Контроль и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС

УДК [621.311.22+621.311.25] (075.8)
ББК 31.37я73+31.47я73
 
Г37

Ре ц е н з е н т ы: кафедра физики твердого тела Белорусского госу дарственного университета (заведующий кафедрой доктор физико-математичес ких 
наук, профессор В.М. Анищик); руководитель группы «Наладка переменных режимов паровых турбин» открытого акционерного общества «Белэнергоремналадка» кандидат технических наук А.М. Таращук

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 
части не может быть осуществлено без разрешения изда те льства

Герасимова, А. Г.
Г37  
Контроль и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС : учеб. пособие / А. Г. Герасимова.  – Минск : 
Выш. шк., 2011. – 272 с.
ISBN 978-985-06-2008-8.

Отражены основные вопросы дисциплины «Контроль и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС» по специальности 
«Тепловые электрические станции» и нового курса «Техническая диагностика тепломеханического оборудования» по специальности «Паротурбинные установки атомных электрических станций».
Для студентов высших учебных заведений. 
Может быть полезно инженерам-теплоэнергетикам, занимающимся контролем и диагностикой оборудования ТЭС.

УДК  [621.311.22+621.311.25] (075.8)
ББК 31.37я73+31.47я73

Учебное издание
Герасимова Алина Георгиевна

КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА 
ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
ТЭС И АЭС
Учебное пособие

Редактор Е.В. Савицкая. Художественный редактор В.А. Ярошевич. Технический 
редактор Н.А. Лебедевич. Корректор Е.З. Липень. Компьютерная верстка А.Н. Бабенковой.

Подписано в печать 01.09.2011. Формат 84×108/32. Бумага для офсетной печати. 
Гар ни тура «Times New Roman». Офсетная печать. Усл. печ. л. 14,28. 
Уч.-изд. л. 16,01. Тираж 400 экз. Заказ 2158.
Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шко ла”». 
ЛИ № 02330/0494062 от 03.02.2009. Пр. Победителей, 11, 220048, Минск.
e-mail: info@vshph.by  http://vshph.by
Филиал № 1 открытого акционерного общества «Красная звезда». 
ЛП № 02330/0494160 от 03.04.2009. Ул. Советская, 80, 225409, Барановичи. 
ISBN 978-985-06-2008-8 
© Герасимова А.Г., 2011
 
© Издательство «Вышэйшая школа», 2011

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Вопросы безопасной и надежной работы оборудования в 
первую очередь связаны с контролем и технической диагностикой его состояния. Их результаты важны как на первом этапе, т.е. при изготовлении элементов и узлов технических 
устройств, оборудования и сооружений, так и на последующих 
этапах – при монтаже оборудования, его эксплуатации, ремонте, реконструкции и модернизации. 
Тепловые и атомные электростанции являются объектами 
повышенной опасности, и поэтому контроль состояния их оборудования – обязательное условие эксплуатации.
В последние годы вопрос обеспечения безопасности эксплуатации отечественных ТЭС резко обострился из-за сильной 
изношенности тепломеханического оборудования и участившихся случаев технологических аварий. Проблема старения 
оборудования в первую очередь заключается в том, что металл 
наиболее нагруженных и наиболее высокотемпературных элементов имеет ограниченный срок службы вследствие воздействия различных механизмов, вызывающих повреждаемость в 
рабочих условиях. Минимизировать возможные последствия 
старения оборудования ТЭС и продлить сроки его службы 
можно только при условии своевременного и квалифицированного контроля и диагностики его технического состояния. 
Наиболее значима роль контроля и диагностики в атомной 
энергетике, поскольку авария на АЭС может привести к катастрофе. 
Учебное пособие состоит из четырех разделов. В разделе 1 
«Условия работы и основные служебные свойства металлов 
оборудования ТЭС и АЭС» рассмотрены условия эксплуатации металла оборудования ТЭС и АЭС, возможные повреждения металлов в процессе эксплуатации, основные служебные 
свойства и требования, предъявляемые к металлам.
В разделе 2 «Методы и средства контроля и диагностики 
металла оборудования ТЭС и АЭС» подробно рассмотрены методы разрушающего и неразрушающего контроля, используемые при диагностике металла оборудования ТЭС и АЭС. 
Приведены классификация средств неразрушающего контроля 
и описание применяемых приборов. Дана классификация контролируемых параметров и дефектов в соответствии с ГОСТом 
и рекомендуются методы неразрушающего контроля для их 
выявления.

В разделе 3 «Контроль и диагностика металла оборудования 
ТЭС и АЭС» представлены вопросы, связанные с методами, порядком и объемом проведения контроля металла оборудования 
ТЭС в рамках действующих инструкций. Контроль металла оборудования на АЭС рассмотрен в рамках требований «Правил 
устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (АЭУ)».
В разделе 4 «Вибродиагностика паровых турбин» рассматриваются использование вибродиагностики на различных 
этапах существования машинного оборудования, параметры 
вибрации, технические средства измерения и анализа вибрации. Освещены также основные положения по нормированию 
и оценке вибрации паровых турбин.

Автор

ÑÏÈÑÎÊ ÑÎÊÐÀÙÅÍÈÉ

АК – акустический контроль
АЭ – акустическая эмиссия
АЭС – атомная электрическая станция
АЭУ – атомные энергетические установки
ВД – вибродиагностика
ВК – визуальный контроль
ВРК – внутриреакторный контроль
ВТД – вихретоковые дефектоскопы
ВТК – вихретоковый контроль
ВТП – вихретоковый преобразователь
ДАО – дефектоскопия аммиачным оттиском
И – индукционный метод контроля
КК – капиллярный контроль
ЛМЗ – Ленинградский металлический завод
МГ – магнитографический метод контроля
МК – магнитный контроль
МКК – межкристаллитная коррозия
МПД – магнитопорошковая дефектоскопия
МПК – магнитопорошковый метод контроля
МРЗ – магниторезисторный метод контроля
МЭИ – Московский энергетический институт
НК – неразрушающий контроль
НТД – нормативно-техническая документация
ОК – объект контроля
ПМ – пондемоторный метод контроля
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
РГК – радиографический контроль
РДК – радиационный метод контроля
РК – разрушающий контроль
СКЗ – среднеквадратическое значение 
СНК – средства неразрушающего контроля
ТМЗ – турбомоторный завод, г. Екатеринбург
ТР – травление
ТУ – технические условия
ТЭС – тепловая электрическая станция
УЗК – ультразвуковой контроль
ФЗ – феррозондовый метод контроля
ЦВД – цилиндр высокого давления
ЦД – цветная дефектоскопия
ЦНД – цилиндр низкого давления
ЦСД – цилиндр среднего давления
ЭПМ – электропотенциальный метод
ЭХ – метод эффекта Холла
ЯЭУ – ядерные энергетические установки

ÓÑËÎÂÈß ÐÀÁÎÒÛ È ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÑËÓÆÅÁÍÛÅ 
ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÌÅÒÀËËÎÂ ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß ÒÝÑ È ÀÝÑ

1.1. Óñëîâèÿ ðàáîòû ìåòàëëà îáîðóäîâàíèÿ ÒÝÑ 

Металл в теплоэнергетике работает в тяжелых условиях 
под воздействием многочисленных конструктивно-техно логических и эксплуатационных факторов [1]. К конструктивнотехнологическим факторам следует отнести концентраторы 
напряжений и деформаций, вызванные геометрией деталей отверстия, малые радиусы скруглений, резкие переходы от сечения к 
сечению и т.п.; остаточные напряжения и деформации, возникающие в результате технологической обработки деталей; габаритные размеры и массу конструкций; качество металла и 
изготовления деталей конструкций и др. 
Эксплуатационными факторами являются повышенная 
температура, давление и состав рабочей среды, коррозия, эрозия, стационарные и периодически меняющиеся нагрузки, 
длительность эксплуатации. В период эксплуатации возможны 
случаи, когда работа энергоустановок совершается в более тяжелых условиях по сравнению с расчетными (в пиковых и 
остропиковых режимах). Многие элементы энергоустановок 
работают в условиях сложного напряженно-деформированного 
состояния, вызванного сочетанием весовых нагрузок, термических расширений, циклических воздействий и др.
Элементы паровых или водогрейных котлов и трубопроводов работают в разнообразных и в ряде случаев тяжелых 
условиях.
Каркас котла, его обшивка, детали котельно-вспомо га тельного оборудования эксплуатируются при комнатной или умеренно повышенной температуре и относительно невысоких 
напряжениях. Для изготовления деталей каркаса чаще всего 
используются углеродистые стали обыкновенного качества, 
которые являются наиболее дешевым и технологичным конструкционным материалом.
В более тяжелых условиях находится металл элементов котлов и трубопроводов, работающих под давлением. Повреждение 

Ðàçäåë 1

этих элементов связано с повышенной опасностью. Основные 
положения по технологии изготовления, требования к конструкции и безопасной эксплуатации элементов котлов и трубопроводов регламентированы «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» и 
«Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды». 
Внутреннее давление и дополнительные усилия, вызванные весовыми нагрузками, тепловыми расширениями и рядом других трудно учитываемых факторов, приводят к тому, 
что элементы котлов работают в сложнонапряженном состоянии.
Детали котлов и трубопроводов имеют конструкционные 
концентраторы напряжений в виде отверстий для приварки 
штуцеров, патрубков, резкие переходы сечений и т.п. При пусках, остановах, переходных режимах в трубной системе и барабанах котлов возникают циклические напряжения. Поэтому 
для снятия пиков местных напряжений в условиях сложнонапряженного состояния без опасности образования трещин металл этих элементов должен обладать высокими пластическими свойствами.
Трубы поверхностей нагрева омываются горячими топочными газами с одной стороны и паром или водой с другой стороны. В современных паровых котлах пар перегревается до 
температуры 545–570 °С. Температура металла труб поверхностей нагрева существенно выше температуры пара на выходе из котла. Это связано с неравномерной раздачей пара по 
змеевикам и неравномерным обогревом труб газами, а также с 
неизбежным перепадом температур между наружной обогреваемой и внутренней охлаждаемой поверхностями труб и теплоносителем.
В тяжелых температурных условиях работают необогреваемые стойки и подвески труб поверхностей нагрева и элементы 
конструкций горелок. 
При высоких рабочих температурах прочность металла 
снижается, возникают новые явления, которые не наблюдаются при комнатной температуре: металл начинает накапливать 
пластическую деформацию при относительно низких напряжениях, снижаются его пластические свойства при длительном 
нагружении, ухудшается структура, а на поверхности интенсивно протекают коррозионные процессы.

Хвостовые поверхности нагрева и стальные газоходы паровых котлов, в которых сжигается топливо с большим содержанием серы, подвержены низкотемпературной сернистой коррозии. На этих относительно холодных поверхностях конденсируются пары серной кислоты.
При сжигании сильно забалластированного топлива происходит интенсивный эрозионный износ труб поверхностей нагрева в результате воздействия абразивных частиц золы.
Эрозионному износу из-за влияния потоков воды или пара 
подвержены регулирующие и запорные органы пароводяной 
арматуры, рабочие элементы питательных насосов и т.п.
На внутренних поверхностях труб котла, барабанов, камер и 
трубопроводов возникает коррозия в воде или паре, происходит 
образование отложений, забивание гибов труб поверхностей нагрева продуктами коррозии. При этом ухудшается теплообмен, 
так как слой оксидов, обладающий низкой теплопроводностью, 
вносит добавочное термическое сопротивление.
При длительном воздействии рабочих нагрузок и температуры металл оборудования и трубопроводов испытывает постоянно накапливающуюся пластическую деформацию при 
напряжениях ниже предела текучести. Это явление, называемое ползучестью, может протекать с различной скоростью в 
зависимости от температуры, действующих напряжений и 
структуры металла, а на заключительной стадии приводит к 
образованию трещин и разрушению деталей. Наиболее опасно 
одновременное воздействие ползучести и усталости, что должно учитываться при оценке долговечности ответственных деталей и конструкций.
Детали турбин и компрессоров при работе подвержены 
силовым, тепловым воздействиям и износу. Ответственные детали турбин – лопатки, ротор и корпус – работают в условиях 
высоких температур в сочетании со значительными нагрузками, обусловленными центробежными силами инерции и разностями давлений. Неравномерность распределения температур в деталях вызывает неоднородные температурные деформации и связанные с ними напряжения [4].
Нагрузки от центробежных сил и разностей давлений называют силовыми воздействиями в отличие от тепловых воздействий, 
вызываемых температурными разностями. Силовые и тепловые 
воздействия в турбомашинах по признаку их изменения во времени можно подразделить на стационарные (постоянные во времени), медленно меняющиеся и быстро меняющиеся.

Стационарные (неменяющиеся) воздействия вызывают напряжения в деталях при установившейся работе турбомашины. При умеренных температурах такие напряжения должны 
быть допустимы по условиям кратковременной прочности. 
В сочетании с высокими температурами в этих условиях появляется ползучесть и накапливается повреждение материала 
во времени, что ограничивает время работы детали из-за исчерпания запаса длительной прочности.
При умеренных температурах в условиях коррозионноактивной среды (например, в среде влажного пара, содержащего примеси) в ряде конструкционных элементов наблюдается 
трещинообразование. Зарождение и развитие трещин может 
происходить в этих условиях и при постоянных нагрузках. 
Время эксплуатации детали должно оцениваться с учетом трещиностойкости.
Медленно меняющиеся воздействия характерны для переходных режимов – пуска, нагружения, разгрузки и остановки 
турбомашины. Повторные медленно меняющиеся режимы 
связаны с малоцикловой усталостью. При этом возникают 
ограничения по допустимому числу пусков турбомашины, так 
как при каждом пуске (и при каждом изменении режима) в материале накапливаются повреждения, которые при достаточном числе изменений режима приводят к разрушению детали 
вследствие проявления малоцикловой усталости.
Чередование стационарных и переходных режимов вызывает накопление повреждений от ползучести и малоцикловой 
усталости. Взаимодействие повреждений таково: чем больше 
часов работы на стационарном режиме, тем меньше возможное число пусков и наоборот.
Быстро меняющиеся воздействия обусловлены в основном 
двумя причинами: неуравновешенностью и различными технологическими отклонениями в изготовлении и сборке ротора 
(механические причины) и взаимодействием потока пара или 
газа с элементами проточной части турбомашины (аэродинамические причины).
Быстро меняющиеся воздействия вызывают колебания элементов турбомашины. При определенной интенсивности воздействия возможны повреждения (разрушение) деталей турбомашины вследствие многоцикловой усталости.
Если в потоке пара или газа присутствуют жидкие или твердые частицы, при столкновении с деталью вызывающие поверхностное ее повреждение, то наблюдается эрозия элементов тур