Повышение коррозионной стойкости поверхностей нагрева котлоагрегатов за счет модификации режимов термической обработки труб из стали 20

Актуальность проблемы
В процессе эксплуатации котельного оборудования на тепловоспринимающих элементах
протекают коррозионные процессы, приводящие к их разрушению задолго до исчерпания
расчетного срока службы Тип коррозии, преобладающий на трубах поверхностей нагрева,
эксплуатируемых при параметрах: t < 350 °С, Р < , МПа - это общая наружная коррозия Причины, по которым две соседние трубы могут иметь разную коррозионную стойкость в идентичных условиях эксплуатации, на настоящий момент не нашли достоверного объяснения Однако именно эти процессы определяют надежность функционирования котлоагрегата в целом При этом одновременная и в одинаковых условия эксплуатация труб с низкой и высокой коррозионной стойкостью приводит к демонтажу всего экрана, что значительно повышает станционные расходы Учитывая, что физический износ теплогенерирующего оборудования большинства станций достигает 68% [1], способность всех труб сохранять работоспособность в течение расчетного срока служба является критерием надежной и экономичной эксплуатации Необходимость определения причин их разной повреждаемости и разработки методов улучшения эксплуатационных характеристик котельных сталей является одной из приоритетных задач, выделенной в «Основных положениях технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.» [1] как минимизация расходов на производство электроэнергии и тепла за счет внедрения передовых технологий и современного высокоэкономичного оборудования Исследуемая в диссертационной работе проблема относится и к одному из перспективных направлений, обозначенному в прогнозе научно- технического развития РФ на период до 2030 года [2] - энергосбережению и энергоэффективности Действительно, загрязнение поверхностей нагрева отложениями приводит к снижению их тепловой эффективности и, следовательно, уменьшению КПД котлов В настоящее время наблюдается всплеск интереса к проблемам повышения надежности и эффективности работы поверхностей нагрева котлов ТЭС Это связано, с одной стороны, со снижением качества сжигаемого топлива, и, как отмечено выше, значительным износом оборудования, а, с другой стороны, – постановкой задач Правительством РФ и развитием новой экспериментальной техники. Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения надежности элементов котельных агрегатов за счет снижения интенсивности коррозионных процессов Возможные пути повышения срока эксплуатации теплоэнергетического оборудования, в частности, тепловоспринимающих элементов котлов, предусматривают мероприятия, которые направлены на улучшение химводоподготовки, на контроль металла, на использование коррозионно-стойких сталей и сплавов, на анализ наличия примесей и химической неоднородности Перспективным и сравнительно простым направлением повышения надежности теплоэнергетического оборудования является воздействие на свойства углеродистых сталей с точки зрения совершенствования характеристик микроструктуры Способность сталей образовывать различные фазы с отличающимся «рисунком» микроструктуры дает возможность создавать изделия с прогнозируемыми и необходимыми свойствами Часть работ в этом направлении посвящена изучению эволюции структурно- фазового состояния при эксплуатации и связанного с этим неизменного снижения прочностных свойств теплоэнергетического оборудования, в другой части работ исследуются возможности управления структурой металлических материалов для придания ей необходимых механических свойств При этом следует отметить, что данных по улучшению коррозионной стойкости труб поверхностей нагрева, изготовленных из малоуглеродистых сталей, недостаточно для выработки единых требований к структурным характеристикам последних В настоящей работе проводится исследование экранных труб котлов типа БКЗ-420-140. Данные котлы предназначены для сжигания каменного угля Экибастузского месторождения Трубы их топочных экранов, изготовленные из стали 20, работают при довольно низких параметрах (3 0 °С, ,9 МПа) При таких параметрах основным фактором, оказывающим влияние на работоспособность и живучесть металла в условиях эксплуатации, является коррозия Сталь 20 хорошо изучена металловедами с точки зрения макро-, микроструктуры и механических свойств Однако использование ее в качестве трубного изделия, работающего в составе тепловоспринимающего элемента котельной установки под действием давления и температуры, в условиях преобладающего повреждения из-за наружной коррозии, связано с наличием противоречивых данных по коррозионной повреждаемости Трубы поверхностей нагрева поставляются в соответствии с ТУ-14-3Р-55-200 «Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов» [3]. В настоящей работе для исследования выбраны стальные бесшовные горячедеформированные трубы из стали 20, которые в процессе изготовления трубного изделия проходят длинную и сложную технологическую цепь термомеханических операций [4] В результате структура металла стенки приобретает индивидуальные особенности, заключающиеся в появлении неоднородностей, наклепа, слоистости, внутренних остаточных напряжений и разнозернистости, что определяет разные эксплуатационные характеристики [5-6]. Спрогнозировать степень износа при эксплуатации паровых котлов в таком случае оказывается проблематично Вследствие огромной стоимости переработки твердого топлива ТЭС с целью снижения в нем содержания коррозионноактивных элементов так же проблематичным оказывается контролировать и замедлять коррозионные процессы, протекающие на наружной поверхности труб Интенсивность протекания общей наружной коррозии оказывает влияние и на тепловую эффективность экранов, поскольку значительные коррозионные отложения могут снижать ее более чем в два раза В связи с вышеизложенным представляет научный интерес исследование роли структурных факторов в повышении коррозионной стойкости трубной стали 20 Наряду с этим актуальность практического приложения таких результатов состоит в поиске решения по формированию наиболее благоприятной структуры в области термической обработки и выявлению тем самым неиспользованных возможностей по повышению ресурса работы труб поверхностей нагрева [7-15]. Следует отметить соответствие данной работы приоритетному направлению развития науки, технологии и техники в Российской Федерации (п 8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и критическим технологиям в Российской Федерации (п.27 «Технологии энергоэффективности производства и преобразования энергии на органическом топливе»). Цель диссертационной работы заключается в обосновании увеличения ресурса работы экранных труб применительно к котлам типа БКЗ-420-140, работающим на экибастузском угле, за счет повышения коррозионной стойкости при изменении микроструктурных характеристик путем модификации режимов термической обработки Задачи работы: 1) выявление и систематизация типичных дефектов и повреждений труб экранной системы при сжигании экибастузского угля и причин разной коррозионной повреждаемости труб поверхностей нагрева, изготовленных из стали 20; 2) исследование микроструктурного, структурно-фазового и напряженного состояния, механических свойств, определяющих эксплуатационные свойства стали 20 и их изменение при многократной нормализации; 3) исследование коррозионной стойкости трубной стали в условиях, имитирующих среду газового тракта котла; 4) разработка рекомендаций по повышению коррозионной стойкости труб в условиях теплогенерирующих компаний Научная новизна заключается в следующем: 1) впервые для труб поверхностей нагрева из стали 20, эксплуатируемых при параметрах t < 350 °С, Р ≤ , МПа, установлено, что однородная сорбитообразная микроструктура повышает коррозионную стойкость на 0-50%; 2) выработан критериальный подход к характеристикам микроструктуры на основе взаимосвязи скорости коррозии и фактора разнозернистости, определяющий антикоррозионные свойства; 3) получены новые экспериментальные данные о том, что циклическая нормализация, проведенная при разных температурах в диапазоне 900-950 °С, приводит к формированию значительно различающегося микроструктурного, структурно-фазового и напряженного состояния; 4) установлено влияние температуры нормализации и количества ее циклов на характер формирующихся коррозионных отложений; 5) на основе исследования параметров циклической нормализации рекомендован новый режим термической обработки стали 20 – двукратная нормализация при 920 °С, который эффективно замедляет коррозию на наружной поверхности котельных труб Основные научные положения, выносимые на защиту:  большое различие в характеристиках однородности микроструктуры (фактор разнозернистости отличается в 3, раза), уровня внутренних напряжений (~40%) является причиной разной коррозионной повреждаемости труб, изготовленных из стали 20;  скорость коррозии трубных образцов из стали 20 в среде, имитирующей состав продуктов сгорания экибастузских углей, обратно пропорциональна увеличению фактора разнозернистости;  однородная феррито-перлитная микроструктура, формируемая в условиях двукратной нормализации при 920 °С, обеспечивает ровный и плотный слой продуктов коррозии, имеющий хорошую адгезионную связь с поверхностью металла и защищающий ее от взаимодействия с рабочей средой;  двукратная нормализация при 920 °С влияет на увеличение ресурса труб поверхностей нагрева за счет формирования сорбитообразной структуры с фактором разнозернистости, равным 0, ;  рекомендованный режим, представляющий собой два цикла нормализации при 920 °С, обеспечивает повышение коррозионной стойкости малоуглеродистой стали 20 при сохранении требуемых для котельных труб механических свойств Достоверность научных положений подтверждается:  применением современных методов исследований с высокой разрешающей способностью (растровая электронная микроскопия, рентгеновский микроанализ, рентгенофазовый анализ и др );  соответствием основных положений физическим процессам, не противоречащим существующим данным о закономерностях формирования различных структур при термообработке;  сопоставлением полученных научных результатов с данными других исследований;  многократной проверкой результатов теоретического и экспериментального исследования, статистической обработкой результатов измерений. Практическая значимость работы состоит в следующем:  разработаны рекомендации по термической обработке труб поверхностей нагрева для эффективного увеличения коррозионной стойкости котельных труб, с возможностью ее проведения в условиях тепловой электростанции;  разработан и запатентован способ термической обработки труб из стали 20, повышающий эксплуатационные свойства поверхностей нагрева (патент № 2 802 6 «Способ повышения коррозионной стойкости труб из малоуглеродистых сталей»);  применение предложенного режима термической обработки в технологии производства или предмонтажной подготовки котельных труб позволит увеличить рабочий ресурс за счет повышения уровня коррозионной стойкости, что, в свою очередь, приведет к значительному ресурсосбережению;  результаты выполненных исследований используются в энергосервисном предприятии ООО «КВАРЦ Групп», экспертной компании ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», генерирующем предприятии энергетики (СП ТЭЦ- АО «ТГК- ») и получили положительную оценку Фонда «Энергия без границ», определяющего направления развития электроэнергетики Группы компаний «Интер РАО», включены в образовательную практику по направлению «Энергетическое машиностроение» в Томском политехническом университете Личный вклад автора заключается: в совместном с научным руководителем определении цели и постановке задач исследований, самостоятельном планировании экспериментов и получении основного массива экспериментальных результатов, изложенных в диссертации, анализе полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по теме диссертации Экспериментальная часть выполнена с использованием оборудования лабораторий ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», кафедры «Парогенераторостроение и парогенераторные установки» ФГАОУ