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;
D - средний диаметр барабана, мм;
m _
K - коэффициент интенсивности напряжений (КИН), МПа х \/м;
I
K - критический коэффициент интенсивности условно-упругих
Iес _
напряжений, МПа х \/м;
сигма - напряжение, МПа;
сигма - составляющая напряжений растяжения, МПа;
р
сигма - составляющая изгибных напряжений, МПа;
q
Т
сигма - предел прочности при температуре Т, МПа;
в
Т
сигма - условный предел текучести материала при температуре Т,
0,2 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;
L - расстояние от дефекта (выборки) до кромки ближайшего
d отверстия, мм;
L - расстояние от дефекта (выборки) до края ближайшего
омега сварного шва, мм;
эта - коэффициент, учитывающий влияние концентрации
напряжений;
НВ - твердость металла по Бринелю;
Т - температура гидравлических испытаний, °С;
h
Т - критическая температура хрупкости металла, °С.
k
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 T определяется путем
h
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 К , критическая температура хрупкости
Iес
Т Т
Т , а также предел прочности сигма и предел текучести сигма
k в 0,2
металла. При отсутствии данных о фактических свойствах металла
Т Т
(Т , сигма и сигма ) допускается выполнять расчет с помощью
k в 0,2
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 (диаметр >= 50 мм) имеет протяженность более 20% длины полученного шва или более двух диаметров такого отверстия при максимальной глубине соответствующих выборок 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 0,5 \/D S.
m
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 (l = 2с) 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 (a / (l / 2) <= 0,5) аппроксимируется правильным полуэллипсом, большая ось которого равняется максимальной протяженности выборки в расчетном направлении (2с = l), а малая ось равняется максимальной глубине выборки а - см. рисунок В.1, а.
Если выборка имеет значительную глубину при относительно небольшой длине (а / (l / 2) > 0,5), то такая выборка аппроксимируется дефектом с соотношением полуосей а / с = 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 l, если а / (l / 2) <= 0,5. Если а / (l / 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 h <= 0,7a. 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 0,5 \/D S - рисунок В.2.
m
4. Расчет коэффициента интенсивности напряжений
4.1. Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) определяют численно или аналитически. Допускается определять КИН по формуле:
а 0,5
К = эта (сигма v + сигма v ) (пи ---) / Q,
I р р q q 3
10
где:
эта - коэффициент, учитывающий влияние концентрации
напряжений;
сигма - составляющая напряжений растяжения;
р
сигма - составляющая изгибных напряжений;
q
v = 1 + 0,12 (1 - а / с); v = 1 - 0,64а / Н; (Н - длина
р q
зоны, в пределах которой составляющая изгибных напряжений
сохраняет положительное значение);
1,65 0,5
Q = [1 + 4,6 (а / 2с) ] .
Формулой допускается пользоваться при а <= 0,3S и а / с <= 0,66.
4.2. Составляющую напряжений растяжения определяют по формуле:
1
сигма = - интеграл сигма dх,
jq S j
где:
j - координата;
S - толщина стенки в расчетном сечении;
сигма - функция изменения напряжений по толщине стенки.
j
Значение составляющей напряжений изгиба определяют по формуле:
сигма = сигма - сигма ,
jр jn jр
где:
сигма - значение функции изменения напряжений по толщине
jn
стенки в точке n.
4.3. При расчете КИН для режима гидроиспытаний допускается
распределение напряжений по толщине стенки сигма
jn
аппроксимировать линейной функцией. Тогда параметр Н = 0,5S.
4.4. При расчете зон, где отсутствует концентрация напряжений, принимают эта = 1.
Для зон, содержащих концентратор напряжений, допускается применять следующую упрощенную схему выбора коэффициента эта.
4.4.1. Выборка располагается в зоне продольного сварного
соединения, т.е. минимальное расстояние от кромки выборки до края
____
сварного шва L <= 0,5\/D S - тогда эта = 1,15.
омега m
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 \/D S:
m
- эта = 1,25 - при L >= 0,5d;
d
- эта = 1,5 - при 0,1d < L < 0,5d;
d
- эта = 2,0 - при L < 0,1d;
d
где:
L - расстояние от кромки выборки до кромки ближайшего
d
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) К от
Iс
приведенной температуры |Т - Т |, где Т - критическая температура
k k
хрупкости металла.
В квазихрупкой и вязкой областях расчет ведется с
использованием критического коэффициента интенсивности условно-
упругих напряжений К .
Iес
5.2. Определяют температурные границы областей расчета:
хрупкой, квазихрупкой и вязкой - согласно методическим положениям
действующих в атомной энергетике НД. Граница хрупкой области Т =
Т определяется приведенной температурой |Т - Т |*, которой
k2 k
соответствует значение К* , вычисленное из соотношения:
Iс
_ _ _ _ Т ________
К* = Y(Ф, а) К (а, Ф) сигма \/а / 1000,
Iс F 0,2
где:
К* есть К* (Т, Т ) - характерная (критическая) величина КИН в
Iс Iс k
функции расчетной температуры Т и критической температуры
хрупкости Т ;
k
_ _
Y(Ф, а) - функция вида дефекта и его относительной глубины
_ _
а (а = а / S):
2 - 0,82а / с
Y = -------------------------------------------;
_____ 3 1,5 3,25
[1 - (0,89 - 0,57 \/а / с) (а / S) ]
_ _
К (а, Ф) - параметр относительной глубины дефекта и его формы:
F
а / S
К = 1 - ------------.
F 2 а / с
1 + -- -----
пи а / S
Устанавливают значения первой и второй критических температур
хрупкости (Т и Т соответственно: Т = Т + 70 °С).
k1 k2 k1 k2
5.3. В хрупкой области (Т <= Т ) допускается использовать
k2
обобщенную температурную зависимость К от |Т - Т | согласно п.
Iс k
5.8.3.4 [6].
5.4. В квазихрупкой области при температуре Т < Т <= Т +
k2 k2
Т Т
+ 70 ln K / ln(сигма / сигма ) значение критического КИН К
F 0,2 в Iес
определяют по формуле:
┌─ ─┐альфа
│ Т │ 1
│ сигма │
│ в │
К = К* │--------│ ,
Iес Iс │ Т │
│сигма │
│ 0,2│
└─ ─┘
где:
К* - значение К , соответствующее температуре Т ;
Iс Iс k2
альфа = (Т - Т ) / 70.
1 k2
Параметр К определяют согласно п. 5.2 настоящих Методических
F
рекомендаций.
5.5. В квазихрупкой области при температуре Т + 70 ln К /
k2 F
Т Т
ln(сигма / сигма ) < Т <= Т значение критического КИН К
0,2 в k1 Iес
определяют по формуле:
┌─ ─┐альфа /ню
│ Т │ 2
│ сигма │
1 │ в │
К = К* -- │К --------│ ,
Iес Iс К │ F Т │
F │ сигма │
│ 0,2│
└─ ─┘
где:
ln К
F
Т - Т - 70 ---------------------
k2 Т Т
ln(сигма / сигма )
0,2 в
альфа = ----------------------------------;
2 ln К
F
70 [1 - ---------------------]
Т Т
ln(сигма / сигма )
0,2 в
Т
сигма
в Т
ln[-------- (1 + 1,4 пси )]
Т
сигма
0,2
ню = -----------------------------------------,
1 1
ln(------------------------- ln --------)
Т -2 Т
сигма / Е + 0,2 х 10 1 - пси
0,2
где:
Т
пси - характеристика металла. Допускается принимать для стали
Т Т
марок 20К, 22К и 16ГНМ - пси = 0,4; для стали 16ГНМА - пси =
0,5.
5.6. В вязкой области при температуре Т > Т значение
k1
критического КИН К определяют по формуле:
Iес
┌─ ─┐альфа /ню
│ Т │ 1
│ сигма │
1 │ в │
К = К* -- │К --------│ .
Iес Iс К │ F Т │
F │ сигма │
│ 0,2│
└─ ─┘
5.7. При К >= 0,9 допускается принимать K = 1 и для всего
F F
температурного диапазона T < T <= Т критический КИН определяют
k2 k1
по формуле:
┌─ ─┐альфа /ню
│ Т │ 1
│ сигма │
│ в │
К = К* │--------│ .
Iес Iс │ Т │
│сигма │
│ 0,2│
└─ ─┘
Т
сигма
0,2
5.8. При K <= -------- и при температуре Т > Т допускается
F Т k1
сигма
в
К определять по формуле:
Iес
Т
сигма
в
К = К* --------.
Iес Iс Т
сигма
0,2
5.9. При отсутствии данных по фактическим свойствам металла
Т Т
барабана допускается принимать значения сигма и сигма по
в 0,2
сертификатам качества металла, содержащимся в паспорте котла.
6. Характеристика предельного состояния
6.1. Сопротивление хрупкому и квазихрупкому разрушению можно
считать обеспеченным, если выполняется условие:
К <= [К ].
I Iе
6.2. Температурную зависимость [К ] от приведенной
Iе
температуры |Т - Т | получают как нижнюю огибающую двух кривых,
k
одна из которых получается путем деления ординат исходной кривой
зависимости К от |Т - Т | на коэффициент запаса n, а другая -
Iес k
путем смещения указанной исходной кривой вдоль оси температур на
значение температурного запаса ДЕЛЬТА Т. Для рассматриваемых
условий гидроиспытаний принимают: n = 2; ДЕЛЬТА Т = +20 °С.
6.3. Для конкретного значения критической температуры
хрупкости Т металла температурную зависимость допустимого
k
значения КИН [К] 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 T была больше или равна допустимой
h
температуре [Т ], определенной из расчета на сопротивление
h
хрупкому или квазихрупкому разрушению.
7.2. Температуру [Т ] определяют с использованием условия
h
h h h
К <= [К ] , где К - КИН в рассматриваемых сечениях барабана при
I Iе I
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 сигма
р
и напряжений изгиба - сигма (п. 4.2 настоящих Методических
q
рекомендаций) при гидроиспытаниях.
h
7.6. Выполняют расчет значений КИН (т.е. К ) для установленных
I
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 (Т и Т ) для
k1 k2
установленных геометрических параметров аппроксимированных
дефектов и определяют температурную зависимость критического КИН,
т.е. зависимость К (К ) от |Т - Т | или К (К ) от Т для
Iес Iс k Iес Iс
известного значения критической температуры хрупкости металла Т .
k
Расчет Т и Т и определение значений К (или К ) для
k1 k2 Iес Iс
выбранного диапазона температур проводят согласно указаниям
раздела 5 настоящих Методических рекомендаций. Рекомендуется
значения критического КИН [К или К ) определять в
Iес Iс
температурном диапазоне +10...+140 °С с шагом 10 °С.
7.8. Строят температурную зависимость допустимых КИН [К ] от
I
температуры Т (или от приведенной температуры |Т - Т |) для
k
принятых коэффициентов запаса согласно указаниям п. п. 6.2, 6.3
настоящих Методических рекомендаций.
7.9. С использованием полученной температурной зависимости
h
[К ] от Т (или |Т - Т | и для полученного КИН (К ) определяют
Iе k I
допустимую температуру металла барабана при гидроиспытаниях
[Т ]. Значение [Т ] равняется температуре Т, соответствующей
h h
h
значению [К ]в зависимости [К ] от Т в точке К = [К ].
Iе Iе I Iе
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.
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 (сигма , сигма , дельта и пси)
в 0,2
при комнатной и рабочей температурах и критической температуры
хрупкости металла (Т ) на вырезке "пробки" из данной обечайки.
k
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, а - в, В.4, а - 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 а / S = 0,22.
Параметр формы выборки а / с ~= 0,4.
Ближайшее расстояние от кромки выборки до края отверстия 0,1 < L < 0,5d (где d - диаметр отверстия), следовательно, коэффициент d концентрации эта = 1,5.
Твердость металла обечайки барабана составляет (в среднем) НВ 170 +/- 5.
Воспользуемся номограммами на рисунке В.3, б.
Откладываем на правом графике по оси абсцисс точку, соответствующую относительной глубине выборки (а / S = 0,22) - точка А.
Проводим из точки А вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей а / с = 0,4 и эта = 1,5 (кривая не приводится).
Проводим из этой точки (точка пересечения) горизонтальную линию до пересечения с кривыми левого графика, соответствующими НВ 170 и а / S = 0,2, а / S = 0,3 (кривые не приводятся).
Из точек пересечения с указанными кривыми опускаем проекцию на ось абсцисс левого графика - получаем точки В и С, отвечающие температуре гидроиспытаний при а / S = 0,2 и а / S = 0,3 соответственно.
Методом линейной интерполяции определяем точку, соответствующую относительной глубине выборки а / 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: а / S = 0,27.
Параметр формы выборки: а / с ~= 0,3.
Коэффициент концентрации в зоне шва: эта = 1,15.
Твердость металла обечайки барабана составляет (в среднем) НВ 170 +/- 5.
Воспользуемся номограммами на рисунке В.4, а.
Откладываем на правом графике по оси абсцисс точку, соответствующую относительной глубине выборки (а / S = 0,27) - точка А.
Проводим из точки А вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей а / с = 0,3 и эта = 1,15 (кривая не приводится).
Проводим из этой точки (точка пересечения) горизонтальную линию до пересечения с кривыми левого графика, соответствующими НВ 170 и а / S = 0,2, а / S = 0,3 (кривые не приводятся). Из точек пересечения с указанными кривыми опускаем проекцию на ось абсцисс левого графика - получаем точки В и С, отвечающие температуре гидроиспытаний при а / S = 0,2 и а / S = 0,3 соответственно.
Методом линейной интерполяции определяем точку, соответствующую относительной глубине выборки а / 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 а / 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.
