Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

екта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатаци-

онные показатели в заданных пределах в течение требуемого

промежутка времени или наработки. Надежность котлов обеспе-

чивается путем правильного выбора материалов, стабильности

свойств материалов как результата отработанности и неизмен-

ности металлургического цикла их производства и технологиче-

ского цикла на котлостроительном заводе, совершенства кон-

струкции, высокого качества монтажа, эксплуатации и ремонта.

, Правильный выбор материалов котла является важным усло-

вием его надежности и экономичности в эксплуатации, рацио-

нального расходования металла, а также технологичности при

изготовлении, монтаже и ремонте.

1.2. Упругая и пластическая деформация котельных сталей

В деталях котлов и трубопроводов под воздействием внут-

реннего давления и других нагрузок возникают напряжения,

вызывающие деформацию.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия

нагрузки, пластической, остающейся после снятия нагрузки. На-

чальные малые деформации являются всегда упругими. Только

после достижения определенной упругой деформации в стали

возникают остаточные явления, вызывающие пластическую де-

формацию. Рассмотрим несколько подробнее, что происходит

в кристаллической решетке металла при его нагружении.

В кристаллической решетке любого металла атомы располагаются правиль-

ными рядами. Между положительно заряженными ионами металла в кристалли-

ческой решетке существуют электростатические силы отталкивания. Одновремен-

но действуют электростатические силы притяжения между положительно заря-

женными ионами и отрицательно заряженными электронами, образующими

электронный газ. Взаимодействие между ионами и электронами осложняется

быстрым перемещением электронов. В результате этого возникают электродина-

мические силы. Когда ионы металлов отстоят друг от друга на расстоянии, рав-

ном параметру решетки, силы притяжения и отталкивания уравновешиваются.

Приложение небольшого напряжения сдвига вызовет смещение одновременно

всей верхней части кристалла относительно нижней. Такой сдвиг называется

синхронным.

Обозначим через т напряжение, сдвигающее верхнюю часть кристалла отно-

сительно нижней. При нарастании атомы верхней части кристалла будут сме-

щаться (рис. 1.1), испытывая сопротивление сил межатомного взаимодействия

до тех пор, пока верхний ряд не сместится на половину параметра решетки.

Далее верхняя часть кристалла самопроизвольно начнет перемещаться вправо

в следующее возможное устойчивое положение равновесия: каждый атом верх-

него ряда будет стремиться занять место напротив атома нижнего ряда, но на

один параметр решетки правее.

В первом приближении можно принять, что напряжение, действующее на

верхний ряд атомов, в зависимости от смещения вдоль оси меняется по синусо-

идальному закону

а • 2лх ,,

v4sin

, (1.1)

где А — коэффициент пропорциональности; а — параметр решетки.

В то же время при малых упругих деформациях справедлив закон Гука

т= G— , (1.2)

где G — модуль сдвига.

При х-+0 sin 2лх = 2ях, и из (1.1) и (1.2) находим:

А = G/2к.

Подставляя значение А в

(1.1),

получаем

. 2лх

— sin .

2л а

Теоретическое критическое напряжение сдвига, которое необходимо прило-

жить к верхнему ряду атомов, чтобы вызвать пластическую деформацию, соста-

вит:

р=(7/2л.

Для чистого железа G = 69 ООО МПа, т

кр

= 11 ООО МПа.

Однако реальное напряжение сдвига для технически чистого железа, полу-

чаемое из опыта, почти на три порядка ниже:

сп

= 29 МПа.

Долгое время причину расхождения между теорией и экспериментом устано-

вить не удавалось. Разгадка была найдена на основе использования представ-

лений о наличии дислокаций в металлах. Рассмотрим эти представления. В ре-

альном кристалле имеются дислокации. Сдвиг развивается не синхронно,, а по-

следовательно, путем перемещения дислокации (рис. 1.1).

В верхней части кристалла, расположенной выше линии АА, имеется лишняя

плоскость, заполненная атомами (линейная дислокация). Под действием при-

ложенного напряжения дислокация перемещается, пока не выйдет на поверхность

кристалла. Для перемещения дислокации требуется напряжение на несколько

порядков меньшее, чем для синхронного сдвига.

Бездислокационные монокристаллы очень малых размеров — так называе-

мые «усы» — получены осаждением из паров. Сопротивление их сдвигу и проч-

ность близки к теоретической величине. Получение бездислокационных кристал-

лов послужило подтверждением теории дислокаций. К сожалению, пока нельзя

получать металл, свободный от дислокаций, в количестве, которое можно было

бы использовать в промышленных масштабах.

В процессе пластической деформации происходит генерирование дислокаций

в результате их взаимодействия друг с другом и с препятствиями.

Рассмотрим один из возможных механизмов образования новых дислока-

ций — механизм Франка Рида. При движении в плоскости чертежа под дейст-

Q Q Q Q Q Q

ф—ф—ф

ф—ф

Ф Ф Ф Ф Ф ФА A

О О С) С) С) о

>-<

\ (

v.; V

)

ф ф ф ф ф ф ф ф ф ф ф ф

Q О О О О О б б б б б О

ев ев ер

ев ер ев

С) С) С) О О 6А

о о о б о

ер ер ер ер

о о

(НИН) С) С)

б-

Ч- 5 6 1 2 ;

!_ Ф бФФ О О А А ФФ °

О ф С) С) С) С) о ф ф о

Q О О О О

ih<h-ih-iy-i)

ф ф ф ф

ф ф Ф 0

о—б—о

6—е—б

Рис.

1.1. Схема сдвига:

/ — синхронного; // — происходящего путем последовательного перемещения линейной дислокации

вдоль плоскости плотной упаковки атомов в кристаллической решетке

вием напряжения т дислокация достигает двух препятствий: D и D' (рис. 1.2, а).

Это могут быть неметаллические включения, дислокации, расположенные в дру-

гих плоскостях, и препятствия иного характера.

Под действием все возрастающего напряжения дислокация выгибается,

пока не превратится в полуокружность (рис. 1.2, б). Далее дислокация начи-

нает самопроизвольно растекаться (как показано стрелками на рис. 1.2, в, г),

образуя петлю. Этот процесс может идти даже при убывающей величине т.

Когда левая и правая части петли встретятся, образуются две дислокации:

одна, закрепленная на препятствиях D и D

, другая — свободно перемещающа-

яся (рис. 1.2, д). Если вторая дислокация на своем пути не встретит препятст-

вий, то она выйдет на поверхность кристалла, в результате чего произойдет

элементарный акт пластической деформации.

Если генерируемые дислокации встретят препятствия, то они будут затор-

можены. Следующая петля, образовавшаяся около рассмотренного ранее источ-

ника Франка Рида, встретит на своем пути не просто препятствие, как первая,

а препятствие с осевшей на нем дислокацией. Для преодоления такого препят-

ствия потребуется большее напряжение сдвига. Вследствие этого металл упроч-

нится.

Явление упрочнения металла под влиянием пластической деформации назы-

вается наклепом.

На рис. 1.3 показана микроструктура технически чистого железа, подвергну-

того деформации при растяжении. Пластическая деформация происходит путем

сдвига части зерна относительно других его частей. В одном зерне деформация

распространяется по нескольким плоскостям скольжения. На поверхности микро-

шлифа они образуют ступеньки, называемые линиями сдвига.

На рис. 1.3 линии сдвига хорошо видны в виде почти параллельных темных

Рис.

1.2. Последовательные стадии генерирования дислокации источником Фран-

ка — Рида:

а — дислокации под действием напряжения т подошли к препятствиям D и D'\ б, в и г — последова-

тельное движение протяженности фронта дислокации под действием напряжения т, д—концы дисло-

кации встретились, сдвиг распространился в обе стороны на один параметр решетки, а между пре-

пятствиями D и D' расположилась такая же дислокация, как на позиции а

полосок. Границы между зернами — более толстые и резко выраженные линии,

образующие замкнутые контуры.

Как известно, кристаллы металла анизотропны, т. е. многие их свойства

зависят от направления по отношению к кристаллической решетке. Это след-

ствие различной плотности упаковки атомов в различных кристаллографиче-

ских плоскостях.

Сдвиг в кристаллической решетке происходит, как правило, по плоскостям

с наиболее плотной упаковкой атомов. Поэтому линии сдвига практически па-

раллельны.

Сопротивление сдвигу, временное сопротивление и относительное удлинение

в монокристалле зависят от направления. Однако металлические элементы со-

стоят из большого количества кристаллических зерен. Например, в 1 см

сталь-

ного проката содержатся десятки тысяч зерен. Все они ориентированы в прост-

ранстве произвольно. Хотя в каждом кристаллите свойства зависят от кристал-

лографического направления, в металлическом изделии свойства в любом на-

правлении практически одинаковы. Это объясняется тем, что в любом направ-

лении оказывается приблизительно равное число зерен, ориентированных вдоль

этого направления осями наибольшей и наименьшей прочности и наибольшей и

наименьшей пластичности.

Однако если имеет место преимущественная ориентация кристаллитов в изде-

лии, то его свойства зависят от направления. Например, в прокатных изделиях:

листах, трубах и т. п.— наиболее высокие прочностные и пластические свойства

Рис.

1.3. Микроструктура технически чистого же-

леза после пластической деформации, X 100 /

Рис.

1.4. Пластическая деформация путем двой-

никования:

а —схема, б — микроструктура стали 12Х18Н12Т, подверг-

нутой пластической деформации в холодном состоянии, со

следами двойникования

ДеформироВанный [111] S

кристалл '

Элементарная

ячейка

ДЗоинакобая

ф границами)

[100]

а)

получаются при испытании вдоль направления прокатки и наиболее низкие — в

поперечном направлении.

Рассмотренный выше механизм пластической деформации называется транс-

ляционным скольжением. Вторым принципиально отличным типом пластической

деформации является механическое двойникование, при котором часть деформи-

руемого кристаллита переходит в новое положение, симметричное по отношению

к недвойниковавшей части кристаллита и относительно этих частей (рис. 1.4, а).

Плоскость раздела между двойниковавшейся и недвойниковавшейся частями

кристаллита называется плоскостью двойникования.

На рис. 1.4, б показана микроструктура нержавеющей хромоникелевой стали,

на которой хорошо видны прямые темные границы двойников — плоскости двой-

никования.

При деформации реального кристаллита процессы скольжения и двойникова-

ния могут происходить одновременно и влиять друг на друга. При скольжении

происходит непрерывное и устойчивое накопление пластической деформации; при

двойниковании пластическая деформация накапливается скачком.

В результате пластической деформации плотность дислокаций в металле

может возрасти в

—10

раз. Одновременно из-за взаимодействия между

дислокациями, а также между дислокациями и препятствиями сильно повыша-

е\ся число вакансий и смещений. Если в отожженном металле содержится по-

рядка 10

вакансий в 1 см

, то в накопленном — до

—10

\ Пластическая деформация приводит к изменениям структуры металла, кото-

рые можно наблюдать под микроскопом. При больших степенях пластической

дефррмации происходит дробление блоков, а затем и зерна. Зерна вытягиваются

в направлении деформации и поворачиваются в этом направлении осями наи-

большей прочности.

Если структура металла состоит из составляющих различной прочности, то

пластическая деформация развивается сначала в менее прочной составляющей.

При больших степенях пластической деформации в металле образуются трещины.

1.3. Хрупкое разрушение сосудов и. трубопроводов

В связи с ростом габаритов и усложнением условий эксплуа-

тации неоднократно отмечались хрупкие разрушения трубопро-

водов, сосудов давления, литых корпусов крупногабаритной ар-

матуры и т. д. Конструкции, которые согласно классическим ме-

тодам расчета должны были бы надежно работать, внезапно

разрушались. На основании экспериментальных исследований и

теоретического анализа потребовалось создать методики расчета

инженерных конструкций на стойкость против хрупкого разру-

шения.

В котельной технике хрупкое разрушение барабанов, трубо-

проводов большого диаметра, сосудов, работающих под давле-

нием, возможно в периоды гидравлических опрессовок. До насто-

ящего времени проверка на стойкость к хрупкому разрушению

котельного оборудования не проводится. Однако на аналогичном

оборудовании атомных электростанций необходимость проведе-

ния такой оценки общепризнана. Проверку на стойкость против

хрупкого разрушения проходят корпуса реакторов и парогенера-

торов, компенсаторы объема и пр. Целесообразно в практику

инженерных расчетов барабанов, трубопроводов большого диа-

метра и сосудов давления, выполняемых из перлитных сталей,

также ввести оценку стойкости конструкций против внезапного

хрупкого разрушения.

За последние годы появился новый раздел в науке о прочности материалов

и конструкций — механика разрушения [13, 14].

Английским ученым Гриффитсом высказана идея о том, что трещина, суще-

ствующая в твердом теле, получает лавинообразное развитие в случае, когда

скорость освобождения энергии упругой деформации превосходит прирост по-

верхностной энергии трещины.

В дальнейшем для хрупких материалов установлена достаточно хорошая

сходимость между теорией Гриффитса и экспериментом. Для пластичных мате-

риалов она не наблюдалась. Оказалось, что в достаточно пластичном материале

работа, идущая на создание новой поверхности раздела, незначительна по срав-

нению с работой пластической деформации у вершины трещины.

В теорию Гриффитса пришлось вносить существенные поправки. В части

сти,

под а стали понимать величину условного поверхностного натяжения, скл<

дывающегося как за счет собственно работы по созданию новой свободной по-

верхности твердого тела, так и за счет работы пластической деформации. /

Общие соображения об энергетическом подходе в механике разрушения

оказались весьма полезными.

При разработке критериев оценки склонности сталей и сплавов к хрупкому

разрушению наиболее плодотворной была идея Ирвина, предложившего оцени-

вать вязкость металла по известным величинам напряжения и размеру трещины

в критический момент нагружения, т. е. в тот момент, когда начинается неконт-

ролируемое разрушение за счет упругой энергии, накопленной в механической

системе «испытательная машина — образец».

Распределение напряжений у конца трещины в бесконечной упругой растя-

гиваемой пластине описывается уравнениями Вестергаада

У2л

+ s,n

s,n

к е . е зо

ху

= —

cos — sin — cos — ,

~Л^г 2 2 2

здесь г — текущий радиус, отсчитываемый как кратчайшее расстояние от вер-

шины трещины; 0 — угол, отсчитываемый от плоскости, в которой расположена

трещина; К — коэффициент интенсивности напряжений, равный

a^/nl.

Напряже-

ние о действует в плоскости, расположенной перпендикулярно к плоскости тре-

щины. Критическое состояние системы (после которого наступает внезапное

хрупкое разрушение) характеризуется достижением коэффициентом интенсив-

ности напряжений критической величины /(

Приведенные выше формулы справедливы для упругого материала. В вер-

шине трещины пластичного материала имеется зона, в которой распределение

напряжений подчиняется иным законам. Чем меньше эта зона по отношению" к

размерам трещины, тем точнее уравнения описывают напряженное состояние

образца с трещиной в целом.

По известным геометрическим размерам образца, по, величине трещины и

напряжению в неослабленном трещиной сечении' экспериментально определяют

критический коэффициент интенсивности напряжений К

, который раньше счи-

тался константой материала. Однако в дальнейшем было установлено, что этот

критерий зависит от толщины и ширины образца, а также от длины исходной

трещины.

С ростом сечения образца и глубины трещины затрудняется пластическая

деформация и уменьшается коэффициент /(

. Характер разрушения в сечении

образца, которое не ослаблено исходной наведенной трещиной, с увеличением

поперечного сечения образца и глубины трещины становится все более хрупким.

Сокращается зона, состоящая из унао^к^в среза под углом 45° к боковой по-

вепхности, и увеличивается центральная зона хрупкого разрушения, расположен-

ий нормально к направлению максимальных растягивающих напряжений. При

достижении определенной площади поперечного сечения образца, а также с рос-

том глубины трещины коэффициент

практически перестает зависеть от раз-

меров образца. В этом случае его можно рассматривать как константу мате-

риала! Чем пластичнее материал, тем больший размер образца требуется для

достижения постоянства критерия Кс-

Критерий Кс вычисляют по известным из эксперимента критической длине

трещины, при которой разрушение начинает развиваться лавинообразно, и раз-

рушающему напряжению в неослабленном трещиной сечении образца. Опреде-

ление критической длины трещины связано с методическими трудностями. Для

ее определения обычно используют тензометрирование или применяют измере-

ние электросопротивления. Оба метода непригодны для массовых промышленных

испытаний, так как требуют сложной аппаратуры и весьма трудоемки.

Для оценки стойкости материала к хрупкому разрушению

чаще используется критерий /С

1с

— коэффициент интенсивности

напряжений в условиях плоской деформации при трехосном рас-

тяжении. Это важный технический прочностный критерий, до-

полняющий сведения о прочностных свойствах материала, полу-

чаемые при испытании на растяжение гладких образцов. Коли-

чественно критерий К[

является той предельной величиной, к

которой стремится Кс при увеличении размера образца. Крите-

рий K\

называют критерием Ирвина.

Для надежного определения критерия /С

1с

должны использо-

ваться образцы достаточно большой толщины, больше некото-

рой минимально допустимой. Так как допустимая минимальная

толщина заранее не известна и получить материал, достаточ-

ный для надежного определения К\

, не всегда в силах экспери-

ментатора, то возникают определенные трудности.

Кроме того, в реальной конструкции не всегда реализуются

толщины, которые соответствовали бы условиям хрупкого раз-

рушения, определенным по критерию Ирвина. При отбраковке

материалов по критерию К\

в этом случае возможна перебра-

ковка. Критерий К[

зависит от температуры и скорости прило-

жения нагрузки.

Разброс экспериментальных значений /С

1с

для данного мате-

риала может быть существенным. В инженерных расчетах и при

оценке работоспособности материала следует ориентироваться

на нижнюю границу доверительного интервала значений /С

1с

, а

не на среднюю величину, что должно обеспечить надежность

эксплуатации конструкции.

Для оценки склонности к хрупкому разрушению очень плас-

тичных материалов используется критическое раскрытие тре-

щины 6

. Состояние предельного равновесия наступает тогда,

когда расстояние между краями трещины в ее вершине дости-

гает критического значения б

; после этого начинается само-

произвольное лавинообразное

р^з^^ц[И£

предполагает (а отличие от /С

1с

) наличие зоны пластической де-

формации в вершине трещины. /

Величину 6

необходимо определять на образцах с предва-

рительно наведенной усталостной трещиной. Величина б

харак-

теризует свойства металла только исследованной толщины. Экс-

периментально критическое раскрытие трещины определяю! пу-

тем точного измерения относительно смещения Д

двух удобных

для измерения точек образца, расположенных на

противопо-

ложных краях трещины. /

По известной величине Л

определяют истинное раскрытие

трещины в ее вершине б

, которое и характеризует стойкость

материала против хрупкого разрушения.

Прямое использование критерия К\

или б

в инженерных рас-

четах пока затруднительно. Поэтому часто используют понятие

температуры перехода в хрупкое состояние. Для материала не-

обходимо определить критическую температуру хрупкости мате-

риала, при которой считается, что материал переходит в хрупкое

состояние. Для этого выполняют серию испытаний на ударную

вязкость образцов с треугольным надрезом (угол раскрытия

надреза 45°, радиус скругления в вершине надреза 0,25 мм).

Испытания проводят при нескольких температурах, захватывая

интервал выше и ниже критической температуры хрупкости.

За критическую температуру хрупкости материала прини-

мают наибольшую из двух (первая — температура, при которой

доля волокнистого излома составляет 50% всей поверхности

излома; вторая — температура, при которой ударная вязкость

составляет 60 Дж/см

). Температура гидравлического испыта-

ния должна быть на 30° выше температуры перехода в хрупкое

состояние.

1.4. Влияние высоких температур на механические

свойства сталей

Котельные стали должны обладать достаточно высоким ком-

плексом механических свойств при комнатной и рабочей темпе-

ратурах. Как отмечалось, важными характеристиками механи-

ческих свойств котельной стали при комнатной температуре

являются временное сопротивление, предел текучести, относи-

тельное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Временное сопротивление и предел текучести — количест-

венные характеристики, определяющие, какие напряжения

можно допускать в элементах паровых котлов (до определен-

ного уровня температур).

Относительное удлинение, относительное поперечное сужение

и ударная вязкость — качественные характеристики; они опре-

деляют технологические свойства стали и ее способность вос-

принимать перегрузки под влиянием местной пластической де-

формации, а также в известной степени характеризуют качество

изготовления стали. В случае грубых дефектов — сильной лик-

вации (неоднородности химического состава), большого коли-

чества неметаллических включений, наличия остатков усадочной

раковины или рыхлости и т. п. эти качественные характеристики

существенно снижаются.

Особенно сильно снижение заметно на образцах, вырезанных

поперек направления прокатки. Относительное сужение, относи-

тельное удлинение и ударная вязкость даже вполне доброка-

чественной стали в поперечном направлении несколько ниже,

чем в продольном. В технических условиях указывают направ-

ление вырезки образцов. Котельную сталь чаще испытывают на

поперечных образцах.

При повышении температуры характеристики механических

свойств стали изменяются.

С повышением температуры испытания углеродистых сталей

характер кривых растяжений изменяется. При комнатной темпе-

ратуре на кривой наблюдается отчетливо выраженная площадка

текучести; с повышением температуры она становится меньше

и около 300° С исчезает. При отсутствии площадки текучести

определяют условный предел текучести ао,2-

На рис. 1.5 показаны изменение свойств углеродистой стали

20 при изменении температуры от 20 до 600° С.

В интервале температур так называемой синеломкости (200—300° С) повы-

шается прочность и снижается пластичность стали, поэтому следует избегать

пластического деформирования малоуглеродистой стали в этом интервале тем-

ператур. Этот интервал назван интервалом синеломкости потому, что после вы-

держки стали при температуре около 300° С светлая механически обработанная

поверхность стали приобретает синий цвет, что вызвано образованием тонкой

оксидной пленки. Снижение пластичности и повышение прочности в интервале

синеломкости связано с диффузионной подвижностью атомов примесей.

Пластическая деформация происходит путем перемещения дислокаций. Во-

круг ядра дислокации, где имеются искажения кристаллической решетки, облег-

чается растворение атомов примесей. Поэтому вокруг нее образуется «облако»

примесей. В процессе пластической деформации «облако» движется за дисло-

200

Рис.

1.5. Влияние' темпе-

ратуры на механические

свойства углеродистой

стали 20

Лн

— ^

•д "

200

80-

200

100

W °с