Стартовая >> Архив >> Генерация >> Особенности металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф

Расчетная зависимость длительной прочности, выводы - Особенности металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф

Оглавление
Особенности металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф
Характеристики длительной прочности
Расчетная зависимость длительной прочности, выводы

Расчетная зависимость длительной прочности получена в результате статистической обработки результатов испытания на длительную прочность 16 промышленных ЦБЛ труб (плавок) в соответствии с требованиями ОСТ 108.901.102-78. Испытания проведены в широком температурном интервале: от 540 до 625°С. Всего испытано 225 образцов, максимальное время до разрушения при одной температуре превысило 41 тыс. ч.
Уравнение долговечности получено в виде

где Т - температура испытания, К; σ напряжение, кгс/мм2
В соответствии с полученными данными марочное значение длительной прочности при экстраполяции на 105 ч при Т=545°С составило 111 МПа, что отвечает среднему уровню требований, указанных в [4]. Вместе с тем, анализ полученных результатов показывает, что металл ЦБЛ труб из стали 15Х1М1Ф имеет склонность к значительному рассеянию долговечности при испытаниях на длительную прочность. Предел длительной прочности, определенный по нижней границе 5%-ной вероятности разрушения при Т = 545°С, составляет 60 МПа.
Если для деформированных труб сталей марок 12Х1МФ и 15Х1М1Ф положение нижней границы разрушения с вероятностью 5% среднемарочных диаграмм длительной прочности, как правило, характеризует структурное состояние материала труб с ферритокарбидной структурой, то для ЦБЛ труб положение этой границы определяет состояние локальных объемов металла с пониженной сопротивляемостью разрушению, т.е. ликвационных полос внутренних зон сечения стенок труб.
На рис. 3 показаны диаграммы длительной прочности для металла в исходном состоянии стали 15Х1М1Ф: ЦБЛ труб (i), деформированных труб (2 ) и литых конструкций (3 ). Зависимости 2 и 3, представленные в работе [5], получены на основании статистической обработки испытаний большого числа образцов конкретного материала и фактически представляют собой среднемарочные диаграммы длительной прочности стали 15Х1М1Ф в различном технологическом состоянии. Сравнительный анализ полученных данных свидетельствует о том, что длительная прочность для одной и той же марки стали проявляет высокую чувствительность к методам изготовления.
При этом литой материал обладает более низкими значениями длительной прочности по сравнению с деформированным, а ЦБЛ трубы занимают по своим длительным прочностным характеристикам промежуточное положение по отношению к деформированному и литому материалу.
На рис. 4 показана зависимость длительной пластичности образцов металла 16 ЦБЛ труб в исходном состоянии после испытаний на длительную прочность. Оценка длительной пластичности велась по показателям относительного удлинения.
Длительная пластичность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф
Рис. 4. Длительная пластичность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф в исходном состоянии:
Параметр долговечности Рд.п = T(lg τ - 21g Т - а); 1 - микроструктура с ликвационной неоднородностью II - III баллов; 2 - микроструктуры с ликвационной неоднородностью IV - V баллов и следами перекристаллизации

Статистическая обработка полученных результатов показала, что для партии металла ЦБЛ труб из стали 15Х1М1Ф с однородной структурой 1-6 баллов (шкала микроструктур труб из стали 15Х1М1Ф по ТУ-14-ЗР-55-20001), а также с ликвационной неоднородностью II-III баллов, длительная пластичность до долговечности, соответствующей значениям параметра долговечности Р = 20 000 -:- 20 500 (Р определен по ОСТ 108.901.102-78), характеризуется достаточно высоким (выше 20%) и стабильным уровнем (рис. 4, зависимость 1).
Вместе с тем, при испытаниях на длительную прочность на 51-м образце относительное удлинение ниже 15% (рис. 4, зависимость 2). Из них на 13 образцах (из 225 испытанных) были получены значения относительного удлинения ниже 10%, а на двух образцах относительное удлинение характеризуется уровнем 4,0 и 4,4%. Анализ полученных результатов показал, что снижение уровня длительной пластичности металла ЦЕЛ труб ниже 10% связано в основном с двумя причинами: либо с существованием в основной структуре перекристаллизованного перлита, либо с ликвационной неоднородностью IV - V баллов, осложненной присутствием в ликвационных прослойках не сплошностей усадочного происхождения и концентрированных выделений неметаллических включений.
Сравнительный анализ полученных результатов показал, что в среднем снижение длительной пластичности металла, связанное с развитой ликвационной неоднородностью IV - V баллов, проявляется почти так же, как и из-за присутствия в основной структуре перекристаллизованного перлита.
На графике рис. 5 показаны зависимости длительной прочности при Т= 545°С металла ЦЕЛ труб в состоянии поставки (марочная кривая 1) и после эксплуатационных наработок длительностью 85, 90, 102 тыс. ч (зависимости 2 - 4).
Длительная прочность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф
Рис. 5. Длительная прочность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф (Г = 545°С):
1 - среднемарочные значения долговечности в исходном состоянии; 2 - труба с ликвационной микроструктурой в объеме 30% 3 балла после эксплуатации 90 тыс. ч; 3 - труба с ликвационной микроструктурой в объеме 100% 3 балла после эксплуатации 102 тыс. ч; 4 - труба с ликвационной микроструктурой в объеме 50% IV балла после эксплуатации 85 тыс. ч

В исходном состоянии представленные трубы имели одинаковый уровень кратковременных прочностных свойств, одинаковую основную структуру, содержащую 20 - 30% отпущенного бейнита и ликвационную неоднородность III - IV баллов в объеме от 30 до 100%. После наработки 90 тыс. ч длительная прочность металла трубы (зависимость 2) с ликвационной структурой III балла в объеме 30% при уровне приведенного напряжения σ = 52,2 МПа составила 98 МПа, длительная прочность металла трубы с наработкой 102 тыс. ч (зависимость 3) при σприв = 48,4 МПа также с ликвационной структурой III балла, но уже в объеме 100% составила всего 74 МПа. Практически такой же уровень длительной прочности (77 МПа) имела труба (зависимость 4, Ϭ = 55,5 МПа) после эксплуатации 85 тыс. ч. Ее ликвационное состояние соответствовало IV баллу, а объем ликвационных структур составлял 50%.
Таким образом, в процессе эксплуатации происходит ожидаемое снижение длительной прочности металла ЦЕЛ труб. Установлено, что кинетика изменения длительной прочности металла ЦЕЛ труб в результате длительной наработки в условиях ползучести контролируется как основным, так и ликвационным состоянием материала до эксплуатации, а также температурно-силовыми и временными факторами. Снижение длительной прочности для материала с одинаковым состоянием комплекса структурных параметров и близким уровнем кратковременных прочностных свойств определяется уровнем напряжений, действующих в стенке прямой трубы.
При одинаковом температурно-силовом режиме эксплуатации снижение длительной прочности для металла с идентичным состоянием основной и ликвационной структуры в значительной степени будет зависеть от объемной доли ликвационных зон в общей структуре металла. С увеличением количественного и качественного показателей ликвационной неоднородности степень снижения длительной прочности при длительной эксплуатации увеличивается.

Выводы

  1. Материал центробежнолитых труб в исходном состоянии характеризуется наличием двух типов структур, одна из которых формируется в результате проведения термической обработки, а другая является следствием протекания ликвационных процессов при кристаллизации металла. Наиболее типичным вариантом совместного сосуществования различных типов структур является ликвационная полосчатость, т.е. такое структурное состояние, когда в поперечном сечении стенок труб чередуются ликвационные зоны и зоны с нормальным структурным состоянием. В пределах ликвационных зон структура имеет специфический характер, определяемый наличием на фоне нормальной структуры ликвационных образований, расположенных на приграничных участках зерен литой структуры.
  2. Ликвационные образования могут иметь различную морфологию, а также содержать несплошности технологического происхождения разных категорий опасности. Уровень развития ликвационных прослоек зависит от степени ликвации вредных примесей и легирующих элементов, а также типа технологических дефектов. Набор наиболее типичных вариантов ликвационных образований, встречающихся в ЦБЛ трубах, может быть представлен в виде качественной “Шкалы ликвационных микроструктур металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф”. Эта шкала может быть использована для отбраковки некондиционного металла в заводских и эксплуатационных условиях. Если в трубе выявлено несколько ликвационных зон, то зона, расположенная у внутренней поверхности трубы, отличается наибольшим уровнем развития ликвации по сравнению с остальными ликвационными зонами.
  3. Неоднородное структурное состояние ЦБЛ труб вызвало необходимость создания специальных методов контроля состояния металла, сориентированных на анализ структуры и свойств внутренних зон сечения стенок труб, характеризующихся пониженным сопротивлением разрушению и наличием повреждений.
  4. Длительная прочность металла центробежнолитых труб должна базироваться на интегральных свойствах присутствующих структурных зон металла. Для ее оценки достаточно исследовать две серии стандартных образцов, вырезанных отдельно из наружных и внутренних зон сечения стенок труб. Установлено, что в исходном состоянии присутствие в структуре труб ликвационных образований II - V баллов способно снизить длительную прочность на 5 - 10%. Степень снижения указанной характеристики увеличивается с возрастанием балла ликвационной неоднородности.
  5. В результате длительной работы в условиях ползучести металла ЦБЛ труб происходит закономерное уменьшение длительной прочности. Уровень снижения длительных характеристик прочности стали в результате эксплуатации будет тем больше, чем выше качественные и количественный показатели ликвационной неоднородности труб.
  6. Найденная взаимосвязь длительной прочности с особенностями структурного состояния металла ЦБЛ труб позволяет повысить достоверность оценки ресурса паропроводов горячего промперегрева действующих мощных энергоблоков.

Список литературы

  1. РД 153-34.1-17.455-98. Инструкция по контролю и продлению срока службы паропроводов из центробежнолитых труб на тепловых электростанциях. М.: ВТИ, 1999.
  2. Злепко В. Ф., Перевезенцева Т. В., Новиков С. В, О некоторых особенностях структурного состояния металла центробежнолитых паропроводных труб из стали 15Х1М1Ф. - Электрические станции, 1991, № 3.
  3. Злепко В. Ф., Перевезенцева Т. В., Пронина Г. Г, Перспективы широкого применения в энергетике центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф для мощных энергоблоков. - Электрические станции, 1991, № 6.
  4. ТУ 108-874-95. Трубы центробежнолитые из стали 15Х1М1Ф и 15ГС.
  5. Бугай Н. В,, Березина Т Г, Трунин И. И, Работоспособность и долговечность металла энергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1994.


 
« Основы радиационной безопасности атомных электростанций   Особенности электрической части АЭС »
электрические сети