СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может найти применение на предприятиях энергетической отрасли, в проектных и научно-исследовательских организациях при разработке энергетического оборудования и исследовании новых марок сталей.

В настоящее время выбор температуры эксплуатации элементов котельного оборудования, изготовленного из известных и наиболее часто используемых видов сталей, осуществляется согласно рекомендациям РД 10-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» (таблица 1.3 «Допустимая температура наружной поверхности с учетом продуктов сгорания») из условия жаростойкости сталей как главной характеристики, определяющей ее работоспособность.

Под температурой эксплуатации элемента котельного оборудования понимают среднюю температуру стенки материала, из которого он изготовлен.

Известен способ определения температуры эксплуатации сталей на основе их жаростойкости (ГОСТ 6130-71 «Металлы. Методы определения жаростойкости»), выбранный в качестве прототипа, в котором подготавливают не менее трех образцов элемента котельного оборудования, измеряют их толщину и массу. Образцы загружают в печь с заданной температурой, нагревают и выдерживают их не менее 5000 часов (для срока службы стали 100000 часов), периодически извлекая для измерений толщины и массы. Глубину проникновения коррозии (h_гл или ) определяют по формулам:

где S₀ - толщина образца до испытания, мм;

S₁ - толщина образца после испытания, мм;

h_ол, - максимальные толщины подокисного слоя, обедненного легирующими элементами, мм;

h_л, - максимальные глубины локальной коррозии, мм;

h′ - глубина равномерной коррозии, мм.

Результаты измерений при различных температурах испытаний графически обрабатывают в логарифмических координатах: время - глубина проникновения коррозии. На основе полученных зависимостей определяют оптимальную рабочую температуру эксплуатации.

Недостатком метода является длительное время проведения единичного испытания.

Задача - сокращение времени на определение оптимальной температуры эксплуатации котельного оборудования.

Поставленная задача достигается тем, что в способе подготавливают образцы элемента котельного оборудования, затем их нагревают, результаты температурных измерений графически обрабатывают и на основе установленных зависимостей определяют величину температуры эксплуатации. Подготовленные образцы подвергают первому термоциклированию, на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки. Результаты первого термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура». Затем для ускоренного старения эти же образцы подвергают второму термоциклированию, на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки. Результаты второго термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура». По двум полученным зависимостям определяют безопасные диапазоны температур, на основе которых при учете градиента устанавливают величину температуры эксплуатации элемента котельного оборудования.

За безопасные диапазоны температур приняты интервалы зависимости «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура», в пределах которых коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки несущественно увеличивается с ростом температуры.

Диапазон температур, в котором коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки уменьшается с ростом температуры, сопровождается отрицательной ползучестью, приводящей к процессу термоусталостного разрушения и исчерпанию несущей способности элемента котельного оборудования. Соответственно эксплуатация в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Особенностью работы элементов котельного оборудования является нестационарность теплового режима, что приводит к возникновению значительных градиентов температур (±50°C) во время эксплуатации [Вайнман А.Б., Школьникова Б.Э., Смиян О.Д., Жабров А.В. Механизмы и причины «нетрадиционных» повреждений труб пароперегревателей котлов энергоблоков сверхкритического давления // Электрические станции. - 2010. - №7. - Стр. 21, 4-й абзац]. Наличие диапазона температур, в котором коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки резко увеличивается с ростом температуры, приведет к возникновению циклических экстремальных напряжений знакопеременного характера и последующему разрушению. Соответственно эксплуатация элемента котельного оборудования в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Величину температуры эксплуатации элемента котельного оборудования выбирают на основе определения общего безопасного диапазона температур по результатам первого и второго термоциклов и с учетом существующих в реальных условиях эксплуатации градиентов - ±50°C.

Под термоциклированием подразумевают нагрев до определенной температуры, определение методом рентгеновской дифракции параметра элементарной кристаллической решетки в нагретом состоянии а^гор, охлаждение до комнатной температуры, определение методом рентгеновской дифракции параметра элементарной кристаллической решетки в охлажденном состоянии а^хол, а затем повторение этой последовательности действий с повышением температуры в каждом цикле нагрева.

Коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки определяют по формуле:

где - параметр элементарной кристаллической решетки образца при температуре t_i;

- параметр элементарной кристаллической решетки для холодного состояния образца предыдущего термоцикла;

t_i - температура термоциклирования;

t_i-1 - температура предыдущего термоцикла;

- среднее значение параметров элементарной кристаллической решетки образца.

В таблице 1 приведены результаты определения коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца экранной трубы из стали Ст 10 во время первого термоциклирования.

В таблице 2 приведены результаты определения коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца экранной трубы из стали Ст 10 во время второго термоциклирования.

В таблице 3 приведены результаты определения коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца трубы экономайзера из стали Ст 20 во время первого термоциклирования.

В таблице 4 приведены результаты определения коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца трубы экономайзера из стали Ст 20 во время второго термоциклирования.

На фиг. 1 показана зависимость коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца экранной трубы из стали Ст 10 от температуры при первом термоциклировании.

На фиг. 2 показана зависимость коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца экранной трубы из стали Ст 10 от температуры при втором термоциклировании.

На фиг. 3 показана зависимость коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца трубы экономайзера из стали Ст 20 от температуры при первом термоциклировании.

На фиг. 4 показана зависимость коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образца трубы экономайзера из стали Ст 20 от температуры при втором термоциклировании.

Описание поясняется следующими примерами.

Пример 1. Подготавливают образец экранной трубы (32×5 мм) из стали Ст 10 в виде шлифа размером 15×30×5 мм, подвергают его первому термоциклированию (последовательно нагревают до 100, 215, 300, 400, 500, 550, 600, 650, 700°C и при каждой температуре определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в нагретом состоянии а^гор, после каждого нагревания охлаждают до температуры 12°C и определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в охлажденном состоянии а^хол), на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки при соответствующих температурах (таблица 1). Результаты первого термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки -температура» (фиг. 1).

Затем для ускоренного старения этот же образец подвергают второму термоциклированию (последовательно нагревают до 100, 200, 300, 400, 500, 640, 700°C и при каждой температуре определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в нагретом состоянии агор, после каждого нагревания охлаждают до температуры 12°C и определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в охлажденном состоянии а^хол), на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки при соответствующих температурах (таблица 2). Результаты второго термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура» (фиг. 2).

По двум полученным зависимостям определяют безопасные диапазоны температур, на основе которых при учете градиента устанавливают величину температуры эксплуатации элемента котельного оборудования следующим образом.

На основе результатов первого термоциклирования (фиг. 1) выделяют 5 диапазонов температур: 100-300°C (T_1-1-T_1-3), 300-400°C (Т_1-3-Т_1-4), 400-500°C (Т_1-4-Т_1-5), 500-600°C (Т_1-5-Т_1-7) и 600-700°C (Т_1-7-Т_1-9).

В диапазонах температур 100-300°C (T_1-1-T_1-3), 400-500°C (T_1-4-T_1-5) и 600-700°C (Т_1-7-Т_1-9) коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов уменьшается с ростом температуры, что свидетельствует о наличии отрицательной ползучести. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этих диапазонах температур не может считаться безопасной.

В диапазоне температур 500-600°C (T_1-5-T_1-7) происходит резкое увеличение коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов с 11,3·10^-6 до 20,6·10^-6 1/°C, что может привести к формоизменению элемента, раздутию с уменьшением толщины стенки и потерей прочности. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Диапазон температур 300-400°C (Т_1-3-Т_1-4), в котором коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки несущественно увеличивается с ростом температуры, принимают за безопасный для первого термоцикла.

На основе результатов второго термоциклирования (фиг. 2) выделяют 4 диапазона температур: 100-200°C (T_2-1-T_2-2), 200-400°C (Т_2-2-Т_2-4), 400-640°C (Т_2-4-Т_2-6) и 640-700°C (Т_2-6-Т_2-7).

В диапазонах температур 100-200°C (T_2-1-T_2-2) и 640-700°C (Т_2-6-Т_2-7) коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов уменьшается с ростом температуры, что свидетельствует о наличии отрицательной ползучести. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этих диапазонах температур не может считаться безопасной.

В диапазоне температур 400-640°C (Т_2-4-Т_2-6) происходит резкое увеличение коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов с 15,9·10^-6 до 23,1·10^-6 1/°C, что может привести к формоизменению элемента, раздутию с уменьшением толщины стенки и потерей прочности. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Диапазон температур 200-400°C (Т_2-2-Т_2-4) принимают за безопасный для второго термоцикла, так как изменение коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов в этом диапазоне укладывается в погрешность измерений.

Общим безопасным диапазоном температур для двух термоциклов является 300-400°C.

При этом величина температуры эксплуатации экранной трубы из стали Ст 10 с учетом существующих в реальных условиях эксплуатации градиентов котельного оборудования (±50°C) составляет 350°C.

Полученное значение температуры подтверждается опытом эксплуатации элементов котельного оборудования из стали Ст 10, согласно которому данная сталь используется в котлостроении для изготовления экранов в топочной камере котлоагрегата, штамповок, поковок, трубопроводов котлов высокого давления для длительной работы при температурах, не превышающих 350°C [Стали и сплавы для высоких температур: Справ, изд. В 2-х кн. Кн. 1. / С.Б. Масленков, Е. А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - С. 50].

Пример 2. Подготавливают образец трубы экономайзера (32×5 мм) из стали Ст 20 в виде шлифа размером 15×30×5 мм, подвергают его первому термоциклированию (последовательно нагревают до температуры 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 637, 700°C и при каждой температуре определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в нагретом состоянии а^гор, после каждого нагревания охлаждают до температуры 10°C и определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в охлажденном состоянии а^хол), на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки при соответствующих температурах (таблица 3). Результаты первого термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура» (фиг. 3).

Затем для ускоренного старения этот же образец подвергают второму термоциклированию (последовательно нагревают до температуры 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 650, 700°C и при каждой температуре определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в нагретом состоянии а^гор, после каждого нагревания охлаждают до температуры 10°C и определяют методом рентгеновской дифракции параметр элементарной кристаллической решетки в охлажденном состоянии а^хол), на основе которого вычисляют коэффициенты линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки при соответствующих температурах (таблица 4). Результаты второго термоциклирования графически обрабатывают в координатах «коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки - температура» (фиг. 4).

По двум полученным зависимостям определяют безопасные диапазоны температур, на основе которых при учете градиента устанавливают величину температуры эксплуатации элемента котельного оборудования следующим образом.

На основе результатов первого термоциклирования (фиг. 3) выделяют 6 диапазонов температур: 100-200°C (T_3-1-T_3-3), 200-250°C (Т_3-3-Т_3-4), 250-350°C (Т_3-4-Т_3-6), 350-450°C (Т_3-6-Т_3-8), 450-500°C (Т_3-8-Т_3-9) и 500-700°C (T_3-9-T_3-12).

В диапазонах температур 100-200°C (Т_3-1-Т_3-3), 250-350°C (Т_3-4-Т_3-6) и 500-700°C (Т_3-9-Т_3-12) коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов уменьшается с ростом температуры, что свидетельствует о наличии отрицательной ползучести.

Эксплуатация элементов котельного оборудования в этих диапазонах температур не может считаться безопасной.

В диапазоне температур 450-500°C (Т_3-8-Т_3-9) происходит резкое увеличение коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов с 14,6·10^-6 до 20,4·10^-6 1/°C, что может привести к формоизменению элемента, раздутию с уменьшением толщины стенки и потерей прочности. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Диапазоны температур 200-250°C (Т_3-3-Т_3-4) и 350-450°C (Т_3-6-Т_3-8), в которых коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки несущественно увеличивается с ростом температуры, принимают за безопасные для первого термоцикла.

На основе результатов второго термоциклирования (фиг.4) выделяют 7 диапазонов температур: 100-150°C (Т_4-1-Т_4-2), 150-200°C (Т_4-2-Т_4-3), 200-250°C (Т_4-3-Т_4-4), 250-300°C (Т_4-4-Т_4-5), 300-400°C (Т_4-5-Т_4-7), 400-450°C (Т_4-7-Т_4-8) и 450-700°C (Т_4-8-Т_4-10).

В диапазонах температур 100-150°C (Т_4-1-Т_4-2), 250-300°C (Т_4-4-Т_4-5) и 400-450°C (Т_4-7-Т_4-8) коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов уменьшается с ростом температуры, что свидетельствует о наличии отрицательной ползучести. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этих диапазонах температур не может считаться безопасной.

В диапазоне температур 200-250°C (Т_4-3-Т_4-4) происходит резкое увеличение коэффициента линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки образцов с 11,9·10^-6 до 15,4·10^-6 1/°C, что может привести к формоизменению элемента, раздутию с уменьшением толщины стенки и потерей прочности. Эксплуатация элементов котельного оборудования в этом диапазоне температур не может считаться безопасной.

Диапазоны температур 150-200°C (Т_4-2-Т_4-3), 300-400°C (Т_4-5-Т_4-7) и 450-700°C (T_4-8-T_4-10), в которых коэффициент линейных термических расширений элементарной кристаллической решетки несущественно увеличивается с ростом температуры, принимают за безопасные для второго термоцикла.

Общим безопасным диапазоном температур для двух термоциклов является 350-400°C.

При этом величина температуры эксплуатации труб экономайзера из стали Ст 20 с учетом существующих в реальных условиях эксплуатации градиентов котельного оборудования (±50°C) составляет 375°C.

Опыт эксплуатации стали Ст 20 [Стали и сплавы для высоких температур: Справ. изд. В 2-х кн. Кн. 1. / С.Б. Масленков, Е. А. Масленкова. -М.: Металлургия, 1991. - С. 54], применяемой для изготовления труб пароперегревателей, коллекторов и трубопроводов котлов высокого давления, показывает, что для длительной службы температура ее эксплуатации не должна превышать 350°C.

Согласно [РД 10-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды», таблица 1.3 «Допустимая температура наружной поверхности с учетом продуктов сгорания»] температура наружной стенки элемента котельного оборудования, изготовленного из стали Ст 20, не должна превышать 450-500°C. При этом температура среды, находящейся внутри труб экономайзеров и экранных поверхностей, обычно равна температуре насыщения пара - 310-320°C. Таким образом, температура эксплуатации, равная средней температуре, составляет 380-410°C, что подтверждает полученное значение 375°C.