Обеспечение надежной работы котла посредством надлежащего анализа материалов

Выползший из себя и уставший — в таком состоянии сейчас находятся многие угольные котлы. Понимание механизмов сбоев и подходящих методов тестирования для выявления потенциальных проблем может помочь вам обнаружить проблемы до того, как они настигнут вас.

Несмотря на то, что нынешняя нормативно-правовая база подталкивает новые предприятия по производству электроэнергии использовать природный газ вместо других источников топлива, значительная часть существующих угольных электростанций продолжает работать. Большинство этих угольных электростанций существуют уже давно — средний возраст составляет около 40 лет. Поддержание этих установок в рабочем состоянии и их эффективная работа представляет собой сложную задачу, но благодаря программам эффективного мониторинга состояния оборудования и своевременной замены критически важных деталей эти установки могут продолжать надежную работу в течение многих последующих лет.

При длительной эксплуатации угольных парогенераторов ползучесть и термическая усталость являются двумя механизмами повреждения, которые обычно влияют на целостность котла. Котлы также могут быть повреждены из-за химического дисбаланса в воде или химическом составе дымовых газов, но, как правило, эти проблемы можно исправить за короткий период времени.

Термическая усталость. Термическая усталость возникает из-за циклических напряжений, вызванных температурными градиентами, которые изменяются со временем. Парогенераторы испытывают наибольшую термическую усталость во время запуска и остановки.

В трубах высокотемпературных котлов локализованные участки повышенного напряжения будут пластически деформироваться до тех пор, пока напряжение не будет снято. Этот процесс деформации, обеспечивая временное облегчение компонентов при повышенных температурах, также создает новые напряжения в этих же компонентах по мере остывания системы, при этом материал не может вернуться в исходное положение.

Проектировщики котлов рассчитывают запланированное количество циклов запуска и останова и проектируют котел с учетом этих сценариев. Однако чрезмерная циклическая работа парогенератора, либо в результате слишком частых отправок в эксплуатацию, либо в результате внеплановых вынужденных остановов (из-за низкой надежности оборудования), преждевременно выведет котел из строя его первоначальный расчетный срок службы. Чрезмерная цикличность в конечном итоге приведет к термическому усталостному растрескиванию трубных элементов котла. Обычно термическая усталость возникает в сварных деталях или в местах изменения конфигурации.

Слизняк. Второй существенный механизм выхода из строя труб парогенератора – ползучесть. Ползучесть — это прогрессирующая, необратимая деформация материала под напряжением при высоких температурах.

При производстве материалов в структуре материала образуются микропоры. Со временем эти микропустоты начинают распространяться и соединяться между собой, образуя трещины внутри материала. Деформация происходит пластически и вызывает утончение материала, что приводит к увеличению напряжений и увеличению скорости ползучести. Это явление может возникнуть в материалах, испытывающих высокие напряжения, но все же на уровнях ниже предела текучести материала.

Ползучесть происходит в три определенные стадии в течение срока службы материала. Первую стадию обычно называют первичной ползучестью. На этом этапе скорость деформации высока, но со временем она быстро замедляется в результате наклепа. Эта первая стадия ползучести относительно кратковременна и не приводит к существенным изменениям в структуре материала.

Следующая фаза ползучести – это вторичная фаза или фаза устойчивого состояния. Материал будет испытывать вторичную ползучесть на протяжении большей части своего срока службы. Эта стадия определяется относительно постоянной скоростью деформации, при которой нагартование уравновешивается скоростью его восстановления.

Заключительная стадия ползучести, третичная фаза, определяется быстрым удлинением с течением времени. Это быстрое удлинение будет ускоряться до тех пор, пока не произойдет разрушение материала.

Существуют математические подходы к расчету срока службы материала в зависимости от времени и температуры. В 1950-х годах инженеры General Electric разработали один метод, который можно использовать для экстраполяции экспериментальных данных по ползучести и прочности материалов на разрыв. Он известен как параметр Ларсона-Миллера и выражается как: