Исследование причин повреждаемости змеевиков подогревателей высокого давления

АННОТАЦИЯ

В статье расмотрены причины повреждения змеевиков подогревателей высокого давления энергоблоков. Проведено исследование поврежденных участков змеевиков подогревателей. Выявлена связь между качеством водоподготовки и повреждениями змеевиков.

ABSTRACT

The article discusses the causes of damage to the coils of high-pressure heaters of power units. The study of damaged sections of coil heaters. The relationship between the quality of water treatment and damage to the coils is revealed.

Ключевые слова: Подогреватель высокого давления, коррозионно-усталостные трещины, эрозия-коррозия, змеевик, водородная коррозия, транскристаллитная трещина.

Keywords: High pressure heater, corrosion-fatigue cracks, erosion-corrosion, coil, hydrogen corrosion, transcrystalline crack.

Статистика повреждаемости элементов энергоблоков, находяшихся под давлением показывают что 10-12 % всех повреждений приходится на долю подогревателей высокого давления (ПВД). При этом около 70-75 % повреждений относятся к повреждениям гибов змеевиков поверхности теплообмена. Повреждения змеевиков приводят к вынужденному останову энергоблоков, к вскрытию корпуса ПВД, к замене поврежденных змевиков. Плотное расположение змеевиков и недоступность для замены внутренних змеевиков требует  установки заглушек. Болшое количество установленных заглушек приводит к изменению параметров рабочей среды таких, как скорость движения пара, местной температуры. Следует также отметить сложность и большой объем ремонтных работ, недовыработка электроэнергии в период  проведения ремонта. ПВД выполнены виде коллекторной системы, змеевики выполнены из труб  325 мм, материал – сталь 20. В таблице 1 приведен химический состав и механические свойства стали 20.

Таблица 1.

Химический состав в %  стали марки 20

При достижение времени эксплуатации более 120 тыс.ч. наблюдается большое число повреждений змеевиков ПВД, зависящих от места ПВД в системе регенерации высокого давления. Параметры рабочей среды ПВД приведены в таблице 2

Таблица 2.

Параметры рабочей среды ПВД

Согласно руководящих документов, [1,2] установлены сроки контроля змеевиков ПВД, предусматривающие необходимость проведения ультразвуковой толщинометрии в период очередного капитального ремонта энергоблока, но не ранее чем через 6 лет. При положительных результатах тольшинометрии, межремонтный период может составлят 8 лет.

В период проведения первой толщинометрии выявляются змеевики, имеюшие овальность, больше чем допускаемые 12 %. На змеевиках, имеющих овальность более чем 12% обычно наблюдается утоньшение стенок растянутой части гиба и повреждения в области нейтральной оси. Исследования поврежденных гибов показали, что в этой области имеются множество коррозионною–усталостных трищин, гибы имееют большую овальность. При большой овальности гиба змеевиков напряжения внутренней поверхности в области нейтральной оси в 1,5-2 раза выше, чем в растянутой части гиба. Это способствует интенсивному развытию коррозионных процессов,  когда первоначально возникают коррозионные язвы, дальнейшее развитие цепочки коррозионных язв, и как следствие, появляются коррозионно–усталостные трещины.

Рисунок 1. Коррозионные язвы на наружной поверхности змеевика

Повреждение змеевиков зависит не только от геометрии сечений, но и от эрозии и эрозионно – коррозионного износа как с водяной, так и с паровой стороны. Известно, что стойкость металла к эрозионного-коррозионному износу напрямую связана с водно–химическим режимом и рабочих параметров подогревателей. По литературным данным  сильное влияние на эрозионного–коррозионный износ оказывает химически нейтральная вода, где кислород отсутствует или присутствует в очень малых объёмах. Данные источников по оптимальному содержанию кислорода при различных значениях РН воды противоречивы. Источники приводят данные испытаний, проведенных при различных концентрациях кислорода при температурах, отличающихся от температурных условий работы ПВД. На рисунке 2 приведено влияние рабочей температуры среды на скорость эрозионно-коррозионного износа углеродистой стали.

Рисунок 2. Влияние рабочей температуры среды на скорость эрозионно-коррозионного износа углеродистой стали

Следует отметить, что на величину процесса износа значительное влияние оказывает качество подготовки питательной воды и скорость движения среды. Низкое качество водоподготовки является одной из причин увеличения повреждаемости змеевиков ПВД.

Увеличение температуры рабочей среды интенсифицирует образование защитного магнетитового слоя и как следствие, к уменьшению эрозионно–коррозионных процессов. Малая скорость движения среды и низкое качество воды увеличивает механическое воздействие потока на малопрочный защитный слой, плохо сцепленного с поверхностью трубы.

На величину износа влияет так же неравномерное распределение воды по змеевикам, особенно когда большое количество змеевиков заглушены, а также нарушение гидродинамики потока среды из-за несоосности трубы и отверстия коллектора в зоне приварки змеевиков к коллектору.

Исследования поврежденных змеевиков показали, что практически большинство повреждений однотипны. Повреждения имеют вид выкрашиваний, хрупкие, бездеформационного характера или одиночные сквозные свищи размером от 3 до 17 мм, и скопление свищей. Наблюдаются повреждения в зоне нейтральной оси участками протяженностью от 20 мм до 280 мм (рис.3).

Рисунок 3. Поврежденные участки змеевиков

Кратеры эрозионно–коррозионного износа имеют участки в виде скоплений микротрещин, пор, надрывов и развитых микротрещин, характерных для водородной коррозии. Толщина стенок вокруг поврежденных участков с большой протяженностью имеет первоначальную толщину или находится в пределах допуска, что так же свидетельствует о наличии водородной коррозии.

По внутренней поверхности труб наблюдается массовое растрескивание металла. Глубина распространения составляет до 2,0 мм, что составляет 40% от общей толщины трубы. Значительное количество микротрещин и трещин – надрывов имеются на участках, расположенных вблизи повреждений (рис. 4).

Рисунок 4. Трещины в районе повреждения змеевика

Исследование микроструктуры поврежденных участков показали обезуглероживание металла со стороны наружной поверхности трубы. Наружная поверхность змеевиков ПВД в районе изгибов поражена углекислотной язвенной коррозией, покрытой рыхлыми многослойными отложениями темно-коричневого цвета. Толщина покрытий колеблется в пределах от 1 до 3,5 мм.

Рисунок 5. Отложения на поверхности змеевиков

Под рыхлыми отложениями имеется налеты и серая окисная пленка. Под пленкой коррозионные язвины различных размеров, достигающих 5,0 мм. Остаточная толщина стенок 2,5-3,0 мм. Дефектные змеевики расположены в зоне охлаждения пара и в средней зоне ПВД.

Исследованиями микроструктуры контрольных вырезок были выявлены признаки начальной стадии развития водородной коррозии металла змеевиков. На образцах наблюдаются микротрещины и их скопление, поры, микровыкрашивание, на некоторых образцах – развитые транскристаллитные трещины.

Водородная коррозия гибов змеевиков в большинстве исследованных образцов берет начало со стороны наружной стенки трубы и развивается вглубь по толщине (рис. 6 а, б).

а)                                             б)

Рисунок 6. Микротрещины поврежденных участков

Повреждения гибов змеевиков связаны в основном качеством водоподготовки и эксплуатационными режимами. Известно, что водород в металл проникает из-за наличия органических соединений в паровом тракте, присосов охлаждающей воды конденсатора в конденсат, из добавочной воды для подпитки.

Интенсификация коррозионных процессов змеевиков происходит, когда водород находится в ионизированном и в молекулярном состоянии.  Образуя с углеродом металла трубы СН₄, водород скапливается на границах зерен или в дефектных зонах и создавая давление ослабляет, и в конечном счете разрушает металл за счет образованных микротрещин и микронадрывов, их слияния.

Исследованиями поврежденных гибов змеевиков, а также контрольных вырезок подтверждены наличие водородной коррозии и даны рекомендации по уменьшению влияния водорода на состояние змеевиков ПВД.

Выводы

1. Выявленные дефекты металла гибов змеевиков ПВД типа выкрашивания, хрупкое разрушение стенки, транскриталлитные трещины является результатом водородной коррозии.
2. Водородная коррозия начинается с наружной поверхности гибов. Источником водорода является пар в корпусе ПВД.
3. Наружная поверхность труб повреждены из-за язвенной углекислотной коррозии, связанной с качеством водоподготовки, т.е. поподанием в рабочую среду активных форм водорода.

Список литературы:
1. Ц–03–84(т) О проведении ультразвуковой дефектоскопии змеевиков ПВД– М. Энергоиздат. 1981–5с.
2. СО 153–34.17.439–2003 Инструкция по продлению срока службы сосудов, работающих под давлением. –М. ОРГРЭС–86с.
3. Эрозионно–корозионные изнашивание энергетического оборудования\\ Энергетическое машиностроение\\ Экспресс информация 1986. Вып. 5 М. с. 38
4. ВайнманА.Б., Меликов Р.К., Смиян О.Д. Водородное охрупчивание элементов котлов высокого давления. – Киев: Наука думка, 1990–268с.