автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Оценка работоспособности труб поверхностей нагрева паровых котлов на основе температурной рентгенографии

На правах рукописи

Любимова Людмила Леонидовна

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПАРОВЫХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ

05.14.14-Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

I «

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2003

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Басин А.С. доктор технических наук, профессор Лебедев ВМ.

Ведущая организация: НИКИ СХК ( г. Северск )

Защита состоится 14 ноября 2003 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.269.04 в Томском политехническом университете по адресу : 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30, корпус 4, ауд. 406.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан « /О » октября 2003 г.

Ученый сеюэетаоь

Заворин А.С.

А,С. Заворин

Актуальность работы

Стали и сплавы на основе железа применяются в современном котло- и реакторостроении и являются основным конструкционным материалом тепломеханического оборудования ТЭС , применяемым в ответственных узлах и деталях, элементах и арматуре котлоагрегатов: в барабанах, топочных экранах, пароперегревателях, экономайзерах и т. д. Они работают в специфических условиях высоких температур, давлений, в сложнонапряженных состояниях под воздействием знакопеременных, изгибающих и растягивающих нагрузок, в нестационарных тепловых режимах и должны обладать сочетанием прочностных и пластических свойств, неизменных в течение проектного срока службы. Исследования показывают, что металл, отработавший ресурс, во многих случаях имеет запас по длительной прочности, что обусловлено не только конструктивными решениями и фактически заложенным запасом прочности , но и директивным снижением рабочих температур.

Однако в России и за рубежом известны многочисленные случаи потери длительной прочности элементов тепломеханического оборудования и паропроводов задолго до исчерпания их расчетного ресурса в результате МКК, ТКК, КРН. В процессе эксплуатации наблюдаются графитизация паропроводов, повреждаемость порами ползучести, выявляются случаи катастрофического снижения свойств - в первую очередь пластичности, т.е. возникновение внезапно наступающих хрупких разрушений, что не находит сегодня удовлетворительного объяснения. Во многом это объясняется как отсутствием единой точки зрения на механизм протекания МКК, ТКК и КРН, так и критериального диагностического параметра разрушения.

Проблемы надежности паросиловых энергоустановок и разрушения, в особенности хрупкого, в течение многих десятилетий привлекают к себе внимание, но многие особенности разрушения стальных конструкций и паропроводов до конца не выяснены , поэтому установление структурных диагностических критериев разрушения, продление живучести и научно-обоснованный прогноз остаточного ресурса металла тепломеханического оборудованимя по-прежнему является первоочередной и актуальной задачей современной энергетики, не решенной известными путями в России и за рубежом.

Актуальность темы обосновывается состоянием отечественной энергетики, в составе которой 70 % энергоустановок к 2000 г. исчерпало свой проектный ресурс, а к 2005 г. этот ресурс будет исчерпан на всех действующих в настоящее время электростанциях.

Цель работы

Представления о структурных превращениях в стали, наблюдаемых непосредственно при температурах превращений и приводящих к разрушению , являются как основой решения проблем разрушения, так и основой диагностики и прогнозирования, поэтому цель работы заюп и характера

изменения структурно-напряженного состоян

стали под

действием температур и экспериментальное вскрытие структурного диагностического признака хрупкого разрушения для разработки основ диагностики и прогнозирования остаточного ресурса.

Основные задачи исследования

1. Установление зависимости величины параметра кристаллической решетки трубной энергетической стали от температуры при изотермическом отжиге в процессе термоциклирования.

2. Установление температурной зависимости коэффициентов теплового расширения кристаллических решеток трубной стали.

3. Установление зависимости внутренних структурных напряжений от температуры и выявление характера изменения структурно-напряженного состояния.

4. Установление влияния температуры на размер зерна трубной энергетической стали.

Научная новизна полученных результатов состоит

1. В разработке методики форсированного искусственного старения стали в вакууме при термических циклических нагрузках в широком диапазоне температур, реализованная неразрушающим поверхность образца методом высокотемпературной рентгенографии, примененным для исследования структурного состояния энергетических сталей, расширяющим арсенал средств анализа микроструктуры вещества и позволяющим фиксировать структурные превращения непосредственно под температурой превращений.

2. В выявлении аномальных линейных термических расширений кристаллических решеток исследованных сталей , определяющих высокий уровень внутри-структурных напряжений I рода, с установлением диапазона температур, опасных возможным возникновением межзеренного трещинообразования и коррозионным повреждением поверхностей нагрева под напряжением.

3. В установлении диапазона температур критических значений внутри-структурных напряжений II рода , определяющих микроструктурную внутри-зеренную (межкристаллитную) повреждаемость стали порами с последующим развитием межкристаллитаой коррозии.

4. В оценке температуры, разграничивающей эти процессы.

5. В определении диапазона температур повышенной пластичности стали (температуры вязко-хрупких переходов) и повреждаемости паропроводов порами ползучести.

6. В разработке методических основ диагностики текущего физического состояния и прогнозирования остаточного ресурса стали по относительному изменению среднего параметра элементарной кристаллической решетки .

Практическая значимость

1. Полученные зависимости внутренних структурных напряжений от температуры, характеризуемые явлениями циклического упрочнения и разупрочнения, проходящими через разрядку внутренних напряжений, являются основой продления живучести трубной стали, накладывают ограничения на выбор температур эксплуатации и могут служить руководством предварительного обоснования выбора конструкционных материалов в связи с закономерностями их внутриструктурных термических превращений. Обоснованный выбор конструкционных материалов и диапазона температур их длительной эксплуатации уменьшит опасность хрупких разрушений и накопление повреждаемости за счет ползучести и усталости , что повысит сопротивление разрушительным воздействиям в периоды нестационарных тепловых режимов.

2. Полученная методом высокотемпературной рентгенографии кривая, аналогичная классической кривой ползучести, является дополнительным к известным методам анализа микроструктуры средством диагностики текущего физического состояния и остаточного ресурса стали по изменению параметра элементарной ячейки.

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методик обработки экспериментальных результатов и анализом погрешностей эксперимента. Полученные экспериментальные результаты и их толкование не противоречат общепринятым представлениям, основанным на огромном экспериментальном и теоретическом материале, созданном широким кругом специалистов по проблемам разрушения материалов. Результаты не вступают в противоречие не только с точки зрения научных положений, но и подтверждаются практикой эксплуатации энергоустановок при анализе характерных дефектов элементов , узлов и арматуры тепломеханического оборудования.

На защиту выносится

1. Методика рентгенодиагностики структурного состояния тонкостенных элементов трубных котельных сталей.

2. Методика рентгеновских исследований термической усталости трубных энергетических сталей, заключающаяся в организации процессов термоцикли-рования исследуемых образцов в вакууме, отличающаяся от испытаний на термическую усталость не выявлением числа циклов до разрушения при теплосменах, а повышением температуры в каждом очередном цикле испытаний, позволяющая получать температурные зависимости всех исследуемых параметров непосредственно при температурах превращений с тем, чтобы выявить чувствительный к внешним температурным нагружениям критериальный параметр и установить температуры, при которых критериальный параметр достигает критических значений.

3. Результаты экспериментальных исследований состояния трубных сталей паровых котлов при термоциклических тепловых нагрузках.

4. Методические основы диагностики физического состояния и прогнозирования остаточного ресурса стали.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на I семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, посвященном памяти академика С.С. Кутателадзе (г. Новосибирск, 1999 г.); на VII и VIII Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2001 - 2002 г.г.); на II семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г. Томск, 2002 г.); на IX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г.); на научных семинарах кафедры парогенераторостроения и паро-генераторных установок Томского политехнического университета (2001-2003 г.г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (117 наименований) и приложений. Работа содержит 174 страницы , 91 таблицу и 40 рисунков.

Личное участие автора

Автором поставлены задачи исследования, разработана методика экспериментальных исследований методом высокотемпературной рентгенографии, создано программное обеспечение для обработки и выполнена обработка экспериментальных результатов, проведен анализ полученных результатов и сформулированы выводы. В обсуждении экспериментальных результатов и выводов принимали участие научный руководитель к.т.н. A.C. Заворин и заведующий лабораторией рентгеноструктурного анализа к.т.н. A.A. Макеев.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований решением проблемы долговечности в специфичных условиях термической усталости металла, характерной для энергетики.

В первой главе приведены известные сведения о влиянии микроструктурных характеристик на прочностные и коррозионные свойства сталей, включающие обзор существующих представлений механизма хрупких разрушений и основные физические методы исследований структуры и свойств вещества.

Показано, что исследования не дают целостной картины протекания всех видов усталостных явлений, не устанавливают надежно диагностических структурных признаков, провоцирующих, например, МКК, ТКК, КРН, не позволяют

прогнозировать поведение металла под различными эксплуатационными воздействиями. Показано, что вопросам диагностики напряженного состояния стали в определении критериев разрушения не уделяется особого внимания, тогда как из обзора следует, что прочностные свойства связываются с высокими уровнями внутренних остаточных напряжений, следовательно, информация об изменениях напряженного состояния является предметом научных исследований, основой прогнозирования и определения режимов длительной эксплуатации. Обзором установлено, что применяемые методы анализа микроструктуры относятся к методам, разрушающим исследуемую поверхность, и что в арсенале используемых средств недостаточно представлен метод высокотемпературной рентгенографии. На основании опубликованного в литературе материала обоснована методика, сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе обосновывается методика испытаний образцов трубных энергетических сталей с применением метода высокотемпературной рентгенографии, заключающаяся в реализации типичных для теплоэнергетического оборудования процессов теплосмен, создающих неоднородные температурные поля, путем термоциклирования в цикле "нагрев - охлаждение - нагрев" с повышением температуры в каждом очередном цикле; представляется описание техники эксперимента, включающей рентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН-2.0 и высокотемпературную дифрактометрическую установку УВД-2000 отечественного производства, предназначенную для проведения высокотемпературных рентгенографических исследований поликристаллических образцов в вакууме и среде инертных газов при температурах от + 35 до 2000 °С; приводятся, в частности, методики определения размеров кристаллитов и внутренних микронапряжений П рода ои, внутренних макронапряжений I рода О] (зональных), размеров зерен, параметра элементарной ячейки и коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток (рентгеновская

микродилатометрия).

Методика определения размеров кристаллитов и внутренних микронапряжений II рода базируется на анализе изменения от температуры ширины профиля дифракционной линии , которая не является бесконечно узкой, а обладает конечной угловой шириной , обусловленной одновременным влиянием инструментальных и физических факторов, таких как т-уширение от дисперсности образца и п-уширение от микронапряжений, в зависимости от которых определяются средний размер кристаллитов О и микронапряжения П рода:

и--^ , О)

т-соьв

'•-Т&* ■ (2>

Физический профиль дифракционной линии р , являющийся функцией структуры, свойств и конкретного физического состояния образца, устанавливается исключением влияния геометрического фактора в „на экспериментальный профиль дифракционной линии В „методом его аппроксимации одной из гладких функций

вида: ехр(- ах2) ; , 1 л или —

(!+<»] (l+ах J

. На основании выбора вида аппрокси-

мирующей функции рассчитывается истинное физическое уширение линии ß,

которое связано со структурными параметрами m и п зависимостью а n-m

ß = ^-• О)

}N(x)-M(x)dx

-00

где функции микродеформаций решетки N(x) (микронапряжений) и дисперсности М(х) для металлов с кубической структурой аппроксимируются выражениями:

1 + 0» (l + oarj

Подстановка функций (4) в (3) дает уравнение с двумя неизвестными m и п

п. (W + 2H)2

Р ~~ . > т + 4п

разрешаемое при использовании двух дифракционных линий рентгенограммы, для которых справедливы следующие соотношения :

Pi - ~ » т, + 4и,

т2 cos в, _

mt cos

а 0"2+2Я2)2 .

"г--ТТ. '

тг + 4 п2

А

= s ,

(5)

(6)

при совместном решении которых становится возможной оценка раздельного влияния п - и ш - уширений на физический профиль каждой дифракционной линии при известном экспериментальном значении отношения Рг! А- При этом структурные параметры т, и п, для первой дифракционной линии определяются из выражений:

да, _ 1 Ä~"2

4«,

8я,

+ 1

А А

0.5

А УА ,

/

cos 6?, COS в.

I А У А )

Ьц tg0j

A

со$в2 ^ Ä У A J А tgO,

(7)

(8)

а для второй линии параметр и2 устанавливается из зависимости

ib

A 2r l" A ' V

'!b+il+±íL.M A tge,

A

A i '

2r

A YA J A «A

Тогда выражения (1,2) для определения размеров кристаллитов D и внутренних микронапряжений П рода имеют вид :

' D = (10)

m, cose,

Знак напряжения определяется сравнением общего физического уширения одной и той же дифракционной линии для горячего (рш),ор и холодного образца (рш)хо„ по выражению :

(12)

Методика определения внутренних макронапряжений I рода (зональных), уравновешивающихся в объемах, соответствующих размерам изделия, заключается в установлении изменения от температуры параметра кристал-лической решетки Да/а в соответствии с законом Гука:

AJ а Isa а

- = - или — = -• (13)

/ Е а Е

Методика определения размеров зерен с учетом эффекта первичной экстинкции основывается на сравнении относительных интегральных интенсив-ностей для двух дифракционных линий экспериментального образца и идеально-мозаичного кристалла:

I-(H,K,L,) I„(HaKaLa) tfa(nq) (14)

I5ra,(H2K2L2) UÍH.K.L.) nq '

где th (nq) /nq - коэффициент первичной экстинкции; n - число параллельных отражающих атомных плоскостей в одном блоке; q - отражательная способность, отнесенная к одной атомной плоскости, определяемая по выражению:

q = I.J!L.£.No.^F, (15)

2 me2 A sinô

Тогда средний размер зерен Д равен : Д = n-dhk[. (16)

При этом значение интегральной интенсивности для идеально-мозаичного кристалла равно:

, 8я sm'e

l = n2.X3._eL.F2. 1±^26 ,е з х- Vf (17)

I tn2c4 2sin 0cos0

а отношение интегральных интенсивностей для двух анализируемых линий (110) и (200) соответствует выражению:

2 1 + со8г 28200 -¿р^и' 1„(200)_ 200 2зш2 9200СО502, 'е

U(H0) l + cos22eil0 -Sf^W

,,o'2sin2enocos0llo "6 'P"°

(18)

Структурная амплитуда Р для линий (110) и (200) при известной структуре и координации базисных атомов в элементарной объемноцентрированной кубической ячейке определяется по зависимости:

■■ч

Р_ -е2я(Нл1,»Кп,1-Ьр,)

1=1

температурный множитель интенсивности к выражению (18) может быть оценен на основе соотношения:

Ш-и1

е х . (20)

За тепловые смещения и2 приняты максимальные смещения теплового осциллятора : и3=2кТ/а. (21) При этом условии выражение (20) преобразуется к виду:

~-2М„„ . ,17J2kT 3il7si'.'38-10-JT

а _е 25

(22)

Методика определения среднего параметра элементарной ячейки заключается в аналитической экстраполяции экбпериментальных значений периодов решетки , полученных для всех возможных углов брэгговских отражений, к углу дифракции 90° с применением экстраполяционной функции Нельсона-Райли: f=l|W+cos^j

sine е J v '

а также методом наименьших квадратов решением системы нормальных уравнений, составленных на основании экспериментальных данных об углах дифракции аналитических линий:

A^X+D^a.S, =^a,sin29i

(24)

A£a,S,+D£8,2=£S,sm2e„ 111

где А и D - постоянные, причем А = X2 / (4а2); сц=Н,2+К2+Ь)2; Saj - сумма сумм квадратов индексов всех анализируемых линий; 6, = lOsin2 20,1 .1

1 S1I10, 0,

Система уравнений (24), решенная относительно А, позволяет определить период кристаллической решетки "а".

Средние коэффициенты линейных тепловых расширений кристаллических решеток а определены на основании экспериментальных данных о параметрах элементарных ячеек по соотношению:

1 (1а 1 а,-а.

■■ГлТи' (25)

где а, и аг - параметр элементарной ячейки применительно к кубическим кристаллам, измеряемый при температурах 11 и

В третьей главе приводятся результаты исследований зависимостей параметров элементарных ячеек энергетических сталей 10, 12Х1МФ и 0Х18Н10Т и средних коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток от температуры; дается предварительный анализ полученных результатов, обсуждается погрешность измерений.

Определение температурной зависимости параметров элементарной ячейки и коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток проводилось в температурных диапазонах: для стали 0Х18Н10Т от 10 до 1000 °С (1= • •

1,79 А), для 12Х1МФ от 12 до 793 °С (X = 0,71069 А), для стали 10 от 12 до 770 °С

(А. = 0,71069 А) в вакууме порядка 5-Ю"5 мм рт. ст.

Экспериментальные результаты, рис. 1-5, обнаруживают, что коэффициенты линейных термических расширений кристаллических решеток а находятся для сталей 12Х1МФ и 10 в диапазоне справочных значений, составляющих порядка (10 - 20)-10"6, 1/град; для стали 0Х18Н10Т наблюдается аномальный рост а при температуре 600 °С (а = 31-Ю"6, 1/град). Абсолютная погрешность определения коэффициентов линейных термических расширений находится в диапазонах : для стали 0Х18Н10Т Да = (0,16 - г^-Ю"4, 1/град; для 12Х1МФ Да = (0,2 - 1,0 ) • •10"6, 1/град; для стали 10 в трех термоциклах измерений не превышает значений Да = ( 0,2 - 2,0 ) 10"6,1/град.

а-10"6,1/град

Рис.1. Сталь 0Х18Н10Т. Линейные тепловые расширения кристаллических решеток

а-10"6,1/град

Рис.2. Сталь 12Х1МФ. Линейные тепловые расширения кристаллических решеток

20-

14-

12-

а-10 ,1/град

24 23-1 22 21 20 191817 1615

—г—

200

—г—

400

—г—

600

—г

800

Рис.3. Сталь 10. Линейные термические расширения кристаллических решеток. Первый термоцикл

Рис.4. Сталь 10. Линейные термические расширения кристаллических решеток. Второй термоцикл

Несмотря на соответствие а макродилатометрическим значениям, зависимости как a=f(T), так и a=f(T) носят аномальный характер, заключающийся в скачках термических деформаций, в нелинейности и немонотонности полученных кривых. При этом скачки термических деформаций кристаллических решеток наблюдаются при определенных температурах или в диапазонах температур : для стали 0Х18Н10Тпри Т = 200, 400, 600 °С; для стали 12Х1МФ при Т = 420, 635 °С; для стали 10 в первом термоцикле при Т = 400, 550, 600 °С (первый термоцикл заканчивается неполной аустенизацией с частичным сохранением a-фазы), во втором термоцикле в диапазоне температур 500...600 °С (второй термоцикл заканчивается полной аустенизацией), в третьем термоцикле при Т = 400 °С.

а-10"6,1/град 20-..........;.........-..........:.........:

18..........;.........\..........i-......-t\

16..........i.........•;..........i..—/...;

12.............................:

ю.....■/•••............................

: ! : т, °с :

8 |-1-1 I

0 200 400 600 800

Рис.5. Сталь 10. Линейные термические расширения кристаллических решеток. Третий термоцикл

•

■

:

i /

А

i т, °с

Анализ многочисленных публикаций по исследованию материалов конструкционных узлов тепломеханического оборудования показывает, что температуры, при которых установлены аномальные расширения кристаллических решеток, совпадают с температурами, при которых наблюдается опасное снижение механических свойств, существенные изменения прочности и пластичности сталей, сопровождающиеся явлениями низкотемпературной и высокотемпературной хрупкости при заметном снижении пластичности практически до нуля, в частности, снижение прочности и эксплуатационной надежности сталей пароперегревателей при температурах 427-445 °С и 600-650 °С; указываются температуры аномального распухания оболочек твэлов (400 - 420 и 550 °С), низкотемпературного охруп-чивания (380 - 400 °С), повышенной пластичности (500 - 600 °С), высокотемпературного охрупчивания (400 - 600) °С . Это позволяет предположить, что наблюдаемые в практике эксплуатации аномальные изменения механических свойств сталей и сплавов (твердость, прочность, пластичность, распухаемость) и аномальные тепловые расширения кристаллических решеток объединены общими температурными точками.

Полученные экспериментальные зависимости а = f (Т) для всех исследованных сталей по своему виду напоминают ^.-аномальные кривые термических деформаций кристаллических решеток, обнаруженные методом микродилатометрии для многих чистых металлов (кобальт, никель, родий, висмут, цинк, свинец и т.п.) в области температур фазовых переходов I рода (структурные превращения) и II рода (магнитные превращения). Однако аномальные расширения кристаллических решеток для исследованных сталей возникают задолго до температуры фазового перехода I рода (примерно 910 °С) и задолго до температуры Кюри (около 768 °С) и могут иметь иную природу.

Анализ известных сведений об аномальных расширениях кристаллических решеток чистых металлов, сталей и сплавов при обсуждении полученных экспериментальных результатов приводит к следующим выводам:

- аномальные расширения всегда присутствуют при фазовых переходах I рода;

- аномалии термических деформаций часто наблюдаются в области температур фазовых переходов II рода;

- когда в области исследуемых температур фазовые переходы I и II рода отсутствуют, их объясняют фазовыми переходами II рода неизвестного происхождения;

- магнитные превращения не сопровождаются изменением кристаллической решетки и существенно отличаются от аллотропических, типичным признаком которых является изменение кристаллической решетки;

- природа наблюдаемого микроэффекта не может считаться выясненной, а линейные термические расширения кристаллических решеток, в особенности аномальные, являются функцией структуры и конкретного состояния металла, отражающие его новое качество при термических превращениях.

В четвертой главе приводятся результаты по оценке внутриструктурных напряжений для сталей 12Х1МФ и 10, размеров зерен и кристаллитов с

предварительным анализом полученных результатов, производится оценка погрешности измерений, находящаяся в диапазоне значений (9-18) %.

На рис. 6-9 представлены температурные зависимости собственных внутризеренных и зональных напряжений, изменения размеров кристаллитов и зерен при термоциклических испытаниях образца трубной стали 12Х1МФ.

о,,,МГ1а

Рис.6. Изменение кристашштных

микронапряжений в образце трубной стали 12Х1МФ в процессе нагрева

Ц.А

Рис.7. Изменение размера кристаллитов в образце трубной стали 12Х1МФ в процессе нагрева

а„МПа 600 ■»........

400 ■ 200-

-200-400-

200

400

600

800 Т, °С

ДА

9000 8000 7000 6000 5000 4000

3000

200

-(- -1

400

600

800 Т, °С

Рис.8. Изменение зональных напряжений в образце трубной стали 12Х1МФ в процессе нагрева

Рис.9. Изменение размеров зерна в образце трубной стали 12Х1МФ в процессе нагрева

При этом отмечаются общие черты полученных зависимостей для сталей 12Х1МФи 10:

- собственные внутренние напряжения претерпевают в процессе нагрева существенные перераспределения от растягивающих (+) до сжимающих (-), происходящие через полную разрядку напряжений (релаксацию), при которой сталь обладает максимальной пластичностью, не сопротивляясь изменению объема или формы;

- релаксация внутренних напряжений наблюдается при температурах 350, 575, 610, 635 °С, эксплуатационно опасных с точки зрения повышенной ползучести и повреждаемости поверхностей нагрева порами ползучести, рис. 6;

- каждый переход кривой через нуль при дальнейшем повышении температуры испытаний приводит к переходу металла из вязкого в хрупкое состояние при максимальном сопротивлении пластическому деформированию;

- максимальные внутризеренные напряжения достигаются при температуре первого ^-аномального скачка линейных термических деформаций кристаллических решеток, равной 420 °С, рис.6, сопровождающиеся неоднородным слиянием кристаллитов, рис.7, что может привести к межкристаллитному внутризеренному растрескиванию;

- максимальные зональные напряжения, рис.8, наблюдаются при температурах второго ^.-аномального скачка порядка 590...610...635 °С и могут приводить к образованию трещин, сопоставимых с размером зерна, равным при этих температурах 0,3...0,5...0,7 мкм, рис. 9;

- Х-аномальные скачки линейных термических деформаций кристаллических решеток и внутриструктурные напряжения связаны между собой характерными температурными точками.

В пятой главе отмечается, что температурные точки вязкого состояния, предваряющие переход стали в хрупкую область, и связанные с этим аномальные расширения кристаллических решеток, соответствуют температурам промежуточных превращений из аустенита и выдвигается гипотеза о поэтапной перекристаллизации твердых растворов - бейнита и сорбит-трооститных перлитных структур, представляющих, по предположению, границы разного типа. Перекристаллизация структуры границ приводит к вязкому течению металла в границах, релаксации внутренних напряжений, аномальному росту среднего параметра кристаллических решеток , что эквивалентно фазовому превращению I рода, с переходом стали при последующем нагреве в хрупкую область, а внутриструктурные напряжения являются диагностической характеристикой, определяющей физическое состояние стали и ее прочностные свойства.

Представляется модель макроструктуры, согласно которой в составе стали выделяются дефектные области (матрица), отвечающие за ресурс пластичности , с возможностью высокой вытяжки атомных связей, принятой равной е г. т = 11 % от параметра элементарной ячейки. Степень деформации среднего параметра кристаллической решетки на разных этапах старения стали определена экспериментально по результатам холодного циклического деформирования, учитывающего фактор внешнего давления, и термоциклирования и составляет на момент исчерпания прогнозируемого физического ресурса стали Е е г .*ч = А а / а = 0,6127%.

Атомно- кристаллическая решетка как жесткое упругое тело, взаимодействуя с границами кристаллитов и матрицей, является своеобразным чувствительным датчиком всех структурных превращений. Значением Д а/ а , характеризуемым точкой на кривой , рис. 10 , определяется степень накопления повреждаемости, текущее физическое состояние и остаточный ресурс стали.

Дечюрмация, ;/. £ =ПУ.

Рис 10. Теоретическая кривая ползучести:

точки I - II - участок неустановившейся ползучести I; точки П - III - участок установившейся ползучести II; точки III - VI - участок ускоренной ползучести

В приложении 1 приводятся исходные данные для расчета и расчет параметров элементарных ячеек сталей 0Х18Н10Т, 12Х1МФ в зависимости от температуры с использованием экстраполяционной функции Нельсона-Райли и стали 10 с применением экстраполяции по методу наименьших квадратов. Приведены вид экстраполяционных функций и системы нормальных уравнений.

В приложении 2 приводятся исходные данные для расчета и расчет микронапряжений II рода в образце стали 12Х1МФ в зависимости от температуры с обоснованием вида аппроксимирующей функции для установления истинного физического уширения профилей дифракционных линий.

В приложении 3 приводятся исходные данные для расчета и расчет истинной ширины дифракционной линии стали 10 в зависимости от температуры в трех термоциклах испытаний.

В приложении 4 приводится расчет амплитуды атомного рассеяния, структурной амплитуды, факторов Лоренца-поляризации, поправки на тепловые колебания атомов, отражательной способности, отнесенной к одной атомной

плоскости, и относительной интенсивности дифракционных линий для идеально-мозаичного кристалла ОЦК-структуры.

В приложении 5 приводится расчет среднего размера кристаллитов и функции распределения кристаллитов по размерам для образца стали 12Х1МФ при аппроксимации профиля рентгеновской линии функцией Фойгта.

В приложении 6 прилагаются акты о практическом использовании результатов работы.

Выводы

1. Настоящая работа связана с двумя актуальными проблемами современной энергетики. Одна из них относится к проблеме разрушения стальных конструкций тепломеханического оборудования, в особенности внезапных хрупких разрушений, не решенной известными путями в России и за рубежом. Вторая обусловлена выработкой проектного ресурса отечественных энергоустановок и необходимостью надежной диагностики текущего состояния металла и остаточного рсурса. Поэтому работа направлена на создание методических основ диагностики и прогнозирования рентгенодифракционным методом, не разрушающим диагностируемую поверхность.

2. На основе методики термоциклирования установлено, что все исследованные стали обнаруживают аномальные расширения кристаллических решеток, разные по величине скачка Аа и наблюдаемые при близких для разных сталей температурах (например, 400 и 420 °С ; 600 и 635 °С), что заслуживает внимания не только при анализе таких характерных повреждений как растрескивание коллекторов парогенераторов, смятие поверхностей нагрева с уменьшением диаметра трубы , перекосы , выгибание трубопроводов, заклинивание , нарушение уплотнения запорных органов, наблюдаемых в условиях переменных тепловых режимов при наличии градиентов температур, но и при проектировании узлов, элементов и арматуры тепломеханического оборудования путем обеспечения соответствия материалов и выбора рабочих температур по результатам микродилатометрических исследований.

3. Каждое аномальное расширение кристаллических решеток предваряется состоянием повышенной пластичности сталей в окрестности температур порядка 350 , 575, 600, 635 °С, эксплуатационно опасных формоизменением поверхностей нагрева, раздутием трубопроводов с утонением стенки трубы.

4. На основе методик рентгенодиагностики структурного состояния элементов трубных энергетических сталей показано, что характеристиками структурно-напряженного состояния являются линейные термические деформации кристаллических решеток, микронапряжения II рода и макронапряжения I рода, изменяющиеся в процессе термоциклического отжига и связанные между собой характерными температурными точками:

- максимальные уровни кристаллитных микронапряжений II рода развиваются в области первого Х-аномального скачка термических деформаций и могут приводить к микротрещинообразованию внутри зерна между кристаллитами, являясь предпосылкой межкристаллитной коррозии;

максимум зональных макронапряжений I рода достигается в окрестностях второго Я- аномального скачка, что может вызвать образование трещин в границах между зернами, сопоставимых с размером зерна, и приводить к образованию магистральных трещин и транскристаллитной коррозии;

достижение критериальным параметром, которым являются внутренние неоднородные структурные напряжения , предельной величины сопровождается неоднородным ростом кристаллитов и зерен, уменьшающим хрупкую прочность стали.

5. По разработанной методике, вскрывающей характеристики структурно-напряженного состояния в виде линейных термических деформаций кристаллических решеток, внутренних напряжений I и П рода, протестировано термическое поведение ряда энергетических сталей в характерных температурных точках снижения эксплуатационных свойств, установленных практикой эксплуатации энергоустановок, и подтверждена связь между характеристиками внутреннего структурно-напряженного состояния и прочностными свойствами сталей, что положено в основу диагностики текущего состояния стали и прогнозирования остаточного ресурса.

Принятые сокращения и условные обозначения

ТЭС - тепловая электрическая станция; МКК, ТКК - соответственно межкристаллитная и транскристаллитная коррозия; КРН - коррозионное растрескивание под напряжением; Е - модуль нормальной упругости; I -интегральная интенсивность дифракционной линии; 10 - интенсивность первичного пучка; п - число элементарных ячеек в единице объема; X - длина волны; е, ш -заряд и масса электрона; с - скорость света; 0 - брэгговский угол дифракции; р -фактор повторяемости; V - облучаемый объем образца; U - полные смещения атомов (U2 = U^+U^h2); th(nq) - гиперболический тангенс; р - плотность; А -атомная масса; N0 - число Авогадро; dhki - межплоскостное расстояние; l+cos220iio/2-sin2Ono'cosÖno - фактор Лоренца-поляризации; к - константа Больцмана; Т - температура; а - сила, необходимая для удлинения куба на расстояние, равное его ребру, составляющая а = 25 Н/м; (HKL) - индексы Миллера атомной плоскости; m¡, п„ р, - координаты базисных атомов; f¡ - атомная амплитуда рассеяния; F - структурная амплитуда.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Любимова Л.Л., Заворин A.C., Макеев A.A. Рентгеновские исследования микроструктуры стали 0Х18Н10Т при ресурсных высокотемпературных испытаниях в вакууме // Труды семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике.- Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2000. - С. 99 - 108.

2. Рентгеновские исследования влияния температуры на появление зональных микронапряжений в стали пароперегревателя /Л.Л. Любимова, A.C. Заворин, A.A. Макеев, А.М. Казанов И Материалы докладов VII Всероссийской научно-

технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность". -Томск: Изд. ТПУ, 2001. - Т. 1. - С. 117 - 120.

3. Аномалии термических линейных расширений в стали 10/ JI.JI. Любимова, A.A. Макеев, A.C. Заворин // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность". - Томск : Изд. ТПУ, 2002. - Т.1. - С.105 - 108.

4. Исследование структурной устойчивости стали труб пароперегревателя / Л.Л. Любимова , A.A. Макеев , A.C. Заворин , A.M. Казанов // Известия ТПУ , 2002, Т. 305 , вып.2.- С. 157-161.

5. Рентгеновские исследования внутренних микронапряжений в образце стали 10 при термических циклических нагружениях / Л.Л. Любимова , A.A. Макеев , A.C. Заворин и др. // Материалы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность". - Томск: Изд. ТПУ, 2002.-Т.1.-С. 108-111.

6. Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей / A.C. Заворин , Л.Л. Любимова, Б.В. Лебедев и др. // Известия ТПУ, 2003 , Т. 306, вып.2.-С. 82-88.

7. Рентгенометрическая оценка максимальной температуры трубы пароперегревателя при аварийной ситуации / A.C. Заворин, Л.Л. Любимова, A.A. Макеев, А.М. Казанов // Межвузовский сборник статей «Теплоэнергетика : экономичность, надежность, экология» . - Томск : Изд . ТПУ, 1997 . - С. 30 - 33.

8. Любимова Л.Л. Методика рентгенометрического анализа внутри-структурных напряжений // Известия ТПУ, 2003 , Т. 306, вып.4. - С. 72 - 77 .

Ш'рафикс-

Подписано в печать 6 10 2003г. Формат 60x84/16 Бумага офсстна*.

Печать RICOH Уел печ л 1.16 Уч-изд. 1.05. Тираж 70 чюемшмров. Заказ № 19.

Отпечатано ООО "Графике".

Адрес: 634050, г. Томск, пр. Ленина, ЗОа-108, т. (3822) 564-044

i I

f

i

vi

I

со?-А m 154^4

Список принятых сокращений и условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛИ В СВЯЗИ С ЕЕ ПРОЧНОСТНЫМИ И КОРРОЗИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ.

1.1. Обзор существующих представлений механизма хрупких разрушений.

1.2. Анализ основных результатов исследования микроструктуры сталей как фактора прочности, долговечности и коррозионной стойкости.

1.3. Физические методы исследования структуры и свойств вещества.

1.4. Обоснование метода и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Общие положения.

2.2. Техника эксперимента для исследований структурных превращений в сталях методом высокотемпературной рентгенографии.

2.3. Методика определения размеров кристаллитов и внутренних микронапряжений II рода по ушлрешпе дифракционных линий с учетом микроискажений и дисперсности.

2.4. Методика определения размеров кристаллитов и функции распределения кристаллитов по размерам при аппроксимации профиля рентгеновской дифракционной линии функцией Фойгта.

2.5. Методика качественной оценки внутренних микронапряжений II рода по выражению Секито.

2.6. Оценка макронапряжений I рода (зональных) в случае линейно-напряженного состояния.

2.7. Методика определения размеров зерен по относительной интенсивности дифракционных линий с учетом эффекта первичной экстинкции.

2.8. Рентгеновская микродилатометрия.

2.9. Методика определения параметра элементарной ячейки кристалла.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЯЧЕЕК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СТАЛЕЙ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. ЛИНЕЙНЫЕ ТЕРМИЧЕСКИЕ РАСШИРЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК.

3.1. Зависимость параметра и коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стали

ОХ 18Н1 ОТ от температуры отжига.

3.2. Зависимость параметра и коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стали 12Х1МФ от температуры отжига.

3.3. Зависимость параметра и коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток стали от температуры отжига.

3.4. Оценка погрешности измерений параметра кристаллической решетки и коэффициентов линейных термических расширений.

3.4.1. Оценка погрешности измерений параметра кристаллической решетки сталей 0Х18Н10Т и 12Х1МФ.

3.4.2. Оценка погрешности измерений параметра кристаллической решетки стали 10.

3.4.3. Оценка погрешности измерений коэффициентов линейных термических расширений кристаллической решетки.

3.5. Обсуждение экспериментальных результатов.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ОЦЕНКЕ ВНУТРЕННИХ

НАПРЯЖЕНИЙ, РАЗМЕРОВ ЗЕРЕН И

КРИСТАЛЛИТОВ.

4.1. Экспериментальные результаты оценки внутренних напряжений и размеров кристаллитов в образце стали

12Х1МФ в процессе термоциклического отжига.

4.2. Экспериментальные результаты определения размеров зерен в образце стали 12Х1МФ с учетом эффекта первичной экстинкции.

4.3. Экспериментальная оценка внутренних напряжений в образце стали 10 в процессе термоциклического отжига.

4.4. Экспериментальные результаты определения размеров зерен в образце стали 10 с учетом эффекта первичной экстинкции.

4.5. Оценка погрешности измерений.

4.5.1. Оценка погрешности определения размеров зерен с учетом эффекта первичной экстинкции.

4.5.2. Оценка погрешности определения внутренних микронапряжений II рода.

4.6. Обсуждение экспериментальных результатов.:.

ГЛАВА 5. ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО РЕСУРСА.

5.1. Линейные термические расширения.

5.2. Внутренние напряжения как фактор повреждаемости и диагностический критерий.

5.3. Положения оценки физического ресурса стали.Ю

Сплавы на основе железа (стали), от низколегированных до высоколегированных, широко применяются в современном котло- и реакторостроении, являясь основным конструкционным материалом, к которому предъявляются требования по надежной и длительной эксплуатации без повреждений и с сохранением заданных свойств в течение проектного срока службы. Для обеспечения этих целей конструкционные материалы должны обладать комплексом механических свойств, в частности, определенным сочетанием прочности и пластичности, высокими показателями ударной вязкости, высоким сопротивлением усталостной нагрузке, коррозионной стойкостью при нагревах на воздухе и в паровоздушной среде [1].

Все эти свойства обусловливаются строением и структурой стали и задаются разной степенью легирования металлическими и неметаллическими добавками, способными создавать с металлами твердые растворы замещения, внедрения, образовывать с металлом сложные соединения в виде интерметаллических фаз, карбидов, нитридов, сульфидов и т.д. Неравномерность распределения фаз по структуре металла, материальная неоднородность фаз и фазовая неоднородность, разнозернистость материала, неравноосность зерен, их распределение по ориентировкам, дислокации, дефекты упаковки, примеси, в том числе и газовые, пористость приводят к созданию внутренних микронапряжений.

Кроме того детали тепломеханического оборудования, трубопроводы воды и пара, котлы, турбины, вспомогательное оборудование - это сложные системы гибов, прямых труб, тройников. Металл подвергается сварке, гибке, волочению, прокатке, штамповке и т.д. В результате термических и механических воздействий в структуре сталей возможны фазовые превращения, существенно изменяющие свойства сталей и не способствующие установлению внутренней структурной однородности, следовательно, и однородности внутренних зональных напряжений.

Исследования показывают [2], что металл, отработавший ресурс, во многих случаях имеет запас по длительной прочности. Однако это обусловлено не только удачными конструктивными решениями, но и фактически заложенным запасом прочности [3]. Известны многочисленные случаи потери длительной прочности элементов тепломеханического оборудования и паропроводов задолго до исчерпания их расчетного ресурса. Это связано с коррозионной неустойчивостью сталей, выражающейся в образовании магистральных трещин в результате коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), межкристаллитной (МКК) и транскристаллитной коррозии (ТКК), ползучестью и повреждаемостью порами ползучести, графитизацией и потерей эксплуатационных свойств [4].

Как проблема перечисленные явления изучаются длительное время многочисленными коллективами и усилиями многих организаций, но и к настоящему моменту к ним не утрачен интерес. Так, отмечается [5], что аварии стальных конструкций, вызванные хрупким разрушением, обсуждаются с середины прошлого века, однако и до настоящего времени многие особенности разрушения, особенно хрупкого, до конца не выяснены, а у конструкторов по прежнему нет достаточной научной базы для оценки факторов, вызывающих хрупкие разрушения, о чем свидетельствует большое количество неожиданных разрушений как в России, так и за рубежом.

Отмечается [5], что вопросы хрупкого разрушения в очередной раз были подняты известным русским ученым А.П. Гуляевым перед научной общественностью и руководством страны, которые обсуждались на широком совещании 24 апреля 1996 года в Министерстве науки и технической политики Российской Федерации с участием ученых и специалистов по указанному вопросу из более чем 20 организаций и учреждений страны. В докладе А.П. Гуляева можно отметить две характерные особенности. Во-первых, обсуждаемая проблема настолько широка, что уже вышла за рамки только металловедения. Во-вторых, те известные пути, которыми решалась эта проблема, не привели к успеху, что можно рассматривать как приглашение к участию и дискуссии в решении этой проблемы не только специалистов-металловедов, но и инженеров и ученых других отраслей науки с привлечением нетрадиционных средств анализа микроструктуры вещества.

И действительно, это приглашение к дискуссии нашло широкий отклик у исследователей. В последние годы наблюдается огромный всплеск интереса к материаловедческим проблемам, и они относятся к числу самых широко обсуждаемых. С одной стороны, это вызвано развитием новой экспериментальной техники, повышением разрешающей способности экспериментального оборудования, появляющейся в этой связи возможностью более глубокого проникновения вглубь материи, более обоснованного подхода к созданию теории механизмов разрушения, упрочнения, термической обработки и прогнозирования. С другой стороны, широкое обсуждение проблем прочности по-прежнему свидетельствует о наличии этих проблем практически в той же постановке, в какой они были сформулированы изначально. Следовательно, они не утратили своей актуальности, практической и социальной значимости и еще далеки от окончательного разрешения [5 - 14 и

ДР-].

В этой связи целью данной работы является углубление сложившихся представлений о микроструктурных термических превращениях в сталях, наблюдаемых непосредственно при температурах превращений, и их влиянии на главное следствие структурных изменений — свойство. Выявление диагностического критерия, определяющего свойство и его стабильность, предопределяет возможности прогнозирования ресурса металла и контроля его текущего физического состояния, что сегодня особенно актуально, в частности, имея в виду выработку оборудованием большинства тепловых электрических станций нескольких проектных сроков эксплуатации.

Проблема разрушения энергетических сталей, в особенности внезапных хрупких разрушений, а также в результате межкристаллитной, транс кристаллитной коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением, повреждаемости порами ползучести и графитизации привлекает к себе вни мание уже в течение многих десятилетий. Следовательно, решение проблемы направлено на обеспечение прочности, долговечности, эксплуатационной надежности, безопасности и экономичности эксплуатации энергоустановок.Обозначенная проблема не является чисто отечественной. Так, отмечается [23] недопустимо большое количество коррозионных повреждений трубного пучка парогенераторов АЭС США: за 1 год в США в результате перечисленных причин заглушается порядка 1842 теплообменных парогенераторных трубок из 37 парогенераторов АЭС. В [22] также указывается , что самой большой проб лемой теплоэнергетики в США является повреждение котельных труб. Потери при этом составляют более 1 млрд. долл. в год. В течение одного десятилетия устраняется более 30000 отказов по всему тракту котлов — в экономайзерах, экранных трубах, пароперегревателях, промпароперефевателях [22].Применительно к отечественной теплоэнергетике проблема обостряется тем, что "к 2000 г. около 70 % энергоустановок исчерпало свой назначенный

(проектный) ресурс (100 тыс. ч). К 2005 г. этот ресурс будет исчерпан на всех действующих в настоящее время электростанциях. Более того, в 1998 г. около 40 % энергоустановок ... выработали и парковый ресурс, который в среднем в 2 раза превышает проектный, а к 2005 г. парковый ресурс уже исчерпают около 50 % энергоустановок... . При этом в последнее десятилетие объем капитальных вложений в электроэнергетический комплекс снизился в 3 раза" [117]. Так что вторая проблема связана с выработкой подходов продления сроков службы действующего оборудования, которое работает на разных стадиях исчерпания физических возможностей металла, а следовательно — с надежной диагностикой текущего состояния и остаточного ресурса .Несмотря на огромный накопленный экспериментальный опыт в иссле дованиях структуры металла, как основы диагностики, обе проблемы требуют дальнейшего разрешения, что связано с применением традиционных методов исследования [5, 36], отсутствием единого взгляда на механизмы протекания разного рода разрушений, в особенности хрупких [18 — 27], и базового структурного признака разрушения и накопления повреждаемости, кроме пористости.В настоящей работе в качестве базового применен хорошо зарекомен довавший себя в материаловедении метод рентгеновской дифракции, но не являющийся традиционным методом применительно к исследованиям струк туры сталей и сплавов, в частности, его высокотемпературная разновидность — высокотемпературная рентгенометрия. Метод не только позволяет "наблюдать" структуру горячего металла непосредственно при температуре превращений, но и устранает недостатки прочих методов, связанных с искажением поверхности исследуемых образцов шлифованием, травлением, изготовлением реплик и т.д.В данной работе за критериальный диагностический параметр структур ного состояния металла выбраны внутренние неоднородные напряжения, разви ваемые в образце за счет неоднородных термических деформаций.С помощью предложенной методики, заключающейся в термоцик лическом отжиге в широком диапазоне температур, реализующей процесс искусственного форсированного старения металла, проведены серии экспери ментов на образцах трубных энергетических сталей 10, 12Х1МФ и 0Х18Н10Т по исследованию структурной устойчивости при изменяющихся тепловых нагрузках, и получены следующие основные результаты.1. Установлены зависимости параметра и средних коэффициентов линейных / термических расширений кристаллических решеток от температуры.2, На основе данных о параметрах кристаллических решеток проведены оценки собственных внутренних зональных макронапряжений I рода и установлена их зависимость от температуры., 3 . На основе экспериментальных данных об уширениях дифракционных ли ний получены зависимости от температуры собственных внутренних микронапряжений II рода (кристаллитных) и произведены оценки изме -

нения размеров кристаллитов от температуры термоциклического отжи га.4. На основе экспериментальных данных об изменениях относительных интенсивностей дифракционных линий получены зависимости размеров зерен от температуры отжига.5. На основе экспериментальных данных о деформируемости кристаллических решеток в зависимости от температуры и времени, определяющие разные стадии распада твердых: растворов, построена теоретическая кривая с дальней экстраполяцией, аналогичная классической кривой получести, позволяющая по параметру элементарной ячейки, доступному прямому измерению методом рентгеновской дифракции, оценивать текущее физическое состояние металла и прогнозировать его остаточный ресурс.Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.1. Настоящая работа связана с двумя актуальными проблемами современной энергетики. Одна из них относится к проблеме разрушения стальных конструкций тепломеханического оборудования , в особенности внезапных хрупких разрушений, не решенной известными путями в России и за рубежом.Вторая обусловлена выработкой проектного ресурса отечественных энерго установок и необходимостью надежной диагностики текущего состояния металла и остаточного ресурса. Поэтому работа направлена на создание методических основ диагностики и прогнозирования рентгенодифракционным методом, не разрушающим диагностируемую поверхность.2. На основе методики термоциклирования установлено, что все иссле дованные стали обнаруживают аномальные расширения кристаллических ре шеток, разные по величине скачка Аа и наблюдаемые при близких для разных внимания не только при анализе таких характерных повреждений как растрескивание коллекторов парогенераторов, смятие поверхностей нагрева с уменьшением диаметра трубы, перекосы, выгибание трубопроводов, заклинивание , нарушение уплотнения запорных органов, наблюдаемых в усовиях переменных тепловых режимов при наличии градиентов температур, но и при проектировании узлов, элементов и арматуры тепломеханического оборудования путем обеспечения соответствия материалов и выбора рабочих температур по результатам микродилатометрических исследований.3. Каждое аномальное расширение кристаллических решеток предваряется состоянием повышенной пластичности сталей в окрестности температур поверхностей нагрева, раздутием трубопроводов с утонением стенки трубы.4. На основе методик рентгенодиагностики структурного состояния элементов трубных энергетических сталей показано, что характеристиками структурно-напряженного состояния являются линейные термические дефор мации кристаллических решеток, микронапряжения II рода и макронапря жения I рода, изменяющиеся в процессе термоциклического отжига и связанные между собой характерными температурными точками : • максимальные уровни кристаллитных микронапряжений II рода раз виваются в области первого X — аномального скачка термических дефор маций и могут приводить к микротрещинообразованию внутри зерна между кристаллитами, являясь предпосылкой межкристаллитной кор розии; максимум зональных макронапряжений I рода достигается в окрест ностях второго X — аномального скачка , что может вызвать образование трещин в границах между зернами, сопоставимых с размером зерна, и приводить к образованию магистральных трещин и транскристаллитной коррозии; достижение критериальным параметром , которым являются внутрен ние неоднородные структурные напряжения, предельной величины сопровождается неоднородным ростом кристаллитов и зерен, уменьшающим хрупкую прочность стали.5. По разработанной методике, вскрывающей характеристики структурно напряженного состояния в виде линейных термических деформаций кристал лических решеток, внутренних напряжений I и II рода , протестировано терми ческое поведение ряда энергетических сталей в характерных температурных точках снижения эксплуатационных свойств , установленных практикой экс плуатации энергоустановок, и подтверждена связь между характеристиками внутреннего структурно-напряженного состояния и прочностными свойствами сталей, что положено в основу диагностики текущего состояния стали и прог нозирования остаточного ресурса.

1. Стали и сплавы для высоких температур: Справ, изд. В 2-х кн. Кн. 1. / Б. Масленков, Е. А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - 383 с.

2. Дитяшев Б. Д., Попов А. Б., Шмачков В. Г. Продление срока эксплуатации паропроводов // Теплоэнергетика. - 2000. -№4. - 6 - 8.

3. Антикайн П. А. Обеспечение надежной эксплуатации паропроводов тепловых электростанций // Теплоэнергетика. - 2000. - №4. - 2 - 5.

4. Антикайн П. А. Коррозия металлов. - М.: Энергия, 1977. - 112 с.

5. Насибов А. Г. О хрупком разрушении металла (стали) и пути предупреждения аварий // Металловедение и термическая обработка металлов. -1996 . -№8. -С .38 .

6. Гончарова Н. В., Махнева Т. М., Махнев Е. Анализ причин охрупчивания хромоникелевых сталей с титаном // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1998. - №2. - 23 - 27.

7. Влияние структуры высокопрочной конструкционной стали на ее трещиностойкость / Н. Г. Покровская, Л. И. Беляков, И.П. Жегина, Е. Ю. Григорьева // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. -№10.-С. 8 -12 .

8. Забильский В. В., Никонова Р. М. Хрупкость сталей при околосолидусных температурах (состояние проблемы) // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1999. - №6. - 19 - 25.

9. Муравьев В. И. Анализ причин возникновения хрупких трещин в крупногабаритных штампованных заготовках из стали ЗОХГСНМА-ВД // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000. - №2. - 23 - 26.

10. Магнитный контроль механических свойств и микроструктуры металла горячедеформированных котельных труб из сталей 20 и 15ГС / О. А. Чикалова, В. В. Челышев, Б. Н. Кузнецов, О. К. Уразгалиева // Заводская лаборатория. - 1993. - №3. - 74 - 75.

11. Карпов Л, П. К вопросу неожиданных разрушений стальных деталей // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1998. — №3. - 31 — 34.

12. Потак Я. М. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей. - М.: Оборонгиз, 1955.-389 с.

13. Акользин П. А., Гуляев В. Н. Коррозионное растрескивание аустенитных сталей, - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 271 с.

14. Акользин П. А., Либерман Г. Р. Межкристаллитная коррозия металла паровых котлов. - М.: Изд-во Министерства коммун, хоз-ва РСФСР, 1955. -124 с.

15. Хор Т. П. Коррозионное растрескивание. - В сб. Коррозия конструкционных материалов водоохлаждаемых реакторов. Под ред. В. П. Погодина / Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1965. - №42. - 188 - 205.

16. Логан X. Л. Коррозия металлов под напряжением / Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1970. - 340 с.

17. Богоявленский В. Л. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. — 168 с.

18. Металлография железа / Пер. с англ. В. П. Калинина, Н. А. Зоидзе, Н. В. Чаргеишвили; под ред. Ф. Н. Тавадзе. Т. II. Структура сталей. - М.: Металлургия, 1972. - 478 с.

19. Герасимов В. В., Касперович А. И., Мартынова О. И. Водный режим атомных электростанций. - М.: Атомиздат, 1976. - 400 с.

20. Гофман Ю. М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 136 с.

21. Вайнман А. Б., Мартынова О. И., Новгородцева Л. Б. Исследование механизма образования трещин в литых корпусах паровых турбин высокого давления // Теплоэнергетика. - 1998. - №8. — 45 - 50.

22. Иванов , Савченкова В. В. Влияние способа создания трещины на результаты испытаний при коррозионном растрескивании // Заводская лаборатория. - 1994. - №3. - 47 - 48.

24. Миллер К. Ж. Усталость металлов - прошлое, настоящее и будущее // Заводская лаборатория. - 1994. - №3. - 31 - 44.

26. Ильина В. П., Троицкая В. А. Влияние структурного состояния на склонность к коррозионному растрескиванию стали 38Х5МСФА // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. - №1. - 20 - 22.

27. Влияние локальных микропластических деформаций на коррозионное растрескивание стали 08Х18Н10Т / Л. Н. Москвин, А. А. Ефимов, Я. И. Шерман, Т. И. Федорова // Теплоэнергетика. - 1987. - №7. - 56 - 58.

28. Березина Т. Г. Структурный метод определения остаточного ресурса деталей длительно работающих паропроводов // Теплоэнергетика. - 1986. — №3. - С . 53-56.

29. Штромберг Ю. Ю. Контроль металла на тепловых электростанциях // Теплоэнергетика. - 1996. - №12. - 17 - 20.

30. Антикайн П. А. Длительная прочность металла долго работавшего паропровода как критерий эксплуатационной надежности // Теплоэнергетика. — 1999.-№5.-С. 64-65.

31. Минц И. И., Воронкова Л. Е. К вопросу о возможности временной эксплуатации поврежденных порами ползучести гибов паропроводов тепловых электростанций // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1998. -№8.-С. 2 1 - 2 5 .

32. Станюкович А. В., Лапухина Н. С, Станюкович Б. А. Сопротивление росту трещин в металле необогреваемых гибов водоопускных труб // Теплоэнергетика. - 1987. - №7. - 61 - 62.

33. Верещагин Ю. П., Гриневский В. В., Туляков Г. А. Роль структурного фактора при распространении трещин ползучести в перлитной стали // Теплоэнергетика. - 1990. - №12. - 57 - 60.

34. Вайнман А. Б., Смиян О. Д. О механизме образования коррозионных трещин в металле паропроводов высокого давления // Теплоэнергетика. - 1993. - № 8 . - С . 55-59 .

35. Pascal! R., Benvenuti А., Wenger D. // Corrosion. - 1984. Vol. 40, №5. - P. 21.

36. Briant G. L., HollE. L. // Corrosion. - 1987. - Vol. 43, №2. - P. 525.

37. Bruemmer S. M. //Corrosion. - 1986. - Vol. 42, №1. - P. 27.

38. Влияние нагревов на коррозионную стойкость нержавеющей стали 12Х18Н10Т / Л. И. Шубадеева, О. К. Ревякина, Т. Б. Макарчук, Л. Я. Гурвич // Защита металлов. - 1996. - №2. - 133 - 138.

39. Читал В. Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей. - Л.: Химия, 1969.-90 с.

41. Балаховская М. В., Девлятова Л. Н. Кинетика превращения переохлажденного аустенита в стали 12Х1МФ // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1977. - №6. - 68 - 70.

42. Ланская К. А., Доменская Л. А., Хотомлянский Г. Л. Образование аномальных структур в трубах из стали 12Х1МФ // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1971. - №7. - 19 -23 .

43. Астафьев А, А. Влияние размера зерна на свойства марганцовистой аустенитной стали ПО Г13Л // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - №5. - 18 - 20.

44. Ботвина Л. Р., Опарина И. Б., Новикова О. В. Анализ процесса накопления повреждений на различных масштабных уровнях // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - №4. - 17 -22 .

45. Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. В 3-х т. / Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г Рахштадта. - 4-е изд., перераб. и доп. - Т. 1. Методы испытаний и исследования. В 2-х кн. Кн. 1.М.: Металлургия, 1991. -304 с.

46. Металлография железа / Пер. с англ. В. П. Калинина, Н. А. Зоидзе, Н. В. Чаргеишвили; под ред. Ф. Н. Тавадзе. Т. 1. Основы металлографии. — М.: Металлургия, 1972. - 246 с.

47. Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. В 3-х т. / Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г Рахштадта. - 4-е изд., перераб. и доп. - Т. 1. Методы испытаний и исследования. В 2-х кн. Кн. 2.М.: Металлургия, 1991. — 462 с.

48. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов / Под ред. В. А. Франк-Каменецкого. - Л.: Недра, 1975. - 399 с.

49. Горелик С , Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1970.-366 с.

50. Русаков А. А. Рентгенография металлов. — М.: Атомиздат, 1977. - 480 с.

51. Рентгенография в физическом металловедении / Под ред Ю. А. Багаряцкого. - М.: Гос. науч. - техн. изд-во лит. по черной и цветной металлургии, 1961. - 368 с.

52. Порай-Кошиц М. А. Практический курс рентгеноструктурного анализа. Т. П. - М.: Изд-во МГУ, 1960. - 632 с.

53. Миркин Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Под ред. проф. Я. Уманского. - М.: Гос. изд-во физ. — мат. лит., 1961.-863 с.

54. Финкель В. А. Высокотемпературная рентгенография металлов. - М.: Металлургия, 1968. - 204 с.

55. Клевцов Г. В., Перлович Ю. А., Фесенко В. А. К развитию рентгеновского метода идентификации изломов с испорченной поверхностью // Заводская лаборатория. - 1993. - №8. - 34 - 37.

56. Лушанкин И. А. Определение ориентировки выделенных направлений относительно кристаллографических осей кубических, тетрагональных и орторомбических кристаллов // Заводская лаборатория. - 1991. - №11. - 33 -35.

57. Капуткина Л. М., Маврич Г. В. Методика расчета функции распределения ориентировок для текстурных переходов при фазовых превращениях // Заводская лаборатория. - 1995. - №11. - 28 - 34.

58. Рентгенографическое исследование остаточных напряжений в защитных покрытиях для лопаток газовых турбин / Ю. Д. Ягодкин, К. М. Пастухов, Е. В. Миляева и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. -№11. - 30 - 34.

59. Иванов А. Н., Ягодкин Ю. Д. Применение дифракционных методов для технологического контроля материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000. - №8. - 11-15 .

60. Иванов А. Н., Климанек П., Поляков А, М. Исследование субструктуры металлов рентгеновским методом // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000. - №8. - 7 - 10.

61. Селиванов В. П., Смыслов Е. Ф. Рентгеноструктурный анализ дислокационной структуры поликристаллов по распределению микродеформаций // Заводская лаборатория. - 1994. - №2. - 31 - 36.

62. Иванов А. Н. Определение плотности дислокаций при гармоническом анализе профиля рентгеновской линии // Заводская лаборатория. - 1991. — №11. - С . 39-40.

63. Плавник Г. М., Селиванов В. Н., Рузинов В. Л. Простой способ нахождения распределения кристаллитов по размерам по профилю рентгеновских дифракционных линий // Заводская лаборатория. - 1992. — №5. — 17-20.

64. Селиванов В. Н., Смыслов Е. Ф. Анализ полидисперсности при аппроксимации рентгеновского дифракционного профиля функцией Фойгта // Заводская лаборатория. - 1991. - №7. - 28 - 29.

66. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела / Пер. с англ. А. Пахомова, Б. Д. Сумма; под ред В. Тябликова. - 2-е изд. - М.: Мир, 1969. -558 с.

67. Теория ползучести и длительной прочности металлов / А. И. Одинг, В. Иванова, В. В, Бурдукский, В. Н. Геминов // Под ред. чл. -корр. АН СССР И. А. Одинга. - М.: Гос. науч. - техн. изд-во лит. по черной и цветной металлургии, 1959. - 488 с.

68. Гофман Ю. М., Лосев Л.Я. Оценка степени повреждаемости металла, работающего при повышенных температурах под напряжением // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985. - №10. - 60 - 61.

70. Гофман Ю. М., Лосев Л. Я. Порообразование в металле, работающем при повышенных температурах под напряжением // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1987. - №4. — 43 - 45.

71. Куманин В. И. Структура и работоспособность теплостойкой стали при длительной эксплуатации // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1980. - №12. - 26 - 29.

72. Дубов А. А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1997.-№9.-С. 35-39.

73. Новиков И. И., Розин К. М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки: Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1990. -336 с.

74. Юшков В. И., Митюшов Е. А., Адамеску П. А. Связь кристаллографической текстуры с упругой и пластической анизотропией металлов с кубической решеткой // Физика металлов и материаловедение. -1989. - Т. 67, Вып. 1.-С. 57-64 .

75. Жданов Г. С , Уманский Я. Рентгенография металлов: В 2-х ч. - Ч. II. - М. - Л.: Гл. ред. лит. по черной и цветной металлургии, 1938. - 387с,

76. Косолапое Г. Ф. Рентгенография. - М.: Высшая школа, 1962. — 332 с.

77. Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах / Пер. с англ. Н. Горина, О. М. Кугаенко, В. Савченко; под ред. М. П. Шаскольской. - М.: Мир, 1974. - 496 с.

78. Жданов Г. С , Уманский Я. Рентгенография металлов: В 2-х ч. - Ч. I. - М. - Л.: Гл. ред. лит. по цветной металлургии, 1937. - 376 с.

79. Батунер Л. М., Позин М. Е. Математические методы в химической технике. - 5-е изд., перераб. и доп. / Под общей ред. проф. М. Е. Позина. - Л.: Химия, 1968.-823 с.

80. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.

81. Исследование структурной устойчивости стали труб пароперегревателя / Л. Л. Любимова, А. Заворин, А. А. Макеев, А. М. Казанов // Известия ТПУ. - 2002. - Т. 305. Вып. 2. - 157 - 161.

82. Казанцев Е. И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования. - 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1975. - 368 с.

83. Чиркин В. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: Справочник. — М.: Атомиздат, 1968, - 484 с.

84. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. — 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

85. Иванов Ю. Н. Установка для одновременного измерения упругих, релаксационных, магнитных свойств и теплового расширения материалов // Заводская лаборатория. - 2000.- №8. - 38 - 40.

86. Адамович В. К., Крац И. В., Гриневский В. В. Разработка расчетных характеристик кратковременной и длительной прочности, пластичности и допускаемых напряжений стали ДИ59 // Труды ЦНИИТМАШ. -1988.- №207. -С. 63-68 .

87. Иванов А. И., Климанек П. И., Скаков Ю. А. Применение эффекта экстинкции для анализа дислокационной структуры кристаллов // Кристаллография. - 1983.- Т. 28, Вып. 1.- 109 - 115.

88. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. пособ. для вузов / Ю. Ф. Гортышов, Ф. Н. Дресвянников, Н. Идиатуллин и др.; под ред. В. К. Щукина. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 360 с.

89. Рентгенометрия аномальных температурных расширений энергетических сталей / А. Заворин, Л. Л. Любимова, Б. В. Лебедев и др. // Известия ТПУ. - Томск: Изд-во ТПУ, 2003.- Т. 306, Вып. 2. - 82 - 88.

90. Дульнев P. А., Котов П. И. Термическая усталость металлов. — М.: Машиностроение, 1980.—200 с.

91. Гуляев А. П. Термическая обработка стали. - М.: Гос. науч. - техн. Изд-во машиностроительной лит., 1953.- 384 с.

92. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы / Пер. с англ. Н. Горина, В. М. Полозова. - М.: Мир, 1975.- 375 с.

93. Аверин А. Оценка прочности границ зерен нержавеющей стали Х16Н15МЗБ, используемой в атомной энергетике // Перспективные материалы. -1997 . -№1. -С .44-47 .

94. Кремнев Л. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996.— №1. - С . 30-35 .

95. Злепко В. Ф., Линкевич К. Р., Швецова Т. А. Влияние восстановительной термической обработки на свойства стали 12Х1МФ // Теплоэнергетика. - 2001. - №6. - 68 - 70.

96. Тумановский А. Г., Резинских В. Ф. Стратегия продления ресурса и технического перевооружения тепловых электростанций // Теплоэнергетика. — 2001 . -№6. -С .З -10 .