CC BY
69
Секция 12. Технические науки
Section 12. Technical sciences Секция 12. Технические науки
Petrov Valerij Ivanovich, Novokuznetsk branch of Kuzbass state technical University, candidate of technical Sciences, associate Professor, Department of electrical engineering
E-mail: valerij.petroff@yandex.ru Bakanov Aleksandr Aleksandrovich, a Novokuznetsk branch of Kuzbass state technical University, candidate of technical Sciences,
Professor, Director of the branch E-mail: director@kuzstu-nf.ru Petrova Valentina Aleksandrovna, Siberian state industrial University, candidate of technical Sciences, associate Professor, Department of technical mechanics and graphics
E-mail: valyaa.Petrova@mail.ru Potanin Andrey Vladimirovich, Technical management of JSC "EVRAZ ZSMK”,
chief specialist for development of rolling manufacture E-mail: patanin.andrey@yandex.ru
The study of metal steam pipe with welded joint, spent the expected life
Abstract: In the article the results of research on the determination of mechanical properties of metal straight sections, bent branches and welded j oints of steam, exhaust estimated useful life. Made of chemical and metallographic analysis. Evaluation of residual life of steam structural factor.
Keywords: steam pipe, welded connection, microstructure, mechanical properties, microdamage, residual life.
Петров Валерий Иванович, Новокузнецкий филиал Кузбасского государственного технического университета, к. т.н., доцент, кафедра электротехники
E-mail: valerij.petroff@yandex.ru Баканов Александр Александрович, Новокузнецкий филиал Кузбасского государственного
технического университета, к. т.н., доцент, директор филиала
E-mail: director@kuzstu-nf.ru
Петрова Валентина Александровна, Сибирский государственный индустриальный университет,
к. т.н., доцент, кафедра технической механики и графики
E-mail: valyaa.Petrova@mail.ru Патанин Андрей Владимирович, Техническое управление ОАО "ЕВРАЗ ЗСМК”, главный специалист по развитию прокатного производства
E-mail: patanin.andrey@yandex.ru
Исследование металла паропровода со сварным швом, отработавшего расчетный срок
Аннотация: В статье приведены результаты исследований по определению механических свойств металла прямых участков, гнутых отводов и сварного соединения паропровода, отработавшего расчетный срок. Выполнены химический и металлографический анализ. Проведена оценка остаточного ресурса паропровода по структурному фактору.
Ключевые слова: паропровод, сварное соединение, микроструктура, механические свойства, микропов-режденность, остаточный ресурс.
123
Section 12. Technical sciences
Надежность, являясь одной из составляющих качества, характеризует способность изделия выполнять заданные функции в условиях эксплуатации в течение расчетного времени с сохранением предопределенных свойств, поэтому методы и средства ее оценки играют немаловажную роль. Одним из путей повышения надежности изделий и конструкций является изучение свойств материала и деформационных процессов, происходящих в нем и приводящих к разрушению. Современные критерии надежности определенным образом связаны с оценкой времени работы изделия до отказа (исчерпание остаточного ресурса), предполагая при этом эффективность систем диагностики в оценке долговечности.
К настоящему времени большинство металла теплотехнического оборудования отработало свой расчетный срок, однако, в ряде случаев замена его нецелесообразна, поскольку, несмотря на некоторые структурно-фазовые изменения металл обладает требуемыми эксплуатационными характеристиками. Пот г
этому целью данной работы являлось установление взаимосвязи между степенью исчерпания ресурса и деградацией структуры в результате анализа микро-поврежденности и структурных изменений.
Исследовался участок паропровода с гнутым отводом (гибом), который отработал более двух расчетных сроков, то есть 208820 часов вместо 100 000. Размер трубы 0273x20 мм, марка стали — 12Х1 МФ.
Применялся визуальный контроль и проведены механические испытания, химический и карбидный анализы, а также оптические металлографические исследования.
При визуальном контроле выявлено, что на наружной и внутренней поверхности стыкуемых труб имеется окисный слой тёмно-коричневого цвета. Коррозионных язвин, раковин, расслоений, выходящих на поверхность не обнаружено. Внешний вид и зоны контроля металла паропровода представлены на рисунке 1.
1 — прямой участок; 2,4 — зоны термического влияния; 3 — сварной шов; 5 — гнутый отвод Рисунок 1 — Местоположение вырезки образцов для механических испытаний, металлографического и химического анализа
Механические испытания проводились при мого участка и гнутого отвода; на ударную вяз-температурах +20 °С и +540 °C, причем на рас- кость — по 3, результаты которых представлены
тяжение отбирали по 2 образца из металла пря- в таблице 1.
Таблица 1. - Результаты механических испытаний
Зона контроля Т °С исп Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Относи-тельное сужение, % Ударная вязкость, Дж/см 2
1 2 3 4 5 6 7
Прямой участок 20 468,2 471,6 270,8 265,6 32,0 32,3 73,0 78,2 127,0 131.8 144.8
Гнутый отвод 20 471,4 469,6 - 14.7 16.7 - 246,6 233,0 138,5
Гнутый отвод 20 457,7 461,2 260,9 271,3 34,0 33,3 75.0 73.0 94.0 98,9 121.0
Требования ТУ для стали 12Х1 МФ 441-637 не менее 274 не менее 21 не менее 55 не менее 59
Прямой участок 540 283,5 273,1 - 172.1 201.2 183,7
124
Секция 12. Технические науки
1 2 3 4 5 6 7
Прямой участок 540 272.2 279.2 157,6 170,3) 32,0 31,7 69,7 73,0 117,3 125,9 110,5
Гнутый отвод 540 277,4 279,2 180.3 189.3 29,3 32,0 68,0 69,0 130.8 117.8 127,0
Согласно требованиям технических условий на поставку после 100 000 часов эксплуатации паропровода допускается снижение предела прочности и текучести на 30 МПа и ударной вязкости
на 15 Дж/см 2 при комнатной температуре.
Результаты измерения твердости (HRB) по двум уровням (рисунок 1) приведены в таблице 2.
Таблица 2. - Распределение твердости по зонам сварного шва
А К <и М Число твердости HRB
Номер точки измерения
О Он 1 - основной 2 - зона термическо- 3 - наплавленный 4 - зона термического 5 - основной
металл го влияния металл влияния металл
I 74 81 90,5 85 75
и 75 74,5 90 73 76
Химический состав наиболее опасного с точки зре- ставлен в таблице 3. В обоих случаях содержание хими-
ния эксплуатации участка в сравнении с прямым пред- ческих элементов соответствует требуемым значениям.
Таблица 3. - Содержание химических элементов в сварном соединении
Зона контроля С Si Mn Cr Mo V P S
% % % % % % % %
Требования ТУ14-3-460 для стали 12Х1 МФ 0,10* 0,15 0,17* 0,37 0,40* 0,70 0,9* 1,2 0,25* 0,35 0,15* 0,30 не более 0,025 не более 0,025
Прямой участок 0,13 0,25 0,38 0,96 0,25 0,18 0,016 0,020
Гнутый отвод 0,10 0,24 0,38 1,16 0,25 0,16 0,013 0,019
По данным карбидного анализа (таблица 4) наибольшее количество легирующих элементов, перешедших в карбиды, и особенно, суммарное предельное содержание всех легирующих элементов в карбидном осадке приходится на участок гнутого
отвода, но практически не превышает 60%.
Металлографические исследования проводились на образцах из основного металла прямого участка, сварного шва и металла гнутого отвода с помощью микроскопа МИМ-8 М при увеличениях х100, х500.
Таблица 4. - Данные карбидного анализа
Зона контроля Количество легирующих элементов, перешедших в карбиды, по отношению к их общему содержанию в стали,% Суммарное предельное содержание всех легирующих элементов в карбидном осадке,%
Cr Mo
Прямой участок 15,57 32,52 48,09
Наплавленный металл 17,22 15,51 32,73
Гнутый отвод 18,18 41,90 60,08
Результаты металлографического анализа металла прямого участка приведены на рисунке 2.
125
Section 12. Technical sciences
x 100 x 500
Рисунок 2 - Микроструктура металла прямого участка
Микроструктура исследуемого участка феррито-сорбитная, при этом сорбит частично трансформирован и границы сорбитных зерен частично размыты. Карбиды расположены цепочками по границам зерен. Величина зерна соответствует № 6-7. Показатель балльности микроповрежденности металла соответствует 1 — поры отсутствуют.
Данные по металлографическому анализу гнуто-
го отвода приведены на рисунке 3. Микроструктура феррито-сорбито-карбидная. Степень сфероидиза-ции сорбита значительная. Границы сорбитных зерен размыты. Карбиды цепочками и скоплениями расположены по границам зерен. Величина зерна соответствует № 6-7. Микроповрежденность соответствует баллу 1 шкалы микроповрежденности, наличия пор не выявлено.
x 100
x 500
Рисунок 3 - Микроструктура металла гнутого отвода
Визуальный контроль сварного шва не показал наличия видимых дефектов. Микроструктура наплавленного металла феррито-перлитная, мелкозернистая. Величина зерна соответствует № 7-8. Феррит располагается в виде крупных оторочек по границам аустенитного зерна.
Микроструктура зоны термического влияния —
x 100
феррито-карбидная. Степень сфероидизации перлита соответствует баллу 5 шкалы Приложения ОСТ 34-70-690-96, микроповрежденность соответствует стадии 1п, предусматривающей исчерпание ресурса <0,5. Данные по металлографическому анализу приведены на рисунках 4-6.
x 500
Рисунок 4. - Микроструктура металла шва и зоны перегрева гнутого отвода
126
Секция 12. Технические науки
При анализе данных исследования получено:
— после проведения механических испытаний металл трубы и гнутого отвода имеет снижение предела текучести около 10 МПа, при допускаемом снижении 30 МПа по сравнению с нижним пределом на поставку. Отношение твердости сварного шва к твердости основного металла удовлетворяет требованию у = 1,0 * 1,4;
— по химическому составу металл исследованного прямого участка и гнутого отвода соответствует требованиям технических условий для стали 12Х1 МФ; металл шва соответствует типу электродов Э09Х1 МФ. По результатам карбидного анализа сум-
х 100
марное предельное содержание всех легирующих элементов в карбидном осадке < 60% от общего (суммарного) содержания легирующих элементов в металле;
— по результатам визуального контроля и макроанализа сварное соединение удовлетворяет требованиям действующих нормативных документов;
— в микроструктуре металла произошли значительные изменения, связанные с длительным сроком эксплуатации (трансформация сорбитной составляющей, частичная коагуляция карбидов), однако оптическими методами металлографии микроповрежденно-сти в металле прямого участка, гнутого отвода и зоны термического влияния сварного шва не выявлено.
х 500
Рисунок 5. - Микроструктура наплавленного металла
х100 х 500
Рисунок 6. - Микроструктура зоны мелкого зерна.
Таким образом, согласно результатам анализа следует, что гнутые отводы и прямые трубы со сварными соединениями паропровода могут быть допущены к дальнейшей эксплуатации.
Однако следует отметить, что микропоры являются трудновыявляемым элементом структуры металла. Даже металлографическое исследование в лабораторных условиях подготовленного шлифа дает, иногда, неоднозначные результаты в отношении количественной оценки микроповрежденности. Различные методики, используемые при приготовлении реплик,
также могут привести к неоднозначным результатам оценки состояния металла. К тому же для проведения исследований иногда требуется вырезать дефектный участок паропровода, что приводит его в негодность.
Предельным состоянием для элементов паропроводов, при котором дальнейшая эксплуатация не допускается, является появление в них микротрещин, образовавшихся в результате слияния пор ползучести под влиянием температурно-временных и силовых факторов. Такое состояние с большой степенью достоверности можно определить с помо-
127
Section 12. Technical sciences
щью неразрушающих методов контроля таких, как акустическая эмиссия, что наряду с приведенными методами позволит повысить эффективность про-
водимых исследовании по определению остаточного ресурса работоспособности теплоэнергетического оборудования.
Khmelniuk Mihail Georgievich, Odessa National Academy of Food
Technologies PhD, DSc (Engineering) Pischanskaya Nonna Alexandrovna, Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, Ukraine, assistant of professor E-mail podmazko@mail.ru Baidak Viktor Yurevich, Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, Ukraine, postgraduate student E-mail kozak_admin@ukr.net
Mathematical modeling and analysis of processes of humidification, air-conditioning systems
Abstract: The mathematical model for a conditioned premise with non-stationary heatmoist loadings is presented in the paper. This model allows to analyze the work of SLE depending on the intensity of changes of heat and moisture receipts indoors.
Keywords: conditioning, heat moist loading, air parameter, temperature, relative humidity, air consumption, mathematical model.
Хмельнюк Михаил Георгиевич, профессор, д. т.н. (hmel_m@ukr.net) Пищанская Нонна Александровна, ассистент, Байдак Виктор Юрьевич, аспирант, Одесская национальная академия пищевых технологий, г. Одесса, Украина
E-mail kozak_admin@ukr.net
Прогнозирование выхода на рабочие параметры системы кондиционирования воздуха с помощью математического моделирования
Аннотация: В статье авторами представлена математическая модель для кондиционируемого помещения с нестационарными тепловлажностными нагрузками. Разработанная модель позволяет проанализировать работу СКВ в зависимости от интенсивности изменения тепло- и влагопоступлений внутри помещения
Ключевые слова: кондиционирование, тепловлажностная нагрузка, параметры воздуха, температура, относительная влажность, расход воздуха, математическая модель.
В настоящее время существуют, как комфортное, так и технологическое кондиционирование воздуха. Основная цель — поддерживать в помещении требуемые параметры (температура и относительная влажность) среды. Для составления математической модели рассмотрим технологическую схему: помещение — кондиционер (рис. 1).
При математическом моделировании помещения с нестационарными тепловыми и влажностными нагрузками можно использовать уравнения тепловлажностного баланса [2].
Начальное уравнение влажностного баланса имеет вид:
M
Uä )
Gn .(dn -dy)±GH • (dy -dH)
(1)
где М
масса воздуха в помещении, кг; ф
d
d
н
относительная влажность воздуха; dH, dn, dy — влагосодержание наружного воздуха, приточного и внутри помещения соответственно кг/кг; Gn - расход
128
