автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Трещиностойкость металла гибов водоопускных труб котлов высокого давления

> VI' 9 О

НАУЧНСГ-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

На правах рукописи

УДК 669.017:620.194.2

СТАНЮКОВИЧ Борис Алексеевич

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛА ГИБОВ ВОДООПУСКНЫХ ТРУБ КОТЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.02.01 —Материаловедение в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЕНИНГРАД 1990

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунов а (НПО ЦКТИ).

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор А. А. Чижик Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. М. Паршин; кандидат технических наук Л. Ф. Кратович.

Ведущее предприятие — Ленэнерго.

Защита состоится __ 1990 г в /О ,

на заседании специализированного совета НПО ЦКТИ К 145.01.01 по адресу 194021, Ленинград, Политехническая ул., д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

н . ^ -

Автореферат разослан „-"-- 7——- 1990 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просив направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, Ленин град, ул. Красных электриков, д. 3.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

А. А. Чижш

■у; --i

....,:: з

\ 0Н11АЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТУ

Актуальность работы. Проблема увеличения ресурса работа паровпх котлов высокого давления 10 - 14 Ша, снижение аварийности, объёма необходимого контроля и ремонтных работ в значительной степени определяются надёжностью в эксплуатации гибов необогреваемих труб из стали 20. Из нескольких миллионов гибов труб, находящихся в эксплуатации, приблизительно 40 гибоз ежегодно претерпевает аварийное разрушение, приводящее к большим разруиешшм, простоям оборудования, а в ряде случаев и к человеческим жертвам. В большом количестве гибов при периодических осмотрах обнаруживаются повреждения. -трещины, язвини.

Проблеме повышения надёжности работы гибов водоопускних труб посвящено большое количество исследований, виявивших влияние ряда факторов: уровня рабочих напряжении, цшшггносги нагрртеяиП, коррозионного воздействия, исходник свойств металла (Нахалов В.А., Алтшсайн П.А., Минц H.H., Шрон Р.Э., Аксельрод H.A., Bailm/an Л.Б.).

Особую актуальность приобрела проблема состояния металла гибов водоолускшх труб в процессе эксплуатации. Безусловно, проблема надёжности гибов по го~ет быть решена без детального изучения слу-кебннх свойств геталла труб.

Анализ работы многих исследователей (Одинг H.A., Волкова Т.Н., Гликр-ан Л.А., Чеши A.A., Голъдчтейн В.II., Никотин В.И., Миллер Л., Арчаков Ю.П., Трунин Я И. и др.) позволил выработать методики л критерии оценки работоспособности металлов в условиях службы при шюоких тегяерятурах и коррозионном воздействии среды. В то же вре-wi дашше о тюропрочностп материала труб из ст. 20 в условиях эксплуатация «nairae ограничени. В частности, пет сведений о возможности развитая трещчч поччуэеста яря 350°С (тегпература начальной отоптч ЛРПЧР.'.'ГГТЯ rns-syi'ict't w стиля 30), влияния на этот процесс

сптг"я'гтг »">т"! /лчп!';! vpy>.nnn->ckk)f орс^св, т5хп0л0гчи из-

готовлешш гиба.

Доль работы. Целью настоящей' работы катается оценка влшшт исходник свойств л свойств металла после технологического передела на долговечность гибов водоопускшх труб при наличии дефектов и опенка допустимого размера дефектов в работадирж трубах.

Для выявления причин повре;вдений гибов необогреваег.ых труб котлов и выработки кероприятии по их предотвращению представлялось перспективным: уточнить механизм разрушения гибов, оценить специфические свойства используемого материала (стали 20), выявить воз-?/о:?дости повыяения его работоспособности.

Для достижения указанной целя было необходиго:

а) получить дашше о характере разрушения гибов и влиянии на него свойств металла, для чего проводились обследования материала п характера разрушения аварийных повреждённых гибов;

б) выяснить возможность развития трещин по механизму ползучести в стали 20 при 350°С, для чего была разработана методика оценки третиностоГкости стати в заданных условиях при статической и циклической нагрузках на образцах, вырезанных непосредственно из гибов;

в) оценить уровень рабочих напряжений.

Для выяснения этого вопроса оценивалась релаксационная стойкость стали.

Научная новизна. На основании данных обследования аварийных и повро;;;цёшшх гибов водоопускных труб, результатов проведённых ис-пнтвлпй предложен механизм двухстадийного развития трещин в габах: I - зарождение и рост трещкш на ограниченяуп глубину повреждённого коррозией поверхностного слоя (обычно ~ 3 мм); П - далшгйлкгЛ рост трешгаш по геханязму ползучести.

Переход ко второй стадии определяется величиной г.оэи>"-шюеита интенсивностл ншр.тесшот', рабочей ласрятслкя: а, а ; к р слу-

чае достижения трещиной критического размера в первой стадии. Показано, что в механике повреждения холодно-деформированных ги-бов воцоопускных груб решающую роль в создании первичного дефекта - трещины играет коррозионный '¡штор, а в её развитии до опасной глубины - трещяностойкость при ползучесчи.

В обей стадиях необходимыми условиями являются высокий уро-ве!1ь рабочих напряжений и наличие наклепа.

Разработана методика одежи трещяностойкости при статической и циклической нагрузках о применением испытаний с постоянной скоростью деформации и замера глубшш трещины в процессе опыта.

Показано, что в стали 20 при 350°С возможно развитие трещин ползучести. Получены значения величин условного коэффициента ин-теясивности напряжений при скоростях роста трещин 10 - 3-10 1'й/час.

Путём релаксационных испытаний оценен уровень напряжений, действующих в гибах в процессе эксплуатации>

Установлено, что наличие холодного наклепа в сочетании с высокой исходной прочностью металла вызывает значительное снижение трещяностойкости. Работа в условиях циклической нагрузки приводит к дополнительному увеличению скорости роста трещины.

Практическая ценность работы. В результате проведённых испытаний получены необходимые при расчёте данные о свойствах стали 20 в йачальной стадии проявления ползучести (350°С), релаксационная • стойкость, трещиностойхоогь.

Определены предельные параметры по уровню напряжений, гЛубияе начальной трещины, состояние материала (степень наклепа, уровень твёрдости), обусловливающие развитие трещины ползучести во времени, вероятной скорости её развития.

Результаты работы используются при разработке рекомендаций по вопросу ресурса работа котлов, отбраковке на парность гпбов

по даннил контрольных проверок (твёрдость, глубина дефекта - трещины) .

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседали-' ях научно-технической секции "Металлы энергетического оборудования" НПО ШСТИ и на семинаре "Повшениё надёжности работы оборудования ТЭЦ и АЭС путём совершенствования их водохимических ре-яимов" (Ленинград, 1988 гД.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 леч.работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, £ глав, выводов, списка литературы; изложена на 36 стр. машинописного текста, содержит рисунка, таблиц и список литература из 9А наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных причин вынузденных остановов паровых котлов высокого давления, снижающих: ресурс их работы, является повреждение в процессе эксплуатации гябов необогреваемых труб. Большая часть повреждений падает на гибы водоопускных труб, исследованию причин которых посвящена настоящая работа.

Грубы, изготовленные из стали 20, в процессе работы изнутри омываются котловой водой с температурой ~ 350°С. Весь контур, включая водоопускяне трубы, подвергается периодическим кислотным промшшам. Циркуляционный контур котлов высокого давления (14 -16 МПа) состоит из барабана, коллекторов, труб НРЧ, водоопускных и соединительных труб. Материалом всех труб ¡шляется сталь 20, барчбпна - сталь или 16 ПМ, т.е. стали - практически равноценные по коррозионной стойкости. Все детали контура обиваются ол'.'пп и той ге вотой ток прч работе, так я ьрн стоечке, подверга-

готся действии одних я тех ;яе растворов кислот при промывке.

Во всех деталях контура обнаружены повреждения, охватывающие, по существу, все основные вида водородного воздействия. Внутренняя поверхность всех деталей свидетельствует об интенсивной коррозии.

' ИССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ ШБОВ - Существует два вида повреждений гибов: от внутренних трещин и от наружных. Для обеих разновидностей повреждений - от внутренних трещин в полосе несколько вше нейтрали и от наружных по вер-'тине гиба - общим является возникновение трещин на з^частке концентрации напряжения, вызванного искажением форма трубы при изготовлении гиба. Общим также является наличие в зонах повреждений наклепа от пластической деформация при холодной гибке (порядка 12 - 17$ у вершины гиба я 5 - 10/? в районе "вше нейтрали"). Наиболее чаотыми являются повреждения на внутренней поверхности. В этих случаях продольная полоса шириной несколько сантиметров поранена тысячами иелких трещин глубиной от десятых долой до I -3 №. Из большого количества гибов водоопуоных труб, имеющих повреждения на внутренней поверхности, только в единицах мелкие трещины получают опасное развитие.

Аналогичная, но количественно несколько иная картина га.'еет тесто при разрушении гибов от наружной трещины. Параллельно магистральной идут одиночные поверхностные трещины глубиной 0,5 - ; 2 мм. Появление начальных наружных трещин на хибах в большинстве случаев приводит к ях аварийному разрушению.

Материал аварийных гибов, наружные или внутренние трещин» в котором из мелких начальных развиваются до размеров, соизмеримых с толщиной стенки труби, обладает логапеннигк ггрочностшгг.тг срой-

ствами: НВ 160 - 220, > 400 МПа, 6* > 500 МПа, что явля-

ется следствием как высоких исходных прочностных свойств металла труб, так и последующего наклепа и старения.

При исследовании причин повреждения аварийных объектов значительную помощь оказывают данные микросгруктурного анализа.

Многочисленные обследования гибов с внутренними трещинами, проведённые НПО ЦКТИ и другими организациями, выявили дефекты - трещины с "перехватами" по длине и притуплёнными концами.

Трещины, образовавшиеся снарухи, имеют явно выраженный меаае-решшй характер. На пути их развития возникают мелкие нежзерен-ные трещинки - надрывы. Такой характер разрушения не мог явиться следствием усталости. Разрушение такого вида типично для коррозионного растрескивания, при развитии трещин в наводороженном кате риале.

При росте магистральной трещины в глубину более 2 - 3 мм характер её развития несколько меняется, доля мекзеренного разрушения укеньпается, трещина приобретает смешанный (мел- и внутри-зеренншЛхарактер, обычный для трещяя ползучести при высоких тем' пературах. Такое изменение характера развития наружных трещин позволяет полагать, что начальная трещина, возникшая вследствие водородного охрупчивания металла при коррозионном воздействии, в дальнейшем развивалась по другому механизму - механизму высокотемпературного разрушения ползучести.

Изложенное положение последовательного изг/еяения механизма развития трещины может ¡меть место и при развитии трещин с внутренней поверхности.

Более активное коррозионное воздействие на внутреннюю поверхность глба создаёт условия и для значительно больпеП степени по-прездонносги её первичными трещинами.

О первоначальном характере трещин внутренней поверхности трудно судить из-за сильной общей коррозии в результате длительного воздействия котловой води. Несомненно, что процесс коррозии должен был изменить их вид. Данине микроструктуряого обследования металла длительно работавших труй свидетельствуют о тог, что трещины на внутренней поверхности, или ох часть, б начальной стадии своего возникновения также имели кежэерешшЛ характер. Безусловно, что одновременно возможен и другой, в настоящее время общепризнанны;! механизм возникновения внутренних трещин - результат местного коррозионного воздействия при циклическом нарушении защитной плеши.

Подтверждением предположения о решающем значении коррозионного воздействия по тому или иному механизму является возникновение в большинстве повреждённых труб множества поверхностных трещин (0,5 - 2 мы) при отсутствии более глубоких. Причины их возникновения и начального развития перестают ¡фГюктивяо де!5ствовать по мере отхода от поверхности, и рост большинства трещин прекращается. Дальнейшее развитие становится возможным при проявлении другого механизма роста первичного дефекта, развития которого будет способствовать увеличение длины трещины. Такими механизмами могут являться либо высокотемпературное разрушение - третшш ползучести гаи усталости, либо их совместное действие,

•Работы, посвященные исследованиям развития повреящаемости материала во времени, показали, что внезапное разрушение в результ тате развития трещин ползучести воэмокяо в интервале температур я де!$орлаций, при которых возникает межзеренноо разрушение, имеет место сгияен'яе деформационной способности, показатель длительно'! прочности "я" становится меньше показателя ночзучостя "ГП",

Для подчерк« предположения о тюзмсггностп п стали 20

при умеренней температуре (350°С) трещин ползучести й^и проведены соответствующие исследования её релаксационной стойкости и трещиностонкости.

При расчётах на прочность в подавляющем большинстве случаев используются данные, полученные для термически обработанного материала, мезду тем как операции передела полуфабриката в ряде случаев в значительной степени изменяют его механические свойства.

Так, хорошо известное влияние холодного ярклепа, вызывающего повышение продела текучести и умеренное снижение пластичности, во многих случаях не снижающее работоспособность материала, при специфических условиях (повышенная температура, коррозионное воздействие). кожет оказать существенное влияние.

В работе уделено особое внимание свойствам наклепанного металла, поскольку именно в материале, подвергшемся холодной деформации при гибие, возникают и развиваются трещины.

РЕЛАКСАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СТАЖ

Как показали многочисленные исследования, максимальные мастные упругие напряжения в зависимости от степени искажения формы поперечного сечения гиба (овальность, уплощение) и радиуса, могут *

быть в 3 - 4,5 раза вше номинальных, расчётных. В процессе длительной работы при высокой температуре в материале гиба происхо- , диг перераспределение напряжений и снижение ах пиков в результате релаксации. Фактический уровень напряжений в зоне их конценг- • рации определяется релаксационной стойкостью материала.

Целью проведённых испытаний явилось восполнение отсутствующих данных по релаксационной стойкости при рабочей температуре 350°С стали 20 в нормализованном и наклепанном состоянии. Полученные данные необходимы для уточнения фактически действующих в металла напряжений. • •

Испытания на релаксацию проводились при растяжении и изгибе. В опытах на растгокние определялась как "чистая"релаксация, так и при наличии упругого звепа. При этом коэффициент податливости "Р" относительно образца (отношение упругой податливости систе^п образец - звено к упругой податливости образца) был принят равным 10. Приютив такой величины "Р" било обусловлено тем, что при значительной овальности труби в гибе тангенциальные деформации, необходимые для восстановления первичной круглой формы сечения, примерно в 10 раз превышают упругую деформацию тангенциального из* гиба под действием внутреннего давления.

При испытаниях на изгиб использовались кольцевые образцы из трубы 133 х 10. Нагрузка изгибающим моментом осуществлялась,аналогично методу И. А. Одянга разжигом кольца клином. Остаточное напряжение определялось путём замера остаточной упругой деформации при извлечения клина.

Условия Испытания цилиндрических и кольцевых образцов выбирались максимально приближёнными к условиям работы металла в гибе. Предварительный наклеп 15% соответствовал максимальному и тлеющему место при холодной гябке. Заданная дегЧюрмацкя соответствовала предельно возможной при нагружении внутренним д< -влениеи в металле искажённого сечения гяба.

Результаты релаксационных испытаний длительностью 10 тысяч часов показаны на рис.1. Кривые остаточных напряжений имеют вид, характерный для релаксации при умеренных температурах: резкий спад напряжений в первые 1000 часов, затем в интервале 1-4 тыо. часов, их снижение с малой скоростью; яря дальнейшем увеличении времени скорость уменьшения напряжений очень мала.

Для исходного (норггализоеанного) геатериала остаточное напряжение через 10 тио.часов составило 210 ?'Ла, ещё вше уровень остаточных лачрялоипП у пшмептшпй сташ прм наличия упругого эвена - 3"0

ег

Ш> 400

300

200

Рис

о - иормачизованный материал; © - наляел • - наклеп 15% - испытание с упругим звеном

Скорость падения напряжений (при релаксации в наклепанной стали 20 при 350°С и наличии упругого звена) в конечной стадии испытания настолько низка, что можно оэдать сохранения напряжений в течение нескольких десятков тысяч часов на уровне 300 Ша (рио.1).

ОЦЕНКА ТРШШОСТОШЮСТИ

Выбор формы образца для определения коэффициента интенсивности напряжений определялся габаритшк.лзделия (труба с толщиной стенки II - 12 км), применительно к которым проводилась оценка свойств материала. В данном случае изготовление корректного образца для определения К/с согласно ГОСТ 25.506-85, тем более для стали 20 (имеющей низкий предеи токучести), не могло быть полностью выполнено.

Для испытаний бнл принят призматический образец 10 х II х 60 с остры?' иедреэом глубиной 1,5 ик и трощипой, допускаемой по ГОСТ, пяп оттголеления условного коэчадщиента интенсивности напряжения Л|

.1. Релаксация напряжений з стали 20 при 350 °С.

Оценка трещиностойкости стали 20 производилась с помощью испытаний на изгиб сосредоточенной нагрузкой на машинах УГЛЭ при 350°С. Испытания при статической нагрузке осуществлялись при постоянной скорости.деформации (скорости изменения прогиба образца) в большинстве случаев 0,003 ш/час или при постоянной нагрузке. Режим циклической нагрузки достигался периодическими разгрузками.

Постоянство температуры в соответствии с ГОСТ 10145-62 обеспечивалось с помощью дилатометрического терморегулятора.

Оценка глубины трещины в процессе испытания проводилась путём измерения электропотенциала. Для этого был разработан и изготовлен специальный прибор: "источник тока", выдающий вне зависимости от условий испытания, температуры или изменения электросопротивления в цепи от роста трещины ток строго постоянной силы 20 ампер. Подвод тока к образцу, помещённому в специальном реверсе в электропечи, осуществлялся стальными проводами, приваренными к-его торцам. Потенциал измерялся на контролируемом (с надрезом и трещиной) участке, цифровым милливольтметром с точностью 0,01 кВ. Испытаниям предшествовала тарировка - определение относительного изменения потенциала в зависимости от глубины трещины. Применяемый метод в опытах при 350°С обеспечивает точность измерения глубины трещины 0,05 мм. Опыты ставились таким образом, чтобы охватить возможно больший диапазон скоростей роста трещины.

Испытания показали, что при относительно невысокой температуре 350°С снижение скорости роста трещины с уменьшением напряжения у

о

наклепанного металла проявляется при скоростях ниже I х 10" мм/час, а для ненаклепаннЪго, видимо, значительно при меньших скоростях.

Определяя условия роста трещин - I мм за I - 10 тыс.часов, охватывается возможный диапазон большинства случаев их развития в"

практике. В связи о этим, основное внимание было уделено скоростям роста трещин Ю-3 - Ю-4 ш/час.

Испытания в большинстве случаев начинались о деформирования образца о постоянной скоростью 0,003 мл/чао. Применение этого способа позволяет быстрее и с меньшим количеством образцов подойти к условиям испытаний с интересующей нас скоростью подрастания трещины. При таких условиях испытаний определяются скорости вше 5 х Ю-3 Iли/час. Получение данных в диапазоне I х 10"^ - 5 х 10~3 им/час осуществлялось при испытаниях с постоянной нагрузкой. Определение скоростей, близких к I х ТО-'* мм/час, требует длительных испытаний - порядка Ю3 часов. Скорость роста трещины 1[(\ т/час определялась по разности её глубины за определённый интервал времени или при высоких скоростях - графически по касательной к кривой "глубина трещины - время". При малых скоростях - по разности средних величин сотен замеров.

Перевод процесса к большей или меньшей скорости, подлежащей определению, осуществлялся увеличением или уменьшением нагрузки.

• Испытания при циклических нагрузках проводились на тех ке установках при сохранении температурного режима. Во всех случаях применяется суточный цикл: 16 часов постоянной нагрузки и 8 часов без нагрузил. При исчислении времени испытания учитывалось только время работы под нагрузкой.

Величиной усилия, отвечающего той шш иной скорости развития трещины, принималась действующая в данном интервале нагрузка, по существу, соответствующая Р0 ГОСТ 25.506-85. В наших случаях той нагрузке предшествовал длительный рост стрелы прогиба образца (пластической деформация в надрезе).

Отличие гТормы образца, наличие пластической деформации, неизбежной при медленной развитии трещины ползучести, превышающей ре-

комендацш ГОСТ 25.506-85, не позволяют считать полученные данные достаточно корректными для определения К)С . Однако обработка данных по этому параметру дала вполне удовлетворительные результаты. Для определения условного коэффициента интенсивности напряжения К( в специфических условиях работы металла (сталь 20 350°С) было использовано выражение:

Л/ = , Ша'/м"

в котором поправочный коэффициент У рассчитывается по предложенной Миллером формуле для испытания на трещиностоЯкость в условиях ползучести призматических образцов при изгибе:

¡-М'Щ

где гс - сосредоточенное усилие, О - нормальное напряжение, И -изгибающий момент, 0 - глубина трещины, И - высота образца,& -ширина образца, £ - расстояние между опорами, • «

Испытанию на трещиностойкость подвергалась сталь 20 - материал следующих деталей: метал® 'трубы 0 133 х II после нормализации (Нв 124) и после нормализации и наклепа 7% (Нв 140) и металл длительно работавшей аварийной трубы с суммарным наклепом 15% (Нв 187).

На рис.2 приведён график изменения скорости роста трещин от величины к/.

Для нормализованного материала величина К* в обследованном

р д

диапазоне скоростей 10 - 10 мм/час сохраяяегоя на высоком уровне 50 - 60 ШЫм" я незначительно снижается с уменьшением ско-■рости роста трещин. Незначительное повышение К?, в связи с уменьшением живого сечения образца от углубления трещины, вызывает резкое повышение скорости ей роста,

У наклепанного гатерйала (Нв 187) в диапазоне скоростей роста трещин Ю-1 - 1СГ?- ггм/час к/ сохраняется на уровне 55 МПа/г".

14. ""/ч

10'

г2

10'

1-3

10'

а -1 к - 2 X - 3 0-4 ▼ - б + - 6 Щ- 7

* ✓

/ /

/ / XI

/ / к! ✓

/ /

/ / 7 1- ✓

ч /о / У /

/. Г 1 / / ✓ у ✓

1 г /оу / / / / / / / /

Г /

1 ' 1 X /7 V

1 1 V

о/ / а/ /

/ А X

/ Г .....

/ / 1 *

Г 1 7 1 /

/ / / / ✓

10 20 30 40 50 Щ ,Шй\/м

г ас. г . Зависимость скорости роста трещины Ув в стала 20 от валет и нн Щ :

I-наклеп 7^,350 °С; 2-накяеп 15$,циклическая нагрузка,350 °С; З-накл 1Б!?,350 °С; 4-наклеп 15$,400 °С; 5-наводороденный нормализованный те гкпл.гйо °С; 6-нпподороженный материал, ншаеп 155,350 °С; 7-нормачи''

одккчл угториол .'¡¿.О

При малых скоростях Ю-^ - 1СГ^ мм/чао т/веч место заметное снижение K?. При скорости 3,3 х Ю-4 - Kf = 31 !ЯЫм~.

Ещё более значительное снижение К*с уменьшением скорости развития трещины имеет место при циклической нагрузке, при 1/& -

и

- 2 х 10 т/час К( снижается до 21 МП&Гм. Переход от статической нагрузки к циклической в ходе испытания всегда приводит к по-выаенип скорости роста трещины.

Материал с меньшей степенью наклепа 5 - ГО% (Нв 140) по своей трещиностоЕкости занимает промежуточное положение между нормализованным и сильно наклепанным материалом. Снижение Kf при минимальных скоростях испытаний не превышает 25?.

Бри 400°С испытания проводились только для скльнонаклепанного материала. Полученные значения К* изменяются о понижением скорости роста трещины аналогично изменениям при 350°С, их величины на 15$ hhhcq.

На графике логарифмическая зависимость скорости роста трещины

у •

от К, близка к .линейной и, следовательно, изменение коэффициента интенсивности напряжения К* в интервале скоростей роста трещины ("ÍТа), где наблюдается его снижение, может быть описано степенной функцией. Из графика рис.2 следует: /

¿gKl ; К, - С Va

где K([¿ - сопротивление развитию трещин при скорости равной Va ;

С-К i* - при V - I мм/час; 0 *

/ ' ,

¡г - показатель степени равный

Чем выше показатель степени уравнения "/ " и меньше величина "С", тем нюне треииностойкость материала в условиях ползучести.

Микроструктурный анализ материала образцов, испытанных на тре-щиностойкость, подтвердил наличие для наклепанного материала смешанного мен- и внутризеренного .разрушения аналогично тому, кото-

рый шел место в аварийных гибах. Разрушение ненаклепанного мате* риала сопровождается значительной пластической деформацией с меньшей долей межзеренных повреждений.

Ориентировочная оценка с использованием'уравнения линейной механики Ki = 6Mij5b величины дефекта (а), получающего развитие с использованием величины коэффициента интенсивности напряжений К,, полученных из опытов по трещиностойкости и напряжения из испытаний на релаксацию (б-), даёт следующие результаты:

развитие дефекта в наклепанной стали 20 при 350°С со скоростью I-I04 мм/час будет иметь место-при наличии исходной трещины глубиной 3 - 3,5 мм;

для тех же условий развитие трещины в ненаклёпанном материале возможно при значительно большем дефекте - более 10 мм;

при действии циклической нагрузки в наклепанном металле развитие получат трещины глубиной 2 мм.

Из приведённых вПае данных следует, что в стали 20 при 350°С возможно возникновение повреждений, трещин ползучести, способных вызвать разрушение гиба. Но это может произойти только при сочетании ряда неблагоприятных факторов. -Прежде всего, необходима исходная трещина глубиной несколько миллиметров, материал трубы должен обладать повышенными прочностными характеристиками как вследствие высоких исходных свойств, так и наклепа при гибко и eiпрении.

Болышнство аварийных гибов имело твёрдость Нв 170, предел текучее ги более 400 Ша. Понижению трещиностойкости стали безусловно будут способствовать все факторы, снижающие деформационную способность стали при повышенных температурах: грубозернпстость, повеянное содержание вредных примесей, наличие легкоплавких элеу ментов и т.я.

ВЛИЯНИЕ НАВОДОРСШВАБИЯ ВА ТРВВДНОСТОЙЮСТЬ

Объяснение возникновения первичнцх, как наружных, гак и внутренних, трещин представляется как результат изменения механических свойств стали под воздействием коррозионной среды, обуслов- ' ленных физико-химическими процессами, протекающими на границе металл - среда. Одним из наиболее вероятных процессов, способствующих зарождению и развитию трещин, является водородпое охруп-чивание металла.

Результаты обследования аварийных объектов паровых котлов указывают на весьма существенное влияние водорода, возникающее при активном коррозионном воздействии на материал.

Об интенсивности коррозионных процессов в период пуска и работы котла на ТЭЦ судят по содержанию водорода в паре, во многих случаях достигающего значительных величин.

Условия коррозионного воздействия на гибах водоопускнвд: труб близки л тем, где имеется необратимая водородная хрупкость, а при стоянках или кислотных промывках дате более яёсткие, поскольку их внутренняя поверхность менее защищена от действия кислот отложениями.

Отрицательное влияние наводороживания на пластичность материала подробно изучено и многими авторами выявлено как при обратимой, так и необратимой водородной хрупкости.

В проведённых нами весьма ограниченных опытах по оценке влияния водорода на' трещиносгойкость стали 20 при 350°С (рис.2) предварительное наводоролмвание в газообразной водороде под давлением в ненаклепанном материале не вызывало охруотивания. Это объясняется тем, что водородное воздействие т/ело обратными характер. В то же время в наклепанном металле т/ело гсото явлзнче необратимой хрупкости и начальная стадта подогодиоП кпррог^л.

Величина '/слоеного ков'Уччпздентя интрисчвгости капегтр/.ч ,

приводящего к ускоренному росту трещины у нормализованного металла, в результате наводорокивания не изменилась, тогда как у наклепанного значительно снизилась (рис,2), т.е. в наводороженной наклепанной стали развитие трещин происходило при заметно меньше!, напряжении и достижение ей значительных размеров происходило за меньшее время, чем у только наклепанной и тем более нормализованной стали.

Ориентировочные оцеьки величины первичного дефекта для наводо-рожекной ..аклепанной стали 20 при 350°С в условиях действия рабочих напряжений приведены в гл.4 и дают величину, соизмеримую с глубиной поверхностных дефектов.

При гидравлических испытаниях и рабочем давлении в зонах концентрации напряжений гиба металл с пониженным сопротивлением развитию трещины вследствие наводороживания и наклепа оказывается под действием высоких напряжений и при неблагоприятном сочетании ряда факторов в нём могут возникнуть первичные трещины. _ '

Подтверждением указанного механизма возникновения первичных трещин, по нашему мнению, является сам характер повреждений на внутренней поверхности водоопускных труб, Зона повышенных напряжений - полоса шириной несколько сантиметров - поражается тысячами трещин, глубина которых ограничивается толщиной йлоя, подвергавшегося наводороживашго,обычно 0,5-2 мм.

Дальнейший ход развития трещин определяется трещиностойкостью неповреждённого водородного металла.

Полученные данные обследования аварийных объектов и экспериме тов позволяют детализировать влияние различных факторов, времени свойств г.-атериала.

Каждый цикл - остановка котла, коррозионное воздействие и последующа: работа под нагрузкой создаёт повторные условия снижени троипностоПкости при зарождении и начальном развитии трещин. По-

следующее их развитие при достижении критической глубгаш по механизму трещин ползучести 5'скоряется в условиях циклической нагрузки.

обио1Е вывода и штешщлши

1. В стали 20 при 350°С возможно развитие трещин ползуче ли, способных привести к разрушению гиба. Магистральная трещина интенсивно развивается в следующих случаях:

материал в результате холодного нагиепа, высоких прочностных свойств и старения имеет высокую твердость, что обусловливает сохранение высокого уровня рабочих напряжений и снижает трещиностой-кость;

сечение гиба сильно искажено, что создаёт высокий уровень рабочих напряжений, эффект подгрузки;

в зоне максимальных напряжений рте тлеется исходный дефект

л

(коррозионная язвина, риска и т.п.) глубиной не менее 3 -\4 ил при статической нагрузке и 2 - З'мм при циклической.

Развитие трещин ползучести в трубе из нормализованной стали или стали с малой степенью наклепа (Нв<140) маловероятно.

2. Результаты исследований металла и характера разрушений аварийных гибов необогреваемых водоопускных труб паровых котлов высокого давления из стали 20, работающих при температуре до 350°С, подтверждают, что повреждение гибов связано с образованием и развитием трещин на участках действия максимальных напряжений от внутреннего давления. Первичная повоеддоняостъ многочисленными мелкими трещинами глубипо.й I - 3 мм на внутренней поверхности

га.'еет место прежде всего в металле гибов с повышенной твёрдостью > 140 единиц Нв.

3. Металлографическим анализом установлено, что начальные тре-стшч о нппужной поверхности и и отдельных'Случаях с внутренней

имеют мекзеренный характер, типичный для коррозионного растрескивания при проявлении водородной хрупкости. По мере роста трещны доля межзеренного разрушения уменьшается, трещина приобретает "смешанный" характер (мен- и внутризеренный), типичный для разрушения при ползучести в условиях умеренных температур. Выявленное изменение характера разрушения свидетельствует о том, что начальная трещина, возникшая в результате коррозионно-механнческого воздействия, тормозится на глубине 2 - 3 мм от поверхности и дальнейшее развитие получает по механизму ползучести.

4. Испытания на релаксацию напряжений подтвердили возможность сохранения высокого первоначального уровня напряжений в металла холодно-дефрмируемых гибов. Снижение уровня остаточных напряжений в металле в исходном состоянии происходило до 210 МПа, в наклепанном - до 270 МПа, а при испытании с упругим звеном - до 320 И1а.

5. Разработаны оборудование и приборы, позволяющие производить оцежу трещиностойкости стали при испытании на изгиб при повышенных температурах образцов с концентратором - трещиной, вырезанных непосредственно из металла гибов.

6. При характерном для холодно-деформируемых гибов наклепе 15$ и высокой исходной твёрдости металла при .нормальном уровне напряжений от внутреннего давления и овальности резкое увеличение скорости роста трещины в трубах 133 х 10 мы имеет место при достижени годи глубины 3 - 4 ш при чисто статической нагрузке и 2 - 3 мм при ц.лсляческой.

Для нормализованного материала и материала с малой степенью наклепа (до 1%) увеличения скорости роста трещины не наблюдается рилоть дт достижения предельной нагрузки в ослабленном сечении.

7. Лспользовышая кетпдояа л.°.:?т возе, окно от ь определить ие'тп-

ны номинальных напряжений и трещиностойкости, отвечающих определённыйI скороотям роста трещин от 10"^ до мм/час. Условный коэффициент интенсивности напряжений в нормализованной стали 20 сохраняется на высоком уровне и мало изменяется с понижением скорости трещины, У материала трубы о высокой исходной прочностью, дополнительно упрочнённого холодным наклепом (на 15%), с поыгае-. нием скорости роста трещины с Ю-2 до 3-Ю"4 т/чао условный ноэф^-фициент интенсивности напряжений снижается да 40$» При циклическом нагружении образца из того же материала имеет место снижение на 50$. При степени дополнительного наклепа на 7/° так же наблюдается снижение трещиностойкости, но в значительно меньшой степени (на 3055). •

8. В нормализованном металле пооле наводороживания необратимой водородной хрупкости не наблюдается. Материал холодно-дефоркпро-

ванного гиба из стали 20, подвергшийся аналогичному новодорожша-• ■*

нию, имеет трещшюстойкость ниже, чем нормализованный. Величина предельно допустимого дефекта снижается до I - 1,5 мм.

9. Предложена система критериев для отбраковки гибов. При индивидуальной отбраковке целесообразно учитывать следующие пара- . метры: твёрдость материала гиба, размер выявленного УЗД дефекта, уровень действующих напряжений, включая степень и искажение гиба.

10. Проведённые исследования твёрдости растянутой, сжатой а опасной зоны выше нейтрали показали, что значения её близки по уровни. Поэтому для исключения возникновения дополнительных концентраторов напряжений.'в наиболее опасных сечениях целесообразно проводить измерения твёрдости при контроле на сжатой части гибов.

Основное содержание работы отражено в публгтеащпх: I. Кутузов М.В., Эеовина Л.И., Артамонов В. В., Станюкович Б.А.

Описание установки для исследования кинетики роста тр^г^пт л •

зтатях,. нрииешгвгнх в ляеггогпгапсотроеита. - Труда» Л}'.Т>1,

2<t

1980, Вып.177, с.82 - 88.

2. Станюкович Б. А., Маслевцов А,В. Методика исследования роста трещин при высоких температурах. - Труды ЦКТИ, 1982, Бып.194, 0.38 - 42.

3. Станшозич Б.А., Самойлова Т.Н. Сопротивление рооту трещины в теплоустойчивых хромомолибдеяованадиевых сталях в условиях ползучести. - Труда ЦКТИ, 1985, Вып.218, с.58 - 64. .

4. Станюкович A.B., Лопухина Н.С., Станюкович: Б.А. Истинное сопротивление разрушению при испытании яа длительную прочность и сопротивляемость развитию трещины. - Труды ЦКТИ, 1985, Вып.218, с.51 - 57.

5. Станюкович A.B., Лопухина Н.С.', Станюкович Б.А. Сопротивление росту трещин в металле необогрезаемнх водоспускных труб. - Теплоэнергетика, 1987, № 7, 0.61 - 62.

Г>. Станюкович A.B., Хейн Е.А., Станюкович Б.А., Лопухина Н.С. Релаксация напряжений при 350°С в стали 20 после предварительна наклепа.' - Теплоэнергетика, 1988, ß 7, с.25 - 26.

7. Станюкович Б.А. Исследование причин повреждения гибов водоопуск-ных труб из стали 20 паровых котлов высокого давления. - Труды ЦКТИ, 1989, Вып.256, с.65 - 76. .

Ротапринт. Подписано к печати 23.10.90. Формат бу^.60x90 Объем I уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ S6g Беспла!но

НПО ЦКТИ. 19402I, Ленинград, Политехническая ул., д.24