ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОБЪЕКТОВ КОТЛОНАДЗОРА

А.Ю. Губернский, государственный инспектор ОНОДТ МТУ Ростехнадзора по СЗФО

При проведении экспертизы промышленной безопасности любого технического устройства (например, объекта котлонадзора) основная задача: - установить, можно ли данное оборудование безопасно эксплуатировать, с учетом каких параметров и в течение какого периода. То есть необходимо определить остаточный ресурс этого устройства. Однако для объектов котлонадзора, в отличие, к примеру, от объектов кранового хозяйства, до сих пор отсутствует утвержденная методика оценки остаточного ресурса. И это, несмотря па то, что требование определения остаточного срока эксплуатации (до прогнозируемого наступления предельного состояния) при проведении технического диагностирования оборудования вступило в законную силу еще 5 августа 2002 года, с момента официальной регистрации «Положения о порядке продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах» в Минюсте РФ (в дальнейшем - «Положения»). Документ был утвержден Постановлением Госгортехнадзора России № 43 9 июля 2002 года.

Необходимо отметить, что понятие остаточного ресурса, то есть срока, который остается до наступления предельного состояния объекта, для оборудования малой энергетики, работающего на низких параметрах, не вполне корректно, поскольку для такого оборудования не определено само понятие «предельное состояние».

При проведении экспертизы высоконагруженного оборудования, например, для того чтобы уточнить, насколько можно продлить эксплуатацию трубопроводов I - II категории, которые длительно эксплуатировались при температурах, вызывающих изменения механических свойств металла, определение остаточного ресурса крайне необходимо.

Ниже мы представляем возможный вариант оценки остаточного ресурса объектов котлонадзора, позволяющего выполнить требования упомянутого «Положения» на примере паропроводов II категории, отработавших расчетный срок службы. (Для примера выбран стандартный паропровод II категории, изготовленный из стали 20, с рабочими параметрами р = 40кгс/см², Т = 440°С).

Дело в том, что значительное количество аналогичных паропроводов введено в эксплуатацию еще 30-40 лет назад и имеет наработку 250 - 300 тыс. часов (при проектировании для них был заложен расчетный ресурс при номинальных расчетных параметрах - 100 тыс. часов эксплуатации). Естественно, что при планируемом сроке эксплуатации паропровода, рассчитанного на работу в пределах 100 тыс. часов, не было необходимости изготавливать элементы паропровода с повышенными запасами прочности (например, по толщине стенки), которые позволили бы безопасно эксплуатировать его за пределами расчетного ресурса.

Продлить эксплуатацию паропровода можно при положительных результатах неразрушающего контроля и выполнении условий прочности в соответствии с РД 10-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды».

Без расчетов на прочность положительные результаты неразрушающего контроля недостаточны для того, чтобы разрешить в дальнейшем эксплуатировать паропровод, отработавший свой расчетный ресурс. Поскольку в данном примере речь идет о стали 20, механические характеристики которой при рабочей температуре более 400°С снижаются в зависимости от длительности эксплуатации, необходимо провести исследование металла на вырезках, чтобы определить фактическую степень снижения механических свойств металла, используя в расчетных формулах характеристики прочности, полученные в результате испытаний образцов. В частности, если номинальное допускаемое напряжение этой стали для расчетного ресурса 100 тыс. часов равно 6,6 кг/мм², то при наработке 200 тыс. часов значение номинального допускаемого напряжения снижается до 5,0 кг/мм², то есть на 25%. При этом фактическая степень снижения длительной прочности у стали 20 по сравнению с исходным состоянием неоднозначна и может зависеть от исходной структуры, уровня свойств металла и условий эксплуатации.

Таким образом, чтобы определить возможность и условия дальнейшей эксплуатации паропровода по истечении расчетного срока службы, в соответствии с п. 5.2.12. Правил Госгортехнадзора России по трубопроводам (РД 03-94) проводится обследование состояния элементов паропроводов и, в первую очередь, исследование металла.

Прогнозирование остаточного ресурса металла рассчитывается по фактическим значениям уровня длительной прочности, определенным на вырезках металла, и действующим напряжениям в паропроводе.

Следует отметить, что в процессе эксплуатации элементов оборудования, работающего при высоких температурах в условиях, когда активно протекают процессы ползучести, структура и свойства материалов претерпевают значительные изменения.

Разрушение в процессе ползучести происходит постепенно. Накопившиеся повреждения в металле влекут за собой процессы зарождения и роста несплошностей (пор). Первые поры обычно образуются задолго до разрушения. Наиболее характерный механизм образования пор в теплоустойчивых сталях - зернограничное проскальзывание. Поры образуются преимущественно по границам ферритных зерен, в плоскости, перпендикулярной действию растягивающих напряжений.

Изменения, происходящие в микроструктуре металла, обычно сопровождаются снижением характеристик кратковременной и длительной прочности, сопротивления ползучести. Характер снижения значений каждой характеристики индивидуален и зависит от многих факторов. Наибольшее изменение структуры и снижение характеристик прочности, снижение временного сопротивления при комнатной и повышенной температурах, отношения σ^t_в/а²⁰_в происходит в начальный период эксплуатации металла в течение первых 50-100 тыс. часов. В этот же период возрастает остаточная деформация ползучести. Замечено, что наиболее прочный в исходном состоянии металл в начальный период эксплуатации разупрочняется быстрее.

На протяжении второй стадии установившейся ползучести идет ее медленное накопление, и свойства металла меняются мало вплоть до наступления третьей стадии ускоренной ползучести, сопровождающейся активным образованием и ростом пор.

В данном конкретном случае остаточный ресурс элементов трубопроводов определяется для того, чтобы установить максимально допустимое количество часов наработки, после которого элемент подлежит замене, и сводится к установлению временного интервала перехода от второй, установившейся стадии, к третьей стадии ускоренного разупрочнения металла паропроводов.

При длительной эксплуатации в условиях повышенных температур наибольшую опасность (начало разрушения) представляют гибы и сварные швы паропроводов, так как именно в них, а не в прямых трубах, возникает более высокий уровень напряжений. Поэтому контроль гибов и сварных швов паропроводов чрезвычайно важен.

Во время исследований за состоянием металла оборудования после длительной эксплуатации при повышенных температурах для прогнозирования его остаточного ресурса рассматриваются следующие факторы:

1) изменения, произошедшие в микроструктуре (возможен распад перлитной составляющей и образование пор);

2) изменение механических свойств;

3) значения характеристик длительной пластичности, определяющие опасность хрупких разрушений;

4) величина деформации ползучести, контролируемой в процессе эксплуатации;

5) уровень длительной прочности.

Для оценки остаточного ресурса и накопленной повреждаемости применяется модель повреждаемости Качанова-Работнова, использующая связь скорости накопления повреждаемости с действующими напряжениями δ:

где А, В, n, m, q - постоянные материала;

ε - деформация ползучести;

ω - параметр повреждаемости.

Указанные уравнения могут быть проинтегрированы:

где

ε_R - деформация при t=t_R.

В результате можно определить зависимость относительной накопленной деформации ползучести от относительной долговечности:

Представленное выражение можно уточнить по характеристикам рассеивания накопленной деформации ползучести и длительной прочности.

Используя данные по накопленной деформации ползучести, расчеты напряженного состояния в оборудовании, учитывающие ползучесть, а также по результатам испытаний длительной прочности и пластичности, можно рассчитать и оценить запасы прочности основных элементов котлов и трубопроводов.

Для определения работоспособности и остаточного ресурса элементов оборудования необходимо учитывать также наличие сварных соединений в конструкциях.

Сварное соединение характеризуется неоднородностью структуры и свойств, полученных в процессе сварки в результате различных температур нагрева и скорости последующего охлаждения металла. Поэтому поведение металла с различными зонами сварного соединения в процессе эксплуатации будет отличаться.

Например, при возникновении в сварном соединении дефектов сварки (несплавлений, пор, подрезов) они могут служить местом зарождения очагов разрушения - трещин различного происхождения.

Если оборудование, изготовленное из углеродистой стали, эксплуатируется при высоких температурах, возникают, как правило, два вида разрушения сварных соединений.

Первый тип трещин развивается в начале эксплуатации из-за нарушения режима отпуска, возникшего после сварки в околошовной зоне или в шве металла, когда еще продолжается дисперсионное твердение в этих участках, приводящее к снижению пластичности. В дальнейшем под воздействием температуры происходит постепенная коагуляция дисперсных фаз, а склонность к разрушению в указанных зонах уменьшается.

Второй тип трещин можно наблюдать в зонах термического влияния (ЗТВ) сварки вследствие деградации структуры при высоких температурах: в сварных швах по обе стороны от наплавленного металла выделяется графит. В образцах, вырезанных из труб, отработавших 150 и 250 тыс. часов, графит обычно располагается в двух зонах:

1) множественные мелкие (до 0,1 мм) выделения графита на участке мелкозернистой разупрочненной прослойки ЗТВ, расположенной на расстоянии 2-4 мм от края шва. По мере удаления от шва, при переходе от мелкозернистой структуры к относительно крупнозернистому основному металлу участка неполной перекристаллизации, подвергавшемуся при сварке нагреву, размеры графитных включений увеличиваются до 0,4-0,5 мм;

2) в основном металле на расстоянии 2-6 мм от ЗТВ возникают обособленные крупные включения графита на месте полностью распавшихся перлитных зерен; ширина таких зон находится в пределах 0,5-1 мм.

На всех образцах графит, обнаруженный в подповерхностном слое на глубине 0,5-1,0 мм, распространяется почти на всю толщину трубы при наибольшем количестве в средней трети.

Расположение графитных выделений разрозненное (обособленное). Лишь в отдельных, сравнительно редких случаях, наблюдаются цепочки из 2-3 глобулей.

Исследование степени графитизации показало, что наблюдаемые включения графита по величине и характеру расположения обычно соответствуют приведенным в шкалах ОСТ 34.70-690-96. Для оценки степени графитизации исследуемых сварных соединений используется метод количественной металлографии, предложенный Ю.М. Гофманом, в котором за основу принят линейный метод А. Розиваля. Согласно этому методу измерение объемов тел можно заменить измерением площадей или длин отрезков. Оценка степени графитизации - отношение площади включений графита к общей площади по данной методике определяется в процентах по трехбалльной системе: балл 1 - графитные включения до 1%, балл 2 - 1-3%, балл 3 - более 3%.

Возникновение трещин в этих зонах наиболее вероятно на участках, подверженных воздействию наибольших напряжений изгиба. Иногда трещины второго типа могут развиваться от зародышевых трещин первого типа. Склонность сварных соединений к хрупким высокотемпературным разрушениям тем выше, чем больше разница между механическими характеристиками основного металла и околошовной зоны, а также при наличии концентраторов напряжений в сварном шве.

Чтобы продлить срок службы паропровода:

- на основании полученных данных по параметрам, условиям эксплуатации, по результатам копт-роля оборудования во время предыдущих остановов делается предварительный анализ состояния паропроводов, дается оценка остаточного ресурса;

- методом реплик проводится предварительное исследование состояния микроповрежденности без вырезок с использованием переносного микроскопа. Если при контроле микроповрежденности непосредственно на паропроводе обнаруживаются дефекты, принимается решение произвести вырезки гибов, чтобы провести более детальное исследование металла в лаборатории;

- проводятся испытания вырезок металла, на основании которых прогнозируются расчетные характеристики материалов на дополнительный ресурс;

- проводятся расчеты прочности паропровода, рассчитывается остаточный ресурс оборудования, разрабатываются рекомендации по объемам замены отдельных узлов и по методам контроля, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию на более длительное время.

Лабораторные исследования, испытания основного металла и сварных швов, вырезок участков гибов и сварных швов показывают, что в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах и нагрузках происходит снижение характеристик металла.

Результаты испытаний вырезок металла располагаются в пределах нормативной полосы разброса данных по характеристикам прочности стали 20 в соответствии с ТУ 14-3-460-75 и РД 10-249-98.

Чтобы определить механические свойства основного металла и сварных соединений, изготавливаются стандартные образцы на растяжение и изгиб полосы (ГОСТ 6996). Испытания проводятся при комнатной и рабочей температурах.

Также изготавливаются образцы из сварного соединения для испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре.

Если прочностные свойства сварного соединения при комнатной и рабочей температурах, как правило, близки к прочностным свойствам основного металла и соответствуют требованиям стандартов к основному металлу, то пластические характеристики сварных соединений (относительное удлинение и относительное сужение) зачастую оказываются почти в два раза ниже.

Разрушение сварных образцов происходит по околошовной зоне под углом, повторяющим угол сплавления.

Для определения остаточного ресурса гибов на основных типоразмерах паропроводов проводятся вариантные расчеты запасов их прочности, где учитывается степень наработки, толщина стенки, наличие овальности, накопленной деформации ползучести. Помимо этого при расчетах учитывается возможный разброс характеристик стали 20.

Если запасы прочности гибов с учетом полосы разброса характеристик длительной прочности стали 20 и данных испытаний вырезок металла, как по минимальным, так и по средним характеристикам длительной прочности, оказываются ниже нормативных требований, гибы рекомендуется заменить.

ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НАДЗОРА РОСТЕХНАДЗОРА

(КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ)

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ОКРУГ

Журнал «Энергонадзор-информ» № 3 2007 г.