№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 620.187, 620.184.6, 620.19, 621.181, 621.165
© 2008 г. БЕРЕЗКИНА Н.Г., ЛЕЙПУНСКИЙ И.О., ПШЕЧЕНКОВ П.А., БОГАЧЕВ В.А., ШКОЛЬНИКОВА Б.Э., ШЕПТАЛИНА Н.Г.*
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЧЕТАНИЯ МЕТОДОВ СКАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ,
ЭЛЕМЕНТНОГО И ФАЗОВОГО АНАЛИЗА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В статье обсуждается опыт совместных работ по изучению структуры металла, оксидных пленок и определению причин разрушений различных узлов энергетического оборудования.
Возможность наблюдения структуры металла при увеличениях от 50 до 10000 крат делают электронно-микроскопические исследования необходимыми при фрактогра-фических исследованиях для определения очага и характера разрушения, исследовании причин коррозионных повреждений, проявлений сернистой коррозии и водородного охрупчивания.
Аварийные остановы паровых и газовых турбин часто связаны с попаданием в их проточную часть посторонних материалов. При развитии аварии происходит их измельчение, и для определения причин аварии актуально исследование элементного состава отдельных частиц малых размеров. Сходные задачи возникают и при определении причин заклинивания исполнительных механизмов системы управления подачи пара в турбину. Такие задачи также могут быть решены методами сканирующей электронной микроскопии.
Приведены примеры использования совокупности данных, полученных методами сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа, при определении причин разрушения энергетического оборудования и обсуждаются перспективы использования этих методов в энергетике.
Введение. Для определения причин разрушения и прогнозирования остаточного ресурса металла энергетического оборудования применяются металлография, механические испытания, измерения микротвердости.
Возможность наблюдения структуры металла в широком диапазоне увеличений, большая глубина резкости и возможность проведения локального элементного анализа делают электронно-микроскопические исследования необходимыми при определении причин преждевременного разрушения высоконагруженных элементов энергетического оборудования и определения их остаточного ресурса.
Применение растровой электронной микроскопии и микрозондового рентгеноспек-трального анализа существенно повышает эффективность фрактографических исследований при определении очага и характера разрушения, исследования причин коррозионных повреждений, выявления признаков сернистой коррозии и водородного охрупчивания.
Рентгенофазовый анализ оксидных пленок и определение их элементного состава позволяет контролировать соблюдение водного режима, выявлять наличие на внутренней поверхности труб углеродных отложений, ухудшающих структуру оксидных пленок и понижающих их защитные свойства.
* Березкина Н.Г., Лейпунский И.О., Пшеченков П.А. - ИНЭПХФ РАН; Богачев В.А., Школьникова Б.Э. -ВТИ; Шепталина Н.Г. - РГРЭС.
Аварийные остановы паровых и газовых турбин часто связаны с попаданием в их проточную часть посторонних материалов. При развитии аварии происходит измельчение этих материалов, и для определения причин аварии актуально определение состава отдельных частиц малых размеров. Сходные задачи возникают и при определении причин заклинивания исполнительных механизмов системы управления подачи пара в турбину. Такие задачи также могут быть решены методами сканирующей электронной микроскопии.
В настоящей статье приведены примеры использования совокупности данных, полученных методами сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа, при определении причин повреждения энергетического оборудования. Исследования проводились в Институте энергетических проблем химической физики РАН в ходе совместных работ с Отделением металлов ВТИ и Лабораторией металлов Рязанской ГРЭС.
Приведенные результаты получены с использованием модернизированного в ИНЭПХФ РАН сканирующего микроскопа-микроанализатора САМЕВАХ МВХ-1 выпуска 1978 г. и рентгеновского дифрактометра АДП-1.
Применение рентгенофазового и элементного анализа для контроля соблюдения водного режима
Оксидная пленка на внутренней поверхности котельных труб формируется по двум различным механизмам и состоит, как правило, из двух слоев. Первый прочный и плотный слой, так называемый топотактический, формируется за счет диффузии ионов кислорода в металл и имеет ориентационное кристаллографическое соответствие с зернами металла. В зависимости от состава стали, он состоит из магнетита Ре304 или для легированных сталей из ферритных шпинелей смешанного состава. Второй слой формируется за счет окисления перешедших в раствор ионов железа и осаждения растворенных оксидов железа и имеет более рыхлое строение. На границе с первым слоем он состоит из кристаллитов магнетита, на границе со средой - из смеси магнетита и гематита.
Толщина слоев оксидной пленки, соотношение содержания магнетита и гематита в ее внешнем слое зависят и от состава стали, и от водно-химического режима парового котла.
В настоящее время на электростанциях с барабанными котлами чаще всего применяется гидразинно-аммиачный водный режим (ГАВР). В прямоточных котлах сверхкритического давления преимущественное распространение получил нейтрально-кислородный водный режим (НКВР). В прямоточных котлах докритического давления применяются оба режима.
Из приведенных на рис. 1 результатов исследования фазового состава и морфологии оксидной пленки на трубах из стали 12Х1МФ видно, что в режиме ГАВР формируется пленка с преобладанием магнетита, а в режиме НКВР в верхнем слое оксидной пленки преобладает гематит. Соотношение гематита и магнетита в оксидной пленке является важным параметром, определяющим ее стабильность. Пленки с малым содержанием гематита имеют малую деформационную способность и склонны к растрескиванию и отслаиванию.
Организация водного режима котла направлена главным образом на снижение скорости коррозии котельных труб и предотвращение накипеобразования, поэтому в систему мер по его поддержанию входит также очистка питательной воды от примесей и удаление растворенных газов, в первую очередь СО2.
При эксплуатации в водяной тракт котла может попадать неочищенная вода (например, из-за присосов охлаждающей воды из конденсаторов), в которой содержатся соли щелочных и щелочноземельных элементов (сульфаты, карбонаты, хлориды, силикаты и пр.) и углерод в виде органических соединений.
Наличие посторонних примесей мешает нормальному росту оксидной пленки и приводит к изменению в ней соотношения магнетита и гематита, что снижает ее защитные свойства.
300
200
100
Ре203
#1
ре о Гематит/Магнетит = 0,25 +/-0,01
03
е3
20
40
_|_I_|_
02
е2
02
е2
ь I
60
8
л.
80 29
10 мкм (х 1859) №1
о 300-
200
100-
20
] 2 мкм (х 5747) #216 (до КО)
Рис. 1. Результаты исследования оксидной пленки на внутренней поверхности трубы № 115 заднего экрана 40 барабанного котла Сургутской ГРЭС-1 (ГАВР) - а, б, и № 216 нижней радиационной части котла № 2 Рязанской ГРЭС (НКВР) - в, Материал трубы - сталь 12Х1МФ: а - дифрактограмма от поверхности оксидной пленки. Объемное соотношение кристаллических фаз гематита Ре20з и магнетита Рез04 составляет 0.25; б -типичный вид поверхности оксидной пленки. В поверхностном слое видны кристаллиты магнетита размерами от 1 до >10 мкм. Мелкокристаллическая фаза гематита покрывает кристаллиты магнетита; в - дифрактограмма от поверхности оксидной пленки. Объемное соотношение кристаллических фаз гематита Ре20з и магнетита Ре304 составляет 0.48; „ - типичный вид поверхности оксидной пленки. В поверхностном слое видны кристаллиты магнетита размерами от 1 до >6 мкм и частицы гематита равноосной формы субмикронных размеров, заполняющие промежутки между кристаллитами магнетита
0
0
При изучении оксидных пленок, наряду с проведением металлографических исследований и механических испытаний, целесообразно проводить рентгенофазовый анализ, исследовать морфологию пленки.
На рис. 2 приведены типичные результаты исследования морфологии оксидных пленок, сформированных в условиях нарушения водного режима. При этом, согласно результатам рентгенофазового анализа, в режиме ГАВР формируется пленка, состоящая на 97% из магнетита, а в режиме НКВР формируется пленка с повышенным относительно нормы содержанием гематита в поверхностном слое (до 80%).
1 5 мкм (х3968) III-1
2 мкм (х7692) #168 (тыл) исх.
Рис. 2. Типичные изображения оксидной пленки на внутренней поверхности труб, работавших с нарушением водного режима. Материал трубы - сталь 12Х1МФ: а - труба № 22 КПП-3 барабанного котла Тамбовской ТЭЦ (ГАВР). Пленка состоит преимущественно из кристаллитов магнетита Без04 размерами 5-10 мкм. Объемное соотношение кристаллических фаз гематита Бе20з и магнетита Без04 составляет 0,03; б - труба № 168 подового экрана котла № 6 Рязанской ГРЭС (НКВР). Объемное соотношение кристаллических фаз гематита Бе20з и магнетита Без04 составляет 2,68. В поверхностном слое видны шубы из пластинчатых частиц гематита округлой формы размерами примерно 0,5 мкм на кристаллитах магнетита
Важную информацию о нарушении водно-химического режима, в частности, о превышении нормы содержания растворимых примесей в паре дает элементный анализ отложений на поверхности оксидных пленок. В качестве примера на рис. 3 показаны картины распределения хлора и серы по поверхности оксидной пленки на одном из участков трубы ширмового пароперегревателя второй ступени котла № 5 Шатурской ГРЭС, работающего в режиме ГАВР. Необходимо отметить, что присутствие хлора в тракте котла опасно с точки зрения коррозии по типу питтинга, а в сочетании с карбонат- и сульфат-ионами хлор может стимулировать другие виды коррозии. Протекание тех или иных процессов с участием соединений обнаруженных элементов зависит от того, находится котел в работе или в простое, поскольку это определяет концентрацию соединений в растворе, рН среды, температуру и пр. Но в любом случае хлор остается коррози-онно-активным по отношению к железу и его окислам.
Следует отметить, что в неочищенной воде помимо неорганических солей могут присутствовать также
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.