книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

33.Физические свойства перлитных сталей, применяемых для турбинных дисков

34.Механические свойства поковок дисков

взависимости от категории прочности стали

ирекомендуемые марки стали

на поковки турбинных дисков предусмотрены требования (табл. 34), которым должны отвечать механические свойства тангенциальных образцов, взятых от втулок при испытаниях в условиях комнатной температуры.

Колебания твердости в пределах одной поковки не должны превышать: между ободом и ступицей НВ 35 и между отдельными точками обода и ступицы НВ 30. Испытания твердости проводят

172

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-

35. Механические свойства поковки, пораженной флокенами

ботанной по принятому для данной стали режиму, приведены в табл. 35.

Как видим, относительное удлинение и сужение металла об­ разцов, пораженных флокенами, резко снижаются. В некоторых случаях образцы разрушаются вообще без заметного удлинения и сжатия (6 = 0; ф = 0). На образцах, имеющих флокены, на­ блюдаются иногда надрывы, расположенные перпендикулярно оси образца. Описанные испытания выполнены на цилиндриче­ ских образцах диаметром 10 мм, длиной 50 мм. При изготовлении образцов не было известно, имеются ли в них флокены и где они расположены. Из этой же поковки было изготовлено десять пло­ ских образцов таким образом, чтобы два из них не имели флокенов на поверхностях, а восемь имели видимые флокены. Все образцы были испытаны на растяжение с определением двух показателей: предела прочности и относительного удлинения. Результаты испытаний приведены в табл. 36 для семи образцов (три образца разорвались в зажимах испытательной машины).

Испытания на изгиб образцов, пораженных флокенами в де­ формируемой зоне, показали, что разрушение происходит при углах изгиба, равных 10—94°. Резкое снижение величины этого угла наблюдается во всех случаях поражения деформируемой зоны образца флокенами, конкретное же ее значение для каждого об­ разца зависит от величины и расположения флокенов. Испытания на прочность при переменных нагрузках в условиях вибрации работающих как консольная балка образцов, пораженных фло­ кенами, показали, что при одной и той же амплитуде колебаний

178

образцы разрушались в различных местах и не в зоне максималь ных напряжений (у места закрепления образца), а в том месте, где располагались флокены, хотя напряжения здесь были меньше, чем в опасном сечении. Разрушение происходило после сравни­ тельно небольшого количества колебаний, различного при разных формах, размерах и расположении флокенов в образцах.

Если флокен попадает в зону объемнонапряженного состоя­ ния образца для испытаний на ударную вязкость, то ее значение резко снижается. Пораженные флокенами диски, валы и роторы необходимо браковать. Бывают случаи, когда на значительной по размерам поверхности изделия обнаруживаются только одиндва небольших флокена. Такие изделия нельзя допускать к экс­ плуатации, потому что флокены могут оказаться на других участках деталей и в значительных количествах.

Например, на одном из турбостроительных заводов на валу турбоциркуляционного насоса длиной около 1700 мм, откованном из 3%-ной никелевой стали, при травлении всей его поверхности был обнаружен только один флокен длиной около 5 мм на шейке диаметром 100 мм. Шейка была проточена на глубину 0,75 мм. После осмотра и двойного травления проточенного участка фло­ кенов не было обнаружено, исчез и замеченный ранее флокен. Поковку все же решено было забраковать. Шейку диаметром 100 мм разрезали по плоскостям, перпендикулярным к оси вала, на несколько пластин небольшой толщины. При травлении поверх­ ностей пластин было обнаружено около 100 флокенов, которые оказались расположенными ближе к центральной зоне поковки и не вышли на поверхность. Испытания на растяжение образцов, вырезанных из пораженной флокенами зоны поковки вала, пока­ зали, что относительное удлинение образцов с флокенами в изломе составило 2,8— 10%, а относительное сужение 9,8—22,5%. Удар­ ная вязкость испытанных образцов снизилась вдвое по сравнению с полученной для образцов без флокенов.

Было предложено много гипотез, объясняющих причины обра­ зования флокенов в стали. Однако до настоящего времени все еще нет гипотезы, которая бы позволила увязать воедино все известные факты и удовлетворительно объяснить картину флокено-

образования. Наибольшее распространение имеет так называемая водородная теория, согласно которой ответственным за образова­ ние флокенов следует в основном считать растворившийся в жид­ кой стали водород, который, выделяясь при известных условиях в микропоры, всегда имеющиеся в стали, может создать очень значительные напряжения в металле, приводящие к его местным разрывам — флокенам. Несколько лет назад Ю. В. Грудина и И. Е. Брайнин высказали весьма сходные гипотезы, связывающие возникновение флокенов с взаимодействием протонов водорода, концентрирующихся около дислокаций.

Вакуумирование стали резко снижает ее склонность к обра­ зованию флокенов и является действенным средством получения поковок дисков, валов и роторов, свободных от флокенов. Другим важнейшим средством борьбы с флокенами является специальная термическая обработка поковок. Исследования И. П. Липилина, И. Д. Пичахчи, В. Я- Дубового, Е. С. Товпенца и др. позволили разработать режимы изотермического охлаждения поковок из стали легированных марок, препятствующие образованию фло­ кенов.

Примером такого режима является (по данным П. В. Склюева) следующий технологический процесс термической обработки поко­ вок турбинных дисков с высотой ступицы более 350 мм. После ковки диск подвергают промежуточной изотермической выдержке (промежуточному отжигу), состоящей из охлаждения до 250— 320° С, затем нагрева и изотермической выдержки при 640—660° С в течение 14 ч на каждые 100 мм высоты ступицы диска, с после­ дующим нагревом под окончательную ковку. Охлаждение после второй ковки также с выдержкой при 640—660° С в течение 16—■ 20 ч на каждые 100 мм высоты ступицы.

Существуют различные методы выявления флокенов. В турбо­ строении наиболее распространенным является метод макротрав­ ления. Для этого поверхности шлифуют, очищают, обезжиривают и травят 15%-ным раствором персульфата аммония в воде в течение ■ 10 мин, а затем 10%-ным раствором азотной кислоты в воде в те­ чение 5— 10 мин. Поверхность, подлежащую травлению, много­ кратно натирают ватой, обильно смоченной в соответствующем растворе кислот. В процессе травления кислоты проникают в тон­ кие трещины, разъедают их стенки и делают трещины более ши­ рокими и заметными.

Кислоты, попавшие внутрь трещин, испаряются значительно медленнее, чем с поверхности. Поэтому после того, как вся про­ травленная поверхность полностью просохнет, продолжающая испаряться из трещин кислота окисляет поверхность металла во­ круг трещины. На металле появляется хорошо видимая ха­ рактерная темная полоска, повторяющая форму трещины. Крупные, хорошо развитые флокены обнаруживаются в самом процессе травления, более мелкие— через некоторое время после него.

180

Иногда флокены выявляются только через несколько часов после окончания травления. На одном из турбостроительных за­ водов имеющая флокены поковка диска после травления раство­ рами персульфата аммония и серной кислоты была подвергнута осмотру 4 раза: непосредственно после травления; через 10 мин; через 20 ч; через 40 ч. При этом на обследованной поверхности сразу после травления было обнаружено два флокена, через 10 мин еще четыре, через 20 ч еще два флокена. Через 40 ч после травле­ ния количество выявленных флокенов осталось тем же, что и после 20 ч. Флокены, дополнительно выявившиеся при осмотре через 20 ч, были значительно меньше по размерам, чем обнаружен­ ные сразу после травления.

Техническими условиями на изготовление поковок дисков паровых турбин предусмотрено двойное травление внутренней поверхности втулки и торцов. Такую проверку наличия флокенов следует проводить дважды: первый раз на заводе-изготовителе после черновой механической и термической обработок, а второй раз — на турбинном заводе после обработки диска до мини­ мальных припусков по отношению к окончательным размерам, не превышающих 2 мм. Осматривать травленые поверхности сле­ дует дважды: первый раз через 10 мин и второй раз через 12 ч после травления.

. Кроме макротравления существуют и другие методы выявле­ ния флокенов. Магнито-керосиновая проба позволяет при интен­ сивном намагничивании выявить очень тонкие флокены и тре­ щины, не обнаруживаемые даже после двойного травления. Практикуется выявление флокенов закалкой: отрезанный от исследуемой поковки плоский образец закаливают в воде и ломают при изгибе. В изломе флокены обнаруживают в виде блестящих белых пятен. Реже применяют травление в парах дымящихся кислот, например азотной, из-за практических неудобств и опас­ ности для здоровья работников.

Весьма эффективным оказалось применение ультразвуковой дефектоскопии для выявления флокенов. Этот метод в отличие от травления, магнито-керосиновой пробы, цветной дефектоско­ пии и пр. позволяет выявить флокены в теле поковки, расположен­ ные на некоторой глубине. Удаление флокенов вырубкой, за­ чисткой и другими способами не следует практиковать, так как оно бесполезно. Единичные дефекты другого рода (трещины, плены, волосовины и пр.) можно удалять зачисткой или пологой вырубкой, если их глубина не превышает 2/3 припуска на меха­ ническую обработку.

Большое значение для надежной службы дисков паровых и газовых турбин имеет высокая деформационная способность ме­ талла, его пластичность, нечувствительность к концентрации напряжений, которая в связи с его конфигурацией возможна на многих участках диска, в том числе и значительно нагру­ женных.

181