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

Подождите немного. Документ загружается.

щ-

Ч0*

//7

х,_:

| j '

x_J_ххх

х_|х

ТхН*

^VhTxlcK

х *

Ь<х7х^|

-хх~1

,х >х

' 2 J 4 56789ю*

г 3

56789

2 3 Ч 5 6 789

ч 2 t

а)

П, /о

-XX-

X X

ХхХ

--X

—

-XX-

X X

к <

Л*

--X

—

хх

ГЬ<

XXv

--X

—

Г1 <

к—

—х—

хх

x 1

-о-

—<

-x-

—x

» 2 3 4 5

6789

2 3 ¥S6789

3 2 3 4 5 6 789

ч 2 t

Рис. 1.11. Зависимость от-

носительного удлинения

от времени до разруше-

ния:

а — сталь 12Х1МФ при

560—

565° С, б—сталь 15Х1М1Ф при

565—570° С; в — микрострукту-

ра образца из стали 15Х1М1Ф,

разрушившегося хрупко (Х500)

Рис.

1.12. Изменение относительного уд-

линения 6р в зависимости от температуры

испытания и скорости деформации для

крепежной перлитной стали 25Х2МФА.

Скорость деформации, %/ч:

/ - 180; 2 — 3,6; 3 — 0,6; 4 —

4,2-10"

На рис. 1.12 представлены ре-

зультаты испытаний стали

25Х2МФА (ЭИ10). Чем меньше

скорость деформации при растя-

жении, тем при более низкой тем-

пературе наблюдается минимум

пластичности и тем ниже остаточ-

ное удлинение. При этом миниму-

мы кривых лежат на одной об-

щей прямой, обозначенной штрих-

пунктирной линией PP. По этой

прямой можно проследить за из-

менением минимума пластичес-

кой деформации при разрушении

в зависимости от температуры и объективно оценить способность

стали к пластической деформации.

Значения длительной пластичности при разрушении из-за ис-

черпания жаропрочности стали, склонной к хрупкому разруше-

нию,

показывают обычно сильный разброс. Примером может

служить сталь ЭИ723 (25Х2М1Ф). Можно говорить лишь об

общих тенденциях влияния'температуры

•

и времени до разру-

шения на длительную пластичность таких сталей.

Из перлитных сталей, используемых для поверхностей на-

грева и паропроводов, больше всего хрупкому разрушению под-

вержены хромомолибденованадиевые стали, причем тем в большей

степени, чем выше содержание в них ванадия и молибдена.

Определенную роль играют, по-видимому, особенности ведения

процесса их выплавки и скрытые примеси.

На длительную пластичность стали влияет также величина зерна. При вели-

чине зерна больше чем 3 балла аустенитные стали отличаются неудовлет-

ворительной длительной пластичностью. Это известно достаточно широко.

Однако имеется значительно меньше данных о влиянии величины зерна на

длительную пластичность перлитных сталей. Обычно высокий уровень пластич-

ности перлитных сталей обеспечивает их достаточно хорошую работоспособ-

ность даже при крупном зерне. Однако это оправдывается не всегда.

Низкой длительной пластичностью отличаются некоторые аустенитные

стали с высоким содержанием титана, а также стали, склонные к дисперсион-

ному упрочению. Для аустенитных сталей наиболее неблагоприятен по сниже-

нию длительной пластичности интервал температур 550—600° С.

Длительную пластичность аустенитных сталей, и особенно сплавов на ни-

келевой основе, можно повысить путем выплавки в вакууме.

Высокой длительной пластичностью при 550—600° С отличаются 12%-ные

хромистые стали. Их минимальная длительная пластичность, оцененная по

относительному удлинению, находится на уровне 6—10% даже при большой

продолжительности испытания.

Значительно снижают длительную пластичность концентрато-

ры напряжения, которые могут иногда служить причиной аварий

энергетического оборудования. Влияние их тем заметнее, чем

выше жаропрочность и чем меньше длительная пластичность

материала.

1.6. Релаксация напряжений

Релаксацией называется процесс самопроизвольного затуха-

ющего снижения напряжений при постоянной суммарной дефор-

мации и неизменной высокой температуре.

Релаксация напряжений наблюдается в шпильках фланце-

вых разъемных соединений, в трубах паропроводов, подвержен-

ных напряжениям самокомпенсации тепловых расширений, в

пружинах ит. п.

Типичный пример изделия, работающего в условиях релакса-

ции — шпилька фланцевого соединения. Для обеспечения плотг

ности зеркало фланца должно быть прижато к прокладке с опре-

деленным усилием, создающим требуемое удельное давление на

поверхности контакта. С течением времени напряжение в шпиль-

ках, созданное первоначальным натягом, снижается в резуль-

тате релаксации, и возникает опасность разгерметизации флан-

цевого соединения.

В однородных и изотропных твердых телах явление релак-

сации напряжений можно рассматривать как процесс ползу-

чести при изменяющемся во времени напряжении и неизменной

суммарной деформации. В этом случае для любого момента

времени справедлива общая зависимость

80 = 8

+ 8

ПЛ

СТ

+ 8

COtlSt,

где 8

— упругая деформация; е

пл

— пластическая деформация

в момент нагружения;

СТ

— деформация, вызванная структур-

ными изменениями (которые сопровождаются изменениями

плотности металла); е

— деформация ползучести. Если считать,

что при нагружении пластическая деформация еще не возни-

кает (так обычно и бывает при затяжке шпилек фланцевых

разъемов или пружин) и что

СТ

невелики по сравнению с

остальными составляющими, то в первом приближении можно

СЧИТаТЬ

8о^8

8п

[ИЗ].

Реальные условия нагружения шпилек фланцевых разъемов

осложняются несколько податливостью во времени прокладочных

материалов. Это явление мы также рассматривать не будем.

Релаксационная стойкость стали или сплава зависит от его

химического состава, микро-

макроструктуры, субструктуры,

способа выплавки.

На

формирование микроструктуры

суб-

структуры наибольшее влияние оказывают режимы термической

обработки

обработки давлением. Процесс релаксации напря-

жений

конкретной детали определяется начальным напряже-

нием, масштабным фактором

предварительной пластической

деформацией.

Уравнение

для

определения скорости релаксации напряже-

ний было предложено Максвеллом:

то

(1.4)

т.

е.

скорость релаксации напряжении пропорциональна

на-

пряжению;

уравнении

(1.4) то —

константа, имеющая размер-

ность времени

обычно называемая временем релаксации.,

Это уравнение получено

предположении,

что

релаксация

на-

пряжений происходит

по

тому

же

механизму,

что и

скольжение

вязкой жидкости. Если проинтегрируем уравнение

(1.4),

то

полу-

чим уравнение, которое позволяет определить напряжение

про-

цессе релаксации

любой момент:

= а

То

, (1.5)

где

оо —

напряжение

начальный момент;

т —

время

от

начала

нагружения.

Реальный механизм релаксации напряжения сложнее,

чем

предполагал Максвелл,

поэтому уравнение

(1.5)

необходимо

рассматривать только

как

первое приближение.

Кривую снижения напряжений

процессе релаксации можно

разделить

на два

участка,

процесс релаксации

на два

периода:

первый

—

характеризующийся резким падением напряжения,

второй

—

замедленным

(рис. 1.13). По оси

ординат отложены

2000

¥000%ч

а)

Рис.

1.13.

Релаксация напряжений:

—

результаты испытания

на

релаксацию стали 25Х2МФА

при

500°

С на

трех различных начальных

уровнях напряжения,

б —

кольцевой образец

для

испытания

на

релаксацию

по

методу

И А.

Одинга

напряжения,

по оси

абсцисс

—

время.

зависимости

от

уровня

напряжений механизм пластической деформации

процессе

релаксации может изменяться.

При

больших промежутках време-

ни

от

начала нагружения зависимость между

Да и а

получа-

ется линейной:

чем

больше было начальное напряжение,

тем

больше снижение напряжения.

Вследствие снижения напряжений

шпильках

при

релакса-

ции уменьшается удельное давление

на

прокладку фланцевого

соединения

возникает опасность нарушения плотности. Чтобы

избежать этого, шпильки после определенного срока работы под-

тягивают. После каждого последующего подтягивания релак-

сационная кривая идет более полого, напряжения

шпильках

снижаются

не так

быстро. Время

до

последующего подтяги-

вания может быть значительно большим,

чем до

предыдущего.

Для определения релаксационной стойкости различных сталей часто поль-

зуются методом кольцевых образцов, предложенным

И. А.

Одингом. Образец

для испытания показан

на рис. 1.13,6.

Расчетная часть образца представляет

собой кривой брус равного сопротивления изгибу—на

рис. 1.13,6

обозначена

буквами

ВАВ.

Утолщенные концы

релаксации

не

участвуют. Напряжения

образце создаются путем установки клина

прорезь

СС.

Прирост ширины про-

рези образца

при

установке клина обозначается

как Д. Чем

толще клин,

тем

больше сила

распирающая утолщенные концы образца,

тем

больше напря-

жения, возникающие

образце.

Между относительной деформацией наружных волокон кольца

прираще-

нием расстояния

СС

существует зависимость

ЛД,

где

=0,583*

10~

1/мм —

константа, получаемая

из

условия линейного рас-

пределения напряжений

по

среднему сечению образца.

По закону Гука после введения клина

прорезь

наружных волокнах

начальное напряжение

£ИЛ.

, (1.6)

По сечению напряжение изменяется

по

линейному закону. Кольцо

клином

помещают

печь, имеющую постоянную температуру. Модуль упругости сле-

дует принимать соответствующим температуре испытания.

После извлечения образца

из

печи

удаления клина концы

сближа-

ются,

но на

расстояние, меньшее

Д. В

момент перед удалением клина натяг

составлял

Д,=Д-6,

где

б —

увеличение зазора

при

вынутом клине. Подставив

Ai в

уравнение

(1.6),

получим напряжение

о в

образце

концу выдержки

печи. Проводя

серию испытаний

на

одном

и том же

образце

со все

увеличивающимися выдерж-

ками, можно построить кривую релаксации напряжений. Испытания дают

до-

стоверные результаты

при

начальных напряжениях менее

0,75—0,8 Go,2, так

как

при

этом

не

возникает пластической деформации

момент нагружения.

рис.

1.14.

Излом шпильки

с ре-

зьбой диаметром

48 мм по

пер-

вому витку (сталь ЭИ723,

/ =

570°

С)

Установлено,

что

охлаждение кольца

паузы,

течение которых образец

находится

ненагретом состоянии,

не

отражаются

на

общем ходе релакса-

ционной кривой.

Более трудоемки

сложны испытания

на

релаксацию

при

растяжении.

Так как

между результатами испытаний кольцевых

образцов

испытаний

на

растягивание получается хорошее

совпадение, проводят преимущественно испытания

на

кольцевых

образцах.

В качестве характеристик релаксационной стойкости сталей

сплавов используются оставшееся напряжение, падение напряже-

ния, ресурс напряжения

скорость релаксации.

Оставшееся напряжение

— это

напряжение, которое остается после релак-

сации

при

нагружении начальным напряжением

ао

через промежуток времени

т.

Эта характеристика наиболее часто используется

качестве критерия релак-

сационной стойкости материала.

При

этом

для

сравнения необходимо приво-

дить данные

при

одних

и тех же

температурах, начальных напряжениях

дли-

тельностях нагружения.

Падение напряжения

—

снижение напряжения

за

заданный промежуток

времени:

Да =

ап —

Ресурс напряжения

—

отношение оставшегося напряжения

первоначаль-

ному, выраженное

в %: R = o

/oo-100%.

Ресурс напряжения является функ-

цией начального напряжения, температуры

времени.

Скорость релаксации можно рассматривать

как

мгновенную,

т. е.

do/dT

или

как

среднюю

за

промежуток времени Дст/Дт. Последнюю будем обозна-

чать

Накопление деформации

при

релаксации может привести

образованию трещин

детали

и ее

разрушению. Последние

мо-

гут образоваться

местах конструктивных концентраторов

на-

пряжений.

Так,

например, шпильки

эксплуатации поврежда-

ются путем образования трещины

по

первому, наиболее нагру-

женному, витку

от

корня резьбового профиля.

На

рис. 1.14

показан внешний

вид

излома шпильки, разру-

шившейся

эксплуатации. Темная часть сечения

—

окисливший-

ся металл

процессе подрастания трещины; светлый кристал-

лический излом

—

дорыв

от

кратковременной перегрузки.

1.7. Усталость и термическая усталость

Повреждение деталей котлов и трубопроводов в ряде слу-

чаев вызваны малоцикловой термической усталостью металла.

Нагрузки, изменяющиеся во времени, возникают при пусках и

остановках, а также при переходных режимах. Эти нагрузки

связаны с изменением температуры и давления рабочей среды

и играют все большую роль в обеспечении надежности в связи

с увеличением использования энергоблоков в маневренных ре-

жимах.

Усталость металлов — явление разрушения в результате

многократных повторных нагружений. Процесс усталости связан

с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки.

В процессе многократных нагружений в металле может возник-

нуть трещина, развивающаяся постепенно до момента, когда

происходит внезапное хрупкое разрушение.

Усталостное разрушение может вызывать напряжение мень-

ше предела текучести и даже меньше предела упругости. Раз-

рушение усталостного характера можно наблюдать на валах или

лопатках дымососов и вентиляторов.

Закон изменения напряжения во времени может быть про-

извольным. Лабораторные исследования усталостной прочности

обычно проводят при циклически изменяющихся напряжениях,

когда величина напряжения изменяется во времени по синусо-

идальному закону, а максимальное напряжение в цикле по абсо-

лютной величине равно минимальному и противоположно по

знаку.

Такие напряжения характерны для вращающихся деталей

машин. Цикл называется симметричным и характеризуется одним

напряжением.

На циклически изменяющиеся напряжения может наклады-

ваться постоянная составляющая. Тогда мы имеем дело с асим-

метричным циклом, который характеризуется средним напряже-

нием цикла а

р =

0,5(а

ма

кс

сТмин)

и так называемой амплитудой

напряжения цикла сг

0,5(а

акс

—сг

мин

);

последняя определяет

максимальное отклонение напряжения. в цикле от среднего в

обе стороны. Используется также понятие «размах колебания

напряжения в цикле» R — 2o

—

MaKC

— о

мин

Обычно металлы испытывают на усталость при симметричном

цикле нагружения. Результаты испытания представляют в виде

кривой усталости (рис. 1.15, а). По вертикальной оси на кривой

усталости откладывают напряжение, а по горизонтальной оси —

число циклов, вызвавших разрушение при этом напряжении.

Первый образец испытывают при напряжении, составляющем

0,6—0,7

предела прочности. Последующие образцы испытывают

при все уменьшающихся напряжениях. Общее количество об-

разцов должно быть не менее 10—12 шт. Максимальное напря-

5) IgN

Рис.

1.15. Кривая усталости стали при комнатной температуре (схема):

а—в линейных координатах; б — в полулогарифмических координатах

жение, которое не привело к разрушению за заданное число

циклов, называют условным пределом усталости. Максимальное

напряжение, которое не приводит к разрушению за какое угод-

но большое число циклов, называется физическим пределом

усталости и существует только у углеродистых, низко- и средне-

легированных сталей при комнатной температуре. Цветные ме-

таллы и сплавы, а также стали при высоких температурах не

имеют физического предела усталости. Поэтому для них прихо-

дится определять условный предел усталости обычно на базе

50—100

млн. циклов и даже более.

Малоцикловая усталость — явление разрушения при напря-

жениях выше физического предела усталости. Заданное число

циклов для сталей при комнатной температуре равно обычно

5—10 млн. Если сталь под действием какого-то циклически

изменяющегося напряжения не разрушилась при комнатной тем-

пературе в результате 5—10 млн. циклов, то она не разрушится

и при большем числе циклов.

Практически оказалось удобным обрабатывать результаты

испытания на усталость в полулогарифмических координатах

— IgN (рис. 1.15, б). По горизонтальной оси откладывают

логарифмы числа циклов до разрушения. При обработке резуль-

татов эксперимента в полулогарифмических координатах полу-

чаются два прямолинейных участка. Это облегчает интер- и

экстраполирование результатов опытов.

Чтобы не вызывать заметной концентрации напряжений, де-

тали, работающие на усталость, стараются выполнять с плав-

ными переходами. Чем чище обработана поверхность, тем выше

предел усталости. При повышении рабочей температуры предел

усталости обычно уменьшается.

Рассмотрим механизм усталостного разрушения, которое

даже для очень пластичных сталей происходит без заметной

пластической деформации. На изломе от усталости наблюда-

ются две характерные зоны: одна с гладкой фарфоровидной

поверхностью, другая с кристаллическим строением свежего из-

лома. Первая зона — притертая в процессе циклических нагру-

Рис.

1.16. Усталостные разруше-

ния:

а — излом от усталости вала дымососа

котла ТП-110 блока мощностью 300 МВт

(вал изготовлен из трубы), б—кольце-

вые трещины на внутренней поверхно-

сти трубы переходной зоны; в — про-

дольный макрошлиф трубы паропровода

горячей нитки промперегрева из стали

12Х1МФ трубы

0426X17,

г — внутрен-

няя поверхность камеры промперегрева

котла ПК-47 Заинской ГРЭС с трещи-

нами термической усталости от заброса

воды из змеевиков, д — микроструктура

трубы горячей нитки промперегрева

(сталь 12Х1МФ, XI00)

жений поверхность развивающейся трещины. На ней часто бы-

вают видны концентрические линии, расходящиеся от места за-

рождения трещины. Вторая зона — зона мгновенного разруше-

ния. Эта зона напоминает по своему строению вязкий излом

при статическом нагружении.

На рис. 1.16, а в качестве примера показан излом разру-

шившегося от усталости вала дымососа котла ТПП-110 блока

мощностью 300 МВт.

Металл состоит из отдельных беспорядочно ориентирован-

ных кристаллов неправильной формы — зерен. При повторных

нагружениях в отдельных, наименее благоприятно ориентирован-

ных, зернах возникает сдвиг — пластическая деформация. При

многократных повторных нагружениях в противоположные сто-

роны в неблагоприятно ориентированных зернах по линиям

скольжения постепенно развивается трещина — она проходит че-

рез все зерно, пересекает границу и распространяется на сосед-

ние зерна. Постепенно трещина разрастается. Сечение неослаб-

ленного металла все уменьшается, и при каком-то очередном

нагружении металл внезапно разрушается от усталости.

Термическая усталость — разрушение от периодически воз-

никающих и изменяющихся во времени термических напряже-

ний, обусловленных расширением металла деталей при нагре-

вании или сжатием при охлаждении. При быстром нагреве или

охлаждении поверхности толстостенной детали по ее сечению

возникает перепад температур. Разность температур в детали

приводит к образованию термических напряжений. Так, в нагре-

ваемом стержне наружные слои нагреваются сильнее. Если бы они

не были связаны с внутренними слоями, то длина их увеличи-

лась бы в соответствии с законом линейного расширения, однако

внутренние, более холодные слои препятствуют этому расши-

рению. В результате этого наружные слои оказываются сжаты-

ми,

а внутренние — растянутыми. При охлаждении характер

напряжений изменяется в обратном порядке.

В деталях котлов и трубопроводов при резком наборе или

сбросе нагрузки, а также при аварийных остановках могут

возникать напряжения, превышающие предел текучести. Повтор-

ное многократное приложение таких напряжений приведет к

разрушению от малоцикловой усталости. Для этих напряжений

обычно свойствен случайный характер изменения во времени

при асимметричном цикле. В процессе изменения температур-

ных напряжений возникает упругая деформация, упруго-пласти-

ческая статическая или упруго-пластическая деформация по

механизму ползучести. Усталость в упругой области — малоцик-

ловая усталость. Усталость в упруго-пластической области — ма-

лоцикловая усталость. При упруго-пластической деформации по

механизму ползучести накладываются два процесса: усталость и

ползучесть. Величина термических напряжений и вызываемая ими

деформация зависят от степени стеснения деформации. При сво-

бодном расширении равномерно нагреваемого стержня степень

стеснения деформации отсутствует; температурные напряжения

равны нулю.

Степень стеснения деформации характеризуется коэффици-

ентом стеснения деформации R=—

/е

;

здесь е

— относи-

тельная механическая деформация, вызванная защемлением;

= аА/— полное относительное температурное расширение,