На работоспособность материалов в условиях эксплуатации существенное влияние могут оказывать концентраторы напряжений конструктивного или технологического характера. Например, характерные концентраторы напряжений трубчатых поверхностей нагрева — продольные риски различной глубины, а в паропроводах — приваренные бобышки для измерения ползучести, очки в коллекторах.
При высоких температурах одним из критериев работоспособности металла деталей, имеющих концентраторы, обычно является характеристика длительной прочности, получаемая путем испытания образца с надрезами. Известно, что влияние надрезов на поведение стали при длительном нагружении может быть различным (упрочняющим или разупрочняющим).
Для оценки влияния концентраторов напряжений на несущую способность котельных труб были проведены испытания на длительную прочность образцов с продольными надрезами под внутренним давлением. В качестве исследуемого материала были выбраны стали 12Х1МФ и Х18Н12Т, широко применяемые на мощных энергоблоках. Нанесенные на трубчатые образцы диаметром 32X6 мм продольные надрезы длиной 20—60 мм имели V-образную форму; угол раскрытия был около 50°; радиус кривизны в вершине надреза не превышал 0,1 мм; глубина надрезов составляла 0,2—2 мм. Испытания образцов; из стали 12Х1МФ проводились при температуре 565°, а из стали Х18Н12Т — при 650°С.
Данные сопоставлялись с результатами испытаний гладких образцов. Полученные на базе испытаний 3500 ч кривые длительной прочности гладких образцов при сложнонапряжениом состоянии (под внутренним давлением) практически совпадают с кривыми диаграмм длительной прочности, получаемыми при испытании цилиндрических, образцов диаметром 10 мм.
Анализ характера разрушения трубчатых образцов показал, что поведение сталей исследуемых марок различается. Так, разрушение образцов из стали 12Х1МФ сопровождается увеличением диаметра. Большинство образцов разрушалось без заметного раскрытия. Максимальная относительная деформация, определяемая по изменению периметра, составила 7—11%. Относительное локальное утонение стенки в месте разрыва по измерениям на трех образцах в среднем равно 38%, что указывает на высокие пластические свойства стали 12Х1МФ при температуре испытаний 565°С. Трещины, как правило, возникала на внутренней поверхности и в зоне максимального утонения стенки и выходили на наружную поверхность. Характер трещин межкристаллитный.
Разрушение большинства гладких образцов из стали Х18Н12Т в результате испытаний на длительную прочность сопровождалось значительным (до 75 мм) раскрытием (табл. 8-1), относительная деформация, измеряемая по увеличению периметра разрушенных образцов, составляла· 1—5%. Утонение стенки в местах разрыва было незначительным. Металлографические исследования показали, что трещины возникают и развиваются как на внутренней, так и на наружной поверхностях. Характер излома в местах раскрытия трещин был кристаллический.
В таблице приведены значения напряжений, определенные без учета уменьшения толщины стенки трубы в месте надреза. Напряжения, кгс/мм2, подсчитывались.
Таблица 8-1
Результаты испытаний на длительную прочность образцов с искусственными дефектами
по формуле
где р — давление среды, кгс/см2; rfH — наружный диаметр образца, мм; з — толщина стенки, мм.
Как видно из таблицы, с увеличением глубины дефекта время до разрушения при одинаковом напряжении в гладкой части уменьшается. При сопоставлении результатов испытаний на длительную прочность надрезанных образцов с диаграммой длительной прочности гладких образцов обнаруживается, что время до разрушения образцов с надрезами глубиной более 0,5 мм (относительная глубина 0,083) может более чем на порядок отличаться от времени до разрушения гладких образцов.
Если подсчитывать напряжения по живому сечению в месте надреза, то средние значения длительной прочности надрезанных образцов на 10% меньше, чем гладких.
Все образцы с надрезом при испытаниях на длительную прочность разрушались по надрезу.
В условиях длительных испытаний сталь 12Х1МФ при наличии концентраторов оказалась более пластичной, чем сталь Х18Н12Т. Относительная деформация по периметру даже для образцов из стали 12Х1МФ, имеющих глубину надреза около 2 мм, превышала 3%. Это дало основание дать рекомендации по увеличению значения допустимой деформации вследствие ползучести пароперегревательных труб из стали 12Х1МФ до 3%; для труб из стали Х18Н12Т до 1%.
Анализ результатов испытаний показал, что долговечность труб при глубине дефекта до 0,5 мм уменьшается не более чем в 10 раз. Приняв коэффициент запаса по времени равным 10, что примерно соответствует коэффициенту запаса по напряжениям 1,2, получим допустимую относительную глубину дефектов в виде продольных рисок, равную 0,05.
Следовательно, указанные в МРТУ 14-4-21-67 допускаемые глубины дефектов в виде вмятин, продольных рисок и т. д. для труб из рассмотренных материалов являются предельными, превышение которых по условиям обеспечения длительной прочности недопустимо.
Были проведены также стендовые испытании на длительную прочность четырех натурных труб диаметром 200x21 и 230Х Х40 мм из стали 12Х1МФ. В процессе испытаний поддерживались следующие параметры пара: давление 250 кгс/см2, температура 585°С.
Результаты хорошо согласуются с результатами испытания котельных труб диаметром 32X6 мм. Разрушение труб диаметром 200—230 мм в отличие от труб малого диаметра начиналось с наружной поверхности. Трещины зарождались в концентраторах напряжений — в местах приварки бобышек, кернения и выбитых клейм. Так, трещины достигали глубины 5 мм и протяженности до 60 мм после 5850 ч испытаний при 10,5 кгс/мм2. На гладкой поверхности труб трещин не было. Разрушение трубы (сквозная трещина) произошло после 6374 ч работы участка, т. е. через 517 ч с момента обнаружения дефектов.
Как показали стендовые испытания, трещины в районе поверхностных концентраторов появляются лишь тогда, когда металл трубы на 80—90% исчерпал свой ресурс. К моменту сквозного разрушения трещины появляются вне зоны действия концентраторов напряжений.
Анализ результатов исследований показал, что концентраторы напряжений примерно на 8—10% снижают долговечность труб из стали 12Х1МФ. Полученные данные учтены при разработке рекомендаций, направленных на повышение надежности трубных систем мощных энергоблоков.
