Экспериментальное исследование термомеханических факторов работоспособности труб пароперегревателя

На правах рукописи

Ташлыков Александр Анатольевич ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Томский политехнический университет”

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Заворин А.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Басин Анатолий Сергеевич, Институт теплофизики СО РАН (г. Новосибирск);

кандидат технических наук, доцент Федецкий Иван Иванович, ООО «Сибтерм» (г. Томск).

Ведущая организация: ФГУП «Сибирский химический комбинат» (г. Северск)

Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.269. в Томском политехническом университете по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корпус 4, ауд. 406.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО “Томский политехнический университет” Автореферат разослан «12» октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А. С. Заворин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В российской энергетике растет количество объектов, ис черпавших свой проектный, а в большинстве случаев и парковый ресурс. Счи тается, что используемые в пароперегревателях (ПП) трубы из сталей 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и др. плохо зарекомендовали себя в процессе экс плуатации в связи с низкой прокаливаемостью по глубине, склонностью к меж кристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям. Поэтому в процессе реновации оборудова ния тепловых электрических станций предлагается заменить для ПП трубные стали старого поколения на более перспективные материалы, например, на сталь Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которая в настоящее время проходит массовые испытания на ряде электростанций России и стран СНГ. Помимо внедрения но вых материалов актуальны вопросы продления срока службы уже эксплуати руемого оборудования, а также прогнозирования длительного и остаточного ресурса. В этой связи чрезвычайно важной является задача исследования труб ных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклическо го и механоциклического воздействия.

В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопро водах, резервуарах, стальных конструкциях и т.п. Известные методики обсле дования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие коли чественными показателями структурной прочности, не отличаются надежно стью и достоверностью.

Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности оценки текущего состояния и прогнозов остаточного ресурса поверхностей на грева вынуждают проводить дальнейшие исследования влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойст ва трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, с введением иных критериев оценки состояния мате риалов ответственных конструкций и узлов. Одним из таких критериев можно считать внутренние структурные напряжения. Анализ их функциональных за висимостей от условий эксплуатации отдельных трубных элементов предостав ляет возможности для оперативного повышения надежности тепломеханиче ского оборудования в целом.

Таким образом, актуальность темы обосновывается состоянием основных энергетических мощностей, необходимостью продления остаточного ресурса труб энергетических котлов и соответственной диагностики их текущего физи ческого состояния, задачами грядущего перевооружения отрасли, среди кото рых выделена замена стали труб ПП на более перспективную. Тема диссерта ции соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объек тов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, техноло гий и техники в РФ («Энергетика и энергосбережение»).

Цель работы: установление характеристик структурно-напряженного со стояния стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) и оценка их влияния на работоспособность элементов пароперегревателей.

Основные задачи исследования:

1) установление зависимости внутренних структурных напряжений от темпе ратуры и выявление характера изменения структурно-напряженного состоя ния при изменяющихся термических и механических нагрузках;

2) определение критериев склонности к трещинообразованию и роста струк турной трещины в процессе механоциклического пластического деформиро вания стенки трубы;

3) установление температурной зависимости коэффициентов теплового расши рения кристаллических решеток стенки трубы;

Научная новизна полученных результатов:

1) впервые получены экспериментальные данные, характеризующие изменения внутренних структурных напряжений при циклических термических и меха нических воздействиях на стенку трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш);

2) экспериментальным путем с применением методики механического цикли ческого нагружения по уширению линий рентгеновской дифракции опреде лены базовые характеристики прочности и пластичности (в, 0,2);

3) установлены аномальные скачкообразные изменения коэффициента линей ных термических расширений кристаллических решеток для стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш).

Практическая значимость работы:

1) полученные зависимости внутренних структурных напряжений от темпера туры и внешнего механоциклического воздействия позволяют устанавливать безопасный диапазон температур эксплуатации, текущее физическое со стояние, а также область применения и осуществлять подбор совместимых материалов для трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш);

2) предложенные критерии склонности к трещинообразованию и условия роста структурной трещины могут быть использованы для разработки техниче ских мероприятий по продлению ресурса труб.

Материалы исследования используются: для входного контроля трубной продукции в ЗАО «Росналадка» (г. Бийск), для диагностики труб поверхностей нагрева в ходе экспертизы опасных производственных объектов в РИКЦ «Кот лонадзор» (г. Новосибирск), а также в учебном процессе по специальностям «Тепловые электрические станции», «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете.

Достоверность результатов обеспечивается применением прецизионных методов исследования, апробированных методик обработки эксперименталь ных результатов и анализом погрешностей эксперимента, сравнением с анало гичными исследованиями для широко используемых в энергетике марок стали (Ст.10, Ст.20, 12Х1МФ).

На защиту выносятся:

1) результаты экспериментальных исследований внутренних структурных на пряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при термиче ских циклических нагружениях;

2) результаты экспериментальных исследований внутренних структурных на пряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при механиче сих циклических нагружениях;

3) обоснование критериев диагностики текущего физического состояния и про гнозирования работоспособности материала труб для пароперегревателя из перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: IV, V Всероссийском студенческом научно-практическом семинарах «Энергетика:

экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2002, 2003 г.г.);

VIII, IX Все российских научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надеж ность, безопасность» (г. Томск, 2002, 2003 г.г.);

IX Международной научно практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г.);

III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теп лоэнергетике (г. Барнаул, 2003 г.);

на научных семинарах кафедры парогенера торостроения и парогенераторных установок Томского политехнического уни верситета (2002-2007 г.г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, среди которых 3 статьи в рецензируемом издании (список ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырёх глав, заключения, 4 приложений и списка литературы (66 наименова ний). Работа содержит 175 страниц, 25 таблиц и 29 рисунков.

Личное участие автора. Автором самостоятельно определены цели ис следования и развиты методические положения экспериментальных исследова ний. Автор непосредственно участвовал в циклических температурных и меха нических испытаниях, в обработке экспериментальных результатов, а также провел анализ полученных результатов и сформулировал выводы. В обсужде нии экспериментальных результатов и выводов принимали участие к.т.н. А. А.

Макеев, к.т.н. Л.Л. Любимова.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится анализ состояния российской энергетики в аспек те темы диссертационной работы и обосновывается актуальность проблемы продления работоспособности труб в условиях термической и механической усталости металла. Обосновывается выбор изделия из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) как объекта исследования.

В первой главе приведены сведения об основных видах повреждаемости труб поверхностей нагрева, дается обзор основных гипотез коррозионного рас трескивания и сведений о влиянии микроструктурных характеристик на корро зионные и прочностные свойства сталей, включая существующие представле ния о механизме хрупких разрушений. Охарактеризованы основные физические методы исследований структуры и свойств вещества.

Показано, что имеющиеся результаты не дают целостной картины проте кания всех видов усталостных явлений, не устанавливают надежно диагности ческие структурные признаки, провоцирующие, например, межкристаллитную коррозию, транскристаллитную коррозию, коррозионное растрескивание под напряжением. Соответственно не выработаны показатели для надежного про гнозирования поведения трубного изделия под различными эксплуатационны ми воздействиями. Показано, что вопросам диагностики напряженного состоя ния стали в части определении критериев разрушения не уделяется особого внимания. Вместе с тем из обзора следует, что прочностные свойства связыва ются с высокими уровнями внутренних остаточных напряжений. Следователь но, информация об изменениях напряженного состояния должна быть предме том научных исследований, основой прогнозирования и определения режимов длительной эксплуатации. Обзором установлено, что применяемые методы анализа микроструктуры относятся к разрушающим и что в арсенале исполь зуемых средств не получил должного распространения метод высокотемпера турной рентгенографии. На основании обзора литературы по проблемам долго вечности, работоспособности и термической усталости сформулированы цель и задачи исследований, обоснован выбор рентгеновского метода для определения структурных изменений.

Во второй главе представлена методика исследования, включающая цик лические механические и термические испытания образцов пароперегреватель ной трубы, сопровождаемые регистрацией структурных изменений с примене нием метода рентгенографии и высокотемпературной рентгенометрии, дано описание техники эксперимента.

Методика термических испытаний заключалась в организации форсиро ванного искусственного старения образца трубы методом термоциклирования.

Термоциклические испытания проведены при давлении ~1,3·10-3 Па с це лью исключения окислительных реакций. Использовался образец, изготовлен ный из прямого участка трубы в виде шлифа размером 15203 мм. Образец испытывался на рентгеновском аппарате Дрон-0,5 с применением высокотем пературной дифрактометрической установки УВД-2000 и рентгеновской труб ки с молибденовым анодом и длиной волны Кср.=0,71069. Использование жесткого молибденового излучения позволяло осуществлять сканирование об разца в широком диапазоне углов дифракции, обеспечивало получение дифрак ционной картины не только от поверхностных слоев образца, но и от объема и увеличивало точность определения параметра элементарной ячейки.

Сущность выполнения термоциклирования состояла в следующем. При достижении вакуума в рабочем объеме высокотемпературной дифрактометри ческой приставки производился подъем температуры от 12 С (температура ох лаждающей воды) до температуры испытаний. Диапазон температур испытаний в одном макроцикле составлял от 12 до 700 С с шагом подъема температуры в каждом составляющем его микроцикле порядка 30…100 С при длительности микроцикла 24 ч. При рабочей температуре испытаний после достижения ста ционарного температурного состояния в микроцикле осуществлялось рентгено графирование образца. В дальнейшем образец, испытываемый под термической нагрузкой, называется «горячим». После рентгеносъемки «горячего» образца установка расхолаживалась до температуры охлаждающей воды и осуществля лась рентгеносъемка «холодного» образца. Всего было выполнено 3 макроцик ла. Второй макроцикл заканчивался аустенизацией стали с последующим переходом.

В результате реализации термоциклирования и рентгенодиагностики уста навливались следующие характеристики: агор и ахол – параметр элементарной ячейки для «горячего» и «холодного» образца в зависимости от температуры;

– мгновенный коэффициент линейных термических расширений кристалличе ской решетки;

I, II – внутренние структурные напряжения первого и второго рода в зависимости от температуры по ниже приведенным выражениям.

a i a i 1, = t i t хол a i где ai – параметр элементарной ячейки при температуре ti,;

ai-1 – параметр эле ментарной ячейки холодного металла предыдущего термоцикла;

tхол – всегда С (температура охлаждающей воды);

ti – рабочая температура микроцикла.

a i+1 a i E, (1) i = a i + где аi+1 – параметр элементарной ячейки горячего образца при рабочей темпе ратуре ti+1;

аi – параметр элементарной ячейки горячего образца при температу ре предыдущего микроцикла;

Е – модуль нормальной упругости.

n Е, (2) II = 4 tg где – угол дифракции;

n2 – часть уширения дифракционной линии, ответст венного за микронапряжения.

Плотность дислокаций (, 1/см2) оценивается по выражению:

= 3 D2, (3) где D – размер кристаллитов, см.

Методика механических испытаний для исследования структурно напряженного состояния при пластическом механическом нагружении стенки трубы сводилась к организации процесса форсированного искусственного ста рения образца в ходе холодного циклического деформирования гидравличе ским прессом с возрастающей нагрузкой в каждом очередном цикле деформи рования.

После каждого цикла нагружения производилась рентгеносъемка иссле дуемого образца на рентгеновском аппарате ДРОН-3,0 с использованием моно хроматизированного медного излучения трубки с длиной волны Cuk=1,. Анализ внутренних остаточных напряжений выполнен по методике, позво ляющей определить уширения дифракционных линий (111) и (220) (метод Уор рена) по выражениям (1 – 3).

Длина структурной трещины рассчитывалась на основании:

0,1 E a = 0,01 E a, = l кр 2 4 y y где Е – модуль нормальной упругости;

а – период кристаллической решетки;

у – внутренние напряжения.

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты и оценена погрешность измерений.

На рис. 1 и на рис. 2 представлены зависимости внутренних напряжений II рода соответственно от плотности структурных дефектов при внешнем нагру жении и от приложенной внешней нагрузки. Показано, что процессы упрочне ния при нагружении, характеризуемые точками 1, 4, 7, 9 (рис. 2 А) и 1, 3, 7, (рис. 2 Б), сменяются процессами разупрочнения (точки 2, 5, 8, 10, 13 на рис. А и 2, 5, 9, 12, 13 на рис. 2 Б). Свойства внутренней и наружной поверхностей трубы проявляют структурную стабильность (рис. 1) и лимитируются зоной, находящейся между линиями разупрочнения и упрочнения (рис. 2). Они не подвержены глубокой релаксации внутренних напряжений, связываемой с воз никновением структурного трещинообразования. Это показано на рис.. 3, 5 в виде зависимости длины внутризеренной и зональной трещины, возникающих при внешних разрушающих нагрузках. Можно видеть (рис.. 3, 5), что трещины, возникающие при внешнем нагружении, не склонны к развитию в широком диапазоне внешних нагрузок. В выполненном эксперименте (рис. 3) достигнута нагрузка на наружной стороне ~ 330 МПа, а на внутренней ~ 170 МПа. Пере распределение зональных напряжений в зависимости от нагрузки при цикличе ском деформировании показывает (рис. 4), что зональные напряжения при внешнем деформировании изменяются в диапазоне 10…390 МПа. При этом они не проявляют склонность к глубокой релаксации, достаточной для слияния микротрещин, что характеризует высокие упруго-пластические свойства стенки трубы.

II, МПа ·10-9, 1/см 0 10 20 30 40 50 60 Рис. 1. Влияние циклического нагружения на распределение внутренних напряжений II в зависимости от плотности дислокаций в образце (сталь Ди-82-Ш): 1 – наружная сторона;

2 – внутренняя сторона II, МПа II, МПа 850 1 7 3 11 4 700 6 10 8 2 Рвнеш, МПа 5 Рвнеш, МПа 0 50 100 150 0 50 100 150 200 250 300 А) Б) Рис. 2. Зависимость внутренних напряжений II от внешней нагрузки образца трубы (сталь Ди-82-Ш): А – наружная сторона;

Б – внутренняя сторона;

линия разупрочнения при деформировании;

линия упрочнения при деформировании На рис. 6 представлена зависимость величины коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток от температуры в трех тер моциклах. Во всех трех термоциклах при нагреве до 200 °С наблюдаются ано мальные скачки величины коэффициента линейных термических расширений кристаллических решеток, при дальнейшем увеличении температуры амплиту да изменения уменьшается, коэффициенты линейных термических расшире ний кристаллических решеток соответствуют средним справочным значениям по результатам макродилатометрии для сталей – (15…20)·10-6 1/град. Отклоне ния от нормального хода зависимости ~f(t) наблюдаются: в первом термоцик ле при 48 и 160 °С, во втором при 80…150 °С, в третьем термоцикле, который выполнен после аустенизации стали, при ~ 90…100 °С.

0, 0,09 lкр, мкм lкр, мкм 0, 0, 2 0, 13 0, 0,075 6 0,07 0, 3 11 0,065 12 0,07 1 0,06 0 0,055 4 0, 9 0,05 0, 0, Рвнеш, МПа Рвнеш, МПа 0, 0, 0 50 100 150 0 50 100 150 200 250 300 А) Б) Рис. 3. Зависимость длины внутризеренных трещин lкр от внешней нагрузки образца трубы: А – наружная сторона;

Б – внутренняя сторона I, МПа I, МПа 12 8 200 3 100 4 4 2 6 1 100 3 5 10 0 100 150 200 250 300 350 50 70 90 110 130 150 170 Рвнеш, МПа Рвнеш, МПа А) Б) Рис. 4. Зависимость внутренних напряжений I от внешней нагрузки образца трубы: А – наружная сторона;

Б – внутренняя сторона l зон, мкм lзон, мкм Рвнеш, МПа 100 Рвнеш, МПа 5 8 10 6 7 1 1 4 2 3 4 6 7 9 11 8 50 70 90 110 130 150 170 100 150 200 250 300 А) Б) Рис. 5. Зависимость длины зональной трещины lзон от внешней нагрузки образца трубы: А – наружная сторона;

Б – внутренняя сторона 40 - ·10, 1/град - о t, С - 0 100 200 300 400 500 600 I термоцикл II термоцикл III термоцикл Рис. 6. Зависимость коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стенки трубы из стали Ди-82-Ш от температуры I, МПа - - -300 о t, С - 0 100 200 300 400 500 600 I термоцикл II термоцикл III термоцикл Рис. 7. Зависимость внутренних зональных макронапряжений I рода альфа фазы образца трубы из стали Ди-82-Ш от температуры, МПа - t, оС - 0 100 200 300 400 500 600 I термоцикл IIтермоцикл III термоцикл Рис. 8. Зависимость внутренних микронапряжений II рода альфа-фазы образца трубы из стали Ди-82-Ш от температуры Изменения зональных и внутризеренных напряжений в трех термоциклах представлены на рис. 7 и 8.

С целью установления возможностей проведения восстановительной тер мической обработки (ВТО) для продления ресурса труб ПП после второго тре моцикла была проведена аустенизация. Как видно из рис. 6 – 8, аустенизация приводит к изменению соотношения между прочностью зерен и межзеренных границ, в частности, к снижению внутренних напряжений II рода с 1000 до МПа (рис. 8) и увеличению внутренних макронапряжений I рода. Например, для эксплуатационной температуры t = 600 °C I увеличивается c 300 до МПа). Аустенизация не приводит к устранению аномальных линейных терми ческих расширений кристаллических решеток (рис. 6). На этих результатах по казано, что ВТО, часто применяемая для продления ресурса труб и не всегда приводящая к однозначным результатам может эффективно контролироваться методом рентгеновской дифракции.

В четвертой главе приведен анализ полученных экспериментальных ре зультатов по свойствам трубного изделия из стали Ди-82-Ш при внешнем хо лодном деформировании и термоциклировании в сравнении с результатами аналогичных исследований свойств образцов трубы из стали 12Х1МФ.

Показано, что количественные экспериментальные зависимости внутрен них напряжений II рода от плотности структурных дефектов, представленные на рис. 1, соответствуют качественным кривым И.А. Одинга и А.А. Бочвара, согласно которым наибольшее сопротивление пластическому деформированию должен оказывать материал с очень малой плотностью структурных дефектов.

По мере увеличения плотности структурных дефектов сопротивление пласти ческому деформированию уменьшается до критического значения кр. При дос тижении этой плотности дислокаций сопротивление пластическому деформи рованию вновь увеличивается за счет взаимодействия силовых полей дислока ций. Таким образом реальные свойства материала (пластичность и прочность) характеризуются определенной точкой на кривых Одинга-Бочвара. Экспери ментально показано (рис. 1), что механические свойства стенки трубы из стали Ди-82-Ш для внутренней и наружной поверхности трубы отличаются незначи тельно и выявляют базовые характеристики материала: временное сопротивле ние разрыву в при t=20 °C (левая верхняя часть графика на рис. 1 и линия уп рочнения на рис. 2), составляющее порядка 800…850 МПа;

условный предел текучести 0,2 при t=20 °C (правая нижняя часть кривой на рис. 1 и линия разу прочнения на рис. 2), равный 600…650 МПа. Полученные методом рентгено графии экспериментальные результаты в и 0,2 соответствуют справочным значениям для аналогичных трубных сталей мартенсито-ферритного класса, ус тановленным по иным методикам (например, для трубы размером 30х6 мм из стали 18Х12ВМБФР при t = 20°C в = 820 МПа, а 0.2 = 640 МПа). Свойства стенки трубы и текущее физическое состояние материала характеризуются экс периментальными кривыми (рис. 1) и лимитируются зоной, находящейся меж ду кривыми упрочнения и разупрочнения (рис. 2).

Из рис. 2 следует, что значения внутренних напряжений II рода (внутризе ренные) на наружной стороне трубы, соответствующие линии упрочнения (точки 1, 4, 7, 9 на рис. 2 А), усредненная величина которых равна 800 МПа, и на внутренней стороне трубы (точки 1, 3, 7, 11 на рис. 2 Б), равные 750 МПа, являются наиболее опасными с точки зрения возникновения внутриструктур ной пористости при внешних нагрузках, совпадающих по направлению с дейст вующими внутренними напряжениями. Это обусловлено релаксацией послед них, сопровождающейся при нагружении стенки трубы внутризеренным тре щинообразованием, что следует из рис. 3 А (точки 2, 5, 8, 10, 13) и рис. 3 Б (точки 2, 5, 9, 13). Образующиеся внутризеренные микротрещины незначитель ны по величине и составляют порядка 0,08…0,1 мкм. Такого размера трещины обычно отмечаются на этапе неустановившейся стадии ползучести трубных из делий, когда они обладают способностью тормозиться на препятствиях (на гра ницах зерен).

Одним из критериев склонности материалов к опасным и внезапно насту пающим хрупким разрушениям является отношение в / 0,2, т.к. в хрупких ма териалах предел прочности в равен пределу текучести, а в пластичных в 0,2.

В частности, для некоторых марок сталей это отношение может быть высоким, а сталь обладает склонностью к хрупким разрушениям, при соотношении в / 0,2 = 0,88 (аустенитно-марганцовистая сталь 110 Г13Л). Подобная склон ность у стали Ди-59 обнаруживается уже при соотношении в / 0,2 = 0,67. По полученным экспериментальным результатам установлено, что данная характе ристика индивидуальна для каждой марки стали, а по выявленным значениям 0,2 и в для Ди-82-Ш определено, что при соотношении в / 0,2 = 0,76 материал стенки трубы не обнаруживает признаков слияния микротрещин в магистраль ные.

На наружной стороне трубы внутренние напряжения I изменяются в диа пазоне значений 10…210 МПа (рис. 4 А). Худшие условия эксплуатации для наружной стороны достигаются при величине зональных напряжений 10… МПа (точки 10, 13 на рис. 4 А) и внешних нагрузках порядка 180…330 МПа.

При этом образуются межзеренные трещины размером до 600 мкм (точка 13 на рис. 4 А). Для внутренней стороны трубы величина внешней нагрузки, при ко торой образуются трещины порядка 65 мкм, составляет 180 МПа. Это соответ ствует 6 баллу размера зерна, равному при этом 50…60 мкм. Известно, что на третьей стадии ползучести в момент исчерпании ресурса паропроводов в нем развиваются поры диметром до 3 мкм, а разрушение изделия происходит путем их объединения по границам зерен в магистральные трещины. Таким образом, из рис. 5 следует, что при глубине релаксации внутренних напряжений I рода (зональных) 10 МПа возникает опасность потери работоспособности ПП за счет слияния межзеренных трещин в магистральную.

На рис. 6 показаны данные о термических расширениях кристаллических решеток, которые слабо представлены в литературе для котельных сталей. Ко эффициент линейных термических расширений кристаллических решеток в первом термоцикле имеет отрицательное значение при t=48 С и при дальней шем нагреве до 150 С зависимость = f(t) носит аномальный характер. Скачку термических деформаций соответствует значение = 35·10-6 1/град. Во втором термоцикле аномалия наблюдается при t=100 С (=29·10 -6 1/град), в третьем термоцикле – в диапазоне температур 80…150 С ( ~ 30·10-6 1/град). Во всех трех термоциклах значения коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток после 200 С соответствуют справочным значениям, полученным по результатам макродилатометрии. Анализ публикаций (в осо бенности по термическому поведению конструкционных материалов ядерных реакторов) со сведениями по макродилотометрии показывает, что температуры, при которых установлены аномальные удлинения и распухаемость, совпадают с температурами опасного снижения механических свойств (прочность и пла стичность) и эксплуатационной надежности. Это позволяет предполагать, что при наличии температурных градиентов, при переменных нагрузках и т.д. ано малии термических деформаций кристаллических решеток будут приводить к явлениям термической усталости стенки паропроводов и ПП.

Напряжения I рода (рис. 7) в процессе термоциклирования изменяются в трех термоциклах от растягивающих до сжимающих, проходя через полную ре лаксацию напряжений, опасную ползучестью и формоизменением труб. Явле ния взаимодействия процессов упрочнения и разупрочнения приводят к терми ческой усталости и сокращению ресурса труб ПП.

Напряжения II рода (рис. 8) в первом термоцикле носят знакопеременный характер, что приводит к упрочнению зерна во втором термоцикле (порядка 1000 МПа). Аустенизация образца стенки трубы после второго термоцикла привела к уменьшению кристаллитных напряжений на 200 МПа (рис. 8) при эксплуатационной температуре 600 °С и к увеличению прочности межзеренных границ с 300 до 600 МПа (рис. 6). Это указывает, что путем фазовой перекри сталлизации можно достигать требуемого соотношения свойств по прочности зерен и межзеренных границ.

Сравнение результатов термоциклирования образцов материалов стенки трубы из стали Ди-82-Ш и 12Х1МФ, полученных одним инструментально методическим аппаратом, представлено на рис.. 9, 10,11.

- ·10, 1/град - ·10, 1/град 25 - -10 о t, С о t, С -15 0 100 200 300 400 500 600 700 200 300 400 500 600 700 Ди-82-Ш (I термоцикл) 12Х1МФ (I термоцикл) А Б Рис. 9. Зависимость коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток альфа-фазы для пароперегревательных труб из сталей Ди-82-Ш (А) и 12Х1МФ (Б) Сравнительный анализ поведения коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток в области рабочих температур (580… °С) позволяет констатировать следующее.

Сталь Ди-82-Ш в этом диапазоне температур не испытывает аномальных скачков термических деформаций кристаллических решеток, а коэффициент линейных термических расширений кристаллических решеток колеблется в ин тервале 13…15·10-6 1/град в широком диапазоне температур от 500 до 700 °С.

Для стали 12Х1МФ при этой же температуре коэффициент линейных тер мических расширений кристаллических решеток равен 13,8·10-6 1/град, что со ответствует справочному значению при этой температуре, но находится в об ласти ярко выраженного -аномального скачка термических деформаций. При градиентах температур порядка ± 25 °С будет меняться в широком интервале значений от 13·10-6 до 20·10-6 1/град, что приведет к термической усталости и снижению ресурса трубы ПП. Согласно рис. 9 Б приемлемой температурой экс плуатации для стали 12Х1МФ может быть температура порядка 500…520 °С, т.к. в окрестности этой температуры коэффициенты линейных термических расширений кристаллических решеток изменяются в узком интервале значений – от 13·10-6 до 14·10-6 1/град.

II, МПа - - - -400 о t, С - 0 100 200 300 400 500 600 Ди-82-Ш (I термоцикл) 12Х1МФ (I термоцикл) Рис. 10. Зависимость внутренних напряжений II рода в первом термоцикле для труб из сталей Ди-82-Ш и 12Х1МФ I, МПа - - - - -500 о t, С - 0 100 200 300 400 500 600 Ди-82-Ш (I термоцикл);

12Х1МФ (I термоцикл) Рис. 11. Зависимость внутренних напряжений I рода в первом термоцикле для труб из сталей Ди-82-Ш и 12Х1МФ Анализ поведения внутренних структурных напряжений второго рода при термических нагрузках (рис.10) показывает, что в области температур 580… °С внутренние напряжения в стенке трубы из стали 12Х1МФ близки к нулю, что обусловит повышенную ползучесть, повреждаемость порами ползучести, увеличение структурных дефектов и декорирование свободных поверхностей графитом (графитизацию). В качестве рабочей для стали 12Х1МФ может быть рекомендована температура 520 °С. Прочность зерен в стали Ди-82-Ш в том же диапазоне температур составляет 480 МПа, внутренние напряжения не релак сируют при повышении температуры от 450 до 700 °С, обнаруживая стабиль ность прочностных свойств зерен.

Сопоставление поведения внутренних структурных напряжений I рода (рис. 11) показывает, что для трубы из стали 12Х1МФ при t = 580…600 °С I=350 МПа, что превосходит в (справочное значение временного сопротивле ния разрушению для этой стали равно в = 230 МПа при t=600°С), и при растя гивающих внешних нагрузках приведет к зональному трещинообразованию и транскристаллитной коррозии. Для стали Ди-82-Ш I = 200 МПа, а при измене нии температуры до 700 °С изменяется по схеме 200340100 МПа. При уменьшении температуры до 550 °С I переходит в область сжимающих напря жений, что уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и по вышает усталостную прочность металла.

ВЫВОДЫ 1. По результатам холодного циклического деформирования установлено, что экспериментальная кривая зависимости внутренних напряжений от плотно сти дислокаций в стенке трубы из стали Ди-82-Ш выявляет характер изме нения структурно-напряженного состояния при механических нагрузках, подтверждая тем самым гипотезу И.А. Одинга о взаимосвязи сопротивления деформированию с плотностью структурных дефектов. Полученная законо мерность связана с базовыми механическими характеристиками в, 0,2, а со вокупность перечисленных данных позволяет оценивать текущее физиче ское состояние и прогнозировать поведение стенки трубы пароперегревателя при механических нагрузках.

2. Экспериментальные кривые зависимости внутренних структурных напряже ний I и II рода от внешней нагрузки позволяют рассчитывать длину зональ ных и кристаллитных трещин стенки трубы при механическом нагружении, а по установленным рентгенометрическим критериям – прогнозировать склонность к внутризеренному и межзеренному трещинообразованию.

3. Расчетно-экспериментальное установление условий роста структурной тре щины в процессе механоциклического пластического деформирования стен ки котельной трубы является основой прогнозирования работоспособности и совместно с результатами термоциклирования – основой выработки меро приятий по продлению ресурса поверхности нагрева.

4. По результатам термоциклирования установлены зависимости внутренних структурных напряжений I и II рода от температуры и определен безопас ный температурный диапазон стенки трубы при эксплуатации пароперегре вателя, составляющий 500…700 °С.

5. По результатам термоциклирования экспериментально доказано, что с це лью продления работоспособности труб пароперегревателя требуется прове дение предварительной термической обработки труб аустенизацией в тече ние суток (при данной толщине стенки трубы) при температуре 700 °С.

6. На основе термоциклирования определена температурная зависимость ко эффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стенки трубы и установлены аномальные изменения коэффициентов линей ных термических расширений кристаллических решеток, являющиеся ха рактеристиками структурно-напряженного состояния и зависящие от про цесса термоциклического отжига: в первом термоцикле аномальные скачки термических деформаций наблюдаются при температурах 48, 150 °С, во вто ром – при 100 °С, в третьем – от 80 до 150 °С.

7. По результатам рентгенодилатометрических исследований и на основе срав нения их со свойствами достаточно испытанных в эксплуатации трубных сталей (12Х1МФ) подтверждена высокая надежность труб из стали Ди-82-Ш в широком диапазоне изменяющихся термических и механических нагрузок.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях 1. Ташлыков А. А. Исследование влияния циклического нагружения на рас пределение внутренних напряжений труб паровых котлов // Труды четверто го Всероссийского студенческого научно-практического семинара «Энерге тика: экология, надежность, безопасность». – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – С – 96.

2. Рентгеновские исследования структурно-напряженного состояния в образ цах стали 10 / Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конфе ренции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск: Изд.

ТПУ, 2002. – С. 102 – 105.

3. Аномалии термических линейных расширений в стали 10 / Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – С. 105 – 108.

4. Рентгеновские исследования внутренних микронапряжений в образце стали 10 при термических циклических нагрузках / А.А. Макеев, А.С. Заворин, А.А. Ташлыков и др. // Материалы докладов VIII Всероссийской научно технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопас ность». – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – С. 108 – 110.

5. Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей / А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. // Известия Томского политехнического университета. – 2003. – Т. 306, №2, – С. 78 – 84.

6. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Влияние факторов микроструктурной повреж даемости на опрессовку стальных труб // Материалы докладов IX Всерос сийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надеж ность, безопасность». – Томск: Изд. ТПУ, 2003. – Т. 1. – С. 192 – 196.

7. Ташлыков А. А., Щетинин В. А. Исследование структурного трещинообра зования в трубных сталях энергетических котлов // Труды пятого Всерос сийского студенческого научно-практического семинара «Энергетика: эко логия, надежность, безопасность». – Томск: Изд-во. ТПУ, 2003. – С 98 – 101.

8. Экспериментальное обоснование рентгенодиагностики восстановления труб поверхностей нагрева / А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А.

Ташлыков и др. // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сборник научных трудов / Под. ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд во НГТУ, 2004. – Вып.8. – С. 242 – 248.

9. Ташлыков А.А., Почуев В.Ф. Рентгенометрическое выявление признаков ра зупрочнения котельных сталей // Ползуновский вестник, 2004, № 1. – С. – 171.

10. Lyubimova L.L, Tashlykov A.A. Roentgenometrical detection of weakening pipe steel signs // The ninth International Scientific and Practical Conference of Stu dents, Postgraduates and Young Scientist “Modern Techniques and Technologies” (MTT`2003). – Tomsk, TPU, 2003. – P. 49 – 51.

11. Изменение внутренних напряжений в стенках труб паровых котлов при пла стическом деформировании / А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлыков и др. // IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. – Владивосток: 2005. – С. 35.

12. Рентгенодилатометрические температурные исследования внутренних на пряжений стенок труб паровых котлов / А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А.

Макеев, А.А. Ташлыков и др. // IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Вос тока по теплофизике и теплоэнергетике. – Владивосток: 2005. – С. 44.

13. Влияние структурной неоднородности металла на язвенную коррозию труб паровых котлов / А.С. Заворин, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев, А.А. Ташлы ков и др. // IV семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. – Владивосток: 2005. – С. 45.

14. Механоциклические исследования образцов труб перспективной стали Ди 82-Ш для пароперегревателей энергетических котлов / А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев и др. // Материалы докладов одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергети ка: экология, надежность, безопасность». – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – С.

236.

15. Микродилатометричекие исследования образцов труб энергетических кот лов из новой стали Ди-82-Ш / А.С. Заворин, А.А. Ташлыков, Л.Л. Любимова, А.А. Макеев и др. // Материалы докладов одиннадцатой Всероссийской на учно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безо пасность». – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – С. 233.

16. Рентгенодилатометрические температурные исследования стенки котельной трубы / А.С. Заворин, А.А. Макеев, Л.Л. Любимова, А.А. Ташлыков и др. // Известия Томского политехнического университета. – 2006. – Т. 309, №5, стр. 103 – 106.

17. Изменение внутренних напряжений в сечениях котельных труб при пласти ческом деформировании / Л.Л. Любимова, А.А. Ташлыков, А.А. Макеев, А.И. Артамонцев // Известия Томского политехнического университета. – 2006. – Том 309. – №6. – С. 114 – 119.

Подписано к печати «10» октября 2007.

Формат 60 х 84 / 16. Бумага офсетная.

Плоская печать. Усл. печ.л._.

Уч.- изд. л. _ Тираж экз.

Заказ № _. Цена свободная.

ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ № 1 от 18.08.94.

Типография, 634034, Томск, пр. Ленина, 30.