ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНОГО И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬНЫХ ТРУБ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ

Область техники
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована на тепловых электростанциях для мониторинга прочности выполненных из аустенитных сталей пароперегревательных труб.
Уровень техники
Пароперегревательные трубы современных паровых котлов тепловых электростанций находятся под воздействием высоких температур и давлений, в связи с чем выполняются из жаропрочных аустенитных сталей.
Известен магнитный ферритометр для оценки температурного режима работы пароперегревательных котельных труб из аустенитных сталей (RU 2458379, G01N 27/72, 2012 [1]). Данный прибор позволяет определить одну из важных характеристик прочностного состояния пароперегревательной трубы, но далеко недостаточной для корректной оценки ее полного и остаточного ресурса работы.
Известны ультразвуковые толщиномеры, позволяющие определить остаточную толщину стенки поработавшей пароперегревательной трубы (ГОСТ 28702-90. Контроль неразрушающий. Толщиномеры ультразвуковые. Общие технические требования [2]). Данная величина также является одной из важных, но недостаточных характеристик для корректной оценки указанных ресурсов.
Известна расчетная методика определения остаточного ресурса пароперегревательных труб по ряду измеренных характеристик, включая данные металлографических исследований вырезанных образцов труб, и экспериментально найденных математических соотношений для конкретной аустенитной стали (Методика определения остаточного ресурса пароперегревателей из стали марки ДИ59 / Богачев В.А. и др. // Электрические станции, 2015, №5, с. 16-20 [3]).
Изучение уровня техники не выявило информации о приборах для определения полного и остаточного ресурса выполненных из аустенитной стали пароперегревательных труб. Таким образом, по данным заявителя прототип заявляемой полезной модели отсутствует.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является оперативная достоверная оценка полного и остаточного ресурса пароперегревательных труб с исключением разрушающих методов контроля, а техническим результатом - создание прибора, способного производить необходимые измерения методами неразрушающего контроля, запоминать данные указанных измерений и оперативно выдавать с приемлемой точностью значения полного и остаточного ресурса пароперегревательных труб из аустенитной стали.
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что
создан 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;
соединенные 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, 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·К) - универсальная газовая постоянная; А, В, С - определяемые экспериментально константы, зависящие от марки аустенитной стали;
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, в соответствии с соотношением:
н
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;
определитель текущего времени с момента начала эксплуатации контролируемых пароперегревательных труб;
процессорный узел для определения:
полного ресурса указанных пароперегревательных труб в соответствии с соотношением:
п
где τ - полный ресурс пароперегревательных труб, ч;
з
Е, 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 пароперегревательных труб, ч;
доли остаточного ресурса в соответствии с соотношением:
и остаточного ресурса указанных пароперегревательных труб в соответствии с соотношениями:
ост
где τ - остаточный ресурс надежной эксплуатации пароперегревательных труб, ч.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков полезной модели и указанным техническим результатом заключается в следующем:
Наличие процессорного блока с клеммными разъемами для подключения выносного ферритометрического наконечника и выносного ультразвукового толщиномера позволяет измерить и ввести в прибор данные для определения эквивалентной эксплуатационной температуры наружной поверхности пароперегревательных труб и данные об остаточной толщине стенки пароперегревательной трубы, для определения приведенного механического напряжения в металле указанных труб.
Наличие клавиатуры позволяет вводить в процессорный блок прибора необходимых дополнительных величин, полученных от штатных измерительных средств электростанции или известных по паспортным данным и другим информационным источникам.
Наличие отдельных процессорных узлов для производства промежуточных и окончательных вычислений по заданным математическим соотношениям позволяет упростить прибор за счет его индивидуализации с исключением необходимости использования сложных процессоров универсального назначения.
Определение основных понятий
Ферритометр - прибор для измерения концентрации ферритной фазы на наружной поверхности пароперегревательных труб [1].
Ферритная фаза - содержание феррита в углеродистых (ферритовых сталях), а также в поверхностном слое пароперегревательных труб из аустенитных сталей вследствие образования такого слоя в процессе эксплуатации [1].
Ферритометрический наконечник - чувствительный элемент (датчик) ферритометра
[http://www.ntcexpert.ru/md/ferritometrv/769-ferritometr-mf51nc]
Эквивалентная температура наружной поверхности пароперегревательных труб - расчетная температура, эквивалентная реальной эксплуатационной температуре, вызывающей аналогичные остаточные изменения наружного слоя указанной поверхности.
Следовательно, приведенное напряжение - напряжение такого одноосного напряженного состояния, которое по условию перехода в пластическое состояние соответствует данному сложному напряженному состоянию. http://www.ktovdome.ru/58/369/103/11148.html
Краткое описание чертежа
На чертеже представлена блок-схема прибора согласно полезной модели.
Условные обозначения
ВУЗТ - выносной ультразвуковой толщиномер;
ВФН - выносной ферритометрический наконечник;
ИТВ - измеритель текущего времени;
КР - клеммный разъем;
ПБ - процессорный блок;
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 - КР; 13 - УОП; 14 - УОЭТ; 15 - УОПН; 16 - ИТВ; 17 - УОР; 20 - ВФН; 30 - ВУЗТ; 40 - клавиатура; 50 - дисплей.
Осуществление полезной модели
Прибор согласно полезной модели для определения 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 T - 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·К) - универсальная газовая постоянная; А, 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:
н
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
Е, 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 τ - остаточный ресурс надежной эксплуатации пароперегревательных труб, ч.
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.
Промышленная применимость
Прибор согласно полезной модели 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.