КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПАРОПРОВОДОВ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
Меденков А. А., Климов А.С., Афанасьев В.К., Левина Е.А., Петров В.И.
Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк
Проведены исследования остаточного ресурса объектов, получены результаты структурного состояния. Разработана методика оценки остаточного ресурса с помощью ультразвука, представлена методика обнаружения развивающихся дефектов теплоэнергетического оборудования методом акустической эмиссии.
В данной работе рассмотрена методика определения остаточного ресурса паропроводов, приведены результаты исследования образцов из стали 12Х1МФ паропроводов с различным временем эксплуатации. Данные эксперимента приведены в соответствие со временем наработки образцов, вырезанных из труб с различным временем наработки. Измерения проводились с использованием ультразвуковых волн.
Гипотеза исследования заключалась в следующем: зависимость скорости ультразвука в металле от структурно-фазового состояния металла имеет определённый вид, по которому можно установить какие изменения произошли в металле.
Целью являлось получение характерной зависимости и изучение соответствия структурно-фазового состояния металла и относительной скорости ультразвука.
Процессы ползучести, карбидный распад твёрдого раствора, изменяя тонкое строение, стали, влияют на морфологию структурных составляющих перлитных сталей. Это позволяет с помощью металлографического исследования оценивать степень изменений, происходящих в металле при ползучести. Основные структурные составляющие перлитных сталей - это феррит, перлит, сорбит отпуска, являющийся продуктом отпуска бейнита. Стабильность перечисленных структурных составляющих различна и зависит от температурно-силовых условий эксплуатации. В равных температурно-силовых условиях термическая стабильность зёрен с продуктами распада аустенита изменяется в следующем порядке в сторону возрастания стабильности, перлит переотпуска, перлит нормализации, равноосный фрагментированный сорбит отпуска, игольчатый сорбит отпуска. Минимальной термической стабильностью обладает перлит, образовавшийся в стали при переотпуске.
Рассмотрим изменения, протекающие в перечисленных структурных составляющих в процессе эксплуатации.
В исходном состоянии после термической обработки зёрна структурно-свободного феррита неоднородны по содержанию углерода и количеству карбидных частиц. дальнейшее выделение карбидов в процессе ползучести также идёт неравномерно. В областях с повышенной плотностью карбидов в силу их тормозящего действия наблюдается повышенная плотность дислокации, что способствует более интенсивному выделению карбидов. В результате исходная неравномерность в плотности распределения карбидных частиц сохраняется. Это можно выявить по травимости ферритных зёрен: феррит, образовавшийся при более высоких температурах, остаётся более светлым и после длительной эксплуатации, чем феррит, образовавшийся при более низких температурах.
На второй стадии ползучести в ферритных зёрнах начинается процесс образования субграниц, декорированных дисперсными карбидами, который продолжается на третьей стадии. Выделение дисперсных карбидов и формирование субграниц вызывает повышение твёрдости феррита. По мере развития ползучести в феррите происходит рост карбидных частиц, на границах зёрен образуются скопления крупных карбидов, вокруг которых появляются зоны, свободные от дисперсных карбидных частиц. В теле ферритных зерен формируются зародыши рекристаллизации.
Таким образом, в феррите при ползучести протекают как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы. О том, какой из них превалирует, можно судить по значениям микротвёрдости феррита. Изменение микротвёрдости от температуры и времени
эксплуатации хорошо описывается параметрической зависимостью Ларсена-Мюллера. Сначала микротвёрдость феррита несколько возрастает, затем по мере интенсификации разупрочняющих процессов происходит снижение микротвёрдости. Кроме того, развитие процессов рекристаллизации приводит к миграции границ и, как следствие, к росту зерна феррита.
В исходном состоянии в структуре теплоустойчивых сталей можно наблюдать два типа перлита: перлит, образовавшийся из равновесного аустенита, полученного при нагреве под нормализацию, и перлит, образовавшийся из неравновесного аустенита, появившегося при перегреве во время отпуска в область температур, несколько превышающих А1 (перлит переотпуска). В стали 12Х1МФ перлит, образовавшийся при нормализации, имеет тонкопластинчатое строение. Вторичный перлит, образовавшийся при отпуске, выделяется по границам исходных зёрен и имеет грубо пластинчатое строение. Длительная работа в условиях ползучести приводит к существенным изменениям в перлите. Пластинчатая форма цементита в перлите является термодинамически нестабильной, что обусловливает сфероидизацию цементитных пластин. Процесс сфероидизации начинается с образования в пластинах цементита. Скорость сфероидизации контролируется скоростью объёмной диффузии углерода в феррите и, следовательно, зависит от легирования стали. В качестве оценочного критерия степени сфероидизации перлита взято отношение длины цементитных пластин к их ширине.
Зёрна сорбита отпуска стали 12Х1МФ представляют собой смесь продуктов распада аустенита в различных температурных интервалах (от нижней части области перлитного превращения до нижней части бейнитной области). Чем выше температура распада аустенита, тем меньше стабильность образовавшейся структуры в условиях ползучести.
В металле с ферритно-сорбитной структурой сорбит отпуска является, в основном, продуктом отпуска верхнего бейнита и представляет собой фрагментированную ферритную матрицу с высокой плотностью дислокаций и карбидами. Длительная работа в условиях высоких температур приводит к развитию процессов возврата и рекристаллизации. При этом за счёт миграции субграниц и рекристаллизации происходит уменьшение протяжённости субграниц, выявляемых металлографически, до полного их исчезновения с образованием так называемого сорбита отпуска. На поздних этапах развития рекристаллизационных процессов структура сорбита отпуска трансформируется в ферритную структуру с большим числом карбидов. Процесс трансформации сорбитных зёрен обычно наблюдается в пароперегревательных трубах в тех случаях, когда температура эксплуатации труб превышает расчётную, и при отработке ресурса. Процесс трансформации сорбитных зёрен качественно описывается следующей схемой: фрагментированный сорбит отпуск — бесструктурный сорбит отпуска — феррит и карбиды.
Существует определённая связь степени трансформации зёрен сорбита отпуска с температурно-временными условиями работы. Развитие процессов рекристаллизации снижает микротвёрдость сорбита отпуска. Степень разупрочнения сорбита отпуска можно оценить при сравнении твёрдости зёрен феррита и сорбита отпуска. В стали 12Х1МФ изменение разности их микротвёрдости в сторону уменьшения описывается параметрической зависимостью.
Рассмотренные изменения в фазовом составе и структуре сталей при ползучести многогранны и приводят как к разупрочнению, так и упрочнению металла. Кратковременные механические свойства являются интегральными характеристиками сопротивления металла приложенным непрерывно возрастающим нагрузкам, поэтому по механическим свойствам можно судить о суммарном влиянии процессов ползучести на прочность и пластичность стали. Закономерности изменения механических свойств металла при ползучести в основном изучались на паропроводных трубах.
Процессы ползучести, карбидный распад твёрдого раствора, изменяя тонкое строение стали, влияют на морфологию структурных составляющих перлитных сталей. Поэтому с помощью металлографического исследования можно оценивать степень изменений, происходящих в металле при ползучести. Однако подобные изменения также можно обнаруживать ультразвуковым исследованием. В экспериментах использовались образцы стали 12Х1МФ, вырезанные из паропроводов с различным сроком службы, но условия эксплуатации, которых одинаковы.
Данные результатов эксперимента представлены на рис. 1
«
га и л
ч
<D
н к
о о и н
О
га
и
^
и т га Л н л ч
1,1
1,6
2,1 25 000
\ I
II III
--♦-
2 R2 = 1
50 000 75 000
Время эксплуатации, ч
100 000
Рис. 1. Зависимость относительной скорости ультразвука от времени эксплуатации
RI на рисунке является коэффициентом аппроксимации одного измерения. Первоначальный спад скорости ультразвукового импульса соответствует области приработочных отказов (область I). Конец этого этапа говорит о переходе к стадии нормальной эксплуатации (область II).
Резкое увеличение темпа спада скорости распространения ультразвукового импульса указывает на переход в область разрушения и предупреждает об опасности дальнейшей эксплуатации (область III).
Рассмотрено структурное состояние образцов.
Основными структурными составляющими перлитных сталей являются феррит, перлит, сорбит отпуска. Стабильность перечисленных структурных составляющих различна и зависит от температурно-силовых условий эксплуатации. В равных температурно-силовых условиях термическая стабильность зёрен с продуктами распада аустенита изменяется в следующем порядке в сторону возрастания стабильности, перлит переотпуска, перлит нормализации, равноосный фрагментированный сорбит отпуска, игольчатый сорбит отпуска. Минимальной термической стабильностью обладает перлит, образовавшийся в стали при переотпуске. В процессе эксплуатации происходят следующие изменения.
В исходном состоянии после термической обработки зёрна структурно-свободного феррита неоднородны по содержанию углерода и количеству карбидных частиц. Дальнейшее выделение карбидов в процессе ползучести также идёт неравномерно. В областях с повышенной плотностью карбидов в силу их тормозящего действия наблюдается повышенная плотность дислокации, что способствует более интенсивному выделению карбидов.
В результате исходная неравномерность в плотности распределения карбидных частиц сохраняется. Это выявляется по травимости ферритных зёрен: феррит, образовавшийся при более высоких темпер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.