Акустические методы
УДК 620.179.16
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩЕГО МЕТАЛЛА ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОСКОПИИ
А.Н. Смирнов, Н.В. Абабков, В.В. Муравьев, С.В. Фольмер
Описаны критерии оценки технического состояния при акустической структуроскопии сварных соединений паропроводов и барабанов котлов длительно работающего металла оборудования тепловых электростанций. Даны сведения об изменении структурного состояния металла в процессе длительной эксплуатации теплоустойчивых сталей. Приведены зависимости критериев от величины локальных полей внутренних напряжений кристаллической решетки. Представлена связь между комплексным критерием и длительной прочностью теплоустойчивых сталей.
Ключевые слова: акустическая структуроскопия, внутренние напряжения, длительная прочность, сварные соединения, теплоустойчивые стали, паропроводы.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросам безопасной эксплуатации технических устройств опасных производственных объектов (ТУОПО) во всем мире уделяется повышенное внимание. В России эта проблема особенно актуальна, так как более 60 % промышленного оборудования отработало расчетный срок, а в энергетике — более 80 %. Повреждения ТУОПО могут привести и нередко приводят к авариям и техногенным катастрофам с человеческими жертвами [1—3].
Для оценки технического состояния ТУОПО в России была создана система экспертизы промышленной безопасности (НТЦ "Промышленная безопасность"), применение документов которой позволяет определять работоспособность устройств. Некоторыми из составляющих системы являются техническое диагностирование и неразрушающий контроль основного металла и сварных соединений тепловых электростанций (ТЭС).
Однако существующий в настоящее время подход к оценке работоспособности металла ТУОПО отличается большим многообразием руководящих документов, методов и методик, средств измерений и испытаний. Все это значительно затрудняет процесс диагностирования и не всегда позволяет правильно оценивать состояние технических устройств и, следовательно, определять ресурс и прогнозировать срок их службы. Неразрушающий контроль в задачах оценки работоспособности ТУОПО ориентирован главным образом на выявление уже существующих и развившихся очагов разрушения и не дает возможности определять раннюю стадию зарождения микроповреждений и оценивать характер изменения структурно-фазового состояния металла. Проблема усугубляется отсутствием научно обоснованной концепции надежного прогнозирования работоспособности длительно работающего металла.
Александр Николаевич Смирнов, доктор техн. наук, профессор кафедры "Технология машиностроения" ФГБОУ ВПО "Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева". Тел. (3842) 44-14-93. E-mail: galvas.kem@gmail.ru
Николай Викторович Абабков, канд. техн. наук, доцент кафедры "Технология машиностроения" ФГБОУ ВПО "Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева". Тел. 8-904-994-3154. E-mail: n.ababkov@rambler.ru
Виталий Васильевич Муравьев, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой "Приборы и методы контроля качества" ФГБОУ ВПО Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова, ведущий научный сотрудник ФТИ УрО РАН. Тел. (3412) 77-60-55. E-mail: pmkk@istu.ru
Сергей Владимирович Фольмер, канд. техн. наук, начальник ПТО ООО "Кузбасский центр сварки и контроля". Тел. (3842) 44-14-93. E-mail: ssr-2gac@mail.ru
Поэтому очевидна необходимость разработки нового подхода к оценке технического состояния и работоспособности ТУОПО, основанного на выявлении закономерностей эволюции структурно-фазового состояния металла в процессе эксплуатации и изменения его механических характеристик с применением методов структуроскопии.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПОДХОДЫ
В процессе длительной эксплуатации технических устройств ТЭС в сложных напряженных условиях (зачастую в агрессивных средах) в основном металле и сварных соединениях происходят физико-химические процессы, вызывающие преждевременную ползучесть, усталость, коррозию и так далее. В реальных условиях эксплуатации эти явления трудно отделить друг от друга. Они чаще всего протекают совместно, например, термоусталость, коррозионно-термическая усталость, усталость в условиях ползучести и другие. Процессы, протекающие в металле, приводят к изменению структурно-фазового состояния, в частности, в теплоустойчивых сталях происходит перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидами [4—6]. Например, в стали 12Х1МФ упрочнение при термической обработке может происходить по трем механизмам в результате:
взаимодействия атомов легирующих элементов с дислокациями в твердом растворе;
дисперсионного твердения частицами второй фазы; фазового наклепа при у^-а-превращении.
В процессе эксплуатации сталей в течение длительного времени при высоких температурах изменяется вклад каждого механизма упрочнения [5].
Вклад от упрочнения твердого раствора с увеличением времени эксплуатации (или старения) уменьшается, что связано с переходом молибдена в карбидную фазу. Вклад от упрочнения частицами второй фазы практически не изменяется вследствие действий двух одновременно протекающих процессов — коагуляции частиц упрочняющей фазы и выделения новых высокодисперсных частиц карбидов МС в результате "подстаривания". Первый процесс снижает эффект от упрочнения, а второй приводит к дополнительному упрочнению. На более поздних стадиях эксплуатации (более 100 тыс. ч) коагуляция частиц становится основным фактором, приводящим к снижению эффекта дисперсионного твердения. Вклад от фазового наклепа в общее упрочнение, определяющийся плотностью дислокаций, закрепленных карбидами МС, меняется в зависимости от условий эксплуатации, действующих напряжений и др. Его изменение определяется главным образом термической устойчивостью карбидов.
Таким образом, разработка методов и приборов структуроскопии для оценки потери прочности вследствие деструктуризации металла — важнейшая проблема, соответствующая концепции развития диагностики и прогнозирования разрушения сварных конструкций, предложенная Б.Е. Патоном [7], в основе которой лежит "разработка теории, методов и информационно-измерительных систем для прогноза несущей способности сварных конструкций на основе исследований разрушения материала и анализа, сопутствующих ему носителей информации о процессах, протекающих в материале при разрушении".
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
Во время эксплуатации паропроводов ТЭС происходит локальная перестройка дислокационной структуры с образованием новых источников даль-нодействующих полей внутренних напряжений кристаллической решетки, а изменение этих полей характеризует работоспособность металла [8—10].
При исследовании сварных соединений паропроводов ТЭС с применением методов электронной микроскопии наблюдаются изменения структуры, фазового состава и внутренних напряжений в сварных соединениях из стали 20 и 12Х1МФ [11, 12] после различных сроков эксплуатации и поврежденных соединений (рис. 1).
а б
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали 12Х1МФ: а — ферритное зерно основного металла, присутствуют частицы карбида М23С6 (показано стрелками), не связанные с дислокациями; б — ферритное зерно металла шва, присутствует частица карбида М23С6
(показано стрелкой в круге).
Величину дальнодействующих локальных полей внутренних напряжений определяли с помощью электронно-микроскопических исследований кривизны-кручения кристаллической решетки в результате измерений плотности экстинкционных контуров. Концентрация внутренних напряжений увеличивается с выделением карбидов и ростом плотности дислокаций [5, 6]. Методы акустической структуроскопии, используемые при исследовании связи скорости распространения волн в сталях с их структурно-напряженным состоянием и долговечностью, рассмотрены в [13—15].
Влияние внутренних напряжений на акустические параметры исследовали с помощью специально разработанной системы "АСТРОН" [3, 16]. В основу работы ее аппаратной части положен способ измерения времени распространения волн Рэлея на постоянной базе, с учетом температуры объекта, влияющей на скорость волн. Специализированные преобразователи рэлеевских волн вместе с излучателями-приемниками термоимпульсов, компенсирующими влияние температурного фактора на результат измерений, расположены в одном малобазном блоке. Программное обеспечение поддерживает режим самодиагностики и обработку результатов. Экспериментальные исследования показали, что оптимальной величиной для шага дискретизации является величина 5—10 нс, что позволяет в рамках решаемых задач обеспечить относительную погрешность определения временных параметров на уровне 10-5.
Измеряемый параметр — время распространения рэлеевских волн на постоянной базе, является информативным параметром, характеризующим изменение локальных полей внутренних напряжений (<т>) [8—12]. Так, например, с увеличением величины локальных полей внутренних напряжений <т> происходит рост времени распространения волн Рэлея, то есть уменьшение их скорости распространения вследствие роста плотности источников (концентраторов) внутренних полей напряжений [14].
Результаты исследований показывают высокую чувствительность информативного параметра — скорости распространения акустических волн — к изменениям параметров микроструктуры, а именно полей внутренних напряжений <т> (средней амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки, зависящей от скалярной плотности дислокаций и
концентрации карбидных выделений), отвечающих за прочность и долговечность основного металла и сварных соединений оборудования ТЭС [16—19].
Критерий оценки ресурса сварных соединений паропроводов. В сварных соединениях паропроводов уровень полей внутренних напряжений оказывает существенное влияние на акустические характеристики, в частности на время распространения волн Рэлея. При исследовании металла сварных соединений обнаружена анизотропия акустических свойств вдоль и поперек сварного шва. На основе результатов измерений времени распространения волн на поверхностях
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.