тыс. ч.) при ползучести, при этом: деградация микроструктуры классифицирована на три стадии по критериям: размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (цепочки и слияния карбидов), размер зерна микроструктуры;

— процесс развития микроповрежденности классифицирован на пять стадий и оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор и далее вплоть до микрои макротрещин по границам зерен.

Практическая ценность.

• Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и микроструктурных изменений металла.

• Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов — микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести в рамках их технического диагностирования. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Методика оформлена в установленном порядке и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153−34.1−17.4 67−2001 «Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору». Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153−34.17.470−2003, СО 15 334.17.455−2003 и РД 10−577−03.

• По результатам диагностирования с применением разработанного метода металлографического анализа установлены сроки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ряда ТЭС России (в том числе Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ — 3, Новогорьковской ТЭЦ, Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др.).

• Определен методический подход по диагностированию сварных соединений и прогнозированию их ресурса, сочетающий комплексное применение расчетных и разработанных в рамках данной работы структурных методов, дополняющих друг друга, что должно найти применение при разработке производственных инструкций по контролю металла паропроводов.

• Создан алгоритм по оценке технического состояния и определению индивидуального ресурса сварных соединений, оптимизации регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций), основанный на комплексном использовании расчетных и структурных методик определения ресурса. Алгоритм^ успешно используется в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС для анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов по результатам их эксплуатационного контроля .

Общие выводы.

1. Установлены критерии и параметры оценки структурной и механической неоднородности, которые отражают микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300−350 тыс. ч.) при ползучести. Микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений оцениваются по критериям: размер карбидных частиц,^морфология выделения карбидной фазы (карбидные цепочки, прослойки из слипшихся карбидов), размер зерна микроструктуры. Микроповрежденность оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор ползучести вплоть до микрои макротрещин по границам зерен. Механическая неоднородность характеризуется степенью разупрочнения в разупрочненной прослойке зоны термического влияния и металле шва (£рП/ Умш) •.

2. Разработана методика исследования кинетики изменений микроструктуры и микроповреждаемости металла для условий термодеформационного старения образцов сварных соединений в условиях ползучести. Обоснованы форма и размеры образцов для испытаний на термодеформационное старение с периодической регистрацией структурного состояния металла зон сварного соединения с помощью реплик и микрошлифов. Определён способ металлографического анализа зон сварного соединения путём предварительного сканирования при увеличении хЮО (для выявления мелкозернистых зон) и последующего исследования особенностей микроструктуры при увеличении от х500 до (х800−1000).

3. Установлена взаимосвязь изменения микроструктуры металла зон сварного соединения (металла шва и ЗТВрп) с исчерпанием их ресурса для условий ползучести (х/хр). Деградация микроструктуры классифицирована на три стадии. Начальный период <(0, 3-гО, 35) -i/ip характеризуется относительной стабильностью структурного исходного состояниявторой период <(0,6-гО, 65)-х/хр — дополнительным выделением феррито-карбидной структуры, распадом упрочняющих составляющих микроструктуры (бейнита, перлита, сорбита), коагуляцией карбидных частиц, сфероидизацией структурызаключительный период > (0, 6-гО, 65) -х/хр характеризуется мелкозернистой структурой (8−10 баллов) в виде феррито-карбидной смеси.

4. Установлена закономерность развития микроповреждаемости металла зон во взаимосвязи с исчерпанием ресурса сварных соединений в условиях ползучести (х/хр). Процесс развития микроповреждаемости классифицирован на пять стадий. Начальный период < (0, 5-ь0, 6)-х/хр характеризуется отсутствием (не выявляются при увеличении до хЮОО) пор ползучести размером до 1 мкмвторой период (0,5-^-0,7) -х/хр — появлением единичных пор размером 1−2 мкм плотностью р<100 пор/мм2- третий период (0, 6⁰, 85) -х/хр — увеличением размера пор до размера 2−3 мкм и их плотности 250<р<1000 пор/мм2 и болеечетвёртый период (0,7-^-0,9)-х/хр — появлением цепочек пор (и/или слившихся пор) и микротрещин длиной до 5−15 мкм по границам зёренпятый период (0, 9-т-1) -х/хр — развитием микрои макротрещин.

5. Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и структурных изменений металла. Единственным и основным критерием при оценке остаточного ресурса служит фактическое состояние металла ЗТВрп, которое выявляется при диагностировании методом металлографического анализа с помощью репликповрежденность этой зоны свидетельствует об остаточном ресурсе сварного соединения.

6. Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более интенсивно по сравнению с металлом шва и основным металлом. Однако, сильное влияние на место развития микроповреждаемости оказывает степень неоднородности свойств металла зон сварных соединений. При разу-прочненном шве (Умш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрп (£, рп<10%) микроповрежденность преимущественно развивается в металле шва. На разупрочнение металла шва 09Х1МФ влияет его микроструктурное состояние (содержание избыточного феррита в виде оторочек). Показана необходимость ограничения максимальной ширины ферритных оторочек Ьф<45 мкм по условию необходимого упрочнения металла швов (Умщ>1) .

7. Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов — микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса реальных сварных соединений в рамках неразрушающего контроля паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Основным структурным фактором для оценки ресурса сварных соединений принята микроповрежденность металла зон и вспомогательным фактором — изменение их микроструктуры при ползучести.

8. Эффективность использования разработанного метода оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждена положительным промышленным опытом на отечественных ТЭС.

9. Методика оформлена и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153−34.1−17.467−2001 «Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору». Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153−34.17.470−2003, СО 153−34.17.455−2003 и РД 10−577−03.