Материалы оборудования ТЭС

рудования и трубопроводов на стадиях их изготовления на машиностроительных заводах, монтажа на стройплощадках и ремонта в цеховых условиях.

Для обеспечения высокой жаропрочности используют специальное легирование и последующую термическую обработку. При повышенных температурах из пересыщенного твердого раствора с ограниченной растворимостью выделяются упрочняющие частицы, которые затрудняют движение дислокаций. Легирование и термическая обработка определяют структурный класс сталей, уровень механических свойств и предельную рабочую температуру.

В табл. 2.2 приведены значения предельной рабочей температуры для нескольких марок легированных сталей различных классов, широко используемых в теплоэнергетике.

Таблица 2.2. Предельная рабочая температура для некоторых марок легированных

сталей

Правильный выбор конструкционных материалов является важным условием надежности, долговечности и экономичности эксплуатации оборудования и трубопроводов в теплоэнергетике.

Тема 2.2. ОСНОВНЫЕ СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

Исходя из специфических эксплуатационных условий, в которых работает оборудование ТЭС, жаропрочность, жаростойкость, коррозионноэрозионная и радиационная стойкость являются основными служебными свойствами.

Жаропрочность. Одним из основных требований, предъявляемых к металлу энергоустановок, является высокая жаропрочность. Жаропрочность– способность металлов и сплавов длительно работать без разрушения под воздействием внешних нагрузок и повышенных температур [2, 4]. Знание характеристик жаропрочности важно при выборе материала, когда металл деталей и конструкций нагревается до температуры выше температуры плавления

61

Тпл. Чем выше рабочая температура, действующее напряжение и длительность эксплуатации, тем более высокие требования предъявляются к жаропрочности металла.

Впроцессе эксплуатации металла при высоких температурах ускоряются диффузионные процессы, изменяются исходные микроструктура и механические свойства материалов. При повышении температуры значительно возрастает число вакансий и увеличивается подвижность точечных дефектов. Диффузия способствует перемещению дислокаций путем их переползания, в результате чего реализуется диффузионный механизм пластической деформации (ползучести). При увеличении времени эксплуатации снижается прочность, полученная при исходной термической обработке, происходит потеря упрочнения, вызванного пластической деформацией, за счет возврата и рекристаллизации.

Для увеличения жаропрочности конструкционных материалов необходимо ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузионные процессы. Это возможно за счет повышения прочности межатомных связей, создания препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах и увеличения размеров зерен. Чем крупнее зерно, тем меньше протяженность межзеренных границ и слабее межзеренное скольжение и диффузионные перемещения.

Воснове явлений, характеризующих жаропрочность, лежат процессы, происходящие при ползучести. Чем медленнее увеличивается деформация, а следовательно меньше скорость ползучести, тем выше будет жаропрочность материала при заданных напряжении и температуре. Для металлов в теплоэнергетике характерна рекристаллизационная ползучесть, которая начинается при температуре, большей температуры рекристаллизации Трек. Следовательно, чем выше Трек материала, тем выше его жаропрочность. Поэтому одним из путей повышения жаропрочности является увеличение Трек за счет использования тугоплавких материалов в качестве основы сплавов или твердых растворов при легировании.

Тугоплавкие материалы повышают не только Трек, но и прочность межатомных связей, а, следовательно, снижают скорости диффузии и ползучести. При легировании растворенные атомы легирующих элементов повышают сопротивление ползучести за счет упругого взаимодействия с дислокациями

ивлияния на диффузионные процессы.

На скорость ползучести может сильно влиять термическая обработка, в результате которой происходит упрочнение металла вследствие выделения из пересыщенных твердых растворов упрочняющих фаз. Такие фазы в виде карбидов, нитридов, интерметаллидов создают препятствия и затрудняют

62

пластическую деформацию, что приводит к снижению скорости ползучести. Основными характеристиками жаропрочности являются:

–предел ползучести;

–предел длительной прочности.

Для оценки показателей жаропрочности металла проводят механические испытания на ползучесть и длительную прочность.

Ползучесть – это явление, заключающееся в том, что металл, нагруженный при постоянно высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформируется под воздействием постоянных во времени напря-

жений. В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации, во много раз меньшей, чем при кратковременной перегрузке при той же температуре. Повышение рабочих температур на тепловых электростанциях привело к тому, что многие детали работают в условиях, при которых появляется ползучесть.

Испытания на ползучесть проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 3248-81. Сущность метода состоит в том, что образец подвергается постоянной растягивающей нагрузке при постоянной температуре, причем фиксируется удлинение образца во времени. Образцы и схема установки для этих испытаний приведены на рис.2.1 и 2.2.

Образец устанавливают в захваты машины и помещают в печь. Измерение температуры производят прибором, обеспечивающим точность измерения не менее ±0,5%. Не реже одного раза в 2 ч проверяют температуру потенциометром. Рекомендуется автоматическая запись температуры на протяжении всего испытания.

Рис 2.1 Схема установки дли испытании металла на ползучесть: 1 – верхний захват; 2 – электропечь; 3 – термопреобразователи; 4 – образец; 5 – наружная шина; 6 – внутренняя шина; 7 – индикатор часового типа; 8 – нижний захват; 9 – грузовой рычаг; 10– грузы

63

за определенный промежуток времени. Заданная деформация устанавливается исходя из допустимых зазоров между деталями, а время – из срока службы изделия. Так, для теплоэнергетического оборудования задается деформация, равная 1 %, а время – 105 ч. При таком большом промежутке времени основная деформация соответствует прямолинейному участку диаграммы ползучести, по сравнению с которой деформация на начальном криволинейном участке ничтожно мала, и ею можно пренебречь. Тогда скорость деформации на установившемся участке для = 1 % и времени = 105 ч будет составлять

1/105 %/ч (10-5 %/ч).

Предел ползучести обозначают t , где t – температура, °С; – время,

ч; – деформация, %.

Для деталей длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1% за 105 ч.

Например, для допускаемой деформации, равной 1 %, за 105 ч при температуре t = 500 °С предел ползучести обозначается: 1550105 130 МПа (на-

пряжение, равное 130 МПа, вызывает деформацию в 1 % за 105 ч при температуре 550 °С).

Длительная прочность – это сопротивление материалов разрушению в условиях ползучести. Испытания на длительную прочность выполняются на тех же машинах, что и испытания на ползучесть, но с доведением образцов до разрушения. Обычно испытывают не менее 10 образцов из одного мате-

ности в координатах напряжение – время до разрушения (рис.2.4). При уменьшении время до разрушения увеличивается.

Чаще всего диаграмму длительной прочности представляют в виде степенного уравнения

А1 b1 ,

где A1, и b1 – постоянные коэффициенты для испытуемого материала при заданной температуре.

65

верхности металла. Чем более тщательно обработана поверхность (например, шлифовкой и полировкой), тем медленнее идет процесс окисления, так как оксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Образующаяся на поверхности оксидная пленка защищает металл от дальнейшего окисления. Защитные свойства оксидной пленки повышаются, если она плотная, не пропускает ионы кислорода и не отслаивается при механическом воздействии.

Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В табл. 2.3 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определяемая по 5-ти бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур. Металлы четвертой группы благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве имеют хорошую жаростойкость. Хром, алюминий наряду с кремнием используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Они обладают большим сродством с кислородом чем железо и благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. В процессе окисления на поверхности

67

Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной. Термическая обработка изменяет строение сплавов и, следовательно, их жаростойкость. Отжиг и нормализация приводят к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости металла.

Величина зерна практически не влияет на жаростойкость металла. Пластическая деформация снижает жаростойкость, приводит к образованию остаточных напряжений и увеличению их градиента в структуре металла.

Коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться коррозии .

В зависимости от характера и свойств окружающей среды и условий взаимодействия с ней металла существует два основных вида коррозии – электрохимическая и химическая. Электрохимическая коррозия происходит в жидких электролитах. Характерными средами для ее протекания являются влажные атмосфера и почва, вода, водные растворы солей, щелочей и кислоты. Химическая коррозия, как правило, происходит при взаимодействии металла с газовой средой.

При электрохимической коррозии возникает коррозионный ток и металл, погруженный в электролит, растворяется в результате электрохимического взаимодействия его поверхности с электролитом. При этом на поверхности металла образуются коррозионные микрогальванические элементы типа анод-катод. На аноде происходят ионизация и растворение в электролите атомов металла, а на катоде восстановление окислительного компонента, содержащегося в окружающей металл коррозионной среде (электролите). Таким образом, при электрохимической коррозии окисление металла является результатом действия двух взаимосвязанных электрохимических процессов: ионизации атомов металла (анодный процесс) и восстановления окислителя (катодный процесс).

Схема работы анодно-катодного коррозионного элемента представлена на рис.2.5.

Рисунок 2.5. Схема электрохимического анодно-катодного процесса

68

плуатации теплоэнергетического оборудования наиболее проблемной является газовая коррозия, развивающаяся при взаимодействии с газовой средой. Этот вид коррозии происходит при температурах, превышающих 550 °С в кислородосодержащих газовых средах, на воздухе, в углекислом газе, сухом водяном паре, чистом кислороде и в топочных газах котельного оборудования.

Рисунок 2.6. Виды электрохимической коррозии: а– сплошная равномерная; б – сплошная неравномерная; в – структурно-избирательная; г – пятнами; д – язвами; е – точ-

ками (питинговая); ж – подповерхностная; з – межкристаллитная

Для защиты от электрохимической коррозии широко применяют явление пассивации. Пассивность – это состояние повышенной коррозионной устойчивости металлов и сплавов, вызванное преимущественным торможением анодных процессов. Пассивное состояние возникает при образовании тонких прочных и непрерывных пленок, равномерно покрывающих поверхность материала. Переход от активного состояния к пассивному связан с ростом электродного потенциала.

Наиболее типичным видом химической коррозии теплоэнергетического оборудования является газовая коррозия. При высокотемпературной эксплуатации теплоэнергетического оборудования наиболее проблемной является газовая коррозия, развивающаяся при взаимодействии с газовой средой. Этот вид коррозии происходит при температурах, превышающих 550 °С в кислородосодержащих газовых средах, на воздухе, в углекислом газе, сухом водяном паре, чистом кислороде и в топочных газах котельного оборудования.

Главной причиной разрушения поверхности деталей является термодинамическая неустойчивость металла, находящегося в рабочей газовой среде. В связи с этим окислительный компонент среды, отнимая у металла валентные электроны, образует оксид, который обладает высокой стабильностью в

70