Опыт продления срока службы паропроводов из стали 20 с графитизироваными сварными соединениями

Опыт продления срока службы паропроводов из стали 20 с графитизироваными сварными соединениями

7 апреля 2016
Едачёв Г.М.
Арсентьев Ю.П.
ООО «Тестэнергогаз»,

Безбородов С.М.,
Чесалкин А.В.
ООО «Теплоэнергетика экспертиза»


На паропроводах из углеродистых сталей, эксплуатируемых при температуре 400 градусов Цельсия и выше, в соответствии с требованиями раздела 3.4 п.3 РД-10-577-03 «Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций», после наработки 100 тыс. часов эксплуатации требуется проводить контроль графитизации сварных швов.

Выделение структурно свободного графита происходит в зоне термического влияния сварного шва (ЗТВ). Интенсивное образование выделений графита и их цепочек начинается с глубины 0,5-1,0 мм от наружной поверхности Цепочки графитных выделений, повторяя контуры линии сплавления, распространяются на всю толщину стенки до корня шва. Расстояние от линии сплавления до зоны расположения графитных выделений составляет 3-6 мм. Графитизация сварного шва резко снижает его прочностные свойства.

Практика показывает, что при наработке паропроводов среднего давления из стали 20 более 120 тыс. часов, в ЗТВ наиболее нагруженных сварных швов наблюдаются выделения структурно свободного графита 2 балла и более, по ОСТ 34-70-690-96 «Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации».

При оценке графитизации сварных швов более 2-го балла паропровод должен быть остановлен. Кроме графитизации сварных швов на паропроводах отработавших более 120 тыс. часов наблюдаются также другие дефекты и отклонения от РТМ.

Все это требует проведения восстановительных работ на паропроводе с конечной целью - продлить срок его службы.

Перед выполнением работ была составлена программа, в которой наряду с контролем графитизации металла сварных соединений учитывающей особенности выделения структурно свободного графита, учитывалось также, что к моменту выполнения работ на паропроводе его элементы зачастую имеют серьёзные отклонения от требований РТМ и по другим параметрам.

Все работы на паропроводах проводились в два этапа. На первом этапе обследовалась опорно подвесная система (ОПС), состояние осевой линии паропровода. Проводился неразрушающий контроль элементов паропровода. С учётом реального состояния элементов паропровода выполнялся его поверочный расчёт на прочность. Оценивалась степень графитизации металла в зонах термического влияния (ЗТВ) с двух сторон каждого сварного соединения. В наиболее напряженных сечениях, определённых расчётом на прочность, в ЗТВ определялся химический состав, и оценивалась микроструктура наплавленного металла, ЗТВ, основного металла трубы, гиба или арматурного литья, примыкающего к сварному соединению. Один сварной шов, с графитизацией 3-го балла (рис. 1) вырезался и из него готовились образцы для механических испытаний на изгиб до ВТО и после проведения ВТО. Результаты испытаний приведены на рисунках 2, 3. На рисунке 4 сравнение испытаний на изгиб образцов до ВТО и после ВТО. Образцы после ВТО удовлетворяют требованиям на изгиб, σ02 и σв.

Первый этап заканчивался отчетом и составлением плана ремонтно-восстановительных работ на паропроводах. Также составлялся перечень необходимых материалов для ремонта.

Ниже приведены основные результаты выполнения работ по первому этапу.

1. Графитные выделения в ЗТВ сварного шва могут присутствовать уже при наработке паропроводом 70 тыс. часов, однако наблюдались случаи отсутствия графита в ЗТВ и при наработке более 200 тыс. часов.
2. Распределение графитных выделений по глубине и их место расположения в околошовной зоне таково, что контроль степени графитизации с поверхности с помощью реплик или переносного микроскопа не гарантирует выявление графитизации сварного шва. Наиболее надёжный способ контроля графитизации на сколах, отобранных в ЗТВ.
3. Содержание алюминия и кремния в ЗТВ влияет на графитизацию сварных швов (рис.5,6).

Далее выполнялся второй этап работ. Цель второго этапа состояла в том, чтобы по результатам ремонтно-восстановительных работ продлить срок службы паропроводов на 100 тыс. часов.

Как правило, в программу второго этапа, составленную по результатам первого этапа, включались следующие основные работы:
● переварка сварных швов с баллом графитизации более 3 или неудовлетворяющих требованиям РД по результатам неразрушающего контроля;
● восстановительная термообработка (ВТО) графитизированных сварных швов;
● замена элементов паропроводов, восстановление которых невозможно или экономически нецелесообразно;
● переналадка опорно-подвесной системы.

После ремонтно-восстановительных работ проводился неразрушающий контроль восстановленных элементов, контроль графитизации и микроструктуры восстановленного металла.

Второй этап заканчивался заключением о возможности продления срока службы паропровода.

g5.JPG











На рисунках 7 и 8, для сравнения, приведены микрошлифы ЗТВ сварного шва, который контролировался после ВТО в 1999 г. и после эксплуатации в течение 12 лет (до ВТО графитизация сварного шва оценивалась баллом 3). На микрошлифах в зонах выделения структурно свободного графита после ВТО наблюдается концентрация перлита. Изменений в микроструктуре металла ЗТВ сварного шва после его эксплуатации в течение 12 лет не выявлено.

В результате работ по выше приведённой схеме, во всех случаях, удалось продлить сроки службы паропроводов до 100 тыс. часов, с периодичностью контроля металла ЗТВ сварных швов 50 тыс. часов.

Выводы:

1. Существующие РТМ по выявлению структурно-свободного графита в сварных соединениях паропроводов из стали 20 не позволяют в полной мере оценить степень их графитизации.
2. Требования РД 10-577-03, учитывающие только временной характер начала работ по контролю графитизации сварных швов паропроводов, являются недостаточными. Необходимо учитывать реальные напряжения в паропроводах.
3. Оценка графитизации и ремонтно-восстановительные работы должны носить комплексный характер с обязательным включением обследования ОПС и осевой линии паропровода, выполнение поверочных расчетов на прочность.
4. Комплекс работ, включающий контроль степени графитизации 100% сварных швов, обследование ОПС, расчёт на прочность, с учетом реального состояния элементов паропровода и последующие ремонтно-востановительные работы, с применением ВТО, позволяют продлить срок эксплуатации паропроводов из стли-20 (с tn>400ºC) на дополнительный срок более 100 тыс. эксплуатации.


Литература:

1. РД 10-577-03 Типовая инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций. М. 2003.
2. «Опыт восстановительной термической обработки деталей теплоэнергетического оборудования». М.: АО «Фирма ОРГРЭС», 1995.
3. Руководящие указания по восстановительной термической обработке элементов теплоэнергетического оборудования. М.: РАО «ЕЭС России», 1996.
4. Антикайн П.А. Надежность металла паровых котлов и трубопроводов. М.: Энергия, 1973.
5. РД 153-34.0-17.464-00 Методические указания по контролю металла и продлению срока службы трубопроводов II, III и IV категорий. М 2001.
6. РД 153-34.0 17.460-99 Руководящий документ по восстановительной термической обработке и контролю графитизации паропроводов из углеродистых сталей, эксплуатируемых при температуре 350-450С. М. 1999.
7. Шкляров М.И., Осмаков В.Н., Едачев Г.М., Шельпяков А.А. Некоторые особенности выделения структурно свободного графита в сварных соединениях паропроводов из углеродистых сталей. Теплоэнергетика №5, 1999.
8. ОСТ 34-70-690-96 Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации.


Т-1                                                     Н
Т-2
g7.png
















g6.JPG









g9.png




















Трещины развившиеся по цепочкам графитных выделений при изгибе

g8.JPG







g11.png




















g10.JPG





g12.png


























Рис.4 Наглядное сравнение испытания образцов после ВТО (два верхних образца) и до ВТО (два нижних образца с наблюдаемыми трещинами) М: 1х1.


g13.png


Рис.5




Рис.5 Химсостав основного металла трубы с правой стороны сварного шва образца приведённого на рис. 1. Содержание алюминия составляет 0,0552% (3 балл графитизации)

g14.png







Рис.6 Химсостав основного металла трубы с левой стороны сварного шва образца приведённого на рис. 1. Содержание алюминия составляет 0,0415% (1 балл графитизации)


g15.png



















Рис.7 Области концентрации перлита после ВТО в ЗТВ сварного шва, в соответствующих зонах выделений структурно свободного графита до проведения ВТО (контроль проведён в 1999 г.). М: 1х500.



g16.png



















Рис.8 Области концентрации перлита в ЗТВ, сварного шва приведенного на рисунке 7 после эксплуатации в течение 12 лет (контроль проведён в 2011 г.). М: 1х500.




Короткая ссылка на новость: https://a-economics.ru/~H7ZtF