The paper considers a high temperature influence on strength characteristics of steam pipelines and steam turbine parts of high and medium pressure. The charts showing a decisive temperature importance in diffuse creep have been presented in the paper. The paper contains  a calculation of steel self-diffusion coefficient. Dependence Dsd = f(t) for more accurate assessment of  resource characteristics of the applied steel has been proposed in the paper.Рассмотрено влияние высокой температуры на прочностные характеристики паропроводов и частей турбин высокого и среднего давления. Представлены диаграммы, подтверждающие, что температура имеет определяющее значение при диффузной ползучести. Рассчитан коэффициент самодиффузии стали. Предложено использовать зависимость Dsd = f(t) для более точной оценки ресурсных характеристик применяемых сталей

A. Gerasimova G.

E. Kriksina N.

А. Герасимова Г.

Е. Криксина Н.

A. G. Gerasimova

E. N. Kriksina

А. Г. Герасимова

Е. Н. Криксина

ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations / Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ

УДК [621.165+621.186.3]:620.172.251.2  ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ ПОЛЗУЧЕСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН И ПАРОПРОВОДОВ  Канд. техн. наук, доц. ГЕРАСИМОВА А. Г.,  магистр техн. наук КРИКСИНА Е. Н.  Белорусский национальный технический университет  В современных условиях, когда значительная часть установленного энергетического оборудования отработала парковый срок службы, акту-альность продления срока безопасной и надежной эксплуатации чрезвы-чайно высока. Проблемой продления ресурса котлов и паровых турбин серьезно начали заниматься сравнительно недавно, когда высокотемпера-турные элементы выработали расчетный ресурс 100 тыс. ч. Наибольшее ограничение срока эксплуатации, обусловленное длитель-ным воздействием высокой температуры, характерно для паропроводов и частей турбин высокого и среднего давлений. Для них характерно наличие высоконапряженных элементов, таких как арматура и изгибы трубопрово-дов, цельнокованые роторы турбин, рабочие лопатки и т. д. Выработка ре-сурса этого оборудования в первую очередь проявляется в снижении проч-ностных характеристик. Длительная прочность – основная прочностная характеристика, опреде-ляющая ресурс оборудования, длительно работающего при температурах выше 450 °С. Длительная прочность – это сопротивление материалов раз-рушаться в условиях ползучести, которая показывает зависимость времени до разрушения от температуры или напряжения. Паропроводы и детали турбин, работающие при температурах 535–565 °С, под воздействием постоянных во времени напряжений подвержены ползу-чести, которая заключается в медленном и непрерывном пластическом де-формировании под воздействием постоянных во времени напряжений.  В результате увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб, удлиняются лопатки и уменьшаются радиальные зазоры на периферии ло-паток, наблюдается прогиб роторов. Длительная эксплуатация в условиях ползучести приводит к накопле-нию в металле повреждений в виде пор и разрыхлений, которые затем сли-ваются в макротрещину, постепенно растущую даже в условиях постоян-ной нагрузки, что ограничивает время работы детали из-за исчерпания за-паса длительной прочности. Основной характеристикой ползучести является ее скорость, которую можно определить как   ( , , , ),v f T S= σ τ                                               (1)  где Т – температура; S – структурный параметр; σ – напряжение; τ – время. В зависимости от рабочей температуры Т различают несколько видов ползучести. При этом температура, равная температуре рекристаллизации металла Трек, является определяющей при установлении вида ползучести.  51 Температура рекристаллизации у чистых металлов составляет приблизи-тельно 0,35 температуры плавления Тпл. Если Т < Трек, то проявляется лога-рифмическая ползучесть, которая характеризуется тем, что с течением времени скорость ползучести затухает. При температуре, превышающей Трек незначительно, проявляется рекристаллизационная ползучесть, при которой скорость ползучести постоянна. Если температура значительно превышает Трек, то скорость ползучести непрерывно увеличивается. В этом случае ползучесть называют диффузной [1]. Однако ползучесть не являет-ся элементарным процессом, и в суммарную пластическую деформацию металла, вызванную ползучестью, вносят вклад все три ее вида. С повыше-нием температуры все более существенным оказывается влияние диффуз-ной ползучести. Так как ползучесть является термически активируемым процессом, ос-новные параметры, характеризующие ее, можно выразить с помощью чле-на ехрQRT −  , где Q – энергия активации ползучести; Т – абсолютная тем-пература, К; R – универсальная газовая постоянная. Следовательно, темпе-ратурную зависимость скорости ползучести можно описывать с помощью величины Q. Однако так как ползучесть не является элементарным процес-сом, определяемым единственным механизмом деформации, трудно рас-считать истинную энергию активации процесса. Поэтому эксперименталь-но определяют кажущиеся величины энергии активации. Рядом исследователей экспериментально установлено, что при высоких температурах энергия активации ползучести Q равна энергии активации самодиффузии металлов Qsd, или теплоте разрыхления (рис. 1) [2]. Эти данные свидетельствуют о том, что ползучесть в высокотемпера-турной области обусловлена механизмом, зависящим от самодиффузии металлов. Последняя в металлах осуществляется путем взаимного обмена положением атомов и вакансий, поэтому можно считать, что высокотемпе-ратурная ползучесть обусловлена образованием и миграцией вакансий.                                            0         20         40         60         80       100       120 Q, 4,19 кДж/моль  Рис. 1. Соотношение между энергией активации высокотемпературной ползучести и энергией активации самодиффузии металлов  Коэффициент самодиффузии металлов изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону [2]  0 ,QRTsdD D e−=  см2/с,                                         (2) Qsd, 4,19 кДж/моль 100    80    60    40    20   52 где D0 – экспериментально найденный предэкспоненциальный множитель, зависящий от связи между атомами, см2/с; R – универсальная газовая по-стоянная, R = 8,314 кДж/(кмоль⋅К). Коэффициент самодиффузии стали можно приближенно определить, рассматривая ее как многокомпонентный сплав железа с легирующими элементами, по формуле [3]:  12 3 412 13 14 11 ,...sdnsd sd sd sd nxD x x x xD D D D−=+ + + +                           (3)  где x1, x2, x3, x4, .., xn – процентное содержание компонентов сплава; Dsd12, Dsd13, Dsd14, …, Dsd1n – коэффициент самодиффузии компонента 1 в смеси  с компонентом 2, в смеси с компонентом 3 и т. д. В табл. 1 приведены содержание энергии активации самодиффузии Qsd  и предэкспоненциального множителя D0, а также процентное содержание основных компонентов, входящих в состав некоторых жаропрочных ста-лей, которые применяются при изготовлении высокотемпературных паро-проводов, рабочих лопаток и роторов турбин.  Таблица 1                        Металл   Показатель W V Cu Mo Ni Cr  Qsd, кДж/моль 142 90 48 114 60 85  D0, см2/с 11,0 1,5 0,3 4,0 1,0 45,0  Паропроводы  12Х1М1Ф – 0,15–0,3 0,2 0,25–0,35 0,3 0,9–1,2  15Х1М1Ф – 0,2–0,25 0,25 0,9–1,1 0,25 1,1–1,4  Рабочие лопатки  15Х11МФ – 0,25–0,4 0,3 0,6–0,8 0,6 10–11,5  20Х12ВНМФ 0,7–0,11 0,15–0,3 0,3 0,5–0,7 0,5–0,9 10,5–12,5  Роторы  Р2МА (25Х1М1Ф) – 0,22–0,32 0,25 0,9–1,05 0,4 1,5–1,8  ЭИ-415 (20Х3МНФ) 0,22–0,32 0,6–0,85 0,2 0,35–0,55 0,3 2,8–3,3  На рис. 2 и 3 представлены расчетные зависимости коэффициентов са-модиффузии рассматриваемых нами сталей. Анализ представленных диаграмм подтверждает, что температура име-ет определяющее значение при диффузной ползучести. В состав сталей, применяемых при высоких температурах, обычно вхо-дят такие тугоплавкие металлы, как Cr, Ni, Mo и W, наличие которых в со-ставе сплавов является одной из причин, обусловливающих снижение  коэффициента самодиффузии Dsd. Наиболее эффективно увеличивает со-противление ползучести молибден, что и определяет обязательное легиро-вание жаропрочных сталей этим элементом. Но влияние ползучести на-столько велико, что даже для жаропрочных сталей при высоких темпера-турах нельзя допускать значительных нагрузок.  53                                        а                                                                           б   0,15 0,25 0,41 0,641,01 1,562,412,223,495,428,3311,616,09220510152025510 520 530 540 550 560 570   11,94 18,3527,9142,0262,692,46135,215,3 23,435,553,279116169020406080100120140160180510 520 530 540 550 560 570                                        в  4,99,114,1721,6332,6848,8106,272,3860,17,7 11,8 18,127,240,6020406080100120510 520 530 540 550 560 570   1,2615,576,19648,827,2020406080100120     Рис. 3. Коэффициенты самодиффузии  сталей паропроводов,  лопаток и роторов при температуре 555 °С  Наибольшее влияние на скорость высокотемпературной ползучести оказывает размер зерна. По современным представлениям, разрушение металла в процессе пол-зучести идет постепенно. Повреждения накапливаются в металле, и в ре-зультате появляются новые поры и идет рост уже образовавшихся. При высоких температурах в результате диффузии атомов на поверхно-сти пор происходит их перемещение. Поры сливаются, образуя микротре-щины. Последние, разрастаясь и объединяясь, превращаются в макротре-щины, которые ослабляют металл настолько, что происходит его разруше-ние из-за исчерпания запаса длительной прочности.  12Х1МФ 15Х1М1Ф                15Х11МФ 20Х12ВНМФ Dsd⋅10–16, см2 /с  t,°C Dsd⋅10–16, см2 /с Dsd⋅10–16, см2 /с             25Х1М1Ф 20Х3НМФ  t,°C  t,°C Рис. 2. Расчетные зависимости коэф-фициентов самодиффузии жаропроч-ных сталей от температуры: а – стали для высокотемпературных лопаток турбин; б – стали для паропроводов;                 в – стали для роторов Dsd⋅10–16, см2 /с 20Х12ВНМФ   15Х11МФ    15Х1М1Ф   12Х1МФ   25Х1М1Ф   20Х3МНФ      54 Зарождение пор может происходить и в теле самого зерна, и по грани-цам зерен. Первые поры обычно появляются на границах зерен, располо-женных перпендикулярно максимальным нормальным растягивающим на-пряжениям. Скорость диффузии по границам зерен значительно превы- шает скорость диффузии в теле зерна. Установлено, что коэффициент са-модиффузии Dsd по границам зерен обычно на два порядка выше, чем  в теле зерна [3]. Следовательно, для исследуемых нами сталей он составля-ет порядка 10–14 см2/с. Это связано с меньшими значениями энергии акти-вации Q, что указывает на ослабление энергии связи атомов по границам по сравнению с телом зерна. По этим границам в дальнейшем происходят наиболее интенсивный рост пор за счет их слияния и диффузии из тела зерна и дальнейшее перерастание их в трещины. Установлено, например, что в результате длительной эксплуатации в металле паропроводных труб по границам зерен количество пор достигает 103–105 мм–2, а их размер  изменяется от 0,05 до 8 мкм [4].  В Ы В О Д Ы  1. Для энергетического оборудования применение крупнозернистых сталей способствует уменьшению протяженности границ зерен и снижает ползучесть. В идеале структура сталей, работающих при высоких темпера-турах, не должна иметь границ зерен и состоять из одного монокристалла. Такая структура получена для ряда турбинных лопаток ответственного на-значения [5]. 2. Имея представленные выше зависимости Dsd = f(t), учитывая размер зерна и время выхода пор на границу зерен, можно более точно оценить ресурсные характеристики применяемых сталей.  Л И Т Е Р А Т У Р А  1. М а т ю н и н, В. М.  Металловедение в теплоэнергетике: учеб. пособие для вузов /  В. М. Матюнин. – М.: МЭИ, 2008. – 328 с. 2. Т а й р а, С.  Теория высокотемпературной прочности материалов / С. Тайра, Р. Ота-ни; пер. с яп. – М.: Металлургия, 1986. – 280 с. 3. Х и м у ш и н, Ф. Ф.  Легирование, термическая обработка и свойства жаропроч- ных сталей и сплавов / Ф. Ф. Химушин. – М.: Оборонгиз, 1972. – 335 с. 4. А н т и к а й н, П. А.  Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов /  П. А. Антикайн. – 4-е изд. – М.: Энергоиздат, 2001. – 440 с. 5. С о л н ц е в, Ю. П.  Материаловедение: учеб. / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин, Ф. Вой-кут. – М.: МИСИС, 1999. – 600 с.  Представлена кафедрой ТЭС                                                                       Поступила 17.03.2011     55 

Оценка влияния температуры на скорость ползучести высокотемпературных элементов паровых турбин и паропроводов

https://energy.bntu.by/jour/article/download/274/269

Оценка влияния температуры на скорость ползучести высокотемпературных элементов паровых турбин и паропроводов

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations / Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ