автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии финишной обработки теплообменных труб из нержавеющей стали

На правах рукописи

ШИМОВ Георгий Викторович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

Специальность 05. 16. 05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК т

005542180

Екатеринбург - 2013

005542180

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, ст. науч. сотр., [Буркин Сергей Павлович Научный консультант:

Кандидат технических наук, Серебряков Андрей Васильевич

Официальные оппоненты:

Раскатов Евгений Юрьевич, доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», г. Екатеринбург, профессор кафедры металлургических и роторных машин

Смирнов Александр Сергеевич, кандидат технических наук, ФГБУН Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ст. науч. сотр. лаборатории механики деформаций Ведущая организация:

ОАО «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности»

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.285.04 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 28, в ауд. Мт-329.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

МйЛ^п

Мальцева Людмила Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одним из основных требований Федеральной целевой программы развития атомного энергопромышленного комплекса России является обеспечение гарантированной безопасности АЭС и повышения срока службы энергоблоков с 30 до 60 лет и более. Достижение поставленных целей требует решения важных технических задач, связанных с повышением надежности и увеличением ресурса работы оборудования АЭС.

В рамках Программы развития «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и перспективу до 2015 года» Россия планирует увеличить долю атомной энергетики в народнохозяйственном комплексе государства почти в 2,5 раза за счет ввода до 2030 года почти 40 новых блоков. До 2020 года в Российской Федерации построят четыре новые атомные электростанции.

Повышение требований к проектным срокам службы энергоблоков определяет возросшие требования к надежности и качеству оборудования АЭС, важнейшим элементом которого является парогенератор (ПГ). Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора АЭС, является состояние теплообменных труб (ТОТ). Выход теплообменных труб из строя в процессе эксплуатации приводит к длительной остановке всего агрегата и к значительным экономическим убыткам.

В процессе эксплуатации парогенератора имеет место зарождение и последующий рост коррозионных дефектов ТОТ, основными видами которых являются коррозионное растрескивание (КР), питтинговая и межкристаллитная коррозия (МКК). Развитие коррозионных трещин ТОТ происходит при совместном действии коррозионной среды, а также рабочих и технологических остаточных напряжений в металле. Поэтому снижение технологических растягивающих остаточных напряжений в теплообменных трубах является актуальной проблемой.

Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:

- программа УрФУ «Целевая аспирантура Уральского федерального университета» (по договору № 27 от 01.10.2012 г.);

- НИР № 2368/011 от 20 января 2011 г. «Выполнение комплекса работ по созданию научно-технических предпосылок и технической базы для разработки технологии изготовления теплообменных труб парогенераторов проекта АЭС-2006 из стали 08Х18Н10Т с повышенным уровнем коррозионной стойкости и нормированием уровня остаточных напряжений»;

- НИР № Н97742Б012/12 от 22 ноября 2011 г. «Развитие физики и механики обработки металлов давлением с целью разработки инновационных процессов и технологий производства металлургической продукции транспортного назначения, для нефтедобычи и энергомашиностроения» по этапу 2 «Исследование уровня остаточных напряжений и коррозионной стойкости труб и проволоки из аусте-нитных нержавеющих сталей»;

- программа поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договорам № 1.2.1.5./45 от 01.07.2012 г. и№ 1.2.1.5./70 от 27.05.2013 г).

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является создание технологии финишной обработки теплообменных труб, обеспечивающей снижение в них растягивающих или формирование сжимающих остаточных напряжений. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать литературные данные о дефектах, возникающих при эксплуатации теплообменных труб парогенераторов, и определить направление совершенствования технологии их производства;

2. Предложить способ финишной правки труб с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них растягивающих или формирования сжимающих остаточных напряжений;

3. Разработать конструкцию установки для правки труб растяжением с одновременным нагревом;

4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному использованию предложенного способа;

5. Разработать методику, позволяющую простыми аппаратными средствами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.

Научная новизна полученных результатов

В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

- алгоритм расчета распределения остаточных напряжений по стенке трубы на основе «энергетического подхода»;

- способ финишной правки труб с одновременным нагревом;

- результаты исследования закономерностей формирования остаточных напряжений при электроконтактном нагреве труб с одновременным растяжением;

- результаты сравнительного анализа кривизны труб а также остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой и предложенной технологиям.

Теоретическая значимость работы заключается в результатах экспериментальных исследований остаточных напряжений в трубах, которые расширяют знания о влиянии параметров нагрева и растяжения на остаточные напряжения в стенке труб. Предложена и опробована экспериментально-аналитическая методика расчета распределения остаточных напряжений в стенке трубы.

Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:

- рекомендации по применению способа правки труб растяжением с одновременным нагревом.

- апробация способа правки труб растяжением с одновременным нагревом;

- сравнительный анализ качества труб, изготовленных применяемым и предлагаемым способами;

- конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом;

- техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.

- экспериментально-аналитическая методика определения остаточных напряжений в трубах;

- конструкция установки для определения остаточных напряжений в трубах методом электролитического травления;

- результаты измерений по новой методике остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой технологии.

Достоверность полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, теорий пластичности и упругости. Достоверность полученных результатов подтверждается схожестью расчетных данных с результатами проведенных промышленных и лабораторных экспериментов, а также их соответствием данным опубликованным в работах других авторов. Научные положения и практические выводы работы подтверждены в процессе апробации нового способа получения труб с низким уровнем остаточных напряжений.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- XVIII международная промышленная выставка «Металл-ЭКСГ10-2012» (Москва, 2012);

- XIV международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (Польша, Ченстохова, 2013);

- VI международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2013);

- VII международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», посвященная памяти чл.-корр. РАН, почетного доктора УрФУ B.JI. Колмогорова (Екатеринбург, 2013);

- XII международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011);

- Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2011);

- I Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии». (Екатеринбург, 2012).

Публикации

Результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных трудах и тезисах докладов, 2 из них- в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из 4 глав, 3 приложений и списка литературных источников в составе 110 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы научная и практическая значимость результатов работы, указана структура диссертации, дано краткое изложение работы по главам.

В первой главе представлен обзор литературных данных о дефектах, возникающих при эксплуатации теплообменных труб парогенераторов, рассмотрены причины появления и развития дефектов теплообменных труб. Одним из основных дефектов является коррозионное растрескивание под напряжением, которое

развивается под действием растягивающих напряжений в трубах. Это приводит к раскрытию коррозионных трещин, что влечет за собой разгерметизацию контура и выход теплоносителя. Показано, что коррозионные повреждения теплообмен-ных труб представляют собой зарождение и рост трещин под действием растягивающих рабочих и остаточных напряжений.

Также в первой главе проведен обзор существующих технологий производства теплообменных труб из нержавеющих сталей в России и зарубежом. В настоящее время технология производства теплообменных труб парогенераторов включает в себя холодную прокатку, термическую обработку в газовых или электрических печах и последующую правку труб на правильном стане. Необходимость правки вызвана большой кривизной труб после термической обработки. При правке появляются растягивающие остаточные напряжения, а также выделяется мартенсит деформации, что в итоге снижает стойкость теплообменных труб к коррозионному растрескиванию. Поэтому снижение растягивающих остаточных напряжений в трубах является актуальной задачей.

В первой главе представлен также обзор известных методов определения и снижения остаточных напряжений в металлопродукции. Рассмотрены основные причины появления и механизмы формирования остаточных напряжений. На основе литературного обзора выполнен анализ современного состояния и актуальности вопроса определения технологических остаточных напряжений в трубах. Впервые на проявление остаточных напряжений в деформированном металле обратил внимание И.А. Биргер в 1836 году. В России первым занялся исследованием остаточных напряжений в чугуне и стали Н.В. Калакуцкий, который еще в позапрошлом веке отметил, что остаточные напряжения внешне проявляют себя через изменение геометрических размеров частей изделия при его разделении на части. Первую классификацию остаточных напряжений предложили Е. Орован и К.В. Мак-Грегор. Исследованию остаточных напряжений посвящены работы H.H. Давиденкова, Б.М. Ровинского, A.A. Ильюшина, B.JI. Колмогорова, И.А. Соколова, В.И. Уральского, A.A. Поздеева, Ю.И. Няшина, П.В. Трусова, Г.Л. Колмогорова, A.A. Богатова и других ученых. При изучении остаточных напряжений

главной проблемой можно считать выбор наиболее точных методов их определения. Известно множество экспериментальных и теоретических методов определения остаточных напряжений, но все они имеют ряд недостатков.

В последнем разделе первой главы сформулированы цели и основные задачи исследования.

Во второй главе приведено обоснование выбора способа нагрева теплооб-менных труб с целью снижения в них уровня остаточных напряжений.

Предложен способ электроконтактного нагрева и последующего охлаждения труб с одновременным их растяжением. Преимуществом данного способа является то, что труба одновременно подвергается нагреву и правке растяжением . Это позволяет исключить операцию валковой правки.

Представлены результаты апробации предложенного способа в производственных условиях. Описана конструкция и принцип работы опытной установки (рисунок 1). Конструкция установки обеспечивает возможность регулирования усилия натяжения трубы в процессе нагрева и охлаждения в зависимости от температуры.

На опытной установке в условиях ОАО «ПНТЗ» проведен эксперимент по обработке теплообменных труб размером 16x1,5 мм из стали 08Х18Н10Т (ТУ 14-ЗР-197-2001) предлагаемым способом. Трубы закреплялись в зажимных устройствах (подвижном и неподвижном) и нагревались в натянутом состоянии до нужной температуры. Исследование режимов обработки труб на опытной установке, для получения необходимого уровня механических свойств, величины зерна и стойкости труб к МКК, проводилась при различной величине силы тока, при этом определялось время, при котором труба нагревалась до максимальной температуры и время выдержки. Охлаждение труб проводилось на воздухе. Трубы в процессе нагрева и охлаждения поддерживались в натянутом состоянии с помощью подвижного зажимного устройства. В период нагрева, подвижный контакт отодвигался с помощью специального приспособления, а в период охлаждения, постепенно возвращался с исходное положение. В начале и конце нагрева задавалась величина осевого усилия. Непрямолинейность на один метр длины обрабо-

тайных труб составляла 0,7...2,6 мм. Для сравнения, непрямолинейность труб, после печного нагрева, на отдельных участках достигает 10. ..15 мм.

Рисунок 1 — Чертеж общего вида (вид сверху) опытной установки электроконтактного нагрева труб: 1 - передняя поперечина; 2 - задняя поперечина; 3 - подвижная поперечина; 4 - опора; 5 - станина; 6 - шина токоподвода; 7- пневматическое устройство натяжения; 8 - канат; 9 - штуцер системы охлаждения; 10 - нагреваемая труба

Механические свойства, стойкость против МКК и микроструктура обработанных труб проверялись на соответствие требованиям ТУ 14-ЗР-197-2001. Результаты исследования микроструктуры труб после обработки по различным режимам представлены на рисунках 2-9. В результате были выявлены режимы нагрева и охлаждения, обеспечивающие наилучшее качество труб: сила тока 550-І-600 А, напряжение 75^-77 В, общее время обработки 3 минуты.

Рисунок 2 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 420А, напряжение 58В, величина зерна - участки 10, 9

и деформированные нерекристаллизованные зерна; механические свойства при 20°С: ств= 679 МПа, а02= 434 МПа,

8 = 37,2%; предел текучести при 350°С: а02=368 МПа

Рисунок 4 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 500А, напряжение 70В, величина зерна 10, 8, (7) и меньше; механические свойства при 20°С: ав- 603 МПа, а02= 282 МПа,

S = 51,8%; предел текучести при 350°С: о02= 204 МПа

Рисунок 3 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 430А, напряжение 60В, величина зерна - участки 10, 9

и деформированные нерекристаллизованные зерна; механические свойства при 20°С: ств= 703 МПа, а02= 472 МПа,

5 = 32,4%; предел текучести при 350°С: а„,= 296 МПа

Рисунок 5 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 550А, напряжение 75В,

величина зерна 8 и 10; механические свойства при 20°С: ав= 597 МПа, с02= 274,4 МПа,

5 = 53%; предел текучести при 350°С: а02= 191 МПа

Рисунок 6 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 600А, напряжение 77В,

величина зерна 9 и 10; механические свойства при 20°С: ав= 604 МПа, а02= 243 МПа,

8 = 53,9%; предел текучести при 350°С: а02= 194 МПа

Рисунок 7 - Микроструктура металла труб после печного нагрева: величина зерна 9 и 10; механические свойства при 20°С: ств= 637 МПа, а02= 358 МПа,

5 =51,5%; предел текучести при 350°С: <т02= 304 МПа

Рисунок 9 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 800А, напряжение 105 В,

величина зерна 5,6, (4); механические свойства при 20°С: ов = 553 МПа, а02= 206 МПа,

5 = 64%; предел текучести при 350°С: а02= 144 МПа

Рисунок 8 - Микроструктура металла труб после обработки: сила тока 760А, напряжение 105В,

величина зерна 5, 6, (7); механические свойства при 20°С: ов= 580 МПа, а02- 220 МПа, 8 = 60%; предел текучести при 350°С: ст02= 181 МПа

Дополнительно в рамках данной работы проведены испытания труб на остаточные напряжения в соответствии с РИ 25-56-2006 «Порядок определения остаточных напряжений» и кривизну. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Уровень тангенциальных остаточных напряжений и кривизна труб 16х 1,5 мм из стали 08X18Н ЮТ, обработанных по предлагаемой и применяемой технологиям

Электооконта ктный нагоев Печной нагаев

№ обр. афф, МПа Кривизна, мм/п.м. № обр. МПа Кривизна, мм/п.м.

2 6,28 1,1 1 86,4 10,4

3 29,7 1,4 2 144,6 17,7

4 3,13 1,0 3 61,6 13,2

5 0,00 0,7 4 93,1 13,2

6 33,3 2,8 5 108,5 14,3

7 0,00 0,9 6 108,1 12,9

8 0,00 1,2 7 92,5 19,0

Среднее 1,35 1,3 Среднее 99,3 14,4

Таким образом, способ правки труб растяжением с одновременным нагревом обеспечивает получение механических свойств, величины зерна металла труб, микроструктуру и стойкость против МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-ЗР-197-2001.

Кривизна и уровень растягивающих остаточных напряжений в трубах, обработанных предложенным способом, на порядок величины меньше, чем в трубах, после печного нагрева.

Преимуществами электроконтактного нагрева являются высокая скорость и равномерность нагрева, возможность регулирования скорости нагрева, а также низкое энергопотребление и высокая производительность при малых габаритах.

Для исследования влияния параметров обработки труб сконструирована и изготовлена лабораторная установка правки труб растяжением с одновременным нагревом. Конструкция установки показана на рисунке 10. Исследования проведены на образцах труб размером 20x1,5 мм из стали 08Х18Н10Т после прокатки на стане ХПТР. Исследовалось охлаждение наружной поверхности труб на воздухе и в воде, охлаждение внутренней поверхности водой. В обработанных образцах труб контролировались: остаточные напряжения, величина зерна, твердость и стойкость против ММК. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Рисунок 10 — Конструктивная схема лабораторной установки: 1,2 - поперечины; 3 - стяжные шпильки; 4 - гайка; 5 - неподвижный захват; 6 - подвижный захват; 7 - образец трубы; 8 - пружина; 9 - гайка; 10 - шайба; II- контакт; 12 - стяжной болт; 13 - перфорированная трубка

Таблица 2

Результаты лабораторных экспериментов по отработке режимов правки труб

20x1,5 мм из стали 08Х18Н10Т растяжением с одновременным нагревом

№ ґ, °С т, с Охлаждение <?0. МПа ЧІ, МПа Л, А Зерно, балл Стойкость против МКК НЯР Ффф ) МПа

1 950 60 вх - - 0 9,8 мкк до 0,035 мм 74,0 -16.2

2 1100 37 вх - - 0 10 стоек 75,0 -13.5

3 1000 30 вх - - 0 10,9 мкк до 0,025 мм 72,0 -17.9

4 1050 35 вх 34,3 25,0 0 10,9 стоек 75,0 -82.5

5 950 30 вх 34,3 28,0 0 9,8 стоек 74,0 -54.2

6 1000 30 вх 34,3 25,5 0 10,9 стоек 75,0 -63.4

7 1050 34 вх 34,3 24,5 0 10 стоек 72,0 -96.2

8 1000 28 нр - - 0 9,8 мкк до 0,035 мм 73,5 -12.0

9 1000 35 нр 34,3 25,5 0 9(8) стоек 71,5 0.0

10 1000 56 вн - - 0 9,10,8 стоек 70,5 26.2

11 ^ 1000 40 вн 25,8 18,4 0 8,7,6 мкк до 0,06 мм 76,0 98.0

12 1000 35 вн - - 45 10 стоек 76,5 82.2

13 1000 30 вн - - 45 10 мкк до 0,035 мм 72,5 56.4

14 1030 40 нр 16,6 9,8 40 10,9 стоек 73,5 -103.1

15 1000 35 нр 16,6 9,8 40 9,10,8 стоек 70,0 -110.4

16 1050 45 вн 16,6 9,0 40 7,6 мкк до 0,06 мм 70,0 23.9

17 1000 30 вн 16,6 9,8 40 10,9 стоек 75,0 106.4

18 1050 35 вн 16,6 9,0 40 10,9 мкк до 0,035 мм 74,5 27.4

Примечание: напряжение натяжения до нагрева; q\ - напряжение натяжения в конце нагрева; вн - внутреннее охлаждение водой; нр - наружное охлаждение водой; вх - охлаждение на воздухе; 1\ - сила тока во время охлаждения.

Как видно из таблицы 2, наружное охлаждение на воздухе и в воде обеспечивает формирование сжимающих остаточных напряжений в трубах, удовлетворительную стойкость против МКК, а также балл зерна не ниже 8.

Лабораторные исследования режимов нагрева и растяжения труб показали, что нагрев труб с одновременным натяжением и последующее наружное охлаждение на воздухе или в воде обеспечивает формирование сжимающих тангенциальных остаточных напряжений в трубах. При этом абсолютная величина сжимающих тангенциальных остаточных напряжений при охлаждении труб в воде больше, чем при охлаждении на воздухе.

Режим, позволяющий получить сжимающие тангенциальные остаточные напряжения в стенке труб, обеспечивающий балл зерна не ниже 8 и стойкость против МКК, и который можно рекомендовать для промышленного использования, следующий:

- плотность тока - 12... 1 8 А/мм2;

- температура нагрева - 1000-1050 °С;

- время нагрева - 30.. .40 секунд;

- натяжение - 5-ст.,к, где 5 - коэффициент, определяющий требуемый режим растяжения трубы, сг,к - сопротивление деформации при максимальной температуре нагрева ?к;

- охлаждение наружное на воздухе либо в воде.

Наиболее значимым параметром режима является тип охлаждения. Наружное охлаждение на воздухе и в воде обеспечивает сжимающие напряжения в поверхностных слоях стенки трубы. Это обусловлено тем, что при охлаждении поверхностные слои начинают сжиматься, а сила натяжения препятствует этому. В результате после полного охлаждения на поверхности трубы генерируются сжимающие остаточные напряжения. Внутреннее охлаждение водой, напротив, обеспечивает формирование растягивающих остаточных напряжений на наружной по-

верхности трубы и сжимающих на внутренней. Наличие или отсутствие тока в стенке трубы во время процесса охлаждения практически не повлияло на качество труб, поэтому можно сделать вывод, что при охлаждении труб следует размыкать электрическую цепь установки.

Результаты апробации использованы при разработке конструкции промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.

Третья глава целиком посвящена постановке задачи проектирования и описанию предлагаемой конструкции промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.

Неконтролируемое при охлаждении натяжение порождает случайное распределение по сечению остаточных напряжений трудно прогнозируемого уровня. Необходимо разработать такую установку правки труб растяжением с одновременным нагревом, позволяющей осуществлять обработку труб при строго заданной программе изменения коэффициента натяжения. На рисунке 11 показаны продольные вертикальный и горизонтальный разрезы В-В и А-А установки правки труб растяжением с одновременным нагревом. В третьей главе также описан принцип работы установки.

На установке предложенной конструкции можно проводить правку труб растяжением с одновременным нагревом, при этом натяжение в процессе нагрева и охлаждения можно регулировать в зависимости от текущей температуры труб. Это позволяет получать прямолинейные трубы с низким уровнем растягивающих или сжимающими остаточными напряжениями, а также упростить технологический процесс изготовления труб за счет исключения операции их дополнительной правки на валковых станах, снижающей коррозионную стойкость труб.

Обработка труб на установке предложенной конструкции позволяет получить сжимающие остаточные напряжения в стенке труб, что в итоге повышает их стойкость против коррозионного растрескивания.

B-B

а

Рисунок 11 - Конструктивная схема установки: а - продольный вертикальный разрез В-В установки; б - продольный горизонтальный разрез А-А установки в исходном состоянии: 1 - станина; 2 - неподвижные контакты, 3 - прижимы; 4 - труба; 5 - суппорт; 6 - подвижный контакт; 7 - изоляционная прокладка; 8 - платформа; 9 - поршневой гидроцилиндр; 10 - плунжерный пневмоцилиндр; 11 - плунжер; 12 - шток гидроцилиндра, 13 - шток пневмоцилиндра; 14 - фланцевая втулка; 15 - упоры, 16 - клеммы вторичной обмотки ПР - пневмораспределитель; ПР - гидрораспределитель; Э1, Э2, ЭЗ и Э4 - электромагниты

Четвертая глава посвящена вопросам, связанным с методами определения остаточных напряжений в трубах. Одним из основополагающих вопросов в области остаточных напряжений является вопрос, связанный с методами точного и достоверного их измерения. В первой главе диссертационной работы были рассмотрены методы измерения остаточных напряжений в металлопродукции. Ряд методик по расчету полей остаточных напряжений основанных на методе «расчленения» нашел широкое применение, однако все методики имеют свои преимущества и недостатки. Показаны недостатки метода разрезных колец.

Известен метод расчета распределения остаточных напряжений по стенке трубы: из решения осесимметричной задачи теории упругости для остаточных напряжений в трубах получены формулы расчета радиальных ап, тангенциальных Стфф и осевых а., остаточных напряжений:

а^ = -а0(«1-гХг-Й2); (1)

оя =в0[(г- к,Хг- К2)+ г(2г-/?, - я2)]; (2)

=а0и[2(г-Я1Хг-Я2)+г(2г-/г1-Д2)], (3)

где и Кг - соответственно наружный и внутренний радиусы сечения трубы; г -радиальная координата; ге [Ли /?г]; Ц - коэффициент Пуассона материала трубы.

Параметр а0 зависит от технологических условий изготовления трубных изделий и может быть определен из формулы (2) для экспериментально найденного тангенциального остаточного напряжения а'^ на внешней поверхности трубы, то есть при г = /?1.

а0= (4)

где к =д2/л,- параметр, характеризующий относительную толщину стенки трубы.

После подстановки значения а0 в формулы о„ можно рассчитать компоненты тензора напряжений в каждой точке стенки трубы:

_ о;(я,7гХг-*2)

ст.

о;ф[(г-к, )(г-/;2)+г(2г -л,-л2)]

(6)

с.

= ; - Л, )(г - Я,) + Г(2Г - Я, - Я2)]

(7)

В существующей методике основной проблемой следует считать определение поверхностного тангенциального остаточного напряжения а'^ методом разрезных колец. По результатам замера деформации продольно разрезанного кольца, вырезанного из трубы, нельзя с высокой точностью судить о величине напряжения в поверхностных слоях, поскольку деформация кольца является результатом уравновешивания всей эпюры тангенциальных остаточных напряжений.

В настоящей работе проведено преобразование описанного метода с целью повышения точности расчетов. Учитывая отмеченную неопределенность при экспериментальном нахождении с ^ методом разрезных колец, система уравнений а и была преобразована для обеспечения возможности использования в качестве исходной экспериментальной информации значения продольного остаточного напряжения ст гг на наружной поверхности трубы или продольного остаточного напряжения <5*гг на внутренней поверхности. Для определения осевого напряжения а гг ист 22 может быть применен метод стравливания, хорошо зарекомендовавший себя при замере остаточных напряжений в сечении прутков и проволоки:

где - наружный радиус трубы после стравливания наружного слоя толщиной

где Я'2 - внутренний радиус трубы после стравливания внутреннего слоя толщиной /?'2- /?2-

Тогда компоненты тензора напряжений будут определяться из следующих уравнений:

для случая стравливания наружного слоя, /?',< /?,:

Л,-Я',;

(9)

а;,(я,-г)(г-К2).

О-«)

-мя.'О-к) '

о„ =

о; [2(г - К, )(г -1?г)+г(2г-11,-11,)]

для случая стравливания внутреннего слоя, /?% > /?2-'

(12)

о (13)

р" [(г - /?, )(г - /?2)+ г(2г - - /?2)|. ,

_ а™ [2(г - Л, Хг - )_+ г(2г- Л, -/?,)]_ (]5)

Когда напряжения в наружных и внутренних слоях стенки трубы противоположны по знаку, распределения аг.(г) и а^г), рассчитанные по формулам а;,(г), близки к линейным. В тех же случаях, когда на обеих поверхностях возникают однозначные продольные напряжения распределения напряжений ои(г) по толщине стенки трубы могут быть получены только в рамках принятых гипотез при удовлетворении условиям равновесия. В настоящей работе использована гипотеза параболического распределения остаточных напряжений по толщине стенки трубы, которая иллюстрируется схемой на рисунке 12.

Поскольку радиальные остаточные напряжения в стенке теплообменных труб не велики и не вносят значительный вклад в процесс коррозионного растрескивания, ниже будут рассмотрены главным образом осевые и тангенциальные остаточные напряжения, действующие в стенке труб.

Напряжения а'гг и а*\2 определяются описанным выше способом, а ст фф и а**ФЧ) находятся из уравнений афф(а\г) и афф(а*\2) при г - /?, и г = /?2 соответственно, то есть

О^ф = а*и/|1 И ст"фф = СТ**«/Ц. (16)

Распределения напряжений по толщине стенки трубы представлены уравнениями

ст2г - — Ь:г — с,,

^фф ^ф^ ^ф'" ^ф)

коэффициенты аппроксимации которых находятся из системы уравнений

ст*; = + +

Стц = + ¿»¿/?2 + С; , где I = г или ср.

= а;Г02; + ¿¡Г0; + С;

а

(17)

(18)

(19)

Рисунок 12 — Расчетная схема распределения остаточных напряжений по толщине стенки трубы при однозначных поверхностных напряжениях

Координаты г0ь ст0і определяют положение вершины параболы и определяются при расчете эпюр аг:(г) и афф(г) из условий равновесия остаточных напряжений в объёме трубы. Коэффициенты аппроксимации с точностью до неизвестных координат вершины параболы находятся из выражений:

а, = кп- Ь,ка-, Ь, = {кп- к,2)/{кв - к,А)\ с, = о■ * - а,/?2, - ¿>Д; (20)

где

"о 7 Лг-Д, , Гги-Д,

кц =

кі2 —

„2 _р2 '

_ Д2-Ді .

- п2_п2 <

К[4 —

(21

На значения координаты гоі накладывается условие с1а111с1г=0, из которого следует:

а0<= ~ £>,/2а,-. (22)

Уравнение равновесия напряжений а„ в поперечном сечении трубы, составленное в соответствии с обозначениями на рисунке 12, имеет вид:

С2 ^ (Г)гйг + а22 (г)гс(г + £ а22(г)г<1г = 0, (23)

После интегрирования уравнение равновесия, представленное в форме

^ (К? - /?24) + ^ (Я? - /?23) + | (Я? - Я22) = 0, (24)

позволяет найти о0г последовательными приближениями по г0г . При этом в качестве первого приближения принято значение

Ъ = —(25) 1+-?2

Кроме того в четвертой главе описана апробация предложенной методики в лабораторных условиях на опытной установке (рисунок 13), и приведены результаты измерений остаточных напряжений в трубах 16x1,5 из стали 08Х18Н10Т в состоянии поставки.

Главной особенностью установки, отличающей ее от аналогов, является возможность вращения трубы во время травления, что обеспечивает равномерное стравливание поверхностного слоя металла и, следовательно, большую точность при расчете остаточных напряжений.

Измеренный трубный образец 5 с предварительно заглушёнными торцами и закрепленным подшипником 3 закреплялся в захватах 4, которые установлены на гибких валах 6. После этого на подшипник и стальную ленту подключались контакты, и вся подвижная конструкция опускалась в ванну /, заполненную электролитом. Затем включался привод вращения, после чего замыкалась электрическая цепь, и начинался процесс травления. После снятия слоя нужной толщины измерялись диаметр образца и его длина.

В случае стравливания слоя металла с внутренней стенки трубы измеренный образец 5 предварительно обматывался изоляцией для того чтобы не трави-

лась наружная поверхность стенки трубы. Далее на образце закреплялся подшипник 3 и изолировались торцы, после чего ход эксперимента продолжался, как и для случая травления наружной поверхности стеки трубы. Дальнейший расчет распределения остаточных напряжений велся по методике, описанной выше. Распределения остаточных напряжений, полученные по указанной методике для теп-лообменных труб в состоянии поставке, показаны на рисунке 14.

Рисунок 13 —Лабораторная установка для определения продольных остаточных напряжений в трубах: 1 - ванна, 2 - опоры, 3 - подшипник, 4 - подвижные захваты, 5 - образец, 6 - привод вращения

Предложенная методика позволяет простыми аппаратными средствами и несложной расчетной процедурой определять распределение остаточных напряжений в стенке трубы с высокой точностью. Снятие достаточно тонких поверхностных слоев металла и замер приращения длины образцов не представляет больших технических трудностей, а сохранение осевой симметрии обрабатываемых образцов предотвращает дополнительные ошибки, связанные с нарушением геометрии образцов. Кроме того, предложенная методика дает возможность не ограничивать длину образцов, что избавляет от необходимости учитывать концевые эффекты искажения истинных эпюр напряжений и упрощает технику точного замера относительной продольной деформации трубы после снятия поверхностных слоев как снаружи, так и изнутри.

стгг, МПа 200

100 0

(

-100 -200

5 7 5 8

о,_, МПа 200

100 О

(

-100 -200

5 7 5 8

г, мм

г, мм

МПа

600 400

-400 -600

|.....

І5 Ґ1 7

5 8.

і

1

МПа

600 400 200 О

-200 -400 -600

,5 7І І7 5 8

г, мм

г, мм

Рисунок 14 - Распределение остаточных напряжений по стенке труб; а, б, в - после стравливания наружного слоя; г, д, е - после стравливания внутреннего слоя В заключении представлены основные выводы и результаты работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:

1. Одним из основных факторов, определяющих ресурс работы парогенератора АЭС, является коррозионное растрескивание теплообменных труб в процессе эксплуатации. Коррозионное растрескивание теплообменных труб развивается под действием растягивающих рабочих и технологических остаточных напряжений в трубах. Поэтому снижение растягивающих технологических остаточных напряжений в ТОТ является актуальной проблемой.

2. Применяемые как зарубежом, так и на отечественных заводах технологии производства теплообменных труб, несмотря на существенные отличия, предусматривают одинаковую финишную обработку труб: термообработку и последующую правку на валковых станах. В процессе правки знакопеременным изгибом выделяется мартенсит деформации, и образуются растягивающие остаточные напряжения, под действием которых развивается коррозионное растрескивание ТОТ в процессе эксплуатации.

3. Разработка технологии финишной обработки теплообменных труб, исключающей операцию валковой правки и, тем самым, образование растягивающих остаточных напряжений в трубах является актуальной проблемой.

4. Разработан и опробован в производственных условиях способ финишной правки труб растяжением с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них остаточных напряжений.

5. Способ обеспечивает получение механических свойств, величины зерна металла труб, микроструктуры и стойкости против МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-ЗР-197-2001. При этом кривизна и растягивающие остаточные напряжения в трубах на порядок меньше, чем в трубах после печного нагрева.

6. Разработана конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом. Установка позволяет проводить правку труб растяжением с одновременным нагревом, при этом натяжение в процессе нагрева и охлаждения можно регулировать в зависимости от текущей температуры.

7. Разработано техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.

8. Разработана и опробована экспериментально-аналитическая методика, позволяющая простыми аппаратными методами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Статьи, в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

1. Буркин С.П., Шимов Г.В. Экспресс анализ остаточных напряжений в трубах // Сталь. 2012. №5. С. 72-75.

2. Шимов Г.В., |Буркин С.П.|, Серебряков Ан. В., Серебряков Ал. В., Исхаков Р.Ф. Способ термической обработки и правки труб для парогенераторов АЭС // Черные металлы. 2013. №11. С. 31-37.

В сборниках трудов научных конференций:

3. Буркин С.П., Шимов Г.В., Серебряков Ал. В., Серебряков Ан. В. Электроконтактный нагрев труб с растяжением. Сборник трудов конференции «Неделя металлов в Москве», 13-16 ноября 2012 г., Москва: ВНИИМЕТМАШ, 2013, С. 552-562.

4. Шимов Г.В. Исследование поля остаточных напряжений в трубах из кор-розионностойких нержавеющих сталей. Материалы XIV международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering». Польша, Ченстохова, 2013. Т. 1. С. 437-440.

5. Буркин С.П., Шимов Г.В., Серебряков Ал. В., Серебряков Ан. В. Электроконтактный нагрев труб с растяжением. Сборник научных трудов VI международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»., Екатеринбург: УрФУ, 2013. С. 581-587.

6. Шимов Г.В., Репшис С.Э. Рациональная методика анализа уровня и распределения остаточных напряжений в стенке трубы. Сборник научных трудов ХП-ой международной научно-технической уральской школы-семинара металловедов-молодых ученых. 14-18 ноября 2011 г., Екатеринбург: УрФУ, С. 161-163.

Подписано в печать 21,11.20)3 Формат 60x84 1/16

Пум гіга писчая. Печать на ризографе. Усл.печ.л. 1,6 Тираж ПО экз. Заказ4942.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2 Тел.: (343) 362-91-16, 362-91-17

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

На правах рукописи

/

04201454047

ШИМОВ Георгий Викторович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

Специальность 05. 16. 05 - Обработка металлов давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

канд. техн. наук [Буркин С.П

Научный консультант канд. техн. наук Серебряков Ан. В.

Екатеринбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......8

1.1. Дефекты теплообменных труб парогенераторов и механизмы их возникновения..............................................................................................................8

1.2. Факторы, влияющие на коррозионную стойкость теплообменных труб.....12

1.3. Остаточные напряжения и механизмы их образования.................................15

1.3.1. Механизмы образования остаточных напряжений...............................16

1.3.2. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства металлоизделий...................................................................................................17

1.3.3. Технологические приемы, направленные на снижение уровня и перераспределение остаточных напряжений...................................................18

1.3.4. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений .. 19

1.3.5. Теоретические методы определения остаточных напряжений............26

1.4. Существующие технологии производства теплообменных труб из нержавеющих сталей.................................................................................................29

1.5. Применяемые способы нагрева нержавеющих труб, конструкции известных установок правки и термообработки.......................................................................31

1.5.1. Применяемые способы нагрева труб из нержавеющих сталей............31

1.5.2. Известные установки правки, совмещенной с электроконтактным нагревом...............................................................................................................38

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......41

2. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ СПОСОБА ПРАВКИ ТРУБ РАСТЯЖЕНИЕМ С ОДНОВРЕМЕННЫМ НАГРЕВОМ..................................43

2.1. Обоснование способа нагрева теплообменных труб......................................44

2.2. Апробация способа правки труб растяжением с одновременным нагревом в производственных условиях.....................................................................................48

2.2.1. Описание конструкции опытной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом................................................................................48

2.2.2. Описание конструкции пневматического устройства натяжения труб ...............................................................................................................................54

2.2.3. Порядок проведения опытов на установке.............................................56

2.2.4. Результаты анализа свойств металла труб после обработки................59

2.3. Экспериментальные исследования режимов обработки труб в лабораторных условиях......................................................................................................................68

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.............................................................................................77

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ПРАВКИ ТРУБ РАСТЯЖЕНИЕМ С ОДНОВРЕМЕННЫМ НАГРЕВОМ.... 79

3.1. Постановка задачи проектирования установки...............................................79

3.2. Конструкция и описание работы установки....................................................82

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.............................................................................................93

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕНКЕ ТРУБЫ.....................................................................95

4.1. Методика расчета распределения остаточных напряжений в стенке трубы 95

4.2. Разработка установки для определения остаточных напряжений в стенке трубы.........................................................................................................................108

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4...........................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ................................................................................117

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных требований Федеральной целевой программы развития атомного энергопромышленного комплекса России является обеспечение гарантированной безопасности АЭС и повышения срока службы энергоблоков с 30 до 60 лет и более. Достижение поставленных целей требует решения важных технических задач, связанных с повышением надежности и увеличением ресурса работы оборудования АЭС.

В рамках Программы развития «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и перспективу до 2015 года» Россия планирует увеличить долю атомной энергетики в народнохозяйственном комплексе государства почти в 2,5 раза за счет ввода до 2030 года почти 40 новых блоков. До 2020 года в Российской Федерации построят четыре новые атомные электростанции [1].

Повышение требований к проектным срокам службы энергоблоков до 60 лет определяет возросшие требования к надежности и качеству оборудования АЭС, важнейшим элементом которого является парогенератор (ПГ) [2]. Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора АЭС, является состояние теплообменных труб (ТОТ) [5]. Выход теплообменных труб из строя в процессе эксплуатации приводит к длительной остановке всего агрегата и к значительным экономическим убыткам.

В процессе эксплуатации парогенератора имеет место зарождение и последующий рост коррозионных дефектов ТОТ, основными видами которых являются коррозионное растрескивание (КР), питтинговая и межкристаллитная коррозия (МКК). Развитие коррозионных трещин ТОТ происходит при совместном действии коррозионной среды, а также рабочих и технологических остаточных напряжений в металле [4]. Поэтому снижение технологических растягивающих остаточных напряжений в теплообменных трубах является актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является создание технологии финишной обработки теплообменных труб, обеспечивающей снижение растягивающих или формирование сжимающих остаточных напряжений. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать литературные данные о дефектах, возникающих при эксплуатации теплообменных труб парогенераторов и определить направление совершенствования технологии их производства;

2. Предложить способ финишной правки труб с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них растягивающих или формирования сжимающих остаточных напряжений;

3. Разработать конструкцию установки для правки труб растяжением с одновременным нагревом;

4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному использованию предложенного способа;

5. Разработать методику, позволяющую простыми аппаратными методами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.

Научная новизна полученных результатов

В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

- алгоритм расчета распределения остаточных напряжений по стенке трубы на основе «энергетического подхода»;

- способ финишной правки труб с одновременным нагревом;

- результаты исследования закономерностей формирования остаточных напряжений при электроконтактном нагреве труб с одновременным растяжением;

- результаты сравнительного анализа кривизны труб а также остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой и предложенной технологиям.

Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:

- рекомендации по применению способа правки труб растяжением с одновременным нагревом.

- апробация способа правки труб растяжением с одновременным нагревом;

- сравнительный анализ качества труб, изготовленных применяемым и предлагаемым способами;

- конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом;

- техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.

- экспериментально-аналитическая методика определения остаточных напряжений в трубах;

- конструкция установки для определения остаточных напряжений в трубах методом электролитического травления;

- результаты измерений по новой методике остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой технологии.

Достоверность полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, теорий пластичности и упругости. Достоверность полученных результатов подтверждается схожестью расчетных данных с результатами проведенных промышленных и лабораторных экспериментов, а также их соответствием данным, опубликованным в работах других авторов. Научные положения и практические выводы работы подтверждены в процессе апробации нового способа получения труб с низким уровнем остаточных напряжений.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- XVIII международной промышленной выставке «Металл-ЭКСГЮ-2012» (Москва, 2012);

- XIV международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (Польша, Ченстохова, 2013);

- VII международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», посвященной памяти чл.-корр. РАН, почетного доктора УрФУ B.JI. Колмогорова (Екатеринбург, 2013);

- I международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012);

- VI международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2013);

- ХН-ой международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011).

Результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных трудах и тезисах докладов, 2 из них- в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Диссертация состоит из 4 глав, 3 приложений и списка литературных источников в составе 110 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 12 таблиц.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Дефекты теплообменных труб парогенераторов и механизмы их

возникновения

Теплообменная поверхность парогенератора представляет собой 11-образный трубный пучок с перегибами, состоящий из труб диаметром 16 мм и толщиной стенки 1,5 мм, изготовленных из нержавеющей стали 08Х18Н10Т. Общее количество теплообменных труб (ТОТ) только в одном блоке включающем четыре горизонтальных водяных парогенератора (ПГВ) ПГВ-1500, составляет 44 тыс. штук труб (444 — 664 тыс. метров) [3].

Теплообменные трубы в парогенераторе работают в жестких условиях: давление в первом контуре 16,2 МПа, во втором контуре около 7,00 МПа; температура теплоносителя на входе порядка 300 °С, на выходе 350 °С; паропроизводительность 1654 т/ч [6].

Многочисленные исследования отработавших срок теплообменных труб в горизонтальных парогенераторах [8-15] показывают, что на ТОТ имеются дефекты следующего типа: коррозионная язва (одиночное повреждение, глубина которого приблизительно равна ширине); коррозионное пятно (повреждение, имеющее малую глубину и большую площадь); коррозионный питтинг (скопление малых повреждений, наподобие язвы, но значительно меньшего размера); коррозионная трещина (повреждение, характеризуемое образованием глубокой, ветвистой трещины, широкой вблизи поверхности).

На рисунке 1.1 показан типичный вид наружной поверхности ТОТ после 5-6 лет эксплуатации парогенератора [15]. Вид дефектов на шлифах, выполненных в сечениях 7 и 2 (рисунок 1.1) показан на рисунке 1.2 [15].

При работе парогенератора на мощности в теплообменных трубах действуют как внутренние, так и внешние напряжения [16]. Внутренними напряжениями являются остаточные напряжения, возникающие при производстве

труб. Внешними являются рабочие, возникающие за счет перепада давления между первым и вторым контуром и термические, возникающие за счет температурного градиента в стенке трубы. Рабочие и термические напряжения суммируются с остаточными напряжениями. Растягивающие остаточные напряжения на наружной поверхности труб увеличивают суммарные действующие напряжения, что приводит к снижению их коррозионной стойкости. Сжимающие остаточные напряжения наоборот уменьшают суммарные действующие напряжения, что способствует увеличению коррозионной стойкости труб. Постоянные растягивающие напряжения (внешние и внутренние) увеличивают скорость общей коррозии металла примерно пропорционально их величине [16]. На рисунке 1.3 приведен пример распределения по стенке ТОТ напряжений, действующих в процессе эксплуатации. [17].

II 2 1 3 1 4 1

Рисунок 1.1 - Поверхность ТОТ с коррозионными дефектами: 1-4 - сечения изготовления металлографических шлифов

а

Рисунок 1.2 - Коррозионные дефекты: а - в сечении 1; б - в сечении 2

процессе эксплуатации Механизмы зарождения и развития повреждений и коррозионного растрескивания теплообменных труб парогенераторов достаточно обстоятельно изучены сотрудниками ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» (Санкт-Петербург) и ФГУП ОКБ «Гидропресс» (Подольск) [18-22].

На основании обобщения экспериментальных данных и опубликованных [23-25] результатов исследований коррозионной стойкости сталей аустенитного класса процесс коррозионного повреждения ТОТ ПГ можно разделить на нескольких последовательных обязательных стадий с характерными для каждой стадии механизмами деградации труб: При коррозионном растрескивании металла можно выделить три основных периода в разрушении металла [23, 24].

Инкубационный период - процесс постепенного образования на поверхности металла микротрещин под воздействием коррозионной среды и локализации растягивающих напряжений.

Развитие коррозионной трещины происходит при совместном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений в металле. При этом наличие растягивающих напряжений является необходимым условием коррозионного растрескивания. Рост трещины можно рассматривать как непрерывный

электрохимический процесс, в значительной степени ускоряемый наложенными напряжениями растяжения (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 — Схема коррозионной трещины: 1 - направления растягивающих напряжений; 2 - трещина, заполненная электролитом; 3 - оксидная пленка (катод коррозионной пары); 4 -острие трещины (анод коррозионной пары);

На боковой поверхности трещины образуется оксидная пленка продуктов коррозии. Острая часть трещины, развивающаяся под воздействием концентрирующихся на этом участке напряжений растяжения, постоянно обновляется, поэтому не защищена оксидными пленками. Возникает коррозионная пара, катодом которой служит вся боковая поверхность трещины, а анодом - острие трещины.

Конечное разрушение металла наступает, когда, из-за все большей локализации напряжений, трещина начинает ускорять свой рост во времени. Конечное разрушение металла происходит при преимущественном влиянии механического фактора, т.е. растягивающих напряжений [23-26].

Таким образом, коррозионное растрескивание ТОТ развивается под действием рабочих и технологических растягивающих остаточных напряжений в трубах. Поэтому снижение растягивающих остаточных напряжений в ТОТ является актуальной проблемой.

ЭЛЕКТРОЛИ'1

5 - максимально напряженная зона металла

1.2. Факторы, влияющие на коррозионную стойкость теплообменных труб

В предыдущем разделе показано, что коррозионное растрескивание ТОТ развивается в основном под действием рабочих и технологических остаточных напряжений в трубах. Ниже рассмотрены факторы, которые также влияют на коррозионную стойкость ТОТ.

Влияние качества поверхности труб

Основным механизмом образования отложений является кристаллизация продуктов коррозии из испаряемой котловой воды и осаждение мелкодисперсных частиц примесей под действием физических и физико-химических сил [7]. Наиболее интенсивно отложения образуются на более шероховатой поверхности. При достижении на поверхности ТОТ под отложениями критических концентраций хлорид-ионов происходит необратимый пробой пассивной пленки в наиболее активных местах поверхности ТОТ вследствие вытеснения из оксидной пленки кислорода хлорид-ионами, адсорбированными на поверхности металла [34]. В работах [35-40] подробно описано влияние качества поверхности ТОТ на их коррозионную стойкость и пути его повышения.

Влияние химического состава стали

В большой ст�