Эволюция микроструктуры и критерии предельного состояния при прогнозировании работоспособности теплоустойчивых сталей Смирнов Александр Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Экспертиза промышленной безопасности технических устройств опасных производственных объектов (ТУОПО) 17

1.1. Состояние ТУОПО на промышленных предприятиях России 18

1.2. Материалы, применяемые для изготовления ТУОПО 22

1.2.1. Материалы, применяемые для паровых и водогрейных котлов, трубопроводов пара и горячей воды, сосудов, работающих под давлением 22

1.2.2. Материалы, применяемые для подъемных сооружений и сварных металлоконструкций 28

1.2.3. Коррозионностойкие материалы, применяемые в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности 29

1.3. Физико-химические процессы, протекающие в длительно работающем металле ТУОПО 31

1.3.1. Коррозия металлов 32

1.3.1.1. Водородное охрупчивание 32

1.3.1.2. Межкристаллитная коррозия (МКК) 34

1.3.1.3.Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) 36

1.3.1.4. Коррозионная усталость 37

1.3.2. Усталость металлов 38

1.3.2.1. Структурные изменения при усталости 38

1.3.3. Структурные превращения в сталях, эксплуатирующихся при высоких температурах в условиях ползучести 40

1.4. Акустические методы исследования микроструктуры, структурной поврежденности и физико-механических характеристик сталей и сплавов 46

1.4.1. Активные акустические методы исследования микроструктуры, микроповрежденности и физико-механических характеристик 47

1.4.2. Акустико-эмиссионный метод контроля и исследования микроструктуры (АЭ) 50

1.5. Выводы 56

Глава 2. Металловедческие основы спектрально- акустического метода в концептуальной модели безопасной эксплуатации ТУОПО 58

2.1. Концептуальная модель управления безопасной эксплуатации ТУОПО 59

2.2. Выводы 90

Глава 3. Влияние исходного структурного состояния и физико-механических свойств конструкционных сталей на акустические характеристики 92

3.1 Роль факторов, влияющих на достоверность прецизионного измерения акустических характеристик 92

3.1.1. Влияние температуры и шероховатости поверхностей образцов на измеряемые характеристики акустических волн 93

3.1.2. Влияние колебаний химического состава на акустические характеристики 95

3.2. Связь микроструктуры исследованных сталей в исходном состоянии после различных режимов термической обработки с акустическими характеристиками 98

3.2.1. Влияние исходной структуры углеродистых и кремнемарганцевых сталей на акустические характеристики 98

3.2.2. Влияние типа исходной микроструктуры теплоустойчивых сталей на время задержки ПАВ 105

3.2.3. Закономерности изменения параметров сигналов АЭ в зависимости от типа исходной структуры стали 12Х1МФ 119

3.2.3.1. Влияние исходной структуры стали 12Х1МФ на параметры сигналов АЭ при одноосном растяжении и ползучести 120

3.2.3.2. Влияние исходной структуры и некоторых факторов на АЭ при вдавливании индентора 123

3.3. Выводы 126

Глава 4. Эволюция структурно-фазового состояния и механических свойств теплоустойчивых сталей при длительной эксплуатации 128

4.1. Фазовый состав и длительная прочность 129

4.1.1. Карбидная фаза 133

4.1.2. Карбидная фаза. Места локализации карбидных частиц 138

4.1.3. Параметр кристаллической решетки а-фазы 142

4.1.4. Состояние а-фазы. Окисленные участки 144

4.2. Микроструктурное состояние и субструктуры 145

4.2.1. Зеренная структура 146

4.2.2. Состояние а-фазы. Классификация субструктур 148

4.2.3. Состояние а-фазы. Сетчатая субструктура 151

4.2.4. Состояние а -фазы. Фрагментированная субструктура 153

4.3. Внутренние напряжения и их источники 156

4.3.1. Внутренние напряжения. Данные рентгеноструктурного анализа 156

4.3.2. Источники внутренних напряжений 157

4.3.3. Внутренние напряжения в субструктуре и их связь с длительной прочностью 160

4.3.4. Границы зерен, локализация карбидной фазы и участки с пониженной плотностью материала 165

4.4. Механические свойства хромомолибденованадиевых сталей 170

4.4.1. Механические свойства сталей с различной длительной прочностью 170

4.4.2. Механические свойства стали 12Х1МФ по сечению трубы паропровода 171

4.5. Выводы 180

Глава 5. Корреляция изменения акустических характеристик в зависимости от структурного состояния и физико-механических свойств хромомолибденованадиевых сталей 183

5.1. Исследование связи жаропрочности стали 12Х1МФ с параметрами сигналов АЭ 183

5.2. Влияние микроструктуры на время задержки ПАВ 196

5.2.1. Изменение микроструктуры от поверхности трубы вдоль зоны разрушения 198

5.2.2. Изменение микроструктуры в глубине материала 205

5.2.3. Изменение микроструктуры вдоль поверхности трубы и связь ее параметров со временем задержки ПАВ 210

5.3. Связь длительных и кратковременных механических характеристик, внутренних напряжений и параметров микроструктуры со временем задержки ПАВ 217

5.4. Выводы 225

Глава 6. Анализ выборочных физико-механических показателей и определение видов состояния длительно работающего металла 228

6.1. Предварительный анализ показателей 228

6.2. Изменение физико-механических показателей стали в окрестности трещины 237

6.3. Выбор и обоснование представительных показателей косвенно характеризующих длительную прочность 246

6.4. Особенности исследования показателей, содержащих «мертвую зону» 256

6.5. Исследование интервальных оценок показателей и точности диагностических признаков 260

6.6. Выводы 263

Глава 7. Применение акустических методов для опенки работоспособности длительно работающего металла 265

7.1. Разработка комплексного критерия предельного состояния 266

7.2. Апробация комплексного критерия при оценке предельного состояния металла промышленного оборудования 269

7.3. Практические рекомендации по применению метода АЭ на промышленных предприятиях 283

7.3.1. Оценка жаропрочности металла паропроводных труб методом АЭ при вдавливании индентора 283

7.3.2. Создание и внедрение полуавтоматической системы регистрации сигналов АЭ на электростанциях 285

7.3.2.1. Испытания отрезков труб под внутренним давлением на высокотемпературном стенде 286

7.3.2.2. Анализ производственных шумов 289

7.3.2.3. Система регистрации АЭ в условиях электростанций 292

7.3.3. Разработка мероприятий по эксплуатационному контролю металла энергооборудования методом АЭ 294

7.4. Выводы 299

Заключение 302

Список литературы 306

Приложения 338

• Материалы, применяемые для паровых и водогрейных котлов, трубопроводов пара и горячей воды, сосудов, работающих под давлением
• Влияние температуры и шероховатости поверхностей образцов на измеряемые характеристики акустических волн
• Границы зерен, локализация карбидной фазы и участки с пониженной плотностью материала
• Изменение микроструктуры вдоль поверхности трубы и связь ее параметров со временем задержки ПАВ

Введение к работе

Актуальность темы. Надежное прогнозирование работоспособности технических устройств опасных производственных объектов (ТУО-ПО), является одной из основных проблем в промышленности. В России более 80 % потенциально опасного оборудования отработало расчетный срок службы, и старение значительно опережает темпы технического перевооружения. Только в энергетике по состоянию на август 2004 года около 90 % технических устройств тепловых электростанций исчерпало парковый ресурс, большая его часть достигла физического износа.

Существующий в настоящее время подход к прогнозированию работоспособности и увеличению эксплуатационного ресурса металла ТУОПО отличается большим многообразием руководящих документов, методов, методик и средств исследований и испытаний. Все это значительно затрудняет процесс диагностирования и не всегда позволяет правильно оценить состояние технических устройств и, следовательно, надежно прогнозировать срок их службы. Неразрушающие физические методы исследований в задачах прогнозирования работоспособности металлоконструкций ориентированы, главным образом, на выявление уже существующих и развивающихся очагов разрушения, они не дают возможности выявлять стадии зарождения микроповреждений и оценивать характер изменения микроструктуры. Проблема усугубляется отсутствием научно обоснованной концепции надежного прогнозирования работоспособности длительно работающего металла.

Поэтому очевидна необходимость разработки нового методологического подхода к оценке работоспособности металла ТУОПО, основанного на выявлении закономерностей эволюции микроструктуры и изменения физико-механических характеристик неразрушающими физическими методами исследования.

Акустические методы испытаний имеют ряд преимуществ, заключающихся в уникальных свойствах ультразвуковых волн выявлять множе ство рассеянных микроповреждений, размеры каждого из которых меньше порога чувствительности многих других методов испытаний.

В металле ТУОПО накопление микроповрежденности, образование микро- и макротрещин происходит преимущественно в поверхностных слоях изделий, и применение акустических методов, включая акустико-эмиссионный (АЭ), может привести к выявлению таких зон. Одним из важнейших достоинств акустических методов является возможность исследовать поверхностные микроструктурные несовершенства в материалах с применением поверхностных акустических волн Рэлея (ПАВ).

Таким образом, решение научной проблемы повышения эффективности использования ТУОПО путем надежного прогнозирования их работоспособности при длительной эксплуатации акустическими методами имеет особую актуальность.

Цель работы: оценка и прогнозирование работоспособности технических устройств на основе раскрытия физических закономерностей распространения акустических волн при эволюции микроструктуры и разработки комплексного критерия предельного состояния теплоустойчивых сталей.

Основная идея работы заключается в использовании установленных связей между микроструктурным состоянием, накопленной структурной поврежденностью, внутренними напряжениями, механическими свойствами и характеристиками распространения акустических волн для повышения работоспособности металла ТУОПО.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Оценить роль основных факторов, влияющих на работоспособность металла ТУОПО, на основе изучения фактического состояния технических устройств на различных стадиях жизненного цикла, физико-химических процессов, протекающих в сталях и сплавах, а также существующих и перспективных методов прогнозирования работоспособности.

2. Разработать концептуальную модель управления безопасной эксплуатацией и прогнозирования работоспособности ТУОПО на основе системного подхода к оценке технического состояния длительно работающего металла при эволюции микроструктуры с применением акустических методов.

3. Выявить источники внутренних напряжений в теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталях и установить их влияние на длительную прочность.

4. Установить влияние характера микроструктуры, фазового состава, физико-механических свойств и внутренних напряжений на акустические характеристики в теплоустойчивых сталях на разных стадиях их жизненного цикла.

5. Выявить степень влияния микроструктуры, физико-механических свойств исследованных сталей в исходном состоянии после различных режимов термической обработки на акустические характеристики.

6. Разработать комплексный критерий предельного состояния длительно работающего металла ТУОПО, отражающий уровень структурного состояния исследованных сталей на разных стадиях жизненного цикла.

7. Разработать методику определения предельного состояния и работоспособности ТУОПО, апробировать ее и внедрить на промышленных предприятиях.

Методы исследований. При выполнении работы применена методология, характеризуемая:

• системностью, позволившая сформировать концепцию управления безопасной эксплуатацией ТУОПО, предусматривающую комплексное описание в единых терминах и категориях металловедения и технического диагностирования процесса прогнозирования работоспособности длительно работающего металла;

• использованием оптической и электронной дифракционной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, разрушающих испытаний, спектрально-акустического и акустико-эмиссионного методов, конечно-элементного моделирования, корреляционного и регрессионного анализов, математической статистики.

Экспериментальные результаты основаны на определении длительной прочности теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей на различных стадиях жизненного цикла и измерении в них времени задержки ПАВ; электронно-микроскопических и рентгеноструктурных методах измерения внутренних напряжений, определении фазового состава и параметров микроструктуры; высокотемпературных механических испытаниях сталей с регистрацией потоковых характеристик АЭ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы экспериментальными данными, полученными автором, не противоречат известным положениям металловедения, технической диагностики и неразрушающего контроля, базирующихся на доказанных концепциях, логических и математических моделях и согласуются с базовыми закономерностями эволюции микроструктуры и их влиянием на работоспособность ТУОПО.

Достоверность научных положений обусловлена:

• использованием современных взаимно дополняющих экспериментальных методик и корректно обоснованных методов решения поставленных задач, а также применением апробированных математических моделей;

• критическим сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей в области металловедения, неразрушающего контроля и технической диагностики;

• практическим использованием разработанных методик и электронной базы данных (БД ТУОПО) в промышленности, в том числе и в энергетике;

• использованием метрологически поверенной аппаратуры, приборов и оборудования. Научная новизна работы:

1. Разработана концептуальная модель управления безопасной эксплуатации и прогнозирования работоспособности ТУОПО, представленная в виде информационной системы, основанной на учете, обобщении, систематизации и структурировании информации о техническом состоянии длительно работающего металла.

2. Выявлены источники внутренних напряжений на мезо- и микроструктурных уровнях в теплоустойчивых хромомолибденованадие-вых сталях на различных стадиях жизненного цикла, впервые установлены связи величины локальных внутренних напряжений и плотности экстинкционных контуров с длительной прочностью исследованных сталей.

3. Экспериментально найдены закономерности изменения времени задержки ПАВ в зависимости от характера микроструктуры, величины локальных внутренних напряжений (амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки и плотности экстинкционных контуров) в теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталях, разработаны математические модели состояния, адекватно отражающие эти закономерности, выявлены связи потоковых характеристик акустической эмиссии с длительной прочностью.

4. Разработан комплексный критерий предельного состояния теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (ККПР) по времени задержки ПАВ (патент РФ № 2231057).

Практическая значимость результатов работы: 1. На основе ККПР разработана методика оценки предельного состояния металла различных элементов ТУОПО (паропроводов, камер, коллекторов, труб теплообмена котельных агрегатов, сосудов, рабо тающих под давлением и др.), пригодная для прогнозирования их работоспособности.

2. Предложен неразрушающий метод оценки микроструктурного состояния, структурной поврежденности и физико-механических характеристик длительно работающих сталей в процессе их эксплуатации по времени задержки ПАВ.

3. Разработана и внедрена электронная база данных (БД ТУОПО), зарегистрированная в реестре программ для ЭВМ Российского агентства по патентам и товарным знакам, позволяющая при прогнозировании работоспособности проводить выбор технических устройств по нормируемым классификационным признакам, датам и видам технического надзора, определять сроки и виды работ при техническом диагностировании, осуществлять мониторинг технического состояния оборудования. Использование базы данных обеспечивает условия для накопления и подготовки исходных данных, требующихся для выполнения расчетов прочности и остаточного ресурса ТУОПО.

4. Разработаны рекомендации по прогнозированию работоспособности ТУОПО с использованием ККПР и конечно-элементного моделирования, которые применены при продлении срока дальнейшей эксплуатации барабанов котлов № 2, 3 Южно-Кузбасской ГРЭС и элементов котлов № 1, 3, 7 Западно-Сибирской ТЭЦ. Предложенные разработки нашли применение на других промышленных предприятиях Кузбасса: ОАО «Юргинский машиностроительный завод», ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», ОАО «Азот», ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», ОАО «Хим-маш», ОАО «Угольная компания Кузбассразрезутоль».

5. Обоснована возможность и определена область применения разработанных рекомендаций и методик. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет свыше 1,5 млн рублей.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Концептуальная модель оценки предельного состояния и прогнозирования работоспособности теплоустойчивых хромомолибденована-диевых сталей, эксплуатирующихся в сложных напряженных условиях, разработанная на основе нового методологического подхода к анализу обширного эмпирического материала, накопленного в этой области знаний.

2. Совокупность экспериментально обнаруженных закономерностей влияния параметров микроструктуры (плотности и характера распределения дислокаций, объемной доли карбидных частиц, плотности контуров изгиба-кручения), величины локальных внутренних напряжений в теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталях после различных сроков службы на акустические характеристики и механические свойства (длительную прочность, предел прочности, предел текучести).

3. Физические представления и экспериментально подтвержденные математические модели связей параметров микроструктуры и механических свойств теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей с локальными внутренними напряжениями и акустическими характеристиками.

4. Экспериментально установленные закономерности влияния режимов термической обработки углеродистых, кремнемарганцевых и хромомолибденованадиевых сталей в исходном состоянии на время задержки ПАВ.

5. Комплексный критерий предельного состояния, применение которого позволяет с достаточной достоверностью по времени задержки ПАВ в исследованном элементе оборудования прогнозировать его работоспособность, определять неразрушающим методом степень накопленной микроповрежденности и физико-механические характеристики исследуемых сталей.

Личный вклад автора заключается:

• в постановке и решении научной проблемы, в разработке системных положений и подходов к прогнозированию работоспособности металла после длительной эксплуатации;

• в разработке концептуальной модели управления безопасной эксплуатации ТУОПО;

• в проведении комплекса экспериментальных исследований микроструктуры, определении физико-механических и акустических характеристик на различных этапах жизненного цикла исследованных теплоустойчивых сталей и в установлении основных закономерностей влияния параметров микроструктуры на акустические характеристики;

• в разработке ККПР и методики оценки предельного состояния металла ТУОПО, создании электронной базы данных (БД ТУОПО);

• в апробации и внедрении результатов работы.

В диссертации не использованы идеи соавторов. Подавляющее большинство публикаций по теме диссертации написаны лично автором.

Результаты работы нашли применение в учебном процессе в виде курсов лекций для студентов, магистрантов и аспирантов но дисциплинам «Диагностика технического состояния технологического оборудования», «Металловедение», «Технологические процессы машиностроительных производств», «Научные основы технологии машиностроения», «Система обеспечения качества машиностроительного производства», «Новые методы обработки», «Методология научных исследований» для студентов специальностей: «Технология машиностроения»; «Оборудование и технология сварочного производства»; «Теплоснабжение по отраслям» и «Горные машины и оборудование», а также отражены в двух монографиях и методических указаниях к лабораторным и практическим занятиям, изданным в период 1988-2004 гг.

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в соответствии с общеакадемической программой фундаментальных исследований АН СССР «Повышение надежности систем машина - человек - среда» в период 1989-2000 гг., федеральной целевой программой «Интеграция» на 1997-2002 гг., научно-технической программой «Сибирь», республиканской комплексной программой «Энерго- и ресурсосберегающие технологии» в течение 1998 года, научно-технической программой Минобразования РФ «Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники» в 2001—2002 гг., межотраслевой программой Миннауки РФ и РАО ЕС России «Живучесть ТЭС», межвузовской программой НИР «Металл».

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрение в период с 1976 по 2003 гг. на 17 всесоюзных, 10 республиканских, 6 региональных, 4 международных научно-технических конференциях, в том числе на всесоюзной научно-технической конференции «Опыт эксплуатации длительно работающего металла энергооборудования» (Москва, 1976 г.); седьмом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии (Москва, 1976 г.); всесоюзном научно-техническом совещании «Рациональные методы контроля, обеспечивающие надежность металла энергооборудования» (Москва, 1978 г.); всесоюзном научно-техническом совещании «Опыт контроля и исследования металла энергооборудования» (Горловка, 1979 г.); всесоюзном научно-техническом совещании «Система контроля и оценка надежности и долговечности металла в энергоустановках» (Москва, 1981 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы термической и термомеханической обработки стали» (Днепропетровск, 1981 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эксплуатационной надежности сварных соединений энергооборудования» (Москва, 1982 г.); всесоюзном научно-техническом совещании «Надежность трубопроводов электростанций» (Москва, 1990 г.);

2-й международной научно-технической конференции «Pipeline inspection 2-nd international conference» (Москва, 1991 г.); международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк., 1998 г.); на международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах, компьютерное моделирование» (Барнаул, 2001 г.); международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», посвященном памяти В. А. Лихачева (70 лет со дня рождения) (Санкт-Петербург, 2001 г.); научно-технической конференции «Промышленная безопасность при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, сосудов, работающих под давлением и трубопроводов пара и горячей воды. Котлонадзору России 160 лет» (Санкт-Петербург, 2003 г.).

Материалы, применяемые для паровых и водогрейных котлов, трубопроводов пара и горячей воды, сосудов, работающих под давлением

Как подчеркивают авторы [4], в настоящее время на предприятиях при эксплуатации длительно работающего оборудования зачастую не учитывается ни фактический характер загруженности, ни воздействие среды на изменение физико-механических свойств, ни процессы, протекающие в материалах при длительной эксплуатации, ни степень его поврежденности.

Технические устройства опасных производственных объектов (котлы, сосуды, трубопроводы, подъемные сооружения, горношахтное оборудование, аппараты химических и нефтехимических производств и т. д.) работают длительное время в сложных напряженных условиях при повышенных (либо пониженных) температурах и давлениях, в агрессивных средах при циклических и термоциклических нагрузках и т. д. Следовательно, к материалам для изготовления объектов повышенной опасности (в зависимости от условий эксплуатации) предъявляются специфические требования.

Материалы, используемые для изготовления и ремонта объектов котлонадзора, должны обладать способностью деформироваться без образования трещин в холодном и горячем состоянии, хорошей свариваемостью, высокими прочностными и пластическими свойствами, которые обеспечивали бы надежную эксплуатацию. В тех случаях, когда материал работает при высоких температурах и в контакте с агрессивными средами, он должен быть жаропрочным и достаточно устойчивым к коррозии.

Для изготовления объектов котлонадзора применяют стали, поставляемые по ГОСТ 380, ГОСТ 1050, ГОСТ 5520. Это стали обыкновенного качества — Ст2кп, СтЗпс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп и другие. Кипящие и полуспокойные стали, используют в наименее ответственных деталях и узлах оборудования.

Для объектов котлонадзора, работающих в более напряженных условиях (при значительных температурах и давлениях), применяют качественные и высококачественные стали: Юпс, 10, 15, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40 (ГОСТ 1050) [5, 6]. Энергооборудование (объекты, эксплуатирующиеся при температуре свыше 500 С и давлении более 10 МТТа) изготавливают из специальных легированных жаропрочных сталей и сплавов.

Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложнонапря-женного состояния, характеризующегося постоянными изменениями величины и знака нагрузок, большое значение имеет высокое сопротивление усталости при высоких температурах. Согласно требованиям Правил Госгортехнадзора России чаще всего для объектов котлонадзора (эксплуатирующихся при высоких параметрах), используют стали легированные Cr, Mo, V, Ni, W, Mn, Si [5]. Из всех сталей наибольшее распространение в энергетике получили стали 12Х1МФ, 12Х2МФСР, 15Х1М1Ф, причем сталь 12Х1МФ применяется значительно шире. Из нее изготовлены сотни тысяч тонн труб, эксплуатирующихся на электрических станциях России. Материалы, применяемые в энергетике и работающие при высоких температурах и давлениях, должны обладать следующими свойствами: жаропрочностью (сопротивление ползучести и разрушению в течение заданного времени); жаростойкостью (сопротивление воздействию газовой среды или пара высоких температур); стабильностью структуры и свойств во время заданного срока службы; деформационной способностью (величина относитель-ного удлинения до разрушения); технологичностью (способность материала деформиро-ваться в горячем и холодном состоянии, свариваться, обрабатываться резанием и т. д.). В настоящее время можно считать установленным, что жаропрочность сталей определяется структурой и прочностью межатомных связей в решетке, зависит от природы сталей и может быть повышена путем соответствующего легирования [7]. Стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф обладают высокой стабильностью структуры в процессе длительной эксплуатации, необходимой жаропрочностью и жаростойкостью, хорошей технологичностью при малом содержании легирующих элементов. Для сталей, применяемых в энергетике, разработаны специальные технические условия (ТУ 14-3-460-75), в которых регламентированы химический состав, механические свойства и вид термической обработки. В приложении к техническим условиям имеются «Шкалы микроструктур» для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 12Х2МФСР. Для реализации механизмов упрочнения оптимальным является режим термической обработки, состоящий из нормализации и высокого отпуска. Иногда применяют закалку в масле с замочкой в воде и высокий отпуск. Согласно ТУ 14-3-460-75 для каждой марки стали существуют сдаточные и браковочные структуры. Браковочные структуры появляются в случае значительного нарушения режима термической обработки. Основным принципом построения шкал является уменьшение количества отпущенного бейнита в структуре труб из стали 15Х1М1Ф и 12Х2МФСР, отпущенного бейнита и перлита в структуре труб из стали 12Х1МФ. Сдаточные микроструктуры оцениваются пятью баллами от 1 до 5) с содержанием отпущенного бейнита и перлита у стали 12Х1МФ и 12Х2МФСР от 100 до 15 % включительно, а у стали 15Х1М1Ф от 100 до 20 % включительно (рис. 1.3).

Влияние температуры и шероховатости поверхностей образцов на измеряемые характеристики акустических волн

Определим высокопоставленную функцию (функцию высшего порядка), которая будет отображать основную точку зрения на промышленную безопасность. Как было отмечено выше, безопасная эксплуатация технических устройств зависит от большого числа факторов, поэтому логичным является выделение такой главной функции, как «Управлять безопасной эксплуатацией технических устройств опасных производственных объектов». На рис. 2.2 представлена контекстная (родительская) диаграмма или диаграмма-предок. Определены и описаны основные взаимодействия (стрелки), которые активируют основную функцию:

В качестве ресурса принят расчетный срок службы технических уст

ройств (до начала эксплуатации на опасном производственном объекте). Эта характеристика задается в зависимости от примененямых материалов, их хи мического состава, режимов термической обработки и физико-механических свойств, а также вектора \ax,a2,...cctJ..]= {а,} совокупности эксплуатационных параметров, таких как температура ссх, внутреннее давление (для трубопроводов) а2, уровень действующих напряжений аг, вида напряженно-деформированного состояния а4, агрессивности среды а5 и т. д. Здесь (/аг,) -условный показатель или показатель при условии воздействия вектора {or,}. 2. Продуктом выполнения данной функции является также срок экс плуатации оборудования, но уже с учетом определенного времени работы при заданных параметрах (либо при их изменениях и нарушениях), иначе говоря - остаточный срок службы или индивидуальный остаточный ре сурс-РО(/а,). Две стрелки на выходе из блока означают, что ресурс после определенной наработки может быть представлен в одном из двух видов: ресурс остаточный и ресурс послеремонтный РП(/а,). Под послеремонт ным ресурсом понимается назначенный срок эксплуатации узла или детали технического устройства после его ремонта либо после замены. Ремонт или замену проводят в случае исчерпания деталью или узлом своего ресурса либо после их повреждений (разрушений). 3. В качестве управляющих воздействий приняты нормативно-техническая документация (НД) на технические устройства (ГОСТы, ОСТы, ТУ и РД Госгортехнадзора России) и.эксплуатационно-техническая документация рассматриваемого оборудования, включающаяся в себя проект-но-конструкторскую документацию на техническое устройство, паспорт оборудования, инструкции по эксплуатации, ремонтную документацию (сведения о заменах, сертификаты на основной и сварочный материалы, технологии ремонта, сведения о качестве сварки и др.), заключения и результаты предыдущих технических диагностик и т. д. 4. В качестве механизмов исполнения функции приняты реальные режимы эксплуатации оборудования, от параметров которых зависит состояние металла на данном этапе работы, и экспертиза, проводимая в заданные НТД сроки и план ремонтно-восстановительных работ. 5. Вызов (запрос) разделяет или соединяет информацию между моделями или элементами данной модели, а также может отсылать для получения дополнительной информации к другой модели, а также позволяет проводить описание в иных категориях и терминах. В рамках данной контекстной модели с целью реализации механизмов исполнения проводится запрос к базе данных технических устройств опасных производственных объектов (БД ТУОПО) и базе данных состояния металла (БДСМ) с целью получения информации о безопасной эксплуатации различных и подобных технических устройств опасных производственных объектов на разных стадиях службы, об условиях их работы, о характере изменения физико-механических характеристиках и микроструктуры и других эксплуатационных параметров, включая и результаты экспертиз. При этом описание баз данных проводится с использованием концептуальной схемы в форме одной модели или нескольких локальных моделей, которые могут быть отображены в любую систему баз данных. При моделировании данных описываются диаграммы «сущность - связь», с помощью которых опреде ляются важные для предметной области объекты (сущности), их свойства (атрибуты) и отношения друг с другом (связи). Таким образом, реализовать главную функцию по управлению безопасной эксплуатацией технических устройств (предотвращать аварийные ситуации) можно, если знать реальные режимы эксплуатации и состояние металла (результаты экспертиз на разных стадиях службы), т. е. в категориях и терминах модели должен быть известен характер изменения физико-механических характеристик и микроструктуры используемых материалов во времени.

Одной из наиболее важных особенностей методологии является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель. В IDEF0 принята следующая терминология: функции «раскладываются» (подвергаются декомпозиции), а блоки-прямоугольники, обозначающие функции, «детализуются». Прямоугольник, обозначающий систему как единое целое, затем подвергается детализации на другой диаграмме; получившиеся прямоугольники соединяются стрелками-взаимодействиями. Эти прямоугольники обозначают главные подфункции одной функции-предка. Такое разложение описывает полный набор подфункций, каждая из которых обозначена прямоугольником, границы которого определены стрелками-взаимодействиями. Каждая из этих подфункций может быть разложена аналогичным образом, после чего становится видимым очередной уровень детализации [187, 188].

Каждый компонент модели может быть декомпозирован на другой диаграмме. Каждая диаграмма иллюстрирует «внутреннее строение» блока на родительской диаграмме. Таким образом, IDEFO-модели представляют собой иерархическую структуру, на вершине расположен блок (родительский, контекстный) всей системы как единого целого, а на нижних уровнях расположены детализированные блоки родительской диаграммы.

В единых терминах и категориях металловедения и промышленной безопасности проведена декомпозиция модели (рис. 2.3). Отличительными особенностями детализированной диаграммы АО-уровня являются: 1. Выделение трех основных исследуемых подфункций - эксплуатация технического устройства заданный срок службы, оценка его технического состояния и проведение ремонтно-восстановительных работ.

Границы зерен, локализация карбидной фазы и участки с пониженной плотностью материала

Поскольку структурное состояние сталей при длительной работе изменяется, происходит распад структуры, накопление микроповреждений, то меняются и их физико-механические характеристики и внутренние напряжения. Следовательно для блоков-потомков А22522, А22523, А22524 кроме ТД, НД и ФЯ параметры микроструктуры будут управлять процессами взаимодействия для этих блоков но АВ11. Кроме того, внутренние напряжения, связанные с параметрами структуры, управляют блоками А22523, А22524 по АВ12, а длительная прочность управляет блоком А22524 по АВІЗ. Ответы на запросы из БД СМ и БД ТУОПО дают дополнительную информацию о результатах ранее проведенных исследований сталей, работающих разное время в технических устройствах.

Для выявления закономерностей изменения акустических характеристик в зависимости от параметров микроструктуры, необходимо установить влияние микроструктуры в исходном состоянии после различных режимов термической обработки на параметры сигналов акустической эмиссии и время задержки волн Рэлея W R (А225211), влияние параметров микроструктуры на акустические характеристики сталей после различных сроков эксплуатации и с различной жаропрочностью либо пределом выносливости WT(Rj) (А225212), а также влияние параметров микроструктуры на акустические характеристики в сталях, исчерпавших свой ресурс работоспособности и с наличием в микроструктуре микроповреждений Wf(R) (А225213), рис. 2.10. Так как параметры микроструктуры оказывают значительное влияние на акустические характеристики (в исходном состоянии, т. е. в состоянии поставки), то необходимо определить информационные связи определяющие закономерности изменения акустических характеристик WT при различных режимах термической обработки UT. Для этого проведена декомпозиция блока А225211 и получены его блоки-потомки А2252111, А2252112, А2252113, которые характеризуют влияния закалки U3 либо нормализации UH, различных режимов улучшения Uy, отжига U0 на время задержки ПАВ. Ранее было отмечено, что параметры микроструктуры влияют на величину и распределение внутренних напряжений, поэтому необходимо оценить влияние дальнодействующих полей напряжений на акустические характеристики. На первой стадии определяли влияние величины и распределения полей напряжений на время задержки ПАВ в сталях с исходным состоянием структур после различных режимов термической обработки W0(aul) (А225221), далее получали зависимость между акустическими характеристиками и внутренними напряжениями в металле с различной жаропрочностью и пределом выносливости (А225222) и оценивали закономерности изменения акустических характеристик в металле, исчерпавшем свой ресурс, в зависимости от внутренних напряжений (А225223) /((т111). Параметры структуры здесь присутствуют как одно из управляющих воздействий по АВ11 на вышеуказанные блоки.

Механические свойства, такие как пределы прочности и текучести, относительное удлинение и сужение, твердость и ударная вязкость служат регламентирующими и относительно просто определяемыми характеристиками при оценке возможности применения заданных сталей в деталях и элементах технических устройств, поэтому их определение и установление взаимосвязей с временем задержки ПАВ и параметрами сигналов акустической эмиссии представляет большой научный и практический интерес.

При декомпозиции блока А22524 блок-потомок А225241 устанавливает влияние механических свойств исследованных сталей в исходном состоянии на изучаемые акустические характеристикиW0(Rlk), блок А225242 устанавливает эти же взаимосвязи в металле после различных сроков эксплуатации (с разной жаропрочностью или пределом выносливости) WT{Rlk), и блок А225243 выявляет взаимосвязи времени задержки ПАВ и параметров сигналов акустической эмиссии с кратковременными механическими характеристиками сталей, исчерпавшими свой ресурс с наличием в струк туре микроповреждений (пор, микротрещин) Wf(Rik). Параметры микроструктуры, внутренние напряжения и длительная прочность (предел выносливости) присутствуют в установлении этих зависимостей путем управляющего воздействия по АВ11, АВ12, АВІЗ.

Результаты экспериментальных исследований передаются по АВ1 в блок А2253, где методами математического моделирования разрабатывают модели взаимодействия изучаемых характеристик (рис. 2.8). Математические модели через М связаны с блоком А2254 для разработки акустического интегрального критерия предельного состояния длительно работающего металла. Критерий предельного состояния (АК) является основой для создания экспресс-методики (А226) определения предельного состояния. Исходными данными для разработки методики (А226) являются математические модели (М) и акустический критерий (АК), использование которых дает возможность построить алгоритм определения предельного состояния (А2261) и по АГ передать информацию в А2262 для разработки экспресс-метода (рис. 2.11). Для внедрения экспресс-метода проводят его апробацию (А2263) по ЭМ первоначально на вырезках из различных деталей или узлов технических устройств (поврежденных и после различных сроков эксплуатации) с исследованием микроструктуры, определением физико-механических характеристик, определением индивидуального (остаточного) ресурса по существующим методикам. Положительные результаты апробации дают возможность широкого применения данного метода в промышленности для оценки предельного состояния длительно работающего металла и определения его ресурса работоспособности (РО). Следует особо подчеркнуть, что, применив разработанный метод, можно значительно сократить объемы работ проведения экспертизы по существующей в настоящее время схеме.

Изменение микроструктуры вдоль поверхности трубы и связь ее параметров со временем задержки ПАВ

Необходимую прочность в низколегированных сталях, работающих преимущественно до 585 С, получают за счет комплексного легирования их в большинстве случаев хромом, молибденом, ванадием, вольфрамом и ниобием. Эти карбидообразующие элементы имеют ограниченную растворимость в а -железе. Введение в сталь ниобия, титана, ванадия уменьшает скорость диффузионных процессов перераспределения элементов, упрочняющих твердый раствор, в первую очередь молибдена [192]. Эти элементы также упрочняют стали, образуя термически стойкие высокодисперсные карбиды, которые препятствуют развитию сдвиговых процессов.

Выявлено, что трубы из Cr-Mo-V сталей со структурой отпущенного бейнита имеют наибольшую жаропрочность, так как здесь реализуются все механизмы упрочнения [7, 8].

При структуре феррита с крупными карбидами трубы имеют минимальную жаропрочность, упрочнение происходит лишь за счет взаимодействия атомов легирующих элементов с дислокациями.

Сталь 12Х1МФ. В основном из этой стали изготавливают трубы для паропроводных и пароперегревательных труб. Нормированный режим .термической обработки труб согласно ТУ 14-4-60-75 состоит из нормализации 950-980 С, отпуска 720-750 С в пределах 1-3 часов с охлаждением на воздухе. При применяемых в практике скоростях охлаждения труб распад аустенита при нормализации может происходить в феррито-перлитной, феррито-перлито-бейнитной, феррито-бейнитной и бейнитной областях. Высокие значения длительной прочности достигаются за счет фазового наклепа, дисперсионного твердения и термической стабильности заданной структуры, для чего применяют высокий отпуск.

Для выявления характера микроструктуры стали 12Х1МФ в исходном состоянии проводили электронно-микроскопическое исследование образцов с 4-5 баллом микроструктуры «Шкалы микроструктур» приложения к ТУ 14-4-460-75. Границы как ферритных, так и бейнитных зерен изогнуты. Распределение зерен по образцу достаточно неоднородно. Встречаются области, где зерна бейнита занимают значительную часть шлифа, и области, где бейнитные зерна практически отсутствуют. Был измерен средний размер зерен, он составляет 11,1 мкм. Измерены зерна бейнита отпуска и феррита по отдельности. Размеры зерен феррита варьируются в пределах 1,8-36,4 мкм, бейнита отпуска - в пределах 1,8-32,7 мкм. Измерены также объемные доли ферритной и бейнитной составляющих, они равны: Р - 84,2 %; Р „- 15,8 %.

Основными карбидами являются М3С, М7С3 и следы VC. Несомненно, в исходном состоянии практически весь углерод находится в карбидах М3С (в частицах по границам зерен - 1,60 %). Рентгеноструктурный анализ показал, что параметр кристаллической решетки от-фазы в исследуемых образцах стали 12Х1МФ находится в пределах 0,2867 (7) - 0,2868(4)нм.

Обнаружены следующие типы субструктур: сетчатая, ячеистая и ячеисто-сетчатая. Классификация субструктур дана в соответствии с принятой в [245]. Основным типом субструктуры является сетчатая. По микрофотографиям была оценена объемная доля субструктур (Р„), а также измерена средняя скалярная плотность дислокаций {р) и плотность дислокаций в различных типах субструктур в различных зернах. В исследованных образцах плотность дислокаций в сетчатой структуре (3,9-109см 2) несколько выше, чем в ячеистой (З.Ы09слГ2) и плотность дислокаций в ферритных зернах выше, чем в бейнитных. Для исследованной стали характерна неоднородность дислокационной субструктуры - встречаются области с более высокой плотностью дислокаций и места, где дислокации практически отсутствуют.

Упругие внутренние дальнодействующие поля напряжений были измерены в or-фазе электронно-микроскопическим методом. Исследования показали, что упругие внутренние поля напряжений сравнительно невелики. Так, на электронно-микроскопических изображениях структуры стали контуры изгиба-кручения незначительны, что свидетельствует о достаточно «спокойном» состоянии при малом содержании бейнита отпуска и несколько возрастают при его увеличении.

Сталь 15Х1М1Ф. В большинстве случаев в современных энергоблоках для изготовления паропроводов применяют сталь 15Х1М1Ф. Нормативный режим термической обработки для этой стали заключается в нормализации от 970-1000 С. Отпуск 730-760 С с выдержкой не менее 10 часов. Охлаждение на воздухе. Увеличенное в стали 15Х1М1Ф по сравнению со сталью 12Х1МФ содержание Сг и Мо приводит к увеличению стабильности аустенита, что и определяет особенности ее термокинетического распада и соответственно формирование структуры. Низкие скорости охлаждения (0,8-2,0 град/мин) соответствует отжигу. Структура стали в данном случае состоит из феррита (« 70 %) и перлита ( 30 %). Оптимальной температурой отпуска является интервал 730-760 С. Установлено [8], что длительная прочность при более низких температурах отпуска выше.

Показано [7, 8, 9, 76, 105, 183], что в стали 15Х1М1Ф в процессе охлаждения из аустенитного состояния формируется феррит двух типов -равновесный и пересыщенный с концентрацией углерода, близкой к концентрации аустенита. Равновесный феррит после отпуска имеет под микроскопом белый цвет, его микротвердость достигает 200 единиц. Длительная прочность и длительная пластичность данной исследованной стали зависит от содержания бейнитной составляющей в структуре.

Сталь 12Х2МФСР. Эта сталь применяется преимущественно для изготовления труб пароперегревателей. Из нее изготавливают конвективные и ширмовые пароперегреватели первичного пара и вторичного пром-перегрева. На котлах блоков 150-200 МВт с параметрами 14 МПа и 570 С сталь 12Х2МФСР применяется для изготовления выходных ступеней пароперегревателей.