СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
METHOD OF STRENGTH AND TIGHTNESS TESTING OF BOILER EQUIPMENT AND PIPELINES ELEMENTS

Изобретение относится к способам проверки прочности и плотности стационарных трубопроводов и котлов и может быть использовано на тепловых электрических станциях, в котельных и на иных объектах энергетического назначения.
Известен способ определения допускаемого внутреннего давления для участков линейной части магистрального трубопровода со стресс-коррозионной трещиной (RU 2013145195 А, МПК F16L 57/02 (2006.01), опубл. 20.04.2015), заключающийся в том, что измеряют геометрические параметры участка трубопровода и стресс-коррозионной трещины, выявленной в результате диагностики. Учитывают коэффициент Пуассона, предел текучести, предел прочности, критические напряжения. При этом дополнительно определяют коэффициенты концентрации кольцевых и продольных напряжений в стенке трубопровода, термические напряжения. Затем проводят сравнение текущего рабочего давления в трубопроводе с допускаемым внутренним давлением, которое рассчитывают по математической зависимости
,
где δ - толщина стенки трубы, мм;
D - внешний диаметр трубы, мм;
t
σ - термические напряжения, МПа;
μ - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона);
n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению;
кц
γ - коэффициент концентрации кольцевых напряжений в стенке трубопровода;
пр
γ - коэффициент концентрации продольных напряжений в стенке трубопровода;
[σ] - допускаемое напряжение, МПа, определяемое из условия:
z
кр
[σ]=min{R;σ},
z
где R - расчетные допускаемые напряжения при одноосном растяжении, МПа;
кр
σ - критические напряжения, МПа;
пр
кц
кц
пр
2
2
ε=(μ⋅γ)+(γ)-μ⋅γ⋅γ.
Недостатками этого способа являются высокая трудозатратность его осуществления и ограниченность применения - способ предназначен для трубопроводов с наличием стресс-коррозионной трещины.
Известно устройство для испытания труб на герметичность (RU 2184946 С1, МПК 7 G01M 3/08, опубл. 10.07.2002), содержащее основание, уплотнительные головки, опоры для трубы, выполненные в виде люнетов. Люнеты имеют регулируемые опорные и прижимные поверхности, соединенные с гидроцилиндрами, которые работают в единой гидравлической системе. Эта система управляется датчиком регулирования давления, который, в свою очередь, управляется сигналами датчика линейного положения торца испытуемой трубы, соединенного с выключателем подачи испытательного давления. Выключатель срабатывает при достижении торцом трубы положения, соответствующего началу пластической деформации в любом ее сечении.
Величину давления при проведении испытаний на герметичность оценивают по показаниям датчика регулирования давления. Для этого трубу укладывают на опоры в уплотнительную головку, герметизируют. Люнеты закрывают и прижимные поверхности устанавливают на поверхности трубы. Затем гидравлической системой в трубе нагнетают нарастающее давление, под действием которого испытуемая труба увеличивается в диаметре и укорачивается. Испытание проводят в пределах упругой деформации или близко к пластической. Если деформация трубы близка к пластической, то выключатель дает команду на прекращение подачи испытательного давления и прекращение испытания. Испытание прекращают, делают вывод, что трубы данного типа можно использовать в условиях, где они нагружены более низким давлением. Так, для труб из стали 45 при Р=32 МПа укорочение равно 0,328 см, при Р = 70 МПа - 0,831 см, при Р = 360 МПа - 4,25 см.
Недостатком является невозможность испытания элементов оборудования сложной геометрической формы, например, U-образных змеевиков.
Известен способ гидравлических испытаний на прочность и герметичность элементов котельного оборудования и трубопроводов (Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением», приказ федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25 марта 2014 г. №116), выбранный в качестве прототипа, в котором испытуемое оборудование наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, создавая пробное давление, определяемое по формуле:
,
где Р - рабочее давление, МПа;
20
t
[σ], [σ] - допускаемые напряжения для материала элемента котельного оборудования и трубопровода соответственно при 20°С и расчетной температуре, МПа.
пр
При этом тщательно контролируют рост давления по двум независимым поверенным манометрам. После достижения величины пробного давления Р, оборудование выдерживают не менее 15 минут, отслеживая значение давления, которое не должно падать вследствие неплотности испытуемого оборудования. После чего давление снижают до рабочего, проводят визуальный осмотр оборудования и трубопроводов в доступных местах.
Если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей жидкости и разрывов металла, падение давления в процессе выдержки не выходило за пределы, объясняемые колебаниями давления вследствие изменения температуры жидкости, а после испытаний не выявлено видимых остаточных деформаций, то считают, что оборудование и трубопроводы выдержали гидравлические испытания и могут эксплуатироваться при рабочем давлении Р и ниже этого значения,
Недостатком способа является нагружение оборудования давлением на 25-50% выше рабочего без учета внутренних напряжений и степени повреждаемости металла (наличия микронесплошностей и микротрещин). Эти факторы могут привести к увеличению скорости ползучести более чем в 2,5 раза, что повлечет за собой нарушение плотности оборудования еще до момента следующей проверки гидроиспытанием.
Задача изобретения - повышение надежности работы оборудования за счет учета внутренних напряжений при проведении испытаний на прочность и герметичность.
В предложенном способе испытания элементов котельного оборудования и трубопроводов на прочность и герметичность так же, как в прототипе, котельное оборудование и трубопроводы:
пр
пр
а) наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, нагнетая давление до величины пробного давления Р. Контролируют рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины пробного давления Р котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут. Затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов;
б) если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации.
Согласно изобретению пробное давление определяют для не менее четырех образцов котельного оборудования и трубопроводов по выражению:
где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;
Е - модуль нормальной упругости, МПа;
a
i
- параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;
i
d - средний диаметр зерна, ;
- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;
нар
вн
D, D - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.
пр
За величину пробного давления испытаний Р принимают наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца .
пр
Если величина пробного давления испытаний Р больше нуля, то выполняют действия а) и б).
пр
Если величина пробного давления испытаний Р равна нулю или меньше нуля, то делают вывод о невозможности эксплуатации котельного оборудования и трубопроводов.
пр
Величину рабочего давления при эксплуатации принимают равной пробному давлению Р или меньшей этого значения.
Максимально допустимое давление для трубы определяют по формуле [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г.]:
w
где ϕ - коэффициент прочности сварных соединений;
[σ] - номинальное допускаемое напряжение, МПа;
s - номинальная толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;
нар
вн
D,D - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.
пр
w
Превышение максимально допустимого давления [Р] недопустимо из соображений безопасности, поэтому его величину принимали за величину пробного давления Р гидравлических испытаний, при этом коэффициент прочности сварных соединений ϕ приравнивали 1 [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г., раздел 4.2]:
Для нахождения напряжений в (2) Гриффитсом получено выражение:
где K - коэффициент интенсивности напряжений,  [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34].
Используя (3), определяли эффективный диаметр зерна d, разрушение которого возможно под действием напряжения σ:
Значение K определяли по формуле [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34]:
a
i
где  - параметр кристаллической решетки.
Выражение (5) подставляли в (4):
На основании (6) получили:
Соответственно (2) приняло вид:
Учитывая, что труба перед гидравлическим испытанием уже имеет внутренние структурные напряжения даже в состоянии поставки (фиг. 1), выражение (8) примет вид:
где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;
Е - модуль нормальной упругости, МПа;
a
i
- параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;
i
d - средний диаметр зерна, ;
- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;
нар,
вн
D D - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.
пр
II
Выбор пробного давления испытаний Р, как наименьшего из полученных величин , обосновывается на основании результатов измерения внутренних структурных напряжений участка трубы в состоянии поставки (фиг. 1), из которых следует, что внутренние структурные напряжения II рода не являются однородными для различных участков трубы: даже в состоянии поставки внутренние структурные напряжения II рода σ по длине трубы имеют существенный разброс - от нуля (фиг. 1, образцы 1) до 460 МПа (фиг. 1, образцы 4).
пр
Внешние давления, складываясь с высокими внутренними структурными напряжениями, могут привести к разрушению структуры зерна (трещинообразованию). В этой связи пробное давление Р, прилагаемое к котельному оборудованию и трубопроводам при испытаниях на прочность и герметичность, должно быть скорректировано с учетом неравномерности распределения и величины внутренних структурных напряжений II рода.
пр
пр
Если полученная величина пробного давления испытаний Р меньше величины рабочего давления, при котором эксплуатируется котельное оборудование и трубопроводы, то необходимо заменить змеевик или снизить величину рабочего давления до значения Р или ниже его.
II
На фиг. 1 показана зависимость внутренних структурных напряжений II рода σ на участке U-образного змеевика из стали 10 (в состоянии поставки) от плотности дислокаций: 1 - релаксированные образцы прямых участков труб; 2, 3 - участки трубы из различных зон гибов; 4, 5 - образцы прямых участков.
На фиг. 2 показан U-образный змеевик с указанием областей, рекомендованных для отбора образцов.
a
i
В таблице 1 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки  и внутренних структурных напряжений II рода  образцов из первого U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .
В таблице 2 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки и внутренних структурных напряжений II рода  образцов из второго U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .
нар
i
i
a
Пример 1. В U-образном змеевике водогрейного котла из труб, изготовленных из стали 10 наружным диаметром D=60 мм и толщиной s=3 мм, подготовили пять образцов. Образцы вырезали из одной произвольно выбранной трубы змеевика, как показано на фиг. 2, зачистили их поверхность, снимая имеющийся на поверхности слой ржавчины и окислов. На рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки  образцов и средний диаметр зерна d (табл. 1). Затем определили внутренние структурные напряжения II рода  образцов [Любимова Л.Л. Методика рентгенометрического анализа внутриструктурных напряжений // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306 - №4. - С. 72-77], которые представлены в таблице 1.
Модуль нормальной упругости Е при температуре 20°С для стали 10 составляет [Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур: Справочник: в 2 кн. / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - С. 51]:
Е=210000 МПа.
вн
Значение внутреннего диаметра трубы D составляет:
вн
нар
D=D-2⋅s=60-2⋅3=54 мм.
пр
Определили величины пробного давления для каждого образца  (табл. 1). За величину пробного давления испытаний Р приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:
пр
Р=-5 МПа.
пр
Полученное значение Р свидетельствует о том, что в процессе испытания труба не выдержит нагружения и будет разрушена, а U-образный змеевик невозможно эксплуатировать. Змеевик должен быть полностью заменен.
нар
i
i
вн
Пример 2. В другом U-образном змеевике водогрейного котла со схожими со змеевиком из примера 1 параметрами - материал сталь 10, наружный диаметр D=60 мм и толщина s=3 мм - таким же образом подготовили пять образцов. Затем аналогично предыдущему примеру на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки a образцов и средний диаметр зерна d, определили внутренние структурные напряжения II рода  образцов (табл. 2), модуль нормальной упругости Е=210000 МПа и значение внутреннего диаметра трубы D=54 мм, а также величины пробного давления для каждого образца , представленные в таблице 2.
пр
За величину пробного давления испытаний Р приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:
пр
Р=14 МПа.
Далее восстанавливали целостность трубы путем заваривания участков, из которых вырезали образцы.
пр
пр
Испытуемый U-образный змеевик при помощи насоса наполняли жидкостью с температурой +20°С, нагнетая давление до величины пробного давления Р=14 МПа. При этом контролировали рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины давления, равной пробному давлению Р, насос останавливали, а U-образный змеевик выдерживали 15 минут. После чего давление снижали, проводили визуальный осмотр U-образного змеевика. Отсутствовали течи жидкости и разрывы металла, что позволило сделать вывод, что U-образный змеевик пригоден для последующей эксплуатации до момента следующей плановой проверки. Величину рабочего давления U-образного змеевика по технологическим параметрам приняли Р=2,25 МПа.