Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики

Оцінено характеристики міцності і пластичності та статичну тріщиностійкість сталі 12Х1МФ з розтягненої, нейтральної, стисненої зон вертикального гину головного парогону ТЕС та його прямої ділянки після ∼1,3·10⁵ h експлуатації. Виявлено анізотропію механічних характеристик за руйнування в діаметральн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Студент, О.З., Свірська, Л.М., Дзіоба, І.Р.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2012
Schriftenreihe:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Schlagworte:	Наука-виробництву
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139618
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики / О.З. Студент, Л.М. Свірська, І.Р. Дзіоба // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 2. — С. 111-118. — Бібліогр.: 26 назв. — укp.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-139618
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1396182025-02-09T09:38:44Z Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики Влияние продолжительной эксплуатации стали 12Х1М1Ф из разных зон изгиба паропровода ТЭС на ее механические характеристики Influence of 12X1М1Ф steel long-time operation from different zones of power station steam pipeline bend on its mechanical properties Студент, О.З. Свірська, Л.М. Дзіоба, І.Р. Наука-виробництву Оцінено характеристики міцності і пластичності та статичну тріщиностійкість сталі 12Х1МФ з розтягненої, нейтральної, стисненої зон вертикального гину головного парогону ТЕС та його прямої ділянки після ∼1,3·10⁵ h експлуатації. Виявлено анізотропію механічних характеристик за руйнування в діаметральному і осьовому перерізах труби та їх градієнт поперек стінки труби. Определены характеристики прочности, пластичности и статической трещиностойкости стали 12Х1МФ из растянутой, нейтральной и сжатой зон вертикального изгиба главного паропровода ТЭС и его прямого участка после ∼1,3⋅10⁵ h эксплуатации. Выявили анизотропию характеристик при разрушении в диаметральном и осевом сечениях трубы и их градиент поперек стенки трубы. The characteristics of strength, ductility and static fracture toughness of the 12Х1МФ steel from the elongated, compressed, and the neutral zones of vertical bending and straight part of the pipe after ∼1.3⋅10⁵ h of operation at the main steam power station were estimated. Anisotropy of fracture characteristics in diametric and axial section of the tube and the gradient of change across the pipe wall under fracture were revealed. 2012 Article Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики / О.З. Студент, Л.М. Свірська, І.Р. Дзіоба // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 2. — С. 111-118. — Бібліогр.: 26 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139618 620.171.2; 620.187.22 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Наука-виробництву Наука-виробництву
spellingShingle	Наука-виробництву Наука-виробництву Студент, О.З. Свірська, Л.М. Дзіоба, І.Р. Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики Фізико-хімічна механіка матеріалів
description	Оцінено характеристики міцності і пластичності та статичну тріщиностійкість сталі 12Х1МФ з розтягненої, нейтральної, стисненої зон вертикального гину головного парогону ТЕС та його прямої ділянки після ∼1,3·10⁵ h експлуатації. Виявлено анізотропію механічних характеристик за руйнування в діаметральному і осьовому перерізах труби та їх градієнт поперек стінки труби.
format	Article
author	Студент, О.З. Свірська, Л.М. Дзіоба, І.Р.
author_facet	Студент, О.З. Свірська, Л.М. Дзіоба, І.Р.
author_sort	Студент, О.З.
title	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики
title_short	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики
title_full	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики
title_fullStr	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики
title_full_unstemmed	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики
title_sort	вплив тривалої експлуатації сталі 12х1м1ф з різних зон гину парогону тес на її механічні характеристики
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Наука-виробництву
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139618
citation_txt	Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики / О.З. Студент, Л.М. Свірська, І.Р. Дзіоба // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 2. — С. 111-118. — Бібліогр.: 26 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT studentoz vplivtrivaloíekspluatacíístalí12h1m1fzríznihzonginuparogonutesnaíímehaníčníharakteristiki AT svírsʹkalm vplivtrivaloíekspluatacíístalí12h1m1fzríznihzonginuparogonutesnaíímehaníčníharakteristiki AT dzíobaír vplivtrivaloíekspluatacíístalí12h1m1fzríznihzonginuparogonutesnaíímehaníčníharakteristiki AT studentoz vliânieprodolžitelʹnojékspluataciistali12h1m1fizraznyhzonizgibaparoprovodatésnaeemehaničeskieharakteristiki AT svírsʹkalm vliânieprodolžitelʹnojékspluataciistali12h1m1fizraznyhzonizgibaparoprovodatésnaeemehaničeskieharakteristiki AT dzíobaír vliânieprodolžitelʹnojékspluataciistali12h1m1fizraznyhzonizgibaparoprovodatésnaeemehaničeskieharakteristiki AT studentoz influenceof12x1m1fsteellongtimeoperationfromdifferentzonesofpowerstationsteampipelinebendonitsmechanicalproperties AT svírsʹkalm influenceof12x1m1fsteellongtimeoperationfromdifferentzonesofpowerstationsteampipelinebendonitsmechanicalproperties AT dzíobaír influenceof12x1m1fsteellongtimeoperationfromdifferentzonesofpowerstationsteampipelinebendonitsmechanicalproperties
first_indexed	2025-11-25T10:15:15Z
last_indexed	2025-11-25T10:15:15Z
_version_	1849756974606974976
fulltext	111 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 2. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.171.2; 620.187.22 ВПЛИВ ТРИВАЛОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ СТАЛІ 12Х1М1Ф З РІЗНИХ ЗОН ГИНУ ПАРОГОНУ ТЕС НА ЇЇ МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ О. З. СТУДЕНТ 1, Л. М. СВІРСЬКА 1, І. Р. ДЗІОБА 2 1 Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів; 2 Технологічний університет, Кєльцe, Польща Оцінено характеристики міцності і пластичності та статичну тріщиностійкість сталі 12Х1МФ з розтягненої, нейтральної, стисненої зон вертикального гину головного парогону ТЕС та його прямої ділянки після ∼1,3·105 h експлуатації. Виявлено ані- зотропію механічних характеристик за руйнування в діаметральному і осьовому пе- рерізах труби та їх градієнт поперек стінки труби. Ключові слова: теплотривка сталь, експлуатаційна деградація, механічні харак- теристики, статична тріщиностійкість, анізотропія. Гини головних парогонів ТЕС – одні з найнебезпечніших елементів у систе- мі трубопроводів [1–5]. Останнім часом відчутно зросла кількість пошкоджень, які виявляють на гинах необігрівних труб котлів і головних парогонів після їх тривалого використання. Ці елементи експлуатуються за жорстких температур- но-силових умов (температура 540°С, тиск пари до 24 MPa), а через зміну геомет- рії перерізу труб під час виготовлення гинів та пов’язаними з цим особливостями (зміна напружено-деформованого стану, структури та властивостей металу гинів порівняно з прямими ділянками труб) експлуатаційні умови для них стають ще жорсткішими. Зокрема, це циклічна зміна напружень у діаметральних перерізах труб під час їх експлуатації, яка спричиняє малоциклову втому металу, і тому гнуті ділянки пошкоджуються найчастіше [6]. Серед причин пошкоджень гинів труб виділяють такі: дефекти металургій- ного походження або бракована структура через порушення технології виготов- лення; дефекти, що виникли на етапі виготовлення гинів на котлобудівних заво- дах, які спричиняють небезпечну локалізацію напружень від дії внутрішнього тиску пари та термічних напружень під час їх використання; порушення регла- менту експлуатації і пов’язані з цим перевантаження [2, 3]. Залежно від умов використання і характеру руйнування в окрему групу виділя- ють гини пароперепускних труб з ощаднолегованих теплотривких сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, які експлуатуються за температури понад 500°С і тиску пари 10… 14 MPa [3, 6]. Імовірність руйнування в тій чи іншій зоні гину в основному по- в’язують з рівнем напружень. Досвід експлуатації парогонів свідчить, що осьові тріщини повзучості найчастіше виникають саме в розтягнених зонах гинів [2, 7]. При цьому ланцюжки міжзеренних мікротріщин зливаються, утворюючи магіст- ральну тріщину. Завершальна стадія руйнування гину з наскрізним пошкоджен- ням у макромасштабі відбувається, як правило, без відчутного тоншання стінки труби, але за значного розкриття берегів тріщини біля зовнішньої поверхні. Час- то попри наскрізні тріщини від зовнішньої поверхні труби у розтягненій зоні гину спостерігають глибокі тріщини від внутрішньої поверхні у нейтральній зоні, ви- никнення яких пов’язують з впливом технологічного середовища. Крім того, в око- Контактна особа: О. З. СТУДЕНТ, e-mail: student@ipm.lviv.ua 112 лі нейтральної лінії гину після великої кількості пусків-зупинок технологічного процесу виникають сприятливі умови для зародження і поширення тріщин тер- мічної втоми [4, 8–10]. Разом з тим, попри певний досвід, накопичений за результатами обстежень пошкоджених гинів парогонів та аналізу їх причин, дослідження механічних влас- тивостей експлуатованих теплотривких сталей не систематизовані і суперечливі, а тому актуальні. Відомо, що локальні параметри механіки руйнування характе- ризуються високою чутливістю до деградації теплотривких сталей [11] та їх звар- них з’єднань [12]. Тому для обґрунтування можливості продовження ресурсу ги- ну парогону важливо оцінити технічний стан металу з різних його зон, викорис- тавши для цього інтегральні характеристики – міцність та пластичність, і локаль- ну, зокрема таку, як статична тріщиностійкість. Мета роботи – провести порівняльну оцінку експлуатаційної деградації сталі 12Х1МФ з різних зон гину та прямої ділянки головного парогону ТЕС за механіч- ними характеристиками міцності і пластичності та статичною тріщиностійкістю. Досліджені матеріали та методичні аспекти випроб. Дослідили тепло- тривку ощаднолеговану сталь 12Х1МФ (0,1% C; 0,019% S; 0,015% P; 0,26% Si; 0,54% Mn; 1,1% Cr; 0,17% V; 0,26% Mo) з вертикального гину головного парого- ну ТЕС після ∼1,3·105 h експлуатації та 817 зупинок технологічного процесу, з яких 89 вимушені. Температура пари у трубі під час експлуатації становила 540°С, тиск робочого середовища – 14 MPa. Зовнішній діаметр прямої ділянки труби 273 mm, а товщина її стінки – 36 mm. Радіус кривизни гину, виготовленого в за- водських умовах, становив 1 m, а кут загинання – 90°С. Пряма ділянка труби роз- ташована на віддалі ∼2 m від максимально розтягненої зони гину. Отже, гин і пряму ділянку труби вирізали з однієї частини парогону. Тому вважали, що тех- нологічні умови їх деградації під час експлуатації ідентичні. Деградацію металу гину оцінювали за характеристиками міцності, пластич- ності та статичною тріщиностійкістю. Оскільки гину властива неоднорідність де- формованого стану металу в перерізі труби, то про деградацію судили за резуль- татами випроб зразків, вирізаних з розтягненої, стисненої, нейтральної зон гину та його прямої ділянки, орієнтуючи їх у тангенціальному і осьовому напрямах. Щоб з’ясувати можливі відмінності за механічними характеристиками металу по товщині стінки труби, тангенціально орієнтовані зразки вирізали в кожній зі зон гину біля зовнішньої та внутрішньої поверхонь труби, а осьові – ще й з централь- ної частини стінки труби. Механічні характеристики металу за одновісного розтягу на повітрі визнача- ли, використовуючи гладкі циліндричні зразки діаметром 5 mm з п’ятикратною довжиною робочої частини, згідно з ГОСТ 1497-84 [13]. Щоб усунути сліди шлі- фування на робочій частині зразків, які під час випроб могли спричинити кон- центрацію напружень, їх поверхню перед випробами полірували зі застосуван- ням паст різної зернистості. Зразки випробовували на повітрі на розривній маши- ні УМЕ-10Т за швидкості деформації 3·10–4 s–1. Статичну тріщиностійкість сталі визначали за кімнатної температури на по- вітрі з використанням методу J-інтеграла, оцінюючи його критичне значення JIc, чутливе до деградації теплотривких сталей [14]. Випробовували балкові зразки (10×15×75 mm) тангенціальної та осьової орієнтацій з наперед наведеними вто- мними тріщинами довжиною a0 = 6…7 mm. На завершальному етапі наведення (останніх 0,5 mm) швидкість росту тріщини становила 5·10–9 m/cycle. Зразки ви- різали з різних зон гину і прямої ділянки біля зовнішньої і внутрішньої повер- хонь труб, а вершину концентраторів у них розташовували на глибині ∼8 mm від зовнішньої і ∼4 mm від внутрішньої поверхонь труби. Зразки навантажували за схемою триточкового згину. Під час навантаження одночасно фіксували силу P та 113 зміну податливості зразка і розкриття берегів тріщини внаслідок її підростання на ∆a. Щоб визначити критичне значення J-інтеграла, що відповідає старту трі- щини, будували JR-криві (залежності поточного значення J-інтеграла Jk від під- ростання тріщини ∆aк) [15]. Для цього використали відому методику багаторазо- вого часткового розвантаження зразків [16]. Під час кожного розвантаження ви- значали приріст тріщини ∆a впродовж попереднього етапу навантаження зразка і відповідне йому значення Jk. Швидкість навантаження і розвантаження зразків становила 3,3·10–5 m/s. За отриманими результатами будували JR-криві, апрокси- мувавши які на ∆a = 0, знаходили значення Jі, що характеризують енергозатрати на старт статичного підростання тріщини. Ці значення прийняли за статичну трі- щиностійкість JІс. Результати випроб за одновісного розтягу. Зазвичай діаметральний пере- різ гину має форму деформованого еліпса. Максимальна овальність гину m, яку визначали за співвідношенням m = 2(Dmax – Dmin)/(Dmax + Dmin)⋅100%, один з кри- теріїв оцінювання його придатності до експлуатації. Згідно з вимогами норма- тивного документа, вона не повинна перевищувати 6% [17]. Перед запуском па- рогону ця вимога виконувалася, але після ∼1,3·105 h експлуатації його максимальна овальність зросла до 6,4% і вийшла за допустимі межі. Внаслідок цього виникла суттєва різниця за товщиною стінки труби в зонах стиску і розтягу (39,5 mm та 33 mm, відповідно). Її могла спричинити повзучість металу в розтягненій зоні ги- ну, адже відомо, що впродовж тривалої високотемпературної експлуатації паро- гонів під впливом робочих напружень стінка труби у цій зоні тоншає. Це призво- дить до концентрації деформації у цьому місці і сприяє зародженню тріщин пов- зучості, ріст яких завершується руйнуванням гину [3, 4]. Результати випроб одновісним розтягом тангенціальних і осьових зразків, вирізаних з прямої ділянки труби та розтягненої, нейтральної і стисненої зон ги- ну свідчать про те, що після експлуатації характеристики міцності та пластичнос- ті в основному не виходять за межі регламентованих значень (рис. 1). Разом з тим відзначили, що характеристики міцності металу з різних зон ги- ну та його прямої ділянки тангенціально орієнтованих зразків змінюються якісно подібно біля зовнішньої і внутрішньої поверхонь труби (рис. 1a, с). Зокрема, в усіх зонах характеристики міцності металу біля зовнішньої поверхні труби вищі, аніж біля внутрішньої (залежно від зони гину властивості відрізняються на 1… 7%), а в розтягненій зоні – вищі, ніж у стисненій. Щодо характеристик пластич- ності (рис. 1е, g), то в усіх зонах гину біля зовнішньої поверхні вони нижчі, ніж біля внутрішньої (відносне видовження на 11…14%, а звуження – на 1…9%). От- же, отримані на тангенціальних зразках результати свідчать лише про незначні тенденції до погіршення механічних властивостей сталі 12Х1МФ як поперек стінки труби, так і в різних зонах її гину. Цей висновок узгоджується зі зробле- ним раніше на основі випроб прямих ділянок труб з теплотривких сталей щодо низької чутливості інтегральних механічних характеристик до деградації [11]. Особливість отриманих результатів – втрата пластичності металу розтягненої і стисненої зон гину за показником δ (рис. 1e). Оскільки цей ефект проявляється чіткіше у цих зонах, ніж у нейтральній і на прямій ділянці гину, то це може бути наслідком впливу деформування металу цих зон розтягом та стиском під час ви- готовлення гину. Причому біля внутрішньої поверхні труби негативний вплив деформування стиском на величину δ є навіть дещо сильніший, аніж деформу- вання розтягом, а біля зовнішньої, де максимальний вплив деформації розтягом, різниця за значеннями δ між цими зонами нівелюється. Отже, за результатами випроб тангенціальних зразків можна зробити висновок, що сталь 12Х1МФ після ∼1,3·105 h експлуатації все ще придатна до подальшого використання. Причому це стосується металу усіх зон гину та його прямої ділянки. 114 Результати випроб осьових зразків підтверди- ли висновок, зроблений за результатами досліджень тангенціальних зразків що- до відповідності характе- ристик міцності і віднос- ного звуження експлуато- ваної сталі вимогам рег- ламентувального докумен- та [18] (рис. 1b, d, h). Най- нижчі значення σ0,2 влас- тиві нейтральній зоні гину та прямій ділянці труби, а в стисненій зоні вони мен- ші, ніж у розтягненій. Під- твердилася також незнач- на тенденція до зниження σ0,2 та σВ металу всіх зон гину від зовнішньої до внутрішньої поверхні тру- би (рис. 1a–d). І лише в околі внутрішньої поверх- ні труби з розтягненої зо- ни гину зафіксували істотне зміцнення металу (рис. 1b). Але при цьому відносне видовження δ металу з розтягненої зони стало нижчим за регламентова- ний рівень (рис. 1f), що є ознакою критичної дегра- дації металу в цій зоні. Отже, за характеристика- ми сталі, визначеними на осьових зразках, а саме через відносне видовжен- ня δ металу з розтягненої зони гину слід зробити ви- сновок про її непридатність до подальшої експлуата- ції. Більше того, тонша стінка перерізу труби у розтягненій зоні, загалом сприяє інтенсивній дефор- мації і зародженню тріщин повзучості. Загалом, окрім не- значного градієнта харак- теристик по товщині стін- ки труби, відзначили також їх анізотропію, оскільки спостерігали зміну залежно від орієнтації зразків. Зокрема, величини σ0,2 і ψ всіх зон гину і прямої ділянки Рис. 1. Границі текучості σ0,2 (а, b), міцності σВ (c, d) і відносні видовження δ (e, f) та звуження ψ (g, h) сталі 12Х1МФ після експлуатації на головному парогоні ТЕС, отримані на тангенціальних (a, c, e, g) і осьових (b, d, f, h) зразках, вирізаних з розтягненої (І), нейтральної (ІІ) та стисненої (ІІІ) зон гину та його прямої ділянки (IV) біля зовнішньої (чорні стовпчики) і внутрішньої (білі) поверхні труби та всередині її стінки (сірі). Горизонтальними лініями позначено регламентовані рівні (a, b, e–h) і допустимий діапазон зміни (c, d) відповідних характеристик. Fig. 1. Yield strength σ0.2 (а, b), ultimate strength σВ (c, d), relatives elongations δ (e, f) and reduction of area ψ (g, h) of 12Х1МФ steel after service on the main steam pipeline determined on tangential (a, c, e, g) and axial (b, d, f, h) specimens cutted out from elongated (І), neutral (II), compressed (III) zones of pipe bend and straight part of steam pipe (IV) near external (black bars) and internal (white) surfaces of a tube and inside pipe wall (grey). Regulated levels (a, b, e–h) and acceptable range of changes (c, d) of the corresponding mechanical properties are marked by horizontal line. 115 парогону, визначені на осьових зразках, більші, ніж на тангенціальних (рис. 1a, b, g, h). Анізотропія характеристики δ найяскравіше проявилася у розтягненій і стисненій зонах гину (рис. 1e, f). Важко лише стверджувати про існування анізо- тропії границі міцності, оскільки смуги розкиду даних за використання зразків різної орієнтації подекуди перекривалися (рис. 1c, d). Отож, на основі отриманих результатів зробили висновок, що механічні ха- рактеристики металу гину, визначені на осьових зразках, чутливіші до зміни його технічного стану внаслідок експлуатації порівняно з тангенціальними, оскільки тільки на них вдалося зафіксувати вичерпування пластичності сталі у розтягненій зоні гину парогону і зробити висновок про втрату її роботоздатності. Результати випроб на статичну тріщиностійкість. Встановили також різ- ні тенденції зміни статичної тріщиностійкості металу гину і прямої ділянки паро- гону ТЕС (рис. 2). По-перше, відзначили загалом низьку статичну тріщиностійкість сталі по- рівняно з властивою їй у вихідному стані (225 kN/m [14]). Для металу з усіх зон гину і з прямої ділянки зниження статичної тріщи- ностійкості внаслідок екс- плуатаційної деградації більше проявилося на тан- генціальних і дещо менше на осьових зразках (рис. 2). По-друге, анізотропія сталі за статичною тріщи- ностійкістю проявилася ще разючіше, ніж за інте- гральними характеристи- ками. При цьому статична тріщиностійкість танген- ціальних зразків істотно нижча, ніж осьових (на 49 і 19% для металу зі зони розтягу, 21 і 48% – з нейтральної зони, 7 і 60% – з прямої ділянки для металу біля зовнішньої і внутрішньої поверхонь труби, відповідно) (рис. 2). Виняток лише метал зі стисненої зони гину, тріщиностійкість якого, визначена на тангенціальних зразках, на ∼40% вища, ніж на осьових. Отже, існує відчутна і водночас неоднозначна анізотропія за тріщиностійкістю металу різних зон гину. І, по-третє, незалежно від зони вирізання зразків і їх орієнтації виявили гра- дієнт статичної тріщиностійкості по товщині стінки труби (рис. 2). Зокрема, ре- зультати, отримані на тангенціально орієнтованих зразках, тріщини в яких відпо- відають осьовим тріщинам в трубі, які поширюються в радіальному напрямі, свідчать, що металу розтягненої зони гину притаманні найнижчі значення JIc біля зовнішньої, але найвищі – біля внутрішньої поверхні труби (рис. 2а). Така орієн- тація властива тріщинам, спричиненим повзучістю [19]. Причому перепад ста- тичної тріщиностійкості по товщині стінки труби в зоні розтягу виявився най- більшим (майже у 4,5 рази). Отже, імовірність зародження та поширення тріщин від зовнішньої поверхні труби в розтягненій зоні гину найвища. Така низька трі- щиностійкість цієї зони може бути наслідком сумісного впливу технологічних Рис. 2. Статична тріщиностійкість JІс сталі 12Х1МФ після експлуатації на парогоні ТЕС, визначена на тангенціальних (а) та осьових (b) зразках, вирізаних з розтягненої (І), нейтральної (ІІ) та стисненої (ІІІ) зон гину та його прямої ділянки (IV) біля зовнішньої (чорні стовпчики) і внутрішньої (білі) поверхні труби. Fig. 2. Fracture toughness JІс of 12Х1МФ steel after service on the main steam pipeline determined on tangential (a) and axial (b) specimens cutted out from elongated (І), neutral (II), compressed (III) zones of pipe bend and straight part of steam pipe (IV) near external (black bars) and internal (white) surface of a tube. 116 чинників виготовлення гину, експлуатаційних напружень розтягу (термічних та від внутрішнього тиску технологічного середовища) та наводнювання. Несимет- ричність діаметрального перерізу гину (більша випуклість перерізу труби в роз- тягненій зоні гину) та істотна різниця між товщиною стінки труби в розтягненій та стисненій зонах (різниця товщин становила 6,5 mm) сприяють підвищенню концентрації напружень у розтягненій зоні. Відомо також, що наводнювання під час експлуатації [20, 21] і високоградієнтне поле напружень інтенсифікують струк- турні перетворення з перерозподілом вуглецю і елементів легування з твердого розчину в карбіди вздовж меж зерен [22–25]. Це послаблює межі зерен [23] і опір руйнуванню в цілому. Тому логічно припустити, що значне зниження тріщино- стійкості металу в околі зовнішньої поверхні труби в розтягненій зоні гину від- дзеркалює її сильнішу деградацію під впливом обох цих чинників. Щодо нейтральної і стисненої зон гину та прямої ділянки, то перепад ста- тичної тріщиностійкості по товщині стінки труби на тангенціальних зразках стає значно меншим і, крім того, якісно протилежним, ніж у зоні розтягу: значення JIc біля зовнішньої поверхні труби вищі, ніж біля внутрішньої (на 35, 7 і 63% відпо- відно). Отже, опір росту осьових тріщин в цих зонах значно вищий, а, отже, імо- вірність виникнення відповерхневих тріщин менша. Подібну тенденцію знижен- ня статичної тріщиностійкості біля внутрішньої поверхні труби за використання тангенціальних зразків встановили раніше для металу шва у зварних з’єднаннях після їх тривалої експлуатації на головних парогонах ТЕС [26]. Дещо інші закономірності зміни характеристики JIc виявили за результатами випроб осьових зразків (рис. 2b). Тут оцінювали опір росту тріщин, які, як і в тангенціальних зразках, поширюються в радіальному напрямі, але не в осьовому, а в діаметральному перерізі труби. Виникнення таких колових тріщин зазвичай пов’язують з впливом осьових термічних напружень, виникненням згинальних моментів через недосконалу систему компенсації напружень тощо [20]. Загалом опір росту колових тріщин виявився вищий, ніж осьових (за винятком металу зі стисненої зони гину, для якої він на 40% нижчий, ніж визначений на тангенціаль- них зразках). Значення JIc всіх досліджених зразків металу (за винятком металу зі стисненої зони гину) біля зовнішньої поверхні труби істотно нижчі, ніж біля внутрішньої (на 64, 15 і 31% для розтягненої, нейтральної зон гину та прямої ді- лянки труби, відповідно). У стисненій зоні значення JIc практично однакові для обох поверхонь труби, але істотно нижчі, ніж визначені у інших зонах. Отже, опір росту колових тріщин у стисненій зоні гину виявився найменшим. Нижча тріщиностійкість в околі внутрішньої поверхні труби в розтягненій зоні гину мо- же бути ознакою неповної компенсації згинального моменту під час його екс- плуатації. Слід відзначити також, що за випроб осьових зразків статична тріщи- ностійкість металу біля зовнішньої поверхні труби в розтягненій і стисненій зо- нах гину є, по-перше, майже однакова (їх відносна зміна не перевищує 8%), а, по-друге – найменша. Отож, за результатами випроб на статичну тріщиностійкість прийшли до вис- новку, що найнижчий опір росту тріщин, які за напрямом поширення відповіда- ють осьовим тріщинам в трубі, властивий металу з розтягненої зони гину в околі зовнішньої поверхні труби. Тоді як для тріщин, які за напрямом поширення від- повідають коловим тріщинам в трубі, найнижчі значення статичної тріщиностій- кості зафіксували для металу стисненої зони гину в околі внутрішньої поверхні труби. ВИСНОВКИ Виявлено градієнт характеристик міцності, пластичності та статичної тріщи- ностійкості поперек стінки труби та їх анізотропію за руйнування в діаметраль- ному і осьовому перерізах експлуатованої труби. Механічні характеристики ме- 117 талу гину, визначені на осьових зразках, чутливіші до зміни його технічного ста- ну внаслідок експлуатації порівняно з тангенціальними зразками, оскільки лише на них зафіксували вичерпування пластичності сталі в розтягненій зоні гину па- рогону. Найнижчий опір росту тріщин зафіксували на тангенціальних зразках в розтягненій зоні гину в околі зовнішньої поверхні труби, а на осьових – у стисне- ній в околі внутрішньої поверхні труби. РЕЗЮМЕ. Определены характеристики прочности, пластичности и статической тре- щиностойкости стали 12Х1МФ из растянутой, нейтральной и сжатой зон вертикального изгиба главного паропровода ТЭС и его прямого участка после ∼1,3⋅105 h эксплуатации. Выявили анизотропию характеристик при разрушении в диаметральном и осевом сечени- ях трубы и их градиент поперек стенки трубы. SUMMARY. The characteristics of strength, ductility and static fracture toughness of the 12Х1МФ steel from the elongated, compressed, and the neutral zones of vertical bending and straight part of the pipe after ∼1.3⋅105 h of operation at the main steam power station were estimated. Anisotropy of fracture characteristics in diametric and axial section of the tube and the gradient of change across the pipe wall under fracture were revealed. 1. Соломаха М. А., Макобоцкий С. И. О надежности гибов паропроводов из стали 12Х1МФ // Электрические станции. – 1988. – № 4. – С. 15–19. 2. Крутасова Е. И. Надежность металла энергетического оборудования. – М.: Энерго- издат, 1981. – 240 c. 3. Бугай Н. В., Мухопад Г. В., Красовский А. Я. Повышение надежности котлов электро- станций. – К.: Техника, 1986. – 176 с. 4. Нахалов В. А. Надежность гибов труб теплоэнергетических установок. – М.: Энерго- атомиздат, 1983. – 184 с. 5. Кравченко В. П. Эрозионно-коррозионный износ гибов трубопроводов на блоках АЭС с ВВЭР-1000 // Восточно-Европейский журнал передовых. – 2006. – № 4/3. – С. 65–68. 6. Туляков Г. А., Скоробогатых Н. В., Гриневский В. В. Конструкционные материалы для энергомашиностроения – М.: Машиностроение, 1991. – 240 с. 7. Станюкович А. В. Пути повышения ресурса и надежности гибов паропроводов ТЭЦ // Тр. ЦКТИ. – 1988. – 246 с. 8. Антикайн П. А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. – М.: Энер- гоатомиздат, 1990. – 368 с. 9. Мелехов Р. К., Похмурський В. І. Конструкційні матеріали енергетичного обладнання. – К.: Наук. думка, 2003. – 382 с. 10. Слободчикова Н. И. Анализ и обобщение случаев разрушения гибов необогреваемых труб котлов и паропроводов // Тр. ВТИ. – 1981. – 29.– С. 18–23. 11. Застосування підходів механіки руйнування до оцінки водневої деградації сталей наф- то- та паропроводів / В. В. Панасюк, Г. М. Никифорчин, О. З. Студент, З. В. Слободян // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій / За заг. ред. О. Є. Андрейківа, Й. Й. Лучка, В. В. Божидарника. – Львів: Каменяр, 2002. – С. 537–546. 12. Загурський А., Студент О. Чутливість механічних властивостей теплостійких сталей та їх зварних з’єднань до високотемпературної водневої деградації // Механіка руйну- вання матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В. В. Панасюка. – Львів: Фіз.- мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2009. – С. 643–652. 13. ГОСТ 1497−84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. – М.: Стандартинформ, 2006. – 22 с. 14. Вплив експлуатаційної пошкодженості паропровідної сталі 12Х1МФ на характеристи- ки її тріщиностійкості / О. М. Романів, Г. М. Никифорчин, О. З. Студент та ін. // Фiз.- хiм. механiка матерiалiв. – 1998. – 34, №1. – С. 101–104. (Effect of damage in service of 12Kh1MF steam-pipe steel on its crack resistance characte- ristics / O. M. Romaniv, H. M. Nykyforchyn, I. R. Dzyoba, O. Z. Student et al. // Materials Science. – 1998. – 34, № 1. – P. 110–114). 15. Landes J. D., Begley J. A. Test results from J-integral studies: an attempt to establish a JIc testing procedure // Fracture Analysis, STP 560. – N.Y.: ASTM, 1974. – P. 170–186. 118 16. ASTM E 1737-96. Standard test method for J-integral characterization of fracture toughness // Annual Book of ASTM Standards. – 1996. – Vol. 03.01. – 24 p. 17. СТО ЦКТИ 10.003-2007. Трубопроводы пара и горячей воды тепловых станций. Об- щие технические требования к изготовлению. – Санкт-Петербург: ЦКТИ, 2007. – 92 c. 18. ТУ 14–3–460–2003. Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов. – 2003. – 41 с. 19. Вайнман А. Б., Мелехов Р. К., Смиян О. Д. Водородное охрупчивание элементов кот- лов высокого давления. – К.: Наук. думка, 1990. – 272 с. 20. Вайнман А. Б. Водородное охрупчивание экранных труб барабанных котлов высокого давления и его предупреждение // Энергетика. – 1985. – № 7. – С. 11–14. 21. Образование межкристаллитных трещин в экранных трубах котлов ТЭС / Р. К. Меле- хов, А. М. Круцан, А. В. Василик, И. И. Василенко // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 1985. – 21, № 5. – С. 92–96. (Formation of intergranular cracks in the water-wall tubes of thermal electric power station boilers / R. K. Melekhov, A. M. Krutsan, A. V. Vasilik, I. I. Vasilenko // Materials Science. – 1985. – 21, № 5. – Р. 483–487). 22. Дзіоба І. Р. Властивості сталі 13ХМФ після експлуатації та деградації в лабораторних умовах // Там же. – 2010. – № 3. – С. 67–72. (Dzioba I. R. Properties of 13KhMF steel after operation and degradation under the labora- tory conditions // Ibid. – 2010. – 46, № 3. – P. 357–364). 23. Оцінювання впливу зупинок технологічного процесу на зміну технічного стану металу головних парогонів ТЕС / Г. М. Никифорчин, О. З. Студент, Г. В. Кречковська, А. Д. Марков // Там же. – 2010. – 46, № 2. – С. 42–54. (Evaluation of the influence of shutdowns of a technological process on changes in the in- service state of the metal of main steam pipelines of thermal power plants / H. M. Nykyfor- chyn, O. Z. Student, H. V. Krechkovs’ka, A. D. Markov // Ibid. – 2010. – 46, № 2. – P. 177–189.) 24. Оцінювання деградації сталей парогонів за їх структурними, механічними та електрохі- мічними характеристиками / О. П. Осташ, О. В. Вольдемаров, П. В. Гладиш, А. Д. Іваси- шин // Там же. – 2010. – 46, № 4. – С. 5–12. (Evaluation of the degradation of steels of steam pipelines according to their structural, me- chanical, and electrochemical characteristics / O. P. Ostash, O. V. Vol’demarov, P. V. Hla- dysh and A. D. Ivasyshyn // Ibid. – 2010. – 46, № 4. – P. 431–439.) 25. Структурна мікропошкоджуваність сталей парогонів ТЕС / О. П. Осташ, А. І. Кон- дир, О. В. Вольдемаров та ін. // Там же. – 2009. – 45, № 3. – С. 13–22. (Structural microdamageability of steels of the steam pipelines of thermal power plants / O. P. Ostash, A. I. Kondyr, O. V. Vol’demarov et. al // Ibid. – 2009. – 45, № 3. – P. 340–349). 26. Никифорчин Г. М., Студент О. З., Марков А. Д. Аномальний прояв високотемператур- ної деградації металу зварного з’єднання ощаднолегованої сталі // Там же. – 2007. – № 1. – С. 73–79. (Nykyforchyn H. M., Student O. Z., Markov A. D. Abnormal manifestation of the high- temperature degradation of the weld metal of a low-alloy steel welded joint // Ibid. – 2007. – 43, № 1. – P. 77–84). Одержано 02.04.2012

Вплив тривалої експлуатації сталі 12Х1М1Ф з різних зон гину парогону ТЕС на її механічні характеристики

Institution

Ähnliche Einträge