Эволюция структурно-фазового состояния и механических свойств котельных сталей при эксплуатации

э
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.......................................................
ГЛАВА 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТОНКАЯ СТРУКТУРА СТАЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ........................
1.1. Марки стали, используемые для труб паропроводов............
1.2. Механические свойства стали.....................................
1.3.Структурные и фазовые изменения в феррито-перлитных сталях
при повышенных температурах.....................................
1 АРазвитие тепловой хрупкости и изменение жаропрочных свойств стали 12Х1МФ в условиях ползучести..............................
1.5. Проблемы долговечности металла труб тепловых сталей........
1.6. Контроль за состоянием паропроводов и теплоэнергетического оборудования....................................................
1.7. Влияние переменных режимов работы оборудования ТЭЦ.........
1.8. Некоторые методы контроля паропроводов..........................
1.9. Преобразователи, приборы и методики регистрации сигналов акустической эмиссии...............................................
1.9.1. Преобразователи сигналов акустической эмиссии............
1.9.2. Приборы для исследования АЭ................................................
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................
2.1. Материалы для исследования механических свойств..........*.
2.2. Материалы для исследования структурных свойств.............
2.3. Методы исследования........................................
2.4. Образцы и аппаратура для исследования закономерностей сигналов акустической эмиссии при пластической деформации
теплоустойчивых сталей..........................................
2.4.1. Исследуемые материалы и типы образцов....................
5
11
11
13
14
16
18
19
20
21
23
24
25
29
29
31
32
38
39
2.4.2. Установка для испытаний материалов на растяжение........... 43
2.5. Системы диагностики паропроводов методом акустической эмиссии 43
2.5.1. Преобразователи сигналов акустической эмиссии.............. 43
2.5.2. Регистраторы сигналов акустической эмиссии.............. 51
ГЛАВА 3. ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.......................... 56
3.1. Результаты механических испытаний............................ 56
3.2. Структурные изменения после эксплуатации котельного оборудования............................................................. 59
3.3. Изменение акустического отклика металла вследствие деградации структуры......................................................... 62
3.4. Обсуждение экспериментальных данных.......................... 64
Выводы по главе 3................................................. 67
ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ КОТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТЕРМОВАРОЦИКЛИРОВАНИИ 69
4.1. Анализ структурно-фазового состояния стали 10К в исходном состоянии......................................................... 69
4.2. Сталь 10К после 5 лет эксплуатации........................... 77
4.3. Эволюция структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали 12X1МФ при термобароциклировании............... 89
4.3.1. Зеренная структура стали....................................89
4.3.2. Фазовый состав и тонкая структура стали.................... 98
4.3.3. Дислокационная структура................................ 114
4.3.4. Дальнодействующие поля напряжений....................... 119
4.3.5. Проблемы окисления........................................ 120
4.4. Природа теплового охрупчивания и характер разрушения стали 12Х1МФ....:.................................................... 121
4
Выводы по главе 4................................................ 124
ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ДИАГНОСТИКА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ............................................ 125
5.1. Структурные изменения, значения длительной прочности и механические свойства, обусловленные эксплуатационными факторами.... 125
5.2. Изменение свойств металла поверхностей нагрева........ 126
5.3. Повреждаемость и контроль качества сварных соединений высоко-
и низкотемпературных паропроводов.......................... 139
5.4. Контроль литых корпусов турбин ТЭС методом акустической эмиссии для контроля паропроводов ............................... 145
5.5. Измерение активности сигналов АЭ от дефектною паропровода... 148
Выводы по главе 5................................................ 152
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................ 154
ЛИТЕРАТУРА....................................................... 156
ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................168
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время современный технический прогресс требует создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Если раньте конструкционные материалы использовались с большим запасом прочности, то сейчас все более актуальной ставится задача обеспечения надежной и безопасной службы материала в предельных условиях. В связи с развитием промышленности современные методы химической очистки воды, которые используются в тепловых электростанциях (ТЭЦ), не могут обеспечить ее хорошего качества. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) специально вносятся в теплоноситель. При таком контакте труб с водой с органическими добавками и перегретым паром происходит их коррозия и разрушение. Разрушение трубопроводов влечет за собой отказ в работе агрегатов, в частности, котлов, а это в свою очередь нарушает выработку электрической и тепловой энергии. Марки стали, использующиеся в энергомашиностроении достаточно дорог и и поэтому их замена требует больших затрат. В связи с ужесточением температурных и силовых режимов эксплуатации теплоэнергетического оборудования перед исследователями стоит актуальная задача выяснения причин деградации свойств и выхода из строя труб паронагревателей.
К настоящему времени большинство теплоэнергетическою оборудования отработала свой расчетный срок, однако полная его замена нецелесообразна в связи с высокой стоимостью теплоустойчивых сталей, поэтому развитие энергетической отрасли должно осуществляться не только за счет'введения в строй новых объектов, но и обеспечивается интенсификацией существующего производства.
При этом надежность, которая является одной из составляющих качества и характеризует способность изделий выполнять заданные функции в течение всего срока с сохранением эксплуатационных свойств, является необходимым критерием работоспособности оборудования. Исходя из этого методы и средства ее оценки играют важную роль. Одним из путей повышения надежно-
6
сти оборудования является изучение свойств металлов с позиции физического материаловедения, позволяющей предсказать изменение свойств при эксплуатации. Современные критерии разрушения и надежности непосредственно связаны с оценкой времени работы оборудования до отказа, определяя тем самым эффективность диагностики в оценке долговечности и определения ресурса работоспособности. Данный подход может быть реализован при установлении степени пораженности структуры металла в исходном состоянии, определением скорости накопления дефектов в процессе эксплуатации и созданием систем диагностики, позволяющих надежно регистрировать это накопление.
Как правило, в основе данного подхода лежит применение неразрушающих методов контроля, причем одним из них является метод акустической эмиссии, который обеспечивает непрерывную информацию, позволяет не толь-ко обнаружить развивающиеся дефекты, но и определить скорость их развития, степень опасности, и, в конечном итоге, ресурс работоспособности изделий с прогнозированием срока службы. Однако для успешного применения данного метода необходимы данные, устанавливающие взаимосвязь между образованием дефектов и условиями эксплуатации, вызвавшими их зарождение и параметрами сигналов акустической эмиссии, отвечающими возникновению и развитию того или иного дефекта.
Теплоэнергетическое оборудование относится к объектам повышенной опасности в связи с возможными экологическими и экономическими последствиями при авариях. Особенностями его эксплуатации являются высокие температуры и давления, агрессивные среды, нарушения технологических режимов, приводящие к накоплению повреждений в металле парапроводов и пароперегревателей. Проблема надежной безотказной службы теплоэнергетического оборудования имеет первостепенное значение. Для ее решения необходим постоянный неразрушающий контроль за дефектами и их развитием. Деградация механических свойств металла при эксплуатации определяется изменениями в структурно-фазовом состоянии.
7
В связи с этим актуальной является задача исследования изменения структуры, фазового состава, дислокационной субструктуры и механических свойств сталей теплоэнергетического оборудования в процессе длительной работы для установления физической природы их деградации и разработки рекомендаций по надежной безопасной эксплуатации.
В настоящей работе преследуется следующая цель: комплексное исследование эволюции структурно-фазового состояния и механических свойств котельных сталей при эксплуатации.
Для реализации поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Исследования изменения механических характеристик и структуры сталей 10,15К, ЗК при эксплуатации (до 50 лет).
2.- Оценка изменения скорости ультразвука в металлах вследствие деградации структуры.
3. Изучение изменения тонкой структуры котельной стали 1ОК в течение 5 лет эксплуатации.
4. Исследование изменений дислокационной структуры и фазового состава стали 12Х1МФ в ходе ускоренных испытаний в среде с органическими добавками.
5. Определение изменения технологических свойств стали 12Х1МФ при испытаниях на длительную прочность и анализ сравнения результатов механиче-
%
ских испытаний основного металла и металла поврежденных участков труб пароперегревателей.
6. Использование метода акустической эмиссии для выявления накопления повреждаемости и прогноза ресурса работоспособности.
Научная новизна полученных результатов в данной работе определяется тем, что в ней впервые проведено детальное исследование изменений тонкой структуры и фазового состава котельных сталей, которые эксплуатируются при высоких температурах и давлениях, а также в агрессивных средах. Проанализирована связь механических и структурных свойств сталей. Выявлены законо-
8
мерности изменения тонкой структуры и фазового состава исследуемых сталей при эксплуатации.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что в ней путем использования методов современного физического материаловедения получен объем экспериментальных результатов, демонстрирующих связь изменения механических свойств котельных сталей с параметрами тонкой структуры и фазового состава при эксплуатации. Эти данные, а также результаты накопления повреждений в структуре стали, полученные методом акустической эмиссии, могут быть использованы для прогнозирования безопасных сроков службы теплоэнергетического оборудования.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении механических испытаний, обработке результатов оптических и электронно-микроскопических исследований, их анализе и формулировании выводов.
Настоящая работа проводилась в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция», темами НИР Сибирского государственного и Томского государственного архитектурно-строительного университетов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Данные об изменении механических свойств различных котельных сталей при длительной эксплуатации.
2. Факт фазовой перекристаллизации и закономерности изменения параметров тонкой структуры стали 10К после 5 лет эксплуатации.
I •
3. Эволюция структурно-фазового состояния стали 12Х1МФ в ходе модельных испытаний в среде с органическими добавками.
4. Различный характер протекания процессов деградации структуры и свойств легированных и нелегированных сталей.
5. Апробирование метода акустической эмиссии для выявления накопления повреждаемости металла и прогноза ресурса работоспособности.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием современных методов физического материаловедения, и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: IV Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. Старая Русса. 2000, Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы». Новокузнецк.
2000, 2-й Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». Томск. 2000, 5-ом Собрании металловедов России. Краснодар. 2001, 4-й Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». Санкт-Петербург. 2001, Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении». Пенза. 2001, International conference “Mesomechanics: foundations and applications". Tomsk.
2001, XXXVII Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности». Киев. 2001, XXXVIII семинаре «Актуальные проблемы прочности» «Сплавы с эффектом памяти формы и другие перспективные материалы». Санкт-Петербург. 2001, восьмой Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах». Кемерово. 2001, XVI Уральской школе металловедов-термистов «Проблемы физического металловедения перспективных материалов». Уфа. 2002, V Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». 2002, XIII Петербургских чтений по проблемам прочности. Санкт-Петербург. 2002, I-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур». Москва. 2002, IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов». Екатеринбург. 2002, Всероссийской
10
конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов». Черноголовка. 2002, Russia-China Seminar "Fundamental Problems and Modem Technologies of Material Science" Barnaul. 2002, XL Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» «Структура и свойства перспективных металлов и сплавов» Великий Новгород. 2002.
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 22 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти • глав, заключения, основных выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 169 страницах машинописного текста, включающих 66 рисунков,
15 таблиц и списка литературных источников из 119 наименований.
»
ГЛАВА 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТОНКАЯ СТРУКТУРА СТАЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ
Для электрических станций (ТЭЦ) используются прочные материалы, от прочности которых зависит надежная работа паровых котлов и энергетических блоков. Металл во время его эксплуатации работает в трудных условиях, обусловленных внутренним давлением пара, тепловым расширением и рядом других факторов. В современных паровых котлах пар перегревается до температур 540-570°С. В связи с этим, металл начинает накапливать пластическую деформацию, когда напряжения еще малы, ухудшают его пластические свойства, происходит изменение внутренней структуры и фазового состава, а на поверхности металла начинают прогрессировать коррозионные процессы. Внутри труб происходят все возможные отложения из-за пара и загрязнения воды. Эти обстоятельства ведут к ухудшению теплообмена из-за образования оксидов.
Перечисленные причины влияют на надежность труб и котлов при эксплуатации на более длительный срок, а это в свою очередь приводит к быстрому выходу из строя и дорогостоящему монтажу и ремонту.
1.1. Марки стали, используемые для труб паропроводов
Стали, которые применяются для деталей котлов, вспомогательного оборудования и паротрубопроводов, являются низколегированными и легированными.'Они хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии. В таблице 1.1 приведены марки стали, которые используются при изготовлении котлов. Стали данного класса обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами при повышенных температурах до 450-500° С. Для работы при повышенных температурах под давлением, используется сталь 12К. Из этой стали изготовляются детали частей котлов. Сталь 15К используется для работы при температурах не выше 450°С и работает под средним давлением. При эксплуатации деталей при температурах 400-450°С рекомендуется использовать сталь 22К.
Легированные стали используются для изготовления поверхностей нагрева и паропроводов и должны обладать возможно более высокой жаропрочностью, хорошей деформационной способностью при длительной эксплуатации, коррозионной стойкостью в среде продуктов энергетических топлив, воде и водяном паре.
Набор марок стали, применяемых в энергомашиностроении, приведен в таблице 1.1 [1,2]. Данные стали могут быть использованы для изготовления любых деталей теплоустановок, которые могут работать при больших давлениях и температурах выше 500°С. Следует отметить, что сталь 25Х2М1Ф, из которой изготовляют крепежные детали, шпильки, болты, пружины и прочие детали, обладают повышенными механическими свойствами и жаропрочностью. Эта сталь может эксплуатироваться до температур 535 °С. Изготовленные трубы, в частности, из стали 12Х1МФ должны подвергаться нормализации с отпуском. Если трубы толстые, то сталь подвергается особой обработке - закалке с отпуском. Отклонение от режимов термообработки влечет за собой снижение жаропрочности. Чтобы этого не произошло необходимо производить контроль уровня жаропрочности металла труб по шкале, рекомендованных и не рекомендованных микроструктур [3]. Следует отметить, что между микроструктурой и жаропрочностью нет прямой связи. Степень легированности твердого раствора определяет жаропрочность. Жаропрочность также определяется количеством дисперсности и равномерности распределения карбидов и при наличии усталости структуры. Параметры, зависящие от химического состава, претерпевают
•
изменения в процессе длительной эксплуатации. Все грубы, выполненные из стали 12Х1МФ, ускоренно накапливающие деформацию при эксплуатации, имели отклонения от шкалы 14-3-460-75. Это отклонение было показано в [4,5] Тем не менее, причины повреждения труб не были однозначно установлены. Также не была прослежена связь между повреждениями и микроструктурой. Авторы работ утверждают, что основной причиной повреждения труб из выше-
13
упомянутой стали связаны со снижением ударной вязкости до уровня ниже 50 Дж/см2 [6-8].
Таблица 1.1. Марки и состав стали
Марка с, Мп, 51, Сг, V, Мо, 8, Р, N1, Си,
% % % % % % % % % %
12МХ 0,09-0,016 0,4-0,7 0,17-0,37 0,4-0,7 0,05 0,4-0,6 0,025 0,03 0,3 0,2
15ХМ 0,11-0,18 0,4-0,7 0,17-0,37 0,8-1,1 - 0,4-0.55 0.3 0.035 0.3 0,03
12Х1МФ 0,08-0,15 0,4-0,7 0,17-0,37 0,9-1,2 0.15-0.3 0,25-0,3: 0.025 0.03 0.3 0.2
25Х2М1Ф 0,22-0,29 0,4-0,7 0,17-0,37 2,1-2.6 0,9-1.1 0,3-0,5 0.025 0.03 0.3 0,2
8ТРА20 Япония 0,1-0,2- 0,3-0,6 0,1-0,5 0.5-0.8 - 0,4-0,65 0.035 0.35 - -
14МоУ63 0,1-0,18 0,4-0,7 0,1-0,35 0,3-0,6 0.22-0,32 0,5-0,7 0.35 0.035 -
Р12, Т12ЧША 0,15 0,3-0,61 0,5 0,8-1,25 - 0.45-0.65 0.045 0.045 - N
1.2. Механические свойства стали
В данном параграфе проведен анализ изменения механических свойств стали 12Х1МФ после влияния некоторых органических примесей в теплоносителе. Происходит изменение характера кривой нагружения в исходном состоянии и после циклирования [9]. Это изменение связано с появлением в стали тепловой хрупкости, которая развивается при температурах 500°- 600°С и объясняется образованием зернограничных примесей внедрения [10-12].-Термобаро-циклирование приводит к повышению временного сопротивления разрушению на 2-5% и уменьшению относительного удлинения до разрыва. Деградация механических характеристик связана с микроструктурными изменениями. Известно [10], что среда способна влиять на условия развития хрупкого состояния феррито-перлитных сталей при эксплуатации при повышенных температурах. Распределение углерода оказывается тесно связано с причинами, вызывающими чувствительность стали к хрупкому разрушению. Как отмечалось в работе
14
[13], чтобы правильно прогнозировать ресурс длительной прочности труб паропроводов, лабораторные испытания должны быть скорректированы данными эксплуатационных разрушений труб, работающих при тех же условиях. В работе [14] приведены механические характеристики, описывающие свойства стали 12Х1МФ после действия различных органических загрязнителей. Определено временное сопротивление разрыву, условный предел текучести, относительное удлинение после разрыва и относительное сужение. Из анализа данных, полученных в работе видно, что после термобароциклирования независимо от вида загрязнения и даже в отсутствии его, изменяется характер деформационной кривой: после термобароциклирования все диаграммы растяжения обнаруживают «зуб» и площадку текучести. Предел прочности при этом повышается, пластичность после термобароциклирования снижается. Эти изменения механических свойств принято связывать с процессом старения металла и тепловой хрупкости.
Существует ряд монографий и специализированных производственных инструкций [3,6,15-17], посвященных оценкам надежности материала энергетического оборудования. Однако большинство данных, приводимых в этих источниках, являются либо расчетными, либо полученными в результате специфических ускоренных испытаний. Сведения об изменениях структуры и свойств металла в результате длительного периода работы энергетического оборудования практически отсутствуют. Результаты такого типа исследований являются основой для нашего исследования. Детальное знание тонкой структуры материала и ее изменение в ходе эксплуатации совершенно необходимо для понимания их механических свойств.
1.3.Структурные и фазовые изменения в феррито-перлитных сталях при
повышенных температурах
Повышение температуры эксплуатации ведет за собой ряд изменений как в структурном, так и в фазовом составе стали, по сравнению с эксплуатацией при нормальной температуре. Превращения в структуре при повышенных тем-