Прибор неразрушающего контроля пароперегревательных труб из аустенитной стали с определением их полного и остаточного ресурса
DEVICE FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF STEAM SUPERHEATING PIPES FROM AUSTENITIC STEEL WITH DETERMINATION OF THEIR FULL AND RESIDUAL LIFE

Область использования
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на тепловых электростанциях для эксплуатационного контроля прочности выполненных из аустенитных сталей пароперегревательных труб.
Пароперегревательные трубы современных паровых котлов тепловых электростанций находятся под воздействием высоких температур и давлений, в связи с чем выполняются из жаропрочных аустенитных сталей.
Для проведения эксплуатационного контроля пароперегревательных труб из аустенитных сталей используются методы неразрушающего контроля: ультразвуковой толщинометрии, магнитной ферритометрии и визуального осмотра (РД 10-577-03 и СТО 70238424.27.100.005-2008 [1]).
Целью эксплуатационного контроля пароперегревательных труб является не только мониторинг их состояния, но и по возможности достаточно надежная оценка их полного и остаточного ресурса, что связано с необходимостью учета многочисленных факторов.
Известен принятый в качестве прототипа патентуемого изобретения прибор для определения методами неразрушающего контроля полного и остаточного ресурса выполненных из аустенитной стали пароперегревательных труб, содержащий:
процессорный блок с клеммными разъемами для подключения выносного ферритометрического наконечника и выносного ультразвукового толщиномера;
соединенную с указанным процессорным блоком клавиатуру для ввода необходимых дополнительных величин, а также данных необходимых измерений штатными измерительными средствами электростанции и дисплей для визуализации вводимых и выходных данных;
причем указанный процессорный блок включает в себя:
процессорный узел для определения эквивалентной эксплуатационной температуры наружной поверхности пароперегревательных труб по данным измерений с помощью указанного выносного ферритометрического наконечника среднемассовой концентрации ферритной фазы в металле на наружной поверхности пароперегревательной трубы и с помощью штатного кислородомера концентрации кислорода в дымовых газах;
процессорный узел для определения приведенного механического напряжения в металле пароперегревательных труб по данным измерения с помощью указанного выносного ультразвукового толщиномера остаточной толщины стенки трубы и известному исходному значению номинального внутреннего диаметра указанных труб, а также известному значению избыточного давления пара на входе в них;
измеритель текущего времени с момента начала эксплуатации контролируемых пароперегревательных труб;
процессорный узел для определения:
полного ресурса указанных пароперегвательных труб;
использованной доли указанного полного ресурса;
доли остаточного ресурса и остаточного ресурса указанных пароперегревательных труб (RU 162551, G01N 3/00, 2015 [2]).
Использование прибора [2] обеспечивает оперативную достоверную оценку полного и остаточного ресурса пароперегревательных труб с исключением разрушающих методов контроля.
Недостатком данного прибора является то, что он не учитывает возможности наличия в стенке контролируемой трубы трещинноподобных дефектов, делающих бессмысленным проведение всех предусмотренных прибором измерительных операций по определению практически исчерпанного ресурса трубы.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание прибора способного оперативно выдавать надежные данные по оценки методами неразрушающего контроля полного и остаточного ресурса пароперегревательных труб из аустенитной стали в условиях ползучести при любом остаточном состоянии указанных труб, а техническим результатом - обеспечение возможности получения с помощью указанного прибора предварительных данных о наличии в стенке контролируемых труб трещинноподобных дефектов, свидетельствующих о полном исчерпании ресурса трубы.
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что
прибор для определения полного и остаточного ресурса выполненных из аустенитной стали пароперегревательных труб, содержащий:
процессорный блок с клеммными разъемами для подключения выносного ферритометрического наконечника и выносного ультразвукового толщиномера;
соединенную с указанным процессорным блоком для ввода необходимых дополнительных величин, а также данных необходимых измерений штатными измерительными средствами электростанции и дисплей для визуализации вводимых и выходных данных;
причем указанный процессорный блок включает в себя:
процессорный узел для определения эквивалентной эксплуатационной температуры наружной поверхности пароперегревательных труб по данным измерений с помощью указанного выносного ферритометрического наконечника среднемассовой концентрации ферритной фазы в металле на наружной поверхности пароперегревательной трубы и с помощью штатного кислородомера концентрации кислорода в дымовых газах;
процессорный узел для определения приведенного механического напряжения в металле пароперегревательных труб по данным измерения с помощью указанного выносного ультразвукового толщиномера остаточной толщины стенки трубы и известному исходному значению номинального внутреннего диаметра указанных труб, а также известному значению избыточного давления пара на входе в них;
измеритель текущего времени с момента начала эксплуатации контролируемых пароперегревательных труб;
процессорный узел для определения:
полного ресурса указанных пароперегревательных труб;
использованной доли указанного полного ресурса;
доли остаточного ресурса и остаточного ресурса указанных пароперегревательных труб,
согласно патентуемому изобретению:
он дополнительно снабжен блоком электропотенциальной дефектоскопии с выносными контактными электродами для определения наличия в контролируемой трубе трещиноподобных дефектов, полностью исчерпывающих ее остаточный ресурс;
и переключателем для последовательного подключения входа указанного дисплея к выходам указанных блока электропотенциальной дефектоскопии и узла определения полного и остаточного ресурса.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и указанным техническим результатом заключается в следующем: связь между признаком «прибор дополнительно снабжен блоком электропотенциальной дефектоскопии с выносными контактными электродами …» и техническим результатом пояснена выше в раскрытии изобретения.
Снабжение прибора переключателем для последовательного подключения входа указанного дисплея к выходам указанных блока электропотенциальной дефектоскопии и узла определения полного и остаточного ресурса позволяет обеспечить оперативность получения данных либо о полном исчерпании ресурса, либо о наличие и величине остаточного ресурса, а также о величине полного ресурса контролируемой трубы.
Новизна и изобретательский уровень
Новизна заявляемого изобретения подтверждается наличием в нем отличительных признаков по отношению к выбранному прототипу.
Изобретательский уровень определяется доказательством неочевидности для специалиста применения выявленных по отношению к прототипу отличительных признаков для решения патентуемым изобретением поставленной задачи и достижения технического результата.
Проведенный с этой точки зрения анализ отличительных признаков патентуемого изобретения показал:
1. Электропотенциальные дефектоскопы с выносными контактными электродами для определения наличия в контролируемой трубе трещинноподобных дефектов известны (патент RU 2114413, G01N 3/00, 1998 [3]). Однако такие дефектоскопы имеют узкое назначение диагностирования наличия и состояния трещинноподобных дефектов, не давая полной информации, позволяющей автоматически оценить полный остаточный ресурс контролируемой детали.
2. Кроме того, важным элементом патентуемого прибора является наличие переключателя, обеспечивающего обеспечить оперативность получения данных либо о полном исчерпании ресурса, либо о наличие и величине остаточного ресурса, а также о величине полного ресурса контролируемой трубы, что не предусмотрено источником информации [3].
Следует отметить также, что как уже отмечалось выше, решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата может быть обеспеченно только при совокупном использовании всех существенных признаков изобретения, взаимосвязанных между собой.
Краткое описание чертежа
На чертеже представлена блок-схема прибора согласно изобретению.
Условные обозначения
БЭПД - блок электропотенциальной дефектоскопии;
ВУЗТ - выносной ультразвуковой толщиномер;
ВФН - выносной ферритометрический наконечник;
ВЭД - выносные контактные электроды электропотенциального дефектоскопа;
ИТВ - измеритель текущего времени;
КР - клеммный разъем;
ПБ - процессорный блок;
ПКД - переключатель дисплея;
ПТ - пароперегревательная труба;
УОП - узел оперативной памяти процессорного блока;
УОПН - узел ПБ для определения приведенного механического напряжения;
УОР - узел ПБ для определения полного и остаточного ресурса ПТ;
УОЭТ - узел ПБ для определения ЭЭТ пароперегревательной трубы;
ЭЭТ - эквивалентная эксплуатационная температура.
Расшифровка индексов параметров
з - запаса (коэффициент);
исп - использованная (доля);
н - номинальное значение;
ост - остаточная (толщина) и остаточный (ресурс);
п - полный (ресурс);
ф - ферритная фаза;
э - эксплуатации (начало);
экв - эквивалентная (по условиям эксплуатации);
О - кислорода (концентрация).
Перечень позиций чертежа
10 - ПБ; 11, 12, 61 - КР; 13 - УОП; 14 - УОЭТ; 15 - УОПН; 16 - ИТВ; 17 - УОР; 20 - ВФН; 30 - ВУЗТ; 40 - клавиатура; 50 - дисплей; 60 - БЭПД; 62 - ВЭД; 70 - ПКД.
Осуществление изобретения
Прибор согласно изобретению для определения методами неразрушающего контроля полного и остаточного ресурса выполненных из аустенитной стали пароперегревательных труб (ПТ) содержит:
процессорный блок (ПБ) 10 с клеммными разъемами (КР) 11, 12 для подключения соответственно выносного ферритометрического наконечника (ВФН) 20 и выносного ультразвукового толщиномера (ВУЗТ) 30;
соединенные с указанным ПБ 10 клавиатуру 40 для ввода необходимых дополнительных величин, а также данных необходимых измерений штатными измерительными средствами электростанции (не показаны) и дисплей 50 для визуализации вводимых и выходных данных.
При этом ПБ 10 содержит:
узел оперативной памяти (УОП) 13 для запоминания вводимой информации,
узел (УОЭТ) 14 для определения эквивалентной эксплуатационной температуры (ЭЭТ) наружной поверхности ПТ по данным измерений с помощью указанного ВФН 20 среднемассовой концентрации ферритной фазы в металле на наружной поверхности ПТ и с помощью штатного кислородомера (не показан) концентрации кислорода в дымовых газах, в соответствии с соотношением:
экв
ф
О
3
где Т - эквивалентная температура, К; С - среднемассовая концентрация ферритной фазы в металле на наружной поверхности пароперегревательных труб, %; с - усредненное значение концентрации кислорода в омывающей пароперегреватель газовой среде, кг/м; R=8,314 Дж/(моль⋅K) - универсальная газовая постоянная; A, В, С - определяемые экспериментально константы, зависящие от марки аустенитной стали;
узел (УОПН) 15 для определения приведенного механического напряжения в металле - ПТ по данным измерения с помощью указанного ВУЗТ 30 остаточной толщины стенки трубы и известному исходному значению номинального внутреннего диаметра указанных труб, а также известному значению избыточного давления пара на входе в ПТ, в соответствии с соотношением:
H
ост
где σ - приведенное напряжение в металле пароперегревательных труб, МПа; p - избыточное давление пара на входе в пароперегревательные трубы в базисном режиме работы по паспорту котла, МПа; d - исходный номинальный внутренний диаметр пароперегревательных труб по паспорту котла, мм; S - остаточная толщина стенки пароперегревательной трубы, мм;
измеритель текущего времени (ИТВ) 16 с момента начала эксплуатации контролируемых ПТ;
узел УОР 17 для определения:
полного ресурса указанных ПТ в соответствии с соотношением:
п
где τ - полный ресурс пароперегревательных труб, ч;
з
E, ,F ,G - определяемые экспериментально константы, зависящие от марки аустенитной стали; К - коэффициент запаса прочности;
использованной доли указанного полного ресурса в соответствии с соотношением:
э
где τ - текущее время с начала эксплуатации контролируемых ПТ, ч;
доли остаточного ресурса в соответствии с соотношением:
и остаточного ресурса указанных ПТ в соответствии с соотношениями:
ост
где t - остаточный ресурс надежной эксплуатации пароперегревательных труб, ч.
Согласно патентуемому изобретению прибор дополнительно снабжен блоком электропотенциальной дефектоскопии (БЭПД) 60 с подключенными к нему через клеммные разъемы (КР) 62 выносными контактными электродами (ВЭД) 62 для определения наличия в контролируемой трубе трещиноподобных дефектов, полностью исчерпывающих ее ресурс, и переключателем (ПКД) 70 для последовательного подключения входа указанного дисплея к выходам БЭПД 60 УОР 17.
Работа прибора осуществляется следующим образом.
Для получения исходной информации о состоянии выполненных из аустенитной стали ПТ после каждого планового или аварийного останова котла с помощью ВФН 20, ВУЗТ 30, а также клавиатуры 40 в УОП 13 ПБ 10 вводят данные о среднемассовой концентрации ферритной фазы в металле на наружной поверхности ПТ, концентрации кислорода в омывающей пароперегреватель газовой среде (в дымовых газах), исходной и остаточной толщине стенки металла ПТ, избыточного давления пара на входе в них и других необходимых величин. Полученная информация поступает в узлы 14-16 ПБ 10 для определения промежуточных величин по соотношениям (1), (2), затем в УОР 17 для определения искомых значений полного ресурса, доли остаточного ресурса от полного и остаточного ресурса ПТ в часах. Полученные значения промежуточных и выходных величин высвечиваются на дисплее 50 прибора.
Одновременно с помощью БЭПД 60 определяют наличие в стенке контролируемой ПТ трещинноподобных дефектов, полностью исчерпывающих ее ресурс. Меняя положение переключателя ПКД 70, оператор получает взаимоисключающую информацию либо об исчерпании ресурса с необходимостью замены контролируемой ПТ, либо о наличии у нее остаточного ресурса со сведениями о его величине, а также о величине полного ресурса контролируемой ПТ.
Промышленная применимость
Прибор согласно изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.