научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА С ОДНОВРЕМЕННЫМ РАСТЯЖЕНИЕМ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРУБАХ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА С ОДНОВРЕМЕННЫМ РАСТЯЖЕНИЕМ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРУБАХ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ»

УДК 621.774.3; 621.7.09

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА С ОДНОВРЕМЕННЫМ РАСТЯЖЕНИЕМ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРУБАХ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

© Буркин Сергей Павлович 1, канд. техн. наук, проф.; Шимов Георгий Викторович1, канд. техн. наук, e-mail: geosh@bk.ru; Серебряков Андрей Васильевич2, канд. техн. наук, e-mail: andrey.serebryakov@chelpipe.ru; Серебряков Александр Васильевич1, канд. техн. наук, e-mail: ntt@pervouralsk.ru

1 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург

2 ОАО «Первоуральский новотрубный завод». Россия, г. Первоуральск Свердловской обл.

Статья поступила 02.07.2015 г.

>

Основной причиной появления и развития коррозионных повреждений теплообмен-ных труб парогенератора АЭС является процесс коррозионного растрескивания металла под действием остаточных растягивающих напряжений.

Предложен способ, совмещающий операции термической обработки и правки труб растяжением. Проведена апробация способа в лабораторных условиях. Описана конструкция и принцип работы опытной установки. В экспериментах опробованы различные параметры электроконтактного нагрева с растяжением. Апробация показала, что предложенный способ позволяет снизить уровень остаточных растягивающих напряжений, либо создать остаточные сжимающие напряжения в стенке труб, что повышает их коррозионную стойкость.

Ключевые слова: парогенератор; теплообменные трубы; коррозионное растрескивание под напряжением; межкристаллитная коррозия; остаточные напряжения; электроконтактный нагрев; правка растяжением.

Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора, является состояние теплообменных труб [1]. В качестве теплообменных применяются бесшовные холоднодеформированные трубы размерами 16x1,5 мм из стали 08Х18Н10Т, поставляемые по ТУ14-3Р-197-2001.

В процессе эксплуатации парогенератора в теплообменных трубах могут возникать и развиваться коррозионные дефекты, основной из них - коррозионное растрескивание, возникающее при одновременном действии агрессивной среды и растягивающих рабочих и остаточных напряжений в трубах [2]. Исходя из этого, снижение растягивающих остаточных напряжений в них является актуальной проблемой.

Технология производства теплообменных труб парогенераторов включает в себя холодную прокатку, термическую обработку (ТО) в газовых или электрических печах и последующую правку труб на правильном стане. Необходимость правки вызвана значительной кривизной труб после ТО. При правке появляются растягивающие остаточные напряжения, в металле выделяется а-фаза,

Уральский

федеральный

университет

mini первого Президента ЙЩнк E.H.El4l»*U Инпитут

■ мтш^гл

что в итоге снижает стойкость теплообменных труб к коррозионному растрескиванию [3, 4]. Одним из вариантов совершенствования технологии производства таких теплообмен-ных труб является исключение операции валковой правки, а также снижение уровня остаточных напряжений в трубах.

Авторами предложена технология электроконтактного нагрева и последующего охлаждения труб с одновременным их растяжением. Технология основана на том, что при охлаждении внешние слои стенки трубы, контактирующие с охладителем, стремятся укоротиться, а натяжение препятствует этому, что и приводит к возникновению «ответных» сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях металла трубы после охлаждения [5]. Преимуществом этой технологии является еще и то, что труба одновременно подвергается ТО и правке. Возможен вариант, при котором после применения этой технологии трубу не нужно будет править на валковом стане после ТО.

Исследования проводили на образцах труб производства ОАО «ПНТЗ» размером 20x1,5 мм из стали 08Х18Н10Т (АШ 321) после прокатки.

Для отработки режимов нагрева и охлаждения труб при одновременном их растяжении с целью получения сжимающих остаточных напряжений в стенке трубы в лаборатории кафедры «Обработка металлов давлением» УрФУ была сконструирована и изготовлена установка (рис. 1).

Рис. 1. Схема (а) и вид (6) установки для правки труб растяжением с одновременным нагревом

Конструкция установки включает в себя две поперечины 1 и 2, изготовленные из неэлектропроводного материала (текстолит) и стянутые в прямоугольную раму шпильками 3 с помощью гаек 4. В центральных расточках поперечин со-осно установлены неподвижный 5 и подвижный 6 захваты, на концах которых нарезана резьба для крепления трубных заготовок размерами 20x1,5 мм. На концах заготовок также нарезана внутренняя резьба (рис. 2). На выступающей за пределы поперечины 2 части захвата 6 установлена пружина сжатия 8 с регламентированным коэффициентом жесткости. На резьбовой части хвостовика захвата 6 установлены гайка 9 и шайба 10, предназначенные для предварительного натяжения образца трубы 7 с заданным усилием. На концевых частях образца на уровне резьбовых соединений установлены медные токоподводя-щие контакты 11, затягиваемые болтами с гайками 12 и соединенные кабелями с источником питания. Внутри образца и соосно с ним установлена перфорированная трубка 13, центрируемая с помощью захвата 5, с целью подачи воды для охлаждения внутренней полости трубы.

В качестве источника питания использовали управляемый трансформатор типа Таммана мощностью 60 кВт (максимальный вторичный ток до 3000 А, напряжение во вторичной цепи трансформатора до 15 В).

Контроль температурного режима осуществляли непрерывно при нагреве и охлаждении с помощью хромель-алюмелевой термопары (рис. 3), спай которой хомутом прижат к наружной поверхности трубы (см. рис. 2), устанавливаемого в центральной по длине части образца. К термопаре присоединен милливольтметр для измерения температуры. При этом ошибка измерения определяется только разностью температур поверхности трубы и хомута. Поскольку толщина

Рис. 2. Образец трубы с установленным на нем затянутым хомутом

Рис. 3. Установка термопары на нагреваемом образце трубы

хомута составляет всего 0,5 мм, это различие в температуре нагрева невелико и не вызывает значительных погрешностей измерения. Кроме того, оперативный контроль термопары осуществлялся бесконтактно радиационным пирометром модели Иау^ег 31 2МБС с диапазоном измерения 200-1800 °С (см. рис. 1, б).

Опыты проводили в следующем порядке. Трубы разрезали на образцы длиной 250 мм. На концах образцов нарезалась внутренняя резьба М18х1 на глубину 25 мм. Далее на образцы надевали стяжной хомут термопары. После этого образец навинчивали на неподвижный захват 5 (см. рис. 1, а) и на нем закрепляли токоподводя-щие контакты 11. Далее с противоположной сто-

роны образца ввинчивали подвижный захват 6. На него устанавливали пружину 8, шайбу 10 и гайку 9, посредством которой обеспечивалось требуемое по условиям эксперимента осевое натяжение. В процессе нагрева образец удлинялся, а увеличение длины компенсировалось растяжением пружины.

Максимальное механическое напряжение в образце трубы действует до начала нагрева и уменьшается по мере нагрева и температурного удлинения образца. Это позволяет предотвратить пластическую деформацию при высоких температурах, когда сопротивление деформации металла существенно снижается.

Конструкция лабораторной установки при практически любой жесткости пружины дает возможность осуществить регламентированную осевую пластическую деформацию. Для этого нагрев начинается при полностью сжатой пружине, а по достижении максимальной температуры следует повернуть гайку по часовой стрелке (при правой резьбе) на угол а, определяемый выражением

а = 2пе10/б, рад, где е - относительная деформация удлинения образца трубы; 10 - базовая длина образца, определяемая по исходной длине образца за вычетом суммарной длины резьбовых частей захватов, мм; б - шаг резьбы гайки, мм.

Так же просто проводили охлаждение без осевой нагрузки. Во время паузы после завершения нагрева гайку 9 полностью скручивали с захвата 6, освобождая пружину. Легко понять, что возможен различный режим натяжений образца при нагреве и охлаждении. Для обеспечения заданного начального напряжения растяжения образца пружину до начала нагрева сжимали на величину ДL = q0f/k, мм, где q0 - максимальное осевое напряжение в сечении образца трубы до нагрева, МПа; f - площадь сечения образца, мм2; к - жесткость пружины.

Для установления влияния интенсивности и направленности теплоотвода целесообразно исследование охлаждения как наружной, так и внутренней поверхностей образца. В первом случае трубу после завершения нагрева охлаждали на воздухе или в ванне с водой. Во втором случае в отверстие неподвижного захвата 5 (см. рис. 1, а) вводили перфорированную трубку 13 и через нее подавали воздух или воду. Водяной пар удалялся из полости образца через осевое отверстие подвижного захвата 6. Во всех случаях график охлаждения образца во времени регистрировался либо термопарой, либо радиационным пирометром.

Исследовали охлаждение наружной поверхности труб на воздухе и в воде, охлаждение внутренней поверхности - водой. После эксперимента в образцах труб контролировали: остаточные напряжения, величину зерна металла, твердость и стойкость против МКК. После обработки образцы в ЦЗЛ Первоуральского новотрубного завода проводили механические, металлографические испытания, определяли стойкость к МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001 и остаточные напряжения методом кольцевой пробы по РИ 25-56-2006. Результаты испытаний представлены в таблице.

Анализируя приведенные результаты можно отметить, что сжимающие остаточные напряжения в стенке труб действительно повышают их стойкость против МКК и, следовательно, снижают риски по коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН).

Температура нагрева в диапазоне 10001050 °С в сочетании с наружным охлаждением также обеспечивает стойкость труб против МКК. При этом указанные режимы способствуют формированию относительно более мелкозернистой структуры (балл 9, 10). Стоит отметить, что образцы труб с более крупнозернистой структурой (балл 8 и более) показали низкую стойкость против МКК (см. таблицу).

Несмотря на различные механизмы развития МКК и КРН, мо

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.

Показать целиком