+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

1.04.2014

Способ термической обратотки и правки труб для парогенераторов АЭС

Шимов Г.В.1, Серебряков Ан.В.2, Серебряков Ал.В.3, Исхаков Р.Ф.4
1 Россия, Уральский федеральный университет
2 ОАО «Первоуральский новотрубный завод»
3 ООО «Новые технологии труб»
4 ЗАО «НПП «Машпром»

Введение

Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора, является состояние теплообменных труб [1]. В качестве теплообменных труб применяются бесшовные холоднодеформированные трубы из стали марки 08Х18Н10Т размерами 16х1,5 мм, поставляемые по ТУ14-3Р-197-2001 [2].

В процессе эксплуатации парогенератора имеет место зарождение и последующий рост коррозионных дефектов теплообменных труб, основным из которых является коррозионное растрескивание. Коррозионное растрескивание происходит при одновременном действии коррозионной среды и растягивающих рабочих и остаточных напряжений в трубах [3].  Поэтому снижение растягивающих остаточных напряжений в трубах является актуальной проблемой.

В настоящее время технология производства теплообменных труб парогенераторов включает в себя холодную прокатку, термическую обработку в газовых или электрических печах и последующую правку труб на правильном стане. Необходимость правки вызвана большой кривизной труб после термической обработки. При правке появляются растягивающие остаточные напряжения, а так же выделяется a-фаза, что в итоге снижает стойкость теплообменных труб к коррозионному растрескиванию [4]. Одной из задач совершенствования технологии изготовления теплообменных труб является исключение операции валковой правки.

Апробация способа

Кафедрой «Обработка металлов давлением» Уральского федерального университета совместно с ОАО «Первоуральский новотрубный завод» разработан способ термической обработки и правки труб растяжением. Способ предусматривает электроконтактный нагрев трубы с натяжением ее при нагреве и последующем охлаждении. Способ обеспечивает уменьшение растягивающих остаточных напряжений в стенке трубы.

Предложенный способ был опробован в производственных условиях. На опытной установке (рисунки 1 и 2) проведен эксперимент по обработке теплообменных труб размером 16×1,5 мм из стали 08Х18Н10Т (ТУ 14-3Р-197-2001) предлагаемым способом.

К эксперименту было подготовлено 16 труб после прокатки на станах ХПТР, прошедших операции обезжиривания и сушки. Длина каждой трубы в паре была около 5 метров, что соответствовало длине одной трубы приблизительно 10 метров.

Трубы закреплялись в зажимных устройствах (подвижном и неподвижном). Контроль температуры в процессе нагрева производился ручным пирометром с цифровой обработкой сигнала «Термоскоп-100-СТ-КФ» интервал температур 300…12000С, показатель визирования 100:1.

Отработка режимов термообработки труб электроконтактным нагревом, для получения необходимого уровня механических свойств, величины зерна и стойкости труб к МКК, проводилась при различной величине силы тока, при этом определялось время, при котором труба нагревалась до максимально возможной температуры и время выдержки. Охлаждение труб проводилось на воздухе.

Трубы в процессе нагрева и охлаждения поддерживались в натянутом состоянии с помощью подвижного зажимного устройства. При термической обработке, в период нагрева, подвижный контакт отодвигался с помощью специального приспособления, а в период охлаждения, постепенно возвращался с исходное положение. В начале и конце нагрева задавалась величина осевого усилия. На опытной установке была произведена обработка труб по режимам, приведенным в таблице 1.

Установка рассчитана на одновременную термическую обработку с натяжением переменным током двух последовательно соединенных труб, подключаемых к вторичной обмотке трансформатора источника питания. Ток подводился к передним концам труб, задние концы соединялись перемычкой. Такая схема подвода электрического тока позволила исключить использование длинных шин и, следовательно, сократить потери электрической мощности. Конструкция установки (чертеж общего вида) показана на рисунке 1.

Установка электроконтактного нагрева включает в свою конструкцию две неподвижных поперечины 1 и 2 (рисунок 1) и одну подвижную 3. Неподвижные поперечины снабжены опорами 4, определяющими высотное положение технологической оси установки относительно пола цеха (в реализовано конструкции 935 мм). Неподвижные поперечины соединяются двумя станинными балками 5, одновременно исполняющими роль продольных направляющих для подвижной поперечины. На поперечине 1 установлены электроизолированные токоподводящие контакты с медными шинами 5, к которым подключаются кабели источника питания. На подвижной поперечине 3 смонтированы зажимные контакты, замыкающие концы труб.

Натяжение в процессе нагрева и охлаждения создавалось при помощи пневматического устройства (рисунок 2).

На неподвижной поперечине 2 установлено пневматическое устройство натяжения 7. Пневматическое устройство натяжения обеспечивает постоянную осевую нагрузку на нагреваемые трубы для смещения поперечины 3 при компенсации теплового удлинения труб и для предотвращения провисания труб при их нагреве. Все токоподводящие медные зажимные контакты снабжены системой водяного охлаждения с подводом и отводом воды посредством гибких рукавов, присоединенных через штуцеры 9. Длина троса 8 регулируется в пределах допустимого смещения поперечины 3 при настройке установки на конкретную длину обрабатываемых труб. Общая длина установки может быть изменена заменой станинных балок; в реализованном исполнении максимальная длина труб при их нагреве до температуры 11500С не должна превышать 8000 мм.

Для осуществления электроконтактного нагрева подвижная поперечина 3 (рисунок 1) устанавливается в позицию, соответствующую длине труб. Две трубы одинаковой длины, концами длиной по 50 мм устанавливаются в V – образные разъемы контактов. Вращением рукоятки 10 (рисунок 1), обеспечивается технологически заданное осевое напряжение труб. Напряжение натяжения труб не должно превышать сопротивление деформации материала труб при максимальной температуре нагрева.

Устройство натяжения труб работает следующим образом. После закрепления труб в токоподводящих контактах устройства нагрева с помощью рукоятки 10 стальной канат 9 наматывается на барабан 8. При этом поршень поднимается вверх до крайнего положения. После этого угловое положение барабана фиксируется с помощью устройства 11. В пневмоцилиндр (в штоковую полость) подается сжатый воздух или газ регламентированного давления, например из баллона, на выходе которого установлен редукционный клапан и манометр. В процессе нагрева и охлаждения давление воздуха или газа в полости пневмоцилиндра регулируется для обеспечения заданных технологических коэффициентов напряженного состояния , где F – площадь  поперечного  сечения  рабочей полости пневмоцилиндра; f – суммарная площадь поперечного сечения нагреваемых труб; – давление воздуха или газа в цилиндре;  – сопротивление деформации металла труб при текущем значении температуры нагрева.

После термообработки при различных электротехнических характеристиках были отобраны образцы для проведения механических, металлографических испытаний и определения стойкости к МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001. Образцы отбирались от переднего конца, средней части и заднего конца каждой трубы. После нагрева с силой тока 800А образцы от труб были отобраны по всей длине. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

На рисунках 3-10 приведена микроструктура металла труб при увеличении х200, полученная при различных режимах электроконтактного нагрева.

Как видно из таблицы 2, режимы нагрева при силе тока 420А и 430А не обеспечивают требуемый уровень механических свойств по значениям относительно удлинения при комнатной температуре и предела текучести при температуре 3500С. Микроструктура металла при таких режимах нерекристаллизованная, встречаются только небольшие участки (около 10…12%) рекристаллизованных зерен 10,9 балла (рисунки 3,а и 3,б).

Нагревы при силе тока 500А, 550А и 600А обеспечивают получение значений механических свойств при температуре 200С и 3500С и микроструктуры металла труб, удовлетворяющих требованиям ТУ 14-3Р-197-2001. Следует отметить, что при режиме нагрева с силой тока 500А в микроструктуре металла наблюдается достаточно большое количество участков (около 30…40%) с величиной зерна мельче 10 балла (рисунок 3,в), что свидетельствует о недогреве труб в процессе термообработки.

Микроструктура металла труб термообработанных при силе тока 550А и 600А состоит из аустенитных зерен 10,8 балла и единичных зерен 7 балла (рисунки 3,г и 3,д), величина которых находится достаточно далеко от допустимой границы – не крупнее 5 балла. Такая микроструктура близка к микроструктуре металла труб, термообрабатываемых по существующей технологии (рисунок 3,е).

В микроструктуре металла труб, нагретых при силе тока 650А, кроме аустенитных зерен 8,7 балла наблюдаются зерна 6 балла (рисунок 3,д), величина которых близка к предельно-допустимому 5 баллу. Кроме того, нагрев при силе тока 650А сопровождается снижением  при температуре испытания 3500С до предельно-допустимых значений и ниже.

Нагревы при силах тока 760 и 800А приводят к росту аустенита до 5,4 балла (рисунки 3,ж и 3,з) и снижению значений  значительно ниже предельно-допустимых.

Металл труб, термообработанных по режимам с силами тока 420, 430, 500, 550, 600, 610, 650 и 760 А, стоек против МКК (метод АМУ ГОСТ 6032). Металл труб, термообработанных по режиму нагрева с силой тока 800А не стоек против МКК (метод АМУ ГОСТ 6032).

Таким образом, оптимальными из исследованных режимов являются режимы нагрева при силе тока 550 и 600А, напряжении 75 и 77 В соответственно в течение трех минут (общее время).

Дополнительно в рамках данной работы проведены испытания труб на остаточные напряжения в соответствии с РИ 25-56-2006 [5] и кривизну. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Предварительные опытные данные сравниваются с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001: 548,8 МПа; относительное удлинение 37%; предел текучести при температуре 3500С – = 176…323 МПа после аустенизации и = 196…343 МПа – в состоянии поставки; балл величины зерна металла – не крупнее 5; трубы стойки против МКК по методу АМУ (ГОСТ 6032); непрямолинейность − не более 1,0 мм на один метр длины трубы.

Для сравнения рассмотрены также усредненные свойства металла труб из стали 08Х18Н10Т, обработанных по существующей в цехе технологии (ТИ 159-ТР.ТБ-58−90) [6]: = 637 МПа; = 358 МПа;  = 51,5%; предел текучести при температуре 3500С: = 303,8 МПа; величина зерна 10,9; металла труб стоек против МКК по методу АМУ (ГОСТ 6032).

По таблицы 3 видно, что в трубах, термообработанных предложенным способом, уровень растягивающих остаточных напряжений значительно ниже, а их кривизна на порядок меньше, чем в трубах с печного нагрева по применяемой технологии.

Заключение

Результаты апробации показали, что предложенный способ обеспечивает возможность термообработки труб с получением механических свойств и величины зерна металла труб в соответствии с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001. Металл труб, термообработанных электроконтактным нагревом, стоек против МКК. Нагрев труб происходит равномерно по длине, механические свойства по длине труб одинаковые.

В трубах, термообработанных предложенным способом, уровень растягивающих остаточных напряжений и кривизна труб на порядок величины меньше, чем в трубах, термообработанных по применяемой технологии.

Библиографический список

1.  Бакиров М.Б., Клещук С.М., Немытов Д.С. Чубаров С.В., Березанин А.А. Анализ состояния, режимов эксплуатации и конструктивного исполнения ПГ АЭС с ВВЭР-1000 на примере энергоблока 2 Калининской и №3 Балаковской АЭС// Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: тез. докл. V международная научно-техническая конференция, Подольск, 29 мая − 1 июня 2007 г. Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, 2007.

2.  ТУ 14–3Р–197–2001. Технические условия. Трубы бесшовные из коррозионностойких марок стали с повышенным качеством поверхности. УралНИТИ.

3.  Коррозия и защита металлов. Часть 1. Химическая коррозия металлов. Учебное пособие. Азаренков Н.А., Литовченко С.В., Неклюдов И.М., Стоев П.И. Харьков: ХНУ, 2007. 187 с.

4.  И.А. Гиндин, И.М. Неклюдов, В.М. Нетесов, М.П. Старолат. Влияние знаконопеременного нагружения на мартенситное превращение аустенитной стали //Проблемы прочности. 1976, №9, с. 76–78.

5.  РИ 25-56-2006.  Рабочая инструкция. «Порядок определения остаточных напряжений». Первоуральский новотрубный завод.

6.  ТИ 159–ТР.ТБ–58−90. Технологическая инструкция. Производство нержавеющих труб. Первоуральский новотрубный завод.

Вернуться к списку публикаций