Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения котлов Nalco Chemical Company

Коррозионно-усталостное растрескивание

Наиболее вероятные места коррозионной усталости

Коррозионная усталость может появиться в любом месте, где действуют циклические напряжения достаточно большой величины. Коррозиоино-ус - талостные разрушения чаще всего происходят в котлах, которые работают с пиковыми нагрузками, с перерывами или в других режимах цикличности. Быстрый запуск или остановка котла могут значительно увеличить веро­ятность коррозионной усталости. Некоторые серьезные проблемы, связан­ные с коррозионной усталостью, устранялись простым введением соответ­ствующих изменений в скорость пуска и остановки.

Обычными местами появления коррозионно-усталостных трещин явля­ются боковые экраны, грубы промежуточного пароперегревателя, паропе­регревателя и экономайзера, деаэраторы и края перегородки топочных трубных экранов. Кроме того, коррозионная усталость обычна в местах прикрепления оборудования или жестких связей, например в точках подсо­единения к входному или выходному коллектору, затяжках и опорных стой-

Появленис трещин также наблюдали у канавок вдоль внутренней по­верхности котельных труб, которые были лишь частично заполнены водой (трещины обычно проходили поперек канавок), в местах появления ряда прерывистых паровых пузырей внутри труб парогенератора, у кислород­ных раковин на линиях воды (ватерлиниях) или трубопроводах для подачи питательной воды, в сварных швах ( в шлаковых карманах или точках не­полного провара), в линиях обдувки сажи, где действовали вибрационные Напряжения. и в линиях продувки.

Коррозионная усталость представляют собой вид повреждений, которые могут происходит ь без концентрирования коррозионнспособных веществ. Данный термин относится к трещинам, которые распространяются в ме­талле в результате циклических изменений растягивающих напряжений, действующих в коррозионной для металла среде. Термин и определение, приведенные выше, в применении к котлам могут ввести в заблуждение, по­скольку нормального окисления металла до магнетита вполне достаточно, чтобы в присутствии значительных циклических растягивающих напряже­ний вызвать коррозионную усталость.

Развитие трещин происходит в следующей последовательности:

■ В первой фазе циклических напряжений стенка трубы подвергается расширению. Поскольку слой оксида более хрупкок по сравнению со стенкой трубы, он может разламываться с образованием микроскопических трещин, проходящих скоэь слой оксида плоть до поверхности металла.

■ Открытая поверхность металла у кормя трещины окисляется, и на ней образуется микроскопическая бороздка (Рис. 15.1).

■ Во время следующего цикла оксид будет иметь тенденцию разрушать­ся вдоль этой бороздки, что приводит к ее углублению.

■ С продолжением этого циклического процесса клинообразная трещи­на распространяется по стенке трубы (Рис. 15.2), пока в ней не произойдет разрушение или трещина не пройдет сквозь всю толщину стенки.

Трещины всегда распространяются в направлении, перпендикулярном направлению действия основного напряжения. В результате, если главное циклическое напряжение создано колебаниями внутреннего давления, возни­кают продольные трещины (Рис. 15.3), Если главное циклическое напряже­ние есть напряжение при уйзЙМ», вызванное тепловы pa pie катн­ем трубы, то трещины будут поперечными (Рис. 15.4). Коррозионно-устало - стнос растрескивание обычно происходи! вблизи мест физических ограни­чений. Трещины морг появиться на наружной поверхности, на внутренней поверхности или одновременно на обеих поверхностях. Трещины, появив­шиеся на внутренних поверхностях, часто сопровождаются раковинами, Участок с раковинами служит местом концентрации напряжений и предпо­чтительным местом коррознонно-усталостного растрескивания.

Важнейшие условия, приводящие к коррозионно усталостному растрескиванию

Циклические напряжения при растяжении и благоприятная среда для окис­ления открытой поверхности металла служат двумя основными условиями, которые благоприятствуют коррозионной усталости. Двумя обычными ис­точниками циклических напряжений при растяжении служат циклически меняющееся внутреннее давление и тепловое расширение и сжатие при на­личии ограничений.

В дополнение к среде, в которой происходит окисление открытой ме­таллической поверхности, есть и другие факторы, способствуйте коррози - онно-усталостному растрескиванию. Это уровень рН и содержание раство­ренного кислорода. Работа при низких значениях рН или при слишком вы­соком содержании растворенного кислорода может привести к точечной коррозии (питтингу). Изъязвления будут действовать как места концентра­ции напряжений и появления коррознонпо-усталостных трещин.

Идентификация коррозионно-усталостного растрескивания

Коррознонно-усталостиые трещины обычно бывают прямыми и без раз­ветвлений. Они имеют игольчатую или клинообразную форму и распрост­раняются перпендикулярно поверхности металла. Опи часто располагают­ся в виде многочисленных параллельных трещин (Рис. 15.3 и 15.4) очень малой ширины, что делает их трудно распознаваемыми без проведения тщательного обследования. Иногда они могут имегь вид лишь мелких ка­навок в слое магнетита. Как правило, они распространяются по поверхно­сти трубы на небольшое расстояние. Нередко коррозионно-усталосшые трещины развиваются одновременно в двух или нескольких частях одно­го и того же участка.

Для распознавания трещин пользуются методами неразрушающих ис­пытаний, включая ультразвуковое и рентгенографическое обследование, цветную и магнитно-порошковую дефектоскопию.

Предупреждение коррозионно-усталостного растрескивания

Предотвращение или уменьшение степени коррозионно-усталостного рас­трескивания осуществляют путем уменьшения циклических напряжений при растяжении и контроля над условиями окружающей среды, а также пу­тем реконструкции котла. Уменьшение времени или полная ликвидация циклической работы котла, продление периодов пуска и остановки могут помочь в предотвращении или уменьшении возможности появления корро - зионно-усгалостного растрескивания.

Устранить процессы окисления, происходящие на верху вновь возник­ших трещин, невозможно. Это окисление будет происходить и при очень низких уровнях содержания в воде растворенного кислорода. Регулирова­ние величины рН и борьба с избыточными количествами растворенною кислорода могут оказаться полезными для предотвращения пигтииговой (язвенной) коррозии, что исключит появление вероятных мест коррозион­но-усталостного растрескивания.

В случаях устойчивого коррозионно-усталостного растрескивания, с которым трудно бороться, могут потребоваться такие меры, как оконтури - вание сварных швов и реконструкция мест прикрепления труб для устране­ния или уменьшения ограничений для термического расширения и сжатия.

Меры предосторожности

Полностью сформировавшийся в результате коррозионно-усталостного растрескивания излом обычно имеет толстые края и характеризуется очень небольшой пластичностью. Такой излом вполне можно принять за другие виды разрушений, например за разрушение под действием напряжений, за растрескивание под действием водородного повреждения, за коррозионное растрескивание иод напряжением и за некоторые результаты серьезного пе­регрева. Коррозионно-усталостные трещины часто трудно заметить, по­скольку они заполнены плотными оксидами железа. Иногда они выглядят как короткие, неглубокие канавки в слое магнетита, покрывающем трубу.

Сопутствующие проблемы

См. также главу 2 («Длительный перегрев»), главу 3 («Кратковременный перегрев»), главу 14 («Повреждения под действием водорода») и главу 16 («Коррозионное растрескивание под напряжениям»).

Промышленность: Местоположение образца: Трубопровод подогрева охлажденного

Пара в 20 дюймах от нагнетания турбины Ориентация образца: Горизонтальная

Давление в барабане: 350 фунт/кв. дюйм (2,4 МПа) Характеристики труб: Наружный диаметр 14 дюймов (356 мм),

Бесшовная

Трешинм, показанные на Рис. 15.4, были ограничены участками в 5-10 фугой (1.5-3.0 м) с обеих сторон мести соединения с линией подогрева. Разрушения не произошло, одна­ко подобные трещины наблюдались раньше в однотипном агрегате. Поперечные раз­рывы и трещины сопровождались (и связаны были е ними) множеством мелких рако­вин (Рис. 15.5). На поверхности присутствовали красноватые окенды желт.

Образных разрывов в стенке со стороны внутренней поверхности. Самые глубокие трещины проникали в толщу трубы на 25%.

Трещины в этом случае были вызваны циклической деформацией трубопровода. Мелкие раковины кислородной коррозии, возникшие в результате воздействия на внутреннюю поверхность влага и кислорода во время простоев, послужили центра-

Смягчения серьезности этой проблемы можно достичь, устранив кислородный питтнш во время простоев в работе и уменьшив или устранив циклическую дефор­мацию трубопровода.

Промышленность: Целлюлозно-бумажная

Местоположение образца: Трубы на передней стенке вокруг первич воздуха (котел-утилизатор) Ориентация образца:

Срок службы, годы: 15

Давление в барабане: 900 фунт/кв. дюйм (6,2 МПа)

Характеристики труб: Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), с заклепками

Трещины, показанные на Рис. I5.8 и 15.9, были локализованы на участке вокруг пер­вичного ввода воздуха. Эти короткие поперечные трещины были особенно заметны вблизи основания стержней (Рис. 15.9). Измерения показали проникновение трещин на глубину 15-20% первоначальной толщины стенки трубы.

Микроструктурные исследования поверхности выявили глубокие клинообраз­ные разрывы, начинающиеся на наружной поверхности, и неглубокие острые тре­щины на внутренней поверхности.