Влияние технологических дефектов на прочность и ресурс металла корпусов тепломеханического оборудования ТЭС при термомеханических воздействиях

Сложившаяся к настоящему времени ситуация в отечественной теплоэнергетике характеризуется тем, что большая часть энергоблоков, спроектированных на базовый режим работы, эксплуатируется в полупиковых и пиковых режимах в соответствии с графиком потребления электроэнергии. Для материалов ответственных элементов энергоблоков это означает работу в условиях переменных температурных и механических нагрузок. Одними из наиболее высоконагруженных и труднозаменяемых элементов являются толстостенные корпуса тепломеханического1 оборудования, работающие под действием внутреннего давления и теплосмен: барабаны котлов высокого давления (ВД) и корпуса подогревателей высокого давления (ПВД).

Опыт длительной эксплуатации и анализ причин повреждений деталей энергооборудования показывают, что одной из основных причин разрушения является качество металла, имеющего различные дефекты технологического происхождения, которые могут служить очагами разрушения и способствовать его развитию при эксплуатационных нагрузках.

Для металла корпусов энергооборудования, изготовленных из прокатного листа, характерными являются технологические дефекты, которые образуются в результате несплавления при раскатке листа имеющихся в нем несплошностей: неметаллических включений, рыхлот, газовых пузырей, внутренних разрывов и т. д. Плоскость дефектов, как правило, параллельна поверхности листа. Наиболее часто указанные раскатанные несплошности представляют собой совокупность отдельных дефектов, расположенных на разных уровнях по толщине стенки на небольшом расстоянии друг от друга. Особенности металлургического производства приводят к резкому увеличению количества дефектов в крупногабаритных толстостенных конструкциях.

Значительные по площади несплошности («расслоения») в виде скопления раскатанных неметаллических включений обнаруживаются в барабанах котлов ВД и в корпусах ПВД, изготовленных до середины 70-х годов прошлого века. После целого ряда повреждений барабанов котлов ВД в технические условия на лист были введены требования, согласно которым площадь непрерывного поражения «расслоением» ограничена 25 см² (сталь марки 22К, ТУ108.1025−81) и 50 см² (сталь марки 16ГНМА, ОСТ108.030.118−78), что привело к повышению качества, и как следствие, к уменьшению вероятности появления таких дефектов, однако не исключило их полностью.

Значительная доля находящегося сейчас в эксплуатации на ТЭС энергооборудования изготовлена до 1975 года, что приводит к необходимости оценки возможности эксплуатации такого оборудования при наличии дефектов типа «расслоение» при сверхдлительных временах эксплуатации. В распоряжении диссертанта имеются сведения как о проведенных на электростанциях демонтажах нескольких барабанов котлов ВД по причине развития «расслоения» в днищах и обечайках в условиях эксплуатации (Уфимская ТЭЦ, Иркутская ТЭЦ, Казанская ТЭЦ), так и о положительной практике длительной эксплуатации оборудования с такими дефектами.

В настоящее время отсутствуют методики, позволяющие1 оценить влияние трещиноподобных дефектов и их ансамблей на надежность обечаек и днищ с дефектами типа «расслоение» с позиций современного состояния материаловедения и механики разрушения. Известны лишь отдельные случаи оценки влияния таких дефектов на прочность, поскольку по действующим нормативным документам Ростехнадзора это относится к компетенции экспертных организацийпри этом применяемые методики оценки дефектов не регламентируются. Вместе с этим нормативный подход к оценке прочности элемента конструкции при наличии в нем единичной трещины представлен в нормах прочности для атомных энергоустановок (ПНАЭ Г-7−002−86). Обычно эта методика и служит основой для оценки прочности элементов котлов и сосудов с дефектами. Однако она 5 рассматривает лишь отдельную изолированную трещину I типа (нормальный отрыв) и не содержит нормативных рекомендаций по оценке влияния на прочность ансамбля трещиноподобных дефектов, трещин II и III типов (поперечный и продольный сдвиг), а также не рассматривает сложные варианты термомеханического нагружения.

Также следует отметить, что к настоящему времени в литературе практически отсутствуют публикации, относящиеся к рассматриваемой теме.

Таким образом, необходимость обеспечения надежной эксплуатации большого парка тепломеханического оборудования электростанцийпри наличии^ дефектов типа «расслоение», в том числе и при сверхбольших длительностях эксплуатации, подтверждает актуальность и востребованность этого исследования.

В данной работе выполнено исследование влияния дефектов типа «расслоение» на прочность и ресурс толстостенных корпусных элементов тепломеханического оборудования ТЭС при основных эксплуатационных режимах, а также разработаны практические рекомендации по расчёту прочности корпусных элементов с рассматриваемыми технологическими дефектами.

Анализ напряженно-деформированного состояния корпусных элементов с расслоениями показывает, что к основным факторам, которые могут привести к развитию дефектов, следует отнести изгибные напряжения, действующие в днищах, вблизи < отверстий и сварных швов, а также температурные неравномерности, возникающие при нестационарных (переходных) режимах эксплуатации: пусках-остановах и аварийных ситуациях. Присутствие трещиноподобных дефектов типа «расслоение» вносит существенный вклад в неоднородность тепловых полей, что приводит к возникновению дополнительных деформаций и напряжений, и, в свою очередь, может быть причиной распространения уже имеющихся трещин или появления новых.

Вопросы теории расчёта тел с трещинами достаточно хорошо б разработаны и освещены в отечественной и зарубежной литературе. Следует отметить фундаментальные исследования Г. П. Черепанова, В. З. Партона, В. В. Панасюка, М. Я. Леонова, В. П. Тамужа, Е. М. Морозова, Л. М. Качанова, Работнова, Н. Ф. Морозова, Дж. Ирвина, Г. Си, Дж. Райса и др. авторов.

Исследованию напряженно-деформированного состояния, а также взаимодействию трещин в упругой среде под действием стационарных тепловых нагрузок посвящены работы М. П. Саврука, В. Е. Петровой, Herrmann, Г. С. Кита и др. При решении указанного класса задач авторы использовали метод сингулярных граничных интегральных уравнений, разработанный Н. И. Мусхелишвили в его основополагающих трудах.

Значительно менее изученной областью являются вопросы определения полей напряжений вблизи краев частично или полностью теплонепроницаемых трещин при нестационарных температурных воздействиях в телах конечных размеров. Из-за сложности решения подобных задач приходится применять численные методы, такие как метод конечных элементов.

Выбор критериев, определяющих предельное состояние металла с дефектами, неразрывно связан с микромеханизмами разрушения в вершине трещины, которые могут быть различны в зависимости от разнообразных факторов: температурно-временного интервала работы энергооборудования, структуры и металлургического качества металла, окружающей среды. Несмотря на значительный объем экспериментальных исследований по кинетике трещин, большая часть таких работ относится к трещинам нормального отрыва. В значительно меньшей степени изучены закономерности развития трещин в условиях смешанного нагружения, поэтому существующих в настоящее время данных недостаточно, чтобы четко разграничить области приложения тех или иных критериев.

В первой главе содержится анализ влияния различных факторов на механические свойства и сопротивляемость хрупким разрушениям углеродистых и низколегированных сталей 22К, 16ГНМ (А) и 09Г2С, 7 применяемых в отечественной практике для производства толстостенных корпусов энергооборудования. Выполнена оценка разброса механических свойств металла обечаек и днищ при нормальной и рабочей температурах. Проведено исследование влияния различных методов рафинирования на параметры трещиностойкости. Изучена анизотропия механических свойств толстолистового проката. Кроме того, на основе экспериментальных данных проанализировано изменение свойств металла корпусов тепломеханического оборудования-ТЭС в*процессе длительной эксплуатации.

Во второй главе выполнен анализ конструкции толстостенных корпусных элементов (с толщиной стенки 60−80' мм и более) тепломеханического оборудования ТЭС, изготовленных из прокатного листа. Проведено исследование характера и строения дефектов в металле корпусов энергооборудования на базе данных ультразвукового контроля с последующими металлографическими исследованиями, анализ физико-механических свойств, а также анализ нагружающих факторов, характерных для указанного оборудования при эксплуатации. Для оценки влияния на прочность и долговечность изолированных дефектов и их ансамблей применялись методы современной механики разрушения. Проведен анализ строения технологических дефектовметалла в толстостенных элементах энерго оборудования, а также проанализированы причины их возникновения. В последнем параграфе выводятся основные модельные задачи для элементов ТЭС с дефектами типа «расслоение» при нестационарных термомеханических воздействиях.

В третьей главе изложены основные соотношения линейной и нелинейной механики разрушения для тел с трещинами. Выполнен аналитический обзор опубликованных теоретических и экспериментальных исследований по развитию трещин в условиях смешанного нагружения. Проведено сравнение различных критериев локального разрушения для трещины смешанного типа, по результатам построены графики, позволяющие в зависимости от величины отношения К/Кц определить 8 наиболее вероятное направление подрастания трещины и значение эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений Кэкв. Дано описание алгоритма решения задач термоупругости для^ тел с трещинами методом конечных элементов.

В четвертой главе рассматриваются задачи для полосы с единичной параллельной поверхностям теплоизолированной трещиной при нестационарном температурном воздействии. Числовые расчеты проведены для двух частных случаев термонагружения: изменения температуры-, среды с постоянной скоростью и тепловогоудара. При выполнении расчетных исследований использовался метод конечных элементов с оценкой устойчивости и сходимости решения. Проведен упругопластическии анализ поля напряжений и деформаций в области вершины трещины с учетом зависимости механических свойств металла от температуры для отдельных случаев геометрии дефектной зоны. В последнем параграфе рассматривается* влияние расслоений на напряженно-деформированное состояние эллиптических днищ корпусных элементов энергооборудования.

В пятой главе содержится* исследование прочности обечаек корпусных элементов с ансамблями дефектов при действии нестационарных температурных нагрузок. На основе обобщения полученных результатов проанализирована возможность развития дефектов типа «расслоение» для оборудования некоторых ТЭС. Выполнено сравнение с данными многолетних наблюдений за состоянием зон расслоений в днищах и обечайках барабанов котлов ВД и ПВД. Кроме того, даны практические рекомендациипо оценке прочности металла корпусных элементов тепломеханического обрудования ТЭС с дефектами типа «расслоение» при действии внутреннего давления и нестационарных температурных воздействиях.

По теме диссертации опубликовано 9 статей в российских и международных журналахиз них 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Петреня Ю. К., Сайкова М. С. Влияние технологических дефектов на прочность и ресурс цилиндрических элементов ТЭС при нестационарных температурных режимах. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Вып. 4, 2010, с.27−32.

2. Павгтайнен В. Я., Сайкова М. С. Критические параметры устойчивости и расслоения в двухслойном кольце при температурных воздействиях. Вестник СПбГУ, Серия I. Математика. Механика. Астрономия. Вып. 2, 2006, с.125−135.

Кроме того, материалы диссертации представлены в следующих публикациях:

3. Павилайнен В. Я., Сайкова М. С. Исследование потери устойчивости в двухслойном кольце при температурных воздействиях. В сб.: Нелинейные проблемы механики и физики деформируемого твердого тела. Изд-во СПбГУ, Санкт-Петербург, 2004, с. 139−146.

4. Сайкова М. С. Влияние физических и геометрических параметров на расслоение в двухслойном кольце при температурном воздействии. В сб: Труды четвертых поляховских чтений. Санкт-Петербург, 2006, с. 558−568.

5. Судаков А. В., Данюшевский И. А., Сайкова М. С. Учет дефектов при экспертизе промышленной безопасности и оценке ресурса элементов котлов и трубопроводов. Берг-Коллегия. № 2. Изд-во Гранд, Санкт-Петербург, 2010, с. 20−22.

6. Gomera V.P., Sokolov V.L., Fedorov V.P., Okhotnikov A.A., Saykova MS. Inspection of the Pressure Vessel Used in Petrochemical with AE Examination In: Proceeding of the 29th European conference on Acoustic Emission Testing (EWGAE 2010), Vienna, Austria, September 8−10, 2010 (in CD-ROM) Abstract booklet of the 29th European conference on Acoustic Emission Testing (EWGAE 2010), Vienna, Austria, September 8−10, 2010, p.8.

7. Сайкова M.C., Гавршов C.H. Об учете дефектов при оценке ресурса элементов котлов и трубопроводов. В сб: Материалы II Международной Уральской научно-практической конференции. Челябинск, 2010, с. 78−81.

8. Gomera V.P., Sokolov V.L., Fedorov V.P., Okhotnikov A.A., Saykova M.S., Use of AE Method for Detection of Steel Lamination in the Industrial Pressure Vessel In: Journal of Acoustic Emission (Acoustic Emission Group, Ehcino, CA, USA). Vol.28, 2010, p. 234−245.

9. Сайкова М. С. .Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки с термоизолированной дуговой трещиной при нестационарном воздействии. В сб: Труды семинара «Компьютерные методы в механике сплошной среды». Изд-во СПбГУ, СПб, 2010, с. 20−31.

А также доложены на:

— Международной научной конференции по механике «Четвертые поляховские чтения», 2006.

— Международной Уральской научно-практической конференции «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования в условиях длительной эксплуатации», 2010.

— семинарах «Компьютерные методы механики сплошных сред», организованных совместно кафедрами теоретической механики и прикладной математики СПбГУ и ПГУПС, 2010.

— 29-й Международной конференции «European conference on Acoustic Emission Testing», 2010.

Выводы.

1. Выполнен комплекс расчётно-экспериментальных работ по исследованию прочности и ресурса металла барабанов котлов ВД и корпусов теплообменного оборудования ТЭС с дефектами типа «расслоение» для условий длительной эксплуатации.

2. Установлено, что в цилиндрических элементах (обечайках) основным фактором, способствующим развитию дефектов типа «расслоение» при эксплуатации, являются нестационарные температурные воздействия'. Принятая на основе анализа строения дефектов модель теплоизолированной' трещины позволила обеспечить инженерную («в запас») оценку влияния дефектов типа «расслоение» на прочность металла корпусных элементов тепломеханического оборудования при переходных режимах (пуск-останов, аварийный режим).

3. Методами компьютерной реализации математических моделей определены температурные поля и поля напряжений для одиночных дефектов и их ансамблей в металле корпусов для условий пусков-остановов и аварийных режимов. Вызванные температурными неравномерностями величины коэффициентов интенсивности напряжений имеют немонотонный характер, достигая максимальных значений, при некоторых соотношениях длины*дефекта и условий нестационарного режима.

4. Получено, что в зависимости от геометрии зон расслоев и условий пуска-останова оценка прочности металла барабанов и корпусов теплообменного оборудования должна выполняться как для условий нормального отрыва, так и сдвига. На основе анализа и обобщения данных исследований структуры и механических характеристик металла обечаек и днищ корпусных элементов показана необходимость учета анизотропии свойств при определении требований к металлу, как в части сопротивления^ хрупкому разрушению, так и в части разрушения при сдвиге.

5. Установлено, что при меньших расстояниях между вершинами соседних дефектов или равных толщины стенки наблюдается увеличение коэффициентов интенсивности напряжений в вершинах отдельных трещин^ по сравнению со случаем одиночной трещины. Для учета указанного эффекта предложена модель замены ансамбля дефектов эквивалентным одиночным дефектом, что позволяет обеспечить запас прочности при инженерной оценке влияния дефектов типа «расслоение» .

6. Для характерных типоразмеров эллиптических днищ получены зависимости коэффициентов интенсивности напряжений от длины дефекта в периферийных и центральных зонах.

7. Выявлено, что при оценке допускаемой протяженности (площади) зоны расслоения необходимо учитывать размеры области концентрации напряжений в зонах, удаленных от вершин дефекта, появление которых обусловлено особенностями градиентов температур в стенке при переходных режимах. Область пластических деформаций образуется над или под дефектом' (в зависимости направления потока тепла), что может способствовать развитию других дефектов, расположенных в зоне действия локальных напряжений.

8. На основании проведенных расчетов определены размеры допускаемых дефектов в металле барабанов котлов ВД, изготовленных из сталей марок 22К и 16ГНМ (А), а также даны рекомендации, позволяющие определить режимно-эксплуатационные факторы, обеспечивающие промышленную безопасность толстостенных элементов оборудования с технологическими дефектами типа «расслоение». Предложенный в работе подход позволяет разрабатывать индивидуальные требования к эксплуатационным режимам оборудования с учетом назначенного ресурса.