CC BY
246
УДК 669. 1. 017
РАЗРУШЕНИЕ СТАЛЕЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ГРАФИТИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ И КОТЛОВ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ
А.И.Бегунов1, Т.А.Осипова2
1Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2ОАО «Норильско-Таймырская энергетическая компания», 663300, г. Норильск, ул. Ветеранов, 19.
Раскрыта природа явления графитизации как одной из форм нестабильности структуры углеродистой и молибденовой котельной стали. Обозначены причины графитизации как следствия сфероидизации карбидной фазы, условия протекания процессов для углеродистых, молибденовых и хромомолибденовых сталей, изменения прочностных и пластических свойств и опасность их последствий. Показана роль алюминия, кремния и меди в процессе графитизации. Ил. 3. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: сталь; паропровод; графитизация; сфероидизация; ползучесть.
DESTRUCTION OF STEELS AS A RESULT OF THE GRAPHITIZATION OF ELEMENTS OF PIPELINES AND BOILERS OF MEDIUM PRESSURE A.I.Begunov, T.A.Osipova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Public Corporation "Norilsk-Taimyr Energy Company", 19 Veterany St., Norilsk, 663300.
The authors describe the nature of the phenomenon of graphitization as a form of instability in the structure of carbon and molybdenum boiler steel. They mark the reasons of graphitization as an effect of spheroidizing of carbide phase, the process conditions for carbon, molybdenum and chrome-molybdenum steels, changes in the strength and plastic properties and the risk of their consequences. The authors demonstrate the role of aluminum, silicon and copper in the process of graphitization. 3 figures. 3 sources.
Key words: steel; steampipe; graphitization; spheroidizing; creep.
Графитизация - одна из форм нестабильности структуры углеродистой и молибденовой котельной стали при 400-450°С, приводящая к разрушению наиболее напряженных элементов паропроводов (в зонах термического влияния сварных соединений, в отводах, в местах креплений неподвижных опор и т.п.).
Явлением графитизации начали заниматься в 1943г. после аварии на паропроводе высокого давления электростанции Спринг-Дейл в США. Одна из труб разорвалась по всему поперечному сечению вблизи сварного стыка. Расследование аварии показало, что графитизация произошла по границам зерен зоны термического влияния сварного стыка и имела вид цепочек графита, слившихся в микро- и макротрещины. До этого возможность графитизации малоуглеродистых сталей считалась маловероятной. На отечественных электростанциях случаев промышленной графитизации не наблюдалось до 1954г.
Разрушения по причине графитизации особенно
опасны тем, что происходят без видимых макроизменений в диаметре и толщине стенки. Практика показывает, что графитизация незначительной и значительной степени (1-2 балла Шкалы ОСТ 34.70.690) не выявляется ультразвуковым и другими неразрушающими методами контроля, за исключением метода реплик. Большая степень графитизации (балл 3-4) в виде поверхностных трещин выявляется методом магнитопо-рошковой дефектоскопии (МПД). Наиболее вероятно обнаружение трещин при контроле сварных стыков с литыми деталями и гнутыми элементами паропроводов. Разрыв металла может произойти в виде множественных трещин в любом направлении и сопровождаться хрупким отрывом элемента паропровода по всему периметру (рис. 1, 2). Такие повреждения особенно опасны, т.к. при разрушении происходит практически мгновенный выброс большого количества перегретого пара в помещение котельного зала.
Графитизация является следствием структурных
1Бегунов Альберт Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии, тел.: (3952)405178, e-mail: [email protected]
Begunov Albert Ivanovich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Chemistry, tel.: (3952) 405178, e-mail: [email protected]
2Осипова Татьяна Альбертовна, начальник лаборатории металловедения службы металлов, аспирант кафедры химии Ир-ГТУ, тел.: 89131617047, e-mail: [email protected]
Osipova Tatiana Albertovna, the head of the laboratory of physical metallurgy of metal service life, a postgraduate of the Chair of Chemistry of ISTU, tel.: 89131617047, e-mail: [email protected]
(фазовых) изменений - сфероидизации, происходящей в стали в процессе длительной эксплуатации и проявляется в выделении структурно-свободного углерода из карбидов, в первую очередь цементита, входящего в состав перлита: Ре + (Ре+Ре3 С) ^-Ре +С.
Рис. 1. Разрушение трубы Д377 паропровода среднего давления, сталь 20 после ~ 270 000 часов эксплуатации
Сфероидизация карбидов выражается в том, что карбиды перлита, имеющие пластинчатую форму, при повышенной температуре постепенно превращаются в округлые частицы-сфероиды, со временем увеличивающиеся в размерах. Сфероидизация и графитиза-ция перлитной фазы происходит в углеродистых сталях начиная с 450-470°С, а для углеродистых сталей, работающих более 200тысяч часов, уже при 380°С. В молибденовых и хромо-молибденовых сталях сфе-роидизация происходит начиная с 480 °С, в хромо-молибдено-ванадиевых - с 500°С. Считается, что хромо-молибдено-ванадиевая сталь графитизации не подвержена.
Сама по себе сфероидизация не является браковочным признаком, но те процессы, которые ее сопровождают, могут привести к разрушению паропроводных труб. В паропроводах высокого давления - это ползучесть металла (рис. 3,а), в паропроводах среднего давления -графитизация стали (рис. 3,б).
В любом случае, сфероидизация и графитизация сопровождаются снижением механических свойств стали, разупрочнением, снижением ударной вязкости. По многолетним наблюдениям ВТИ, в сфероидизиро-ванном состоянии, соответствующем баллу 6 шкалы ВТИ, прочностные характеристики стали снижаются в среднем на 25% по сравнению с этими сталями, содержащими в структуре пластинчатый перлит, ударная вязкость уменьшается на 50-80%, скорость ползучести возрастает в 2-2,5раза, предел длительной прочности уменьшается в среднем на 40%. Кроме того, для длительно работающего металла характерно смещение порога хладноломкости стали в область положительных температур, что может привести к разрушению при проведении гидравлических испытаний паропровода. Опасность графитизации заключается в резком снижении прочностных, пластических свойств и особенно ударной вязкости металла.
Время до начала графитизации зависит от структурного состояния и наличия остаточных напряжений в металле. Более подвержены графитизации стали с мелким зерном. Графитизация находится в прямой зависимости от наличия остаточных напряжений и уровня напряжений: чем выше уровень напряжений в
элементе паропровода или его локальном участке (сварном стыке, растянутой зоне гиба, в месте крепления опоры), тем больше вероятность и степень графитизации стали.
Рис. 2. Разрушение гиба пароперепускной трубы 076x6мм котла ПК-9, сталь 20 после ~ 200000 часов эксплуатации
На процесс графитизации оказывают влияние такие факторы, как температура и время эксплуатации, содержание А1 ,Б1 и Си в стали, ширина зоны термического влияния сварки, уровень локальных напряжений.
По нашим наблюдениям, элементы паропроводных труб трубопроводов среднего давления, работающих при температуре 420-425°С (изготовленных из стали 20), подвержены заметной графитизации (балл 1-2 Шкалы ОСТ 34.70.690) не ранее 200 000 часов эксплуатации. В металле барабанов и сухопарников, где температура ниже на 40-50°С, включения свободного углерода могут иметь место после 250 000 часов эксплуатации.
Роль алюминия, кремния и меди состоит в их гра-фитизирующей способности и связана с тем, что они не относятся к карбидообразующим элементам и обладают малой растворимостью в цементите. Поэтому создается тенденция к их распределению в а -растворе в пограничных слоях, примыкающих к карбидам. В слоях распада частиц карбидной фазы А1, Б1 и Си затрудняют диффузию углерода в твердом растворе. Известно, что Б1 и С стремятся взаимно обособиться при совместном растворении в Ре. Это увеличивает концентрацию углерода в отдельных зонах по сравнению со средним его содержанием в стали. При большой скорости распада карбидной фазы и отсутствии интенсивного отвода углерода в твердый раствор облегчается проявление связей между атомами углерода, образующимися при распаде карбидной фазы, и как следствие, образование зародышей графитизации. Ускорение же диффузии углерода около распавшихся частиц карбидов из-за наличия дефектов кристаллической структуры способствует графитиза-ции.
V
X ^ а ;
' ♦ » ■ * * * T.» _ _ _
- ЩЙОТ
ЛЛ-
Рис.3. Микроструктура сталей после длительной эксплуатации при повышенной температуре,х100: а -сталь 12Х1МФ после 100000 часов эксплуатации, поры ползучести по сечению трубы; б - сталь 20 после 200000
часов эксплуатации, графитизация
Для предотвращения аварийных разрушений длительно работающих паропроводных труб котлов среднего давления НТД предусматривает в качестве критерия оценки допустимое снижение прочностных характеристик металла, связанных с изменениями структуры металла, в пределах 5% в меньшую сторону от значений, регламентированных стандартом на изготовление.
Для паропроводов из стали 20 НТД предусмотрен контроль через 100 тысяч часов эксплуатации и далее
и исследованием металла или 100%-ый контроль микроструктуры сварных соединений неразрушающими методами реплик; при графитизации 2 балла сварные соединения подлежат переварке (желательно в объеме100%, хотя требования по переварке стыков в объеме 100% в действующей НТД не оговорено).
Благодаря комплексу мероприятий по контролю и плановой замене длительно работающих паропроводов среднего давления разрушения паропроводов по причине графитизации успешно предотвращаются.
каждые 50 тысяч часов вырезкой сварного соединения
Библиографический список
1. Антикайн П.А. Металловедение. М.: Металлургия, 1972. ОРГРЭС, 2004.
2. Типовая инструкция по контролю металла и продлению 3. Инструкция по продлению срока службы трубопроводов срока службы основных элементов котлов, турбин и трубо- II, III и IV категорий СО 153-34.17.464-2003. М.: ПИО ОБТ, проводов тепловых электростанций РД 10-577-03. М.: СПО 2003.
УДК 666.1.031.84
УПРАВЛЕНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ РЕЦИКЛИЧЕСКИМИ ПОТОКАМИ
В.Г.Хапусов1
Иркутский государственный технический университет, 664083, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Дано описание разработанных алгоритмов управления химико-технологическими процессами с нестационарными рециклическими потоками как стохастическими объектами с "рециклическим" запаздыванием. Показано, что учет рецикличности запаздывания в системах как по возмущению, так и по отклонению позволяет уменьшить среднеквадратичную ошибку на выходе системы управления. Табл. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: управление; химико-технологический процесс; рециклические потоки; стохастические модели.
MANAGEMENT OF CHEMICAL AND TECHNOLOGICAL PROCESSES WITH NONSTATIONARY RECYCLIC
FLOWS
V.G.Hapusov
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author describes the developed control algorithms for chemical and technological processes with nonstationary re-cyclic flows as stochastic objects with "recyclic" delay. The author demonstrates that the registration of delay recyclicity
1Хапусов Владимир Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: 89148883081.
Hapusov Vladimir Georgievich, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Automation of Production Processes, tel.: 89148883081.
