Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие промышленного потенциала России неразрывно связано с ростом потребления тепловой и электрической энергии Увеличение производства энергии в условиях роста цен на энергоносители требует создания новых энергоблоков и модернизации действующих с обеспечением высокой экономичности и надежности
Проблема повышения надежности энергооборудования связана с необходимостью снижения количества повреждений высоконагруженных узлов и деталей в процессе длительной эксплуатации Простои оборудования из-за развития повреждений приводят к значительным потерям энергии и дополнительным затратам на восстановление работоспособности Особую опасность представляют хрупкие локальные разрушения высоконагруженных элементов, подвергающихся длительному воздействию высоких температур Статистический анализ повреждений свидетельствует о возрастании доли хрупких локальных разрушений с увеличением длительности эксплуатации энергооборудования
Принятые в настоящее время в энергомашиностроении нормативные методы определения ресурса, а также нормы расчета на прочность не учитывают опасность возникновения и развития хрупких локальных повреждений Опыт длительной эксплуатации энергооборудования показывает, что локальные хрупкие повреждения деталей и узлов в значительной степени определяются конструктивно- технологической наследственностью, приобретаемой на стадиях проектирования и изготовления
Неудачный выбор материалов, нерациональное конструктивно- технологическое проектирование, возникновение на различных стадиях изготовления химической, структурной и механической неоднородности металла, различного рода локальных металлургических несплошностей и технологических трещин приводит к локализации разрушений в процессе длительной эксплуатации Особенно влияние технологической наследственности проявляется в сварных соединениях, доля локальных разрушений в которых составляет 80% 85% от общего количества выявляемых в процессе эксплуатации повреждений
Разработка локальных критериев технологической трещиностойкости конструкционных материалов и сварных соединений, инженерных расчетных и экспериментальных методов прогнозирования образования и развития трещин на стадиях изготовления является важнейшей задачей энергомашиностроения Решение этой задачи позволило бы сократить длительность конструктивно-технологического проектирования и изготовления с одновременным повышением надежности энергооборудования
Увеличение нормативного расчетного ресурса проектируемого энергооборудования высоких параметров до 200 тыс часов и более, а также продление сроков эксплуатации действующего оборудования приводит к необходимости дополнения нормативных расчетных методов прогноза ресурса критериями и методами оценки сопротивляемости хрупким локальным разрушениям
Создание теоретических и методологических основ предотвращения локальных хрупких разрушений (трещин) в материалах и сварных соединениях при длительной высокотемпературной эксплуатации с учетом конструктивно-технологической наследственности - особо актуальная проблема
Целью исследования является установление единых феноменологических закономерностей технологических и эксплуатационных локальных хрупких разрушений элементов энергооборудования и сварных соединений из жаропрочных сталей, создание количественных критериев прогнозирования и предотвращения развития трещин, определение закономерностей влияния параметров эксплуатации и технологической наследственности на сопротивляемость локальным разрушениям
В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи
На основе выполненных исследований, анализа и обобщения условий возникновения локальных хрупких разрушений в жаропрочных сталях и сварных соединениях разработано научное положение о единых феноменологических закономерностях развития технологических трещин
Предложена феноменологическая модель развития трещин в условиях хрупких локальных разрушений при ползучести
Разработаны критерии и методы экспериментальных исследований закономерностей развития трещин при ползучести
Предложен обобщенный критерий технологической трещиностойкости сварных соединений и разработаны методы оценки трещиностойкости в условиях релаксации напряжений
Выполнены исследования сопротивляемости развитию трещин в жаропрочных сталях перлитного, мартенситного и аустенитного классов при высокотемпературной ползучести
Установлено влияние длительности нагружения, температуры, технологической наследственности на характеристики трещиностойкости Исследованы закономерности медленного роста трещин ползучести
Исследованы закономерности развития локальных хрупких разрушений в сварных соединениях сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов Получены характеристики трещиностойкости различных зон сварных соединений при ползучести
Изучены закономерности образования и развития холодных трещин (XT) в сварных соединениях при релаксации напряжений Установлено влияние металлургических и структурных факторов, легирования, технологических параметров сварки и термообработки Разработаны инженерные критерии и методы оптимизации конструктивно-технологических требований, исключающих образование холодных трещин
Выполнены исследования сопротивляемости сварных соединений технологическим трещинам при термической обработке (ТТО) Определены темпера-турно-временные интервалы развития ТТО Разработан инженерный критерий количественной оценки условий развития ТТО в сварных конструкциях при релаксации напряжений
На основе выполненных экспериментальных исследований, установленных закономерностей развития локальных хрупких разрушений предложены методы прогнозирования и предотвращения развития трещин в жаропрочных сталях и сварных соединениях
Методы исследования.
Теоретические и экспериментальные исследования локальных хрупких разрушений сварных соединений при ползучести и релаксации напряжений базируются на современных представлениях о физических закономерностях кинетики накопления повреждений, феноменологических моделях повреждающихся сред, механики разрушения тел с трещинами, имеющихся в настоящее время представлениях о формировании в процессе сварки структурной, механической и химической неоднородностей В работе получили дальнейшее развитие теоретические и методологические представления о локальных разрушениях сварных соединений при ползучести и релаксации напряжений Исследования выполнены с применением, как стандартных, так и специальных методов испытаний Методологические требования к проведению испытаний основаны на развитых в настоящей работе модельных представлениях о закономерностях локальных разрушений в сварных соединениях Разработаны методы исследования условий образования и развития трещин в сварных соединениях при ползучести Требования к образцам, условиям нагружения и предложенные критерии оценки инвариантности характеристик трещиностойкости позволили количественно моделировать хрупкие межзеренные разрушения сварных соединений на стадиях изготовления и эксплуатации при ползучести На основе выполненного в работе теоретического анализа закономерностей разрушения в условиях релаксации напряжений разработаны методы оценки сопротивляемости образованию и развитию трещин в условиях релаксации напряжений Разработанные методы позволили моделировать влияние запаса упругой энергии в сварной конструкции на кинетику образования и развития трещин Использование методов моделирования структурного состояния различных зон сварных соединений на установке ИМЕТ-ЦКТИ, методов металлографического и фрак-тографического анализа, стандартных методов испытаний на ползучесть, длительную прочность и релаксацию напряжений обеспечило высокую точность и достоверность результатов экспериментов Для проведения испытаний на тре-щиностойкость при ползучести и релаксации напряжений сконструированы
специальные установки с непрерывной регистрацией параметров нагружения и размеров трещины методом разности электрических потенциалов (РЭП) Научная новизна
Установлены единые феноменологические закономерности технологических и эксплуатационных локальных хрупких разрушений жаропрочных сталей и сварных соединений В отличие от существующих представлений технологические трещины при сварке и термической обработке рассматриваются с позиций хрупкого разрушения при ползучести, развивающегося во времени в локальных структурно-неравновесных зонах под действием технологических напряжений
Определены закономерности развития трещин в условиях релаксации напряжений Показано, что рост трещин при релаксации напряжений возможен только в условиях развития процессов накопления повреждений в материале и соответственно снижении характеристик вязкости разрушения во времени Повышение сопротивляемости материала деформациям ползучести, запаса упругой энергии в теле (конструкции) и снижение уровня трещиностойкости приводит к увеличению интенсивности докритического роста трещин в условиях развития локальных разрушений
Впервые для количественной оценки сопротивляемости хрупким локальным разрушениям предложена феноменологическая модель развития трещины при ползучести, рассматривающая два независимых процесса накопления повреждений локальный в вершине трещины под действием сингулярной части напряженного состояния и глобальный в теле без трещины Модель позволила описать временные зависимости пороговых и критических характеристик трещиностойкости, отвечающих началу докритического медленного роста трещины и неустойчивому полному разрушению
Разработаны экспериментальные методы определения характеристик трещиностойкости в условиях ползучести и релаксации напряжений Установлены пороговые (минимальные) величины вязкости разрушения жаропрочных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов и их сварных соединений, отвечающие условиям развития локальных разрушений при ползучести
Определены закономерности влияния температуры, длительности нагруже-ния на пороговые величины вязкости разрушения исследованных сталей Построены зависимости пороговых величин вязкости разрушения от температур-но-временного параметра Ларсена-Миллера, позволяющие прогнозировать сопротивляемость развитию локальных разрушений в жаропрочных сталях при эксплуатации
Изучены кинетические особенности докритического развития трещин ползучести Экспериментально определены изохронные зависимости скорости роста трещин от коэффициента интенсивности напряжений для сталей 12Х1МФ, 15X11МФ, 08Х18Н10Т при Т=550С
Установлены закономерности локальных разрушений при ползучести в различных зонах сварных соединений Получены пороговые характеристики тре-щиностойкости и скорости роста трещин для сварных соединений из сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов
Определены закономерности кинетики развития технологических XT и ТТО сварных соединений Получены количественные соотношения между условиями начала разрушения, развития, торможения трещин и запасом упругой энергии в сварной конструкции В качестве локального критерия сопротивляемости XT предложены пороговые значения вязкости разрушения Установлены закономерности изменения пороговых значений вязкости разрушения под влиянием легирования, структурных и технологических факторов
Экспериментально определены пороговые значения вязкости разрушения и зависимости скорости роста трещин для оценки сопротивляемости локальным разрушениям при развитии ТТО в сварных соединениях Установлены соотношения между пороговыми величинами вязкости разрушения, структурными и технологическими параметрами сварки
Практическая ценность.
1 Результаты работы позволяют выполнять количественные инженерные расчетные оценки сопротивляемости локальным хрупким разрушениям, прогнозировать и предотвращать развитие технологических и эксплуатационных трещин
в жаропрочных сталях и сварных соединениях на стадии конструктивно-технологического проектирования
-
По результатам работы выпущены нормативно-технические документы, регламентирующие требования к выбору материалов, конструктивно-технологическому проектированию, контролю качества сварных конструкций
-
Разработаны методы испытаний материалов и сварных соединений на тре-щиностойкость при ползучести и релаксации напряжений Выпущены соответствующие нормативные документы, регламентирующие метрологические требования к образцам и процедурам испытаний
-
Определены пороговые, критические характеристики трещиностойкости и кинетические зависимости роста трещин при ползучести и релаксации напряжений жаропрочных сталей и сварных соединений, позволяющие осуществлять прогнозирование и предотвращение локальных разрушений
-
На основании разработанных критериев и результатов экспериментальных исследований продлен ресурс большого парка сварных узлов и деталей энергетического оборудования до наработки 250 320 тыс часов
По индивидуальным технологиям сварки, разработанным на основе установленных в работе критериев технологической трещиностойкости, восстановлено около 150 корпусных деталей с трещинами, 22 поврежденных ротора паровых турбин На защиту выносятся следующие научные положения
-
Установленные единые феноменологические закономерности технологических и эксплуатационных локальных разрушений жаропрочных сталей и сварных соединений, позволяющие рассматривать развитие трещин в структурно-неравновесных зонах с позиций хрупкого разрушения при ползучести
-
Закономерности развития трещин в условиях релаксации напряжений, устанавливающие связь между сопротивляемостью материала деформациям ползучести, уровнем трещиностойкости, запасом упругой энергии в теле (конструкции) и интенсивностью докритического роста трещин при локальных хрупких разрушениях
-
Феноменологическая модель развития трещин в повреждающемся во времени материале, рассматривающая два кинетических процесса накопления повреждений в телах с трещинами при ползучести локальный под действием сингулярной части напряженного состояния в вершине трещины и глобальный в теле без трещины
-
Изохронные зависимости скорости роста трещин от величины коэффициента интенсивности напряжений, отвечающие степени поврежденности материала в заданный момент времени
-
Пороговые величины трещиностойкости, определяющие критические условия начала развития хрупких межзеренных локальных разрушений сварных соединений при ползучести и релаксации напряжений
-
Закономерности кинетики развития XT в сварных конструкциях с различным запасом упругой энергии Количественные соотношения между условиями начала разрушения, ускорения, торможения трещин и запасом упругой энергии
-
Экспериментально установленные закономерности изменения пороговых величин вязкости разрушения для условий XT в зависимости от легирования, структуры, параметров термического цикла сварки Карты микромеханизмов разрушения для условий технологической трещиностойкости сварных соединений при развитии XT при релаксации напряжений
-
Экспериментально установленные закономерности изменения пороговых величин вязкости разрушения при развитии трещин ТТО в зависимости от тем-пературно-временных параметров термической обработки, структуры
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Проблемы сварки и специальной металлургии» (Киев 1984г), II Всесоюзном симпозиуме «Механика разрушения Трещино-стойкость материалов и элементов конструкций» (Киев, 1985 г), научно-техническом семинаре «Конструктивная прочность и механика разрушения сварных соединений (Ленинград 1986 г), I Всесоюзной конференции «Механика разрушения материалов» (Львов, 1987г), научно-техническом совещании
«Оценка предельного состояния металла элементов теплоэнергетического оборудования (Москва, 1988 г ), Всесоюзном научно-техническом совещании «Вопросы совершенствования эксплуатации и повышения коррозионной надежности паротурбинных установок» (Москва, 1989 г), Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы синергетики» (Уфа, 1989 г), Всесоюзном симпозиуме «Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы» (Москва, 1989 г), Республиканской конференции «Коррозия металлов под напряжением и методы защиты» (Львов, 1989 г), VI Международной конференции «Механика материалов» (Киото, Япония, 1991г), «Продление ресурса сварных соединений трубопроводов и корпусного оборудования ТЭС» (Москва, 1994 г ), научно-техническом семинаре «Общая стратегия продления и восстановления работоспособности энергооборудования» (Санкт-Петербург, 1995г), Международном научно-практическом семинаре «Стратегия продления и восстановления ресурса энергооборудования Отечественные и зарубежные технологии» (Санкт-Петербург, Россия, Париж, Франция, 1996 г), Международной конференции «Сварка Технологии Оборудование Материалы» (Рига, Латвия, 1997 г), Международном научно-практическом семинаре «Стратегия продления и восстановления ресурса энергетического оборудования Отечественные и зарубежные - сварочные и другие технологии» (Лондон, Англия, 1997 г), V Международной конференции « Материаловедческие проблемы при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (Санкт-Петербург», 1998 г), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования» (Санкт-Петербург», 1998 г), V Научно-техническом семинаре «Топливно-энергетический комплекс Надежность, долговечность и безопасность оборудования Материалы и ресурсосберегающие технологии XXI века» (Санкт-Петербург, 1999 г), VIII Всероссийском научно-практическом семинаре «Обеспечение работы энергооборудования ТЭС и АЭС после сверх длительной эксплуатации» (Санкт-Петербург», 2002 г), IV Международной научной конференции «Перспективные задачи инженерной науки» (Игало, Черногория,
2003 г), научно-практическом семинаре «Ресурс и надежность тепломеханического оборудования энергетических и промышленных предприятий» (Санкт-Петербург», 2003 г), Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования» (Санкт-Петербург», 2004 г), X Всероссийском научно-практическом семинаре «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования» (Санкт-Петербург», 2004 г), IV Международной конференции «Новые разработки в технологии материалов длительно эксплуатирующихся энергетических установок» (Хилтон, США, 2004 г), V Международной конференции «Перспективные задачи инженерной науки» (Париж, Франция, 2004 г), Научно-практической конференции «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике » (Санкт-Петербург, 2007 г) Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 49 работах, кроме того, в 6 отраслевых нормативно-технических документах Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, содержит 288 машинописных листов, включая 118 рисунков, 42 таблицы, 227 наименований библиографических ссылок
