СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

Изобретение относится к способам проверки прочности и плотности стационарных трубопроводов и котлов и может быть использовано на тепловых электрических станциях, в котельных и на иных объектах энергетического назначения.

Известен способ определения допускаемого внутреннего давления для участков линейной части магистрального трубопровода со стресс-коррозионной трещиной (RU 2013145195 А, МПК F16L 57/02 (2006.01), опубл. 20.04.2015), заключающийся в том, что измеряют геометрические параметры участка трубопровода и стресс-коррозионной трещины, выявленной в результате диагностики. Учитывают коэффициент Пуассона, предел текучести, предел прочности, критические напряжения. При этом дополнительно определяют коэффициенты концентрации кольцевых и продольных напряжений в стенке трубопровода, термические напряжения. Затем проводят сравнение текущего рабочего давления в трубопроводе с допускаемым внутренним давлением, которое рассчитывают по математической зависимости

,

где δ - толщина стенки трубы, мм;

D - внешний диаметр трубы, мм;

σ_t - термические напряжения, МПа;

μ - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона);

n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению;

γ_кц - коэффициент концентрации кольцевых напряжений в стенке трубопровода;

γ_пр - коэффициент концентрации продольных напряжений в стенке трубопровода;

[σ] - допускаемое напряжение, МПа, определяемое из условия:

[σ]=min{R_z;σ_кр},

где R_z - расчетные допускаемые напряжения при одноосном растяжении, МПа;

σ_кр - критические напряжения, МПа;

ε=(μ⋅γ_пр)²+(γ_кц)²-μ⋅γ_кц⋅γ_пр.

Недостатками этого способа являются высокая трудозатратность его осуществления и ограниченность применения - способ предназначен для трубопроводов с наличием стресс-коррозионной трещины.

Известно устройство для испытания труб на герметичность (RU 2184946 С1, МПК 7 G01M 3/08, опубл. 10.07.2002), содержащее основание, уплотнительные головки, опоры для трубы, выполненные в виде люнетов. Люнеты имеют регулируемые опорные и прижимные поверхности, соединенные с гидроцилиндрами, которые работают в единой гидравлической системе. Эта система управляется датчиком регулирования давления, который, в свою очередь, управляется сигналами датчика линейного положения торца испытуемой трубы, соединенного с выключателем подачи испытательного давления. Выключатель срабатывает при достижении торцом трубы положения, соответствующего началу пластической деформации в любом ее сечении.

Величину давления при проведении испытаний на герметичность оценивают по показаниям датчика регулирования давления. Для этого трубу укладывают на опоры в уплотнительную головку, герметизируют. Люнеты закрывают и прижимные поверхности устанавливают на поверхности трубы. Затем гидравлической системой в трубе нагнетают нарастающее давление, под действием которого испытуемая труба увеличивается в диаметре и укорачивается. Испытание проводят в пределах упругой деформации или близко к пластической. Если деформация трубы близка к пластической, то выключатель дает команду на прекращение подачи испытательного давления и прекращение испытания. Испытание прекращают, делают вывод, что трубы данного типа можно использовать в условиях, где они нагружены более низким давлением. Так, для труб из стали 45 при Р=32 МПа укорочение равно 0,328 см, при Р = 70 МПа - 0,831 см, при Р = 360 МПа - 4,25 см.

Недостатком является невозможность испытания элементов оборудования сложной геометрической формы, например, U-образных змеевиков.

Известен способ гидравлических испытаний на прочность и герметичность элементов котельного оборудования и трубопроводов (Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением», приказ федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25 марта 2014 г. №116), выбранный в качестве прототипа, в котором испытуемое оборудование наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, создавая пробное давление, определяемое по формуле:

,

где Р - рабочее давление, МПа;

[σ]₂₀, [σ]_t - допускаемые напряжения для материала элемента котельного оборудования и трубопровода соответственно при 20°С и расчетной температуре, МПа.

При этом тщательно контролируют рост давления по двум независимым поверенным манометрам. После достижения величины пробного давления Р_пр, оборудование выдерживают не менее 15 минут, отслеживая значение давления, которое не должно падать вследствие неплотности испытуемого оборудования. После чего давление снижают до рабочего, проводят визуальный осмотр оборудования и трубопроводов в доступных местах.

Если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей жидкости и разрывов металла, падение давления в процессе выдержки не выходило за пределы, объясняемые колебаниями давления вследствие изменения температуры жидкости, а после испытаний не выявлено видимых остаточных деформаций, то считают, что оборудование и трубопроводы выдержали гидравлические испытания и могут эксплуатироваться при рабочем давлении Р и ниже этого значения,

Недостатком способа является нагружение оборудования давлением на 25-50% выше рабочего без учета внутренних напряжений и степени повреждаемости металла (наличия микронесплошностей и микротрещин). Эти факторы могут привести к увеличению скорости ползучести более чем в 2,5 раза, что повлечет за собой нарушение плотности оборудования еще до момента следующей проверки гидроиспытанием.

Задача изобретения - повышение надежности работы оборудования за счет учета внутренних напряжений при проведении испытаний на прочность и герметичность.

В предложенном способе испытания элементов котельного оборудования и трубопроводов на прочность и герметичность так же, как в прототипе, котельное оборудование и трубопроводы:

а) наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, нагнетая давление до величины пробного давления Р_пр. Контролируют рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины пробного давления Р_пр котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут. Затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов;

б) если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации.

Согласно изобретению пробное давление определяют для не менее четырех образцов котельного оборудования и трубопроводов по выражению:

где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

Е - модуль нормальной упругости, МПа;

a _i - параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;

d_i - средний диаметр зерна, ;

- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;

D_нар, D_вн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

За величину пробного давления испытаний Р_пр принимают наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца .

Если величина пробного давления испытаний Р_пр больше нуля, то выполняют действия а) и б).

Если величина пробного давления испытаний Р_пр равна нулю или меньше нуля, то делают вывод о невозможности эксплуатации котельного оборудования и трубопроводов.

Величину рабочего давления при эксплуатации принимают равной пробному давлению Р_пр или меньшей этого значения.

Максимально допустимое давление для трубы определяют по формуле [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г.]:

где ϕ_w - коэффициент прочности сварных соединений;

[σ] - номинальное допускаемое напряжение, МПа;

s - номинальная толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

D_нар, D_вн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

Превышение максимально допустимого давления [Р] недопустимо из соображений безопасности, поэтому его величину принимали за величину пробного давления Р_пр гидравлических испытаний, при этом коэффициент прочности сварных соединений ϕ_w приравнивали 1 [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г., раздел 4.2]:

Для нахождения напряжений в (2) Гриффитсом получено выражение:

где K - коэффициент интенсивности напряжений, [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34].

Используя (3), определяли эффективный диаметр зерна d, разрушение которого возможно под действием напряжения σ:

Значение K определяли по формуле [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34]:

где a_i - параметр кристаллической решетки.

Выражение (5) подставляли в (4):

На основании (6) получили:

Соответственно (2) приняло вид:

Учитывая, что труба перед гидравлическим испытанием уже имеет внутренние структурные напряжения даже в состоянии поставки (фиг. 1), выражение (8) примет вид:

где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

Е - модуль нормальной упругости, МПа;

a _i - параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;

d_i - средний диаметр зерна, ;

- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;

D_нар, D_вн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

Выбор пробного давления испытаний Р_пр, как наименьшего из полученных величин , обосновывается на основании результатов измерения внутренних структурных напряжений участка трубы в состоянии поставки (фиг. 1), из которых следует, что внутренние структурные напряжения II рода не являются однородными для различных участков трубы: даже в состоянии поставки внутренние структурные напряжения II рода σ^II по длине трубы имеют существенный разброс - от нуля (фиг. 1, образцы 1) до 460 МПа (фиг. 1, образцы 4).

Внешние давления, складываясь с высокими внутренними структурными напряжениями, могут привести к разрушению структуры зерна (трещинообразованию). В этой связи пробное давление Р_пр, прилагаемое к котельному оборудованию и трубопроводам при испытаниях на прочность и герметичность, должно быть скорректировано с учетом неравномерности распределения и величины внутренних структурных напряжений II рода.

Если полученная величина пробного давления испытаний Р_пр меньше величины рабочего давления, при котором эксплуатируется котельное оборудование и трубопроводы, то необходимо заменить змеевик или снизить величину рабочего давления до значения Р_пр или ниже его.

На фиг. 1 показана зависимость внутренних структурных напряжений II рода σ^II на участке U-образного змеевика из стали 10 (в состоянии поставки) от плотности дислокаций: 1 - релаксированные образцы прямых участков труб; 2, 3 - участки трубы из различных зон гибов; 4, 5 - образцы прямых участков.

На фиг. 2 показан U-образный змеевик с указанием областей, рекомендованных для отбора образцов.

В таблице 1 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки a_i и внутренних структурных напряжений II рода образцов из первого U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .

В таблице 2 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки и внутренних структурных напряжений II рода образцов из второго U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .

Пример 1. В U-образном змеевике водогрейного котла из труб, изготовленных из стали 10 наружным диаметром D_нар=60 мм и толщиной s=3 мм, подготовили пять образцов. Образцы вырезали из одной произвольно выбранной трубы змеевика, как показано на фиг. 2, зачистили их поверхность, снимая имеющийся на поверхности слой ржавчины и окислов. На рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки a_i образцов и средний диаметр зерна d_i (табл. 1). Затем определили внутренние структурные напряжения II рода образцов [Любимова Л.Л. Методика рентгенометрического анализа внутриструктурных напряжений // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306 - №4. - С. 72-77], которые представлены в таблице 1.

Модуль нормальной упругости Е при температуре 20°С для стали 10 составляет [Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур: Справочник: в 2 кн. / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - С. 51]:

Е=210000 МПа.

Значение внутреннего диаметра трубы D_вн составляет:

D_вн=D_нар-2⋅s=60-2⋅3=54 мм.

Определили величины пробного давления для каждого образца (табл. 1). За величину пробного давления испытаний Р_пр приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:

Р_пр=-5 МПа.

Полученное значение Р_пр свидетельствует о том, что в процессе испытания труба не выдержит нагружения и будет разрушена, а U-образный змеевик невозможно эксплуатировать. Змеевик должен быть полностью заменен.

Пример 2. В другом U-образном змеевике водогрейного котла со схожими со змеевиком из примера 1 параметрами - материал сталь 10, наружный диаметр D_нар=60 мм и толщина s=3 мм - таким же образом подготовили пять образцов. Затем аналогично предыдущему примеру на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки a_i образцов и средний диаметр зерна d_i, определили внутренние структурные напряжения II рода образцов (табл. 2), модуль нормальной упругости Е=210000 МПа и значение внутреннего диаметра трубы D_вн=54 мм, а также величины пробного давления для каждого образца , представленные в таблице 2.

За величину пробного давления испытаний Р_пр приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:

Р_пр=14 МПа.

Далее восстанавливали целостность трубы путем заваривания участков, из которых вырезали образцы.

Испытуемый U-образный змеевик при помощи насоса наполняли жидкостью с температурой +20°С, нагнетая давление до величины пробного давления Р_пр=14 МПа. При этом контролировали рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины давления, равной пробному давлению Р_пр, насос останавливали, а U-образный змеевик выдерживали 15 минут. После чего давление снижали, проводили визуальный осмотр U-образного змеевика. Отсутствовали течи жидкости и разрывы металла, что позволило сделать вывод, что U-образный змеевик пригоден для последующей эксплуатации до момента следующей плановой проверки. Величину рабочего давления U-образного змеевика по технологическим параметрам приняли Р=2,25 МПа.