Файл: Антикайн, П. А. Надежность металла паровых котлов и трубопроводов.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 14.10.2024

Просмотров: 68

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

избегать пластического деформирования малоуглероди­ стой стали. Температурный интервал 200—300°С назы­ вается «интервалом синеломкости», так как после вы­ держки стали при температуре около 300°С светлая поверхность стали приобретает синий цвет, что обуслов­ лено образованием топкой окисной пленки.

При дальнейшем повышении температуры наблюда ­ ется монотонное снижение прочности при некотором увеличении пластнчно-

кгс/мм '

 

 

кгем/м 2

сти, так как повышение

 

 

 

 

 

 

1%

 

температуры

приводит

 

 

 

а»

к увеличению

подвиж­

 

 

 

 

 

40

 

 

80

А го

ности

атомов

н,

как

 

 

следствие,

к

ослабле­

—J

 

 

 

 

нию

межатомных

свя­

 

 

 

 

 

 

 

\\

 

 

зей

и уменьшению

ста­

го

 

\\

 

 

бильности

структуры.

 

 

40

10

 

 

При

 

температуре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свыше

350 °С

предел

 

 

 

 

 

прочности

и

предел

zoo

400

 

о

текучести

углеродистой

 

 

стали

зависят

от

ско­

 

 

 

Рис. 3. Влияние температуры

на ме

рости

 

нагружения:

ханпческие

 

свойства стали

20.

 

чем

она

больше,

тем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выше

характеристики

прочности. Поэтому для получения

сопоставимых

результатов

 

по ГОСТ

9651-61,

определяющему

тре­

бования к

испытаниям

на

растяжение

при повышен­

ных температурах, заданы допускаемые пределы по ско­

рости перемещения подвижного

захвата

испытательной

машины . Эта

скорость,

в ы р а ж е н н а я

в мм/мин,

д о л ж н а

находиться в пределах 0,04—0,1 от расчетной

длины

образца, выраженной в миллиметрах.

 

 

В результате холодного пластического деформирова ­

ния •малоуглеродистая

с т а л ь становится

прочнее после

длительного

пребывания д а ж е

при

комнатной

темпера­

туре, одновременно снижаются ее пластичность и удар ­

ная

вязкость. У д а р н а я

вязкость

может

снизиться при

этом

до 10—15%

исходной ее величины.

Этот

процесс

называется естественным старением. -

 

 

Нагрев

наклепанной

стали

до 250—300°С

резко

ускоряет

процесс

старения — происходит

искусственное

старение. Особенно резко эффект

старения проявляется,

когда степень пластической деформации

составляет 3—

30

10%. Такие деформации наблюдаются при гпбке, клеп­ ке, вальцовке.

Старение наклепанной стали обусловлено ускорен­ ным распадом в феррите пересыщенных растворов угле­

рода

и

азота с

образованием мелкодисперсных

карби­

дов

и

нитридов.

При комнатной температуре

процесс

старения затягивается из-за малой скорости диффузии.

Борьба со

старением заключается главным образом

в раскислении

стали алюминием с образованием устой­

чивых, нерастворимых в железе нитридов и устранением возможности перехода их в пересыщенный твердый раст­ вор. Аналогичное влияние оказывают титан, ванадий и цирконий.

Старение предотвращает з а к а л к а или нормализация с последующим отпуском при 600—650°С, при котором выделившиеся нитриды и карбиды коагулируют в круп­ ные включения, мало снижающие ударную вязкость.

Повышенное

содержание

углерода

в

стали умень­

шает склонность к старению.

Поэтому

не

следует

при­

менять стали с

очень низким

содержанием углерода.

Д л я изготовления элементов

котла,

работающих

под

давлением, обычно применяют сталь с содержанием уг­ лерода 0,15—0,25%.

2-2. ЖАРОПРОЧНЫЕ СВОЙСТВА

Жаропрочность — это способность материала проти­ востоять механическим нагрузкам при высоких темпе­

ратурах;

она

определяется

прочностными свойствами,

получаемыми

при

кратковременных

испытаниях

на

растяжение,

а т а к ж е

сопротивляемостью

ползучести и

длительной прочностью

материала .

 

 

 

Ползучесть — свойство металла,

нагруженного

при

высокой

температуре,

медленно и непрерывно пласти­

чески

деформироваться

под

воздействием

напряжений .

В

результате

развития

ползучести

увеличиваются

диаметры и уменьшаются толщины стенок труб. Д е т а л ь , проработавшая определенное время в условиях ползу­ чести, разрушается при пластической деформации во

много раз меньше, чем от

кратковременной перегрузки

при той ж е температуре.

Способность металла сопро­

тивляться разрушению при воздействии высокой темпе­ ратуры и напряжений характеризуется п р е д е л о м д л и т е л ь н о й п р о ч н о с т и — напряжением, лриводя-

31

щ им металл к разрушению при данной температуре через определенный промежуток времени.

Повышение температуры перегрева пара с целью по­ вышения экономичности привело к тому, что очень мно­

гие детали

паровых котлов

и паропроводов

работают

в области

температур,

при

которых

интенсивно проте-

 

д

 

кает ползучесть. Д л я

оп-

 

.

г ^

ределения

способности

 

Д

\

стали сопротивляться

пол-

 

1

0

зучестп

проводят

соответ-

 

 

§ Ц р

ствующие

испытания

по

 

 

 

Г О С Т 3248-60.

 

 

Рис.

4. Принципиальная

схема

установки

для

испытания

метал­

 

лов

на

ползучесть.

 

1 — шаровая

опора;

2—верхний

за­

хват;

3 — электропечь;

4 — термопара;

5 — образец;

6 — тягн

 

экстензомстра;

7 — и н д и к а т о р ы ;

5 — нижний

захват;

9 — рычаг;

10 — грузы;

 

// — вннт на

штоке нижнего

захвата;

12 — червяч­

ная

передача от вала

электродвига­

 

 

 

теля.

 

 

 

Образец устанавливают в захваты машины (рис. 4) и по­ мещают в печь, где поддержи­

вается

постоянная

температура.

При помощи

системы

рычагов

и

грузов

на

образец

.передает­

ся

постоянная нагрузка. Когда

образец

.вытягивается,

нижний

захват

перемещается

вниз от

электродвигателя

и

верхний

рычаг

машины опять приводит­

ся

в

горизонтальное

положе­

ние. Постоянная нагрузка обе­ спечивается грузами, уложен­ ными па тарелку рычага.

При высокой температуре под действием нагрузки обра­ зец деформируется. Его дефор­ мацию измеряют с помощью экетензометров, укрепленных по концам рабочей части об­ разца; верхние тяги экстензометра жестко «вязаны с верх­ ней частью образца. В них за пределами печи закреплены ин­ дикаторы— приборы для изме­ рения величины деформации.

По результатам испытаний строят первичную кривую ползучести в координатах «суммарная деформация — •

время»

(рис.

5),

на

которой

отмечают участки,

соот­

ветствующие трем стадиям процесса ползучести.

 

При

приложении

нагрузки

происходит

мгновенная

деформация, не относящаяся еще к деформации

ползу­

чести (участок

OA).

 

 

 

 

П е р в а я стадия

(участок AB)

охватывает

деформацию

с убывающей

скоростью — стадия неустановившейся

ползучести,

 

 

 

 

 

 

32

Во второй

стадии

процесса

(участок

ВС)

пластиче­

ская

деформация

нарастает

с постоянной скоростью —

это стадия установившейся

ползучести.

 

 

• Третья

стадия

процесса

 

 

 

 

 

охватывает

д е ф о р м а ц и ю

с

 

 

 

 

 

н а р а с т а ю щ е й

 

скоростью

 

 

 

 

 

(участок

CD)

—• это

стадия

 

 

 

 

 

разрушения .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Длительность к а ж д о й

ста­

 

 

 

 

 

дии зависит от свойств дан­

 

 

 

 

 

ного

сплава,

а т а к ж е

от тем­

 

 

 

 

 

пературы

 

и

напряжения .

 

 

 

 

 

ІТногда

ползучесть

может

 

 

 

 

 

протекать

в

течение

дли­

 

 

Время

 

тельного времени и практи­

 

 

 

Рис. 5. Кривая ползучести ста­

чески

не

достигать

третьей

стадии.

Если

н а п р я ж е н и я

ли

при постоянной температу­

ре

и

неизменной

растягиваю­

или

температуры

очень

вы­

щей

нагрузке,

приложенной

соки, то вторая стадия про­

 

 

к

образцу.

цесса

ползучести может

от­

 

 

 

 

 

сутствовать

(первая

стадия

непосредственно

переходит

в третью) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивляемость

ползучести

оценивается

суммарной

деформацией за срок службы или скоростью ползучести, определяемой по формуле

 

de

 

 

 

 

dt

'

 

 

где е — относительная деформация;

х— время.

У с л о в н ы й

п р е д е л п о л з у ч е с т и

— это напря­

жение, которое

вызывает при

определенной

температуре

заданную скорость ползучести

на второй стадии процес­

са— стадии установившейся ползучести.

 

З а предел ползучести элементов

котельных установок

принимают обычно напряжение, которое вызывает оста­

точную деформацию в 1%

за 100 тыс. ч эксплуатации .

Д л я котельных материалов

это напряжение равно на­

пряжению, вызывающему скорость ползучести 10~5 %/ч.

Объясняется это

тем, что

деформация,

накопленная

в первой стадии

ползучести,

весьма мала

по сравнению

с деформацией, накопленной

во

второй стадии

ползуче­

сти.

 

 

 

 

Повышение

-температуры

и

напряжения

приводит

к увеличению

скорости ползучести.

 

3—89

33

В нагруженном полукристаллическом металле из-за различной ориентировки зерен по отношению к действующим напряжениям воз­

никает значительная перегрузка одних зерен

и недогрузка

других.

В перегруженных зернах при высокой температуре

происходит

пла­

стическая деформация — зерна разгружаются

и одновременно

упроч­

няются в результате наклепа. Далее пластическая

деформация

рас­

пространяется на

непродеформпровавшнеся

зерна.

Упрочнившиеся

в первый момент

зерна через некоторое время

разуирочпяются

вслед­

ствие рекристаллизации. В них опять возникает пластическая дефор­

мация, они опять упрочняются

и т. д. При этом в образце или дета­

ли постепенно накапливается

пластическая деформация.

Ползучесть может проявиться при температурах выше темпера­ туры рекристаллизации для данного металла. Легирующие элементы, растворяющиеся в феррите или аустените и повышающие температу­ ру рекристаллизации, тормозят процесс ползучести.

Согласно теории наклепа п рекристаллизации начальная стадия процесса ползучести обусловлена тем, что еще не все зерна металла включились ів процесс упрочнения и разупрочнения. Л о імере распро­ странения процесса на большее количество зерен скорость ползучести затухает. Упрочнение преобладает над разупрочнением.

На второй стадии процесса ползучести в единицу времени упроч­ няется из-за наклепа столько же зерен, сколько разупрочиилось вследствие рекристаллизации. Скорость ползучести остается постоян­ ной. Упрочнение компенсирует разупрочнение.

На третьей стадии процесс ползучести ускоряется из-за сосре­ доточения ползучести в месте образца или детали, ослабленном шей­ кой или трещиной.

Н а основании анализа большого числа' эксперимен­ тальных данных установлено, что между временем до разрушения при постоянной температуре т р и напряже ­ нием а существует степенная зависимость

Тр = о с т - " \

где В и m — постоянные дл я данного металла и данной температуры . В логарифмических координатах Ig er—Igt эта зависимость выражаетс я прямой линией.

З а расчетный срок служб ы котла принимают 100 тыс. ч работы при номинальных параметра х пара . Используя обработку экспериментальных данных в ло­ гарифмических координатах, ограничиваются испытания­ ми значительно меньшей длительности и экстраполиро­ ванием получают достаточно надежны е результаты. По вертикальной оси откладывают логарифм напряжения, которое привело образец к разрушению, а по горизон­ тальной оси — логарифм времени до разрушения (рис . 6) .

Основными способами повышения длительной проч­ ности и сопротивляемости ползучести сталей являются рациональное легирование и применение оптимальных режимо в термической обработки.

34

Смотрите также файлы