авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Экспериментальное исследование термомеханических факторов работоспособности труб пароперегревателя

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ташлыков Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Томский политехнический университет”

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Заворин А.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Басин Анатолий Сергеевич,

Институт теплофизики СО РАН (г. Новосибирск);

кандидат технических наук, доцент Федецкий Иван Иванович,

ООО «Сибтерм» (г. Томск).

Ведущая организация: ФГУП «Сибирский химический комбинат»

(г. Северск)

Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 года в 15 часов

на заседании диссертационного совета К 212.269.04

в Томском политехническом университете по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корпус 4, ауд. 406.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической

библиотеке ГОУ ВПО “Томский политехнический университет”

Автореферат разослан « » октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. С. Заворин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В российской энергетике растет количество объектов, исчерпавших свой проектный, а в большинстве случаев и парковый ресурс. Считается, что используемые в пароперегревателях (ПП) трубы из сталей 12Х18Н10Т, 12Х1МФ, 15ХМ и др. плохо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации в связи с низкой прокаливаемостью по глубине, склонностью к межкристаллитной и язвенно-питтинговой коррозии, графитизации, ползучести и внезапным хрупким разрушениям. Поэтому в процессе реновации оборудования тепловых электрических станций предлагается заменить для ПП трубные стали старого поколения на более перспективные материалы, например, на сталь Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш), которая в настоящее время проходит массовые испытания на ряде электростанций России и стран СНГ. Помимо внедрения новых материалов актуальны вопросы продления срока службы уже эксплуатируемого оборудования, а также прогнозирования длительного и остаточного ресурса. В этой связи чрезвычайно важной является задача исследования трубных элементов котлов с учетом факторов эксплуатационного термоциклического и механоциклического воздействия.

В настоящее время многие особенности разрушения до конца не выяснены, о чем свидетельствует большое количество аварий на магистральных трубопроводах, резервуарах, стальных конструкциях и т.п. Известные методики обследования труб энерготехнологического оборудования, не располагающие количественными показателями структурной прочности, не отличаются надежностью и достоверностью.



Требования к надежности работы энергооборудования, к достоверности оценки текущего состояния и прогнозов остаточного ресурса поверхностей нагрева вынуждают проводить дальнейшие исследования влияния термических и механических факторов эксплуатационного воздействия на структуру и свойства трубных поверхностей нагрева с разработкой и применением иных техники и методики эксперимента, с введением иных критериев оценки состояния материалов ответственных конструкций и узлов. Одним из таких критериев можно считать внутренние структурные напряжения. Анализ их функциональных зависимостей от условий эксплуатации отдельных трубных элементов предоставляет возможности для оперативного повышения надежности тепломеханического оборудования в целом.

Таким образом, актуальность темы обосновывается состоянием основных энергетических мощностей, необходимостью продления остаточного ресурса труб энергетических котлов и соответственной диагностики их текущего физического состояния, задачами грядущего перевооружения отрасли, среди которых выделена замена стали труб ПП на более перспективную. Тема диссертации соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ («Энергетика и энергосбережение»).

Цель работы: установление характеристик структурно-напряженного состояния стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) и оценка их влияния на работоспособность элементов пароперегревателей.

Основные задачи исследования:

  1. установление зависимости внутренних структурных напряжений от температуры и выявление характера изменения структурно-напряженного состояния при изменяющихся термических и механических нагрузках;
  2. определение критериев склонности к трещинообразованию и роста структурной трещины в процессе механоциклического пластического деформирования стенки трубы;
  3. установление температурной зависимости коэффициентов теплового расширения кристаллических решеток стенки трубы;

Научная новизна полученных результатов:

    1. впервые получены экспериментальные данные, характеризующие изменения внутренних структурных напряжений при циклических термических и механических воздействиях на стенку трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш);
    2. экспериментальным путем с применением методики механического циклического нагружения по уширению линий рентгеновской дифракции определены базовые характеристики прочности и пластичности (в, 0,2);
    3. установлены аномальные скачкообразные изменения коэффициента линейных термических расширений кристаллических решеток для стенки трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш).

Практическая значимость работы:

  1. полученные зависимости внутренних структурных напряжений от температуры и внешнего механоциклического воздействия позволяют устанавливать безопасный диапазон температур эксплуатации, текущее физическое состояние, а также область применения и осуществлять подбор совместимых материалов для трубы из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш);
  2. предложенные критерии склонности к трещинообразованию и условия роста структурной трещины могут быть использованы для разработки технических мероприятий по продлению ресурса труб.

Материалы исследования используются: для входного контроля трубной продукции в ЗАО «Росналадка» (г. Бийск), для диагностики труб поверхностей нагрева в ходе экспертизы опасных производственных объектов в РИКЦ «Котлонадзор» (г. Новосибирск), а также в учебном процессе по специальностям «Тепловые электрические станции», «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете.

Достоверность результатов обеспечивается применением прецизионных методов исследования, апробированных методик обработки экспериментальных результатов и анализом погрешностей эксперимента, сравнением с аналогичными исследованиями для широко используемых в энергетике марок стали (Ст.10, Ст.20, 12Х1МФ).

На защиту выносятся:

  1. результаты экспериментальных исследований внутренних структурных напряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при термических циклических нагружениях;
  2. результаты экспериментальных исследований внутренних структурных напряжений материала труб из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) при механичесих циклических нагружениях;
  3. обоснование критериев диагностики текущего физического состояния и прогнозирования работоспособности материала труб для пароперегревателя из перспективной стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: IV, V Всероссийском студенческом научно-практическом семинарах «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2002, 2003 г.г.); VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2002, 2003 г.г.); IX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г.); III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г. Барнаул, 2003 г.); на научных семинарах кафедры парогенераторостроения и парогенераторных установок Томского политехнического университета (2002-2007 г.г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, среди которых 3 статьи в рецензируемом издании (список ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, 4 приложений и списка литературы (66 наименований). Работа содержит 175 страниц, 25 таблиц и 29 рисунков.

Личное участие автора. Автором самостоятельно определены цели исследования и развиты методические положения экспериментальных исследований. Автор непосредственно участвовал в циклических температурных и механических испытаниях, в обработке экспериментальных результатов, а также провел анализ полученных результатов и сформулировал выводы. В обсуждении экспериментальных результатов и выводов принимали участие к.т.н. А. А. Макеев, к.т.н. Л.Л. Любимова.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится анализ состояния российской энергетики в аспекте темы диссертационной работы и обосновывается актуальность проблемы продления работоспособности труб в условиях термической и механической усталости металла. Обосновывается выбор изделия из стали Ди-82-Ш (10Х9МФБ-Ш) как объекта исследования.

В первой главе приведены сведения об основных видах повреждаемости труб поверхностей нагрева, дается обзор основных гипотез коррозионного растрескивания и сведений о влиянии микроструктурных характеристик на коррозионные и прочностные свойства сталей, включая существующие представления о механизме хрупких разрушений. Охарактеризованы основные физические методы исследований структуры и свойств вещества.

Показано, что имеющиеся результаты не дают целостной картины протекания всех видов усталостных явлений, не устанавливают надежно диагностические структурные признаки, провоцирующие, например, межкристаллитную коррозию, транскристаллитную коррозию, коррозионное растрескивание под напряжением. Соответственно не выработаны показатели для надежного прогнозирования поведения трубного изделия под различными эксплуатационными воздействиями. Показано, что вопросам диагностики напряженного состояния стали в части определении критериев разрушения не уделяется особого внимания. Вместе с тем из обзора следует, что прочностные свойства связываются с высокими уровнями внутренних остаточных напряжений. Следовательно, информация об изменениях напряженного состояния должна быть предметом научных исследований, основой прогнозирования и определения режимов длительной эксплуатации. Обзором установлено, что применяемые методы анализа микроструктуры относятся к разрушающим и что в арсенале используемых средств не получил должного распространения метод высокотемпературной рентгенографии. На основании обзора литературы по проблемам долговечности, работоспособности и термической усталости сформулированы цель и задачи исследований, обоснован выбор рентгеновского метода для определения структурных изменений.

Во второй главе представлена методика исследования, включающая циклические механические и термические испытания образцов пароперегревательной трубы, сопровождаемые регистрацией структурных изменений с применением метода рентгенографии и высокотемпературной рентгенометрии, дано описание техники эксперимента.

Методика термических испытаний заключалась в организации форсированного искусственного старения образца трубы методом термоциклирования.





Термоциклические испытания проведены при давлении ~1,310-3 Па с целью исключения окислительных реакций. Использовался образец, изготовленный из прямого участка трубы в виде шлифа размером 15203 мм. Образец испытывался на рентгеновском аппарате Дрон-0,5 с применением высокотемпературной дифрактометрической установки УВД-2000 и рентгеновской трубки с молибденовым анодом и длиной волны Кср.=0,71069 . Использование жесткого молибденового излучения позволяло осуществлять сканирование образца в широком диапазоне углов дифракции, обеспечивало получение дифракционной картины не только от поверхностных слоев образца, но и от объема и увеличивало точность определения параметра элементарной ячейки.

Сущность выполнения термоциклирования состояла в следующем. При достижении вакуума в рабочем объеме высокотемпературной дифрактометрической приставки производился подъем температуры от 12 С (температура охлаждающей воды) до температуры испытаний. Диапазон температур испытаний в одном макроцикле составлял от 12 до 700 С с шагом подъема температуры в каждом составляющем его микроцикле порядка 30…100 С при длительности микроцикла 24 ч. При рабочей температуре испытаний после достижения стационарного температурного состояния в микроцикле осуществлялось рентгенографирование образца. В дальнейшем образец, испытываемый под термической нагрузкой, называется «горячим». После рентгеносъемки «горячего» образца установка расхолаживалась до температуры охлаждающей воды и осуществлялась рентгеносъемка «холодного» образца. Всего было выполнено 3 макроцикла. Второй макроцикл заканчивался аустенизацией стали с последующим переходом.

В результате реализации термоциклирования и рентгенодиагностики устанавливались следующие характеристики: агор и ахол – параметр элементарной ячейки для «горячего» и «холодного» образца в зависимости от температуры; – мгновенный коэффициент линейных термических расширений кристаллической решетки; I, II – внутренние структурные напряжения первого и второго рода в зависимости от температуры по ниже приведенным выражениям.

,

где ai – параметр элементарной ячейки при температуре ti,; ai-1 – параметр элементарной ячейки холодного металла предыдущего термоцикла; tхол – всегда 12 С (температура охлаждающей воды); ti – рабочая температура микроцикла.

, (1)

где аi+1 – параметр элементарной ячейки горячего образца при рабочей температуре ti+1; аi – параметр элементарной ячейки горячего образца при температуре предыдущего микроцикла; Е – модуль нормальной упругости.

, (2)

где – угол дифракции; n2 – часть уширения дифракционной линии, ответственного за микронапряжения.

Плотность дислокаций (, 1/см2) оценивается по выражению:

, (3)

где D – размер кристаллитов, см.

Методика механических испытаний для исследования структурно-напряженного состояния при пластическом механическом нагружении стенки трубы сводилась к организации процесса форсированного искусственного старения образца в ходе холодного циклического деформирования гидравлическим прессом с возрастающей нагрузкой в каждом очередном цикле деформирования.

После каждого цикла нагружения производилась рентгеносъемка исследуемого образца на рентгеновском аппарате ДРОН-3,0 с использованием монохроматизированного медного излучения трубки с длиной волны Cuk=1,39217 . Анализ внутренних остаточных напряжений выполнен по методике, позволяющей определить уширения дифракционных линий (111) и (220) (метод Уоррена) по выражениям (1 – 3).

Длина структурной трещины рассчитывалась на основании:

,

где Е – модуль нормальной упругости; а – период кристаллической решетки; у – внутренние напряжения.

В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты и оценена погрешность измерений.

На рис. 1 и на рис. 2 представлены зависимости внутренних напряжений II рода соответственно от плотности структурных дефектов при внешнем нагружении и от приложенной внешней нагрузки. Показано, что процессы упрочнения при нагружении, характеризуемые точками 1, 4, 7, 9 (рис. 2 А) и 1, 3, 7, 11 (рис. 2 Б), сменяются процессами разупрочнения (точки 2, 5, 8, 10, 13 на рис. 2 А и 2, 5, 9, 12, 13 на рис. 2 Б). Свойства внутренней и наружной поверхностей трубы проявляют структурную стабильность (рис. 1) и лимитируются зоной, находящейся между линиями разупрочнения и упрочнения (рис. 2). Они не подвержены глубокой релаксации внутренних напряжений, связываемой с возникновением структурного трещинообразования. Это показано на рис.. 3, 5 в виде зависимости длины внутризеренной и зональной трещины, возникающих при внешних разрушающих нагрузках. Можно видеть (рис.. 3, 5), что трещины, возникающие при внешнем нагружении, не склонны к развитию в широком диапазоне внешних нагрузок. В выполненном эксперименте (рис. 3) достигнута нагрузка на наружной стороне ~ 330 МПа, а на внутренней ~ 170 МПа. Перераспределение зональных напряжений в зависимости от нагрузки при циклическом деформировании показывает (рис. 4), что зональные напряжения при внешнем деформировании изменяются в диапазоне 10…390 МПа. При этом они не проявляют склонность к глубокой релаксации, достаточной для слияния микротрещин, что характеризует высокие упруго-пластические свойства стенки трубы.

 Влияние циклического нагружения на-6

Рис. 1. Влияние циклического нагружения на распределение внутренних напряжений II в зависимости от плотности дислокаций в образце (сталь Ди-82-Ш): 1 – наружная сторона; 2 – внутренняя сторона

 А) Б) Зависимость внутренних-7 А) Б) Зависимость внутренних-8

А) Б)

Рис. 2. Зависимость внутренних напряжений II от внешней нагрузки

образца трубы (сталь Ди-82-Ш): А – наружная сторона; Б – внутренняя сторона; линия разупрочнения при деформировании; линия упрочнения при деформировании

На рис. 6 представлена зависимость величины коэффициентов линейных термических расширений кристаллических решеток от температуры в трех термоциклах. Во всех трех термоциклах при нагреве до 200 °С наблюдаются аномальные скачки величины коэффициента линейных термических расширений кристаллических решеток, при дальнейшем увеличении температуры амплитуда изменения уменьшается, коэффициенты линейных термических расширений кристаллических решеток соответствуют средним справочным значениям по результатам макродилатометрии для сталей – (15…20)10-6 1/град. Отклонения от нормального хода зависимости ~f(t) наблюдаются: в первом термоцикле при 48 и 160 °С, во втором при 80…150 °С, в третьем термоцикле, который выполнен после аустенизации стали, при ~ 90…100 °С.

 А) Б) Зависимость длины-9 А) Б) Зависимость длины-10

А) Б)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.