ТЕХНИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Гевлич Сергей Олегович

канд. техн. наук, доцент, технический директор ООО «Экспертиза», г. Волгоград

Гевлич Дмитрий Сергеевич

канд. техн. наук, директор ООО «Экспертиза», г. Волгоград

Полонский Яков Аркадьевич

канд. техн. наук, зам.директора по НИР ООО «Экспертиза», г. Волгоград

E-mail: jpolonsky@volgoexpert.ru

Пегишева Светлана Алексеевна

канд. техн. наук, доцент ВолгГТУ, г. Волгоград

Экспертиза промышленной безопасности - оценка соответствия объекта экспертизы предъявляемым к нему требованиям промышленной безопасности, результатом которой является заключение экспертизы промышленной безопасности технического устройства. Из приведенного определения следует, что документом, удостоверяющим соответствие, является экспертное заключение. Сами же оценочные действия эксперта предполагают всесторонний анализ имеющейся в его распоряжении документации. Очевидно, что основной является документация по результатам технического диагностирования объекта экспертизы. Техническое диагностирование позволяет оценить текущее состояние устройства, и спрогнозировать наступление предельного состояния, выбрать критерии для расчета остаточного ресурса.

Основываясь на этих общих принципах, рассмотрим некоторые аспекты технического диагностирования электрометаллургического оборудования и, в частности, дуговых печей.

Объект экспертизы - дуговая печь – является сложной технической системой. С «ресурсной» точки зрения он может быть условно разбит на заменяемые (футеровка, электроды, свод и т. п.) и незаменяемые (портал, кожух печи и т. п.) элементы конструкции. Очевидно, что обсуждение возможного влияния состояния заменяемых элементов на величину остаточного ресурса не является предметом технического диагностирования. Эти элементы печи должны своевременно заменяться в плановые ремонты в соответствии с требованиями технологических регламентов. Эксперту необходимо проверить наличие таковых и их выполнение, отраженное в эксплуатационной документации печи.

Иное дело - незаменяемые элементы. От их состояния будет зависеть продолжительность безопасной эксплуатации печи. В этом смысле особый интерес представляет кожух как основной конструктивный элемент, обеспечивающий функционирование печи как единицы металлургического технологического оборудования.

Очевидной особенностью металлургического оборудования является термическое воздействие от разогреваемого или расплавленного металла. В процессе эксплуатации кожух подвергается периодическому температурному воздействию в течение всего периода плавки: от завалки шихты и до выпуска жидкого металла. Это воздействие происходит с постоянным повышением температуры до максимума и последующего охлаждения до технологического минимума. Учитывая конструктивное исполнение печи, вполне ожидаемо неравномерное распределение температуры по поверхности печи.

Грамотное техническое диагностирование печей должно включать, помимо внешнего осмотра и толщинометрии, специальные диагностические методики: как фиксирующие термическое воздействие, так и позволяющие оценить степень (или возможность) изменение состояния металла незаменяемых конструктивных элементов.

В этой связи, наиболее эффективным способом технического диагностирования такого объекта будет тепловизионный контроль.

В качестве практического примера такого подхода может быть рассмотрено техническое диагностирование с применением ТК дуговой печи емкостью 10 тонн. На рис. 1 показана термограмма, выполненная после полного расплавления шихты. Как видно из рисунка кожух нагрет до температуры около 150 ^оС, причем (рис. 1а) поверхность вблизи сливного носка имеет ту же температуру, что и со стороны портала (рис. 1б). Свод, собранный на водоохлаждаемом кольце, имеет более высокую температуру - до 360 ^оС.

Температурное поле портала (рис. 1б) имеет температурный максимум 31 ^оС, который сохраняется в течение всего периода плавки. Этот незаменяемый элемент печи не подвержен какому либо температурному воздействию и работает в условиях статического нагружения.

Водоохлаждаемые элементы (сводовое кольцо, дверца завалочного окна, кольцо на кожухе) не подвергаются существенному тепловому воздействию.

В среднем их температура не превышает 30 ^оС. Аналогичное тепловое состояние наблюдается у механизма опрокидывания.

В печах большей емкости эти закономерности сохраняются, однако значения температурных максимумов может быть другое. Так, обследование дуговой печи емкостью 150 тонн показало, что температура поверхности кожуха вблизи завалочного окна достигала 350 ^оС. Это уже достаточно высокая температура, которая способна оказать влияние на изменение как субструктуры (уровень дислокаций) так и микроструктуры (размер ферритного зерна и состояние перлитной фазы).

Тепловизионный контроль также оказывается весьма эффективным средством для оценки сварных швов кожуха. В случаях, когда сварные швы кожухов выполнены с несквозным проплавлением по толщине обечайки, их тепловое сопротивление будет ниже, чем у основного металла. Это положение наглядно иллюстрирует термограмма, полученная при техническом диагностировании стационарного миксера для хранения жидкого алюминия. Как видно из рис. 2, сварной шов имеет более высокую температуру, чем прилежащий к нему металл кожуха миксера. Именно это наблюдение позволяет сделать вывод о том, что шов проварен только снаружи. В подобных случаях уже нет необходимости в применении ультразвуковой дефектоскопии.

Рисунок 1. а) Термограмма дуговой печи со стороны сливного носка;

зона Аr1 - 152,8^оС, зона Аr2 - 360,1^оС

Рисунок 1.б) Термограмма дуговой печи с бокового ракурса;

зона Аr1 - 143,7^оС

Для определения толщины стенки в зоне шва достаточно решить обычное уравнение теплопередачи через плоскую или цилиндрическую стенку и получить значения толщины (d) или теплового сопротивления (λ/d).

Очевидно, что и такие дефекты как локальное разрушение футеровки, нарушение целостности кладки свода и т. п. также могут выявляться методом ТК.

Рисунок 2. Термограмма боковой поверхности миксера.

Вышесказанное не умаляет важности и не исключает применение традиционных методов неразрушающего контроля (УЗД, УЗТ, ВИК и т. п.), которые, конечно, решают свои специфические задачи, в т.ч. те (толщинометрия, дюрометрия, проч.), что не могут быть решены методом ТК. Однако сами условия эксплуатации (высокая температура стенки, невозможность подготовки поверхности контроля, обеспечения доступа изнутри ТУ) накладывают ограничения на применимость «нетепловизионых» схем контроля. Так, ультразвуковые методы предполагают непосредственный контакт дефектоскописта с поверхностью объекта. Для печи это означает полное охлаждение до нормальной температуры. Такое состояние возможно только при ремонтах печи, например, перенабивке футеровки, что может не совпадать по времени с проведением диагностических работ.

С другой стороны, применение ТК позволяет оптимизировать объемы контроля, выполняемого другими методами НК. Так, при применении ТК в тотальной толщинометрии (УЗТ) уже нет необходимости, достаточно просто выборочной проверки толщины на предмет соответствия фактического исполнения проектному. Аналогично обстоит дело с другими методами НК. Тем не менее, следует помнить, что метод ТК – не панацея, так, например, методом УЗД выявляются практически все несплошности (трещины, поры, непровары и т. п.), в том числе и не обнаруживаемые при ТК. Однако, с позиций разумной достаточности, для печей можно ограничиться сканированием мест пересечения продольных и кольцевых швов.

Следует отметить еще один существенный момент в неразрушающем контроле металлургического оборудования и, в особенности, элементов печей . Если в процессе диагностирования возникают предположения в развитии процесса тепловой хрупкости какого-либо элемента, то необходимо проверить все сварные соединения, включая ремонтные швы, прихваты и т. п., поскольку все эти зоны могут быть источниками трещин [4].

В этом смысле интегральная термография позволяет наиболее быстро определить возможные поврежденные зонами и характер дефектов.

Рассмотрим возможные механизмы деградации металла под воздействием теплового потока.

Исследования авторов по оценке деградации прочностных свойств кожухов, выполненных из стали 09Г2С, показали, что при рабочих температурах порядка 473-523К (200-250 ^оС) и длительности эксплуатации более 10 лет не выявлено заметного изменения прочностных свойств. Не изменилась и микроструктура стали. Вместе с тем, было обнаружено почти двукратное снижение пластических свойств металла по сравнению с нормированными ГОСТ 5520 [1]. Весьма важным показателем исчерпания ресурса пластичности металла является отношение s_0,2/s_в. По ГОСТ 5520 это отношение составляет 0,66. В металле после десяти лет эксплуатации отношение возросло до 0,76. Наблюдаемое заметное повышение свидетельствует о возможном протекании процессов термического и термодеформационного старения. Возможно также развитие сегрегационных явлений, например образование карбидов как следствие термодеформационного старения, приводящего к тепловой хрупкости. Подходы к описанию деградации за счет старения предложены в работах [3, 4, 6].

В работе [2] предложена методика расчета остаточного ресурса конструкции, работающей в условиях деформационного (термодеформационного) старения. В качестве критерия предельного состояния использован коэффициент остаточной прочности g [7]. Расчеты по предложенной методике показывают, что для конструкций из стали типа 09Г2С предельное состояние g=1 наступает примерно через 30 - 40 лет эксплуатации. Однако более показателен в этом смысле другой критерий - температур вязко-хрупкого перехода DТ₅₀. Так, сравнение данных работы [3] и [2] показывает, что DТ₅₀ для упомянутой стали может принимать положительные значения уже через 15 - 20 лет, что соответствует типичному сроку эксплуатации такой конструкции, как дуговая печь.

Другим, возможным, механизмом деградации металла могут быть процессы рекристаллизации феррита и изменений в перлитной фазе. Такой механизм деградации обсуждался в работе [7]. Модельные эксперименты и исследования натурных образцов стали, подвергнутой длительному тепловому воздействию, показывают, что имеет место частичная рекристаллизация феррита. Причем, для малоуглеродистых сталей преимущественным является процесс роста имеющихся, а для низколегированных - образования новых зерен. Следует отметить, что с точки зрения возможного изменения механических свойств формирование разнозернистой структуры приводит к значительному увеличению коэффициента вариации прочностных характеристик, например, предела текучести. Следовательно, механические свойства стали длительно эксплуатирующегося кожуха дуговой печи могут оказываться весьма неоднородными. Эта степень неоднородности будет тем больше, чем больше разница температуры по объекту.

Рассмотренный в настоящей работе модельный объект - дуговая печь - является типичным представителем объектов экспертизы промышленной безопасности в металлургической промышленности. Предложенная в настоящей работе методология диагностирования может быть представлена как сочетание тотального (интегральная термография) и локального контроля (УЗД, УЗТ, металлофизические и прочие исследования участков наиболее подверженных тепловому воздействию). В этом сочетании, применение современных методов технического диагностирования наряду с традиционными, с обязательным привлечением металлофизических исследований, позволяет не просто обсуждать состояние технического устройства, но принять адекватные критерии перехода в предельное состояние, основанные на понимании деградационных процессов в металле.

Дополнительной практической значимостью проведения ТК в рамках интегральной термографии является возможность параллельно решать актуальную задачу энергоэффективности эксплуатации диагностируемого оборудования.

Список литературы:

1.            ГОСТ 5520. Прокат листовой из углеродистой низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия.

2.            Гевлич С. О., Полонский Я. А. Расчет остаточного ресурса статически нагруженных конструкций в условиях эксплуатационного старения// Безопасность труда в промышленности.- 2009, № 3, с. 51-53.

3.            Горицкий В. М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004.- 408 с.

4.            Горицкий В. М. Тепловая хрупкость сталей. М.: Металлургиздат, 2007.- 384 с.

5.            Горицкий В. М., Шнейдеров Г. Р. Техническое состояние и остаточный ресурс конструкций, испытывающих деградацию механических свойств стали// В сб. Материалы международной научно-технической конференции "Экспертиза и оценка риска техногенных систем - 2011", Череповец, ЧГУ, 2011 с. 37-43.

6.            Пенкин А. Г., Терентьев В. Ф., Маслов Л. И. Оценка остаточного ресурса работоспособности трубных сталей с использованием методов акустической эмиссии и кинетической микротвердости. М.: Интерконтакт Наука, 2004.-70 с.

7.            Ячинский А. А. Влияние структурно-фазового состава трубных сталей и их сварных соединений на сопротивление деформационному старению: Автореф.дис...канд.техн.наук/ РГУ НиГ им. И. М. Губкина.-М, 2006.