Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС
Досліджено механічні властивості теплотривкої сталі 15Х1М1Ф після тривалої експлуатації на парогонах ТЕС. Встановлено анізотропію характеристик її міцності та пластичності внаслідок деградації. Виявлено, що кількість зупинок технологічного процесу під час експлуатації сталі, орієнтація зразків (осьо...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2011
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138340 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС / О.З. Студент, Г.В. Кречковська // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 19-26. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-138340 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1383402018-06-19T03:07:05Z Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС Студент, О.З. Кречковська, Г.В. Досліджено механічні властивості теплотривкої сталі 15Х1М1Ф після тривалої експлуатації на парогонах ТЕС. Встановлено анізотропію характеристик її міцності та пластичності внаслідок деградації. Виявлено, що кількість зупинок технологічного процесу під час експлуатації сталі, орієнтація зразків (осьова, тангенціальна та радіальна) та місце їх розташування в перерізі стінки труб (біля зовнішньої і внутрішньої їх поверхонь та в центрі перерізу) впливають на ці параметри. Оцінена роль наводнювання на характер зміни цих показників. Отримані результати дають змогу обґрунтувати вибір орієнтації зразків та їх розташування в перерізі труб для забезпечення найвищої чутливості характеристик до зміни технічного стану сталі в часі експлуатації. Исследованы механические свойства теплостойкой стали 15Х1М1Ф после длительной эксплуатации на паропроводах ТЭС. Установлена анизотропия характеристик прочности и пластичности стали, обусловленная ее деградацией. Показано, что количество остановок технологического процесса во время эксплуатации стали, ориентация образцов (осевая, тангенциальная и радиальная) и место их размещения относительно стенки труб (в окрестности внешней и внутренней поверхностей труб или в центре их сечения) влияют на эти характеристики. Выявлено влияние наводороживания на характер изменения этих показателей. Полученные результаты дают возможность обосновать выбор ориентации образцов и их расположения в сечении труб для обеспечения максимальной чувствительности характеристик к изменению технического состояния стали во время эксплуатации. Mechanical properties of the 15Х1М1Ф heat resistant steel after its long term operation on the steam pipeline of heat power plant were investigated. Anisotropy of strength and plasticity characteristics of steel caused by its degradation was revealed. It was shown that the shut-down numbers of operating procedure during steel service, specimen orientations (axial, tangential and radial) and site of its location relative to pipe wall (near outer and inner surfaces of pipes or in the centre of their cross section) have an influence on these characteristics. The hydrogennation effect on the change of these characteristics was shown. Obtained results enable us to prove the selection of specimen orientation and its location in the pipe cross section in order to ensure the maximum sensitivity of characteristics to the change of steel technical state in operation. 2011 Article Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС / О.З. Студент, Г.В. Кречковська // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 19-26. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138340 621.325:669.539.43 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено механічні властивості теплотривкої сталі 15Х1М1Ф після тривалої експлуатації на парогонах ТЕС. Встановлено анізотропію характеристик її міцності та пластичності внаслідок деградації. Виявлено, що кількість зупинок технологічного процесу під час експлуатації сталі, орієнтація зразків (осьова, тангенціальна та радіальна) та місце їх розташування в перерізі стінки труб (біля зовнішньої і внутрішньої їх поверхонь та в центрі перерізу) впливають на ці параметри. Оцінена роль наводнювання на характер зміни цих показників. Отримані результати дають змогу обґрунтувати вибір орієнтації зразків та їх розташування в перерізі труб для забезпечення найвищої чутливості характеристик до зміни технічного стану сталі в часі експлуатації. |
| format |
Article |
| author |
Студент, О.З. Кречковська, Г.В. |
| spellingShingle |
Студент, О.З. Кречковська, Г.В. Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Студент, О.З. Кречковська, Г.В. |
| author_sort |
Студент, О.З. |
| title |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС |
| title_short |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС |
| title_full |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС |
| title_fullStr |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС |
| title_full_unstemmed |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС |
| title_sort |
анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15х1м1ф після її експлуатації на парогонах тес |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138340 |
| citation_txt |
Анізотропія механічних властивостей деградованої сталі 15Х1М1Ф після її експлуатації на парогонах ТЕС / О.З. Студент, Г.В. Кречковська // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 19-26. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT studentoz anízotropíâmehaníčnihvlastivostejdegradovanoístalí15h1m1fpíslâííekspluatacíínaparogonahtes AT krečkovsʹkagv anízotropíâmehaníčnihvlastivostejdegradovanoístalí15h1m1fpíslâííekspluatacíínaparogonahtes |
| first_indexed |
2025-07-10T05:36:20Z |
| last_indexed |
2025-07-10T05:36:20Z |
| _version_ |
1837237043390840832 |
| fulltext |
19
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2011. – ¹ 5. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 621.325:669.539.43
АНІЗОТРОПІЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ДЕГРАДОВАНОЇ
СТАЛІ 15Х1М1Ф ПІСЛЯ ЇЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ НА ПАРОГОНАХ ТЕС
О. З. СТУДЕНТ, Г. В. КРЕЧКОВСЬКА
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Досліджено механічні властивості теплотривкої сталі 15Х1М1Ф після тривалої екс-
плуатації на парогонах ТЕС. Встановлено анізотропію характеристик її міцності та
пластичності внаслідок деградації. Виявлено, що кількість зупинок технологічного
процесу під час експлуатації сталі, орієнтація зразків (осьова, тангенціальна та раді-
альна) та місце їх розташування в перерізі стінки труб (біля зовнішньої і внутрішньої
їх поверхонь та в центрі перерізу) впливають на ці параметри. Оцінена роль наводню-
вання на характер зміни цих показників. Отримані результати дають змогу обґрунту-
вати вибір орієнтації зразків та їх розташування в перерізі труб для забезпечення най-
вищої чутливості характеристик до зміни технічного стану сталі в часі експлуатації.
Ключові слова: теплотривка сталь, головні парогони, деградація, наводнювання,
механічні характеристики за розтягу, анізотропія, орієнтація зразків.
Метал головних парогонів ТЕС зазнає сумісного впливу низки технологіч-
них чинників, що зумовлюють його деградацію. Останнім часом експлуатаційни-
ки, крім наводнювального середовища та жорстких температурно-силових умов
експлуатації (температура пари в парогонах досягає 570°С, а тиск 24 MPа), виді-
ляють ще одну причину втрати роботоздатності обладнання – часті зупинки тех-
нологічного процесу через експлуатацію блоків у маневровому режимі [1]. Нагрі-
вання і охолодження труб під час зупинок блоків супроводжується виникненням
додаткових термічних напружень у їх перерізі, які сумарно з напруженнями від
внутрішнього тиску можуть подекуди досягати критичних значень [2, 3].
Відомо, що стандартні механічні характеристики за розтягу на повітрі слабо
реагують на деградацію металу внаслідок тривалої експлуатації [4]. Натомість, їх
чутливість до деградації за наводнювання металу, яке завжди реалізується під час
функціонування таких об’єктів, як парогони [5], відчутно зростає [6]. Тому стан
металу парогону доцільно оцінювати за додаткового наводнювання. Не зважаю-
чи на те, що властивості металу експлуатованих парогонів активно досліджували
впродовж останніх 50-ти років [7–9, 4, 10, 11], і надалі питання про придатність
традиційних механічних характеристик для оцінювання роботоздатності експлуа-
тованих сталей залишається відкритим. У документі [12], який регламентує до-
пустимі значення механічних характеристик парогінних сталей, однозначно не
вказано орієнтацію зразків та їх розташування в перерізі стінки труби. Не розкри-
то також можливості використання наводнювання металу для підвищення чутли-
вості інтегральних механічних параметрів до зміни технічного стану металу
внаслідок деградації.
Мета дослідження – вивчити зміну механічних характеристик за розтягу сталі
15Х1М1Ф, експлуатованої на парогоні ТЕС, залежно від кількості зупинок блоків,
орієнтації зразків, їх розташування по товщині перерізу труби і впливу наводню-
вання та обґрунтувати рекомендації для вибору орієнтації зразків та ролі навод-
нювання, щоб досягти максимальної чутливості цих характеристик до деградації.
Контактна особа: О. З. СТУДЕНТ, e-mail: student@ipm.lviv.ua
20
Матеріали та методика випроб. Досліджували сталь 15Х1М1Ф (0,14% С;
1,3 Cr; 1,0 Mo; 0,75 Mn; 0,1 Ni; 0,3 Si; 0,25 V; 0,012 S; 0,027% P) у вихідному ста-
ні (з труб запасу) та після ∼2·105 h експлуатації за температури до 545°С і тиску
до 24 МPа на головних парогонах ТЕС. За однакової тривалості експлуатації ме-
тал з блоків № 1 і 2 відрізнявся за кількістю зупинок технологічного процесу (за-
гальна кількість зупинок першого блоку NΣ = 501, а вимушених – Nfor = 219, а
другого – NΣ = 576, Nfor = 283).
Технічний стан деградованого металу
оцінювали за стандартними механічними
характеристиками міцності та пластич-
ності під час розтягу гладких циліндрич-
них зразків діаметром 5 mm і довжиною
робочої частини 25 mm на машині УМЕ-
10Т за швидкості деформування 3·10–3 s–1.
Робочу їх частину полірували і випробову-
вали на повітрі без та після попереднього
електролітичного наводнювання в елек-
троліті (0,5 M водний розчин сірчаної кис-
лоти з додаванням 2 g/l тіомочевини за
густини струму наводнювання 50 mA/cm2
та тривалості наводнювання 0,25 h). Так
моделювали вплив внутрішнього водню,
абсорбованого металом під час поперед-
нього наводнювання. Вплив орієнтації зразків до осі труби на чутливість меха-
нічних характеристик до деградації металу дослідили в трьох взаємно перпенди-
кулярних напрямах: радіальному (R), тангенціальному (С) та осьовому (L) (рис. 1).
За довірчої імовірності 0,95 і до п’яти випроб на розтяг відносна похибка ви-
значення характеристик міцності та пластичності не перевищувала 2…3%.
Оцінювання деградації сталі під час експлуатації. Незалежно від орієнтації
зразків, вирізаних на різній віддалі t від зовнішньої поверхні труб, границя міцності
σВ експлуатованого металу дещо нижча (за винятком незначного зміцнення металу з
блоку № 1 біля зовнішньої поверхні труби), ніж у вихідному стані (рис. 2а–c). Вод-
ночас по всій товщині стінки труб зафіксували неоднозначну зміну показника σ0,2
залежно від деградації сталі через різну кількість зупинок блоків під час експлуа-
тації парогонів (рис. 2d–f). Причому незалежно від орієнтації зразків величина
σ0,2 металу, експлуатованого на блоці № 1, по всій товщині стінки труб істотно
вища, ніж у вихідному стані, що свідчить про зміцнення сталі внаслідок експлуа-
тації. Незначний ефект її зміцнення за показником σ0,2 зберігається і після екс-
плуатації на блоці № 2, але лише поблизу зовнішньої поверхні труби. Тоді як у
більшій половині перерізу, що прилягає до її внутрішньої поверхні, та в усьому
перерізі за рівнем σВ однозначно спостерігали лише знеміцнення сталі.
Слід підкреслити, що обидва показники міцності сталі у вихідному стані
зростають у напрямі від зовнішньої до внутрішньої поверхонь труби, тоді як для
експлуатованого металу вони або залишаються незмінними поперек стінки
труби, або навіть дещо знижуються від зовнішньої до внутрішньої поверхонь
(рис. 2a, b, d, e). Отже, можна стверджувати, що за показниками міцності, по-пер-
ше, експлуатований метал біля внутрішньої поверхні труб, яка безпосередньо
контактує з технологічним середовищем, деградує інтенсивніше, ніж біля зов-
нішньої. По-друге, попри однакову тривалість експлуатації металу на обох бло-
ках, за меншої кількості зупинок технологічного процесу на блоці № 1 виявлено
ефект зміцнення металу, тоді як за більшої (на блоці № 2) його знеміцнення май-
Рис. 1. Схема вирізання зразків
для випроб розтягом, орієнтованих
у радіальному (1), осьовому (2)
та тангенціальному (3) напрямах.
Fig. 1. The scheme of cutting specimens
for tensile tests oriented in the radial (1),
axial (2), and tangential (3) directions.
21
же в усьому перерізі труб порівняно з вихідним станом. Це підтверджує вплив
пусків-зупинок технологічного процесу на зміну технічного стану сталі: метал з
блоку № 2, який переніс більшу кількість зупинок, за міцністю є гірший, ніж з бло-
ку № 1 після меншої їх кількості.
Рис. 2. Границі міцності σВ (а–c) і текучості σ0,2 (d–f) та відносні видовження δ (g–i) і
звуження ψ (j–l) сталі 15Х1М1Ф у вихідному стані (чорні стовпчики) та після
експлуатації на блоках № 1 (білі) і № 2 (сірі), визначені на зразках осьової (a, d, g, j),
тангенціальної (b, e, h, k) та радіальної (c, f, i, l) орієнтацій, вирізаних
на різній віддалі від зовнішньої поверхні труби t.
Fig. 2. Ultimate strength, σВ, (а–c) and yield strength, σ0.2, (d–f) and also elongation, δ, (g–i)
and reduction of area, ψ, (j–l) of the 15Х1М1Ф steel in virgin state (black) and after service
on power blocks № 1 (white) and № 2 (grey bars) determined on the specimens oriented
in axial (a, d, g, j), tangential (b, e, h, k) and radial (c, f, i, l) orientations cut out
at different distance from the outside pipe surface t.
Відносне видовження δ для сталі у вихідному стані та експлуатованої на блоці
№ 1 дещо знижується від зовнішньої до внутрішньої поверхонь труби і на осьових
(рис. 2g), і тангенціальних (рис. 2h) зразках. Водночас для металу з блоку № 2 ви-
явили зростання цього показника в напрямі від зовнішньої до внутрішньої повер-
хонь. Ледь відчутна тенденція до зниження поперек стінки труби зберігається за
показником ψ для металу у вихідному стані та експлуатованого на обох блоках
(рис. 2j, k). Причому на тангенціально орієнтованих зразках вона виразніша.
22
Особливістю металу з блоку № 2 є те, що незалежно від орієнтації зразків
його показники пластичності змінюються якісно протилежно. В значній частині
перерізу труби, наближеній до її внутрішньої поверхні, відносне звуження екс-
плуатованого металу знижується, а відносне видовження зростає порівняно з
властивими металу у вихідному стані. Можливо, відсутність кореляції між зна-
ченнями δ та ψ пов’язана з дефектністю металу з цього блоку вздовж меж зерен
фериту з ланцюжками карбідів на них, яке зафіксовано за результатами метало-
графічних досліджень і фрактографії зразків з цього самого металу, випробува-
них на циклічну тріщиностійкість [13].
Прояви деградації сталі залежно від орієнтації зразків. Анізотропію меха-
нічних властивостей з’ясовували, аналізуючи дані, отримані на зразках трьох орі-
єнтацій (див. рис. 1). Про неї судили, зіставляючи відносну зміну характеристик
сталі, експлуатованої на обох блоках, з їх значеннями у вихідному стані (рис. 3).
Виявили, що, по-перше, на всіх рівнях по товщині стінки труб характеристики
міцності є найнижчі для тангенціально орієнтованих зразків. По-друге, ефект
знеміцнення металу обох блоків наростає від зовнішньої до внутрішньої повер-
хонь труб і максимальний біля внутрішніх, які під час експлуатації контактували
з технологічним середовищем. Зокрема, після більшої кількості зупинок техно-
логічного процесу (блок № 2) максимальне зниження границі міцності металу
досягає 17% від властивого сталі у вихідному стані, тоді як за меншої (блок № 1)
– лише на 7% (рис. 3a).
Рис. 3. Відносна зміна границь міцності σВ (а) і текучості σ0,2 (b), а також відносних
звуження ψ (с) та видовження δ (d) сталі 15Х1М1Ф, експлуатованої (з індексом op)
на блоках № 2 криві (1–3) та № 1 криві (4–6) порівняно з відповідними її характеристика-
ми у вихідному стані (з індексом virg), визначеними на повітрі на зразках осьової (1, 4),
тангенціальної (2, 5) та радіальної (3, 6) орієнтацій, розташованих на віддалі t
від зовнішньої поверхні труби.
Fig. 3. Relative change of the ultimate strength, σВ, (а) and yield strength, σ0.2, (b), reduction
of area, ψ, (c) and elongation, δ, (d) and of the 15Х1М1Ф steel serviced (with index op) on
power blocks № 2 curves (1–3) and № 1 curves (4–6) relative to corresponding characteristics
of steel in virgin state (with index virg) determined in air at different distance, t, from the pipe
outer surface and oriented in axial (1, 4), tangential (2, 5) and radial (3, 6) directions.
За показником σ0,2 ефект зміцнення металу з блоку № 1 змінюється на знеміц-
нення металу з блоку № 2 майже у всьому перерізі труби (рис. 3b). Оскільки гра-
ниця міцності експлуатованої сталі слабо залежить від орієнтації зразків (зокрема,
в серцевині стінки труби для сталі, експлуатованої на блоці № 2, її зниження дося-
гало 14% на радіально орієнтованих зразках, 12% – на осьових і 16% – на танген-
ціальних), то можна зробити висновок, що для економії об’ємів вирізання металу з
парогонів для тестування доцільно використати радіально і тангенціально орієн-
товані зразки, оскільки зміна міцності металу в серцевині стінки труб на зразках
різної орієнтації слабо залежить від їх орієнтації. За наведеними залежностями змі-
23
ни характеристик міцності поперек стінки труби можна прогнозувати їх значення в
околі зовнішньої і внутрішньої поверхонь труби для атестованої сталі.
Одним із чутливих показників деградації теплотривких сталей внаслідок їх
тривалої експлуатації на головних парогонах ТЕС вважають характеристики
пластичності, зокрема, відносне звуження ψ [4]. Після експлуатації цей параметр
на обох блоках однозначно знижується порівняно з вихідним станом металу
(рис. 3с). Така тенденція виявляється незалежно від орієнтації зразків. Найнижчі
значення ψ для металу з обох блоків отримали на радіально орієнтованих зраз-
ках. Ефект досягає 33% за більшої кількості зупинок технологічного процесу і
15% – за меншої. Можливо, це спричинено тим, що радіально орієнтовані зразки
руйнуються шляхом розшарування вздовж текстури, а не шляхом її перетинання,
як тангенціальні та осьові зразки. Водночас незалежно від орієнтації зразків
(осьова чи тангенціальна) втрата пластичності за показником ψ максимальна бі-
ля зовнішньої поверхні труб (рис. 3c), що є ознакою сильнішої тут деградації ста-
лі і пов’язано, очевидно, зі сприятливішими умовами для повзучості. Перепад по
товщині стінки труби для металу з блоку № 1 становив від 8 до 3%, причому
практично незалежно від орієнтації зразків. Тоді як для металу з блоку № 2 зни-
ження ψ внаслідок деградації за осьової орієнтації становило від 11% в околі зов-
нішньої поверхні труби до 4% біля внутрішньої, а для тангенціальної орієнтації –
від 18 до 13% відповідно. Отже, з аналізу зміни параметра ψ прийшли до по-
дібних висновків, сформульованих з оцінки показників міцності. Зокрема, аналі-
зуючи деградацію теплотривких сталей за показником ψ, перевагу слід віддавати
тангенціальній орієнтації зразків, а якщо товщина стінки труби дозволяє зробити
це, то ще краще використати їх радіальну орієнтацію.
До зовсім неочікуваних висновків дійшли з аналізу результатів про відносне
видовження δ. По-перше, незалежно від орієнтації зразків спостерігали нетипове
його зростання для сталі, експлуатованої на блоці № 2, порівняно з зафіксованим
для сталей у вихідному стані (рис. 3d), що не узгоджується з визнаними уявлен-
нями про тенденцію зміни обох характеристик пластичності. Адже за будь-якого
іншого (крім деградації) впливу на метал (термічне оброблення, легування тощо)
ці показники зазвичай змінюються якісно подібно – або одночасно зростають,
або ж знижуються. Крім того, під час оцінки відносного звуження метал з обох
блоків виявив прогнозовану тенденцію: значення ψ сталі з блоку № 2 було ниж-
чим, ніж з блоку № 1. Логічно очікувати подібний характер зміни і показника δ.
Раніше вже йшлося про атипову зміну показників пластичності деградованого
металу шва зі зварного з’єднання на парогонах ТЕС [14] трубних сталей, екс-
плуатованих на газогонах [15], алюмінієвих сплавів у літакобудуванні [16]. В
усіх випадках цей ефект пов’язували з дефектами, які на етапі активного наванта-
ження зразків розкриваються і, попри зниження показника ψ, спричиняють ано-
мальне підвищення δ. Обидві характеристики пластичності металу, експлуатова-
ного на блоці № 1, змінюються за класичним правилом – якісно подібно. Отже,
кількість дефектів у ньому недостатня, щоб змінити типову тенденцію зміни цих
характеристик. Але коли тенденції їх зміни стають протилежними (метал з блоку
№ 2), то за значенням поширеного в теплоенергетиці показника роботоздатності
δ можна зробити помилковий висновок про задовільний технічний стан металу,
який насправді потрібно знімати з експлуатації.
Вплив попереднього електролітичного наводнювання на механічні харак-
теристики сталі. Оскільки наводнювання може сприяти розкриттю у сталі де-
фектів, які виникли ще на етапі її експлуатації на парогонах, дослідили серію зраз-
ків після попереднього (перед розтягом на повітрі) електролітичного наводнюван-
ня. При цьому оцінювали вплив внутрішнього водню, який потрапив до металу пе-
24
ред його навантаженням, і порівнювали характеристики міцності і пластичності на
зразках різної орієнтації та на різних рівнях по товщині стінки труб. Для цього
проаналізували відносну зміну відповідних показників попередньо наводненої та
ненаводненої сталі з обох блоків, а також у вихідному стані.
Аналіз характеристик міцності осьових і тангенціальних зразків лише під-
твердив висновки, зроблені з результатів випроб на повітрі зразків без поперед-
нього електролітичного наводнювання. Зокрема, внаслідок деградації обидві ха-
рактеристики міцності знижуються від зовнішньої до внутрішньої поверхонь тру-
би (рис. 4а, b). Причому, якщо порівняти дані, отримані без (рис. 3) та після (рис. 4)
попереднього наводнювання, то незалежно від орієнтації зразків наводнювання
істотно інтенсифікує їх падіння.
Тенденції ж зміни характеристик пластичності, спричинені деградацією, ста-
ють ще очевиднішими в наводненому металі (рис. 4c, d). Попереднє наводнюван-
ня додатково знижує відносне звуження деградованого металу, причому незалеж-
но від орієнтації зразків та від їх розташування в перерізі труб (рис. 4c). Особли-
во разюче це проявляється на зразках радіальної орієнтації. Якщо без наводню-
вання сталі з блоку № 2 воно становило 32%, то після наводнювання досягло
71%. Те ж відбулося і для сталі з блоку № 1, в якій значення ψ під впливом наво-
днювання знизилося на 56%, порівняно з 15% без нього.
Рис. 4. Відносна зміна границь міцності σВ (а) і текучості σ0,2 (b), а також відносного
звуження ψ (c) і видовження δ (d), визначених на повітрі на зразках осьової (1, 4),
тангенціальної (2, 5) та радіальної (3, 6) орієнтацій, розташованих на віддалі t від зовніш-
ньої поверхні труби, для попередньо наводненої сталі 15Х1М1Ф, експлуатованої
(з індексом op) на блоках № 2 (1–3) та № 1 (4–6), порівняно з відповідними
характеристиками попередньо наводненої сталі у вихідному стані (з індексом virg).
Fig. 4. Relative change of the ultimate strength, σВ, (а) and yield strength, σ0.2, (b), reduction
of area, ψ, (c) and elongation, δ, (d) determined in air on the specimens oriented in axial (1, 4),
tangential (2, 5) and radial (2, 6) located at the distance, t, from the external pipe surface
for the preliminary hydrogenated 15Х1М1Ф steel serviced (with index op)
on power blocks № 2 (1–3) and № 1 (4–6) relative to corresponding characteristics
of preliminary hydrogenated steel in virgin state (with index virg).
Після попереднього наводнювання зразків з блоку № 1 величина δ додатково
знижується порівняно з випробами без нього. Крім того, негативний вплив дегра-
дації під впливом наводнювання дещо слабшає в околі зовнішньої поверхні тру-
би та посилюється поблизу її внутрішньої поверхні і практично не залежить від
орієнтації зразків (рис. 4d).
Величина δ для сталі з блоку № 2 після наводнювання зразків осьової орієн-
тації зростає практично в усьому перерізі труби (рис. 4d), що може бути ознакою
полегшення під впливом водню розкриття дефектів, що виникли під час експлуа-
тації сталі з великою кількістю зупинок технологічного процесу. При цьому по-
зитивний вплив на значення δ зразків тангенціальної орієнтації після їх наводню-
вання зафіксовано лише біля внутрішньої поверхні труб. Внутрішній водень мен-
ше впливає на параметр δ сталі з блоку № 2, визначений на тангенціальних зраз-
25
ках, майже в усьому перерізі труб. За радіальної їх орієнтації після наводнювання
значення δ знижується більше ніж на 63%, тоді як без наводнювання спостерігали
хоч і незначне (на 10%), але підвищення його внаслідок деградації. Отже, полег-
шення розкриття дефектів в експлуатованому металі під впливом внутрішнього
водню залежить не лише від технічного стану металу (проявляється на металі з
блоку № 2), але і від орієнтації зразків. Це наштовхує на думку про існування де-
фектів у стінці труб, розташованих переважно в діаметральному їх перерізі. При-
чиною виникнення цих пошкод може бути термічна втома, спричинена зупинками
технологічного процесу. Адже дефекти повзучості переважно розташовані в осьо-
вому перерізі і повинні б додатково розкриватися і підвищувати параметр δ, визна-
чений на тангенціальних зразках. Разом з тим, оскільки цей ефект можна знехту-
вати, то основний вклад у зростання δ вносять саме дефекти від термічної втоми.
ВИСНОВКИ
Кількість зупинок технологічного процесу впливає на зміну характеристик
міцності і пластичності сталі 15Х1МФ внаслідок її експлуатації. Якщо судити за
параметром σ0,2, то незалежно від орієнтації зразків і місця їх розташування в пе-
рерізі труб за меншої кількості зупинок технологічного процесу під час експлуа-
тації весь переріз труби зміцнюється, а за більшої – знеміцнюється проти металу у
вихідному стані. За обома показниками міцності ефект зміцнення сталі внаслідок
експлуатації максимально проявляється на зовнішній поверхні труб, а знеміцнен-
ня – на внутрішній. Характеристики пластичності сталі після меншої кількості зу-
пинок технологічного процесу знижуються, а після більшої – відносне звуження
зменшується, а видовження в околі внутрішньої поверхні труб зростає. Це пов’я-
зано з розкриттям дефектів, що виникли ще на етапі експлуатації сталі на парогоні.
Попереднє електролітичне наводнювання металу чіткіше виявляє ці особливості.
РЕЗЮМЕ. Исследованы механические свойства теплостойкой стали 15Х1М1Ф после
длительной эксплуатации на паропроводах ТЭС. Установлена анизотропия характеристик
прочности и пластичности стали, обусловленная ее деградацией. Показано, что количество
остановок технологического процесса во время эксплуатации стали, ориентация образцов
(осевая, тангенциальная и радиальная) и место их размещения относительно стенки труб (в
окрестности внешней и внутренней поверхностей труб или в центре их сечения) влияют на
эти характеристики. Выявлено влияние наводороживания на характер изменения этих пока-
зателей. Полученные результаты дают возможность обосновать выбор ориентации образцов
и их расположения в сечении труб для обеспечения максимальной чувствительности харак-
теристик к изменению технического состояния стали во время эксплуатации.
SUMMARY. Mechanical properties of the 15Х1М1Ф heat resistant steel after its long term
operation on the steam pipeline of heat power plant were investigated. Anisotropy of strength
and plasticity characteristics of steel caused by its degradation was revealed. It was shown that
the shut-down numbers of operating procedure during steel service, specimen orientations (axial,
tangential and radial) and site of its location relative to pipe wall (near outer and inner surfaces of
pipes or in the centre of their cross section) have an influence on these characteristics. The hyd-
rogennation effect on the change of these characteristics was shown. Obtained results enable us
to prove the selection of specimen orientation and its location in the pipe cross section in order to
ensure the maximum sensitivity of characteristics to the change of steel technical state in operation.
1. СОУ 40.3–0013044–20:2010. Нормативний документ. Настанова. Оцінювання техніч-
ного стану металу прямих ділянок головних парогонів ТЕС. Вплив зупинок техноло-
гічного процесу на зміну технічного стану експлуатованого металу. Типова інструк-
ція. – Львів: ДП “ЛКБ” і ФМІ НАНУ, 2010. – 52 с.
2. Вігак В. М. Оптимальне управління нестаціонарними температурними режимами. – К.:
Наук. думка, 1979. – 360 с.
3. Panasyuk V. V. Strength and Fracture of Solids with Cracks. – Lviv: NASU, Karpenko
Physico-Mechanical Institute, 2002. – 468 p.
26
4. Застосування підходів механіки руйнування до оцінки водневої деградації сталей нафто-
та паропроводів / В. В. Панасюк, Г. М. Никифорчин, О. З. Студент, З. В. Слободян
// Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій / За заг. ред.
О. Є. Андрейківа, Й. Й. Лучка, В. В. Божидарника. – Львів: Каменяр, 2002. – С. 537–546.
5. Вайнман А. Б., Мелехов Р. К., Смиян О. Д. Водородное охрупчивание элементов кот-
лов высокого давления. – К.: Наук. думка, 1990. – 272 с.
6. Студент О. З., Марков А. Д., Никифорчин Г. М. Особливості впливу водню на власти-
вості і механізм руйнування металу зварних з’єднань парогонів ТЕС // Фiз.-хiм. меха-
ніка матеріалів. – 2006. – № 4. – С. 26–35.
(Student O. Z., Markov A. D. and Nykyforchyn H. M. Specific features of the influence of
hydrogen on the properties and mechanism of fracture of the metal of welded joints of steam
pipelines at thermal power plants // Materials Science. – 2006. – 42, № 4. – P. 451–460.)
7. Свойства металла паропроводов из сталей 12ХМ и 15ХМ после эксплуатации в тече-
ние 90–160 тыс. ч. / П. А. Антикайн, Б. М. Эстрин, П. Р. Должанский, Л. И. Рябова
// Теплоэнергетика. – 1973. – № 8. – C. 23–27.
8. Антикайн П. А., Рябова Л. И., Аксенов А. В. К оценке работоспособности паропрово-
дов из перлитных сталей после длительной эксплуатации // Проблемы прочности.
– 1971. – № 7. – C. 9–14.
9. Ріпей І. В., Онищак Я. Д. Оцінка роботоздатності парогонів зі сталі 12Х1МФ під час три-
валої експлуатації // Вісник Інженерної академії України. – 2008. – № 3–4. – С. 192–195.
10. Effect of ageing of steam pipeline steel on its fatigue crack growth resistance / G. M. Nyky-
forchyn, O. Z. Student, B. P. Loniuk, I. R. Dzioba // 8th Int. Conf. Mechanical Behavior of
Materials: Progress in Mechanical Behavior of Materials – ICM8, Victoria, 1999 / Ed. F. Ellyin,
J. W. Provan. – Victoria: Fleming Printing Ltd., 1999. – Vol. 1. – P. 398–403.
11. Дзіоба І. Р. Властивості сталі 13ХМФ після експлуатації та деградації в лабораторних
умовах // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 2010. – № 3. – С. 67–72.
(Dzioba I. R. Properties of 13KhMF steel after operation and degradation under the labora-
tory conditions // Materials Science. – 2010. – 46, № 3. – P. 357–364.)
12. СОУ-Н МПЕ 40.1.17.401:2004. Нормативний документ. Настанова. Контроль металу і
продовження терміну експлуатації основних елементів котлів, турбін і трубопроводів
теплових електростанцій. Типова інструкція. – К.: ОЕП “ГРІФРЕ”, 2005. – 76 с.
13. Оцінювання впливу зупинок технологічного процесу на зміну технічного стану металу
головних парогонів ТЕС / Г. М. Никифорчин, О. З. Студент, Г. В. Кречковська,
А. Д. Марков // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 2010. – № 2. – С. 42–54.
(Evaluation of the influence of shutdowns of a technological process on changes in the in-
service state of the metal of main steam pipelines of thermal power plants / H. M Nykyfor-
chyn, O. Z. Student, H. V. Krechkovs’ka, and A. D Markov // Materials Science. – 2010.
– 46, № 2. – P. 177–189.)
14. Никифорчин Г. М., Студент О. З., Марков А. Д. Аномальний прояв високотемператур-
ної деградації металу зварного з’єднання ощаднолегованої сталі // Там же. – 2007.
– № 1. – С. 73–79.
(Nykyforchyn H. M., Student O. Z., and Markov A. D. Abnormal manifestation of the high-
temperature degradation of the weld metal of a low alloy steel welded joint Materials
Science. – 2007. – 43, № 1. – P. 77–84.)
15. Деградація властивостей металу зварного з’єднання експлуатованого магістрального
газопроводу / О. Т. Цирульник, В. А. Волошин, Д. Ю. Петрина, М. І. Греділь,
О. І. Звірко // Там же. – 2010. – № 5. – С. 55–59.
(Degradation of properties of the metal of welded joints in operating gas mains / O. T. Tsy-
rul’nyk, V. A. Voloshyn, D. Yu. Petryna, M. I. Hredil’, and O. I. Zvirko // Materials Science.
– 2011. – 46, № 5. – P. 573–582.)
16. Осташ О. П., Андрейко І. М., Головатюк Ю. В. Деградація матеріалів і втомна довго-
вічність тривало експлуатованих авіаконструкцій // Там же. – 2006. – № 4. – С. 5–17.
(Ostash O. P., Andreiko I. M., and Holovatyuk Yu. V. Degradation of materials and fatigue
durability of aircraft constructions after long-term operation // Materials Science – 2006.
– 42, № 4. – P. 427–429.)
Одержано 24.10.2011
|