Способ восстановления элементов энергооборудования из углеродистой и низколегированной сталей

 

Изобретение относится к термической и химико-термической обработке и может быть использовано для восстановления оптимального комплекса служебных свойств металла элементов паровых котлов после эксплуатации свыше расчетного срока службы при одновременном восстановлении защитной магнетитовой пленки на внутренней поверхности. Сущность изобретения: элементы электрооборудования из углеродистой и низколегированной сталей подвергают нагреву, выдержке и охлаждению в атмосфере водяного пара, причем нагрев до 470 560°С проводят под давлением 0,6 0,8 от номинального рабочего, а выдержку проводят при дросселировании давления в пределах 0,35 0,85 от номинального рабочего в течение 25 40 ч. 2 табл.

Изобретение относится к термической и химико-термической обработке.

Целью изобретения является восстановление оптимального комплекса служебных свойств металла элементов паровых котлов после их эксплуатации свыше расчетного срока службы при одновременном восстановлении защитной магнетитовой пленки на внутренней поверхности по реакции: 3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H Аналогом предлагаемого способа является способ термического оксидирования путем подачи перегретого до 540-560^оС пара на изделие в течение 1,5-2,5 ч при давлении 0,1-0,3 ата (Е.Н.Гладкова, В.Н.Букарев. Термическое оксидирование магнитомягких материалов, Изд-во Саратовского университета, 1965, с. 48).

Существенным отличием предлагаемого способа от уже известного является одновременное решение двух задач. Во-первых, под действием давления, равного 0,6-0,8 от рабочего, на внутренней поверхности термообрабатываемого элемента образуется прочная защитная пленка магнетита. Во-вторых, дросселирование давления позволяет провести восстановление полного комплекса механических свойств элементов энергетического оборудования, изготовленных как из углеродистой, так и из низколегированной сталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ восстановления паровых котлов [1] позволяющий восстанавливать механические свойства металла барабанов паровых котлов, изготовленных из низколегированной стали (например, 16ГНМ, 16ГНМА) при одновременном создании на их внутренней поверхности защитной магнетитовой пленки. Но этот известный способ не подходит для элементов энергооборудования, изготовленных из углеродистой стали, так как процессы старения и отпуска, протекающие в этих классах сталей при длительной эксплуатации, приводят к различным последствиям.

В низколегированной стали длительная эксплуатация приводит к значительному охрупчиванию металла, т.е. доминирующую роль играют процессы термодеформационного старения, что выражается в росте прочностных характеристик (предела текучести, предела прочности, отношения σ_0,2/ σ_в) и порога хладноломкости), и приводит к значительному снижению пластических и вязких свойств металла (Туляков Г.А. Ковалев И.С. Жарикова О.Н. Аверченков Е.А. Бахтеев С. Ф. Аксельрод М.А. Юшкова И.Н. Опыт проведения низкотемпературной восстановительной термообработки металла барабанов из углеродистой и низколегированных сталей. Электрические станции, 1990, N 3, с. 36-38).

Для элементов теплоэнергетического оборудования, изготовленных из углеродистой стали, наблюдается другой характер изменения механических свойств металла. Основную роль к этих сталях играют процессы, протекающие при отпуске стали, т.е. наблюдается снижение прочностных характеристик и увеличение (незначительное) пластичности. Причем порог хладноломкости при этом также возрастает. Снижение прочностных характеристик ниже требований соответствующих нормативных материалов приводит к необходимости снижения параметров или замены оборудования. Для продления безопасной эксплуатации энергооборудования предлагается проведение химико-термической обработки по предлагаемому способу.

Существенным отличием предлагаемого способа от уже известных является дросселирование давления в интервале 0,35-0,8 от номинального рабочего. Дросселирование представляет собой несколько циклов (3-5 циклов) снижения давления и последующего его повышения до 0,8 от номинального рабочего. Под номинальным рабочим давлением подразумевается давление среды на выходе из котла, которое равно расчетному давлению, указанному в паспорте. При дросселировании происходит увеличение удельного объема пара более чем вдвое и заметное снижение его температуры, что представляет собой термоциклический процесс, который может приводить либо к упрочнению (для углеродистой стали), либо к разупрочнению (для низколегированной стали) металла в зависимости от режима дросселирования. Для достижения указанной цели дросселирование проводится в начале процесса химико-термической обработки. Для углеродистой стали давление при дросселировании изменяется в интервале 0,35-0,8 от номинального рабочего. Для элементов энергетического оборудования, изготовленных из низколегированной стали, давление при дросселировании должно изменяться в пределах 0,6-0,8 от номинального рабочего. Последующая выдержка независимо от термообрабатываемой стали должна проводиться под давлением 0,65-0,8 от номинального рабочего для создания на поверхности металла под действием растягивающих напряжений от избыточного давления прочной магнетитовой пленки, которая разрушается в процессе длительной эксплуатации из-за малоцикловой усталости при пусках-остановах оборудования, позволяет повысить коррозионную стойкость теплоэнергетического оборудования.

Предлагаемые температурные интервалы (470-560^оС) являются необходимыми и достаточными для решения поставленной задачи и связаны с типом оборудования, на котором проводится химико-термическая обработка.

Время выдержки зависит от температуры выдержки и уменьшается с ее увеличением.

Для опробования предлагаемого способа была проведена химико-термическая обработка металла барабана котла N 1 типа ТП-80 на ТЭЦ-22 Мосэнерго, изготовленного из стали 16ГНМ, который отработал на 01.01.92 г 197128 ч при 439 пусках-остановах. Параметры пара в барабане: давление 15,5 МПа, температура 343^оС. Режим восстановительной термической обработки был следующим: средняя температура процесса 540^оС, время выдержки 30 ч, давление при дросселировании изменяли в интервале 9,3-12,4 МПа. Результаты изменения механических свойств приведены в табл. 1.

Анализ результатов показывает, что при длительной эксплуатации металла произошло повышение прочностных свойств (предел прочности на 6 кгс/мм², предела текучести на 7 кгс/мм², по сравнению с сертификатными данными и росту отношения σ_0,2/σ_в от 0,73 до 0,78. Критическая температура хрупкости равна минус 10^оС.

Прочностные характеристики металла барабана после восстановительной химико-термической обработки понизились: предел прочности на 10 кгс/мм², предел текучести на 12 кгс/мм², отношение σ_0,2/σ_в уменьшилось до 0,72, что удовлетворяет требованиям "Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов". Ударная вязкость при этом выросла в 2 раза, а пластичность осталась на уровне сертификатных данных. Критическая температура хрупкости после термообработки понизилась на 30^оС и равна минус 40^оС.

Кроме того внутренняя поверхность металла покрыта прочной защитной пленкой магнетита.

Испытание металла на малоцикловую усталость показывает рост долговечности во всем исследованном интервале амплитуд после восстановительной термической обработки.

Химико-термическая обработка металла барабана котла N 3, изготовленного из стали 22К (Минская ТЭЦ-3), была проведена по режиму: средняя температура 500^оС, время выдержки 36 ч, давление при дросселировании изменялось в пределах от 3,85 до 8,8 МПа. Механические свойства до и после НВТО приведены в табл. 2.

Как следует из полученных результатов, длительная эксплуатация привела к снижению прочностных свойств на 33-55 МПа по сравнению с сертификатными данными при одновременном снижении ударной вязкости. После термической обработки происходит восстановление прочностных свойств до уровня сертификатных данных, понижение критической температуры хрупкости на 20^оС, а ударная вязкость возрастает до значений сертификатных данных, кроме того происходит восстановление защитной магнетитовой пленки.

Таким образом использование предлагаемого способа восстанавливает механические свойства металла энергетического оборудования, изготовленного из углеродистой и низколегированной сталей, до уровня сертификатных данных, создает на поверхности металла защитную магнетитовую пленку, что продлевает ресурс эксплуатации еще на 50000-100000 ч, не снижая параметров пара.

Формула изобретения

СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ И НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛЕЙ, включающий нагрев, выдержку и охлаждение в атмосфере водяного пара, отличающийся тем, что нагрев проводят до температуры 470 560^oС под давлением 0,6 0,8 от номинального рабочего, а выдержку ведут при дросселировании давления в пределах 0,35 0,85 от номинального рабочего в течение 25 40 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3