4.10. Микроструктурный мониторинг
4.10.1. Назначение и область применения
4.10.1.1. Технология ММ металла элементов паропроводов реализуется в соответствии с действующими НД.
4.10.1.2. При проведении ММ в первую очередь предлагается ориентироваться на изменения основных характеристик микроструктуры металла, контролируемых при монтаже паропроводов и во время капитального ремонта блоков. При необходимости контроль элементов паропроводов может осуществляться также в периоды остановов энергоблоков на средний, текущий или неплановый ремонт.
4.10.1.3. Технология ММ включает: определение мест контроля, подготовку шлифов, выборку микрообразцов или снятие реплик, МА средствами оптической и электронной микроскопии с записью и компьютерной обработкой портретов микроструктур, наполнение базы данных по микроструктурам металла образцов и работу с этой базой.
4.10.2. Методы металлографического анализа и условия их применения
4.10.2.1. Состояние структуры металла элементов паропроводов в условиях эксплуатации определяется неразрушающими и разрушающими методами контроля.
4.10.2.2. К неразрушающим методам относятся:
- изготовление металлографических шлифов непосредственно на элементах с последующим просмотром и регистрацией структуры с помощью переносных микроскопов, оснащенных фото- или видеокамерой, либо путем снятия реплик (оттисков) с подготовленного на элементе металлографического шлифа и последующего их анализа в металлографических лабораториях;
- метод отбора микрообразцов, не нарушающих целостность элементов, с последующим анализом в металлографических лабораториях.
4.10.2.3. Разрушающий метод контроля микроструктуры металла элементов паропроводов включает отбор образцов (темплетов и сколов) и контрольных вырезок из элементов (см. раздел 4.11 настоящих Методических указаний) с последующей подготовкой шлифов и их анализом в металлографических лабораториях.
4.10.2.4. Контроль микроструктуры металла в состоянии поставки или после монтажа паропроводов (входной контроль) осуществляется путем вырезки образцов (темплетов и сколов) или отбора микрообразцов и реплик из любой зоны элементов.
Входной контроль прямых труб и гибов проводится в соответствии с действующими НД.
4.10.2.5. Определение опасных зон элементов паропроводов, в которых должен осуществляться контроль структуры и микроповрежденности металла, проводится как на основании расчетов (максимальное исчерпание ресурса), так и с учетом накопленного мирового опыта, основанного на статистике повреждений и результатах испытаний элементов и образцов. Обычно такими регламентированными зонами для гиба являются растянутая зона и переходы от изогнутой части гиба к прямым участкам.
При выборе мест для ММ могут также использоваться специальные средства неразрушающего контроля (УЗК, МПД, УЗТ, ОВ).
4.10.2.6. Контроль микроповреждений на поверхности элементов в опасных зонах сначала осуществляется на предварительно подготовленных площадках-шлифах с помощью переносного микроскопа и (или) метода реплик. Затем в зонах, где выявлены микродефекты, для определения микроповреждений на поверхности и по глубине поверхностного слоя производится выборка микрообразцов.
4.10.3. Технологии отбора микрообразцов, подготовки шлифов, снятия реплик
4.10.3.1. Выборка микрообразцов выполняется по электроэрозионной технологии.
4.10.3.2. Микрообразцы имеют форму полуэллипсоида, толщина их составляет 1,5 мм, ширина - 3 мм, длина - 8 мм.
4.10.3.3. Отбор микрообразцов из различных участков
паропровода допускается производить только при условии
S >= S , где S - фактическая толщина стенки в месте выборки
ф р ф
микрообразца, определенная по результатам УЗТ; S - расчетная
р
толщина стенки. На изогнутых участках микрообразцы можно
выбирать при номинальной толщине стенки трубы не менее 20 мм.
4.10.3.4. Микрообразцы из растянутой зоны гиба следует отбирать по линии внешнего обвода в зоне вершины гиба и на переходах от изогнутого к прямому участку трубы. В каждом из этих мест рекомендуется отбирать по два микрообразца, смещенных в разные стороны от линии внешнего обвода на 5 - 10 мм. Расстояние между местами взятия микрообразцов должно быть не менее 40 мм. Большая ось микрообразца должна быть перпендикулярна оси трубы. Допускается производить выборку одного образца вместо двух.
4.10.3.5. Глубина лунки, создаваемой при выборке микрообразца, не должна превышать 1,8 мм. Лунка удаляется механическим способом с помощью шлифовальной машинки с мелкозернистым наждачным камнем диаметром 30 - 50 мм, в результате чего образуется плоская лыска со сглаженными кромками с характерным размером 30 - 50 мм. При этом толщина удаленного слоя не должна превышать 2 мм.
4.10.3.6. Отобранный микрообразец заливается в протакрил, разрезается, затем изготавливается микрошлиф по вертикальной плоскости микрообразца, дающей возможность исследовать микроповрежденность порами ползучести по глубине их залегания в пределах 1,5 мм от наружной поверхности трубы (гиба).
4.10.3.7. Микрошлиф на микрообразце изготавливается обычным способом на стационарных станках в соответствии с требованиями действующих НД. При окончательной доводке микрошлифа шлифование и полировка чередуются с многократным химическим травлением и промыванием водой. Кратность переполировки и травления определяется маркой стали элемента трубопровода.
На микрошлифах из стали 12Х1МФ, особенно при наличии ферритно-карбидной структуры, поры выявляются лучше, поэтому для них рекомендуются в основном 3 - 4-кратная переполировка и травление.
В стали 15Х1М1Ф, особенно при наличии бейнитной составляющей, выявляемость пор, в первую очередь единичных, сложнее. Поэтому для таких шлифов рекомендуется 5 - 7-кратная переполировка с травлением.
4.10.3.8. Размеры шлифа на прямых трубах и гибах для снятия реплик определяются возможностью его изготовления и необходимостью иметь поверхность с размерами не менее 30 х 20 мм. При подготовке шлифа должен быть удален обезуглероженный слой металла. Толщина удаляемого слоя металла обычно составляет 0,5 - 1,0 мм. Она не должна превышать минусовых допусков на толщину стенки элемента.
4.10.3.9. Подготовка шлифа непосредственно на элементе паропровода при неразрушающем контроле методом реплик или с применением переносного микроскопа производится шлифовкой следующими кругами:
- электрокорундовым крупнозернистым кругом с керамической или бакелитовой основой;
- электрокорундовым мелкозернистым кругом с вулканитовой основой (гибким крутом);
- войлочным или фетровым крутом с нанесенной шлифовальной пастой.
Крупнозернистым кругом снимается обезуглероженный слой металла, поверхность зачищается до металлического блеска. Доводка шлифа производится вручную с помощью алмазных паст, пасты ГОИ или разведенной и отстоянной взвеси оксида хрома войлоком, фетром. Шлифование и полировка чередуются с многократным химическим травлением 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты и промыванием водой. Рекомендации по кратности переполировки и травления приведены в пункте 4.10.3.7.
Для выявления микроповрежденности методом реплик последнее травление должно быть более интенсивным, чем обычное травление для выявления микроструктуры.
4.10.3.10. Контроль готовой поверхности следует проводить с помощью переносного микроскопа при 100-кратном или лупы при 12-кратном увеличении.
4.10.3.11. Для изготовления реплик могут использоваться различные материалы, размягчаемые соответствующим растворителем; растворы, образующие при высыхании легко отделяемую пленку; жидкие полимеры, твердеющие на воздухе, и т.п.
Основными требованиями, предъявляемыми к материалам для реплик, являются хорошее воспроизведение деталей структуры, незначительная усадка при сушке и затвердевании, хорошая отделяемость от поверхности.
Снятие реплики (оттиска) для металлографического анализа производится в соответствии с действующими НД.
4.10.4. Технология МА
4.10.4.1. Микроструктурный анализ металла образцов включает: оценку наличия и характера распределения неметаллических включений, определение величины зерна, ориентации и распределения отдельных структурных составляющих, их микротвердости, особенностей возникновения и развития микроповреждений металла.
4.10.4.2. Металлографический анализ шлифов макро- и микрообразцов проводится на металлографических микроскопах при 50 - 1000-кратном увеличении, позволяющих наблюдать шлиф в отраженном свете. При необходимости, такие же шлифы можно использовать для электронной растровой микроскопии при 2000 - 5000-кратных увеличениях.
Измерение микротвердости отдельных фаз осуществляется на шлифах, приготовленных для МА при 500-кратном увеличении на приборе ПМТ-3М.
4.10.4.3. Дефекты типа макропор, трещин, неметаллических включений выявляются на полностью подготовленных шлифах в нетравленом состоянии при 50 - 100-кратном увеличении. Определение неметаллических включений осуществляется в соответствии с ГОСТ 1778-70 [5].
4.10.4.4. Оценка величины зерна производится в соответствии с ГОСТ 5639-82 [6].
4.10.4.5. Характеристики (балл) микроструктуры паропроводных сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, которые обусловлены способом производства и не зависят от условий эксплуатации, оцениваются по шкале микроструктур в соответствии с требованиями действующих НД.
4.10.4.6. Металлографический анализ реплик проводится по технологии, аналогичной применяемой при исследовании микрошлифов образцов. Анализ осуществляется на металлографических микроскопах при 50 - 1000-кратном увеличении в отраженном свете. В результате анализа определяются величина зерна, наличие, форма и размеры неметаллических включений, микроструктура и морфологические особенности микроповрежденности порами, цепочками пор, микротрещинами.
4.10.4.7. В результате исследования шлифов-площадок на оборудовании, реплик, микрообразцов дается характеристика микроструктуры и оценивается микроповрежденность металла элементов паропроводов. Технология идентификации пор ползучести при анализе металлографических шлифов и реплик приведена в разделе 8 настоящих Методических указаний.
4.10.4.8. Категории повреждения микроструктуры металла элементов паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в процессе длительной эксплуатации от исходного состояния до образования макротрещин устанавливаются по шкалам микроструктур в соответствии с таблицей 25. Шкала (I графа таблицы 25) включает семь значений КПМ, которые в свою очередь, разделяются на несколько подкатегорий (4.1; 4.2; 5.1; 5.2 и т.п.).
Таблица 25
КАТЕГОРИИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА
ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОПРОВОДОВ ИЗ СТАЛЕЙ 12Х1МФ И 15Х1М1Ф
В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
┌───┬────────────────────────────────────────────┬───────┬───────┐ │КПМ│ Характеристика микроструктуры │Шкала │Шкала │ │ │ │сферои-│микро- │ │ │ │дизации│повреж-│ │ │ │перлита│даемос-│ │ │ │ │ти │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │1 │В пределах исходной сдаточной микроструктуры│2 │1 │ │ │по НД на трубы │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │2 │В пределах исходной браковочной микро- │2 │1 │ │ │структуры по НД на трубы или небольшие изме-│ │ │ │ │нения исходной сдаточной микроструктуры на │ │ │ │ │начальной стадии старения: четкие границы │ │ │ │ │зерен, дисперсные карбиды располагаются │ │ │ │ │по телу и границам зерен; сфероидизация │ │ │ │ │продуктов распада перлитной (бейнитной) │ │ │ │ │составляющей достигает 2-го балла │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │3 │Заметные изменения исходной (сдаточной и │3, 4 │1 │ │ │браковочной микроструктуры): границы зерен │ │ │ │ │частично размыты, карбиды размером 1 - 1,5 │ │ │ │ │мкм располагаются по границам и телу зерен; │ │ │ │ │сфероидизация продуктов распада перлитной │ │ │ │ │(бейнитной) составляющей достигает │ │ │ │ │3 - 4-го балла │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │4.1│Существенные изменения исходной сдаточной │5, 6 │1 │ │4.2│(4.1) и браковочной (4.2) микроструктуры: │5, 6 │1 │ │ │наблюдается сильное размывание границ; │ │ │ │ │карбиды укрупняются до 1 - 2 мкм, распола- │ │ │ │ │гаясь преимущественно по границам зерен, │ │ │ │ │приграничные участки шириной до 3 мкм обед- │ │ │ │ │нены карбидами; сфероидизация продуктов │ │ │ │ │распада перлитной (бейнитной) составляющей │ │ │ │ │достигает 5 - 6-го балла │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │ │Большие изменения исходной микроструктуры, │ │ │ │ │характеризующиеся образованием микропор: │ │ │ │5.1│ наличие единичных изолированных микропор │5, 6 │2 │ │ │со средним размером до 2 мкм │ │ │ │5.2│ наличие множественных микропор со средним │5, 6 │3 │ │ │размером до 2 мкм без определенной │ │ │ │ │ориентации │ │ │ │5.3│ наличие множественных микропор со средним │5, 6 │4 │ │ │размером до 2 мкм, ориентированных по │ │ │ │ │границам зерен │ │ │ │5.4│ наличие множественных микропор, ориенти- │5, 6 │4 │ │ │рованных по границам зерен, увеличение │ │ │ │ │размера пор до 2,5 - 5 мкм │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │ │Значительные изменения микроструктуры, │ │ │ │ │характеризующиеся образованием цепочек │ │ │ │ │микропор по границам зерен: │ │ │ │6.1│ наличие цепочек пор в пределах одного зерна│5, 6 │5 │ │6.2│ наличие цепочек пор в пределах нескольких │5, 6 │5 │ │ │зерен │ │ │ ├───┼────────────────────────────────────────────┼───────┼───────┤ │7.1│Наличие цепочек пор, слившихся в микро- │5, 6 │6 │ │ │трещины │ │ │ │7.2│Наличие микротрещин по границам зерен │5, 6 │7 │ │ │вплоть до развития макротрещин │ │ │ └───┴────────────────────────────────────────────┴───────┴───────┘
В таблице 25 для сравнения указаны также шкалы микроповрежденности для сталей перлитного класса, регламентированные НД.
Для более точного определения категорий повреждения микроструктуры может быть использован также атлас микроструктур.
4.10.5. Компьютерная запись и обработка микроструктур
Микроструктуры фиксируются в памяти компьютера в виде растровых файлов (портретов) в стандартных графических форматах BMP или JPEG. Для этой цели используется специальный комплекс, состоящий из микроскопа, сканирующего устройства (цифровой видеокамеры или фотоаппарата, имеющих интерфейс с компьютером) и компьютера.
Специально разработанное программное обеспечение позволяет улучшить визуальные характеристики портрета, в том числе: увеличить контрастность и выровнять освещенность, уменьшить высокочастотный шум, а также определять такие количественные характеристики микроструктуры, как средний размер зерна, максимальный и средний размер пор, средний размер и плотность распределения карбидов и др.
Наличие банка портретов микроструктур с различной поврежденностью позволяет создавать электронные атласы микроструктур для применяющихся в теплоэнергетике сталей.
4.10.6. Организация ММ
4.10.6.1. Периодичность и объем контроля для оценки микроповрежденности металла элементов паропроводов определяется в соответствии с результатами предварительно проведенной экспертизы и формирования контрольных групп.
4.10.6.2. Контроль микроструктуры и микроповрежденности металла элементов паропроводов проводится обычно в процессе монтажа и в период текущего, среднего и капитального ремонта энергоблоков.
4.10.6.3. Результаты микроструктурного анализа, характеризующие меру поврежденности металла элементов, заносятся в базу данных информационно-экспертной системы и используются как один из основных критериев при определении категорий опасности и доли исчерпания ресурса, а также при выборе регламента их последующего контроля.