Features of Assessing the Service Life of Furnace Tubes of High-Pressure Boilers with Regard for Operation-Induced Heterogeneity

N. Yu. Gurkina; A. V. Nechaeva; V. V. Shalagaev; V. A. Polyanskiy

doi:10.17804/2410-9908.2025.1.057-070

N. Yu. Gurkina, A. V. Nechaeva, V. V. Shalagaev, V. A. Polyanskiy

FEATURES OF ASSESSING THE SERVICE LIFE OF FURNACE TUBES OF HIGH-PRESSURE BOILERS WITH REGARD FOR OPERATION-INDUCED HETEROGENEITY

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.1.057-070

Regular inspections of the state of boiler tubes are an indispensable condition for energy security. They are performed according to the regulations approved by the RF Ministry of Energy, which prescribe a number of tests of special samples cut from these tubes. In particular, the decision to extend the service life is to be based on measurements of tube wall thickness and on tabular data of yield strength. For additional testing, the yield strength of the metal at room temperature is determined, which must fall within the range specified in these documents. To determine the mechanical properties of tube steels when inspecting boiler tubes, the guidelines prescribe the use of samples cut along the tube axis.

The paper examines samples cut from boiler tubes made of steel 20 after 200,000 hours of operation at the parameters of the internal pressure of the steam-water mixture P = 16.2 MPa and the temperature T = 350 °C with recorded signs of hydrogen embrittlement.

Our studies show that the predicted value of the residual life of heating surface tubes significantly depends on the selected place of cutting the sample for testing (fire or rear or lateral tube sides). This difference leads to significant uncertainty in the results of the examination if the samples are not cut from the fire side, this being unspecified in the current company or industry standards. A relationship was found between low yield strength at the operating temperature and high hydrogen concentration in the tube wall. The presence of operational heterogeneity and its relation to hydrogen concentration are also confirmed by metallographic studies. It was found that, with the development of hydrogen damage, standard methods give unfounded predictions of equipment life. Non-standard ring-shaped samples were tested for tension at room and operating temperatures to determine the actual allowable stress. The values obtained were then used to calculate the actual residual life, which corresponded to the actual state of the tube at both room and operating temperatures.

Acknowledgement: The study is part of R&D for the Territorial Generating Company No 11 JSC (TGK-11 JSC), contract No 01.123.720.23.

Keywords: residual life of heating surface tubes, hydrogen embrittlement, thermal stations, ring samples

References:

Pomazova, А.V., Artamontsev, A.A., and Zavorin, A.S. Features of microstructural inhomogeneity of steel 20 boiler pipes in delivery state. Izvestiya Tomskogo Politekhnicheskogo Universiteta. Inzhiniring Georesursov, 2016, 327 (11), 68–75. (In Russian).
Livanova, O.V. Degradatsiya mekhanicheskikh svoystv i parametrov soprotivleniya razrusheniyu ferrto-perlitnykh staley pri dlitelnoy ekspluatatsii [Degradation of the Mechanical Properties and Rupture Strength Parameters of Ferrite-Pearlite Steels During Long-Term Operation: Candidate Thesis Abstract]. Moscow, 2006, 28 p. (In Russian).
Kazakov, V.S. and Alekseev, A.S. Diagnosis and assessment of the residual operating life of thermal power equipment. Vestnik Bryanskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta, 2015, 2 (46), 32–39. (In Russian).
Kamenetsky, B.Ya. Strength of baffle water boilers. Novosti Teplosnabzheniya, 2012, 5 (141). (In Russian). Available at: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2967
Ignatenko, V.E. and Marshakov, A.I. The effect of hydrogen on the growth rate of a corrosion crack in the outer wall of high-pressure underground gas pipelines. In: VI Mezhdunarodnyi nauchno-prakticheskiy seminar “Povyshenie nadezhnosti magistralnykh gazoprovodov, podverzhennykh korrozionnomu rastreskivaniyu pod napryazheniem” [The 6^th International Scientific and Practical Seminar on Increasing the Reliability of Main Gas Pipelines Subject to Stress Corrosion Cracking, Kislovodsk, 2022: Proceedings]. KRN Publ., Kislovodsk, 2022. (In Russian).
Ovchinnikov, I.I. Research of behavior of the shell model which are maintaining in environments, causing corrosion cracking. Internet-Zhurnal Naukovedenie, 2012, 4, 1–30. (In Russian).
Chaudhuri, S. and Singh, R. High temperature boiler tube failures – case studies. In: COFA–1997, India: Proceeding, 1997, pp. 107–120.
IV Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya “Diagnostika i resurs metalla teplosilovogo oborudovaniya elektrostantsiy” [The 4th International Scientific and Technical Conference on the Diagnostics and Service Life of the Metal of Heat and Power Equipment in Power Plants: Proceedings]. VTI Publ., Moscow, 2023, 102 p. (In Russian).
IV Vsesoyuznyi seminar “Vodorod v metallakh” [The 4th All-Union Seminar on Hydrogen in Metals: Abstracts]. MATI Publ., Moscow, 1984, 347 p. (In Russian).
Archakov, Yu.I. and Grebeshkova, I.D. Hydrogen corrosion of steel in gas phase. In: Korroziya i zashchita ot korrozii (itogi nauki i tekhniki) [Corrosion and Corrosion Protection (Results of Science and Technology), vol. 4]. Nauka Publ., Moscow, 1975, pp. 113–174. (In Russian).
Nelson, G.A. Hydrogenation plant steels. In: Beachem, C.D., ed., Hydrogen Damage, American Society for Metals, Metals Park, OH, 1977, pp. 377–394.
Shashkova, L.V. On the methodical approach to studying the kinetics of hydrogen embrittlement of steels. Mezhdunarodnyj Nauchno-Issledovatelskiy Zhurnal, 2012, 5 (5), 30–36. (In Russian).
Shashkova, L.V. Fraktalno-sinergeticheskie aspekty mikropovrezhdaemosti, razrusheniya i optimizatsii struktury stali v usloviyakh vodorodnoi khrupkosti i serovodorodnogo rastreskivaniya, monografiya [Fractal-Synergetic Aspects of Microdamage, Fracture, and Optimization of the Steel Structure under Conditions of Hydrogen Brittleness and Sulfide Stress Cracking]. OGU Publ., Orenburg, 2013, 305 p. (In Russian).
Yakovlev, Yu.A., Polyanskiy, V.A., Sedova, Yu.S., and Belyaev, A.K. Models of hydrogen influence on the mechanical properties of metals and alloys. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2020, 3, 136–160. (In Russian). DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.13.
Sofronis, P., Liang, Y., and Aravas, N. Hydrogen induced shear localization of the plastic flow in metals and alloys. European Journal of Mechanics–A/Solids, 2001, 20 (6), 857–872. DOI: 10.1016/s0997-7538(01)01179-2.
TU 14–3R–55–2001. Seamless steel pipes for steam boilers and pipelines. (In Russian).
Kostyukhina, A.V. Mekhanicheskie svoystva i deformatsionnoe povedenie materialov obolochek tvelov energeticheskikh reaktorov po rezultatam ispytaniy koltsevykh obraztsov na rastyazhnie [Mechanical Properties and Deformation Behavior of Canning Materials of Power Reactors Resulting from Tensile Testing of Ring Samples: Cand. Thesis]. Moscow, 2020, 145 p. (In Russian).
Polyanskiy, A.M., Polyanskiy, V.A., Frolova, K.P., and Yakovlev, Yu.A. Hydrogen diagnostics of metals and alloys. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2018, 6, 37–50. DOI: 10.17804/2410-9908.2018.6.037-050. Available at: http://dream-journal.org/issues/2018-6/2018-6_190.html
Nindiyasari, F., Pierick, P.T, Boomstra, D., and Pandit, A. Ring tensile test of reference zircaloy cladding tube as a proof of principle for hotcell setup. In: TopFuel-2018 Conf., Prague, Czech Republic, 2018.
Khalfallah, A., Ktari, Z., Leitão, C., and Fernandes, J.V. New mandrel design for ring hoop tensile testing. Experimental Techniques, 2021, 45 (3), 769–787. DOI: 10.1007/s40799-021-00462-4.
Kim, S.-K., Bang, J.-G., Kim, D.-H., Yang, Y.-S., Song, K.-W., and Kim, D.-S. Mechanical property evaluation of high burn-up nuclear fuel cladding using the ring tensile test. Metals and Materials International, 2009, 15 (4), 547–553. DOI: 10.1007/s12540-009-0547-0.
Nagase, F., Sugiyama, T., and Fuketa, T. Optimized ring tensile test method and hydrogen effect on mechanical properties of zircaloy cladding in hoop direction. Journal of Nuclear Science and Technology, 2009, 46 (6), 545–552. DOI: 10.3327/jnst.46.545.
Mosin, A.M., Evseev, M.V., Protnykh, I.A., Shcherbakov, E.N., Shikhalev, V.S., Mitrofanova, N.M., and Kozlov, A.V. A change in the physical and mechanical properties of the fuel-element cladding made of EK–164 and ChS–68 steel operating in the BN-600 reactor during four microruns. Izvestiya Vuzov. Yadernaya Energetika, 2011, 1, 224–230. (In Russian).
Travica, M., Mitrović, N., Petrović, A., and Milošević, M. Experimental strain measurements on ring tensile specimens made of S235JRH steel pipe. Procedia Structural Integrity, 2023, 48 (7), 280–287. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.07.131.
Port, R.D. and Herro, H.M. The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis, McGraw-Hill, 1991, 293 p.
Dayal, R.K. and Parvathavarthini, N. Hydrogen embrittlement in power plant steels. Sadhana, 2003, 28, 431–451. DOI: 10.1007/BF02706442.
Ahmad, J. and Purbolaksono, J. Hydrogen damage in a rear riser water wall tube of a power plant. Engineering Failure Analysis, 2010, 17 (5), 1239–1245. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2010.01.005.
Saha A. Chapter 3 – Boiler tube failures: some case studies. In: Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Chemicals, Concrete and Power Industries, Butterworth-Heinemann, 2016, pp. 49–68. DOI: 10.1016/B978-0-08-100116-5.00003-X.
Kim, Y.S., Kim, W.C., Jain, J., Huang, E.-W., and Lee, S.Y. Hydrogen embrittlement of a boiler water wall tube in a district heating system. Metals, 2022, 12, 1276. DOI: 10.3390/met12081276.

Н. Ю. Гуркина, А. В. Нечаева, В. В. Шалагаев, В. А. Полянский

ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ЭКРАННЫХ ТРУБ КОТЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТИ

Регулярные обследования состояния труб котельных агрегатов являются необходимым условием энергобезопасности. Они проводятся в соответствии с утвержденным Минэнерго регламентом, который предписывает проведение целого ряда испытаний специальных образцов, вырезанных их этих труб. В частности, решение о продлении ресурса работы принимается на основании результатов измерения толщины стенок труб и табличных данных о пределе текучести. Для дополнительного контроля определяется величина предела текучести металла при комнатной температуре, которая должна лежать в интервалах, указанных в этих документах. При обследованиях котельных труб руководящие документы предписывают использовать для определения механических свойств трубных сталей образцы, вырезанные вдоль оси трубы.

В работе рассмотрены вырезки котельных труб из стали 20 после эксплуатации в течение 200 тысяч часов при внутреннем давлении пароводяной смеси P = 16,2 МПа и температуре T = 350 °C с зафиксированными признаками водородного охрупчивания.

Наши исследования показывают, что расчетная величина остаточного ресурса труб поверхностей нагрева существенно зависит от выбранного места вырезки образца для проведения испытаний (огневая, тыловая или боковые стороны труб). Эта разница приводит к существенной неопределенности результатов обследования, в случае если образцы вырезаны не с огневой стороны, что никак не оговорено в действующих СТО и РД. Обнаружена связь низкого предела текучести при рабочей температуре с высокой концентрацией водорода в стенке трубы. Наличие эксплуатационной неоднородности и ее связь с концентрацией водорода также подтверждены металлографическими исследованиями. Установлено, что при развитии водородных повреждений стандартные методы дают необоснованный прогноз ресурса оборудования.

Были испытаны на растяжение при комнатной и рабочей температурах нестандартные кольцевые образцы для определения фактического допускаемого напряжения. Полученные значения далее были использованы в расчетах фактического остаточного ресурса, который и при комнатной, и при рабочей температуре соответствовал реальному состоянию трубы.

Благодарность: Работа выполнена в рамках НИОКР для акционерного общества «Территориальная генерирующая компания № 11» (АО «ТГК-11») по договору № 01.123.720.23.

Ключевые слова: остаточный ресурс труб поверхностей нагрева, водородное охрупчивание, тепловые станции, кольцевые образцы

Библиография:

Помазова А. В. Особенности микроструктурной неоднородности котельных труб из стали 20 в состоянии заводской поставки // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327 (11). – С. 68–75.
Ливанова О. В. Деградация механических свойств и параметров сопротивления разрушению феррито-перлитных сталей при длительной эксплуатации : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.16.01. – Москва, 2006. – 28 с.
Казаков В. С., Алексеев А. С. Диагностирование и оценка остаточного ресурса эксплуатации теплоэнергетического оборудования // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2015. – № 2 (46). – С. 32–39.
Каменецкий Б. Я. Прочность экранных водогрейных котлов // Новости теплоснабжения. – № 5 (141). – 2012. – URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2967 (дата обращения: 22.12.2023).
Игнатенко В. Э., Маршаков А. И. Влияние водорода на скорость роста коррозионной трещины во внешней стенке подземных газопроводов высокого давления // VI Международный научно-практический семинар «Повышение надежности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением», Кисловодск, 2022 : материалы науч. конф. – КРН, 2022.
Овчинников И. И. Исследование поведения оболочечных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вызывающих коррозионное растрескивание // Интернет-журнал «Науковедение». – 2012. – № 4.– С. 1–30.
Chaudhuri S., Singh R. High temperature boiler tube failures – case studies // COFA–1997, India : Proceeding. – 1997. – P. 107–120.
IV Международная научно-техническая конференция «Диагностика и ресурс металла теплосилового оборудования электростанций», Москва, 21 сентября 2023 г. : сборник докладов. – М. : ВТИ, 2023. – 102 с.
IV Всесоюзный семинар «Водород в металлах» : тезисы докладов / под ред. В. В. Панасюка, Б. А. Колачева. – М. : МАТИ, 1984. – 347 с.
Арчаков Ю. И., Гребешкова И. Д. Водородная коррозия сталей в газовой фазе // Коррозия и защита от коррозии (итоги науки и техники). Т. 4. – М. : Наука, 1975. – С. 113–174.
Nelson G. A. Hydrogenation plant steels // Hydrogen Damage / ed. by C. D. Beachem. – OH : American Society for Metals, Metals Park, 1977. – P. 377–394.
Шашкова Л. В. О методическом подходе к изучению кинетики водородного охрупчивания сталей // Международный научно-исследовательский журнал. – 2012. – № 5 (5). – С. 30–36.
Шашкова Л. В. Фрактально-синергетические аспекты микроповреждаемости, разрушения и оптимизации структуры стали в условиях водородной хрупкости и сероводородного коррозионного растрескивания : монография. – Оренбург : ОГУ, 2013. – 305 с.
Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов / Ю. А. Яковлев, В. А. Полянский, Ю. С. Седова, А. К. Беляев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – №. 3. – С. 136–160. – DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.13.
Sofronis P., Liang Y., Aravas N. Hydrogen induced shear localization of the plastic flow in metals and alloys // European Journal of Mechanics–A/Solids. – 2001. – Vol. 20 (6). – P. 857–872. – DOI: 10.1016/S0997-7538(01)01179-2.
ТУ 14–3Р–55–2001. Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов. – М. : РНИИТП, 2001. – 80 с.
Костюхина А. В. Механические свойства и деформационное поведение материалов оболочек твэлов энергетических реакторов по результатам испытаний кольцевых образцов на растяжение : дисс. … канд. техн. наук : 05.16.09. – Москва, 2020. – 145 с.
Hydrogen diagnostics of metals and alloys / A. M. Polyanskiy, V. A. Polyanskiy, K. P. Frolova, Yu. A. Yakovlev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2018. – Iss. 6. – P. 37–50. – DOI: 10.17804/2410-9908.2018.6.037-050. – URL: http://dream-journal.org/issues/2018-6/2018-6_190.html
Ring tensile test of reference zircaloy cladding tube as a proof of principle for hotcell setup / F. Nindiyasari, P. T. Pierick, D. Boomstra, A. Pandit // TopFuel-2018 Conf., Prague, Czech Republic, September 30–October 4, 2018. – 2018.
New mandrel design for ring hoop tensile testing / A. Khalfallah, Z. Ktari, C. Leitão, J. V. Fernandes // Experimental Techniques. – 2021. – Vol. 45 (3). – P. 769–787. – DOI: 10.1007/s40799-021-00462-4.
Mechanical property evaluation of high burn-up nuclear fuel cladding using the ring tensile test / S.-K. Kim, J.-G. Bang, D.-H. Kim, Y.-S. Yang, K.-W. Song, D.-S. Kim // Metals and Materials International. – 2009. – Vol. 15 (4). – P. 547–553. – DOI: 10.1007/s12540-009-0547-0.
Nagase F., Sugiyama T., Fuketa T. Optimized ring tensile test method and hydrogen effect on mechanical properties of zircaloy cladding in hoop direction // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2009. – Vol. 46 (6). – P. 545–552. –DOI: 10.3327/jnst.46.545.
Изменение физико-механических свойств оболочек твэлов из сталей ЭК164 и ЧС68 после эксплуатации в реакторе БН-600 в течение четырех микрокомпаний / А. М. Мосин, М. В. Евсеев, И. А. Портных, Е. Н. Щербаков, В. С. Шихалев, Н. М. Митрофанова, А. В. Козлов // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2011. – № 1. – С. 224–230.
Experimental strain measurements on ring tensile specimens made of S235JRH steel pipe / M. Travica, N. Mitrović, A. Petrović, M. Milošević // Procedia Structural Integrity. – 2023. – Vol. 48 (7). – P. 280–287. – DOI: 10.1016/j.prostr.2023.07.131.
Port R. D., Herro H. M. The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis. – McGraw-Hill, 1991 – 293 p.
Dayal R. K., Parvathavarthini N. Hydrogen embrittlement in power plant steels // Sadhana. – 2003. – Vol. 28. – P. 431–451. – DOI: 10.1007/BF02706442.
Ahmad J., Purbolaksono J. Hydrogen damage in a rear riser water wall tube of a power plant // Engineering Failure Analysis. – 2010. – Vol. 17 (5). – P. 1239–1245. –
Saha A. Chapter 3 – Boiler tube failures: some case studies // Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Chemicals, Concrete and Power Industries. – Butterworth-Heinemann, 2016. – P. 49–68. – DOI: 10.1016/B978-0-08-100116-5.00003-X.
Hydrogen embrittlement of a boiler water wall tube in a district heating system / Y. S Kim., W. C. Kim, J. Jain, E.-W. Huang, S. Y. Lee // Metals. – 2022. – Vol. 12. – P. 1276. – DOI: 10.3390/met12081276.

Библиографическая ссылка на статью

Features of Assessing the Service Life of Furnace Tubes of High-Pressure Boilers with Regard for Operation-Induced Heterogeneity / N. Yu. Gurkina, A. V. Nechaeva, V. V. Shalagaev, V. A. Polyanskiy // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 1. - P. 57-70. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.1.057-070. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_499.html
(accessed: 06.05.2025).