Структурно-масштабные закономерности накопления повреждений высокотемпературного оборудования

Е.В. Пояркова

СТРУКТУРНО-МАСШТАБНЫЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ
ПОВРЕЖДЕНИЙ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Монография

3-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2021

УДК 620.1 + 62-977
ББК 31.23

П67

Ре це нзе нты:

зав. кафедрой «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО
«Уфимский государственный нефтяной технический университет», д-р

техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ И.Р. Кузеев; зав. 
лабораторией «Надежность» АНО Технопарк ФГБОУ ВПО

«Оренбургский государственный университет», д-р техн. наук, проф.,

заслуженный работник высшей школы В.М. Кушнаренко

П67 

Пояркова Е.В.
Структурно-масштабные закономерности накопления повреждений 
высокотемпературного 
оборудования 
[Электронный 
ресурс]: 
монография / Е.В. Пояркова. — 3-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА, 
2021. — 121 с. : ил.
ISBN 978-5-9765-2369-2

В монографии представлен обобщенный материал по диагностике структурно-механического состояния элементов длительно эксплуатируемого высокотемпературного оборудования, предложена параметризация факторов, влияющих на состояние металла его составных 
час-тей на разных масштабных иерархических уровнях. Сделана 
попытка выделить структурные элементы деградации структурномеханического состояния высокотемпературного оборудования на каждом масштабном уровне и установить их иерархию. Исследование 
поверхности материала оборудования рассмотрено с позиции диагностики самостоятельной подсистемы материала, которая достаточно 
«информирована» о накоплении им поврежденности даже при 
изменении масштаба иерархии.
Издание рассчитано на научных и инженерно-технических 
работников электростанций и энергообъединений, научно-исследовательских организаций. Может быть полезно студентам технических 
вузов.

УДК 620.1 + 62-977

ББК 31.23

ISBN 978-5-9765-2369-2
© Пояркова Е.В., 2015
© Издательство «ФЛИНТА», 2016

Введение

Проблемы оценки качества металла, методы и объем контроля современного состояния высокотемпературного оборудования 
представляют собой актуальную задачу исследования надежности 
материалов энерготехнологического назначения, эксплуатируемых 
в Уральском регионе Российской Федерации. Основное требование к обеспечению работоспособности всех конструктивных частей высокотемпературного оборудования представляется в виде 
выявления комплекса необходимого структурно-масштабного состояния материалов (механических, физических и эксплуатационных свойств в сочетании с их структурой на разных иерархических уровнях деформирования), обеспечивающих надежную и 
долговечную работу в заданных условиях эксплуатации, а также 
установление необходимого и достаточного объема и методов контроля.
Несмотря на большое количество работ, посвященных анализу 
влияния деградационных процессов в материалах энерготехнологического назначения на компоненты их безопасности эксплуатации 
[1—22 и др.], многие вопросы в этой сфере остаются открытыми, 
а изучение их представляется практически значимой и актуальной 
задачей.
Для России в целом и для Оренбургской области в частности, 
важность решения проблем установления и продления ресурса 
безопасной эксплуатации оболочковых конструкций оборудования, 
работающего в термо-силовых условиях, вызвана сокращением 
объемов производства, так необходимых для компенсирования вышедших из эксплуатации его частей. При этом решение видится в 
следующем:
— в количественной оценке исходного, использованного и остаточного ресурсов опасных производственных объектов в целом, и 
его отдельных объектов в частности;
— в обосновании целесообразности установления всех видов 
ресурсов (например, проектного, фактического и остаточного, или 
всех);

— в оценке состояния конструкционных материалов несущих 
элементов, учитывая исходную технологическую наследственность 
и возникающие эксплуатационные повреждения;
— в комплексном исследовании механизмов старения оборудования и материалов, из которых оно произведено;
— в установлении характера, параметров макродефектов и 
определении количества и размеров микродефектов (дислокаций) в 
несущих элементах;
— в контроле напряженно-деформированных состояний несущих элементов на основании данных расчетных и экспериментальных анализов;
— в комплексной (тотальной) диагностике объекта для определения его остаточного ресурса и оценки его работоспособности;
— в выполнении предварительного и уточненного расчетноэкспериментального определения остаточного ресурса.
Априори принципиально важно уточнить, что установление 
остаточного ресурса должно осуществляться с более высокой научно-методической точностью, чем проектного и исходного.
Поддержание оборудования в технически исправном состоянии 
с целью обеспечения его дальнейшей безопасной эксплуатации 
возможно при строгом соблюдении эффективных диагностических 
мероприятий, которые позволяют:
— дать оценку текущего структурно-механического состояния 
металла;
— спрогнозировать регрессионные изменения такого состояния 
от интенсивности эксплуатационных процессов;
— выдать рекомендации организационного и конструктивного 
характера по возможному изменению режимов эксплуатации.
Необходимость в решении такой научной проблемы видится с 
двух диаметрально противоположных позиций:
— во-первых, требуется анализ достоверных расчетов существенного снижения надежности оборудования, так как его эксплуатация в 
паспортных режимах в конце проектного ресурса или за его пределами, обусловливает появление новых и увеличение имеющихся повреждений металла, влияющих на показатели прочностной надежности;

— во-вторых, модернизация методов диагностики и комплексного 
установления 
тенденций 
изменения 
структурномеханического состояния конкретного оборудования (или его 
элемента) на разных масштабных уровнях с учетом новых возможностей современного инструментария мониторинга, системного 
анализа и идентификационных мероприятий позволяет поддерживать требуемый уровень надежности функционирования высокотемпературного оборудования.
Наибольшую металлоемкость, значительное количество конструктивных элементов, внушительную протяженность и сложность всей конструкции из всего спектра высокотемпературного 
оборудования топливно-энергетической отрасли имеют технологические трубопроводы, представляющие собой весьма сложную 
пространственную систему, которая, как правило, состоит из прямых участков труб, гибов, тройников, конических переходов, компенсаторов, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры [18, 23]. Основные воздействия, оказывающие влияние на 
работоспособность трубопроводов:
— нагрузки от собственного веса, а также от тепловой изоляции;
— вибрации, возбуждаемые пульсацией расхода воды и пара;
— динамические нагрузки от вращающихся неуравновешенных 
роторов насосов или труб агрегатов;
— комбинация внутреннего давления и напряжений от температурных расширений.
Также на них оказывают воздействия стационарные нагрузки 
(обусловленные базовыми режимами работы) и переменные (возникающие при изменении характера эксплуатации или зависящие 
от пусков-остановов).
В табл. 1 приведены основные параметры состояния металла 
оборудования, функционирующего в термосиловых условиях эксплуатации. Проявление какого-либо локального параметра влияет 
на изменение структурно-механического состояния металла на разных масштабных иерархических уровнях.

Таблица 1

Параметризация факторов, влияющих на состояние металла
высокотемпературного оборудования

Факторы

Технология
изготовления
Термосиловые 
условия
эксплуатации

Длительность
эксплуатации

Параметры

Химический состав

Предел текучести
Временное сопротивление
Относительное остаточное удлинение
Относительное остаточное сужение
Ударная вязкость
Трещиностойкость
Предел ползучести
Допускаемое напряжение при наработке
Длительная горячая твердость
Глубина коррозионного поражения
Утонение стенки
Малоцикловая
Коррозионная
Температурная
Остаточный ресурс
Вероятность отказов
Количество пусков-остановов

Фазовый состав

Величина зерна и направленность структуры

Количество неметаллических 
включений

Количество пор

Степень

обезуглероживания

графитизации

сфероидизации

карбидизации

микроповреждаемости

Обеднение твердого раствора

Показатель состояния

Структура
Механические 
свойства

Жаростойкость

Жаропрочность
Коррозионная
стойкость

Усталость

Ресурсные
характеристики

Эксплуатационные 
свойства

Основываясь на подходах физической мезомеханики [24—
26], позволяющей описывать твердые деформируемые тела как 
многоуровневую систему, исследование поверхности материала 
оборудования в контексте оценки ее структурно-механического 
состояния, можно рассматривать с позиции диагностики самостоятельной подсистемы материала [25, 27—29], которая достаточно 
«информирована» о накоплении им поврежденности на разных 
масштабных уровнях. При этом иерархичность процессов разрушения, как правило, обусловлена локализацией дефектов в наиболее слабых областях. Проблема представления иерархии различных уровней разрушения была и остается достаточно актуальной 
в современной науке, и на протяжении нескольких десятилетий 
ей посвящено немало научных работ [24—25, 28—42], однако вопрос о связи макроскопических параметров инженерных моделей 
с изучением процессов, происходящих на микроуровне, остается 
открытым.
Весьма трудоемкой, а иногда и невыполнимой для конкретных 
предприятий (в арсенале которых имеются длительно эксплуатируемые металлоконструкции и оборудование) представляется задача проведения согласованных испытаний на разных масштабных уровнях. Цель таких испытаний обусловлена определением 
(установлением) прочностных характеристик одного масштабного уровня по данным другого масштабного уровня. Вместе с тем, 
сложность видится еще и в отсутствии научно-методического обеспечения, пригодного к непосредственному применению в современной инженерной практике и позволяющего установить, так называемую «иерархическую соподчиненность» [37].
В данной книге сделана попытка выделить структурные элементы деградации структурно-механического состояния высокотемпературного оборудования на каждом (макро-, мезо-, микромасштабном) уровне и установить их иерархию. Реализация данной задачи 
включала в себя: на макромасштабном уровне — анализ состояния поверхности фрагментов оборудования; на мезо-масштабном 
уровне — установление закономерностей и деградации структуры 
металла; на микромасштабном уровне — спектральный анализ дефектности субструктуры и оценка ее степенных параметров состояния (указаны в табл. 1).

1. АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ
МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ В ТЕРМОСИЛОВЫХ 
УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Происходящие в металле трубопроводов деградационные процессы изменения его структурного состояния вследствие воздействия внутреннего давления и повышенных температур неизбежно 
приводят и к изменению механического состояния. Обусловлена 
такая структурно-механическая деградация материала трубопровода его эксплуатационным старением, вследствие накопления микроповреждений; взаимодействия примесных атомов, которые 
весьма подвижны при повышенных температурах, и дислокаций, а 
также по причине распада цементита и выделения из твердого раствора избыточных фаз.
Оценка механического поведения металла трубопроводов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, бывших в эксплуатации в термосиловых условиях выполнялась на основе анализа базы данных, 
полученных методом неразрушающего контроля путем замеров 
твердости. Благодаря такому эффективному методу, возможно, прежде всего, исключить повреждение изделия, а также установить закономерности изменения механических свойств материала трубопровода в процессе его эксплуатационного старения.
Подобная механическая характеристика металла как твердость 
вполне согласуется с концепцией физической мезомеханики, ввиду отсутствия сложностей (за редким исключением) установления 
ее экспериментальных значений у прямых или изогнутых частей 
металлоконструкций высокотемпературного оборудования оболочкового типа (пароперегреватели, трубные пучки, паропроводы 
высокого и низкого давлений, а также их гибы). Стоит отметить, 
что эта характеристика практически не зависит от особенностей 
конкретных условий нагружения, достаточно универсальна, а анализ ее изменений позволяет описывать процессы, происходящие на 
исследуемой поверхности металлоконструкции оборудования в макромасштабе.

Изучались фрагменты трубопроводов из вышеназванной нержавеющей стали, эксплуатирующиеся в различных условиях и с 
разной степенью повреждений. Ретроспективные данные фрагментов трубопроводов:
— диаметр 38 мм и толщина стенки 4 мм, рабочее давление 3,7 МПа, время эксплуатации — 7832, 128 877, 132 711, 
179 588 часов;
— диаметр 25 мм и толщина стенки 7 мм, рабочее давление 25,5 МПа, время эксплуатации — 128 588, 132 711, 145 381, 
179 588 часов.
Замеры твердости выполнялись в поперечных сечениях трубных фрагментов, предварительно разделенных секториально. Шаг 
угловых замеров был выбран, равным 30°, т.е. всего получено 
12 направлений.
Таким образом, в каждом из этих направлений замеры твердости осуществлялись по толщине поперечного сечения трубы в двух 
точках, соответствующих так называемым прикромочным областям внутренней и наружней поверхностей исследуемых фрагментов трубопровода. Учитывая универсальность получения данных, 
в макро-масштабе позволительно делать достаточно адекватные заключения о прочности его приповерхностных зон.
По полученным данным построены лепестковые диаграммы с 
секторным типом деления. Удаление от центральной области круговой диаграммы показывает увеличение механического показателя (твердости).
На рис. 1 и 2 показаны изменения твердости на внутренней и 
внешней поверхностях трубы при различных сроках эксплуатации 
и разном рабочем давлении. Для наглядности графического представления данных масштаб (формат) оси координат на всех диаграммах сохранен одинаковым.
Визуально достаточно информативно прослеживается, что на 
макромасштабном уровне рост времени наработки приводит к увеличению показателей твердости на обеих поверхностях (и внутренней, и наружной). При этом на внутренней части фрагмента трубы независимо от длительности ее эксплуатации твердость всегда 
была несколько ниже по сравнению с твердостью внешней поверхности.

Длительность эксплуатации, ч

78 732
128 877

а)
б)

132 711
179 588

в)
г)

Рис. 1. Влияние длительности эксплуатации на распределение твердости 
по сечению трубопровода из стали 12Х18Н10Т, при давлении рабочей 
среды 3,7 МПа (внутренняя - - - и внешняя ---- поверхности)