Измерение микротвердости в длительно работающем и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.791.05:620.179

Н.В. Абабков, А.Н. Смирнов, Э.В. Козлов

ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ В ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩЕМ И НАПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ БАРАБАНОВ КОТЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время в России более 80% промышленного оборудования отработало свой расчетный срок (в энергетике более 90%). Естественно, разрушение технических устройств, либо их элементов может привести, и приводят, к техногенным катастрофам с человеческими жертвами. Поэтому особо актуальной является проблема обеспечения (управления) безопасной эксплуатации потенциально опасного оборудования [1].

В процессе длительной эксплуатации энергооборудования при высоких температурах и давлениях в металле происходят сложные физико-химические процессы, связанные в первую очередь с распадом перлитной составляющей микроструктуры, коагуляцией и сфероидизаци-ей карбидов, образованием микропор, либо клиновидных микротрещин [1].

Скорость распада микроструктуры, образования и роста микроповрежденности зависит как от температуры, так и от рабочего давления, кроме того, существенную роль оказывает число пусков и остановов оборудования. Большую опасность с точки зрения надежности энергооборудования представляют барабаны котлов высокого давления [2].

В настоящей работе исследовали длительно работающий поврежденный металл барабана котла № 1 Южно-Кузбасской ГРЭС. Тип котла - ПК-10. Барабан котла диаметром 1490 мм с толщиной стенки 95 мм. Давление в барабане - 11,0 МПа;

температура - 316 °С. Барабан изготовлен в 1950 году из специальной молибденовой стали (типа 20М), Время эксплуатации барабана составляет 320 033 часов эксплуатации. Повреждение представляет собой трещину, расположенную на поперечном мостике 1-2-ого ряда водоопускных труб на нижней образующей барабана (рис. 1).

Рис.1. Трещина на наружной поверхности нижней образующей барабана между 1 и 2 очками (поперек барабана)

Целью нашей работы является измерение и сравнение микротвердости в длительно работающем и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления.

Измерения проводили на образцах длительно работающего (рис. 2, а) и наплавленного

а) б)

Рис. 2. Схема измерения микротвердости в образцах: а - длительно работающего металла; б -наплавленного металла барабанов котлов высокого давления

(рис. 2, б) металла барабанов котлов высокого давления [2].

Для измерения микротвердости использовался микротвердомер ПМТ-3М, тест-объектом являлся свежий скол кристалла поваренной соли (№С1). Измерения проводились: 1) в зоне основного металла в различных его участках, 2) в зоне сварного шва в направлении, перпендикулярном границе сварного шва, и 3) в зоне магистральной трещины (проходящей в основном металле) в направлении, перпендикулярном трещине [2]. Схематическое изображение таких областей приведено соответственно на рис. 3.

1.854 • Р

(1)

где Р - нагрузка (кгс), приложенная к наконечнику, йср - среднее значение длины диагонали отпечатка четырехгранной пирамидки (мкм). При этом:

й =

ср

i=1

2п

(2)

где й и й - соответственно длины диагоналей ,-

i1 г2

того отпечатка четырехгранной пирамидки, п - число измерений. Среднеквадратическое отклонение Щ и относительная погрешность измерения Б— вычисляются по формулам:

2

й -

ср

V

2

Рис. 3. Схематическое изображение участков основного металла, в которых проводились измерения микротвердости

Нагрузка на образец была выбрана 15 г. Значение микротвердости определяли по методу Виккерса [2]:

Б— =

п -1

и - и

-100%,

—

(3)

(4)

где Нв - номинальное значение микротвердости. Т.к. значение НВ нам неизвестно, то относительная погрешность измерения Би не вычислялась.

Все измерения микротвердости были выполнены для образцов длительно работающего ос-

2

2

г=1

Рис. 4. Схема измерений микротвердости Таблица 1. Средние значения микротвердости вблизи специальных участков зеренной структуры (ГПа)

Состояние образца Зерно феррита (1) Граница фер-ритного зерна (2) Вблизи границы ферритного зерна (3) Тройной стык фер-ритных зерен (4) Зерно перлита (5)

Исходный 0.891 + 0.032 1.185 + 0.173 1.226 + 0.485 1.294 + 0.485 1.518 + 0.312

Таблица 2. Средние значения микротвердости вблизи специальных участков зеренной структуры (ГПа)

Состояние образца Зерно феррита (1) Граница феррит-ного зерна (2) Вблизи границы ферритного зерна (3) Тройной стык ферритных зерен (4) Зерно перлита (5)

Отпущен- ный 0.877 + 0.064 1.063 + 0.245 1.202 + 0.181 1.540 + 0.678 1.044 + 0.145

новного металла и для образцов наплавленного металла барабанов котлов высокого давления.

Микротвердость была исследована на следующих участках материала:

1. в теле зерен феррита (в центральной части);

2. в теле зерен перлита (в центральной части);

3. в границе зерна феррита;

4. вблизи границы зерна феррита (отпечаток пирамидки не касался границы зерна);

5. в тройном стыке ферритных зерен;

Перечисленные участки материала, в которых

проводились измерения, представлены на рис. 4.

Полученные средние значения микротвердости в перечисленных участках приведены в табл.

1. Средние значения получены по 4-5 измерениям.

При анализе результатов измерения микротвердости установили, что наименее упрочненным участком исследуемого материала является тело зерна феррита, наиболее упрочненным - тело зерна перлита.

Кроме специальных участков зеренной структуры, была измерена микротвердость в районе трещины. Образец был протравлен так, чтобы четко выявлялась зеренная структура (границы

Ну, ГПа

Зона

разрыва

Рис. 5. Изменение микротвердости в образце длительно работающего металла по мере удаления от трещины

Ну, ГПа

Линия сплавления

Рис. 6. Изменение микротвердости в зоне матрицы сварного соединения по мере удаления от линии сплавления

зерен и внутрезеренная структура). Измерения проводились в направлении, перпендикулярном трещине внутри ферритных зерен [2].

Полученные результаты измерений средних значений микротвердости представлены на рис. 5. Здесь наибольшие значения микротвердости выявлены вблизи зоны трещины и составляют 1,333 ГПа. По мере удаления от линии сплавления наблюдается монотонное уменьшение величины микротвердости до 0,756 ГПа.

Микротвердость на образцах наплавленного металла измеряли на тех же специальных участках, что и на образцах длительно работающего металла (см. рис. 4).

Полученные средние значения микротвердости приведены в табл. 2. Средние значения получены по 4-5 измерениям [2].

При анализе результатов измерения микротвердости установили, что наименее упрочненным участком исследуемого материала является тело зерна феррита, наиболее упрочненным - тело зерна перлита.

Кроме специальных участков зеренной структуры, была измерена микротвердость в линии сплавления. Образец был протравлен таким образом, чтобы четко выявлялась зеренная структура (границы зерен и внутрезеренная структура). Измерения проводились в направлении, перпендикулярном трещине внутри ферритных зерен.

Полученные результаты измерений средних значений микротвердости представлены на рис. 6 [2]. Ннаибольшие значения микротвердости выявлены вблизи линии сплавления и составляют 1,081 ГПа. По мере удаления от линии сплавления наблюдается монотонное уменьшение величины микротвердости до 0,76-0,812 Гпа [2].

Связь параметра кривизны-кручения кристаллической решетки с микротвердостью в различных участках ферритных зерен для специальной молибденовой стали представлен на рис. 7.

ВЫВОДЫ:

1. Выполнены измерения и проведено сравне-

9 - исходное состояние;

О - после сварки и термообработки.

Рис. 7. Связь параметра кривизны-кручения кристаллической решетки с микротвердостью:

1 - тело ферритного зерна; 2 - граница двух ферритных зерен; 3 - вблизи границы ферритного зерна; 4 - тройной стык ферритных зерен;

2’ - карбид на границе ферритного зерна; 4’ -карбид в тройном стыке ферритных зерен

ние результатов измерения микротвердости в длительно работающем и наплавленном металле барабанов котлов высокого давления.

2. При анализе результатов измерения микротвердости установлено, что наименее упрочненным участком исследуемого материала является тело зерна феррита, наиболее упрочненным - тело зерна перлита. Наибольшее значение микротвердости для образцов длительно работающего металла выявлено вблизи магистральной трещины и составляет 1,333 ГПа, для образцов наплавленного металла - вблизи линии сплавления и равно 1,081 ГПа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смирнов, А. Н. Структурно-фазовое состояние, поля внутренних напряжений и акустические характеристики в длительно работающем металле поврежденного барабана котла высокого давления / А. Н. Смирнов, Н. В. Абабков, Э.В. Козлов и др. // Контроль. Диагностика. - 2012. - №7. - С. 13-17.

2. Диагностика, повреждаемость и ремонт барабанов котлов высокого давления / Н.В. Абабков, Н. И. Кашубский, В. Л. Князьков и др., под общ. ред. Смирнова А.Н. - М.: Машиностроение, 2011. - 256 с.

□ Авторы статьи:

Абабков Николай Викторович, канд. техн. наук, начальник отдела аспирантуры, докторантуры КузГТУ.

E-mail: [email protected].

Смирнов Александр Николаевич, доктор техн. наук, профессор каф. технологии машиностроения КузГТУ, тел. (384-2) 36-45-27

Козлов Эдуард Викторович, доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. каф. физики Томского государственного архитектурностроительного университета. E-mail: [email protected]