Теплоэнергетика, 2021, № 8, стр. 56-63

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследованиям был подвергнут металл барабанов двух котлов типа ТП-100 Старобешевской (С_ТЭС) и Луганской ТЭС (Л_ТЭС). Барабан котла энергоблока № 5 на С_ТЭС разрушился при гидравлических испытаниях. Перед разрушением он прошел штатный контроль, результаты которого были положительными. Эксплуатация барабана Л_ТЭС по результатам исследований была продлена. Наработка котла энергоблока № 5 С_ТЭС на момент разрушения барабана была 282 092 ч, количество циклов пуск-останов – 1830. Наработка котла Л_ТЭС, энергоблока № 9 на момент вырезки “пробки”²² для контроля состояния металла составляла 317 243 ч, количество циклов пуск-останов – 1620.

Химический состав стали 16ГНМ, из которой изготовлены барабаны Луганской и Старобешевской ТЭС, приведен в табл. 1. Для определения механических свойств металла обоих барабанов были проведены испытания образцов согласно ГОСТ 1497-84 [2] на разрывной машине INSTRON-5581 при температурах 20 и 340°С, которые соответствовали режимам работы и останова котла. Механические свойства металла барабана Старобешевской и Луганской ТЭС, паспортные данные и требования СО 153-34.17.442-2003 представлены в табл. 2. Отношение условного предела текучести металла к его временному сопротивлению разрыва ${{{{\sigma }_{{0.2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\sigma }_{{0.2}}}} {{{\sigma }_{{\text{в}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\sigma }_{{\text{в}}}}}}$ находится, согласно нормативному документу [3], в пределах допустимых значений.

По результатам штатного технического контроля и расчетов на прочность состояние обоих барабанов удовлетворяло требованиям нормативных документов. Более подробные данные по механическим свойствам приведены в работах [4–6].

Испытания на ударную вязкость проводили на инструментированном³³ маятниковом копре SI-1M фирмы INSTRON энергией 450 Дж и скоростью удара 5.29 м/с. Копер оснащен бойком, соответствующим стандарту ГОСТ 9454-78. Расстояние между опорами составляло 40 мм. Образцы на ударную вязкость испытывались при температуре от –60 до 100°С и выдерживались при каждой температуре не менее 15 мин. Фактическая температура образца в момент удара регистрировалась электронным термометром, оснащенным термопарой. Погрешность измерения температуры составляла ±1°С, время одного испытания – не более 4 с.

Размеры стандартных и малоразмерных образцов типа Шарпи представлены в табл. 3. Стандартные образцы (партия № 1) были изготовлены из металла “пробки”, вырезанной из барабана котла Л_ТЭС. Образцы размером 2 × 8 × 55 мм (партия № 2) были вырезаны из той же “пробки”. Малоразмерные и стандартные образцы Шарпи (партия № 3) были изготовлены непосредственно из фрагмента барабана котла С_ТЭС вдоль направления прокатки. Для того чтобы оценить влияние размера образца на ударную вязкость были исследованы еще две партии малоразмерных образцов: партия № 4 (ГОСТ 9454-78) с образцами размером 2 × 8 × 55 мм и партия № 5 (ASTM E23) с образцами размером 2.5 × 10 × 55 мм. Поскольку образцы партии № 5 не соответствуют ГОСТ 9454-78, то в статье приводится лишь качественный анализ данных, полученных при испытаниях этих малоразмерных образцов. Все образцы изготавливались с V-образным надрезом глубиной 2 мм. Следует отметить, что в данной статье для наглядности на всех графиках приведены усредненные по одной оси (оси ординат) значения поглощенной энергии для всех испытанных образцов. Поскольку длина всех образцов составляла 55 мм, то далее в статье она не указывается.

Для сохранения положения центра удара при проведении испытаний малоразмерных образцов было изготовлено специальное устройство, которое прикреплялось к опорам маятникового копра. Это устройство было разработано таким образом, чтобы при ударе средняя линия малоразмерных образцов совпадала с центральной линией стандартных образцов Шарпи.

Анализ поверхности излома для количественной оценки хрупкой составляющей был проведен в соответствии с требованиями нормативных документов с помощью микроскопа ММР-4 и соответствующего программного обеспечения. Методика исследования поверхности разрушения состояла в следующем: сначала определялась с максимально возможной точностью граница между вязким и хрупким разрушением, затем оценивалось отношение площади области с вязким и хрупким разрушением в изломе образца к общей площади поверхности разрушения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ МАЛОРАЗМЕРНЫХ И СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ШАРПИ

Значения ударной вязкости (КСV) стандартных образцов Шарпи, изготовленных из металла барабана С_ТЭС и исследованных в настоящей работе, находятся в диапазоне 17–22 Дж/см², тогда как, согласно нормативным требованиям, они должны быть не менее 25 Дж/см² [3]. Испытания на ударный изгиб образцов Шарпи, изготовленных из металла “пробки” барабана котла Л_ТЭС, показали, что ударная вязкость составляет не менее 35 Дж/см² при 20°С, что соответствует нормативным требованиям. Критическая температура хрупкости металла барабана С_ТЭС равнялась 70–80°С, а для металла “пробки” Л_ТЭС – 0–5°С. Следует отметить, что в соответствии с нормативными требованиями [3] критическая температура хрупкости не должна превышать 40°С.

При разработке соотношения между результатами испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи принималось во внимание прежде всего максимальное соответствие их размеров ГОСТ 9454-78, а также ограниченность имеющегося материала для изготовления стандартных образцов Шарпи. При этом учитывалось, что из стандартного образца Шарпи можно изготовить несколько идентичных малоразмерных образцов одинаковой толщины. Так, например, в стандарте ASTM Е-23 [7] при испытании малоразмерных образцов предусмотрены коэффициенты нормировки по отношению к стандартному образцу Шарпи, изменяется только его толщина, а ширина одинакова для всех образцов. При испытаниях по ГОСТ 9454-78 изменяется как толщина, так и ширина образцов по отношению к стандартному образцу Шарпи.

В существующих зависимостях между результатами испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи в качестве коэффициентов нормировки используются отношения энергий на верхнем и/или нижнем⁴⁴ шельфе. В работах [8, 9] авторами выдвинуто предположение, что при использовании корреляционных параметров и учете геометрических размеров образцов можно добиться достаточно хорошего совпадения аппроксимирующей кривой температуры вязкохрупкого перехода с результатами испытаний образцов Шарпи.

В [10] была предложена следующая методика пересчета результатов испытаний малоразмерных на стандартные образцы Шарпи: сначала определяются нормировочные параметры для значений энергии разрушения малоразмерных образцов по отношению к стандартным образцам Шарпи (строится зависимость температуры вязкохрупкого перехода, сопоставимая с зависимостью для стандартных образцов Шарпи), затем рассчитывается температурный сдвиг. Температурный сдвиг между зависимостями для малоразмерных и стандартных образцов Шарпи определяется следующим образом:

где $T_{{\text{к}}}^{{10 \times 10}}$ и $T_{{\text{к}}}^{{2 \times 8}}$ – критические температуры хрупкости стандартного (10 × 10 мм) и малоразмерного (2 × 8 мм) образцов.

Обработка экспериментальных данных по поглощенной энергии проведена с помощью аппроксимирующей функции гиперболического тангенса (рис. 1) согласно нормативному документу [11]:

где коэффициенты ${{A = \left( {K{{V}_{{\max }}} + K{{V}_{{\min }}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{A = \left( {K{{V}_{{\max }}} + K{{V}_{{\min }}}} \right)} 2}} \right. \kern-0em} 2}$ и B = = ${{\left( {K{{V}_{{\max }}} - K{{V}_{{\min }}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {K{{V}_{{\max }}} - K{{V}_{{\min }}}} \right)} 2}} \right. \kern-0em} 2}$ [$K{{V}_{{\max }}}$ и $K{{V}_{{\min }}}$ – максимальные и минимальные значения (уровни) поглощенной энергии для верхнего и нижнего шельфа соответственно]; ${{T}_{0}}$ – температура, соответствующая значению коэффициента A; C – эмпирическая константа, имеющая размерность температуры.

Значения A, B, C и ${{T}_{0}}$ рассчитывались по результатам обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов. Уровень верхнего шельфа определялся как среднее значение поглощенной энергии разрушенных образцов, у которых доля вязкой составляющей в изломе составляла не менее 95%. Предполагаемый уровень нижнего шельфа выбирался согласно нормативному документу [12] исходя из площади сечения образцов. По результатам испытаний каждой партии образцов строилась зависимость работы разрушения от температуры.

Методика, которая была предложена в работе [10], была применена к результатам испытаний малоразмерных образцов для сопоставления с результатами испытаний стандартных образцов Шарпи (рис. 2).

Исходя из определения, что уровень верхнего шельфа $K{{V}_{{\max }}}$ характеризует полностью вязкое разрушение, которое происходит в объеме образца, была построена зависимость между значениями верхнего шельфа для образцов обоих типов и проведена статистическая оценка зависимости

где $KV_{{\max }}^{{10 \times 10}}$ и $KV_{{\max }}^{{2 \times 8}}$ – уровни верхнего шельфа стандартного (10 × 10 мм) и малоразмерного (2 × × 8 мм) образцов.

Соотношение (3) довольно хорошо описывает связь между значениями разницы объемов, площади поверхности разрушения и энергии верхнего шельфа для малоразмерных и стандартных образцов Шарпи. При этом данные табл. 4 позволяют сделать вывод, что отношения значений энергии разрушения на нижнем и верхнем шельфе для образцов обоих типов удовлетворительно согласуются между собой в интервале 3.3–4.0. Этот факт позволяет подобрать корреляционные параметры и построить зависимость температуры вязкохрупкого перехода, сопоставимую с аналогичной зависимостью для стандартных образцов Шарпи.

С использованием параметров из (2) можно построить аппроксимирующие зависимости для малоразмерных и стандартных образцов Шарпи. На рис. 3 показаны нормированные⁵⁵ данные испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи. Линиями показаны кривые, аппроксимирующие экспериментальные данные.

Для определения критической температуры хрупкости стандартных и малоразмерных образцов был проведен сравнительный анализ изменения параметров А, В, Т₀ и константы С [см. (2) и табл. 5]. Из анализа зависимостей работы разрушения от температуры наблюдается довольно хорошее совпадение результатов испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи (см. рис. 3). Температурный сдвиг для малоразмерных и стандартных образцов Шарпи для Луганской ТЭС составил примерно 53°С, для Старобешевской ТЭС – около 59°С. Разность значений температуры, включая погрешность эксперимента, в обоих случаях не превышала 7°С.

Сравнительный анализ результатов, полученных при испытаниях малоразмерных образцов 2.5 × 10 и 2 × 8 мм, показал, что относительное различие между ними невелико, данные хорошо согласуются между собой в пределах погрешности эксперимента (рис. 3, б). В условиях проведения исследований удобнее использовать образцы размером 2.5 × 10 мм. Это обусловлено тем, что нет необходимости в изготовлении дополнительного оборудования и существует большая вероятность того, что образец не деформируется в момент удара бойком. Значение энергии верхнего шельфа для таких образцов ненамного выше, чем для образцов 2 × 8 мм. При небольших значениях работы разрушения иногда наблюдается инверсия⁶⁶ значений для образцов 2.5 × 10 и 2 × 8 мм. В данном случае возможно, что при испытаниях более тонких образцов на ударный изгиб в пластическую деформацию вовлекается больший по сравнению с толстыми образцами объем материала. Необходимо отметить, что область температуры вязкохрупкого перехода у малоразмерных образцов шире, чем у стандартных образцов Шарпи.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

На рис. 4 представлены примеры состояния поверхностей разрушения малоразмерных образцов 2 × 8 мм с V-образным надрезом, испытанных при –10°С. По внешнему виду поверхности излома (рис. 4, а) можно определить типичные признаки существования всех стадий вязкого и хрупкого разрушения, характерных для стандартных образцов Шарпи. На рис. 4, б показан вид практически хрупкого разрушения малоразмерного образца.

На рис. 5 представлена зависимость вязкой составляющей от температуры испытаний. Этот рисунок показывает довольно хорошее соответствие данных, полученных на малоразмерных и стандартных образцах Шарпи. Незначительное различие значений вязкой составляющей для образцов 2 × 8 и 2.5 × 10 мм, вырезанных из фрагмента барабана С_ТЭС, можно объяснить исходным состоянием исследованного материала, который испытывал разные нагрузки в период эксплуатации оборудования. Металл для изготовления образцов 2.5 × 10 мм был взят с противоположной, относительно направления распространения трещины, стороны фрагмента разрушенного барабана.

В процессе проведения испытаний авторы столкнулись со следующими трудностями при определении температуры вязкохрупкого перехода в малоразмерных образцах типа Шарпи:

испытания малоразмерных образцов при низких температурах (–40°C) показали завышенные значения работы разрушения по сравнению с предполагаемыми [9];

наблюдалось перемешивание хрупких и пластичных зон, обусловленное сложным состоянием поверхности излома, поэтому трудно было правильно провести границу между вязким и хрупким разрушением.

Результаты испытаний были подвергнуты статистической обработке. В итоге была получена предварительная, т.е. предназначенная для оценки в первом приближении состояния металла, зависимость между $T_{{\text{к}}}^{{10\,\, \times \,\,10}}$ и $T_{{\text{к}}}^{{2\,\, \times \,\,8}}$ в следующем виде:

Согласно [13] предполагалось, что металлы вышедших из строя барабанов могут иметь схожие свойства и структуру, которые характеризуют устойчивость к хрупкому разрушению. Предлагаемый вариант анализа фактически сводится к выявлению оборудования, которое попадает в потенциальную группу риска. Таким образом, появляется возможность проводить испытания образцов, изготовленных из локальных вырезов, без нарушения условий герметичности и прочности оборудования с последующим нахождением значения критической температуры хрупкости по корреляционной зависимости (4).

Целесообразно продолжить исследования в этом направлении для создания представительной базы данных, содержащей результаты испытаний как стандартных, так и малоразмерных образцов типа Шарпи. Необходимо получить более точные выражения, устанавливающие связь между данными испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи.

ВЫВОДЫ

1. Испытания при комнатной температуре образцов, изготовленных из фрагмента барабана котла Старобешевской ТЭС (сталь 16 ГНМ), показали, что металл имеет низкую ударную вязкость. Значение критической температуры хрупкости данной стали составило 70–80°С. Согласно исследованиям механических свойств металла барабана Луганской ТЭС, сталь сохранила свои служебные свойства в течение длительного периода эксплуатации. Критическая температура хрупкости этой стали не превышала 5°С.

2. Значения температуры вязкохрупкого перехода стандартных образцов Шарпи могут быть получены при испытании малоразмерных образцов, что позволяет в первом приближении оценить сопротивление металла барабана хрупкому разрушению.

3. Неправильный учет размеров образцов может привести к ошибкам при выборе поправочных коэффициентов между данными испытаний малоразмерных и стандартных образцов Шарпи. Для определения критической температуры хрупкости с помощью эмпирических формул желательно иметь базу данных, в которую включены хорошо изученный материал и его характеристики в конкретных температурных диапазонах.

4. Поверхность разрушения малоразмерных образцов Шарпи имела практически такой же вид, что и стандартные образцы. Температурная зависимость вязкой составляющей малоразмерных образцов хорошо согласуется с аналогичной зависимостью для стандартных образцов Шарпи.

5. Данная работа может представлять интерес для контролирующих и регулирующих органов, отвечающих за безопасную эксплуатацию оборудования.