Повышение рабочего ресурса элементов теплосилового оборудования электростанций с учетом макроповреждаемости металла

Подавляющее большинство эксплуатируемого на тепловых электростанциях (ТЭС) России оборудования (около 75% энергоустановок) отработало к концу прошлого века свой расчётный ресурс или расчётный срок службы. Существенное замедление в этот период темпов ввода новых генерирующих мощностей, задержка с разработкой и созданием современного экономичного оборудования поставили перед энергетиками страны задачу, обоснованного увеличения ресурса тепломеханического оборудования ТЭС [1] при сохранении регламентированных требований по его безопасности [2-^4]. В результате комплекса масштабных исследований, проведенных рядом ведущих организаций страны, было внедрено в практику понятие паркового ресурса, что позволило в 1,5-^-2,0 раза увеличить срок службы основного оборудования ТЭС [5]. Понятие паркового ресурса было распространено на наиболее ответственное тепломеханическое оборудование ТЭС [6], преимущественно работающее в условиях ползучести (элементы паропроводов, высокотемпературные корпусные детали и элементы проточной части паровых турбин) или при жёстких условиях нагружения, вызывающих потенциально опасную — повреждённостьметалла (барабаны котлов). И хотя реализация данных мероприятий дала ощутимый выигрыш в допустимых сроках эксплуатации оборудования, в настоящее время интенсивно' нарастает объём мощностей, вырабатывающих уже парковый ресурс [7]. Ожидается, что к 2015 году общая мощность 1 энергоустановок, выработавших парковый ресурс, составит около 87 млн. кВт, т. е. более 65% установленной мощности ТЭС [8, 9].

Немаловажно также, что многие энергоустановки работали и продолжают работать в маневренном режиме, хотя были спроектированы для эксплуатации в базовом режиме [10]. Это приводит к дополнительным эксплуатационным нагрузкам и стимулирует процесс накопления повреждённости в металле за счёт явлений усталости. Ставящиеся в настоящее время перед отраслью задачи повышения качества регулирования частоты и мощности в энергосистемах также с неизбежностью повысят вклад циклической составляющей в нагружении оборудования и соответственно общем темпе выработки ресурса [11].

Поскольку парковый ресурс оборудования не является предельным сроком его службы [6], стадия эксплуатации за его пределами допускается в рамках так называемого индивидуального ресурса, который устанавливается с учётом фактического состояния металла и конструкции в целом [5, 6, 8, 12]. По существу эксплуатация оборудования на стадии индивидуального ресурса, то есть после исчерпания паркового ресурса, представляет его рабочий жизненный цикл на пределе выполнимости номинальных (нормативных) запасов прочности [8, 10, 12].

Приведенный выше краткий анализ сложившейся в энергетике ситуации свидетельствует о неуклонном старении тепломеханического оборудования ТЭС и повышении в связи с этим актуальности проблемы обеспечения надёжности и безопасности его эксплуатации, а также увеличения рабочего ресурса.

Как показали результаты проведенных в последние десятилетия исследований, процесс исчерпания ресурса конструкции или отдельных её узлов включает стадии возникновения (зарождения) и развития разрушения [13]. Опыт эксплуатации энергетических установок подтверждает, что подавляющее большинство отказов и вынужденных остановов оборудования связано с образованием в металле трещин [14-Н7]. В зависимости от сочетания технологических, конструкционных, эксплуатационных и ряда других факторов зарождение и развитие трещиноподобных дефектов в металле может происходить по различным механизмам: усталости или термоусталости, ползучести, коррозионной усталости или в результате сочетания нескольких механизмов. При этом спецификой вышеуказанных факторов определяется и соотношение между продолжительностью различных стадий: временем до зарождения трещины и временем её развития до критических размеров. При определённом сочетании нагружающих факторов: значительная концентрация напряжений, резкие температурные градиенты, высокий уровень остаточных напряжений — возможно образование трещин уже на ранних стадиях эксплуатации оборудования [13]. В связи с этим надёжность и безопасность оборудования, особенно при длительных и сверхдлительных наработках, будут обеспечиваться как эффективностью системы эксплуатационного контроля металла, так и представительностью расчётных или экспериментально-аналитических методов интерпретации процессов зарождения и развития разрушения конструкции или отдельных её элементов. При этом реализация указанных методологических подходов должна, в свою очередь, служить основой для совершенствования и оптимизации самой системы контроля.

Создание расчётно-аналитического аппарата для прогнозирования процессов развития разрушения элементов энергооборудования стало возможным благодаря широкому комплексу исследований, выполненных в последние два-три десятилетия на основе развития методов механики разрушения [18^-24]. Вместе с тем разработку методологической базы для количественного анализа процесса возможного разрушения элементов оборудования нельзя признать законченной в связи с отсутствием количественных критериев развития разрушения для ряда материалов и условий нагружения и недостаточной формализацией процедуры расчётных оценок. Решение этих вопросов открывает возможность дальнейшего совершенствования методов расчёта долговечности оборудования (в особенности длительно эксплуатируемого) и оптимизации системы его контроля на электростанциях в целях повышения рабочего ресурса, а также надёжности и безопасности.

Целью работы является повышение эффективности и достоверности оценок ресурсных характеристик длительно эксплуатируемого теплосилового оборудования ТЭС путём разработки экспериментально-теоретических основ и создания методологии определения остаточной долговечности на основе количественного анализа кинетики развития макроповреждённости металла.

В настоящей работе изложены результаты исследований в области разработки методов оценки ресурса длительно эксплуатируемого теплосилового оборудования ТЭС. В частности представлены результаты исследований закономерностей развития усталостных трещин и трещин коррозионной усталости в широком интервале варьирования механических параметров нагружения и характеристик воздействующей на металл водной среды, а также трещин ползучести при длительной статической нагрузке в рабочем диапазоне температур. Предложены модели формирования и развития разрушения металла по механизму коррозионной усталости и ползучести. Установлены закономерности влияния технологических и эксплуатационных факторов на кинетику развития трещин усталости, коррозионной усталости и ползучести с учётом реальных условий эксплуатации. В рамках создания аналитического аппарата прогнозирования остаточного ресурса длительно работающего оборудования или оборудования, содержащего дефекты металла, систематизированы и усовершенствованы существующие методы определения параметров механики разрушения. Разработан алгоритм расчёта долговечности (живучести) элементов энергооборудования на основе закономерностей кинетики трещиноподобных дефектов в условиях эксплуатации.

В ходе выполнения поставленных задач в части обеспечения экспериментальных исследований был разработан и создан комплекс испытательного’оборудования, включая измерительные средства, и разработаны методики исследования процессов развития трещин в металлах при различных условиях испытаний. Ряд оригинальных разработок защищён авторскими свидетельствами (A.C. № 934 307, A.C. № 1 057 801, A.C. № 1 221 541, A.C. № 1 384 935, A.C. № 1 460 679, A.C. № 1 492 212, A.C. № 1 539 580) и патентом РФ № 2 204 827.

Отдельные методические положения работы вошли в утверждённые Госстандартом СССР Рекомендации Р54−292−90 [25] по методам механических испытаний металлов «Определение характеристик трещиностойкости при циклическом нагружении в жидких коррозионных средах».

Практическая применимость результатов работы выразилась в том, что они были в различной степени использованы более чем в десяти отраслевых нормативных документах (РД 10−577−03, РД 34.17.311−96, СО 153−34.17.439−2003, СО 153−34.17.442−2003, СО 153−34.17.464−2003, СО 153−34.17.470−2003, СО 15 334.26.608−2003, СТО 17 230 282.27.100.005−2008 и ряде других), направленных на повышение надёжности и обеспечение безопасности энергетического оборудования.

15. Основные результаты работы отражены в отраслевых нормативно-технических документах, регламентирующих процедуру контроля металла на электростанциях, нормы и критерии оценки качества металла, требования по ремонту ответственных элементов оборудования, порядок оценки состояния и продления сроков безопасной эксплуатации теплосилового оборудования ТЭС сверх нормативного ресурса.

Индивидуальные технические решения и отдельные результаты работы внедрены на ряде тепловых электростанций (Заинская ГРЭС, Славянская ГРЭС, Конаковская ГРЭС, Пермская ГРЭС, Дзержинская ТЭЦ, Петрозаводская ТЭЦ, Ростовская ТЭЦ-2, Салаватская ТЭЦ и др.) и Кольской АЭС.

Заключение

и общие выводы.

Исходя из основных задач настоящего исследования выше были изложены результаты разработки научных основ и методологии определения остаточного ресурса элементов тепломеханического оборудования электростанций. В отличие от традиционной схемы предложенный подход к оценке долговечности конструкций учитывает наличие макроповреждённости в металле.

Анализ результатов экспериментальных исследований в аспекте предложенных моделей кинетики разрушения металла позволил обосновать выбор ап-проксимационных подходов и определить базовые диаграммы трещиностойко-сти для сталей энергооборудования с установлением численных значений их коэффициентов применительно к реальным условиям нагруженности металла в процессе эксплуатации. Это открывает возможность широкого практического использования новых расчётных методов и критериев при оценке предельной несущей способности ответственного энергооборудования, а также при выработке технических решений в различных вопросах инженерной практики, связанных с обеспечением прочности и повышением надёжности и долговечности указанного оборудования при длительных сроках эксплуатации.

Актуальность постановки работы такого направления представляется очевидной в связи с выработкой нормативных сроков службы и нормативного ресурса подавляющим большинством теплосилового оборудования на электростанциях России.

По результатам работы могут быть сформулированы следующие основные выводы и практические рекомендации.

1. На основе современных физико-механических представлений о механизме формирования и развития разрушения материалов предложены модели кинетики усталостного разрушения в металле, ускоренного воздействием на него жидкой коррозионной среды. Разработанные модели развития коррозионно-усталостных трещин в металле, основанные на принципе снижения свободной энергии активации атомов, а также на механизмах анодного растворения и катодного охрупчивания металла, дают возможность углублённого анализа процесса за счёт полуколичественной оценки вклада коррозионного фактора в скорость развития усталостного разрушения. Качественный анализ на основе результатов расчётных оценок с использованием разработанных моделей позволил обосновать порядок увеличения скорости усталостных трещин в сталях за счёт коррозионного фактора, а также выявить закономерности влияния частоты нагружения, свойств металла, состава и характеристик среды на процесс корро-зионно-усталостного разрушения.

2. Предложена феноменологическая модель развития трещины в металле под действием статической нагрузки в условиях высокотемпературной ползучести, основанная на концепции поэтапного дискретного продвижения трещины по механизму исчерпания деформационной способности металла в локальной зоне её вершины. Согласно данной модели зависимость скорости роста трещин ползучести выражается степенным соотношением через модифицированный КИН и учитывает характеристики длительной прочности и ползучести материала, а также вид напряжённого состояния в рабочем сечении и время развития трещины.

3. Создан комплекс экспериментальных установок для испытания металлических материалов на коррозионно-циклическую и коррозионно-статическую трещиностойкость в водной среде повышенных параметров при различных её динамических состояниях: статическое, конвективный водообмен, интенсивная циркуляция. Разработаны технические средства и методика проведения испытаний на циклическую трещиностойкость в жидких коррозионных средах повышенных параметров, в том числе с учётом электрохимической обстановки в полости трещины, и методика испытаний на трещиностойкость при статической нагрузке в условиях ползучести. Ряд инновационных технических решений по разработке испытательных устройств и средств измерений, а также оригинальных методик защищены авторскими свидетельствами СССР и патентом РФ.

4. По результатам испытаний на циклическую трещиностойкость материалов экспериментально обоснована возможность построения кинетических диаграмм, инвариантных относительно асимметрии нагружения и температуры металла в диапазоне изменения последней 20.300 °С. Реализация данной возможности осуществляется за счёт использования в качестве параметра СРТ при усталости модифицированного размаха КИН, нормированного на функцию коэффициента асимметрии цикла и на предел текучести металла при температуре испытания.

5. Результаты испытаний на коррозионно-циклическую трещиностойкость подтвердили (подобно испытаниям на воздухе) возможность описания кинетических диаграмм при различных асимметриях цикла единой зависимостью за счёт нормирования размаха КИН на функцию коэффициента асимметрии.

Экспериментально установлено, что максимальный эффект водной среды в качестве катализатора процесса коррозионной усталости проявляется в частотном диапазоне циклического нагружения 0,04−0,008 Гц и дальнейшее снижение частоты (~ на порядок) не приводит к усилению коррозионного фактора. Эта закономерность принципиально подтверждается результатами оценок согласно модели роста коррозионно-усталостной трещины по анодному механизму.

6. Экспериментально показано и аналитически обосновано с использованием моделей развития коррозионно-усталостных трещин, что влияние химсостава водной среды на характеристики коррозионно-циклической трещино-стойкости зависит от марки стали и состояния металла и проявляется, главным образом, в усилении коррозионного эффекта при смещении рН водной среды в кислую область, а снижение содержания кислорода в среде способствует активизации коррозионно-усталостного разрушения. Наиболее значительное ускорение роста усталостных трещин в перлитных сталях за счёт воздействия водной среды вызывается добавками в неё органических кислот, а для аустенитной стали — добавками хлоридов.

Влияние динамического состояния водной среды на коррозионно-цикличе-скую трещиностойкость проявляется контрастным образом для перлитных сталей и аустенитных сталей: в первом случае с повышением интенсивности водообмена активность коррозионного фактора снижается, а во втором — возрастает.

Эти тенденции подтверждены расчётными оценками на основе модели реализации коррозионного фактора по механизму локального анодного растворения.

7. Влияние температуры на коррозионно-циклическую трещиностойкость стали реализуется через изменение характеристик электрохимической реакции в системе «металл-среда». Увеличение температуры среды от 80 до 150 и далее до 280 °C сопровождается изменением характера кинетических диаграмм коррозионной трещиностойкости При этом для сталей перлитного класса максимальный эффект водной среды в качестве ускоряющего процесс роста усталостных трещин фактора проявляется в температурном диапазоне 80.150 °С. Для аусте-нитных сталей влияние водной среды на ускорение роста усталостных трещин возрастает с увеличением температуры от 80 до 150 °C и далее до 280 °C.

8. Экспериментально установлено, что в пределах конкретной марки стали длительная наработка металла оказывает незначительное влияние на характеристики его циклической и коррозионно-циклической трещиностойкости. Экспериментально выявлена и аналитически обоснована тенденция к снижению сопротивления развитию коррозионно-усталостных трещин с увеличением степени охрупченности металла при его взаимодействии с агрессивными средами, способными генерировать локальный электрохимический процесс по катодному механизму.

Характеристики циклической и коррозионно-циклической трещиностойкости металла сварных соединений перлитных сталей 3, 22К и 15Х2НМФА и ау-стенитной стали 08Х18Н12Т находятся на уровне аналогичных характеристик соответствующего основного металла.

9. На основании анализа закономерностей влияния комплекса различных факторов на характеристики коррозионно-циклической трещиностойкости материалов и результатов изучения электрохимической обстановки в вершине коррозионной трещины в контексте с предложенными моделями коррозионно-усталостного разрушения материалов обоснованы механизмы стимулирования процесса роста усталостных трещин в металле под воздействием водной среды. Показано, что в перлитных сталях действует сочетание механизмов анодного растворения и катодного охрупчивания металла при коррозионно-усталостном разрушении, причём первый доминирует на начальном этапе, а второй — преимущественно на завершающем этапе процесса. Акселерация роста усталостных трещин в аустенитной стали под действием водной среды обуславливается в основном действием механизма анодного растворения металла.

10. Применительно к кинетике трещин в условиях высокотемпературной ползучести экспериментально показано, что использование в качестве характеристики СРТ параметра приведенного КИН, учитывающего степень неоднородности напряжённого состояния в рабочем сечении образца и время развития трещины, позволяет заметно снизить разброс данных эксперимента. В развитии этого подхода принципиально подтверждена возможность получения обобщённых диаграмм трещиностойкости сталей при ползучести для различных наработок и температуры в ограниченном диапазоне изменения последней (± 25−30 °С) за счёт нормирования-приведенного КИН на характерное напряжение текучести металла, соответствующее заданным уровням наработки и температуры испытаний.

11. На основе обобщения комплекса экспериментальных исследований и результатов теоретического анализа с учётом изученных закономерностей влияния различных эксплуатационных факторов на кинетику трещин определены для исследованных материалов базовые диаграммы циклической и коррози-онно-циклической трещиностойкости, а также диаграммы трещиностойкости в условиях ползучести, рекомендуемые для практического использования при расчётных оценках ресурсных характеристик тепломеханического оборудования, в том числе длительно эксплуатируемого.

12. Систематизированы и усовершенствованы методы определения КИН в нагруженных телах с трещинами. Для наиболее повреждаемых узлов и элементов оборудования выполнен расчётный анализ и дана сравнительная оценка различных методов определения КИН.

13. На основе результатов проведенного исследования разработан алгоритм (инженерная методика) расчёта долговечности и несущей способности элементов тепломеханического оборудования на стадии развития трещинопо-добных дефектов. Формализована процедура расчёта для варианта оценки долговечности (циклической или временной) по заданным размерам исходного дефекта и условиям нагружения и варианта оценки допускаемых размеров дефекта для заданных ресурса и условий нагружения.

14. Результаты настоящей работы нашли практическое применение при решении следующих задач:

— обоснование возможности и сроков допустимой эксплуатации оборудования с обнаруженными макродефектами металла или оборудования, выработавшего нормативные запасы прочности;

— установление периодичности контроля для наиболее повреждаемых узлов и элементов длительно эксплуатируемого оборудования;

— определение причин разрушения ответственных элементов тепломеханического оборудования для принятия мер по предотвращению в дальнейшем подобных инцидентов;

— обоснование допустимой температуры гидравлических испытаний повреждённого или длительно эксплуатируемого оборудования;

— установление норм допустимых размеров дефектов по результатам нераз-рушающего контроля металла.

На отдельных примерах даны варианты решения конкретных задач.