Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ повреждаемости барабанов котлов высокого давления 11
1.1 Барабан котла высокого давления 11
1.1.1. Особенности конструкции 12
1.1.2. Современное состояние парка оборудования 14
1.2 Процессы, протекающие в сталях, применяемых для изготовления сварных барабанов при длительной эксплуатации котлов 19
1.2.1. Термическая усталость и ее механизм в металле бара- 19 банов
1.2.2. Особенности термической усталости в барабанах 24
1.3 Механизм разрушения барабанов котлов высокого давления и виды возможных повреждений 26
1.3.1. Коррозионно-усталостный механизм распространения трещин 26
1.3.2. Виды повреждений металла сварных барабанов котлов 28
1.3.3. Примеры катастрофических разрушений барабанов котлов высокого давления (Курганская и Ярославская ТЭЦ) 30
1.4. Методы оценки ресурса и технического диагностирования метал ла барабанов котлов высокого давления 33
1.4.1. Разрушающие методы исследований 33
1.4.2. Расчетные методы определения ресурса основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления 37
1.4.3. Неразрушающий контроль металла сварных барабанов 38
1.4.4. Акустические методы контроля. Спектрально-акустический метод 41
1.4.5. Магнитные методы контроля. Магнитошумовой метод 42
1.5. Ремонт барабанов котлов высокого давления с применением сварки 44
Выводы. Цели и задачи исследований 45
Глава 2. Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокогодавления; образцы и методики исследований 48
2.1. Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого.давления 48
2.2. Материалы и образцы исследований 57
2.3. Спектрально-акустический метод. Аппаратно-программные компоненты и методика испытаний 59
2.4. Магнитошумовой метод. Аппаратно-программные компоненты и методика испытаний 64
2.5. Методика измерения микротвердости 67
2.6. Исследования с применением методов электронной микроскопии 68
2.6.1. Оптическая микроскопия (микроанализ) 71
2.6.2. Просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах (ПЭМ) 72
2.6.3. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 73
2.6.4. Рентгеноструктурный анализ (РСА) 74
2.7. Другие методы исследований 76
2.8. Выводы по главе 2 76 Стр.
Глава 3. Структура, локальные поля внутренних напряжений и поврежденность металла длительно работающих барабанов 78
3.1. Структурное состояние длительно работающего основного металла барабана котла, изготовленного из специальной молибденовой стали: 79
3.1.1. Исследование структурного состояния поврежденного металла кольцевого шва и металла мостиков между во-доопускными отверстиями барабана котла 79
3.1.2. Измерение микротвердости в длительно работающем основном металле барабанов котлов 88"
3 Л .3. Локальные поля внутренних напряжений ві длительно работающем основном металле барабанов котлов 89
3.2. Исследование поврежденного сварного соединения барабана и структурного состояния наплавленного металла после ремон та 97
3.2.1. Исследование структурного состояния наплавленного металла, ЗТВ и прилегающего объема основного металла барабана котла после ремонта 97
3.2.2. Измерение микротвердости!в наплавленном металле барабанов котлов 103
3.2.3. Локальные поля внутренних напряжений в наплавленном металле барабанов котлов 105
3.3. Выводы к главе 3 107
Глава 4. Разработка и апробация акустического и магнитного критериев опенки ресурса барабанов котлов высокого давления 109 Стр.
4.1. Результаты акустических и магнитных измерений выполненных на длительно работающем основном и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления 109
4.1.1. Результаты акустических и магнитных измерений выполненных на длительно работающем основном металле барабанов котлов высокого давления 109
4.1.2. Результаты магнитных измерений выполненных на длительно работающем и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления 114
4.2. Сравнение результатов исследования образцов длительно работающего основного и наплавленного металла спектрально-акустическим и магнитошумовым методами с данными электронной микроскопии 117
4.3. Алгоритм статистической обработки экспериментальных данных... 122
4.4. Разработка акустического и магнитного критериев оценки ресурса сварных барабанов котлов 124
4.5. Апробация комплексного критерия оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления 131
4.6. Выводы к главе 4 132
Заключение 134
Список литературы 136
- Процессы, протекающие в сталях, применяемых для изготовления сварных барабанов при длительной эксплуатации котлов
- Спектрально-акустический метод. Аппаратно-программные компоненты и методика испытаний
- Исследование структурного состояния поврежденного металла кольцевого шва и металла мостиков между во-доопускными отверстиями барабана котла
- Сравнение результатов исследования образцов длительно работающего основного и наплавленного металла спектрально-акустическим и магнитошумовым методами с данными электронной микроскопии
Введение к работе
Актуальность работы. В процессе длительной эксплуатации сварных барабанов котлов возникает ряд проблем, которые могут привести и приводят к аварийным ситуациям на электростанциях. В первую очередь это связано с тем, что в процессе длительной эксплуатации под воздействием конструкционно-технологических и эксплуатационных факторов риска основной металл и сварные соединения барабанов котлов работают в сложнонапряженных условиях, требующих повышенного внимания к оценке ресурса и к качеству выполнения ре-монтно-восстановительных работ. Кроме того, большая часть парка барабанов (85-90%) выработала свой ресурс и нуждается в полной замене. Однако современное состояние экономики в тепловой энергетике не позволяет своевременно проводить замену устаревшего оборудования.
В настоящее время оценка работоспособности барабанов котлов осуществляется преимущественно при помощи расчетных алгоритмов, которые не учитывают изменение структуры длительно работающего металла, а также процессы зарождения и накопления структурной поврежденности. Весьма актуальной становится задача совершенствования методов оценки ресурса длительно работающего основного металла, сварных соединений и наплавок после ремонтов барабанов котлов высокого давления на основе применения неразрушающих методов контроля. Все более широкое распространение получает концепция, основанная на «прогнозировании и предупреждении» вместо используемой концепции «обнаружение и устранение».
Методы неразрушающего контроля, применяемые в настоящее время, используются в основном для обнаружения существующих дефектов и не позволяют, в необходимой мере, определять степень изменения структуры основного и наплавленного металла в процессе длительной эксплуатации. В этом отношении перспективны акустические и магнитные методы. Измеряемые характеристики, такие как время задержки поверхностных акустических волн и интенсивность магнитного шума, чувствительны к изменениям структуры длительно работающего металла и зарождению микроповреждений, а также имеют связь с механическими свойствами материалов.
Цель работы - повышение эффективности оценки ресурса барабанов котлов высокого давления на основе раскрытия закономерностей изменения акустических и магнитных характеристик основного и наплавленного металла как результата трансформации структуры при сварке и после длительной эксплуатации.
Основная идея работы заключается в выявлении и использовании связей между структурным состоянием, локальными полями внутренних напряжений и акустическими и магнитными характеристиками для совершенствования технологии оценки ресурса барабанов котлов высокого давления.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценить с современных позиций характерные механизмы повреждений и существующие методы оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления.
Разработать функциональную модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления.
Разработать методики проведения экспериментальных исследований по оценке ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления с применением акустических и магнитных методов.
Исследовать влияние изменения микроструктуры и локальных полей внутренних напряжений в длительно работающем основном и наплавленном металле барабанов котлов на акустические и магнитные характеристики.
Разработать акустический и магнитный критерии оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов и практические рекомендации по использованию разработанных критериев, апробировать их в промышленности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления, представленная в виде информационной системы знаний и закономерностей, позволяющая оценивать ресурс исследуемого длительно работающего основного и наплавленного металла на основе проведения мероприятий по изучению микроструктуры и учитывающая комплекс физико-механических, акустических и магнитных характеристик.
Выявлены источники локальных полей внутренних напряжений в специальной молибденовой стали. Установлено влияние структурных изменений на акустические и магнитные характеристики в длительно работающем основном и наплавленном металле барабанов котлов.
Установлено, что с возрастанием локальных полей внутренних напряжений происходит рост значений времени задержки поверхностных акустических волн и микротвердости, уменьшение значений интенсивности магнитного шума вблизи трещин в длительно работающем основном металле барабанов, изготовленных из специальной молибденовой стали и в зоне термического влияния наплавки после ремонта трещин.
Показано, что термическая обработка, проведенная после ремонта сваркой перлитными электродами дефектных участков барабанов котлов высокого давления при температуре 650 С, снизила уровень локальных полей внутренних напряжений в четыре раза в зоне линии сплавления.
Практическая ценность результатов работы:
Разработаны акустический и магнитный критерии оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления, которые применены при оценке состояния длительно работающего металла барабанов котлов №1,2 ОАО Южно-Кузбасская ГРЭС до и после ремонта сваркой.
Разработаны практические рекомендации по оценке ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления, изготовленных из специальной молибденовой стали, стали 22К и 16ГНМ, которые нашли применение на ОАО «Южно-Кузбасская ГРЭС», ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбасстехэнерго», ООО «Кузбасский инженерно-консультационный диагностический центр «Надежность» и ООО «Кузбасский РИКЦ».
Достоверность результатов исследований
Результаты работы получены на основе базовой общенаучной методологии, структурного моделирования и синтеза, статистического и компьютерного моделирования и метода конечных элементов, что в целом обеспечило корректность постановки и решения задач. Сформулированные научные положения, результаты работы и выводы согласуются с общими представлениями теории акустоупругости, эффекта Баркгаузена и результатами исследований ведущих ученых и специалистов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления.
Результаты исследований структуры, локальных полей внутренних напряжений и микротвердости длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления, изготовленных из специальной молибденовой стали.
Закономерности изменения времени задержки поверхностных акустических волн, интенсивности магнитного шума и микротвердости в зависимости от микроструктуры и локальных полей внутренних напряжений.
Акустический и магнитный критерии оценки ресурса длительно работающего и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления и практические рекомендации по использованию разработанных критериев в промышленности.
Реализация результатов работы.
Результаты научных исследований апробированы и внедрены в виде практических рекомендаций с суммарным годовым экономическим эффектом около 300 000 рублей в условиях ОАО «Южно-Кузбасская ГРЭС», ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбасстехэнерго», ООО «Кузбасский инженерно-консультационный диагностический центр «Надежность» и ООО «Кузбасский РИКЦ».
Результаты исследований включены в рабочие программы учебных дисциплин «Теоретические основы диагностики», «Контроль качества сварных соединений», «Остаточные напряжения и деформации при сварке» для бакалавров, обучающихся по направлению 150700 «Машиностроение», профиль «Оборудование и технология сварочного производства» (ТС).
Личный вклад автора заключается:
В разработке функциональной модели обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления и использовании ее для оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов.
В установлении закономерностей изменения времени задержки поверхностных акустических волн, интенсивности магнитного шума и микротвердости в зависимости от величины локальных полей внутренних напряжений в длительно работающем основном и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления.
В разработке акустического и магнитного критериев и практических рекомендаций по оценке ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления с применением акустических и магнитных методов.
Участие в разработке технологии восстановительного ремонта барабана котла высокого давления №2 (котел ПК-10) на ОАО «Южно-Кузбасская ГРЭС».
Апробация работы
Основные научные положения докладывались на Российских и международных конференциях: 53-й научно-практической конференции КузГТУ, Кемерово, 2008 г.; IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Томск, 2008 г. І, П и III Всероссийской научно-практических конференциях «Россия молодая» КузГТУ, Кемерово, (2009-2011 гг.); VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Инженерия поверхностного слоя деталей машин» КузГТУ, Кемерово, 2009 г.; II и III Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» г. Самара, 2010 и 2011 г.; П-ой Международной научно-практической конференции «Инженерия поверхностного слоя деталей машин» БИТУ, Минск, 2010 г.; I и II Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2010 и 2011 г.; 1-ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» г. Бийск, 2010 г.; Международной научно-практической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» БИТУ, Минск, 2011 г.; Всероссийской конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов», г. Иркутск, 2011 г.; П-ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» г. Кемерово, 2011 г.
Комплексные исследования проводились в рамках грантов Министерства образования и науки РФ по проектам «Диагностирование наноструктурированного состояния основного металла и сварных соединений технических устройств опасных производственных объектов для предотвращения техногенных катастроф» (ГК № 02.740.11.0033 от 15 июня 2009 г.), «Формирование и трансформация наноструктур-ного состояния поверхностного слоя при комбинированной упрочняющей обработке и эксплуатации ответственных деталей машин» (ГК №П342 от 28 июля 2009 г.), «Инженерия поверхностного слоя на стадиях жизненного цикла ответственных деталей машин» (ГК № 02.740.11.5049 от 20 июля 2009 г.) Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., и по проекту «Научные основы технологического наследования наноразмерной дефектной структуры поверхностного слоя в процессах комбинированной упрочняющей обработки, эксплуатации и восстановления ответственных деталей машин» Аналитической Ведомственной Целевой Программы «Научный потенциал Высшей Школы» в 2009-2011 гг., а также в рамках гранта по программе «У.М.Н.И.К.», тема проекта: «Разработка способа оценки остаточного ресурса металла барабана котла высокого давления с применением критерия степени поврежденности металла».
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 23 научных трудах (из которых 8 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 182 наименований и 3 приложений. Работа содержит 215 страниц, в том числе 135 страницы основного текста, 77 рисунков, 11 таблиц и приложения на 60 страницах.
Процессы, протекающие в сталях, применяемых для изготовления сварных барабанов при длительной эксплуатации котлов
По особенностям развития трещин в барабанах котлов высокого давления можно судить о сложном характере процесса образования и развития повреждений и его зависимости от целого ряда факторов [21-23].
Статические нагрузки. По нормам расчета на прочность [24] считается, что оценка прочности по предельным нагрузкам, а не по наибольшим местным напряжениям, позволяет обеспечить надежность работы детали, изготовляемой из материалов с достаточно высокой пластичностью и работающей при стационарных нагрузках, при наличии местных пластических деформаций.
Анализ статистических данных показывает, что уровень расчетных напряжений а = 100 МПа является достаточно надежным (имеются единичные дефекты, после удаления которых новые не появляются) независимо от марки стали и времени эксплуатации тэкс (линия ABC, рис. 1.9). Несмотря на примерно одинаковую относительную повреждаемость барабанов, выполненных из стали 22К и 16ГНМ, повреждения в зоне трубных отверстий барабанов из стали 16ГНМ наблюдаются при 10-30 тыс. ч эксплуатации, а барабанов из стали 22К - при 30-80 тыс. ч работы. б.МПа
Сталь 16ГНМ обладает меньшей деформационной способностью при длительном статическом нагружении, чем сталь 22К, однако обе стали относительно предела текучести нагружены одинаково, и поэтому барабаны из стали 16ГНМ находятся в более жестких условиях работы при длительном деформировании и раньше повреждаются. Туляков [21-23, 25] утверждает, что, высокий уровень статических напряжений является одной из причин повреждения барабанов, рассчитанных по предельным нагрузкам, при этом существенное значение имеет деформационная способность метала.
Циклические нагрузки. Эксплуатационные циклические нагрузки можно разделить на малоцикловые, возникающие при пусках, остановах, аварийных выводах котлов из работы и при гидроиспытаниях, и многоцикловые, имеющие место при длительной работе барабана на номинальных режимах.
Механические нагрузки, действующие при пусках и остановах в локальных областях на кромках отверстий, могут быть значительными. На переходных режимах при аварийных остановах из-за повреждения труб поверхностей нагрева напряжения от перепада температур по толщине стенки и по окружности барабана достигают 300 МПа. Циклические термические напряжения, возникающие на номинальных режимах работы барабана, действуют вместе со статическими растягивающими напряжениями от внутреннего давления, превышающими на кромках отверстий предел текучести металла, вызывая условия асимметричного усталостного .нагружения. Термометрирование в зоне водоопуск-ных отверстий, проведенное на разных котлах, показало, что колебания температуры в стенке барабана в среднем составляет 15—20 С с периодичностью 20-50с и 5—12 С с периодичностью 3-6 с. Термические напряжения при этом равньь соответственно 60-80 и 20-50 МПа при- цикличности 5-106-5-107и5-107-5-108[26].
Таким образом, исходя изхвойств циклической прочности сталей 22К и 16ГНМ и реально действующих на кромке отверстиям переменных напряжений, можно сделать.заключение о том, что циклические нагрузки, (термические при резкой асимметрии цикла и малоцикловые механические) являются одной из причин повреждения барабанов.
Воздействие коррозионной среды. Исследования термической- усталости котельных сталей в различных средах [27-29] показали, что специфические повреждения, характерные для,барабанов котлов высокого давления, возникают только при воздействии сильного окислителя (воды). Аналогич-ные результатьъ получены при испытаниях на коррозионно-малоцикловую усталость с доступом воздуха к поверхности для интенсификации коррозионных процессов [30] . Таким образом, коррозионная среда оказывает большое влияние на возникновение и развитие трещин в барабанах паровых котлов 17].
На основании широкого комплекса исследований авторы [17, 30] утверждают, что причиной возникновения трещин на кромках отверстий барабанов котлов высокого давления являются коррозионно-усталостные процессы, происходящие при высоком уровне статических напряжений в зоне их концентрации. Переменные напряжения, вызывающие усталостные разрушения, создаются при колебаниях температуры как во время работы на номинальных режимах, так и при пусках и остановах. Они считают, что ускоряет возникновение и развитие трещин коррозия, имеющая место при остановах под действием оставшейся в барабане воды, содержащей кислород, и дефекты поверхности (нарушение защитной окисной пленки, микронадрывы и т. п.).
Статистические данные по эксплуатации барабанов [21] и систематические исследования свидетельствуют о возможности работы барабанов без удаления слоя поверхности с трещинами в зоне водоопускных отверстий (трещины технологического и металлургического происхождения не рассматриваются).
Спектрально-акустический метод. Аппаратно-программные компоненты и методика испытаний
При наличии на обечайках или днищах дефектов глубиной более 15 мм (непроваров, пор и шлаковых включений) в основных сварных швах, недопустимых по действующим нормам, а также расслоения металла, вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации барабана при номинальных параметрах решается так же специализированной экспертной организацией и согласуется с органами Ростехнадзора. Специализированные организации дают рекомендации по технологии устранения повреждения-.
Ни один из методов НК не универсален, поэтому при оценке работоспособности длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов очень важен не только правильный выбор метода контроля, ной комбинирование ряда методов, сочетание неразрушающих и разрушающих испытаний, а так же проведение микроскопического исследования и т. д.
Неразрушающие методы, исследований в задачах оценки и прогнозирования работоспособности длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов 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 работающих основного и наплавленного металла.
Кроме того, существующий в f настоящее время подход к прогнозированию работоспособности и увеличению эксплуатационного ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов отличается большим многообразием руководящих документов, методов, методик и средств исследований и испытаний. Все это значительно затрудняет процесс оценки работоспособности и не всегда позволяет правильно оценить состояние металла барабанов и, следовательно, надежно прогнозировать срок их службы. Поэтому очевидна необходимость разработки нового методологического подхода к оценке работоспособности длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов, основанного на выявлении закономерностей эволюции микроструктуры и изменения физико-механических характеристик неразрушающими физическими методами исследования.
Акустические методы имеют ряд преимуществ, заключающихся в уникальных свойствах ультразвуковых волн выявлять множество рассеянных микроповреждений,, размеры каждого из которых меньше порога чувствительности многих других методов испытаний.
Одним из. перспективных методов контроля состояния основного» и наплавленного-металла и выявления несплошностей в настоящее время считается акустическийметод. Большое количество работ посвящено изучению изменений акустических характеристик в различных металлических материалах [50-61].
В.монографии В.В. Муравьева [62] приведены уникальные. результаты исследований скорости распространения объемных поверхностных волн в алюминиевых сплавах и сталях после различных термических и механических обработок. Найдены основные закономерности влияния структурных факторов на скорость звука [63]. У становлено, влияние формы графитовых включений на скорость продольной волны [64-66]. Выявлена связь скорости продольной волны с содержанием шаровидного графита. Дляг контроля отливок сложной конфигурации авторы [67] использовали поверхностные волны. Авторы [68] утверждают, что размер графитовых включений в чугунах оказывает влияние на акустические характеристики в меньшей степени, нежели их форма. Акустическими методами определяют и размеры зерен в металлах [69—71].
В.В:Красавин [72] обнаружил изменения скорости звука в сталях после различных режимов термической обработки. Ряд авторов [73-76] показали влияние напряжений и деформаций на скорость звука. Связь циклических механических и термических напряжений, а также механических свойств со скоростью распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн рассмотрены в работах А.В. Шарко, К.Е.Никитина, Т.Я. Бениевой, В.М. Боб-ренко и др. [77—81].
Авторами [82, 83] установлены зависимости скорости ультразвука от степени поражения длительно работающего металла микропорами. Информативными параметрами при этом являются относительные изменения скоростей поперечных и поверхностных ультразвуковых волн.
Одним из важнейших достоинств акустических методов является возможность контролировать поверхностные несовершенства в материалах с применением волн Рэлея (поверхностных акустических волн — ПАВ). Известно [84], что в различных сварных конструкциях технических устройств опасных производственных объектов накопление микроповрежденности, образование эксплуатационных микро — и макродефектов происходит, преимущественно, в поверхностных слоях и применение ПАВ может привести к их выявлению и определению предельного состояния сварных соединений.
Ранее авторами [85-87] было установлено, что спектрально-акустический метод контроля является чувствительным методом, оценки локальных полей внутренних напряжений и параметров «микроструктуры (плотности дислокаций, кривизны-кручениягкристаллической решетки.и т.д.). Кроме того, акустические характеристики материалов (скорость распространения-упругих волн, затухание и дисперсия, акустический импеданс) имеют связь с механическими свойствами материалов. Это позволяет по акустическим характеристикам материала судить о его механических свойствах. Авторами [85-87] предложены комплексные критерии степени поврежденности металла в относительных единицах.
Исследование структурного состояния поврежденного металла кольцевого шва и металла мостиков между во-доопускными отверстиями барабана котла
Основное требование, которое предъявлялось к образцам — это соответствие размеров образцов размерам камеры в приборе. Необходимо также, чтобы поверхность, предназначенная для исследования, была чистой. Очистка образцов от загрязнений осуществлялась с помощью различных растворителей в ультразвуковой камере в сочетании с осторожной механической очисткой.
Фольги для просвечивающей дифракционной электронной микроскопии приготовлялись следующим образом. Из образца, подлежащего изуче нию, вырезают круглую заготовку диаметром 3 мм и толщиной 0,2-0,3 мм, которую затем утоняют шлифованием до 0,1-0,15 мм. Окончательное утонение пластинки осуществляют химическим или электролитическим (наиболее частый случай) полированием в подходящем реактиве (по химическому составу, температуре). Подготовленную пластинку погружают в электролит в качестве анода. Катодами служат две металлические пластинки, расположенные по обе стороны от образца (фольги). Электрополирование, прш оптимальном соотношении тока и напряжения; продолжают до появления в центральной части полируемой пластинки одного или нескольких небольших отверстий (диаметром 0,2-0,8 мм). По краям таких отверстий участки фольги получаются наиболее тонкими и могут быть использованы для просмотра в электронном микроскопе.
Резка образцов! длительно работающего и наплавленного металла для структурных исследований была проведена на электроискровом станке в мягком» режиме. Такая резка не вносила в материал искажений структуры и дополнительных дефектов. Образцы нарезались на электроискровом станке параллельно поверхности исследуемого образца на пластинки, толщина которых зависела от метода исследования: для метода ПЭМ она составляла -250—300 мкм; для метода оптической микроскопии 2 мм, а для метода РЄА была вырезана центральная, часть образца. Подготовка» образцов после резки для всех последующих исследований включала заливку в специальные формы, шлифование и электролитическую полировку в пересыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Травление поверхности образца для "исследования в оптическом микроскопе проводилось в 5 %-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте при комнатной температуре. Заключительная полировка фольг для изучения в просвечивающем электронном микроскопе осуществлялась путем электролитического утонения в пене электролита, представляющего собой пересыщенный раствор хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте, при температуре -25-30 С и при начальном напряжении 22—23 В. Микроанализ проводят с целью определения микроструктуры и фазового состава сталей, оценки количества, размеров, форм и распределения различных фаз. Этот анализ позволяет выявить структуру,.характерную для некоторых видов обработки, обнаружить мельчайшие пороки металла (наличие микроповрежденности, микротрещин, неметаллических включений и т. д:);
Для выполнения» металлографического анализа из исследуемого металла изготавливают микрошлиф (небольшой образец), одну из плоскостей которого тщательно шлифуют и полируют, далее подвергают, травлению специальными реактивами. В некоторых случаях исследованию подвергаются нетравленые образцы, например для оценки загрязнённости стали неметаллическими включениями:
Обычно для выявления: микроструктуры низколегированных сталей применяют четырехпроцентный раствор азотной кислоты в спирте: Под влиянием реактива происходит избирательное растворение металлических или; других фаз, а, также их пограничных участков, вследствие различных физико-химических свойств. В результате чего образуется: рельеф. При-; нат блюдении под микроскопом;.значительно растворившиесяучастки из-за тенш или более низкого коэффициента отражения будут более темными, а не растворившиеся!— более: светлыми: При травлении металла, состоящего из: однородных зерен, выявляютсяих границы в виде темноштонкошсетки:.
Микроструктуру изучают с помощью оптических микроскопов (ГОСТ 10243). Современные оптические микроскопы позволяют исследовать микроструктуру металла при увеличениях до 1200-1800: раз: Разрешающая способность светового микроскопа не превышает 0,2 мкм.
В. настоящей работе для выполнения металлографических исследований использовали оптические микроскопы МИМ-8М и МИМ-10 при увеличении хЮО; х500; хЮОО; Металлографические исследования проводили с применением светопольного (вертикального) освещения. Для дополнительного повышения контрастности применяют другие виды, освещения, такие как, исследования в поляризованном свете, метод косого освещения, метод темнопольного освещения.
Применение метода оптической микроскопии (микроанализа) позволило установить связи между свойствами и количественными характеристиками микроструктуры длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов; такими как размером зерна содержаниемфазличных фаз, карбидов; неметаллических включений; микропор и т.д., их распределением по размерамшїформе.
Сравнение результатов исследования образцов длительно работающего основного и наплавленного металла спектрально-акустическим и магнитошумовым методами с данными электронной микроскопии
Избыточная плотность дислокаций оказывается равной плотности геометрически необходимых дислокаций. Последние представляют собой запасенные дислокации, которые требуются для аккомодации кривизны кристаллической решетки, возникающей из-за неоднородности пластической деформации, то есть из-за наличия градиента деформации [156]. Изгиб кристаллической решетки вблизи границ зерен можно представлять как в единицах р+, так и в единицах х [157-159].
Для описания упрочнения поликристаллического агрегата были сделаны попытки связать плотность геометрически необходимых дислокаций pG со средним размером зерна (d). В [147, 151] было предложено, что: HG Abd где є— степень деформации. Этой схеме удовлетворяет модель Конрада [160], где общая плотность дислокаций р обратно пропорциональна среднему размеру зерна {d)\ 0Abd Формулы (3.11) и (3.12) совпадают с точностью до коэффициента, поэтому p pG (примерно на порядок). Это означает, что при обычных размерах (3.12) зерен на мезоуровне ps PG- Для нанозерен соотношение может быть обратным. Теоретическая оценка коэффициентов в (3.11) и (3.12) не является строгой, поэтому необходимо дальнейшее рассмотрение этой проблемы.
Существует несколько способов измерения плотности геометрически необходимых дислокаций. Формулы (3.11) и (3.12) свидетельствуют о том, что как р, так и рои р± обратно пропорциональны размеру зерна и зависят от степени деформации. Экспериментально это подтверждено в [157, 161]. Таким образом, первый способ определения pG основан на использовании и зависимости р —/(в ) [157]. Для обычных размеров зерен - мезозерен [162], 40.. .450 мкм, как правило, р5 Рв.
Второй способ базируется на формуле (3.10), т.е. на равенстве pG и р+ . Техника измерения р± подробно описана в работах авторов [153, 154, 158]. Для определения р+ необходимо измерить параметры экстинкционных контуров (рис. 3.12) [153, 154].
Третий способ основан на измерении плотности дислокаций р как функции расстояния от границы зерна. У границ зерен р = pG + ps, в теле зерна р « ps. Измеряя разность плотности дислокаций у границы зерна и в центре зерна, можно получить значения pG. Поскольку плотности дислокаций у границ и в центре зерна всегда отличаются, то измерив р и Аз Для разных степеней деформации, можно получить зависимости от степени деформации как величины ps, так и pG. Четвертый способ основан на измерении параметров зон сдвига - основных, вторичных и аккомодационных систем скольжения [163]. На рис. 3.16 дана схема картины скольжения в зерне поликристалла.
Выделены первичная система, вторичная система и расположенные у границ зерен аккомодационные системы. Первичная и вторичная системы дают вклад в р$, а аккомодационные системы в pG. Используя данные о величине сдвига и плотности следов скольжения, можно разделить вклады р$ и ра В плотность дислокаций р. При переходе к ультрамелкозернистым и нанополикристаллам необходимо выделять внутризеренное и зернограничное скольжение, поскольку последнее, как правило, не является дислокационным [162, 164, 165].
Таким образом, выполнен анализ вкладов в скалярную плотность дислокаций. Плотность геометрически необходимых дислокаций и плотность избыточных дислокаций объединяются соотношением ра = р+. Геометрически необходимые дислокации возникают в поликристаллическом материале. Их плотность зависит от строения зерна поликристалла [166]. Предложены экспериментально проверенные способы измерения плотности геометрически необходимых дислокаций.
Кроме того, величина рс определяет локальные поля внутренние напряжений, их экранирование, неоднородность деформации и её градиенты. Наличие геометрически необходимых дислокаций связано с изгибом кристаллической решетки [154, 155]. Плотность геометрически необходимых дислокаций ра является одновременно плотностью избыточных дислокаций р± и может быть представлена как указано в формуле (3.8). Напряжения по величине рс определяются следующим образом [146, 155-157]: cr=Gb . (3.13)
В результате расчетов установлено, что локальные поля внутренних напряжений рядом с разрывом весьма велики (рис. 3.17). Они значительно превосходят предел прочности. Определены источники полей напряжения. Исследования показали, что в специальной молибденовой стали источниками локальных полей внутренних напряжений являются: крупные карбиды легированного цементита по границам и в стыках зерен; карбиды по границам фрагментов; несовместность деформаций по границам зерен и фрагментов.
Наличие этих источников, их взаимодействие и привело к возникновению высоких значений локальных полей внутренних напряжений (свыше 900 МПа) [134].
Результаты напряжений, кроме измерений методом ПЭМ, были также получены при помощи конечно-элементного моделирования (МКЭ). МКЭ барабана котла было проведено с целью сопоставления реальных и расчетных значений компонент напряженно-деформированного состояния барабана котла до ремонта. В связи с этим, моделирование проводилось только для тех участков барабана, где проводились исследования микроструктуры. Водоопускные очки моделировались как пересечение полого (стенка барабана) и сплошного (труба) цилиндров: простое цилиндрическое отверстие без фасок, усилений и т.д.
Модель имела геометрию, показанную на рис. 3.18. Расстояние от во-доопускных очков до края модели составляло 405 мм, что обуславливало отсутствие влияния краевых эффектов на результаты в области около водоопу-скных очков.К внутренней поверхности прикладывалось давление 11 МПа и температура 360 С [167].
В моделях участков барабана до ремонта моделировались трещины в соответствии с исходными данными. При построении моделей было принято, что отношение глубины трещины к ее ширине составляет 10/1. В поперечном сечении трещина имеет эллиптическую форму, концы трещин тупые. Глубина трещин принималась равной глубине расточенных участков вокруг водо-опускных очков при ремонте. В данном случае проводился статический расчет на прочность, в составе исходных данных свойства материала задавались модулем Юнга и коэффициентом Пуассона.
Рис. 3.18. Интенсивность напряжений, Па. Ряд водоопускных очков до ремонта Результаты конечно-элементного моделирования показали, что расчетные величины интенсивностей напряжений близки или равны реальным величинам локальных полей внутренних напряжений (рис. 3.18).
