Содержание к диссертации
Введение
1 Современное представление о методах диагностики конструкционных материалов действующего промышленного оборудования 10
1.1 Диагностика состояния конструкционных материалов промышленного оборудования и перспективы её развития 10
1.2 Современные методы диагностики состояния конструкционных материалов оборудования, работающего в экстремальных условиях. Их достоинства и недостатки
1.2.1 Методы оптического контроля 14
1.2.2 Ультразвуковые методы исследования 17
1.2.3 Вихретоковые методы 22
1.2.4 Радиографические методы 25
1.2.5 Методы электронной микроскопии 29
1.2.6 Методы сканирующей зондовой микроскопии
1.3 Основы метода атомно-силовой микроскопии 35
1.4 Выводы и постановка задач 41
2 Методические особенности исследования состояния конструкционных сталей действующего оборудования 44
2.1 Анализ исходных данных для проектирования и разработки специализированного атомно-силового микроскопа для диагностики состояния конструкционных сталей промышленного оборудования 44
2.1.1 Конструкционные материалы действующего оборудования. Материалы теплоэлектростанций 44
2.1.2 Критические параметры пара 57
2.1.3 Длительная прочность и ползучесть 59
2.1.4 Фазы и фазовые превращения в легированных сталях 64
2.1.5 Исследование возможностей атомно – силовой микроскопии при измерении образцов конструкционных сталей .
2.2 Обоснование необходимости разработки метода диагностики состояния конструкционных сталей на основе атомно-силовой микроскопии .
2.3 Выводы 92
3 Разработка метода диагностики состояния конструкционных сталей, эксплуатируемых в экстремальных условиях, на основе специализированного атомно-силового микроскопа .
3.1 Выбор блок-схемы специализированного атомно-силового микроскопа .
3.2 Разработка конструкции специализированного атомно-силового микроскопа .
3.3 Разработка метода диагностики состояния конструкционных сталей на основе совокупности данных атомно-силовой микроскопии
3.3.1 Подготовка поверхности конструкционных сталей к проведению измерений атомно-силовой микроскопией .
3.3.2 Проведение измерений микроструктуры конструкционных сталей атомно-силовой микроскопией
3.3.3 Обработка данных, полученных в результате измерений микроструктуры атомно-силовой микроскопией .
3.3.4 Специальное программное обеспечение 124
3.4 Выводы 138
4 Экспериментальная апробация разработанного специализированного атомно-силового микроскопа для проверки разработанных методик диагностики состояния конструкционных сталей
4.1 Моделирование воздействия экстремальных условий на образцы конструкционных сталей .
4.1.1 Испытания на растяжение 145
4.1.2 Испытания на длительную прочность и ползучесть 156
4.1.3 Определение степени влияния акустического воздействия на воспроизводимость АСМ-данных и работоспособность САСМ
4.2 Исследование состояния образцов действующего промышленного 163
оборудования разработанными методиками .
Основные результаты и выводы 169
Список использованных источников 176
Приложение
- Вихретоковые методы
- Конструкционные материалы действующего оборудования. Материалы теплоэлектростанций
- Разработка метода диагностики состояния конструкционных сталей на основе совокупности данных атомно-силовой микроскопии
- Испытания на длительную прочность и ползучесть
Введение к работе
Актуальность темы
Энергетика - одна из важнейших отраслей экономики любой развивающейся страны.
За последние 100 лет энергоэффективность электростанций увеличилась в разы, что в современном мире накладывает жесткие требования к качеству используемых материалов и оборудования электростанций.
В последние годы большинство развитых стран приступило к строительству энергоблоков теплоэлектростанций (ТЭС), работающих при сверхкритических и суперсверхкритических параметрах пара и давления.
Оборудование и узлы ТЭС, работающие при таких параметрах теплоносителя, нуждаются в постоянном контроле целостности и сохранения рабочих характеристик в допустимом диапазоне значений.
В настоящее время традиционные методы диагностики состояния конструкционных материалов позволяют анализировать состояние промышленных объектов, работающих в стандартных режимах эксплуатации. При переходе к экстремальным режимам эксплуатации необходимо использовать материалы с новыми свойствами, изменение которых зачастую не прогнозируется с достаточной достоверностью существующими методами.
Таким образом, наличие специфических проблем при диагностике состояния конструкционных материалов при экстремальных воздействиях обусловило интенсивные исследования в данном направлении. Создание высокоэффективных средств диагностики является актуальным.
Цель работы и задачи
Основной целью работы было установление закономерностей процессов деградации свойств конструкционных сталей энергетического оборудования, эксплуатируемого при экстремальных воздействиях, с использованием атомно-силовой микроскопии.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выявить факторы, влияющие на разрешающую способность измерительного оборудования;
- определить критерий оценки остаточного ресурса образцов стали;
провести исследование закономерностей изменения параметров
микроструктуры компонентов высокохромистых сталей мартенситного класса, используемых в паропроводах высокого давления энергетического промышленного сектора;
- разработать методику исследования образцов конструкционных сталей
мартенситного класса;
исследовать микроструктуру образцов конструкционных сталей мартенситного класса;
исследовать образцы мартенситных сталей в различных состояниях после различных воздействий;
разработать методику диагностики состояния образцов конструкционных сталей мартенситного класса на основе данных атомно-силовой микроскопии;
разработать экспериментальную установку атомно-силового микроскопа для проведения диагностики состояния образцов конструкционных сталей мартенситного класса непосредственно на объекте исследования;
- провести натурные испытания экспериментальной установки на
действующем промышленном объекте.
Научная новизна
1. Предложен метод диагностики состояния конструкционной стали
на основе данных атомно-силовой микроскопии, базирующийся на
определении среднего размера карбидной фазы зёренной структуры стали.
2. Предложена методика подготовки поверхности образцов
конструкционной стали и способ её реализации, учитывающий специфику
проведения измерений поверхности методами атомно-силовой микроскопии,
на который получен патент РФ.
3. Разработана методика проведения измерений и конструкция
специализированного атомно-силового микроскопа, позволяющие проводить
измерения непосредственно на объекте исследования.
4. Разработаны методика, алгоритм и специализированное
программное обеспечение для её реализации, позволяющие на основе данных
атомно-силовой микроскопии устанавливать состояние конструкционных
сталей в процессе их эксплуатации.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы. Экспериментальные данные атомно-силовой микроскопии были получены с использованием сканирующих зондовых микроскопов Solver Pipe, Ntegra Prima, Ntegra Aura.
Практическая значимость работы
Разработанный метод диагностики состояния конструкционных сталей на основе атомно-силовой микроскопии в сравнении с традиционными методами промышленной диагностики позволяет с ранее недоступным разрешением исследовать особенности структуры конструкционных сталей промышленного действующего оборудования, обеспечивает обнаружение начала структурных изменений материала и является эффективным при проведении исследований в области дефектоскопии и неразрушающего
контроля конструкционных материалов, эксплуатируемых в первую очередь в экстремальных условиях.
Разработанный специализированный атомно-силовой микроскоп позволяет получать данные непосредственно на объекте исследования с возможностью крепления под любым углом к горизонту и является востребованным инструментом диагностики для широкой номенклатуры объектов контроля в энергетической, нефте-газодобывающей, химической, приборостроительной, металлопроизводственной отраслях промышленности. Кроме того, разработанный микроскоп может быть использован и в лабораторных условиях.
Успешные испытания микроскопа были проведены на нескольких зарубежных промышленных объектах:
-
Университет Сюррея, Великобритания.
-
Нефтеперерабатывающая станция Raffmeria di Roma, Рим, Италия.
-
Турбиноремонтный завод «PRONOVUM», Катовице, Польша.
-
Труборемонтный завод, Фонтенбло, Франция.
-
ТЭЦ Quezon Power Plant, Филиппины.
-
ТЭЦ TanjungBin Power Plant, Малайзия,
а также, в многочисленных лабораториях металловедения и ОТК РФ.
Полученные результаты были использованы специалистами по контролю за техническим состоянием и дефектоскопии, и учтены при составлении отчетов о состоянии агрегатов и узлов промышленного оборудования.
Микроскоп многократно демонстрировался на профильных Российских выставках по неразрушающему контролю.
По теме диссертационной работы получено 2 патента (№2522724, №2537488), 1 свидетельство о регистрации типа средства измерений (RU.C.27.004.A №44677), а также 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2012619715).
На защиту выносятся:
метод диагностики состояния конструкционной стали, основанный на определении среднего размера карбидов в микроструктуре стали;
способ подготовки поверхности образцов стали, оптимизированный для проведения измерений поверхности методами атомно-силовой микроскопии;
специализированный атомно-силовой микроскоп, позволяющий проводить измерения образцов не только в лабораторных условиях, но и непосредственно на объекте исследования, например трубе паропровода, роторе турбины и т.д.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации, представленные в работе, получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном
участии. Во всех совместных работах автор участвовал в постановке задач, разработке методик исследования, проведении экспериментов, анализе результатов, написании статей, а также представлял результаты исследований на научно-технических конференциях.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: отраслевое совещание в рамках Совета главных механиков нефтехимических и нефтеперерабатывающей предприятий России и стран СНГ, Москва, 2010; Международный симпозиум «Актуальные задачи нефтехимии и нефтепереработки», Санкт-Петербург, 2010; XV международный симпозиум «Нанофизика и Наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011; XIX Всероссийская конференция по неразрушаю щему контролю и технической диагностике, Самара, 2011; 4-й Московский Международный симпозиум «Точность. Качество. Безопасность.», Москва, 2012; X Международная конференция «Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии», Минск, 2012; 4-ая Международная конференция «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», Суздаль, 2014; VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2015; 6-я международной конференции «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», Суздаль, 2016.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, из них 14 статей, 2 из которых опубликованы в рецензируемых журналах, цитируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 2 патента на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации
Вихретоковые методы
относительно изделия, создают приборы, в которых с помощью ЭВМ Эхо-метод по сравнению с ранее рассмотренными позволяет достаточно точно определить не только наличие дефекта, но и его характеристики. Недостатки данного метода: – если длина волны ультразвуковых колебаний больше размера дефекта, то будет происходить его огибание и дефект не обнаружится; – при большой величине зерен металла происходит значительное затухание колебаний. Так как длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний, то с увеличением частоты повышается чувствительность к более мелким дефектам, но возрастают структурные помехи. Это необходимо учитывать при выборе частоты; – ультразвуковой контроль (УЗК) крупнозернистых материалов (чугуна, меди, аустенитных сталей) затруднен. Возможно существенное ослабление колебаний в околошовной зоне сварного соединения. Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют в ультразвуковых структурных анализаторах. Преимущества УЗК: – возможность контроля большой толщины (для толщины свыше 80 мм это наиболее надежный способ); – меньшие затраты по сравнению о радиографией; – безопасность, выявление дефектов малого раскрытия. Это перспективный метод, постепенно вытесняющий радиационные методы. УЗК имеет и ряд недостатков: – объемные дефекты выявляются хуже, чем плоские; – не выявляются дефекты, имеющие в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, размер меньше длины волны; – сложнее по сравнению с радиационными методами определить вид дефекта, из-за большого уровня структурных помех; – некоторые материалы нельзя контролировать; – основной недостаток УЗК – субъективность: зависимость результатов от квалификации и внимательности оператора. Для устранения этого недостатка механизируют перемещение пьезопреобразователя сигналы в процессе сканирования запоминаются, а по его окончании – анализируются и выдаются в наглядной форме. 1.2.3. Вихретоковые методы
Вихретоковые методы [25 - 27] основаны на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых контролируемым объектом. Его применяют только для контроля объектов из электропроводящих материалов. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки. Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте (Рисунок 1.8). Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.
Вихретоковый дефектоскоп (а) и схема его работы (б). Метод нашел широкое применение в дефектоскопии для определения размеров и исследования структуры материалов. Кроме того, метод позволяет обнаруживать дефекты типа нарушения сплошности, выходящие на поверхность или залегающие на небольшой глубине под поверхностью, выявлять разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д.
Особенности вихретокового метода контроля: – с одной стороны метод вихревых токов позволяет осуществлять многопараметровый контроль, с другой – требуются специальные приёмы для разделения информации об отдельных параметрах объекта; – особенность электромагнитного контроля состоит в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях небольших, но достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты при высоких скоростях движения объектов контроля; – одна из особенностей метода состоит в том, что на сигналы практически не влияет влажность, давление и загрязнённость газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнённость поверхности объекта контроля непроводящими веществами; – простота конструкции преобразователя - преимущество метода вихревых токов. В большинстве случаев катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундом. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах в широком интервале температур и давлений; – при благоприятных условиях контроля и малом влиянии вредных факторов удаётся выявить трещины глубиной 0,1-0,2 мм, протяжённостью 1-2 мм протяженностью 1мм и глубиной 1% от диаметра контролируемой проволоки или прутка; – метод позволяет успешно решать задачи контроля размеров изделий. Этим методом измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к изделию, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от единиц микрометров до десятков миллиметров. Для большинства приборов точность 3-10%. Минимальная площадь зоны контроля может быть доведена до 1мм2, что позволяет измерить толщину покрытия на малых деталях сложной конфигурации; – структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать не только вариации химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также измерять механические напряжения в них. Широко применяют вихретоковые измерители удельной электрической проводимости и другие приборы для сортировки металлов и графитов по маркам (по химическому составу); – с помощью электромагнитных приборов контролируют качество термической и химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных слоёв после механической обработки, обнаруживают остаточные механические напряжения, выявляют усталостные трещины в металлах на ранних стадиях развития, обнаруживают наличие а-фазы и т.д.
Конструкционные материалы действующего оборудования. Материалы теплоэлектростанций
При остывании на воздухе, микроструктура таких сталей будет значительно отличаться друг от друга. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит.
Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в аустените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.
В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.
Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220. Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью. Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в -железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3C—карбид железа. Цементит содержит 6,67% углерода, выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.
Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.
Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше Rc= 60) и хрупкостью. Решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 2.3). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200 тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.
Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400. При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400 (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.
Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.
Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4,3. Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.
Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной, При меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической.
Для того, чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.
Структура стали с минимальным содержанием углерода (технически чистое железо) представляет феррит (Рисунок 2.4, а). Феррит имеет зернистое (полиэдрическое) строение. Незначительное увеличение содержания углерода, даже до сотых долей процента, вследствие его незначительной растворимости в альфа-железе (до 0,006% при 20С) вызывает образование второй фазы – цементита. При содержании углерода примерно до 0,025% он присутствует в структуре в виде третичного цементита, выделяющегося из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в альфа-железе. Третичный цементит выделяется, главным образом, по границам зерен феррита, что понижает пластичность и вязкость стали.
Разработка метода диагностики состояния конструкционных сталей на основе совокупности данных атомно-силовой микроскопии
После выбора блок-схемы, удовлетворяющей требованиям, перечисленным в разделе 3.1, был определен состав разрабатываемого САСМ: 1) прибор сканирующий (в целях агрегирования нескольких составных частей разрабатываемого САСМ, а также в целях использования краткого наименования этих составных частей и для единства применяемой терминологии под «прибором сканирующим» понимаем измерительный узел сканирующего зондового атомно-силового микроскопа, в который входят: атомно-силовой микроскоп, платформа позиционирования, платформа установочная, набор зондов);
В состав платформы позиционирования (Рисунок 3.8), входят платформа (1), на которой на шариковых подшипниках закреплены платформа X,Y (2) и каретка лифта Z (3), а также пружины (4), предназначенные для исключения люфта в перемещении плит платформы XY, а также закреплены блок разъёмов (5), внутри которого находится плата базы, предназначенная для коммутации сигналов между измерительным узлом и электронным блоком управления.
Платформа позиционирования обеспечивает перемещение измерительного узла атомно-силового микроскопа в плоскости XY и по оси Z. Измерительный узел производит измерение линейных размеров элементов рельефа поверхности и расстояния между ними путем сканирования поверхности зондом АСМ. Платформы позиционирования. Несущая платформа (1), платформа X,Y (2), каретка лифта Z (3), пружины натяжения платформ XY (4), блок разъёмов (5).
В платформе установочной (Рисунок 3.9) на основании (2) ввинчены установочные винты (1), предназначенные для базирования платформы на объекте исследования и предотвращения наклонов САСМ относительно исследуемого объекта.
Для уменьшения количества искажений при АСМ-исследовании необходимо, чтобы зонд кантилевера находился под углом близким к 90 относительно поверхности исследуемого образца.
При подводе зонда к образцу в идеальном случае (Рисунок 3.10) кантилевер вступает во взаимодействие с поверхностью под требуемым углом. Но, когда речь заходит об измерении цилиндрической поверхности, необходимо корректировать положение кантилевера (конструктивно, каретки лифта и закреплённого в нём измерительного узла), поворачивая его на дополнительный угол (Рисунок 3.11 и 3.12), чтобы кантилевер приближался к образцу под прямым углом к касательной в данной точке цилиндрической поверхности.
Эта конструктивная особенность была реализована следующим образом:
1. В отведенном состоянии кантилевер находится в плоскопараллельном положении с крепежной платформой, т.е. как показано на рисунке 3.10, под прямым углом к касательной к цилиндрической поверхности в точке, над которой в данный момент находится кантилевер.
2. При необходимости изменить зону исследования, измерительный узел перемещается над поверхностью цилиндрического объекта посредством шаговых двигателей, но положение кантилевера над поверхностью уже не удовлетворяет требованию перпендикулярности к касательной. Касательная в данной точке повернулась от первоначального положения на угол . (Как показано на рисунке 3.11).
3. Измерительный модуль фиксируется в плите лифта Z (Рисунок 3.17), которая в свою очередь посредством винтовой передачи и направляющих крепится в каретке лифта (Рисунок 3.16), и подпружинена пружинным кронштейном механизма возврата (поз.6, рисунок 3.15) и призмой (поз.3, рисунок 3.16) установленной на каретке лифта Z, обеспечивающей возврат каретки лифта при её отклонении относительно нормали к поверхности измеряемого образца на углы до +12 за счет вращения поворотной плиты (поз.1, рисунок 3.16) на оси каретки лифта Z..
4. Измерительный модуль оснащен подпружиненными упорами, сила сжатия пружин которых рассчитана таким образом, чтобы с учетом массы измерительного модуля и каретки лифта сначала происходило сжатие пружины поворота каретки, а потом уже сжатие пружин упоров.
5. Таким образом, при приближении зонда к образцу в точке не перпендикулярной к касательной, происходит следующая последовательность действий: 1) касание одной из опор поверхности образца; 2) сжатие поворотной пружины каретки лифта и доворот каретки на угол до момента касания поверхности вторым подпружиненным упором; 3) дальнейшее приближение зонда к образцу с сжатием упоров до момента взаимодействия кантилевера с поверхностью.
Таким образом, обеспечивается доворот каретки лифта и закрепленного в нём измерительного узла на необходимый угол для проведения измерений на цилиндрических поверхностях диаметром от 150 мм (Рисунок 3.13). Для обеспечения подвода к цилиндрическим образцам меньшего диаметра (от 10 до 150мм) существует возможность применения дополнительных упоров и переходников (Рисунок 3.14).
В состав каретки лифта Z (Рисунок 3.16) входит поворотная плита (1), на которой на шариковых подшипниках установлена плита лифта Z (2). К кронштейну поворотной плиты закреплена призма (3). Перемещение плиты лифта Z относительно поворотной плиты осуществляется винтом (6), перемещающим гайку (7). Вращение винта обеспечивается шаговым электродвигателем (5) посредством зубчатой передачи. Микровыключатели (4) ограничивают перемещение плиты лифта Z.
Плита лифта Z (рисунок 3.17) представляет собой корпус (1) рамочной конструкции, на котором вертикально установлены направляющие (2), а также расположены три опоры (4), предназначенные для крепления измерительного узла АСМ. В нижней части корпуса находится кожух, с вмонтированными в нём двумя светодиодами (3) и видеокамерой (5), предназначенной для визуализации процесса сканирования.
Испытания на длительную прочность и ползучесть
В настоящем разделе отражены результаты натурных испытаний разработанного САСМ и метода диагностики состояния конструкционных сталей на действующих промышленных объектах. Апробация проходила на нескольких промышленных объектах: 1. Университет Сюррея, Великобритания. 2. Нефтеперерабатывающая станция Raffineria di Roma, Рим, Италия. 3. Турбиноремонтный завод «PRONOVUM», Катовице, Польша. 4. Труборемонтный завод, Фонтенбло, Франция. 5. ТЭЦ Quezon Power Plant, Филиппины. 6. ТЭЦ TanjungBin Power Plant, Малайзия. На рисунках 4.19 и 4.20 представлены АСМ-изображения полученные на действующем промышленном оборудовании. Оба АСМ-изображения получены в зонах термического влияния (Heat Affective Zone - HAZ), одной и той же трубы, но в области различных сварных швов.
Стадийность метода диагностики состояния конструкционных материалов. Степень износа Рост карбидов, вид диагностики. Параметры диагностики от 0 до 30% Карбиды не растут или растут слабо. Диагностика состояния по размеру карбидов затруднительна. Диагностика возможна по параметрам зёренной микроструктуры, дефектов и следов скрайбирования. от 30 до 60% Карбиды растут медленно, но стабильно. Диагностика возможна. Диагностика по параметрам карбидов. Измерение параметров дефектов и скрайбирования при необходимости. от 60 до 100% Рост карбидов быстрый, размеры критические. Дальнейшая эксплуатация оборудования опасна. Диагностика состояния по размерам карбидов. Диагностика дефектов и скрайбирования не обязательна.
Метод диагностики состояния конструкционных сталей позволяет проводить исследование микроструктуры поверхности стали на любом этапе её эксплуатации. Но, за время жизни образца стали, размер карбидных фаз в его микроструктуре меняется не по линейному закону. В связи с этим, и учитывая опыт описанный в разделах 3.3. и 4.1., следует конкретизировать возможности метода диагностики применительно к состоянию исследуемого образца, а именно необходимо учесть, что рост карбидных фаз закономерен и почти линеен начиная от 35-40% времени жизни (T) (Рисунок 4.21).
Так, на этапе от 0 до 30% износа, наиболее информативными критериями оценки состояния будет зёренная структура и идентификация дислокаций, объединяющихся в дефекты; - на этапе от 30 до 60% износа, рост карбидных фаз становится стабильным и закономерным, и позволяет судить о состоянии образца. Дополняя эту информацию параметрами дефектов и следов скрайбирования, появляется возможность получать достоверный прогноз о состоянии исследуемого образца; - от 60 до 100% - наиболее информативным критерием может являться средний размер карбидов в микроструктуре стали. На рисунках 4.22, 4.23 показано крепление САСМ на трубах.
Таким образом, на начальных этапах степени износа оборудования при диагностировании состояния конструкционных сталей, следует в большей мере полагаться на АСМ-данные о зарождении и/или наличии дефектов структуры стали, а также на изменения параметров топографии областей после скрайбирования. Кроме того, не стоит забывать о прочих методах исследования свойств металлов, например твердометрии.
Данные полученные АСМ-измерениями, в совокупности с другими методами металлографии и неразрушающего контроля расширяют возможности для своевременной диагностики состояния ответственных промышленных объектов и позволяют прогнозировать остаточный эксплуатационный ресурс оборудования с более высокой достоверностью.
Размер карбидной фазы относится к первичным параметрам микроструктуры, изменения которого прямопропорционально сказывается на состоянии и свойствах стали, и в данном случае зависящим непосредственно от условий эксплуатации материала.
Рисунок 4.23 - САСМ на трубе главного паропровода ТЭЦ.
Освещенные в этой работе модели требуют дальнейшего уточнения и проведения более детальных исследований для каждого возможного состояния стали, что в перспективе позволит построить диаграмму зависимости роста и увеличения количества карбидных фаз от степени износа стали.
Тем не менее, наблюдаемая тенденция к росту карбидной фазы неизменна и зависит только от условий эксплуатации, что является неоспоримым преимуществом разработанного метода диагностики.
На сегодняшний день, только метод АСМ позволяет контролировать размер карбидной фазы непосредственно на объекте исследования, что качественно выделяет новый метод диагностики в сравнении с традиционно используемыми методами неразрушающего контроля, которые регистрируют вторичные параметры структуры материала, такие как затухание волн прошедшего или отраженного излучения, степень раскрытия трещин, частоту и интенсивность колебаний в материале и т.д.
На начальных этапах износа материала и развитии большого количества дислокаций, их глубокому распространению мешают мелкодисперсные равномерно распределенные по объему зерна карбиды. Являясь многочисленными препятствиями на пути движения дислокаций, карбиды способствуют улучшению прочностных свойств стали. Последующее начало коагуляции карбидов вольфрама (W) и молибдена (Mo) приводит к растворению в них мелкодисперсной фазы, что в свою очередь ведет к еще большему увеличению их размеров за счет перемещения углерода и легирующих элементов к более крупным карбидам. Этот механизм хорошо описан Оствальдовским укрупнением.
Впоследствии, на пути все чаще возникающих дислокаций становится все меньше препятствий, что в свою очередь снижает общую прочность стали и в конечном итоге приводит к её выходу из строя. Если речь идет о мартенситных сталях, то выход из строя, как правило, происходит лавинообразно, т.е. аварийно.
Таким образом, имея возможность быстро и точно численно измерить средний размер карбидных фаз и их количество на единицу площади, диагностика состояния конструкционных сталей получает в свое распоряжение мощный инструмент контроля.
Данные, полученные АСМ-измерениями, в совокупности с другими методами металлографии и неразрушающего контроля расширяют возможности для своевременной диагностики состояния ответственных промышленных объектов и позволяют прогнозировать остаточный эксплуатационный ресурс оборудования с более высокой достоверностью.