Измерение твердости металла

Контроль твердости металла переносными твердомерами непосредственно на объекте дает возможность оперативной косвенной оценки прочностных характеристик металла элементов энергооборудования без их повреждения.

К стандартным методам измерения твердости металлов относятся измерения твердости по Бринеллю, по Виккерсу и по Роквеллу. Допускается применять полученные по Бринеллю или по Виккерсу значения твердости для косвенной оценки механических характеристик металла . В качестве испытательной аппаратуры для определения характеристик твердости допускается использовать переносные приборы механического, физического и физико-механического действия. Погрешность измерения твердости прибором не должна превышать ±5%.

Поверхность испытуемого объекта в зоне измерения твердости должна быть сухой, чистой и свободной от краски и окисной пленки. При зачистке поверхности необходимо принять меры, исключающие изменение свойств металла из-за нагрева или наклепа. Шероховатость поверхности R_a после обработки должна соответствовать требованиям инструкции по эксплуатации прибора, но не должна превышать 1,25 мкм. Линейный размер зачищенной и подготовленной под контроль площадки должен составлять не менее 10 мм, за исключением случаев измерения твердости на криволинейных поверхностях малого радиуса.

При измерении твердости с помощью прибора статического вдавливания толщина испытуемого изделия должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка при использовании сферического индентора или конуса и полуторократной величины диагонали отпечатка при использовании четырехгранной пирамиды. При использовании прибора динамического вдавливания толщина испытуемого изделия должна составлять не менее 10 мм.

При измерении твердости поверхностного слоя его толщина должна быть не менее 1,3 диаметра отпечатка. При измерении твердости на криволинейных поверхностях радиус кривизны должен быть не менее 15 мм. Контроль твердости следует проводить при температуре металла, не выходящей за пределы 0°…+50 °С.

При использовании приборов механического действия необходимо обеспечить приложение действующего усилия перпендикулярно поверхности испытуемого изделия. На каждой контрольной площадке должно быть проведено не менее трех измерений. Величина твердости для каждой контрольной площадки определяется как среднеарифметическое значение результатов трех измерений.

При измерении твердости механическим вдавливанием (статическим или динамическим), после снятия нагрузки проводят измерение диаметра (или диагонали) отпечатка. Диаметр (или диагональ) отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднеарифметическое этих двух измерений.

Обработка результатов измерений проводится в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора. Результаты измерений (показания прибора) переводятся в величины твердости по градуировочным (переводным) таблицам или по соответствующим формулам.

Лекция 12. Микроструктурный мониторинг

Целью микроструктурного мониторинга является оценка основных характеристик микроструктуры металла в процессе эксплуатации оборудования. Технология мониторинга включает в себя определение мест контроля, подготовку шлифов, выборку микрообразцов или снятие реплик, металлографический анализ средствами оптической или электронной микроскопии.

Определение опасных зон элементов, из которых должны производиться выборки микрообразцов или снятие реплик, осуществляется на основании расчетов (максимальное исчерпание ресурса) и результатов предыдущего исследования методами УЗК, МПД, ВТК и ДАО-технологии. В трубопроводах обычно такими местами являются растянутая зона и переходы от изогнутой части гиба к прямым участкам, металл шва и прилегающий к нему основной металл сварных соединений.

Контроль микроповреждений на поверхности элементов в опасных зонах сначала производится на предварительно подготовленных площадках-шлифах с помощью переносного микроскопа или метода реплик. При подготовке шлифа удаляется верхний обезуглероженный слой толщиной около 1 мм, затем на поверхности производится многократное химическое травление и полировка. Размеры шлифа должны быть не менее 3020 мм.

Реплики представляют собой отпечаток структурного рельефа исследуемой металлической поверхности. Для их изготовления применяют материалы в виде пленок на основе ацетатов целлюлозы. Сначала пленка увлажняется ацетоном и прижимается к исследуемой поверхности. После высыхания полученная реплика отделяется от поверхности шлифа, закрепляется на стекле скотчем рельефной поверхностью наружу и затем исследуется с помощью оптического микроскопа при увеличениях от 50 до 1000.

Ацетатная реплика воспроизводит все детали микроструктуры шлифа: границы зерен, выделения на границах, включения, трещины, поры. По разрешающей способности результаты исследования с помощью оптического микроскопа шлифов поверхности и реплик равноценны, каждый из них позволяет выявить дефекты размером до 0,1 мкм.

В зонах, где выявлены микродефекты, производится выборка микрообразцов методом электроэррозионной резки. Для анализа структуры металла обычно выбираются по два микрообразца размером 831,5 мм, смещенных относительно друг друга не менее чем на 40 мм. Глубина лунки, создаваемой при выборке микрообразца, не должна превышать 1,8 мм. Лунка удаляется мелкозернистым наждачным камнем с помощью шлифмашинки, в результате чего образуется плоская лыска размером 20-30 мм со сглаженными кромками. Толщина удаленного слоя не должна превышать 2 мм.

Допускается вырезать микропробы существенно малых размеров (толщиной менее 1,5 2 мм) способом электроэрозионной резки из спинки (растянутой зоны) гибов и из концентраторов напряжений при условии, что нормативные требования по прочности данных элементов не будут нарушены.

Определение химического состава стали элементов оборудования (например, с целью идентификации марки стали) допускается проводить путем отбора стружки сверлом или шабером.

Стружка для химического анализа отбирается с предварительно зачищенной механическим способом поверхности металла. Взятая стружка должна быть светлой без следов пережога. При отборе стружки засверловкой наносятся отверстия диаметром не более 6 мм для элементов с толщиной стенки до 20 мм и не более 10 мм для остальных элементов. Глубина отверстий не должна превышать 25% от толщины стенки элемента, но не должна превышать 8 мм. Расстояние между ближайшими кромками отверстий должно быть не менее 50 мм для элементов наружным диаметром до 100 мм, не менее 70 мм для элементов наружным диаметром до 150 мм и не менее 100 мм - для остальных элементов. Отверстия не должны быть расположены в один ряд. Последний отрезок сверления рекомендуется проходить сверлом со скругленной вершиной. Для определения содержания четырех - пяти элементов требуется не менее 10 г стружки. Для определения химического состава на спектроанализаторе рекомендуется выполнить микровыборку металла сколом или срезом. Площадь контрольной поверхности отобранного микрообразца должна составлять примерно не менее 11 см .

Отобранные микрообразцы и реплики исследуются на наличие и характер распределения неметаллических включений, определяется величина зерна, размеры и ориентация пор, наличие микротрещин. По результатам микроструктурного анализа оценивается категория повреждения микроструктуры металла (КПМ) согласно признакам, приведенным в табл.12.1.

Таблица 12.1.

Категории повреждения микроструктуры металла гибов паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в процессе длительной эксплуатации

КПМ	Характеристика микроструктуры
1	В пределах исходной сдаточной микроструктуры.
2	В пределах исходной браковочной микроструктуры или небольшие изменения исходной сдаточной микроструктуры на начальной стадии старения: четкие границы зерен, дисперсные карбиды располагаются по телу и границам зерен.
3	Заметные изменения исходной (сдаточной и браковочной микроструктуры): границы зерен частично размыты, карбиды размером 1-1,5 мкм располагаются по границам и телу зерен.
4.1 4.2	Существенные изменения исходной сдаточной (4.1) и браковочной (4.2) микроструктуры: наблюдается сильное размывание границ; карбиды укрупняются до 1-2 мкм, располагаясь преимущественно по границам зерен, приграничные участки шириной до 3 мкм обеднены карбидами.
5.1 5.2 5.3 5.4	Большие изменения исходной микроструктуры, характеризующиеся образованием микропор: · наличие единичных изолированных микропор со средним размером до 2 мкм; · наличие множественных микропор со средним размером до 2 мкм без определенной ориентации; · наличие множественных микропор со средним размером до 2 мкм, ориентированных по границам зерен; · наличие множественных микропор, ориентированных по границам зерен, увеличение размера пор до 2.5-5 мкм.
6.1 6.2	Значительные изменения микроструктуры, характеризующиеся образованием цепочек микропор по границам зерен · наличие цепочек пор в пределах одного зерна; · наличие цепочек пор в пределах нескольких зерен.
7.1 7.2	Наличие цепочек пор, слившихся в микротрещины. Наличие микротрещин по границам зерен вплоть до развития макротрещин.

Изображения микроструктуры металла с помощью видеокамеры или цифрового фотоаппарата через насадку микроскопа регистрируются и записываются в память компьютера в виде рисунка стандартных форматов bmp или jpeg.

Контроль микроструктуры и микроповрежденности металла проводят обычно после монтажа и в период текущих, средних и капитальных ремонтов энергоблоков.

Вырезку микрообразцов проводят для элементов:

• после монтажа или замены элемента;

• после 100000 часов эксплуатации;

• после достижения расчетного ресурсаж

• далее каждый капитальный ремонт.

Контроль проводится в период капитальных, средних и текущих ремонтов. В период капитальных ремонтов контролируются все указанные элементы. В период средних и текущих ремонтов контролируются те элементы, информация о состоянии которых необходима для предварительного планирования работ, выполняемых при капитальных ремонтах.

Для исследования с помощью электроэрозионной установки вырезают по два образца из мест, подверженных наибольшим температурам и деформациям. У роторов турбин такими местами являются зона первой ступени, у паропроводов – их гибы. При необходимости также контролируются места, имеющие наибольшую статистическую частоту повреждений.

Для выявления микроповреждености порами ползучести основного металла и зон сварных соединений паропроводов и элементов другого оборудования, изготовленных из сталей перлитного класса, применяется многократная полировка и травление вырезанного образца. На образце чередование травления и полирования проводят до выявления пор при 500 1000-кратных увеличениях микроскопа. Для получения чистой травленой поверхности предварительную и конечную обработку образца проводят чистым этиловым спиртом.

Участками исследования микроповрежденности прямых труб и гибов паропроводов служит их наружная и внутренняя поверхность в зонах наибольшего уровня напряжений. Участком исследования микроповрежденности сварных соединений служит металл шва, ЗТВ и основной металл.

Объемная доля пор , т.е. доля площади, занимаемой порами на образце (или реплике), рассчитывается по формуле:

,

где V_i - объем пор; V - объем металла; S_i - доля площади шлифа, занятая порами; S - площадь поверхности образца или реплики; S_F - исследуемая площадь образца или реплики; i…n - количество пор; - коэффициент сферичности отдельной поры; D_i и d_i - максимальный и минимальный размер поры соответственно.

Оценку стадии микроповрежденности металла порами ползучести для сталей перлитного класса проводят по «Шкале микроповрежденности сталей перлитного класса» (Приложение И), по «Шкале микроповрежденности металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф» (Приложение К).