автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Оценка влияния условий эксплуатации на повреждаемость металла котельного оборудования

На правах рукописи

Приймак Елена Юрьевна

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МЕТАЛЛА КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

' 9 ДЕК 2070

Оренбург-2010

004616973

Работа выполнена в Орском гуманитарно-технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Грызунов Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Яковлева Ирина Леонидовна;

доктор технических наук Барышов Сергей Николаевич

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»

Защита состоится 24 декабря 2010 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02 при ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан <%Ь ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Металл котельного оборудования тепловых электростанций эксплуатируется при высоких температурах и напряжениях, а также под воздействием коррозионно-активных сред. В этих условиях в металле происходят изменения вследствие накопления внутренних и внешних повреждений, обусловленные характером эксплуатации. Основной причиной (60-70 %) вынужденных остановов котлов являются повреждения поверхностей нагрева, которые вызваны как эксплуатационными, так и технологическими факторами, а также их совместным воздействием.

Значительный вклад в исследование причин повреждений и прогнозирование ресурса металла энергооборудования внесен такими российскими учеными, как Минц И.И., Березина Т.Г., Смирнов А.Н., Антикайн П.А., Бугай Н.В., Хромченко Ф.А., Гофман Ю.М., Шрон Р.З, Отс A.A., Куманин В.И., Калугин Р.Н. и др. Однако комплексный подход, который определял бы последовательность действий к анализу повреждений различного характера, зависящих от условий эксплуатации, в настоящее время отсутствует. Анализ структуры и поверхности разрушения позволяет получить надежную информацию о механизмах повреждаемости, которые привели к отказу. Это означает, что разработка классификации повреждений во взаимосвязи со структурными и фрактографическими особенности металла разрушенной трубы и подхода к выявлению условий эксплуатации, приведших к отказу, в настоящее время является актуальной проблемой.

Не менее важным остается вопрос прогнозирования долговечности пароперегревателей, так как многие агрегаты уже отработали расчетный срок. В настоящее время имеется ряд методик расчета остаточного ресурса, однако все они основаны на знании так называемой эквивалентной температуры эксплуатации (Тэкв), под которой понимают среднюю температуру за весь период работы труб. От точности определения Тэкв во многом зависит достоверность прогнозирования времени до разрушения по критерию длительной прочности. Существующие методы определения ТЭ1СВ, отраженные в нормативных документах, нуждаются в совершенствовании, так как предусматривают лишь качественную оценку структурных изменений, происходящих в металле в условиях ползучести.

Цель исследования - изучение влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на повреждаемость металла котельных труб для разработки подхода к анализу причин повреждений и прогнозирования их работоспособности.

В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи: - оценка влияния условий эксплуатации на характер и структурно-механические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ;

исследование механизмов повреждаемости, связанных с высокотемпературной коррозией поверхностей труб, и выявление факторов, влияющих на развитие процесса;

разработка подхода к оценке фактического состояния пароперегревательных труб для выявления причин их повреждений;

- совершенствование методов определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе структурных изменений, вызванных старением и ползучестью.

Объектами исследования являлись котельные трубы из стали 12Х1МФ после эксплуатации в различных условиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронно-микроскопический методы анализа. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных и натурных образцах в лабораторных и эксплуатационных условиях соответственно. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- оценка влияния механизма разрушения на характер изменения тонкой структуры и микронапряжений при удалении от зоны разрушения пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ;

- установленный механизм взаимодействия металла с атмосферой топочных газов, основанный на диффузионных уравнениях, описывающих многокомпонентный процесс образования окалины;

- классификация повреждений пароперегревателей из стали 12Х1МФ во взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими особенностями разрушения, основанная на оценке характера и геометрических характеристик разрушенных труб, их структуры и микроповреждаемости, а также изменения твердости.

Практическая значимость:

- усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, отличающийся применением количественной металлографии и проведением дюрометрических испытаний металла труб, позволивший повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса;

- предложен алгоритм выявления причин разрушений пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях повреждений, позволивший выработать рекомендации по предупреждению возникновения аналогичных отказов.

Результаты исследований, представленные в работе, использованы:

- для оценки остаточного ресурса и выявления причин повреждений поверхностей нагрева из стали 12Х1МФ энергетических котлов специалистами ОАО «Инженерный центр» (г. Оренбург);

- в учебном процессе Орского гуманитарно-технологического института (ОГТИ).

Достоверность результатов, основных положений и выводов

обеспечивается корректностью постановки задач, проведением экспериментов с использованием современных методов исследования, обработкой полученных результатов с использованием современных прикладных программ (STATISTICA 6.0, Tixomet Pro), а также подтверждением результатов 4

исследований практическим опытом эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на V всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008 г.); международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2008 г.); XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009 г.); 48-ой международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009 г.); VI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010 г.), итоговых научно - практических конференциях аспирантов, преподавателей и студентов ОГТИ (Орск, 2007...2010 г.г.).

Личное участие автора состоит в постановке и реализации задач данной работы, проведении экспериментов и математической обработке результатов, что подтверждено публикациями, а также в разработке рекомендаций по повышению работоспособности пароперегревателей из стали 12Х1МФ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 13 статей, 3 из которых - в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 206 страниц, из них 172 страницы основного текста и 33 страницы приложений. Работа включает 80 рисунков, 21 таблицу и 130 наименований использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе изучения публикаций выполнен анализ современного состояния проблемы. Рассмотрены особенности структуры и свойств материалов котельного оборудования и их эволюция в процессе высокотемпературной эксплуатации. Показано, что поверхности нагрева паровых котлов из теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали 12Х1МФ относятся к одним из наиболее повреждаемых элементов энергетического котла, причем основную долю отказов составляют повреждения основного металла труб.

Анализ послеаварийных исследований позволил систематизировать причины повреждений поверхностей нагрева котлоагрегатов (рис. 1).

Установлено, что дефекты, являющиеся основными причинами разрушения, могут возникать как на стадии их изготовления и монтажа, так и при эксплуатации. Основными процессами, ответственными за развитие повреждаемости, являются ползучесть, термическая усталость и коррозия.

(

Причины повреждений основного металла поверхностей нагрева котлоагрегатов

I Дефекты I

■ изготовления ] I

Дефекты эксплуатации

(

Исчерпание ресурса длительной прочности при расчетных параметрах эксплуатации

(Отклонения от режимов термической обработки с образованием бракоеочны> _микроструктур

■ Технологические I ||

Я дефекты ■ Термоустелостъ

Дефекты в результате превышения проектных температур при нарушениях режимов эксплуатации

I Дефекты I Дефекты I Р«витие I Потеря ||

I слитка I прокатки I коог|оврежденноетм от ■ кратковоеменной к

■ I | ползучести I прочности I

| Ускоренное утонение

стенки трубы в I результате коррозии

Рис. 1 •

Классификация причин повреждений основного металла поверхностей нагрева котлоагрегатов

Кроме того, обзор публикаций свидетельствует о том, что структурные методы определения Тэкв имеют ряд недостатков, а для более точной оценки остаточного ресурса требуется комплексный подход, учитывающий не только изменение структурного состояния в процессе длительной эксплуатации, но и развитие процессов микроповреждаемости и связанное с этими явлениями изменение механических свойств.

Во второй главе выбраны объекты высокотемпературных элементов из стали 12X1МФ, подлежащие изучению:

- трубы экранов нижней радиационной части, ширмовых и конвективных пароперегревателей, разрушившиеся по различным причинам;

- трубы пароперегревателей после различных сроков эксплуатации без видимых признаков разрушения.

Описана процедура подготовки образцов, изложены методики исследования состояния металла, включающие металлографический и электронно-микроскопический анализы структуры и фазового состава, дюрометрических испытаний и измерения микротвердости структурных составляющих, рентгеноструктурного анализа. Описаны методики определения эквивалентной температуры эксплуатации исследуемых объектов и испытаний на газовую коррозию в атмосфере воздуха при высоких температурах.

Третья глава посвящена комплексной оценке структуры и свойств металла разрушенных поверхностей нагрева котлов.

Подробно рассмотрены структурные особенности эксплуатационных повреждений, которые вызваны наличием в металле технологических дефектов, определяемых условиями кристаллизации слитков и горячей пластической деформации труб при прокатке. Показано, что разрушение, инициированное технологическими дефектами, имеет хрупкий бездеформационный характер с отсутствием сопутствующих эксплуатационных трещин в районе развития магистральной. На рис. 2 показана

Рис. 2 - Технологический дефект в виде межкристаллитной трещины

межкрисгаллитная трещина, образованная в период кристаллизации слитка и последующего его остывания вследствие усадочных напряжений.

Трещина имеет вид тонких разрывов с извилистой зигзагообразной траекторией и косым расположением по отношению друг к другу и к поверхности. При эксплуатации произошло преждевременное разрушение прямого участка пароперегревательной трубы, которое развивалось от внутренней поверхности путем образования продольной сквозной трещины со сложной траекторией берегов.

Отличительными особенностями разрушений труб по механизму ползучести, в том числе и при длительном перегреве, являются незначительное раскрытие трубы в месте разрыва, наличие множественных сопутствующих трещин, параллельных сквозной.

В микроструктуре металла вблизи зоны разрушения наблюдается большое количество цепочек пор и микротрещин ползучести. Наличие цепочек пор характерно и для всего объема металла разрушенной трубы. Типичные трещины ползучести в целом перпендикулярны поверхности трубы, разветвляются по мере роста с образованием систем трещин, ориентированных друг к другу под углом 60-70° (рис. 3).

Структура металла труб, разрушившихся вследствие исчерпания ресурса при расчетных параметрах эксплуатации, представляет собой феррит и сорбит различной степени сфероидизации. Карбидные Рис. 3 - частицы выявлены как в теле зерен, так и на их границах.

Микротрещины Однако, при длительном перегреве сорбит полностью ползучести ,

сфероидизировался, а в некоторых случаях разрушении

отмечается наличие участков формирования новых мелких зерен феррита, что

позволяет предполагать о пребывании металла вблизи температуры

рекристаллизации. Такие структурные изменения, имеющие место при

длительном перегреве, сопровождаются увеличением скорости ползучести и

сокращением времени до разрушения котельных труб.

Анализ эксплуатационных повреждений труб вследствие термической усталости показал, что их характерными особенностями являются хрупкий бездеформационный характер разрушения, наличие сопутствующих термоусталостных трещин и окалины (рис. 4). При этом трещины имеют преимущественно конусообразную форму, прямолинейную траекторию, тупые концы и ориентированы перпендикулярно по отношению к внутренней поверхности трубы. Заметного изменения структуры металла по берегам трещин не обнаружено. Микроструктура металла вблизи зоны Рис. 4 - Трещина разрушения и при удалении от нее однородна, термической усталости

При анализе послеаварийных отказов встречались случаи разрушения труб, сопровождающиеся большой пластической деформацией. Разрушение по механизму пластического разрыва имеет место при кратковременном перегреве до температур, превышающих 700 "С. При этом в зоне разрушения структура металла представляет собой вытянутые зерна феррита и сорбита с крупными карбидными частицами, расположенными на границах деформированных зерен. Наряду с этим в структуре отмечается образование новых равноосных зерен феррита. Также было выявлено образование несплошностей типа полостей как внутри зерен, так и на их границах, преимущественно вблизи карбидных частиц, что привело к смешанному характеру разрушения путем слияния и разрыва ямок. В некоторых случаях разрушений

отмечались участки формирования перекристаллизованного перлита, что указывает на перегрев металла выше температуры Аа.

Оценка структурных изменений и накопление повреждаемости в материале также осуществлялась на основании изменения твердости разрушенных труб (рис. 5).

0(ВДдаоет»

Рис. 5 - Карты распределения твердости по поверхности труб пароперегревателей, разрушенных вследствие: а) ползучести; б) термоусталости; в) горячей пластической деформации при кратковременном перефеве

Исследованиями установлено, что ползучесть сопровождается снижением значений твердости по всему объему металла по сравнению с состоянием поставки. При этом в районе развития магистральной трещины наблюдается провал значений. При термоусталости значительных изменений твердости не выявлено как в зоне разрушения, так и при удалении от нее, что указывает на более стабильные свойства металла в этих эксплуатационных условиях. Повышенные значения твердости вблизи места разрыва трубы при кратковременном перегреве связаны с протеканием процессов пластической деформации или перекристаллизации, сопровождающихся некоторым упрочнением металла.

Методом визуальной и электронной фрактографии изучены поверхности разрушения котельных труб, поврежденных при эксплуатации с образованием сквозных и несквозных трещин. Типичные рельефы поверхности изломов представлены на рис. 6.

а) в)

Рис. 6 — Строение изломов котельных труб, разрушившихся в различных эксплуатационных условиях: а) термоусталость; б) ползучесть; в) ГПД при кратковременном перегреве

Разрушение труб вследствие термической усталости сопровождается образованием хрупкого транскристаллитного излома с плоскими фасетками скола. Поверхность разрушения при этом имеет ручьистый узор. В случае разрушения от ползучести излом прямой, хрупкий по степени пластической деформации, межзеренный и состоит из двух зон - длительного разрушения (собственно излома) и кратковременного долома. Кратковременный перегрев привел к вязкому разрушению по механизму горячей пластической деформации (ГПД) с формированием волокнистого излома, представляющего собой скопления вытянутых ямок, соединенных между собой перемычками.

Для оценки структурно-напряженного состояния труб, разрушенных в различных температурно-силовых условиях, был проведен рентгеноструктурный точках поперечного сечения, согласно схеме,

анализ в различных представленной на рис. 7

1

раэру!

Рис. 7 - Схема исследуемых сечений разрушенных труб

Рентгеносъемка проводилась на дифрактометре ДРС>Н-4,0 с использованием медного излучения с длиной волны ХСиКа = 0,154178нм. При анализе внутренних остаточных напряжений использовались дифракционные линии (110) и (220). По полученным истинным физическим уширениям линий (3 определяли средние остаточные микронапряжения (0[[) и параметры тонкой структуры: средний размер блоков когерентного рассеяния (О), плотность дислокаций (р).

Экспериментальные результаты (рис. 8) показывают, что разрушение труб при ГПД характеризуется неоднородным деформированием металла по сечению: по мере удаления от зоны разрушения плотность дислокаций снижается, а размер фрагментов увеличивается. При разрушении вследствие ползучести и термической усталости, средняя плотность дислокаций во всех участках сечения меняется случайным образом, тем не менее, по мере удаления от зоны разрушения имеется тенденция к ее снижению. Размер фрагментов, являющийся индикатором степени пластической деформации, имеет минимальные значения вблизи разрыва.

Из сравнительной оценки количественных значений исследуемых величин следует, что разрушение при ползучести и термоусталости сопровождается формированием полигонизованной субструктуры со средним

исследуемое сечение

исследуемое сечение

исследуемэе сечение

Рис. стали по

а) б) в)

- Изменение количественных характеристик тонкой структуры и микронапряжений 12Х1МФ в различных точках поперечного сечения пароперегревателей, разрушенных различным механизмам: а) средний размер фрагментов; б) плотность дислокаций; в) микронапряжения

размером блоков -0,43 мкм и -0,72 мкм соответственно. Средние напряжения при этом относительно невелики (-130 МПа и -85 МПа) и составляют 30-40 % от предела текучести материала. Это связано с их частичной релаксацией, обусловленной процессами разупрочнения металла при температурах эксплуатации. Однако ползучесть характеризуется более высокими значениями плотности дислокаций и меньшим размером субзерен, что свидетельствует о накоплении пластической деформации металлом при этом механизме эксплуатационного разрушения.

Воздействие более высоких температур при ГПД способствовало диффузионной подвижности дислокаций, их перераспределению с измельчением блоков мозаики до размеров -0,1 мкм. Одновременно с этим вследствие интенсивного протекания процессов возврата и рекристаллизации металл характеризуется самым низким уровнем напряжений (7 % от предела текучести).

Для получения дополнительных сведений, предшествующих акту разрушения, был проведен рентгеноструктурный анализ слоев металла, примыкающих к излому. Полученный характер распределения плотности дислокаций позволил оценить глубину и степень пластической деформации, развивающейся при распространении трещины (рис. 9).

5 40

е-8~б- «-а. © О

расстояние от поверхности излома, мм

Рис

расстсимге от поверхности излома, мм б)

9 — Характер изменения плотности дислокаций стали 12Х1МФ под поверхностью изломов

расстояние от поверхности излома, мм

в)

пароперегревателей, разрушенных по различным механизмам: а) ползучесть; б) термоусталость; в) ГПД

При ползучести пластическая деформация локализуется вблизи трещины, причем с увеличением эквивалентной температуры эксплуатации исследуемых труб наблюдается возрастание глубины зоны с максимальной плотностью дислокаций в среднем от 1 до 3 мм. Хрупкое разрушение вследствие термической усталости сопровождается некоторым упрочнением в тонких слоях металла, примыкающих к излому, однако степень и глубина пластической деформации меньше, чем при ползучести, и составляет не более 0,5 мм. При разрушении по механизму ГПД локализация пластической деформации не наблюдается, и разрушение сопровождается монотонным изменением плотности дислокаций и размеров фрагментов при удалении от поверхности излома.

В четвертой главе рассмотрены вопросы повреждаемости котельного оборудования, связанные с процессами высокотемпературного окисления, развивающимися на рабочих поверхностях труб и во многом определяющими их эксплуатационную надежность.

Структурно-фазовый анализ

поверхностного коррозионного слоя, образующегося в атмосфере топочных газов на стали 12Х1МФ при сгорании мазута, показал, что слой представляет собой гетерогенную систему, состоящую из смеси фаз. Из стали в этот слой диффундируют железо и хром, из топочных газов - кислород, ванадий и сера (рис. 10). В слое металла, прилегающем к окалине, изменений в химическом составе не наблюдается, однако выявляется сетка межкристаллитных трещин, способствующих местному охрупчиванию металла на поверхности. Рассчитанные значения энергии Гиббса реакций, происходящих при взаимодействии стальной трубы с топочными газами при сгорании мазута, показали, что пятиокись ванадия выполняет роль катализатора при окислении железа.

При рассмотрении кинетики формирования и роста фаз на стали 12Х1МФ показано, что формирование окалины начинается с конденсации молекул топочного газа из пограничного слоя, прилегающего к трубе. Толщина этого слоя зависит от скорости потока и диффузионной подвижности компонентов, которые определяют лимитирующую стадию сложного процесса образования окалины. Рост ее как бы задерживается на время т, называемое инкубационным, однако, начиная с некоторого момента, процесс образования окалины описывается параболическим законом. Параметр роста зависит от условий протекания процесса. Если рассматривать окалину как трехкомпонентную систему Ре-Сг-0 и считать, что коэффициенты диффузии при данной температуре являются постоянными, будем иметь следующую систему уравнений:

шит 1 Е1ес1гоп 1т.пе 1

№ с пс кгра Содержание элементов, вес. %

0 Б V Сг К: Мп

I 29.64 - 3.1 1 1.07 66.19

2 20.49 19.44 1.59 57.98 0.51

3 24.10 0.41 13.15 0.46 2.27 59.61

4 24.56 0.42 1.31 72.90 0.81

5 0.28 0 91 98,81 -

Цифрами отмечены места съемки рентгеновских спектров (см. табл.)

Рис. 10 - Структура окалины настали 12Х1МФ, образованной в среде топочных газов при сгорании мазуга

где С) и С2 - концентрации элементов кислорода и хрома соответственно в основе элемента - железа С3, представляющего в данном случае растворитель (здесь С,+С2+С3=1); Ои и Б22 - коэффициенты диффузии элементов кислорода и хрома; 0|2 и Б21 - коэффициенты, учитывающие влияние потока атомов хрома на поток атомов кислорода и потока атомов кислорода на поток атомов хрома соответственно.

Тогда решением системы уравнений (1) применительно к протяженности окалины будет следующее выражение:

Лу =

40 4 71

о'+Ь-Ь-

с -с ь

с"-Г1

с -с 2

(2)

где: Ду - толщина окалины; Э - средний коэффициент диффузии направленного перемещения кислорода и хрома в окалине; С°, С], С°, С[ - концентрации кислорода и хрома на границах окалины соответственно; и' и и' - средние

диффузионные подвижности атомов кислорода и хрома; К) и К2 - коэффициенты сопротивления диффузионному перемещению элементов кислорода и хрома соответственно.

..............................................................................Исследования структуры окалины,

образованной на внутренней поверхности пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ показали, что она имеет двухслойное строение: первый - прочный и плотный слой, примыкающий к металлу; второй (наружный) -более рыхлый и пористый, состоящий из отдельных кристаллов (рис. 11). Основным компонентом в обоих слоях является магнетит, а во внутреннем слое отмечено повышенное содержание хрома. Подокисный слой металла отсутствует. Однако, при эксплуатации свыше 100-120 тыс. часов в подокалинном слое выявляется наличие коррозионных трещин в виде зернограничных поражений.

Скорость окисления зависит от защитных свойств оксидной пленки, которые определяются фазовым составом, а также наличием подокисного слоя, закрепляющего ее на металле. Для исследования изменений структурно-фазового состава оксидной пленки в зависимости

Цифрами отмечены места съемки рентгеновских спектров (см. табл.)

Рис. 11 - Структура окалины на стали 12Х1МФ, образованной в среде перегретого пара

от температуры были проведены испытания на газовую коррозию в атмосфере воздуха в лабораторных условиях. Исследованию подвергались стали, широко применяемые для изготовления котельных труб: сталь 20, 12Х1МФ и 12Х18Н10Т. Для оценки скорости газовой коррозии сталей в интервале температур 400-1000 °С предложены уравнения, выражающие зависимость изменения массы от времени. Зависимость скорости коррозии от температуры в координатах 1§ю = Д1/т) представлена на рис. 12. Для анализа влияния температуры на скорость окисления использовали уравнение Аррениуса. Однако параметры уравнения Аррениуса сами являются температурно-зависимыми величинами, что обусловлено изменением механизма окисления, особенностями протекания гетерогенных реакций.

Для сталей перлитного класса при температуре 600 °С наблюдается перелом, сопровождающийся увеличением скорости коррозии и повышением энергии активации процесса в среднем в 2,6 раза. Это указывает на изменение защитных свойств оксидного слоя. Как показали результаты металлографических исследований, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, в случае стали 20 и 12Х1МФ оксидная пленка до температуры 600 °С, представляет собой соединения гематита Ре203 и магнетита Ре304, а выше указанной температуры появляется дополнительная фаза РеО, обладающая пониженными защитными свойствами. Состав окалины для стали 12Х18Н10Т при всех исследуемых температурах одинаков и представляет собой фазы Ре203, Ре304 и РеСг204.

В пятой главе разработан комплексный подход для определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ с учетом изменений структурного состояния металла и твердости, вызванных процессами старения и ползучести при длительной эксплуатации. На 144 фрагментах труб, эксплуатирующихся в условиях ползучести длительное время, была произведена количественная оценка основных параметров микроструктуры: объемной доли карбидных частиц, объемной доли пор и твердости. Результаты полученных исследованных характеристик представлены в виде в зависимости от параметра Ларсена-Миллера (рис. 13). Линии регрессии характеризуют средние значение рассматриваемых параметров металла труб.

Анализ структуры показал, что с увеличением параметра Ларсена-Миллера наблюдается изменение размеров и морфологии карбидных частиц и пор ползучести (табл. 1).

Оценка твердости исследованных фрагментов показала тесную связь с изменениями рассматриваемых параметров структуры: с увеличением Рл_м происходит монотонное снижение твердости стали (см. рис. 13, в), что вызвано увеличением расстояния между ранее образовавшимися карбидными частицами из-за их коагуляции, а также интенсивным развитием микроповреждаемости по границам зерен металла.

Рис. 12-График температурной зависимости скорости коррозии котельных сталей в атмосфере воздуха

<4001—;—:—■—|—;—-у—.3.0 „ ют г-;-.-1—.—:—т—.0.9 «">

«юо- .......... • г'Л' ,, I 1«Ю : ; 1 : О.е *

¡^ 3600 ■ ! £12оо - 4 ; ! { ■;7; "» ™

5 = 3200 ........................20 § 1 1000 , ; «5 "

1 § ......:.......'¿п \.....1 о 1 § |»......■;......I.....}......}......15::

11=^1 !.....¡-г:;:!! :

■ - 1 • :■■! "5 ¿ 200 ...... ■■ .....:......:......шЗ ™

1200 ^-'-1---1-:-'0,0 ° о' ' —:-:-:-:-'о О 100

20.4 20.В 21.2 21.6 22,0 20.4 20,8 у 2 21.6 22.0 т

20,6 21.0 21.4 21.8 20.6 21,0 21,4 21,8 20* гс,е м,в 21.0 21,2 21.4 21.8 21 ,в 22.0

Р1ш"ТОдт+20)10-3 Рл„=Т(йт->20)10-' Ря-м!еТ(1дт+20)10"э

а) б) в)

Рис. 13 - Температурио-временные зависимости изменения объемной доли карбидов (а), объемной доли пор ползучести (б) и твердости (в) в металле пароперегревателей из стали 12X1МФ в процессе длительной эксплуатации

Табл. 1 - Изменение характеристик структуры и микроповрежденности в зависимости от параметра Ларсена-Миллера

Характеристики структуры и микроповрежденности Параметр Ларсена-Миллера Рд-м

20,6-21 21-21,6 21,6-21,8

размер карбидов <1^ объемная доля карбидов Уирб ёк< 1 мкм, У ^5=0 А-1,3 % {1к= 1-2,5 мкм, У„ре=1,3-2,4 % с!к = 2,5-4 мкм, Укарб>2,4 %

морфология карбидов дисперсные карбиды в теле зерен, единичные - по границам зерна цепочки по границам зерен слипание в прослойки вокруг зерна

размер пор <1п, объемная доля порУП1>р <!„< 2 мкм, Улор=0,05-0Л % <1п — 2-3 мкм, ^=0,1-0,3% <1„ = 3-5 мкм, Улор > 0,3 %

морфология пор единичные поры отдельные цепочки пор цепочки пор и м икротрещины

Полученные зависимости структурно-механических характеристик от температурно-временных факторов позволяют оценивать эквивалентную температуру эксплуатации при известном времени наработки пароперегревателя. Для этого по известным значениям объемной доли карбидных частиц и пор, а также значениям твердости по кривым, представленным на рис. 13, определяют значение параметра Ларсена-Миллера, а затем при известном времени эксплуатации т - значение искомой эквивалентной температуры эксплуатации Тэкв.

Данный метод рекомендуется использовать в целях повышения достоверности прогнозирования остаточного ресурса пароперегревателей из стали 12Х1МФ по критерию длительной прочности, а также при их разрушении в условиях ползучести.

Далее в работе на основании вышеприведенных исследований разрушенных труб пароперегревателей из стали 12Х1МФ разработана классификация их повреждений во взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими особенностями металла, основанная на оценке характера и геометрических характеристик разрушения (степень утонения стенки), изменения структуры и микроповреждаемости, а также твердости. На основании разработанной классификации предложен алгоритм выявления причин повреждений (рис. 14). Исследование разрушенной трубы включает в себя визуальный осмотр, фрактографический и металлографический анализы. 14

Проведенный анализ повреждений согласно предложенному алгоритму позволил разработать рекомендации по предупреждению возникновения аналогичных повреждений с целью повышения долговечности котельных труб.

Рис. 14 - Алгоритм выявления причин повреждений основного металла труб пароперегревателей из стали 12Х1МФ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены основные структурно-механические и фрактографические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ, которые заключаются:

- в наличии дефектов слитка или дефектов прокатки на наружной или внутренней поверхностях труб при хрупком бездеформационном разрушении и отсутствии сопутствующих эксплуатационных трещин в районе развития магистральной;

- в образовании цепочек пор и микротрещин при ползучести, сопровождающимся снижением твердости по всему объему металла и локальным снижением твердости в районе развития магистральной трещины; излом хрупкий, межзеренный, без заметной пластической деформации;

- в появлении трещин термоусталости на внутренней поверхности труб при переменном режиме их работы без значительного изменения твердости металла, в том числе и в зоне разрушения с образованием хрупкого излома с транскристаплитными фасетками скола;

- в формировании текстуры деформации и локальных участков рекристаллизации при ГПД в случае кратковременного перегрева с одновременным незначительным местным упрочнением металла по мере приближения к зоне разрушения и образованием вязкого ямочного излома.

2. Определены микронапряжения и характеристики тонкой структуры металла разрушенных труб из стали 12Х1МФ:

- разрушение при ползучести и термоусталости сопровождается образованием фрагментированной субструктуры со средним размером блоков -0,43 и -0,72 мкм, плотности дислокаций -4,5-1013 м"2 и ~2,6-1013 м"2 и средним значением микронапряжений -130 и -82 МПа соответственно. Разрушение по механизму ГПД характеризуется максимальной плотностью дислокаций (р~38'1013 м"2), минимальным размером субзерен (0-0,1 мкм), при этом самые низкие значения микронапряжений (-28 МПа) обусловлены их релаксацией вследствие интенсивного протекания процессов возврата и рекристаллизации;

- при всех механизмах эксплуатационных разрушений наибольшая степень пластической деформации наблюдается непосредственно в зоне разрушения, причем при ползучести и термической усталости пластическая деформация локализуется вблизи трещины на глубину 1-3 и 0,5 мм соответственно.

3. Установлен механизм образования оксидных пленок на внешней поверхности труб из стали 12Х1МФ. В топочных газах коррозия обусловлена взаимодействием железа с молекулами газа, конденсированными из пограничного слоя, прилегающего к трубе. Лимитирующей стадией сложного гетерогенного процесса образования окалины является многокомпонентная диффузия элементов Ре-Сг-О.

4. Основными факторами, влияющими на развитие процесса высокотемпературного окисления, являются строение, фазовый и химический 16

состав оксидных пленок, образующихся при эксплуатации котельных труб. В поверхностных слоях пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ после длительной эксплуатации свыше 100-120 тыс. часов выявлено образование межкристаллитных коррозионных трещин, способствующих местному охрупчиванию металла, что необходимо учитывать при оценке эксплуатационной надежности труб пароперегревателей.

5. Усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, учитывающий количественную оценку изменения структуры и механических свойств и позволяющий повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса.

6. Разработан алгоритм выявления причин повреждений основного металла пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях разрушений и позволивший разработать рекомендации по повышению их долговечности.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

- в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Приймак, Е.Ю. Влияние температуры среды на кинетику газовой коррозии стали 30ХГСА / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Коррозия: материалы, защита. - 2008. - №5. - С. 12-14.

2. Приймак, Е.Ю. Кинетика газовой коррозии высоколегированной аустенитной стали 12Х18Н10Т / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Т.И. Грызунова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - №9. - С. 21-24.

3. Приймак, Е.Ю. Кинетика формирования и роста фаз в оксидном слое стали 30X13 при высоких температурах / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - №9. - С. 22-25.

- в прочих изданиях:

4. Приймак, Е.Ю. Исследование кинетики и температурной зависимости скорости окисления нержавеющей стали в атмосфере воздуха : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей, аспирантов и студентов / Е.Ю. Приймак, И.В.Щур, C.B. Чхаидзе. - Орск: ОГТИ, 2008. -С. 352-357.

5. Приймак, Е.Ю. Влияние агрессивных сред на поведение металлов при высоких температурах : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 464-472.

6. Приймак, Е.Ю. Фрактальный анализ адаптации структуры и поверхностных окислов к высокотемпературному нагреву : сборник докладов международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова, Н.Ю. Трякина. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 484-489.

7. Приймак, Е.Ю. Особенности строения реакционной зоны при высокотемпературном окислении стали 12X18Н ЮТ : материалы XVII международной научной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Самара: СамГТУ, 2009. -С. 32-35.

8. Приймак, Е.Ю. Исследование процесса окалинообразования высокохромистой стали 30X13 в воздушной атмосфере : сборник трудов XVLII международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Тольятти: ТГ'У, 2009. -С. 107-110.

9. Приймак, Е.Ю. Кинетические условия образования и роста оксидного слоя при высокотемпературном окислении сталей : материалы итоговой научно-практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Орск: ОГТИ, 2009. - Ч. 3 - С. 82-85.

10. Приймак, Е.Ю. Структурно-механические особенности разрушения высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. -С. 100-103.

11. Приймак, Е.Ю. Особенности поведения металла экранных труб парогенераторов на стадии предразрушения : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Е.В.Пояркова. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. - С. 120-125.

12. Приймак, Е.Ю. Анализ основных причин разрушений высокотемпературных элементов теплоэнергетического оборудования : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З. - Т.2. - С. 136-139.

13. Приймак, Е.Ю. Анализ изменения структурно-механического состояния металла труб пароперегревателей из стали 12Х1МФ в процессе длительной эксплуатации и на стадии предразрушения : материалы итоговой научно - практической конференции преподавателей и студентов / Е.Ю. Приймак, O.A. Якунина. - Орск: ОГТИ, 2010. - Ч.З.-Т.2. - С. 139-143.

14. Приймак, Е.Ю. Определение эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе количественной металлографии и измерения твердости : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 471-476.

15. Приймак, Е.Ю. Комплексный анализ поверхности разрушения котельных труб из стали 12Х1МФ, поврежденных по различным эксплуатационным причинам : материалы XVI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Е.Ю. Приймак, Н.Ю. Трякина. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 476-480.

Отпечатано с оригинал-макета заказчика

Подписано к печати 18.11.2010. Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать RISO. Усл. печ. л. 1,13 Тираж 110 экз. Заказ 855

Типография «АВАНТАЖ ПРИНТ» 460000, Оренбург, ул. Рыбаковская, 16. Тел.-. (353-2) 25-91-09

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МЕТАЛЛА КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 Характеристика основных элементов котельного оборудования и 8 условия их эксплуатации

1.2 Влияние условий эксплуатации на изменение структуры и свойств 13 теплоустойчивой стали котельных труб

1.2.1 Формирование структуры и свойств теплоустойчивой стали при 12 термической обработке

1.2.2 Изменение структурно-фазового состава

1.2.3 Развитие микроповреждаемости

1.3 Основные закономерности высокотемпературных коррозионных 23 процессов, развивающихся на рабочих поверхностях труб

1.4 Анализ повреждаемости котельного оборудования в зависимости от 27 условий и срока эксплуатации

1.5 Анализ методов оценки технического состояния котельного 31 оборудования

1.5.1 Существующие методы в анализе причин повреждений 31 поверхностей нагрева котлоагрегатов

1.5.2 Проблемы оценки остаточного ресурса пароперегревателей из стали

12Х1МФ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика исследуемых объектов

2.2 Определение эквивалентной температуры эксплуатации

2.3 Микроструктурный анализ

2.4 Измерение твердости и микротвердости

2.5 Методика рентгеноструктурного анализа с определением внутренних 45 микронапряжений и характеристик тонкой структуры

2.6 Методика проведения испытаний на газовую коррозию

2.7 Методика рентгенофазового анализа окалины

Глава 3 КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА РАЗРУШЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ СТАЛИ 12Х1МФ

3.1 Структурные особенности эксплуатационных повреждений, 55 вызванных наличием в металле технологических дефектов

3.2 Структурно-механические особенности разрушения труб при дефектах эксплуатации

3.2.1 Ползучесть

3.2.2 Термоусталость

3.2.3 Горячая пластическая деформация

3.3 Анализ поверхности разрушения котельных труб, поврежденных по 89 различным эксплуатационным причинам

3.4 Оценка структурно-напряженного состояния труб при различных 97 механизмах эксплуатационных разрушений

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4 КОРРОЗИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛА КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1 Структурно-фазовый анализ поверхностного коррозионного слоя, 112 образующегося на рабочих поверхностях труб

4.1.1 Исследование коррозионного слоя на внешней поверхности

4.2.2 Исследование коррозионного слоя на внутренней поверхности трубы

4.2 Механизм образования окалины на рабочих поверхностях котельных 122 труб

4.2.1 Механизм коррозионного процесса в продуктах сгорания 123 малосернистого мазута

4.2.2 Механизм коррозионного процесса в среде перегретого пара 4.3 Влияние температуры на развитие коррозионного процесса ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 5 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА КОТЕЛЬНЫХ ТРУБ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЧИН ИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

РАБОТОСПОСОБНОСТИ

5.1 Разработка метода определения эквивалентной температуры 140 эксплуатации пароперегревательных труб на основе количественной оценки структурно-механических характеристик

5.2 Классификация повреждений основного металла труб котельных труб 148 из стали 12Х1МФ с учетом фактического состояния металла на стадии предразрушения

5.3 Разработка алгоритма выявления причин повреждений 151 пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Актуальность темы. Металл котельного оборудования тепловых электростанций эксплуатируется при высоких температурах и напряжениях, а также под воздействием коррозионно-активных сред. В этих условиях в металле происходят изменения вследствие накопления внутренних и внешних повреждений, обусловленные характером эксплуатации. Основной причиной (60-70 %) вынужденных остановов котлов являются повреждения поверхностей нагрева, которые вызваны как эксплуатационными, так и технологическими факторами, а также их совместным воздействием.

Значительный вклад в исследование причин повреждений и прогнозирование ресурса металла энергооборудования внесен такими российскими учеными, как Минц И.И., Березина Т.Г., Смирнов А.Н., Антикайн П.А., Бугай Н.В., Хромченко Ф.А., Гофман Ю.М., Шрон Р.З, Отс A.A., Куманин В.И., Калугин Р.Н. и др. Однако комплексный подход, который определял бы последовательность действий к анализу повреждений различного характера, зависящих от условий эксплуатации, в настоящее время отсутствует. Анализ структуры и поверхности разрушения позволяет получить надежную информацию о механизмах повреждаемости, которые привели к отказу. Это означает, что разработка классификации повреждений во взаимосвязи со структурными и фрактографическими особенности металла разрушенной трубы и подхода к выявлению условий эксплуатации, приведших к отказу, в настоящее время является актуальной проблемой.

Не менее важным остается вопрос прогнозирования долговечности пароперегревателей, так как многие агрегаты уже отработали расчетный срок. В настоящее время имеется ряд методик расчета остаточного ресурса, однако все они основаны на знании так называемой эквивалентной температуры эксплуатации (Тэкв)5 под которой понимают среднюю температуру за весь период работы труб. От точности определения Тэкв во многом зависит достоверность прогнозирования времени до разрушения по критерию длительной прочности. Существующие методы определения Тэкв, отраженные в нормативных документах, нуждаются в совершенствовании, так как предусматривают лишь качественную оценку структурных изменений, происходящих в металле в условиях ползучести.

Цель исследования - изучение влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на повреждаемость металла котельных труб для разработки подхода к анализу причин повреждений и прогнозирования их работоспособности.

В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- оценка влияния условий эксплуатации на характер и структурно-механические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ; исследование механизмов повреждаемости, связанных с высокотемпературной коррозией поверхностей труб, и выявление факторов, влияющих на развитие процесса; разработка подхода к оценке фактического состояния пароперегревательных труб для выявления причин их повреждений;

- совершенствование методов определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ на основе структурных изменений, вызванных старением и ползучестью.

Объектами исследования являлись котельные трубы из стали 12Х1МФ после эксплуатации в различных условиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронно-микроскопический методы анализа. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных и натурных образцах в лабораторных и эксплуатационных условиях соответственно. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- оценка влияния механизма разрушения на характер изменения тонкой структуры и микронапряжений при удалении от зоны разрушения пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ;

- установленный механизм взаимодействия металла с атмосферой топочных газов, основанный на диффузионных уравнениях, описывающих многокомпонентный процесс образования окалины;

- классификация повреждений пароперегревателей из стали 12Х1МФ во взаимосвязи со структурно-механическими и фрактографическими особенностями разрушения, основанная на оценке характера и геометрических характеристик разрушенных труб, их структуры и микроповреждаемости, а также изменения твердости.

Практическая значимость:

- усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, отличающийся применением количественной металлографии и проведением дюрометрических испытаний металла труб, позволивший повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса;

- предложен алгоритм выявления причин разрушений пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях повреждений, позволивший выработать рекомендации по предупреждению возникновения аналогичных отказов.

Результаты исследований, представленные в работе, использованы:

- для оценки остаточного ресурса и выявления причин повреждений поверхностей нагрева из стали 12Х1МФ энергетических котлов специалистами ОАО «Инженерный центр» (г. Оренбург);

- в учебном процессе Орского гуманитарно-технологического института (ОГТИ).

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. Установлены основные структурно-механические и фрактографические особенности разрушения пароперегревателей из стали 12Х1МФ, которые заключаются:

- в наличии дефектов слитка или дефектов прокатки на наружной или внутренней поверхностях труб при хрупком бездеформационном разрушении и отсутствии сопутствующих эксплуатационных трещин в районе развития магистральной;

- в образовании цепочек пор и микротрещин при ползучести, сопровождающимся снижением твердости по всему объему металла и локальным снижением твердости в районе развития магистральной трещины; излом хрупкий, межзеренный, без заметной пластической деформации;

- в появлении трещин термоусталости на внутренней поверхности труб при переменном режиме их работы без значительного изменения твердости металла, в том числе и в зоне разрушения с образованием хрупкого излома с транскристаллитными фасетками скола; в формировании текстуры деформации и локальных участков рекристаллизации при ГПД в случае кратковременного перегрева с одновременным незначительным местным упрочнением металла по мере приближения к зоне разрушения и образованием вязкого ямочного излома.

2. Определены микронапряжения и характеристики тонкой структуры металла разрушенных труб из стали 12Х1МФ:

- разрушение при ползучести и термоусталости сопровождается образованием фрагментированной субструктуры со средним размером блоков

13 2 13 2

-0,43 и -0,72 мкм, плотности дислокаций -4,5*10 м" и -2,6*10 м" и средним значением микронапряжений -130 и -82 МПа соответственно. Разрушение по механизму ГПД характеризуется максимальной плотностью дислокаций (р~38*1013 м-2), минимальным размером субзерен (Т)~0,1 мкм), при этом самые низкие значения микронапряжений (—28 МПа) обусловлены их релаксацией вследствие интенсивного протекания процессов возврата и рекристаллизации;

- при всех механизмах эксплуатационных разрушений наибольшая степень пластической деформации наблюдается непосредственно в зоне разрушения, причем при ползучести и термической усталости пластическая деформация локализуется вблизи трещины на глубину 1-3 и 0,5 мм соответственно.

3. Установлен механизм образования оксидных пленок на внешней поверхности труб из стали 12Х1МФ. В топочных газах коррозия обусловлена взаимодействием железа с молекулами газа, конденсированными из пограничного слоя, прилегающего к трубе. Лимитирующей стадией сложного гетерогенного процесса образования окалины является многокомпонентная диффузия элементов Fe-Cr-O.

4. Основными факторами, влияющими на развитие процесса высокотемпературного окисления, являются строение, фазовый и химический состав оксидных пленок, образующихся при эксплуатации котельных труб. В поверхностных слоях пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ после длительной эксплуатации свыше 100-120 тыс. часов выявлено образование межкристаллитных коррозионных трещин, способствующих местному охрупчиванию металла, что необходимо учитывать при оценке эксплуатационной надежности труб пароперегревателей.

5. Усовершенствован метод определения эквивалентной температуры эксплуатации пароперегревателей из стали 12Х1МФ, учитывающий количественную оценку изменения структуры и механических свойств и позволяющий повысить достоверность прогнозирования их остаточного ресурса.

6. Разработан алгоритм выявления причин повреждений основного металла пароперегревателей из стали 12Х1МФ, основанный на фрактографических и структурных особенностях разрушений и позволивший разработать рекомендации по повышению их долговечности.

Заключение

1. Агрегированные модели и; идентификация технического состояния теплоэнергетического оборудования : монография / Ю.Р. Владов и др.. — Оренбург : ГОУ ОГУ, 2004. 298 с.

2. Акользин, П.А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического оборудования / П.А. Акользин. М; : Энергоиздат, 1982. - 304 с.

3. Антикайн, П.А. Коррозия металла парогенераторов / П.А. Антикайн. — М.: Энергия, 1977. 112 с.

4. Артамонов, В.В: Сравнительный анализ методов определения; остаточного ресурса пароперегревателей; / В.В! Артамонов, В.П. Артамонов; О.В. Алиферов // Контроль. Диагностика. 2002. - №9. - С. 32-40.

5. Баландина, М.Ю. Исследование степени; повреждаемости и уровня твердости металла труб из стали 12Х1МФ после эксплуатации в условиях ползучести / М.Ю. Баландина, Б.С. Мочалов // Труды ЦКТИ, выпуск 293. -2004. -С. 296-299.

6. Баранов, П.А. Предупреждение аварий паровых котлов / П.А. Баранов. -М.: Энергоатомиздаг, 1991.-272 с.

7. Баранова, Л.В. Металлографическое травление металлов и сплавов : справочное издание / Л.В. Баранова, Э.Л. Демина. М.: Металлургия, 1986 —

8. Березина, Т.Г. Диагностирование и прогнозирование долговечности металла теплоэнергетических установок / Т.Г. Березина, Н.В. Бугай, И.И. Трунин. К. : Тэхника, 1991. - 120 с.

9. Березина, Т.Г. Диагностика причин разрушений деталей энергооборудования : курс лекций / Т.Г. Березина. Челябинск : ЧГТУ, 1997. — 145 с.

10. Березина, Т.Г. Особенности структуры и характер разрушения гибов паропроводов из стали 12Х1МФ при работе в условиях ползучести / Т.Г. Березина, Л.А. Ащихмина // Теплоэнергетика. -1981. № 10. - С. 51 -54.

11. Березина, Т.Г. Разрушение стали 12Х1МФ при ползучести в области температур, близких к 0,5 Тпл / Т.Г. Березина, Л.А. Ашихмина, В.В. Карасев // Физика металлов и металловедение. 1976. - Т.42. - С. 1281-1287.

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

13. Блантер, М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали / М.Е. Блантер. М. : Металлургия, 1962. - 268 с.

14. Болотов, Г.А. Ползучесть труб из стали 12Х1МФ в зависимости от структурного состояния / Г.А. Болотов, Е.И. Крутасова, Г.М. Новицкая // Теплоэнергетика. 1973. — №11. - С. 76-78.

15. Бугай, Н.В. Работоспособность и долговечность металла энергетического оборудования / Н.В. Бугай, Т.Г. Березина, И.И. Трунин. М. : Энергоатомиздат, 1994. -272 с.

16. Векслер, Е.Я. К вопросу о стабильности теплоустойчивой стали 12Х1МФ в процессе длительной эксплуатации / Е.Я. Векслер //

17. Теплоэнергетика. 1971. - №6. - С. 62-64.

18. Горелик, С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ : учеб. пособие для вузов / С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, JI.H. Расторгуев. М. : МИСИС, 1994.-328 с.

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

20. Гофман, Ю.М. Диагностика контроля гибов паропроводных труб с использованием метода магнитной памяти металлов / Ю.М. Гофман, Г.Г. Винокурова // Теплоэнергетика. 2002. - № 12. - С. 55-56.

21. Гофман, Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС / Ю.М. Гофман. М. : Энергоатомиздат, 1990. 136 с.

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

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

24. Грызунов, В.И. Метод расчета коэффициентов взаимной диффузии в тройных металлических системах, образующих непрерывный ряд твердых растворов/ В.И. Грызунов // Физика металлов и металловедение. 1981. - Т. 52. -вып. 5-С. 1117-1120.

25. Грызунов, В.И. Кинетика химических гетерогенных реакций в твердых фазах / В.И. Грызунов, C.B. Кириленко, В.И. Полухина. Орск. : ОГТИ, 2007.-244 с.

26. Гудремон ,Э. Специальные стали / Э. Гудремон. М. : Металлургия. -1960.- 1200 с.

27. Гуров, К.П. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах / К.П. Гуров, Б.А. Карташкин, Ю.Э. Угасте. М. : Наука, 1981 г. — 350 с.

28. Должанский, П.Р. Контроль надежности металла объектов котлонадзора : справ, пособие / П.Р. Должанский. М. : Недра, 1985. - 263 с.

29. Дубов, A.A. Проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования / A.A. Дубов // Теплоэнергетика. 2003. - № 11. - С. 54-57.

30. Елпанова, Н.В. Влияние структуры на кинетику разрушения стали 12Х1МФ при ползучести / Н.В. Елпанова, Т.Г. Березина // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. - №7. - С. 36-39.

31. Ерофеев, Б.В. Обобщенное уравнение химической кинетики и его применение к реакциям с участием твердофазных веществ / Б.В. Ерофеев. — М. : DAH СССР, 1946. Т. 52. - 623 с.

32. Живучесть стареющих тепловых электростанций / под ред. А.Ф. Дьякова, Ю.Л. Израйлева. М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. - 560 с.

33. Жук, Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Н.П. Жук. М. : Металлургия, 1976. - 472 с.

34. Жуховицкий, A.A. Физическая химия / A.A. Жуховицкий, JI.A. Шварцман. -М. : Металлургия, 1968.-520 с.

35. Зеленова, В.Д. Механизм вязкого и хрупкого разрушения и методы оценки сопротивления разрушению металлов и сплавов / В.Д. Зеленова. М. : Машиностроение, 1975 — 41 с.

36. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников : ГОСТ 9450-76

37. Казачков, Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов / Е.А. Казачков. М. : Металлургия, 1988. - 288 с.

38. Коротких, Ю.Г. Расчетно — экспериментальное обоснование характеристик повреждений, прочности и ресурса / Ю.Г. Коротких, О.С.

39. Копьева, С.Н. Пичков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2007. Т. 73. - №8. - С. 55-58.

40. Краткий справочник физико-химических величин / Н.М. Барон и др. . -M.-JI. : Химия, 1965 г. 137 с.

41. Крутасова, Е.И. Надежность металла энергетического оборудования / Е.И. Крутасова. М. : Энергоиздат, 1981. - 237 с.

42. Кубашевский, О. Окисление металлов и сплавов / О. Кубашевский, Б. Гопкинс. М. : Металлургия, 1965. - 426 с.

43. Кузьбожев, A.C. Применение электронной микроскопии в исследованиях деформационного старения материала трубопроводов / A.C. Кузьбожев, Р.В. Агиней, О.В. Смирнов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. - Т. 73.-№10. - С. 37-41.

44. Кузьбожев, A.C. Исследование вариации твердости трубной стали 17Г1С в ходе статического нагружения // A.C. Кузьбожев, Р.В. Агиней, О.В. Смирнов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2007. — Т. 73. — №12.-С. 49-53.

45. Куманин, В.И. Долговечность металла в условиях ползучести / В.И. Куманин, JI.A. Ковалева, С.И. Алексеев. М. : Металлургия, 1988. - 222 с.

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

47. Куманин, В.И. Пути повышения долговечности металла длительно работающего теплоэнергетического оборудования / В.И. Куманин // Теплоэнергетика. 1984. - №10. - С. 6-10.

48. Ланская, К.А. Жаропрочные стали / К.А. Ланская. — М. : Металлургия, 1969.-247 с.

49. Лаборатория металлографии / под ред. Б.Т. Лившица. — М. : Металлургиздат. 1957, 431 с.

50. Лезин, В.И. Пароперегреватели котельных агрегатов / В.И. Лезин, Ю.М. Липов, М.А. Селезнев, В.М. Сыромятников. М.-Л. : Энергия, 1965. -288 с.

51. Лепин, Г.Ф. Ползучесть металлов и критерии жаропрочности / Г.Ф. Лепин. М. : Металлургия, 1976. - 344 с.

52. Малахов, А.И. Основы металловедения и теории коррозии / А.И. Малахов, А.П. Жуков. М. : Высшая школа, 1978. - 192 с.

53. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин и др.. М. : Машиностроение, 1989. - 640 с.

54. Марочник сталей и сплавов / под ред. А.С. Зубченко. М. : Машиностроение, 2001 - 672 с.

55. Масленков, С.Б. Жаропрочные стали и сплавы : справочник / С.Б. Масленков. М. : Металлургия, 1983. - 191 с.

56. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учеб. пособие / под ред. B.C. Чередниченко. — М. : изд. «Омега — Л», 2008. 752 с.

57. Матюнин, В.М. Металловедение в теплоэнергетике : учеб. пособие для вузов / В.М. Матюнин. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 328 с.

58. Меськин, B.C. Основы легирования стали / B.C. Меськин. М. : Металлургия, 1964 - 684 с.

59. Металловедение и термическая обработка стали : Справочное издание в 3-х тт. / под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. — 4-е изд. перераб. и доп.

60. Т. 1. Методы испытаний и исследования. М. : Металлургия, 1991. - 304 с.

61. Металловедение и термическая обработка стали: Справочное издание в 3-х тт. / под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. 4-е изд. перераб. и доп. Т. 2.-М. : Металлургия, 1991. - 368 с.

62. Металлография железа. Том 2. «Структура сталей» (с атласом микрофотографий) / пер. с англ. изд-во «Металлургия», 1972. 284 с.

63. Металлография железа. Том 1. «Основы металлографии» (с атласом микрофотографий). Пер. с англ. Изд-во «Металлургия», 1972, 240 с.

64. Металлы. Методы определения жаростойкости : ГОСТ 6130-71. — М. : Госстандарт СССР, 1971. 10 с.

65. Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации : ОСТ 34-70-690-96. — М. :ВТИ, 1997.-44 с.

66. Методические указания о порядке проведения работ при оценке остаточного ресурса пароперегревателей котлов электростанций : РД 34.17.452-98.-М. :ВТИ, 1998.-27 с.

67. Минц, И.И. Влияние температуры изотермического превращения на тонкую структуру стали 12Х1МФ / И.И. Минц, Т.Г. Березина, З.И. Ненашева, К.А. Ланская // Металловедение и термическая обработка металлов. 1976. — №1. - С. 4-7.

68. Минц, И.И. Исследование особенностей разрушения при ползучести теплостойких Сг-Мо-У сталей / И.И. Минц, Л.Е. Ходыкина, Н.Г. Шульгина, Н.В. Ашмарина // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. -№7.-С. 33-36.

69. Минц, И.И. Структура, повреждаемость и свойства гибов паропроводов после длительной эксплуатации / И.И. Минц, Т.Г. Березина, Л.Е. Ходыкина// Теплоэнергетика. 1981. -№10. - С. 49-51.

70. Минц, И.И. Повреждаемость и технологические дефекты в металле высокотемпературных трубопроводов / И.И. Минц, Л.Е. Ходыкина, И.Г. Логвиненко. Челябинск : УралВТИ : Цицеро, 2009. - 163 с.

71. Миркин, JI.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов : справочник / . М. : Машиностроение, 1979 - 134 с.

72. Мокров, А.Г. Диффузия в многофазных системах / А.Г. Мокров, A.M. Гусак // В. Сб. Диффузионные процессы в металлах. 1980 г. Тула : ТГИ, 1980. -С. 11-26.

73. Неверов, A.C. Коррозия и защита материалов / A.C. Неверов, Д.А. Родченко, М.И. Цырлин. Минск : высш. шк., 2007. - 222 с.

74. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов : учебник для ВУЗов. 4-е изд., перераб. и доп. / И.И. Новиков. М. : Металлургия, 1986 - 480 с.

75. Никитенко, А.Ф. Ползучесть и длительная прочность металлических материалов / А.Ф. Никитенко. Новосибирск : изд-во ин-та гидродинамики СО РАН и НГАСУ, 1997. - 278 с.

76. Никитин, В.И. Расчет жаростойкости металлов / В.И. Никитин. М. : Металлургия, 1976. - 208 с.

77. Окисление металлов / под. ред. Ж. Бенара ; перев. с франц. М. : Металлургия, 1969. -Т.1. - 444 с.

78. Окисление металлов / под. ред. Ж. Бенара ; перев. с франц. — М. : Металлургия, 1969. -Т.2. 444 с.

79. Опарина, И.Б. Структурный аспект накопления повреждений в условиях ползучести металлов / И.Б. Опарина, Л.Р. Ботвина // Металлы. 2004. - №6. - С. 95-99.

80. Отс, A.A. Коррозия и износ поверхностей нагрева котлов / A.A. Отс. -М. : Энергоатомиздат, 1987. -272 с.

81. Пивник, П.Б. Результаты опробования метода «магнитной памяти» металла на электростанциях Урадэнерго / П.Б. Пивник, Ю.М. Гофман // Электрические станции. 2002. -№11. - С. 24-26.

82. Пигрова, Г.Д. Кинетика карбидных реакций в Cr Mo - V сталях / Г.Д. Пигрова // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1996. -№8.-С. 2-4.

83. Пигрова, Г.Д. Влияние длительной эксплуатации' на карбидные фазы в Gr Mo - V сталях / Г.Д. Пигрова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - №3. - С. 6-9.

84. Пигрова, Г.Д: Карбидные превращения в Gr-Mo сталях в процессе длительного старения и эксплуатации / Г.Д. Пигрова, В.М. Седов, Ю.И. Арчаков // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. -№9. — С. 9-13.

85. Плавский, Ю.Н. Твердость стали как функция ее прочностного и структурного состояния / Ю.Н: Плавский, Ю.Г. Артемьев // Заводская лаборатория. 1989. - №5. - С. 88-91.

86. Приданцев, М:В. Жаропрочные стареющие сплавы / М.В. Приданцев. -М:: Металлургия, 1973. 184 с.

87. Приймак, Е.Ю. Влияние температуры среды на кинетику газовой коррозии стали 30ХГСА / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Коррозия: материалы, защита. 2008. - №5. - С. 12-14.

88. Приймак, Е.Ю. Кинетика газовой коррозии высоколегированной аустенитной стали 12Х18Н10Т / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов, Т.И. Грызунова // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2009. — №9. С. 21-24.

89. Приймак, Е.Ю. Кинетика формирования и роста фаз в оксидном слое стали 30X13 при высоких температурах / Е.Ю. Приймак, В.И. Грызунов // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2010. — №9. — С. 22-25.

90. Приймак, Е.Ю. Особенности поведения металла экранных трубпарогенераторов на стадии предразрушения : сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» / Е.Ю. Приймак,

91. B.И. Грызунов, Е.В.Пояркова. Уфа: УГНТУ, 2010. - №27. - С. 120-125.

92. Розенберг, В.М. Ползучесть металлов / В.М. Розенберг. — М. : Металлургия, 1967.

93. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография / С.А. Салтыков. -М. : Металлургия, 1976. 270 с.

94. Селиванов, В.И. Простой метод расчета распределений микродеформаций и размеров кристаллитов при анализе уширения профилей рентгеновских линий / В.И. Селиванов, Е.Ф. Смыслов // Заводская лаборатория. 1993.-№6.-С. 36-38.

95. Семенова, И.В. Коррозия и защита от коррозии / И.В. Семенова. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 376 с.

96. Смирнов, А.Н. Субструктура, границы зерен и микротрещины вдлительно работающем металле / А.Н. Смирнов, Э.В. Козлов, H.A. Конева, H.A. Попова // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. - №4. — С. 34-38.

97. Солнцев, Ю.П. Специальные материалы в машиностроении / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин, В.Ю. Пирайнен. Санкт-Петербург : ХИМИЗДАТ, 2004.- 640 с.

98. Степнов, М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний : справочник / М.Н. Степнов. М. : Машиностроение, 1985.-232 с.

99. Структура и коррозия металлов и сплавов : атлас / И.Я. Сокол и др..- М.: Металлургия, 1989. 400 с.

100. Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций : РД 10-577-03. М. : СПО ОБТ, 2003. - 93с.

101. Томашов, Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов / Н.Д. Томашов.- М. : Издательство академии наук СССР, 1959. 592 с.

102. Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов : ТУ 14-ЗР-55-2001.-2001.

103. Ульянин, Е.А. Коррозионно-стойкие стали и сплавы : справочник / Е.А. Ульянин. М.: Металлургия, 1980. - 319 с.

104. Физическая химия / К.С. Краснов и др.. М. : Высшая школа, 1995.- Т.2. 320 с.

105. Фрактография — средство диагностики разрушенных деталей / М.А. Балтер и др.. -М. : Машиностроение, 1978. 160 с.

106. Фрактография и атлас фрактограмм : справ, изд. пер. с англ. / под ред. Дж. Феллоуза. М. : Металлургия, 1982. — 489 с.

107. Хапонен, H.A. Микроповрежденность как критерий оценки состояния металла и остаточного ресурса паропроводов ТЭС / H.A. Хапонен, П.Н. Шевченко, Г.И. Рассохин // Безопасность труда в промышленности. -2004.-№5.-С. 42-44

108. Химушин, Ф.Ф. Нержавеющие стали : изд. 2-е перераб. и доп. / Ф.Ф. Химушин. М.: Металлургия, 1967 - 798 с.

109. Хромченко, Ф.А Ресурс сварных соединений паропроводов. / Ф.А. Хромченко М. : Машиностроение, 2002. - 325 с.

110. Шанявский, A.A. Синергетические аспекты фрактографического анализа эксплуатационных разрушений / A.A. Шанявский // Металлы. 1996. №6.-С. 83-92.

111. Школьникова, Б.Э. Перспективные стали для пароперегревателей котлов ТЭС / Б.Э. Школьникова, Г.А. Урусова, В.И. Санакина // Сб. докл. научно-техн. конф. Москва, 30 окт. -2 нояб. 2006 г. М. : ОАО «ВТИ», 2006. -264 с.

112. Шрон, Р.З. К вопросу о разупрочнении стали 12Х1МФ при длительном нагружении в условиях ползучести / Р.З. Шрон, И.И. Минц // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. - №4. - С. 39-42.

113. Штольц, А.К. Рентгеновский анализ микронапряжений и размера областей когерентного рассеяния в поликристаллических материалах / А.К. Штольц, А.И. Медведев, JI.B. Курбатов : учебное электронное текстовое издание. Екатеринбург : УПИ, 2005. - 23 с.

114. Щербединский, Г.В. Кинетика роста фаз в трехкомпонентных системах / Г.В. Щербединский, JI.A. Кондраченко // Физика металлов и металловедение. 1972. - Т.ЗЗ. - вып. 3 - С. 487-494.

115. Эванс, Ю.Р. Коррозия и окисление металлов / Ю.Р. Эванс. М. : МАШГИЗ, 1962.-855 с.

116. Kirkaldy, J.S., Diffusion in ternary substituonal systems / J.S. Kirkaldy Zia U.L. Hag, L.S. Brown // Trans ASM. 1963. - №56, P. 834-863.