Управление надежностью, долговечностью и безопасностью энергооборудования ТЭС и АЭС : Т. 1

Г о р н а я 
к н и г а 

Релакиия 
«Энергетика» 

Р Е Д А К Ц И О Н Н Ы Й 
СОВЕТ 

Председатель 

Г.А. 
ФИЛИППОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены редсовета 

ГЛ. 
БЕРЛЯВСКИЙ 

А.Ф.ДЬЯКОВ 

ВТ. 
КАНЦЕДАЛОВ 

ЛИ. 
КАНТОВИЧ 

Э.С. СААКОВ 

В.Н. 
СКОРОБОГАТЫХ 

О.Н. ФАВОРСКИЙ 

действительный член РАН 

директор 
Издательства МГГУ 

профессор 

чл.-корреспондент РАН 

профессор 

профессор 

действительный член МЭА 

действительный член МЭА 

действительный член РАН 

A. Ф. ДЬЯКОВ 
B. Г. КАНИЕДАЛОВ 
Г.П. БЕРЛЯВСКИЙ 
Л.И. КАНТОВИЧ 

УПРАВЛЕНИЕ 
НАДЕЖНОСТЬЮ, 
АОАГОВЕЧНОСТЬЮ 
И БЕЗОПАСНОСТЬЮ 
ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ 
ТЭС И АЭС 

Пол обшей 
релашией 
чл.-корр. 
РАН, 
л-ра техн. наук, проф. 
А.Ф. 
Аьякова 

М О С К В А 

И З А А Т Е А Ь С Т В О 
« Г О Р Н А Я 
К Н И Г А » 

2 0 0 8 

Э Н Е Р Г Е Т И К А 

УДК 
621.311:622 
БЬК 
31.16 
Д 9 3 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых. СапПиМ 1.2.1253-4)3». утвержденным Главным гоеударет 
венным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). 
Санитарно- эпидемиологическое заключение Федеральной службы но надзору в сфере защиты прав потребителей № 77.99.60.953.Д.008501.07.07 

Дьяков А.Ф., Канцедалов В.Г., Берлинский Т.П., Кантович Л.И. 

Д 93 
Управление надежностью, долговечностью и безопасностью 

энергооборудования ТЭС и АЭС / Под общ. ред. А.Ф. Дьякова. — 
М.: Издательство «Горная книга», 2008. — Т. 1. — 424 с : ил. 

ISBN 978-5-98672-IOO-2 (в пер.) 
Освещены проблемы разработки и совершенствования классической 
теории надежности энергетических объектов. Даны уточнения ряда установившихся закономерностей, изложенных в теории механики разрушения 
тепломеханического оборудования электростанций, что позволяет основательнее выявлять процессы разупрочнения конструкций на микро-, макрои мезоуровиях. Особое внимание уделено энергетическому оборудованию, 
эксплуатируемому на завершающей стадии выработки физического ресурса, удельный объем которого в общем энергобалансе страны составляет 
более 60 %. 

А.Ф. Дьяков — чл.-корр. РАН, проф., д-р техн. паук; В.Г. Канцедалов 
— заместитель генерального директора HI III «Прочность», проф.. д-р техн. 
наук; Г.//. Ьерлнвский — генеральный директор III III «Прочность», проф., 
д-р техн. наук; Л И. Кантович — зав кафедрой горных машин и оборудования, проф., л-р техн. наук (Московский государственный горный университет). 

Для специалистов и стулетов технических вузов, интересующихся вопросами надежности, долговечности и комплексной технической диагностики энергетического оборудования тепловых и атомных электростанций. 

УДК 621.31 1:622 
ББК31.16 

ISBN 978-5-98672-100-2 
© А.Ф. Дьяков, В.Г. Канцедалов, 
Г.П. Берлявский, Л.И. Кантович, 2008 
© Издательство «Горная книга», 2008 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2008 

ВВЕДЕНИЕ 

Среди современных тенденций, характеризующих научные 
подходы в области конструкционной прочности длительно работающего энергооборудования, можно выделить ряд особенностей, непосредственно относящихся к анализу состояния металла этого оборудования. 

Первая особенность — это дифференциация и специализация процессов, протекающих в металле, с одной стороны, и 
идущая независимо и параллельно интеграция этих процессов 
— с другой, являющиеся объектом рассмотрения, казалось бы, 
разных областей знания. Такая особенность возникла в значительной мере потому, что металл энергооборудования, находящегося на стадии выработки физического ресурса, уже, по сути, 
находится в состоянии предразрушения, а само оборудование 
переходит в последнюю стадию эксплуатации, которая может 
колебаться в широких пределах. Первая особенность предопределяет изменения либо условий работы энергооборудования, 
либо условий проведения эксплуатационного контроля, чтобы 
обеспечить необходимый уровень его надежности, безопасности 
и долговечности. В данном случае необходимо дифференцировать все элементы энергоблока по степени воспринимаемых нагрузок и контролируемых характеристик металла, которые наиболее полно отражаю! меру исчерпания рабочего ресурса оборудования на завершающей стадии эксплуатации. 

Вторая особенность развития науки в указанном направлении заключается в необходимости коренного пересмотра существующей системы технического диагностирования энергооборудования, поэтапного перехода к автоматизированным, непрерывным 
системам 
контроля 
и мониторинга, 
позволяющим 
постоянно получать текущую информацию обо всех изменениях, происходящих в металле под воздействием рабочих параметров пара, оперативно оценивать остаточный ресурс паропроводов и других конструктивных элементов тепловой схемы. 

5 

Третья особенность освещаемой проблемы касается ремонтно-профилактических 
и технологических 
мероприятий, 
способных оперативно регенерировать (восстанавливать) свойства металла износившихся узлов и деталей энергоблока, что 
позволяет получать существенный дополнительный рабочий ресурс. Это уже самостоятельная, обширная область знаний по 
комплексной восстановительной термообработке металла энергооборудования, требующая специального рассмотрения. 

Еще одной особенностью интеграции науки в области обеспечения конструкционной прочности металла является соблюдение принципа совместимости объектов, критериев и времени 
их диагностирования с контрольно-диагностическим комплексом и системой рсмонтно-профилактических работ по показателям их адаптации к самым сложным по форме конструктивным 
элементам, а также получение возможности иметь информацию 
о заданных критериях состояния металла в любом временном и 
температурном интервале. 

Для завершающей стадии эксплуатации энергооборудования, 
как показывают предварительные результаты испытаний, характерно постепенное увеличение доли хрупких разрушений металла 
к разрушениям, возникающим при малоцикловой усталости (ползучести и релаксации), в том числе при изменении механических 
свойств металла (деформационное старение и т.п.). Циклическую 
долговечность металла в этом случае вычисляю! на основе деформационно-кинетического критерия прочности, с учетом перераспределения циклических и односторонне накопленных деформаций, а также изменения во времени предельных пластических деформаций, определяющих деформационную способность 
(располагаемую пластичнос ть) металла. 

Однако, согласно последним исследованиям авторов настоящей монографии в данной области, многие закономерности, 
присущие монотонному накоплению микро- и макроповреждений, зачастую не адекватны вновь возникающим механизмам 
разупрочнения металла, в основе которых лежат пороговые изменения его свойств и качества. 

6 

Традиционное описание пластической деформации и разрушения твердых тел базируется на двух подходах: механике 
сплошной среды и теории дислокаций [ 11. 

Механика сплошной среды объясняет поведение материала 
под нагрузкой с помощью интегральных характеристик среды 
(по И.А. Одингу, 1944). В рамках такого подхода внутренняя 
структура материала не учитывается (тензоры его напряжений и 
деформаций располагаются симметрично). Пластическая деформация материала вызывается только трансляционным движением его дефектов под действием напряжений. Кривая такого 
перемещения рассчитывается по деформационному упрочнению 
выше предела текучести материала. 

Теория дислокации описывает (по Г. Хагену, 1991) [2] микроскопическое поведение деформируемого твердого тела. Изучение элементарных актов пластической деформации позволяет 
вскрыть механизмы зарождения пластических сдвигов и трещин, объяснить поведение дислокационных ансамблей и дать 
физическую интерпретацию феноменологических закономерностей механики сплошной среды. 

С начала 1980-х годов в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН развивается новое направление — физическая мезомеханика деформируемого твердого тела, в основу 
которого положена концепция структурных уровней деформации такого тела. Группой специалистов под руководством В.Е. 
Панина теоретически и экспериментально обоснован качественно иной элементарный акт пластической деформации — трансляционно-ротацйонный вихрь. Показано, что сдвиг в локальной 
области кристалла должен сопровождаться (при заданных граничных условиях) поворотом этой области. В мезомеханике носителем пластической деформации твердого тела должен быть 
объемный структурный элемент, движение которого включает 
органически взаимосвязанные трансляционную и поворотную 
моды деформации. Как следствие поворота структурных элементов, в деформацию вовлекается вся иерархия масштабов 
структурных уровней среды, самоорганизация которых может 

7 

быть корректно описана только на основе совместного рассмотрения трансляционных и поворотных мод деформации. 

Мезомеханика такого поведения приводит к представлению 
о возникновении в деформируемом твердом теле вихревого механического поля, эволюция которого в ходе нагружения обусловливает органическую взаимосвязь пластической деформации и разрушения этого тела как двух последовательных с тадий 
одного процесса. В развиваемом подходе разрушение твердого 
тела считается результатом поворотной моды его деформации. 
С подобных позиций удается понять закономерности разрушения деформируемого твердого тела в самых различных условиях 
нагружения. 

С синергетических позиций процесс развития, например 
трещины, в любом материале связан с последовательным усложнением реализуемых механизмов разрушения. В момент перехода от одного механизма к другому происходит отбор того 
механизма разрушения, который позволяет запасти в материале 
большее количество энергии при минимально возможном увеличении темпа роста трещины. 

Наиболее наглядно данный принцип самоорганизации может быть проиллюстрирован на примере перехода от пластической деформации материала путем скольжения к его ротационной неустойчивости. Зарождение усталостной трещины связано 
с образованием множественных трещин, которые сливаются в 
одну в результате разрушения перемычек материала. Разрушение перемычки может происходить при сочетании его отрывов, 
а также вследствие вращения объемов материала. Этот последний акт разрушения наиболее энергоемок при распространении 
усталостной трещины, он приводит к формированию в материале сферических частиц. 

Многопараметрическое воздействие при циклическом нагружении материала вызывает самоорганизованный переход от 
одного ведущего механизма поглощения энергии к другому не 
только сменой вида процесса пластической деформации, но и 
переходом от разрушения материала к его деформации. Такая 

8 

ситуация иллюстрирует влияние перегрузки на последующую 
задержку развития трещины в материале. 

Применительно к металлу для получения общего представления о процессе его разрушения также важно понимать влияние производства энтропии на необратимость пластической деформации металла. В термодинамике необратимых процессов 
для этой цели используют локальные термодинамические потенциалы и метод Гиббса. 

Согласно синергетическим представлениям о прочности и 
разрушении металлических материалов, названные локальные 
потенциалы зависят от множества параметров и условий их нагружения, которые будут рассмотрены в данной монографии. 

О С Н О В Н Ы Е П О К А З А Т Е Л И 
Р А Б О Т Ы 

Е Д И Н О Й 
Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К О Й 

С И С Т Е М Ы 
Р О С С И И 

На конец 2002 г. в составе ЕЭС России параллельно работали шесть Объединенных энергосистем (ОЭС) — Центра, Средней Волги, Урала, Северо-Запада, Северного Кавказа, Сибири, а 
также Янтарьэнерго. ОЭС Востока функционирует обособленно 
от ОЭС Сибири. Точки раздела по транзиту 220 кВ Читаэнерго 
— Амурэнерго устанавливаются оперативно в зависимости от 
складывающегося баланса обоих энергообъединений . Параллельно с ЕЭС России работали энергосистемы Балтии, Белоруссии, Закавказья, Казахстана. 

К концу 2002 г. в ЕЭС России входило 69 энергосистем. 
Всего на территории Российской Федерации работает 78 энергосистем. Параллельно, но несинхронно с ЕЭС (через вставку 
постоянного тока) работает энергосистема Финляндии, входящая в энергообъединение энергосистем Скандинавии НОРДЕЛ. 
От сетей ЕЭС России осуществляется также электроснабжение 
потребителей Норвегии, Монголии, Китая. 

Установленная мощность электростанций Российской Федерации на 01.01.2007 г. составила 211,8 тыс. МВт. По ЕЭС России установленная мощность электростанций достигла 198,4 
тыс. МВт. Ввод новой мощности в 2006 г. на электростанциях 
Российской Федерации составил 1313,2 МВт, в том числе на 
электростанциях отрасли — 991,1 МВт, на электростанциях других министерств и ведомств — 322,1 МВт. Демонтировано 
оборудование электростанций отрасли суммарной мощностью 
392,2 МВт, из них на электростанциях отрасли — 311,6 МВт. 

Приводимые в работе данные для ЕЭС России включают в себя показатели по шести параллельно работающим ОЭС и энергосистеме Янтарьэнерго. Данные по ОЭС Востока включают в себя параллельно работающие энергосистемы, а также раздельно работающие энергосистемы и 
энергоузлы. 
10