Совершенствование отраслевой системы нормативов по оценке повреждений и живучести паропроводов и труб поверхностей нагрева паровых котлов ТЭС

Энергетики всех стран мира стремятся эффективно использовать весьма дорогостоящее оборудование тепловых электростанций. При этом стараются максимально продлить срок службы таких ответственных узлов энергооборудования, как паропроводы и поверхности нагрева паровых котлов. Однако при исчерпании предельного ресурса металла могут произойти разрушения этих узлов, опасные для жизни персонала ТЭС и требующие больших затрат для восстановления. Поэтому в настоящее время, когда значительная доля оборудования ТЭС имеет наработку более 100 тысяч часов, актуальной является проблема измерения повреждений металла, так как она дает возможность определить остаточный ресурс оборудования, а, следовательно, предотвратить аварии и повреждения на электростанциях, связанные с состоянием металла паропроводов и труб поверхностей нагрева котлов (ТПНК).

Металл паропроводов работает в условиях ползучести, т. е. при температуре выше 450 °C, и механизм разрушения его состоит из нескольких стадий: изменение микроструктуры, изменение фазового состава, изменение кратковременных и длительных механических свойств, образование микропор и последовательная их трансформация в цепочки пор, микротрещины и макротрещины. Механизм разрушения металла ТПНК еще более сложен, так как на него оказывают влияние такие явления, как эрозия, коррозия и усталость, значительно ускоряющие процесс разрушения.

Система измерения повреждений должна обеспечить максимальную длительную и безопасную работу оборудования, а эту задачу можно выполнить лишь при выявлении повреждений металла на ранних стадиях разрушения, когда можно прогнозировать скорости развития дефектов и время достижения ими критических размеров.

Действующая сегодня в отечественной энергетике система измерения повреждений не может обеспечить полного исключения случаев разрушения паропроводов, а тем более, труб поверхностей нагрева котловтакую систему практически создать невозможно, так как нужно учитывать экономические факторы и многочисленные особенности эксплуатации энергоустановок.

Более реальной задачей является усовершенствование существующей системы, чтобы она могла обеспечить допустимую меру опасности и долговечности оборудования. При этом приходится разрешать две трудносовместимые проблемы — повышать чувствительность и достоверность контроля, с одной стороны, и не повышать его стоимости, с другой.

Повышение достоверности и надежности контроля можно обеспечить за счет применения: более чувствительных методов с большей разрешающей способностью выявления дефектовавтоматического документирования результатов контролямониторинга контроля и счетчиков остаточного ресурса. Сокращение же стоимости контроля возможно при: обоснованном увеличении периодичности контроляувеличении количества контрольных выборокприменении методов неразрушающего контроля, не требующих трудоемкой подготовки контролируемой поверхности. Целе-ценностные характеристики результатов исследования:

— для совершенствования НТД, ориентированных на стареющие ТЭС, из многочисленного и многообразного «организма» ТЭС выделена система паропроводов свежего пара и горячего промперегрева в качестве наиболее характерной при старении в условиях ползучести;

— уменьшено несоответствие между процессом эксплуатации — ремонта ТЭС и процессом реализации требований НТД по измерению повреждений на основе сочетания принципов системности, технологичности и учета индивидуальных, локальных особенностей типа «слабое звено — опасная зона" — для группы стареющих ТЭС создан действующий макет системы нормативов по измерению повреждений и принятию решений, увеличивающих достоверность контроля и уменьшающих затраты на него путем совершенствования метрологического И технологического аспектов системы НТД. Научная новизна результатов исследования состоит в следующем: выявлены наиболее повреждаемые элементы и зоны паропроводов, труб поверхностей нагрева котлов (ТПНК) и условия контроля этих повреждений, приемлемые для отраслевого НТДобоснована необходимость введения в систему НТД стареющих ТЭС концепции «категорий опасности" — осуществлен переход отечественной системы НТД от безальтернативной к более соответствующей реальной ситуации в отрасли, с созданием нормативной системы «Живучесть» для группы стареющих ТЭСдля системы паропроводов свежего пара, горячего промперегрева и паропроводов парогенераторов реализована нормативная система, увеличивающая достоверность измерения микроповреждений на основе технологии «микроструктурный мониторинг»;

— создана система мер выявления микроповреждения паропроводов из сталей.

12Х1Ми 15Х1М1Ф.

Достоверность, конкретность и обоснованность полученных результатов во всей их целостности определена учетом традиций и тенденций отечественной и мировой энергетики, вьмвлением отличительных признаков отечественной системы НТД, совершенствованием этой системы и многолетней практикой проверки результатов принятых решений на многих ТЭС, включая группу отраслевых образцов стареющих ТЭС. Практическая ценность результатов исследования:

— обобщен тридцатилетний личный опыт диссертанта по решению проблемы обеспечения надежности системы паропроводов и ТПНК ТЭС путем учета наиболее прогрессивных традиций и тенденций мировой и отечественной энергетики, воплощенных в поэтапно совершенствуемых НТД.

— создана нормативная основа измерения и определения живучести для группы отраслевых образцов стареющих ТЭС в виде действующей модели нормативной системы «Живучесть стареющих ТЭС».

Автор защищает:

— систему характеристик, определяющих существенные отличия и подобия традиций и тенденций отечественной энергетики и энергетики наиболее цивилизованных стран по проблеме живучести паропроводов и ТПНК стареющих ТЭС;

— «карту» опасных зон паропроводов свежего пара и горячего промперегрева группы «стареющих ТЭС»;

— комплекс характеристик, определяющих требующие первоочередного устранения недостатки действующей системы нормативов в области надежности паропроводов и ТПНК;

— критериально-нормативную систему «категорий опасности» паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Фдействующую модель нормативной системы измерения и определения живучести, регламентированную для группы отраслевых образцов стареющих ТЭС. Работа состоит из. страниц текста,. таблиц,. рисунков и. приложений.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Совершенствование отраслевой системы нормативов по измерению повреждений и живучести паропроводов и труб поверхностей нагрева парогенераторов ТЭС осуществлено путем создания действующей модели этой системы для группы отраслевых образцов стареющих тепловых электростанций.

Реализация этой модели произведена на основе учета традиций и тенденций мировой энергетики в целом, выявления существенных отличий отечественной энергетики от энергетики США и других стран по исследованной проблеме. При этом выбор основных характеристик модели сделан в соответствии с критерием «минимального рассогласования» традиции — тенденции — проблемного потока, а также на основе отраслевой концепции живучести стареющих ТЭС. Данное исследование является неотъемлемой существенной частью процесса создания и реализации этой отраслевой концепции, утвержденной в 1988 г.

Созданная модель нормативной системы основана на обобщении результатов, характеризующих «карту» слабых элементов и зон паропроводов.

Наименее надежной из важнейших систем энергооборудования ТЭС является система труб поверхностей нагрева паровых котлов (ТПНК). Картина повреждения ТПНК (табл.16) наглядно характеризует проблему в целом, выделяя в качестве ее важнейших факторов исчерпанный ресурс, тип топлива, параметры пара и неблагоприятное сочетание этих факторов в зоне их соответствующих предельных значений.

Основные метролого-технологические результаты выполненного автором в последние 30 лет исследования сконцентрированы в модели нормативной системы «Живучесть стареющих ТЭС», проверенной поэтапно в 1990;1997 гг. на Костромской и Рязанской ГРЭС, на ТЭЦ — 2 Костромаэнерго.

2. Анализ и экспертиза существенных отличий и подобия традиций, тенденций и характера исследуемой проблемы в отечественной энергетике, энергетике США, Германии, Англии, Японии и других стран позволили получить и обосновать следующие основные результаты.

Доказано, что для большинства передовых стран технически и экономически целесообразна продолжительность эксплуатации современных ТЭС на 13 и 24 МПа до 45- лет, при систематическом совершенствовании системы измерения повреждений и восстановления живучести, замене наиболее опасных элементов. Пока это в 2- раза выгоднее, чем строительство новых электростанций.

— Обосновано, что важнейшая для исследованной проблемы характеристика своеобразия отечественной энергетики — традиция «института лабораторий и служб металла и сварки». Эта традиция позволила сконцентрировать за последние 2 — десятилетия опыт предзнания и знания, жизненно необходимых теперь для учета предыстории сегодняшних и будущих болезней системы паропроводов и ТПНК ТЭС.

— Сформулирована главная характеристика тенденции, определяющей необходимость обновления системы измерения повреждений паропроводов и, соответственно, модели ее нормативной системы. Этой характеристикой является минимизация несоответствия между индивидуальной традицией — увеличением опасности эксплуатации стареющего оборудования — и системно-целостным решением проблемы с помощью высоких технологий, в частности, микроструктурного мониторинга, увеличивающих документальную достоверность, наглядность и уменьшающих опасность принимаемых решений до допустимых пределов.

3. Обобщение многолетних (свыше 30 лет) исследований позволило, систематизировав основные их результаты, обосновать «карту» слабых зон паропроводов ТЭС и основные свойства действующих нормативов, необходимые для достаточно эффективного контроля этих паропроводов.

Для группы отраслевых образцов стареющих ТЭС обоснована целесообразность перехода на систему «категорий опасности» и категорий повреждения микроструктуры металла паропроводов из сталей перлитного класса (12Х1МФ и 15Х1М1Ф, табл. 34−36) и соответствующих коэффициентов достоверности определения этих категорий повреждения для ранжирования меры накопленного повреждения (исчерпанного ресурса).

4. Наименее надежной из важнейших систем энергооборудования ТЭС является система труб поверхностей нагрева паровых котлов (ТПНК). Это утверждение характерно для всех стран, использующих ТЭС. Так, мера повреждения ТПНК пылеугольных котлов США мощностью >200 МВт составляла 5,1 — 6,5 отказа на котел в год за период 1982; гг. Аналогично, за период 1988; гг. для ТПНК отечественных энергоблоков эта мера определена в пределах 2,18 —, 49 отказа на котел в год.

В целом, условия нагружения «слабых звеньев» ТПНК более тяжелые, чем их аналогов по паропроводам.

Картина повреждения ТПНК (табл.16) наглядно характеризует проблему в целом и выделяет ее важнейшие факторы: исчерпанный ресурс с характерным пределом 100 тыс. часовтип топлива (наиболее повреждаемы ТПНК пылеугольных котлов) — параметры пара, особенно в сочетании максимума этих параметров и пылеугольного топлива (24 МПа и 545 °C, экибастузские пылеугольные блоки 500 МВт и рязанские на буром угле блоки 300 МВт). При этом критерий «исчерпанный ресурс» определен как параметр порядка, характеризующий принципиальные изменения картины повреждения ТПНК. В простейшем случае этот параметр порядка может бьггь выражен как размерное время (наработка, тыс. ч) или число циклов нагружения, а в более сложных феноменологических моделях, в т. ч. для гибов паропроводов, как обобщенный параметр Ларсона-Миллера (рис.21).

5. Обоснована необходимость, целесообразность и эффективность изменения нормативного критерия гидроиспытаний системы трубопроводов после ремонтной сварки ограниченного количества сварных соединений. Регламентированы три характерные по количеству сварных соединений группы. Это решение существенно упрощает трудоемкость работ за счет обоснованного отказа от гидроиспытаний для первой группы, а также и для второй в определенных ситуациях.

6. Создан «Регламент контроля элементов котлов и паропроводов, выработавших парковый ресурс», основанный на концепции «категории опасности» и реализации теории живучести. Этот регламент реализуется на Костромской и Рязанской ГРЭС.

7. Создана математическая модель, учитывающая специфику нагружения паропроводов в условиях ползучести, которая совместно с методом «достоверно сформулированных обратных задач механики разрушения» позволила создать методику и программу восстановления живучести гибов паропроводов путем удаления поврежденного поверхностного слоя. Сформулированы и обоснованы критерии, ограничивающие пределы реализации такой технологии, в предельном случае, допустимым уменьшением живого поперечного сечения гйба в поврежденной зоне.

8. Создана совместно с А. Я. Копсовым, H.H. Балдиным и В. Ф. Котельниковым метрологическая основа нормативной системы «Живучесть стареющих ТЭС» в виде одноименной компьютерной энциклопедии, организованной как интерактивный справочник.

9. Действующая в отрасли основная нормативная система «Ресурс» содержит существенные несоответствия требованию обеспечения живучести стареющих ТЭС до 50- лет. Минимизация этих несоответствий, согласно результатам исследования автора, необходима и осуществляется, прежде всего, следующим образом: повышением эффективности, разрешающей способности, добротности и достоверности технологий измерения повреждений паропроводов и ТПНКусовершенствованием метрологической базы указанной нормативной системы, а также повышением квалификации персоналасистематическим совершенствованием метрологической базы нормативов («Живучесть ТЭС») как путем обогащения коллекций эталонов и образцов микроповреждений и макродефектов, так и путем создания соответствующих компьютерных атласов, а также путем систематического совершенствования алгоритма определения категорий опасности и коэффициентов достоверности на основе метода корректно сформулированных обратных задачпереходом от отдельных средств и технологий контроля, порой весьма слабо согласованных, к проблемно-ориентированным комплексам.

В целом нормативная система определения живучести паропроводов стареющих ТЭС осваивается на Костромской, Рязанской ГРЭС и ТЭЦ — 2 Костромаэнерго в виде РД 34.17.МКС.007 — 97.