Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

для проверки равномерности термической обработки поковок. Абсолютные значения твердости, указываемые в технических усло­ виях, обычно являются факультативными.

В качестве характеристик, оговариваемых при сдаче, прини­ мают предел текучести, относительное сужение, ударную вязкость и изгиб в холодном состоянии.

Химический состав сталей для поковок дисков устанавливает завод-изготовитель по согласованию с заводом-заказчиком.

Технические условия на поставку поковок дисков стационар­ ных паровых турбин с высотой ступицы диска до 450 мм (оконча­ тельный размер) предусматривают выплавку стали в кислых мартеновских или основных электрических печах. Применение основной мартеновской стали допускается только для наименее нагруженных дисков I категории прочности.

При производстве слитков для дисков целесообразно широко использовать достижения науки и практики в области обеспечения высокой чистоты и плотности металла. Вакуумная обработка стали, электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, применение вы­ сококачественных огнеупорных материалов и стабильной по со­ ставу шихты, тщательный контроль температуры выплавки и раз­ ливки стали и т. д. способствуют получению дисков высокого ка­ чества.

Чтобы улучшить прокаливаемость и повысить однородность свойств поковок дисков, их термическую обработку проводят после предварительной механической обработки с минимально необ­ ходимыми припусками по сравнению с чистовыми размерами. При определении этих припусков следует учитывать возможность изменения размеров и формы поковок при термической обработке. Микроструктура термически обработанных поковок дисков из углеродистой стали — перлит в ферритной сетке, поковок дисков из легированных сталей — сорбит. В некоторых поковках наблю­ дается сорбит, ориентированный по кристаллографическим осям мартенсита. Термическую обработку выполняют в печах с хоро­ шим регулированием скорости нагрева и достаточно равномерной температурой в рабочей камере.

Поковки дисков после всех операций горячей механической и термической обработки должны иметь минимальные остаточные напряжения. Действующими техническими условиями допу­ скаются следующие остаточные напряжения:

Диски диаметром менее 600 мм на остаточные напряжения обычно не испытывают.

Требование минимальных остаточных напряжений имеет суще­ ственное практическое значение, так как, суммируясь с рабочими напряжениями, остаточные напряжения могут влиять на поведе­ ние детали в эксплуатации, вызывая ее коробление, прогиб, а

173

в отдельных случаях и разрушение. Для определения внутренних напряжений из втулочной части поковки вырезают кольцо, пред­ варительно измерив его внутренний диаметр. Вырезанное кольцо, освобожденное от воздействия всей массы поковки, деформи­ руется. Если кольцо в поковке находится под действием оста­ точных напряжений в сжатом состоянии, то после освобожде­ ния от влияния массы диска размеры кольца увеличатся. Кольцо, растянутое в поковке, после того, как будет вырезано, сожмется. Рассматривая кольцо в поковке как толстостенный цилиндр, под­ верженный действию наружного давления, определяют величину этого давления:

й

равная 10/3.

Тангенциальные напряжения oHR2

Ri _ гг 2

Р

где р — радиус сечения, для которого определяют напряжения. Максимальные напряжения имеют место в сечении, для ко­ торого р ^ г, поэтому внутренние напряжения обычно подсчиты­ вают именно для этого сечения. Тогда формула для определения

тангенциальных напряжений примет вид

Опыт показывает, что расчет можно выполнять и по более простой формуле

где Е — модуль упругости металла диска; 6 — средняя деформа­ ция кольца; D — внутренний диаметр кольца.

Проверка большого количества дисков из углеродистой и ни­ келевой сталей, проведенная на одном из турбостроительных заводов, показала хорошую сходимость результатов расчетов по той и другой формулам.

Для правильного определения остаточных напряжений пер­ востепенное значение имеет способ вырезания кольца и точность его измерения до и после. Практически проверенные рекоменда­ ции по выполнению этих операций следующие:

внутреннюю поверхность втулки испытываемого диска шли­ фуют; допускается полирование поверхности отверстия тупым широким резцом;

174

определяют внутренний диаметр вырезаемого кольца. Диаметр измеряют в трех или четырех направлениях (рис. 55, а) точным и проверенным инструментом непосредственно на станке, где вы­ полняют обработку внутренней поверхности втулки диска. Диск перед измерением должен предварительно полностью остыть;

чтобы все диаметры после того, как кольцо будет вырезано, измерять в тех же местах, что и до выреза, места установки кон­ цов штихмаса кернят и нумеруют. В каждом месте, где устанав­ ливают конец штихма­ са, наносят три точки керном в вершинах рав­ ностороннего треуголь­ ника так, чтобы шаро­ вая поверхность конца штихмаса помещалась внутри этого треуголь­ ника;

кольцо вырезают при минимальных скорости резания и подаче. Смаз­ ка должна быть обиль­ ной, чтобы в процессе резания не возникли дополнительные напря­ жения, которые могут исказить результаты. Вырезанное кольцо в сечении представляет собой квадрат со сторо­ ной 20—25 мм. В слу­ чае необходимости мож­

но вырезать кольцо и меньшего сечения, но не менее 10x10 мм. Вырезанное кольцо должно некоторое время лежать на плите до полного выравнивания его температуры с температурой окружа­ ющего воздуха;

измерения выполняют по тем же диаметрам, что и первона­ чальные. Точность измерений должна быть весьма высокой, так как деформация кольца составляет обычно сотые доли миллиметра. Все измерения для данного диска должно выполнять одно лицо, одним и тем же измерительным инструментом.

Иногда испытание дополняют: вырезанное из диска и обме­ ренное кольцо разрезают в одном месте в радиальном направлении (см. рис. 55, б). Вследствие нарушения равновесия сил, действо­ вавших в кольце, просвет в месте разреза изменится. В зависимости от направления и величины существовавших в кольце напряжений просвет увеличится или уменьшится на ту или иную величину.

На одном из турбостроительных заводов это испытание прово­ дили следующим образом: на кольце по обе стороны от места

175

будущего разреза на расстоянии 25 мм от него просверливали отверстия, в которые плотно пригоняли шлифованные пробки. Кольцо разрезали на фрезерном станке дисковой фрезой тол­ щиной 2 мм и диаметром 150 мм при небольшой подаче и обильном смачивании. Расстояние между пробками измеряли микрометром до и после разреза кольца с точностью до 0,001 мм. На основании результатов измерения подсчитывали напряжения

^__ ЕЬп

где Е — модуль упругости; б — изменение расстояния между мерительными пробками; п — ширина кольца; d — среднее зна­ чение внутреннего диаметра кольца до разрезания.

Впроцессе подобных испытаний на одном из дисков было за­ фиксировано раскрытие кольца столь значительное, что расстоя­ ние между пробками увеличилось более чем на 8 мм. Диск в связи

сэтим был подвергнут дополнительному отпуску, после чего остаточные напряжения, проверенные измерениями второго вы­ резанного кольца, значительно снизились.

Взаключение остановимся на методе создания в диске благо­ приятных остаточных напряжений, способствующих повышению надежности его в эксплуатации. Такой метод, называемый автофретированием, разработан и внедрен применительно к дискам сравнительно небольшого сечения для турбин малой мощности. Диск приводят во вращение с рассчитываемой для каждого типо­ размера частотой вращения, превышающей рабочую и вызыва­ ющей во втулочной части диска напряжения большие, чем предел текучести металла диска. При этом в зоне втулочного отверстия диска возникнут пластические деформации, которые при даль­

нейшем увеличении частоты вращения будут распространяться

вглубь диска в радиальных направлениях. В зоне диска ближе

кего периферии, где напряжения при вращении ниже предела текучести, деформации будут упругими. Чем больше частота вращения при автофретировании, тем больше зона и величина пластической деформации.

После остановки диска, т. е. удаления сил, вызвавших де­ формацию, упруго деформированная зона уже не может возвра­

титься к исходным размерам, так как внутренняя пластически и упруго деформированная зона сократится только на величину упругой деформации. Поэтому во внешней зоне после автофретирования будут действовать остаточные тангенциальные напря­ жения растяжения, но меньшие по величине, чем при автофрети­ ровании. Во внутренней же пластически деформированной зоне диска под влиянием внешней зоны создаются тангенциальные напряжения сжатия. Таким образом, в диске возникают благопри­ ятные остаточные напряжения, которые, накладываясь на номи­ нальные рабочие напряжения, заметно снижают их.

17§

В поковках дисков не допускаются остатки околоусадочной рыхлости, крупные неметаллические включения или значитель­ ные скопления мелких включений, плены, инородные тела и др. Действующими техническими условиями на шлифованных и тра­ вленых поверхностях поковок дисков допускаются отдельные (не более 15) разрозненные шлаковые включения длиной до 2 мм включительно. Дефекты в виде неметаллических включений раз­ мерами до 1мм не служат препятствием для сдачи диска в эксплуа­ тацию, если эти включения не образуют скоплений. Диски с де­ фектами на поверхности отверстия во втулке, а также дефектами, расположенными цепочкой, независимо от участка, где они обна­ ружены, обычно бракуют. Не допускаются в поковках дисков тре­ щины и флокены; последние особенно опасны.

Флокены представляют собой нарушения сплошности металла, выявляющиеся на обработанной поверхности в виде очень тонких извилистых трещин, а на изломах образцов или изделий — в виде серебристых пятен округлой формы и кристаллического строения, резко выделяющихся на фоне излома. Размеры флокенов бывают различные — длина от долей миллиметра до 40 мм и более. Фло­ кены почти не встречаются в литой стали. Они поражают кованые изделия, причем в менее прокованных участках флокены встре­ чаются чаще, чем в плотных, хорошо прокованных. В поковках дисков, например, флокены чаще обнаруживаются в более мас­ сивных, менее прокованных ступицах, чем в полотне или ободе. Флокены могут образовываться в сталях самого разнообразного состава, в том числе в простых углеродистых.

Как показали обширные многолетние исследования, выпол­ ненные П. В. Склюевым и др., в крупных поковках флокены рас­ полагаются или берут начало в ликвационных участках, богатых углеродом, фосфором, серой и легирующими элементами. Флокены снижают пластичность стали. Если в изломе образца, испытанного на разрыв, имеется характерное пятно флокена, то относительное удлинение и сужение такого образца, как правило, резко снижены. Флокены, имеющие значительную протяженность в двух направ­ лениях, снижают также и прочность стали. Флокены, как острые прорези в толще металла, являются концентраторами напряжений и при знакопеременных нагрузках могут развиться в трещины усталости.

Если на поверхности поковки обнаружен хотя бы один флокен, то можно ожидать, что в теле поковки их много. При обнаружении флокенов в одной из поковок следует тщательно проверить все поковки этой плавки, так как обычно пораженными флокенами оказываются поковки данной плавки, откованные и термически обработанные по одинаковому или аналогичному технологическому процессу.

Влияние флокенов на механические свойства стали можно показать на примере поковки из хромоникельмолибденовой стали. Механические свойства этой поковки, термически обра-