Общие вопросы неразрушающего контроля
УДК 620.170
ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО КОНТРОЛЮ И ДИАГНОСТИКЕ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ
В.В. Артамонов, В.П. Артамонов
Обобщены результаты прикладных исследований по оптимизации существующих и разработке новых методов контроля микроструктуры металла, работающего в условиях ползучести паросилового оборудования тепловых электростанций. Изучен процесс получения металлографических полимерных реплик, а также металлических реплик, получаемых электроосаждением и пластической деформацией алюминиевой фольги. Оптимизирована методика карбидного анализа. Предложен электрохимический метод диагностики поверхностей нагрева. Применительно к котлам, работающим на экибастузском угле, расширена возможность диагностики пароперегревателей по содержанию хрома в окалине. Приведены примеры использования результатов металлографического анализа для установления причин эксплуатационных разрушений энергообрудования.
Ключевые слова: микроструктура, ползучесть, полимерные реплики, поверхности нагрева, окалина.
Тепловые электростанции (ТЭС) — это объекты жизнеобеспечения большой массы народа. Эксплуатация ТЭС как совокупности опасных производственных объектов связана с потенциальной опасностью для обслуживающего персонала. По указанным причинам обеспечение надежной (безаварийной) работы ТЭС является важной народно-хозяйственной задачей. На практике эта задача реализуется посредством неукоснительного соблюдения предписаний действующих в системе теплоэнергетики нормативных документов по контролю и диагностике металла наиболее нагруженных (высокотемпературных) узлов энергооборудования. Эти документы предписывают объем, периодичность проведения и методы контроля, среди которых значится и контроль микроструктуры металла.
Высокотемпературные узлы теплоэнергетического оборудования работают в условиях ползучести, то есть длительное время при высоких температурах и давлениях. Например, главные и магистральные паропроводы имеют температуру рабочей среды (пара) 540 °С и давление 14,7 МПа. Такие же условия эксплуатации имеют и высокотемпературные ступени роторов высокого давления на входе пара в турбину. В котлах типа БКЗ при таком же давлении работают пароперегреватели, расчетная температура эксплуатации которых ниже, но реальная в силу ряда причин заметно выше.
Для изготовления паропроводов и пароперегревателей чаще всего используют теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали, которые в состоянии поставки имеют ферритосорбитную или ферритобейнитную структуру. При такой исходной микроструктуре большая часть атомов хрома и молибдена растворена в феррите. Однако по мере эксплуатации происходит распад твердого раствора, в связи с чем по мере эксплуатации содержание легирующих элементов в феррите уменьшается, а содержание карбидов хрома и молибдена в стали возрастает, хотя в целом содержание этих легирующих элементов в стали не изменяется. Подобное перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и
Вадим Владимирович Артамонов, канд. техн. наук, зам. начальника отдела неразрушающего контроля СУ "Ленорэнергогаз". Тел. (812) 375-84-77. E-mail: vaart 1 @mail.ru
Владимир Павлович Артамонов, канд. хим. наук, доцент, профессор кафедры металлургии Павлодарского государственного университета. Тел. (8-3182) 67-06-48. E-mail: 273_art@mail.ru
карбидами приводит к тому, что исходная микроструктура со временем превращается в ферритокарбидную и прочностные свойства металла изменяются.
Дальнейшая эксплуатация металла с ферритокарбидной микроструктурой в условиях ползучести вызывает появление и накопление в металле микропор ползучести, что может привести, а в ряде случаев и приводит к аварийному разрушению оборудования. Поскольку распад структуры имеет диффузионную природу, то степень распада зависит от температуры и времени эксплуатации, то есть от условий эксплуатации. И наоборот, по степени распада можно судить об условиях эксплуатации оборудования, остаточном ресурсе, а в ряде случаев и о причине разрушения оборудования в процессе эксплуатации.
Степень распада микроструктуры как информативный параметр широко использована в отраслевых нормативных документах по контролю и технической диагностике теплоэнергетического оборудования. Однако, по нашему мнению, возможности этого информативного параметра еще далеко не исчерпаны. Как показывает многолетний опыт практической работы авторов по проведению контроля и диагностики оборудования ТЭС Казахстана, часто предлагаемые нормативными документами методы микроструктурного мониторинга не вполне надежны или имеют, как в случае карбидного анализа и определения количества а-фазы в аустенитных сталях, весьма высокую трудоемкость, совершенно неприемлемую в условиях рыночной экономики. В связи с этим применительно к известным методам контроля и диагностики целесообразны исследования по их оптимизации. Представляет практический интерес также разработка новых методов контроля, которые можно было бы использовать как альтернативу известным методам. Результаты исследований, выполненных авторами в этом направлении, изложены ниже.
Нормативный документ РД 10—262—98 для основного металла и сварных соединений, изготовленных из теплоустойчивых сталей и работающих в условиях ползучести паропроводов, а также роторов паровых турбин и некоторых сосудов под давлением, предписывает определять балл сфероидизации второй составляющей микроструктуры и балл микроповрежденности (количество микропор ползучести) по соответствующим шкалам ОСТ 34—70—690—96. Для паропроводов из углеродистой стали предписывается определять степень графитизации перлита. Для дорогостоящего теплоэнергетического оборудования по экономическим соображениям целесообразно проведение неразруша-ющего контроля (НК) его микроструктуры. Однако магнитные, у. з. и другие методы структуроскопии проникающими полями и излучениями по ряду причин малоприменимы для этих целей [1]. Поэтому упомянутый выше нормативный документ предписывает определять степень сфероидизации и графитизации, а также и микроповрежденность металла более точными методами НК, в частности, методами оптической металлографии — с помощью металлографических реплик или портативными микроскопами.
Чтобы выполнить неразрушающий контроль микроструктуры средствами оптической металлографии, вначале непосредственно на поверхности оборудования подготавливают микрошлиф общеизвестными в металлографии способами, которые оговорены также в ОСТ 34—70— 690—96. Затем на подготовленном микрошлифе исследуют микроструктуру металла. Однако применение портативных микроскопов часто ограничено реальными условиями производства, в частности, высокой запыленностью котельных цехов и вибрацией оборудования. Практика пока-
зывает, что в условиях запыленности весьма сомнительными являются рекомендации, особенно рекламного характера, по использованию оптического прибора (микроскопа), тем более оснащенного видеокамерой, соединенной для оцифровки полученного микроскопом изображения с портативным компьютером.
Проведение контроля металла паровых котлов, паропроводов, турбоагрегатов в период ремонтной кампании проводят на остановленном оборудовании. В это время соседние котлы и турбоагрегаты находятся в эксплуатации, функционируют механизмы, обеспечивающие работу котлов и турбин, параллельно ведутся ремонтные работы на остановленном оборудовании. Все это создает непрерывную вибрацию паропроводов, в том числе и паропровода, выведенного из эксплуатации. Вибрация затрудняет контроль микроструктуры посредством портативного микроскопа и делает совершенно невозможной документирование микроструктуры с получением достаточно четких и контрастных снимков, что особенно важно при контроле металла на микропов-режденность.
Таким образом, поскольку возможность применения портативных микроскопов сильно ограничена, в теплоэнергетике широко применяется неразрушающий контроль микроструктуры полимеров посредством реплик (оттисков). Однако в отрасли отсутствует стандартизированная, то есть надежная методика получения реплик. Как показано в работах [2—10], рекомендуемая нормативными документами методика получения полимерных реплик основана на эмпирических данных, а адекватное отображение такими репликами исследуемой микроструктуры определяется исключительно субъективными факторами, то есть опытностью исполнителя.
Процесс формирования реплик из полимерных растворов авторами [2—10] рассмотрен как физико-химический процесс, происходящий на границе раздела фаз "поверхность стального шлифа — полимерный раствор" и определяемый поверхностными явлениями, в частности, поверхностным натяжением и смачиванием. Определяя краевой угол для ряда полимерных материалов и органических растворителей, авторы установили, что адекватное отображение полимерной репликой исследуемой микроструктуры определяется не только природой (видом) полимерного материала, но и природой растворителя и соотношением этих материалов в используемом для получения реплик растворе.
Впервые в отрасли проведено изучение оптических свойств полимерных реплик — отражательной способности, контраста и разрешения. Изготовлен прибор, позволяющий измерять отражательную способность реплик. Показано, что разные полимерные материалы, а следовательно, и металлографические реплики, получаемые на их основе, имеют разную отражательную способность, поэтому при выборе полимерного материала следует учитывать также и его оптические свойства. Проведенные исследования позволили перейти от эмпирического подбора к научно обоснованному выбору полимерных материалов и органических растворителей для получения реплик, адекватно отображающих исследуемую микроструктуру металла [2—10].
Явным недостатком полимерных, то есть неметаллических реплик, является низкая отражательная способность [4, 7]. Для повышения отражательной способности нормативный документ РД 34.17.440—96 предписывает полимерные реплики оттенять алюминием или хромом напылением в вакууме. Данные рекомендации сомнительны по ряду причин. Прежде всего отметим, что в ремонтную кампанию специали-
5 Дефектоскопия, < 2, 2011
зированная ор
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.