Приложение В. Методические рекомендации по расчетному обоснованию выбора температуры гидравлического испытания барабана после ремонта сваркой

Приложение В

Методические рекомендации по расчетному обоснованию выбора температуры гидравлического испытания барабана после ремонта сваркой

1. Основные условные обозначения:

D	-	внутренний диаметр барабана, мм;
	-	средний диаметр барабана, мм;
	-	коэффициент интенсивности напряжений (КИН), ;
	-	критический коэффициент интенсивности условно-упругих напряжений, ;
	-	напряжение, МПа;
	-	составляющая напряжений растяжения, МПа;
	-	составляющая изгибных напряжений, МПа;
	-	предел прочности при температуре Т, МПа;
	-	условный предел текучести материала при температуре T, МПа;
S	-	толщина стенки барабана, мм;
а	-	глубина дефекта (выборки), мм;
с	-	полудлина дефекта (по поверхности), мм;
d	-	диаметр отверстия в барабане, мм;
L	-	характерное расстояние от дефекта (выборки), мм;
	-	расстояние от дефекта (выборки) до кромки ближайшего отверстия, мм;
	-	расстояние от дефекта (выборки) до края ближайшего сварного шва, мм;
	-	коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений;
НВ	-	твердость металла по Бринелю;
	-	температура гидравлических испытаний, °С;
	-	критическая температура хрупкости металла, °С.

2. Общие положения

2.1. Настоящие Методические рекомендации распространяются на барабаны котлов, изготовленные из стали отечественных марок, после проведения ремонтно-восстановительных операций с использованием сварки без последующей термообработки. Расчет барабанов, изготовленных из стали иностранных марок, должен выполняться экспертной организацией.

2.2. Основные положения настоящих Методических рекомендаций базируются на подходах к расчету сопротивления хрупкому и квазихрупкому разрушению энергетического оборудования в процессе эксплуатации ТЭС и АЭС.

2.3. Расчет проводится по критерию предельно допустимых значений коэффициента интенсивности условно-упругих напряжений для режима гидроиспытаний барабана.

2.4. Температура гидроиспытаний барабана определяется путем сопоставления расчетного значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) с предельно допустимым его значением.

2.5. Основными характеристиками материала, используемыми в расчете, являются критический коэффициент интенсивности условно-упругих напряжений , критическая температура хрупкости , а также предел прочности и предел текучести металла. При отсутствии данных о фактических свойствах металла (, и ) допускается выполнять расчет с помощью корреляционных зависимостей между твердостью металла и пределом текучести. В этом случае расчет должен быть согласован с экспертной организацией.

2.6. Расчет проводится после выполнения обследования и ремонта барабана, включающих измерение геометрических параметров всех выборок (заплавленных и незаплавленных) и послеремонтный контроль качества.

2.7. Поверочный расчет по определению допустимой температуры гидроиспытаний барабана необходимо проводить при условии выполнения ремонтных наплавок в значительном объеме без последующей (послесварочной) термообработки в следующих случаях:

- наплавка на отдельном мостике захватывает всю его протяженность;

- максимальная глубина выборки под наплавку превышает 25° толщины стенки барабана (независимо от протяженности и места расположения этой наплавки);

- суммарная протяженность ремонтных наплавок для трех или более смежных мостиков между отверстиями захватывает более половины общей протяженности таких мостиков, а максимальная глубина выборок под эти наплавки составляет более 10 мм;

- ремонтная наплавка, располагающаяся в зоне основного сварного соединения или одиночного отверстия барабана, имеет протяженность более 300 мм при максимальной глубине соответствующей выборки более 15 мм;

- группа наплавок в зоне основного сварного соединения или одиночного отверстия ( мм) имеет протяженность более 20% длины полученного шва или более двух диаметров такого отверстия при максимальной глубине соответствующих выборе# более 10 мм.

Примечание - Две или более смежные наплавки (выборки) образуют группу, если расстояние между их ближайшими кромками составляет менее двукратного размера наибольшей наплавки (выборки) в рассматриваемом направлении или менее .

3. Схематизация выборок и аппроксимация их поверхностными дефектами

3.1. Выборка аппроксимируется поверхностным дефектом полуэллиптической формы. Полуоси эллипса по поверхности обечайки с и в глубину а соответствуют длине (I = 2 с) и глубине а выборки (дефекта) - рисунок В.1.

3.2. За расчетное направление принимается, как правило, направление, перпендикулярное оси действия максимальных растягивающих напряжений. В зависимости от конкретной системы отверстий и соответственно ориентации мостиков в качестве расчетного может выступать продольное или поперечное направление, а также направление под углом к продольной оси барабана.

3.3. Протяженная выборка аппроксимируется правильным полуэллипсом, большая ось которого равняется максимальной протяженности выборки в расчетном направлении (2с = 1), а малая ось равняется максимальной глубине выборки а - см. рисунок В.1, а.

Если выборка имеет значительную глубину при относительно небольшой длине , то такая выборка аппроксимируется дефектом с соотношением полуосей a/c = 0,5 и с центром полуэллипса напротив точки максимальной глубины выборки - см. рисунок В.1, б.

Если при этом выборка имеет заведомо несимметричный профиль, аппроксимация производится аналогичным образом, и тогда центр схематичного дефекта оказывается смещенным относительно точки максимальной глубины фактической выборки - см. рисунок В.1, в.

Аппроксимация выборки, выходящей на поверхность отверстия, выполняется полуэллипсом, касающимся кромки отверстия. При этом малая полуось эллипса а соответствует максимальной глубине выборки, а большая ось 2с - максимальной протяженности выборки I, если . Если а/(1/2) > 0,5, то большая ось полуэллипса принимается из условия а/с = 0,5 - см. рисунок В.1, г. Указанная схематизация допустима, если между максимальным размером выборки по поверхности отверстия h и максимальной общей ее глубиной а выполняется соотношение . В противном случае поверочный расчет по определению допустимой температуры гидроиспытаний должна выполнять экспертная организация.

3.4. Скопление рядом расположенных выборок объединяется в одну группу и аппроксимируется общим полуэллипсом, если расстояние между кромками соседних выборок в расчетном направлении составляет менее двукратного размера наибольшей выборки в этом направлении или менее - рисунок В.2.

4. Расчет коэффициента интенсивности напряжений

4.1. Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) определяют численно или аналитически. Допускается определять КИН по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений;

- составляющая напряжений растяжения;

- составляющая изгибных напряжений;

; ; (Н - длина зоны, в пределах которой составляющая изгибных напряжений сохраняет положительное значение);

.

Формулой допускается пользоваться при и .

4.2. Составляющую напряжений растяжения определяют по формуле:

,

где j - координата;

S - толщина стенки в расчетном сечении;

- функция изменения напряжений по толщине стенки.

Значение составляющей напряжений изгиба определяют по формуле

где - значение функции изменения напряжений по толщине стенки в точке n.

4.3. При расчете КИН для режима гидроиспытаний допускается распределение напряжений по толщине стенки аппроксимировать линейной функцией. Тогда параметр Н=0,5S.

4.4. При расчете зон, где отсутствует концентрация напряжений, принимают .

Для зон, содержащих концентратор напряжений, допускается применять следующую упрощенную схему выбора коэффициента .

4.4.1. Выборка располагается в зоне продольного сварного соединения, т.е. минимальное расстояние от кромки выборки до края сварного шва - тогда .

4.4.2. Выборка расположена в пределах мостика между отверстиями в барабане или в зоне одиночного отверстия (т.е. на расстоянии от кромки отверстия не более ):

- - при ;

- - при ;

- - при ;

где - расстояние от кромки выборки до кромки ближайшего отверстия;

d - диаметр отверстия.

4.5. Допускается определение напряжений для расчета КИН выполнять по упрощенным методикам при условии, что в их основу положены заведомо консервативные предположения.

5. Определение предельно допустимых значений коэффициентов интенсивности напряжений

5.1. Расчет проводится с использованием методов линейной и нелинейной механики разрушения.

В хрупкой области расчет базируется на температурной зависимости критического КИН (вязкости разрушения) от приведенной температуры , где - критическая температура хрупкости металла.

В квазихрупкой и вязкой областях расчет ведется с использованием критического коэффициента интенсивности условно-упругих напряжений .

5.2. Определяют температурные границы областей расчета: хрупкой, квазихрупкой и вязкой - согласно методическим положениям действующих в атомной энергетике НД. Граница хрупкой области определяется приведенной температурой , которой соответствует значение , вычисленное из соотношения

,

где есть - характерная (критическая) величина КИН в функции расчетной температуры T и критической температуры хрупкости ;

- функция вида дефекта и его относительной глубины :

;

- параметр относительной глубины дефекта и его формы:

.

Устанавливают значения первой и второй критических температур хрупкости ( и соответственно: ).

5.3. В хрупкой области допускается использовать обобщенную температурную зависимость от согласно п. 5.8.3.4 [6].

5.4. В квазихрупкой области при температуре значение критического КИН определяют по формуле

,

где - значение , соответствующее температуре ;

.

Параметр определяют согласно п. 5.2 настоящих Методических рекомендаций.

5.5. В квазихрупкой области при температуре значение критического КИН определяют по формуле:

,

где ;

,

где - характеристика металла. Допускается принимать для стали марок 20К, 22К и 16ГНМ - ; для стали 16ГНМА - .

5.6. В вязкой области при температуре значение критического КИН определяют по формуле

.

5.7. При допускается принимать и для всего температурного диапазона критический КИН определяют по формуле

.

5.8. При и при температуре допускается определять по формуле

.

5.9. При отсутствии данных по фактическим свойствам металла барабана допускается принимать значения и по сертификатам качества металла, содержащимся в паспорте котла.

6. Характеристика предельного состояния

6.1. Сопротивление хрупкому и квазихрупкому разрушению можно считать обеспеченным, если выполняется условие:

.

6.2. Температурную зависимость от приведенной температуры получают как нижнюю огибающую двух кривых, одна из которых получается путем деления ординат исходной кривой зависимости от на коэффициент запаса n, а другая - путем смещения указанной исходной кривой вдоль оси температур на значение температурного запаса . Для рассматриваемых условий гидроиспытаний принимают: n = 2; .

6.3. Для конкретного значения критической температуры хрупкости металла температурную зависимость допустимого значения КИН [K] рекомендуется строить не от приведенной, а от абсолютной температуры Т.

7. Определение допустимой температуры металла барабана при гидравлических испытаниях

7.1. Гидравлические испытания должны проводиться при условиях, чтобы температура барабана была больше или равна допустимой температуре , определенной из расчета на сопротивление хрупкому или квазихрупкому разрушению.

7.2. Температуру определяют с использованием условия , где - КИН в рассматриваемых сечениях барабана при гидроиспытаниях.

7.3. Если отремонтированный барабан подпадает под действие п. 2.7 настоящих Методических рекомендаций, необходимо провести замеры геометрических параметров всех выборок и групп выборок, соответствующих показателям поврежденности согласно условиям п. 2.7.

7.4. Далее выполняют схематизацию указанных выборок согласно разделу 3 настоящих Методических рекомендаций и устанавливают геометрические параметры аппроксимированных поверхностных дефектов.

7.5. Определяют напряженное состояние в расчетных сечениях барабана и устанавливают составляющую напряжений растяжения и напряжений изгиба - (п. 4.2 настоящих Методических рекомендаций) при гидроиспытаниях.

7.6. Выполняют расчет значений КИН (т.е. ) для установленных геометрических параметров аппроксимированных дефектов с учетом конкретных зон их расположения в барабане согласно указаниям раздела 4 настоящих Методических рекомендаций.

7.7. Выполняют расчет температурных границ ( и ) для установленных геометрических параметров аппроксимированных дефектов и определяют температурную зависимость критического КИН, т.е. зависимость от или от T для известного значения критической температуры хрупкости металла . Расчет и и определение значений (или ) для выбранного диапазона температур проводят согласно указаниям раздела 5 настоящих Методических рекомендаций. Рекомендуется значения критического КИН ( или ) определять в температурном диапазоне +10... + 140°С с шагом 10°С.

7.8. Строят температурную зависимость допустимых КИН от температуры T (или от приведенной температуры ) для принятых коэффициентов запаса согласно указаниям пп. 6.2, 6.3 настоящих Методических рекомендаций.

7.9. С использованием полученной температурной зависимости от Т (или и для полученного КИН определяют допустимую температуру металла барабана при гидроиспытаниях . Значение равняется температуре T, соответствующей значению в зависимости от Т в точке .

7.10. При отсутствии данных о фактических свойствах металла барабанов, изготовленных из стали марок 22К или 16ГНМ, или 16ГНМА допускается приближенно определять допустимую температуру гидроиспытаний с помощью номограмм на рисунках В.3, а-в, В.4, а-в.

Ремонтные заварки в зоне сварного соединения или за пределами влияния концентраторов напряжений

Ремонтные заварки в зонах одиночных отверстий ( мм) барабана

Ремонтные заварки между отверстиями (в пределах мостиков) барабана

Ремонтные заварки в зоне сварного соединения или за пределами влияния концентраторов напряжений

Ремонтные заварки в зонах одиночных отверстий ( мм) барабана

Ремонтные заварки между отверстиями (в пределах мостиков) барабана

При этом необходимо выполнить металлографический анализ микроструктуры металла наиболее поврежденной обечайки или днища на сколах. Скол отбирается из зоны выборки, а также из зоны ближайшего сварного соединения.

В данном случае расчет должен быть согласован с экспертной организацией в установленном порядке.

Примечания:

1 Если на какой-либо обечайке барабана отмечается сочетание одновременно двух или более показателей поврежденности согласно п. 2.7 настоящих Методических рекомендаций, то требуется определение фактических механических свойств (, , и ) при комнатной и рабочей температурах и критической температуры хрупкости металла на вырезке "пробки" из данной обечайки. Критическую температуру хрупкости металла следует определять по методике, изложенной в п. 5.5 приложения 2 к [6]. В случае, если указанное выше сочетание показателей поврежденности имеет место на нескольких обечайках барабана, то вырезку "пробки" (с последующим исследованием свойств металла) следует выполнять из обечайки с более высокими значениями твердости металла при условии отсутствия аномальных отклонений в структуре металла.

2 Пользоваться номограммами на рисунках В.3, a-в, В.4, a-в для определения допустимой температуры гидроиспытаний допускается в случае отсутствия аномальных отклонений в структуре металла; графитизация металла в зоне сварного соединения не должна превышать балла 2 шкалы графитизации действующего НД.

Примеры расчета

П-1. Барабан котла типа ТП-230, изготовленный из стали 22К.

Выборка под ремонтную заварку располагается в зоне одиночного отверстия под водоопускную трубу.

Относительная глубина выборки составляет a/S = 0,22.

Параметр формы выборки а/с = 0,4.

Ближайшее расстояние от кромки выборки до края отверстия (где d - диаметр отверстия), следовательно, коэффициент концентрации .

Твердость металла обечайки барабана составляет (в среднем) НВ .

Воспользуемся номограммами на рисунке В.3,б.

Откладываем на правом графике по оси абсцисс точку, соответствующую относительной глубине выборки (a/S = 0,22) - точка А.

Проводим из точки А вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей а/с = 0,4 и (кривая "символ_1"

Проводим из этой точки (точка пересечения) горизонтальную линию до пересечения с кривыми левого графика, соответствующими НВ 170 и a/S = 0,2, a/S = 0,3 (кривые "символ_2" и "символ_3" соответственно).

Из точек пересечения с указанными кривыми опускаем проекцию на ось абсцисс левого графика - получаем точки В и С, отвечающие температуре гидроиспытаний при a/S = 0,2 и a/S = 0,3 соответственно.

Методом линейной интерполяции определяем точку, соответствующую относительной глубине выборки a/S = 0,22, - точка D на оси абсцисс левого графика.

Для рассматриваемого примера температура гидроиспытаний должна составлять не менее 72°С.

П-2. Барабан котла типа ТГМ-96, изготовленный из стали 16ГНМ.

Выборка под ремонтную заварку расположена в зоне продольного сварного соединения.

Относительная глубина выборки составляет: a/S = 0,27.

Параметр формы выборки: а/с = 0,3.

Коэффициент концентрации в зоне шва: .

Твердость металла обечайки барабана составляет (в среднем) НВ .

Воспользуемся номограммами на рисунке В.4, а.

Откладываем на правом графике по оси абсцисс точку, соответствующую относительной глубине выборки (a/S = 0,27) - точка А.

Проводим из точки А вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей а/с = 0,3 и (кривая "символ_2" ).

Проводим из этой точки (точка пересечения) горизонтальную линию до пересечения с кривыми левого графика, соответствующими НВ 170 и a/S = 0,2, a/S - 0,3 (кривые "символ_2" и "символ_3" соответственно). Из точек пересечения с указанными кривыми опускаем проекцию на ось абсцисс левого графика - получаем точки В и С, отвечающие температуре гидроиспытаний при a/S = 0,2 и a/S = 0,3 соответственно.

Методом линейной интерполяции определяем точку, соответствующую относительной глубине выборки a/S = 0,27, - точка D на оси абсцисс левого графика.

Для рассматриваемого примера температура гидроиспытаний должна составлять не менее 114°С.

Примечание - Если параметр формы выборки а/с имеет промежуточное значение между реперными значениями, соответствующими определенным кривым на правых графиках рисунков В.3, В.4 (см. таблицы под правыми графиками), искомая точка на правом графике, отвечающая заданным параметрам a/S и а/с, определяется методом линейной интерполяции по параметру а/с. Аналогичным образом используется правило линейной интерполяции для промежуточных значений твердости металла барабана при определении характерных точек на левых графиках рисунков В.3, В.4.