Повышение рабочего ресурса элементов теплосилового оборудования электростанций с учетом макроповреждаемости металла (экспериментально-теоретические основы и методология расчета)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение рабочего ресурса элементов теплосилового оборудования электростанций с учетом макроповреждаемости металла (экспериментально-теоретические основы и методология расчета)

Гринь Евгений Алексеевич

Специальность:05.14.14 - "Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты"

Москва - 2010

Работа выполнена в ОАО "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ").

Официальные оппоненты:

чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор Махутов Николай Андреевич;

доктор технических наук, профессор Антикайн Петр Андреевич;

доктор технических наук, профессор Трухний Алексей Данилович.

Ведущая организация - открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (ОАО НПО "ЦНИИТМАШ").

Защита состоится " 11 " ноября 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д.222.001.01 при ОАО "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14/23.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО "ВТИ".

Автореферат разослан " " ………………. 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.222.001.01,

кандидат технических наук П. А. Березинец

Общая характеристика работы

Диссертация обобщает результаты исследований автора в области повышения надёжности и безопасности эксплуатации теплосилового оборудования электростанций на основе принципов и подходов механики разрушения. Она посвящена решению одной из важных научно-технических проблем - разработке методологии и созданию аналитического аппарата определения остаточного ресурса длительно эксплуатируемого тепломеханического оборудования электростанций с учётом наличия макроповреждённости в металле.

Актуальность темы. Подавляющее большинство эксплуатируемого на тепловых электростанциях (ТЭС) России тепломеханического оборудования отработало к настоящему времени свой расчётный ресурс. Более того, неуклонно нарастает объём оборудования, вырабатывающего уже свой парковый ресурс и, согласно прогнозам, к 2015 году общая мощность энергоустановок, выработавших парковый ресурс, превысит 65 % установленной мощности ТЭС. Уже к настоящему времени порядка 70 % от общего количества турбин и около 80 % барабанов котлов высокого давления отработали свой парковый ресурс. Поскольку парковый ресурс оборудования не является предельным сроком его службы, эксплуатация за его пределами в рамках так называемого индивидуального ресурса должна подтверждаться в каждом конкретном случае на основе анализа фактического состояния ответственных элементов рассматриваемого изделия. По существу эксплуатация оборудования на стадии его индивидуального ресурса представляет рабочий жизненный цикл на пределе выполнимости нормативных запасов прочности. Это означает, что с большой долей вероятности в металле наиболее нагруженных элементов конструкции можно ожидать как микро, так и макродефектов. В свете изложенного и с учётом невысоких темпов ввода в энергетике новых мощностей ситуация требует изыскания дополнительных резервов в ресурсном балансе энергооборудования для обоснованного увеличения допустимых сроков его службы.

Опыт эксплуатации установок подтверждает, что большинство отказов и вынужденных остановов оборудования связано с образованием в металле трещин. При определённом сочетании технологических, конструкционных, эксплуатационных и ряда других факторов возможно образование трещин в металле на достаточно ранних стадиях эксплуатации оборудования. В связи с этим надёжность и безопасность оборудования, особенно при длительных и сверхдлительных наработках, будут обеспечиваться как эффективностью системы эксплуатационного контроля металла, так и представительностью расчётных или экспериментально-аналитических методов прогнозирования процессов развития разрушения элементов энергооборудования. При этом принципиальные результаты количественного анализа процессов разрушения металла являются в свою очередь основой для совершенствования самой системы контроля.

Создание аналитического аппарата для прогнозирования долговечности конструкций на стадии развития макроповреждений (стадии живучести) стало возможным благодаря широкому комплексу исследований, выполненных в последние два-три десятилетия в области теоретической и экспериментальной механики разрушения. Вместе с тем разработку методологии расчетного анализа процесса разрушения элементов оборудования нельзя признать законченной в связи с отсутствием количественных критериев кинетики разрушения для ряда материалов и условий нагружения и недостаточной формализацией процедуры расчётных оценок. Применительно к энергетике проблема осложняется значительными наработками оборудования (за пределы нормативного ресурса) и сложным спектром воздействующих на металл эксплуатационных факторов. Решение этих вопросов открывает возможность совершенствования методов расчёта долговечности оборудования (в особенности длительно эксплуатируемого) и оптимизации системы его контроля на электростанциях в целях увеличения рабочего ресурса при сохранении условий надёжности и безопасности.

Цель работы. Увеличение срока службы деталей длительно эксплуатируемого энергооборудования за счет повышения достоверности и эффективности оценок их ресурсных характеристик путем создания научных основ и методологии определения остаточной долговечности с учетом количественного анализа кинетики развития макроповрежденности металла. Реализация данной цели служит одновременно основой для повышения надёжности и безопасности теплосилового оборудования, эксплуатируемого за пределами нормативных сроков службы. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

Разработаны и экспериментально обоснованы модели развития разрушения металла при различных условиях нагружения, соответствующих особенностям эксплуатации теплосилового оборудования электростанций.

Разработана и создана экспериментальная база, включая испытательное оборудование, измерительные средства и методическое обеспечение, для проведения исследований кинетики разрушения металла при статическом, циклическом и коррозионно-механическом нагружении в условиях имитации эксплуатационных режимов теплосилового оборудования.

Проведены экспериментальные исследования для сталей энергооборудования и выполнен анализ их результатов, в том числе:

выявлено влияние асимметрии нагружения и температуры на характеристики циклической трещиностойкости сталей и обоснована возможность учёта данных факторов при построении кинетических диаграмм усталости;

установлены закономерности влияния силовых факторов цикла, характеристик (химического состава, динамического состояния и температуры) водной среды и электрохимических параметров на кинетику развития коррозионно-усталостных трещин в металле;

предложен и экспериментально обоснован подход к описанию кинетики разрушения теплоустойчивых сталей при длительной статической нагрузке в условиях высокотемпературной ползучести с учётом характера напряжённого состояния и температурно-временных факторов;

установлены особенности влияния состояния металла на комплекс характеристик его трещиностойкости для исследованных вариантов условий испытаний.

Обобщены основные результаты исследований и построены базовые кинетические диаграммы циклической, коррозионно-циклической и высокотемпературной (в условиях ползучести) трещиностойкости материалов, учитывающие особенности реальных режимов нагружения и эксплуатации элементов теплосилового оборудования ТЭС.

Разработана и формализована методика расчёта долговечности элементов теплосилового оборудования с учетом кинетики трещин в условиях циклического и коррозионно-циклического воздействия, а также высокотемпературной ползучести.

Методы исследований. В качестве аппарата исследований использованы: основы теории механики деформируемого твёрдого тела, в частности механики разрушения; теоретическая электрохимия; современные представления о физических закономерностях кинетики накопления и развития повреждений в металле. В работе получили развитие теоретические и методологические понятия о кинетике разрушения металла при циклическом нагружении и воздействии на него жидкой активной среды. Исследования выполнены с использованием как стандартных, так и оригинальных (специальных) методов испытаний. Для проведения испытаний разработаны и созданы экспериментальные установки и средства измерений, позволяющие осуществлять исследования коррозионно-механической трещиностойкости материалов в водных средах повышенных параметров с непрерывной регистрацией характеристик эксперимента. Систематизированы и развиты подходы к выбору методов определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в элементах конструкций с трещинами.

Научная новизна

Предложены варианты физико-механических моделей развития коррозионно-усталостного разрушения в металле по механизмам изменения свободной энергии активации, анодного растворения и катодного (водородного) охрупчивания металла, обосновывающие качественно основные закономерности влияния параметров циклического нагружения и характеристик среды на кинетику процесса. Разработана феноменологическая модель развития трещины при ползучести, описывающая кинетику разрушения степенной зависимостью от КИН, коэффициенты которой являются функциями характеристик длительной прочности и ползучести материала. Достоверность и эффективность разработанных моделей подтверждены результатами экспериментов.

Разработаны испытательные устройства и экспериментальные методики исследования характеристик трещиностойкости материалов при механическом нагружении и воздействии жидкой среды в различном её состоянии и с учётом локальных электрохимических параметров в полости трещины.

Экспериментально подтверждена возможность описания скорости роста усталостных трещин в металле единой кинетической зависимостью типа уравнения Пэриса, инвариантной по отношению к асимметрии нагружения и температуре в интервале изменения последней 20 … 300 °С.

Установлены закономерности влияния факторов циклического нагружения (частоты, асимметрии) и характеристик водной среды (химсостава, скорости водообмена, температуры), в том числе электрохимических параметров в полости трещины, на коррозионно-усталостную трещиностойкость углеродистой, низколегированной и аустенитной стали. Выявлены основные тенденции влияния состояния металла на характеристики усталостной и коррозионно-усталостной трещиностойкости указанных сталей.

Изучены и обобщены особенности кинетики электрохимических параметров в полости стационарной и развивающейся коррозионной трещины, позволившие в комплексе с результатами проведённых исследований и в контексте предложенных моделей дать системный анализ и обосновать механизмы акселерации усталостных трещин в перлитной и аустенитной стали при воздействии на металл водной среды.

Обоснована возможность описания скорости роста трещин (СРТ) ползучести с помощью параметра модифицированного коэффициента интенсивности напряжений (КИН), учитывающего характер напряженного состояния в расчётном сечении, а также температуру и наработку металла. Показано, что диаграмма роста трещин ползучести может быть аппроксимирована с помощью модифицированного КИН единой кинетической зависимостью для различных типов образца и температуры металла в диапазоне её изменения ± 20…25 °С.

Впервые для количественного анализа долговечности элементов оборудования на стадии развития дефектов получены базовые диаграммы циклической и коррозионно-циклической трещиностойкости сталей энергооборудования, учитывающие влияние на кинетику разрушения широкого спектра эксплуатационных факторов. Определены кинетические диаграммы трещиностойкости при ползучести теплоустойчивых (паропроводных и роторных) сталей для рабочего диапазона температур.

Разработан и внедрен в практику диагностических (экспертных) обследований инженерный метод расчёта долговечности и несущей способности элементов оборудования на стадии развития трещиноподобных дефектов для различных вариантов нагружения и сопутствующих эксплуатационных факторов.

Практическая ценность

Создана база для количественных инженерных расчётов долговечности и несущей способности длительно эксплуатируемого или имеющего повреждения оборудования, являющаяся основой для расчётных оценок ресурсных характеристик ответственных элементов при продлении сроков их службы или назначении регламента контроля, а также для установления допустимых размеров дефектов при назначении критериев и норм качества металла.

Разработаны методы испытания материалов на циклическую трещиностойкость в условиях воздействия жидких коррозионных сред, вошедшие составной частью в нормативно-методический документ (Рекомендации) Госстандарта СССР по теме "Методы механических испытаний металлов".

С использованием результатов работы выпущены отраслевые нормативно-технические документы, регламентирующие: порядок контроля и продления сроков службы тепломеханического оборудования ТЭС после отработки нормативного ресурса; нормы и критерии оценки качества металла (и сварных соединений) по результатам контроля; требования к технологиям восстановительного ремонта.

Обосновано продление сроков службы десятков единиц парка тепломеханического оборудования на электростанциях России и ближнего зарубежья, в том числе сосудов давления, питательных трубопроводов, паропроводов, элементов котлов и др. По индивидуальным техническим решениям, базирующимся на оценках, выполненных с использованием результатов работы, обоснованы сроки временной эксплуатации и объёмы замен повреждённых элементов энергооборудования.

Достоверность и обоснованность научных положений и методологий, результатов экспериментальных исследований, выводов и практических рекомендаций, сделанных в работе, подтверждается применением апробированных методик и измерительных средств исследований, получением критериальных характеристик прямыми экспериментами на металле штатных изделий, в том числе на вырезках из деталей действующего энергооборудования, системностью (многофакторностью) проведенного анализа процесса разрушения металла, удовлетворительной сходимостью основных результатов испытаний с данными других исследователей и положительными результатами применения на практике предложенных автором методов и рекомендаций в части обеспечения надёжности и безопасности длительно эксплуатируемого энергетического оборудования.

На защиту выносятся следующие основные положения

Физико-механические модели развития коррозионно-усталостных трещин в металле, интерпретирующие вклад коррозионного фактора в процесс разрушения через свободную энергию активации, а также по механизмам анодного растворения и катодного (водородного) охрупчивания металла. Феноменологическая модель развития трещины при ползучести, описывающая кинетику процесса в зависимости от параметра КИН с учётом характеристик длительной пластичности, ползучести и длительной прочности материала.

Испытательные устройства и экспериментальные методики испытаний материалов на циклическую трещиностойкость в условиях воздействия жидких коррозионных сред.

Закономерности влияния асимметрии нагружения, температуры и состояния металла на кинетику развития усталостных трещин в углеродистой, низколегированной и аустенитной сталях, а также способ построения кинетических диаграмм циклической трещиностойкости, инвариантных по отношению к асимметрии нагружения и температуре в интервале изменения последней 20…300 °С.

Результаты экспериментальных исследований коррозионно-усталостной трещиностойкости углеродистой, низколегированной и аустенитной сталей с учётом закономерностей влияния параметров циклического нагружения (частоты, асимметрии), химсостава и физических характеристик водной среды (температура, скорость водообмена), в том числе электрохимических параметров в полости трещины, а также состояния металла.

Обобщенные данные системного анализа механизмов акселерации усталостных трещин в перлитной и аустенитной стали при воздействии на металл водной среды.

Результаты исследований кинетики трещин в теплоустойчивых сталях при высокотемпературной ползучести и способ аппроксимации кинетических диаграмм трещиностойкости при ползучести с использованием параметра модифицированного КИН, учитывающего характер напряженного состояния в рабочем сечении, а также температуру и наработку металла.

Базовые кинетические диаграммы циклической и коррозионно-циклической трещиностойкости сталей энергооборудования, учитывающие влияние на кинетику разрушения комплекса эксплуатационных факторов, и кинетические диаграммы трещиностойкости при ползучести теплоустойчивых сталей для рабочего диапазона температур.

Инженерный метод расчёта долговечности и несущей способности элементов оборудования на стадии развития трещиноподобных дефектов для различных комбинаций нагружения и сопутствующих эксплуатационных факторов.

Личный вклад соискателя состоит в постановке задач и инициативе проведения исследований, обработке, анализе и трактовке полученных результатов. Все экспериментальные исследования проведены непосредственно под руководством соискателя или(и) при его активном участии.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: V Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость - критерии разрушения и структуры материалов" (Волгоград, 1987); I Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (Львов, 1987); 22-м отраслевом семинаре "Инженерные и экономические аспекты ядерной энергетики": "Диагностика технического состояния трубопроводов и оборудования ЯЭУ" (Москва, 1988); V Республиканской конференции "Коррозия металлов под напряжением и методы защиты" (Львов, 1989); II Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования" (Каунас, 1990); Всесоюзном научно-техническом совещании "Надёжность трубопроводов электрических станций" (Москва, 1990); III Всесоюзном симпозиуме «Механика разрушения» (Житомир, 1990); Всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение надёжности и долговечности металла энергооборудования ТЭС" (Горловка, 1990); IV Республиканской научно-технической конференции "Повышение надёжности и долговечности машин и сооружений" (Одесса, 1991); Eight International Conference on Fracture "ICF-8" (Kiеv, 1993); Международной конференции-выставке "Коррозия-94» (Львов, 1994); Научно-техническом семинаре «Ремонт и восстановление энергооборудования, обеспечивающие гарантированный ресурс" (С-Петербург, 1995); Международном научно-техническом семинаре "Стратегия продления и восстановления ресурса энергооборудования" (С-Петербург, 1996); ASME PVR Conference "Service Experience in Operating Fossil Plants" (Orlando, USA, Florida,1997); Всероссийском научно-практическом семинаре "Современная сварочно-термическая технология восстановления работоспособности элементов энергетического оборудования ТЭС" (Москва, 1998); Всероссийском отраслевом совещании "Проблемы надёжности металла энергетического оборудования при техническом перевооружении и новом строительстве тепловых электростанций" (Белгород, 1999); Международной конференции "Эффективное оборудование и новые технологии - в Российскую тепловую энергетику" (Москва, 2001); Всероссийской научно-практической конференции "Промышленная безопасность" (Москва, 2001); 8-м Всероссийском научно-практическом семинаре "Обеспечение работы энергооборудования ТЭС и АЭС после сверхдлительной эксплуатации" (С-Петербург, 2002); Научно-технической конференции "Повышение качества регулирования частоты в ЕЭС" (Москва, 2002); Научно-технической конференции "Промышленная безопасность при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, сосудов, работающих под давлением, и трубопроводов пара и горячей воды" (С-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции "Оценка остаточного ресурса длительно работающего металла теплоэнергетического оборудования" (Ижевск, 2003); Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития энерготехнологии" (Иваново, 2005); International Conference «Structural Mechanics in Reactor Technology», SMIRT-18 (Beijing, China, 2005); Научно-технической конференции "Металл оборудования ТЭС. Проблемы и перспективы" (Москва, 2006); Научно-практической конференции "Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике" (С-Петербург, 2007); Научно-технической конференции "Ресурс, надёжность и эффективность использования энергетического оборудования" (Харьков, 2008); Международной конференции "Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей" (Москва, 2008); 8-й Международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2009); Конференции "Повышение надёжности и экономичности ТЭС" (Киев, 2009).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 49 работах, кроме того вошли в один нормативно-методический документ Госстандарта СССР и в 8 отраслевых нормативно-технических документов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы, содержит 338 страниц машинописного текста включая 120 рисунков, 24 таблицы, 364 наименования библиографических ссылок.

Содержание работы

теплосиловой оборудование электростанция металл

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризовано общее состояние проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны новизна и практическая значимость работы.

В первой главе изложен анализ проблемы обеспечения надёжной и безопасной работы длительно эксплуатируемого тепломеханического оборудования ТЭС с позиций обобщения опыта эксплуатации и особенностей повреждаемости основных элементов, а также систематизации научно обоснованных подходов и методов прогнозирования состояния и ресурсных характеристик указанного оборудования с учётом наличия макроповреждённости металла. В ходе анализа обозначены наиболее повреждаемые узлы и элементы теплосилового оборудования, к числу которых отнесены: барабаны, коллекторы и перепускные трубы котлов; гибы, тройниковые узлы и сварные соединения станционных трубопроводных систем; диски, роторы и корпусные детали паровых турбин; переходные зоны отдельных сосудов под давлением и т.д. Поскольку степень повреждённости металла повышается с увеличением наработки, особенно за пределами паркового ресурса, обостряется проблема надёжной и безопасной эксплуатации этих элементов оборудования. Для узлов и элементов, работающих при умеренно повышенных температурах (до 400 ч 450 єС), наиболее распространенным механизмом повреждения является коррозионная усталость металла, т.е. его растрескивание в результате одновременного воздействия переменных нагрузок и коррозионной (водной) среды. Для деталей оборудования, работающих при существенно повышенной температуре (более 450 єС), зарождение и развитие разрушения (трещин) в металле происходит вследствие высокотемпературной ползучести. Как показал анализ, степень опасности конкретного повреждения в элементах оборудования определяется сочетанием набора факторов (состояние металла, уровень напряжений, характер дефекта и пр.) и потому прогноз перспектив дальнейшей безопасной эксплуатации такого оборудования должен базироваться на научно обоснованных подходах оценки его ресурса и характеристик предельного состояния с учётом выявленной повреждённости.

Практическая необходимость прогнозирования несущей способности и долговечности элементов конструкций и оборудования при наличии трещиноподобных дефектов в металле явилась мощным стимулом развития подходов и методов механики разрушения. Исследования закономерностей разрушения металлов при статическом и циклическом нагружении широко велись в теоретическом и экспериментальном направлениях как в нашей стране, так и за рубежом.

Однако, несмотря на большой объём проведенных исследований, широкое использование их результатов в инженерной практике (в частности, применительно к теплосиловому оборудованию ТЭС) сдерживалось слабой представительностью критериальных характеристик разрушения материалов и недостаточной отработкой расчётных методов оценки долговечности деталей с трещинами в металле. В частности, для циклического нагружения при расчёте реальных узлов и элементов возникает необходимость учёта таких факторов как параметры цикла и температура, что должно предусматриваться соответствующим регулированием численных значений коэффициентов кинетических диаграмм усталостного разрушения. Ещё более остро подобные вопросы встают при расчётных оценках кинетики разрушения в условиях механического нагружения и воздействия на металл жидкой активной среды. Помимо вышеуказанных, добавляются такие факторы как химический состав и физическое состояние среды, а также сочетание силовых (нагружающих) и коррозионных факторов. Этими моментами обуславливается доминирующий механизм коррозионно-усталостного разрушения металла, изменение которого сопровождается изменением характера процесса и, как следствие, параметров соответствующей кинетической диаграммы трещиностойкости. Вместе с тем закономерности влияния различных факторов и их комбинации на кинетику развития разрушения в металле при силовом и коррозионном воздействии на него до настоящего времени слабо изучены.

Специфические особенности характерны также для процесса развития трещин при статической нагрузке в условиях высокотемпературной ползучести. Здесь важное значение приобретает характер накопления повреждённости в металле, что усиливает роль таких факторов как вид напряжённого состояния, а также температурные условия и наработка металла.

Представляется перспективным и целесообразным для материалов теплосилового оборудования использовать экспериментально обоснованные аппроксимации кинетики трещин при усталости, коррозионной усталости и ползучести в виде обобщённых диаграмм трещиностойкости, параметры которых находились бы в функциональной зависимости от комплекса основных эксплуатационных факторов (силовых, коррозионных, температурных и т.д.). Альтернативным или скорее дополнительным вариантом может выступить подход, когда для определённых факторов (или групп факторов), например коррозионных, за основу принимается обобщённый вариант, устанавливаемый экспериментально по консервативному принципу. С учётом такого подхода должна быть усовершенствована методика расчёта долговечности и несущей способности элементов конструкций с трещиноподобными дефектами.

В результате аналитического обзора поставлены задачи исследования, решение которых обеспечивает достижение цели диссертационной работы.

Во второй главе предложены физико-механические модели развития разрушения металла и на их основе выполнен анализ закономерностей развития трещин в металле в условиях коррозионно-усталостного процесса, а также при высокотемпературной ползучести. В основу базовой концепции одного из подходов к интерпретации процесса коррозионно-усталостного разрушения металла положена кинетическая модель Екобори, согласно которой скорость роста трещин (СРТ) при усталости обратно пропорциональна экспоненте, содержащей в показателе свободную энергию активации разделения атомов ():

da/dN ~ exp (-) , (1)

где da/dN - поцикловой подрост трещины; k - константа Больцмана; Т - температура.

Применительно к процессу развития усталостной трещины в металле в условиях воздействия жидкой среды в настоящей работе предложено использовать термодинамическое уравнение энергетического баланса с учетом раздельного вклада во внутреннею энергию системы (U) объемно-механической работы (Wу) и энергии, генерируемой электрохимической реакцией (We):

dU = T•dS - dWу - dWe , (2)

где S - энтропия системы.

С учётом этого в соотношении (1) свободная энергия активации разделения атомов в условиях протекания электрохимической реакции должна быть уменьшена на величину ДWe. Энергия электрохимической реакции выражается через напряжение (э.д.с.) в равновесной электрохимической системе E*:

We = n•F•E* или ДWe = n•F•ДE*,

где F - число Фарадея (F = NA•eo: NA - число Авогадро, eo - элементарный заряд); n - количество молей в системе. Для электрохимических цепей второго рода э.д.с. системы может быть представлена выражением:

,

где R - универсальная газовая постоянная (R = k•NA), g - характеристика процесса электрохимической реакции. С учётом изложенного, выражение (1) преобразуется к виду:

(3)

где Дg - изменение активности участников реакции.

Анализируя последнее соотношение (3) и полагая в первом приближении, что влияние коррозионного фактора сводится только к уменьшению свободной энергии активации, получаем, что воздействие среды приводит к увеличению логарифма натурального СРТ при усталости на характерную величину NA•(Дg/g).

В отличие от энергетической трактовки роль коррозионного фактора в процессе усталостного разрушения металла может рассматриваться с позиций механизма анодного растворения металла в течение полуцикла растяжения. Исходя из уравнения кинетики анодного растворения металлов (формулы Таффеля) и вытекающего из него соотношения плотности анодного тока (j) процесс пассивации может быть представлен в виде:

или , (4)

где so и s - исходное и текущее (мгновенное) значение площади ювенильной поверхности; - некая постоянная для данной электродной реакции характеристика (параметр электродного перенапряжения); - время.

Переходя к зависимости изменения со временем коррозионного тока (i) и далее к количеству переносимого за элементарный отрезок времени заряда получим соотношение для соответствующего элементарного приращения объёма растворяемого металла (dV):

где M/() - объём грамм-эквивалента металла (M - атомный вес, z - валентность, - плотность); F - число Фарадея. Выражая далее усреднённый на единицу длины фронта элементарный подрост трещины и интегрируя его по времени получаем величину приращения длины трещины в течение отрезка времени Д за счёт анодного растворения металла:

(5)

Время элементарного акта пассивации () с последующим разрушением плёнки в процессе деформирования материала можно записать в виде: , где - деформация разрушения оксидной плёнки; - скорость деформации в вершине трещины.

Представив деформацию в вершине трещины через раскрытие д в виде , получаем выражение и тогда с учётом уравнения (5) подрост трещины в течение цикла за счёт протекания анодной реакции сведётся к соотношению:

 (6)

где - радиус вершины трещины; и Е - условный предел текучести и модуль упругости материала соответственно.

Качественный анализ уравнения (6) свидетельствует, что вклад анодного растворения в процесс усталостного разрушения металла зависит от его свойств (M, z, , Е, ), характеристик электрохимической реакции (, ), механических параметров нагружения (f, K1) и свойств защитной плёнки (). Видно также, что увеличение радиуса вершины трещины или предела текучести металла способствует замедлению локального анодного процесса. Возможно, что в ряде практических случаев взаимовлияние этих двух характеристик компенсирует их совокупный эффект.

Рассматривая, как частный случай, линейную форму цикла нагружения и упрощая задачу до условий идеально острой трещины (> 0) и зависимости КИН в виде K1 = F(, ), уравнение (6) можно представить в следующем виде:

(7)

Анализ данного соотношения указывает на снижение вклада анодной реакции в процесс усталостного разрушения с увеличением частоты нагружения. Кроме того, интенсивность анодного растворения металла является монотонно возрастающей функцией параметра . Следовательно, при интерпретации кинетики роста коррозионно-усталостной трещины традиционным степенным уравнением (типа Пэриса) по параметру размаха КИН интенсивность анодного процесса будет зависеть от величины показателя степени в указанном уравнении.

Альтернативой анодному механизму ускорения процесса усталостного разрушения металла за счёт воздействия водной среды является катодный механизм или механизм водородного охрупчивания металла в вершине трещины. Основной характеристикой в этом случае, ответственной за снижение сопротивления усталостному разрушению, выступает концентрация водорода (C) в очаге разрушения. Процесс диффузии водорода через вершину трещины в поле напряжений описывается уравнением:

, (8)

где - поток водорода; D - коэффициент диффузии; VH - парциальный молярный объём водорода в металле; - оператор градиента; - гидростатическое напряжение.

Аппроксимируя напряжение у на расчётном участке 0 ? x ? xm линейной зависимостью и вводя безразмерные переменные: о = x/xm; ; = = VH•( - )/2R•T, условия диффузии водорода в вершине трещины можно представить в виде:

(0 ? о ? 1) (9)

(о > 1)

Точка x = xm соответствует координате максимального значения напряжения = (согласно условию пластичности Мизеса = 2,4 , =). Граничные условия задаются из принципа непрерывности потока и концентрации на границе областей (о = 1). В упрощённом варианте задачи для случаев малых значений с учётом переформулированных граничных условий может быть получено приближённое решение системы уравнений (9). С использованием этого решения и основываясь на концепции дискретного продвижения трещины по мере накопления циклической повреждаемости получаем соотношение:

, (10)

где C0 - постоянная концентрация водорода в поверхностном слое (обеспечивается электрохимической реакцией); - СРТ при циклическом нагружении (без учёта коррозионного фактора). Из характера выражения (10) следует, что концентрация водорода и, следовательно, степень охрупченности металла пропорциональны коэффициенту диффузии и пределу текучести металла. С увеличением частоты циклического нагружения и скорости усталостной трещины (без учёта влияния на неё водорода) концентрация водорода в очаге разрушения снижается. С учётом экспоненциальной зависимости коэффициента диффузии от температуры (D ~ exp (-Ф/RT)) процесс накопления водорода в металле будет термоактивируемым - см. выражение (10).

Следуя концепции дискретного развития трещины за счёт накопления деформации до критического уровня (ef) и согласно закону Коффина-Мэнсона (, где Nf - количество циклов до наступления элементарного акта разрушения; Дep - размах пластической деформации; m - константа материала) с помощью несложных преобразований получаем соотношение для скорости усталостной трещины в охрупченном металле:

, (11)

где A - функция свойств материала, - коэффициент, определяемый концентрацией водорода в металле: 0 ? ? 1. Тогда отношение скоростей роста трещин в охрупченном и неохрупченном металле будет составлять:

, (12)

где в первом приближении ~ exp(-Ш/C*): Ш - некая характеристика свойств материала, C* - концентрация водорода в очаге разрушения (m ? 0,5).

Описанные выше модели использовались в работе для анализа особенностей и механизмов влияния коррозионного фактора на процесс усталостного разрушения металла. При этом характерно, что для катодного механизма имеет место насыщение влияния коррозионного фактора на СРТ по мере её увеличения - см. уравнение (10).

Для описания процесса развития разрушения в металле при высокотемпературной ползучести использовали принцип дискретного (поэтапного) роста трещины по мере накопления предельной деформации ползучести () в локальном объёме металла при вершине трещины:

, (13)

где - скорость деформации ползучести; - продолжительность элементарного акта разрушения.

С использованием степенного закона установившейся ползучести и кривой длительной прочности можно получить соотношение:

, (14)

где m - показатель степени кривой ползучести; n - показатель степени кривой длительной прочности; - деформация при разрушении в условиях одноосной ползучести при напряжении ( - характерная для материала величина).

Применяя соотношение (14) совместно с уравнениями Хатчинсона-Розенгрена-Райса для поля упругопластических напряжений и деформаций приходим к выражению:

, (15)

где = -1/(m-n) при условии  > ; J - J- интеграл; r - расстояние от вершины трещины.

В результате комбинации уравнений (13) и (15) получаем соотношение для СРТ () при ползучести:

,

откуда следует:

, (16)

где C* - модифицированный J-интеграл (C*~); rc - размер элементарного объёма, в котором происходит исчерпание длительной пластичности металла.

Показатель степени в кинетической зависимости СРТ при ползучести от модифицированного C* интеграла будет составлять m/(m+1) ~ 0,7…0,9, что хорошо согласуется с величиной показателя степени в аналогичных зависимостях, полученных различными исследователями. Исходя из предложенной модели, использование КИН в качестве параметра СРТ при ползучести даёт значение показателя степени соответствующей кинетической зависимости близкое величине показателя степени кривой ползучести m, т.е. для теплоустойчивых сталей в диапазоне значений ~ 3…5, что удовлетворительно согласуется с известными результатами экспериментальных исследований.

В связи с необходимостью учёта уровня накопленной повреждённости металла в сечении тела с трещиной предложено при описании кинетики трещин ползучести использовать в качестве корреляционного параметра приведенный КИН (), учитывающий степень неоднородности напряжённого состояния в рабочем сечении детали и время развития трещины:

. (17)

Коэффициент вида напряженного состояния определяется соотношением:

, (17 а)

где ч = 1/н; и - мембранное и изгибное напряжения соответственно в расчётном сечении; ka = r*/ B - относительная часть сечения детали, в пределах которой (x) ? 0 (В - протяженность сечения-нетто детали). Временнтй параметр выражается в форме:

,

где Р - параметр Ларсона-Миллера (индексы i и 0 соответствуют исходному и текущему состоянию металла) или, пренебрегая температурным фактором (будет учтён отдельно), получаем:

. (17 б)

Следовательно, при построении кинетических диаграмм трещиностойкости и при расчётных оценках живучести в условиях ползучести использование приведенного КИН в качестве параметра СРТ обеспечивает учёт характера напряжённого состояния и времени развития трещины и, как следствие, учёт косвенным образом характера накопления повреждённости в рабочем сечении детали.

В третьей главе даны сведения об исследуемых материалах, описаны испытательное оборудование и методика исследований. В качестве основных материалов исследования использованы широко применяемые при изготовлении теплосилового оборудования стали: углеродистые (ст3, 20, 22К), низколегированные (15ГС, 30ХНМФ, 26ХН3М2ФА, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 15Х2НМФА, 25Х1М1ФА, 20Х3МВФА) и аустенитная нержавеющая сталь (08Х18Н12Т и Х18Н10Т). Весь исследуемый металл представлен штатными изделиями. Основной объём экспериментов выполнен на металле в исходном состоянии; исследованию также подлежал металл после различных сроков наработки и после искусственного термодеформационного старения на различные временны?е базы.

Основным типом образца для испытаний выбран компактный образец внецентренного растяжения (стандартный тип СТ) толщиной 25 мм. Ряд испытаний на циклическую и коррозионно-циклическую трещиностойкость выполнен на призматических (балочных) образцах прямоугольного сечения (10Ч20 мм и 25Ч50 мм) с краевым надрезом при изгибающей нагрузке.

Испытания на статическую и циклическую (на воздухе) трещиностойкость проводили на серийных испытательных машинах типа УМЭ-10ТМ. Для проведения исследований трещиностойкости металла в коррозионных средах был разработан и сооружён экспериментальный комплекс, включающий: испытательный стенд с контуром высокого давления принудительной циркуляции среды через рабочие камеры; установку для испытаний в условиях естественной циркуляции среды повышенных параметров; установку, для коррозионно-циклических испытаний балочных образцов до температуры 150 єС и ряд установок для испытания образцов в активных жидких средах при температуре до 80…90 єС. Принципиальная схема испытательного стенда с контуром принудительной циркуляции высокого давления показана на рис. 1. Стенд состоит (конструктивно и функционально) из четырёх основных частей (систем): технологическая система, испытательные камеры, нагружающие устройства и система измерения длины трещины в образцах. Технологическая часть предназначена для обеспечения циркуляции среды через рабочие камеры и поддержания заданных параметров по температуре, давлению и расходу среды, а также по её химическому составу. Контрольно-измерительная часть технологической системы стенда обеспечивает заданный тепловой режим, давление и количество среды в контуре.

Отличительными конструктивными особенностями испытательной камеры являются малый рабочий объём за счёт оптимизации конструкции захватов, отсутствие сальниковых уплотнений для движущихся частей и компенсация "поршневого" эффекта благодаря специальному устройству. Нагружающие устройства стенда созданы на базе серийной испытательной машины рычажного типа АИМА5-1, предназначенной для испытания материалов на длительную статическую прочность. Для обеспечения циклического режима нагружения образцов электрическая схема машины АИМА была принципиально реконструирована; отдельные изменения были внесены также в кинематическую схему. Экспериментальная установка с контуром естественной циркуляции среды повышенных параметров выполнена автономно от основного стенда и предназначена для работы на параметрах среды: давление до 7,58,0 МПа; температура до 270-280 єС. В составе установки использованы те же испытательные камеры и нагружающие устройства, что и в основном стенде (рис. 1).

Для контроля длины трещины в образцах при испытаниях разработана система измерения длины трещины в компактном образце по методу изменения податливости. Для этого был разработан и изготовлен датчик индукционного типа измерения линейных перемещений в жидких активных средах и сформирована вторичная аппаратура.

Исследование кинетики усталостных трещин в среде лабораторного воздуха проводили при комнатной и повышенных температурах: 300 єС и 540…560 єС. Испытания выполняли при частоте циклического нагружения 0,1 ч 1 Гц; коэффициент асимметрии цикла варьировали в диапазоне от ~ 0 до 0,85. Длину развивающейся трещины в образцах измеряли визуально с помощью оптического прибора.

Коррозионно-усталостные испытания компактных образцов проводили по схеме повторно-статического нагружения с трапецеидальной (близкой к треугольной) форме цикла при различных значениях коэффициента асимметрии цикла:  = 0,05 ч 0,85 и в широком диапазоне частот нагружения:  = 0,04 ч 0,0008 Гц. С целью выбора рабочих сред для проведения коррозион-усталостных испытаний были выполнены методические опыты по сравнительным исследованиям окисных плёнок на поверхности металла. За основу рабочих сред для испытаний были приняты реальные водно-химические режимы энергоустановок. Исследования проводили в средах как базового состава, так и в базовых средах с добавками вредных примесей, в том числе органических кислот.

Температура среды при испытаниях составляла 80 єС; 250 єС и 280 єС - для компактных образцов и 80 и 150 єС - для балочных образцов. Испытания были организованы для трёх режимов динамического состояния среды: неподвижное; естественная (медленная) циркуляция; принудительная (ускоренная) циркуляция среды через камеру.

Для определения базовых характеристик коррозионной трещиностойкости материалов и анализа механизмов акселерации усталостного разрушения металла за счёт воздействия жидкой среды выполнялись специальные исследования по определению электрохимических условий в вершине коррозионной трещины, а также исследования самих характеристик коррозионной трещиностойкости при контролируемых электрохимических условиях в трещине. Основными параметрами, интегрально определяющими электрохимическую обстановку в полости трещины, являются водородный показатель среды рН и электродный потенциал металла. Для указанных исследований использовали балочные образцы со сквозным отверстием в плоскости развития трещины. Измерение электрохимических параметров в вершине трещины проводили с помощью датчиков-микроэлектродов специальной конструкции, устанавливаемых в отверстиях образца.

1 - узел водоподготовки;

2 - насос дозатор;

3 - центробежный насос;

4 - нагревательный элемент;

5 - приборы управления и защиты нагревательной системы;

6 - баллон с газом;

7 - испытательное устройство;

8 - образец с датчиком раскрытия;

9 - привод нагружающего механизма;

10 - рычажная система с силовой рамой;

11 - компенсатор объёма;

12 - датчики уровня воды (контроль и управление);

13 - фильтр;

14 - холодильник;

15 - манометры и датчики давления;

Испытания на трещиностойкость в условиях высокотемпературной ползучести выполняли на компактных образцах с боковыми поверхностными пазами в продолжении оси надреза. На начальном этапе испытаний для фиксирования момента страгивания трещины осуществляли частичную разгрузку образца с последующим догружением до заданного уровня. Длительность испытаний задавалась условием достижения величиной перемещения образца определённого уровня: 1,0 ч 2,0 мм.

Кинетические диаграммы трещиностойкости материала для всех видов испытаний строили в виде традиционных зависимостей СРТ от параметра КИН как в непосредственном его выражении, так и в модифицированных формах с целью получения инвариантных по отношению к различным факторам зависимостей скорости развития трещин в металле.

В четвертой главе изложены результаты исследований статической и циклической трещиностойкости материалов, используемых для изготовления теплосилового оборудования. Проанализирован характер диаграмм разрушения сталей при статическом нагружении. Проведён сопоставительный анализ представительного массива данных по статической трещиностойкости сталей энергооборудования с обобщённой зависимостью критического КИН (вязкости разрушения) от приведенной температуры (T - Tк) в виде известного соотношения:

К1с = 26 + 36·exp[0,02·(T - Tк)] ,

где Tк - критическая температура хрупкости металла.

Подтверждено удовлетворительное соответствие экспериментальных данных по статической трещиностойкости обобщённой диаграмме, которая является нижней огибающей для значений критических КИН сталей перлитного класса, используемых при изготовлении элементов теплосилового оборудования.

Исследования циклической трещиностойкости углеродистой, низколегированной и аустенитной стали, выполненные на компактных и балочных образцах различной толщины, показали, что уменьшение толщины образца с 25 до 10 мм приводит к снижению циклической трещиностойкости, т.е. к увеличению СРТ в металле (рис. 2). В свою очередь для исследованных сталей экспериментально подтверждено, что изменение геометрии и схемы нагружения образца при сохранении неизменной его толщины не отражается на уровне характеристик циклической трещиностойкости - см., например, рис. 2 б.

Рис. 2. Характеристики циклической трещиностойкости стали 15ГС(а) и 08Х18Н12Т (б) при различной асимметрии нагружения

Выполнены исследования по влиянию асимметрии циклического нагружения на характеристики усталостной трещиностойкости сталей. Для получения независимых от коэффициента асимметрии кинетических диаграмм циклической трещиностойкости было отработано несколько вариантов использования эффективного размаха КИН (ДKef) с различными корректирующими функциями k(R): ДKef(i) = ki(R)•ДK. При обработке экспериментальных данных использовали корректирующие функции следующего вида:

k1(R) = (1-R)-0,5;

k2(R) = (1-R)-0,25;

k3(R) = [(1+R)/(1-R)]0,25.

На рис. 2 для сталей 15 ГС и 08Х18Н12Т показаны кинетические зависимости СРТ от эффективного размаха КИН при двух значениях коэффициента асимметрии цикла: R ? 0 и 0,7. Видно, что аппроксимация кинетических диаграмм усталости при существенно различных асимметриях через традиционный размах КИН (ДК) и через эффективный размах КИН в форме ДKef1 даёт заметное расхождение экспериментальных данных для различных R. В свою очередь аппроксимация диаграмм циклической трещиностойкости через эффективный размах КИН в выражении ДKef2 или ДKef3 позволяет свести в единую полосу разброса экспериментальные данные, соответствующие испытаниям при различных асимметриях цикла. Анализ результатов экспериментов для всех исследованных сталей показал, что оптимальным является использование эффективного размаха КИН в форме ДKef2 для аппроксимации кинетических диаграмм трещиностойкости единой зависимостью, инвариантной по отношению к коэффициенту асимметрии.

Изучено влияние температуры и состояния металла на циклическую трещиностойкость сталей. С повышением температуры наблюдается увеличение СРТ в металле, т.е. характеристики циклической трещиностойкости сталей снижаются (см. рис. 3).

Рис. 3. Кинетические зависимости циклической трещиностойкости стали 12Х1МФ

Полагая, что влияние температуры на трещиностойкость реализуется через соответствующее влияние на деформационное состояние металла, в работе предложено (в пределах температурного диапазона 20…300 °С) использовать для описания кинетической диаграммы усталостного разрушения параметр эквивалентного размаха КИН в виде ДKэкв = k(T)·ДK, где корректирующий (нормирующий) коэффициент k(T) зависит от температуры. Рассмотрены две формы выражения коэффициента k(T):

,

где и E - предел текучести и модуль упругости материала соответственно при базовой (Tb) и расчётной (или эксплуатационной Td) температуре. В качестве основной (базовой) диаграммы принята зависимость, построенная при 20 єС, т.е. Tb = 20 єС.

Обработка экспериментальных данных по циклической трещиностойкости сталей с использованием параметров ДKэкв1 и ДKэкв2 даёт хорошую сходимость кинетических диаграмм, соответствующих повышенной температуре (до 300…350 єС), с базовой диаграммой, полученной при 20 єС. При этом трудно отдать предпочтение какому либо одному из предложенных параметров. Однако в целом более удачной признана аппроксимация кинетической диаграммы циклической трещиностойкости общей зависимостью для различных температур (20…300 єС) при использовании в качестве параметра СРТ эквивалентного размаха КИН в форме ДKэкв1 - рис. 3. Для паропроводных сталей получены также кинетические диаграммы циклической трещиностойкости в области эксплуатационных температур (до 560 єС), построенные в традиционной форме.