книги из ГПНТБ / Неразрушающие методы контроля металлов на тепловых электростанциях

• Л

■н-,

∙'v √∙v∙,

БИБЛИОТЕКА ТЕПЛОМОНТАЖНИКА

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ

НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

«Э H E P Г И Я»

МОСКВА 1974

г

‘j

УЧ'З&Ш-

6∏3.4 H 54

УДК 621.311.22.002.51:669.14:620.179.16

РЕДАКЦИОННАЯ

Банник В. П., Винницкий Д. Я., Капусто И. А., Мамонтова Е. Г.,

Малкин А. Б., Медведев Ю. C., Пономарев С. H., Салимов Ю. T..

На обороте тит. л. авт.: Савкив С. В., Цюпка П. H., Дар­

миц Μ. П., Лямичев А. И.

В книге изложены методы определения химического состава, меха­ нических свойств и исследования микроструктуры металла, не тре.

бующие вырезки образцов из деталей, а также методы контроля сплошности в конструкциях оборудования тепловых электростанций при его монтаже, эксплуатации и ремонте.

Приведены краткие теоретические обоснования изложенных мето­ дов, описаны конструктивные особенности применяемых приборов.

Книга рассчитана на специалистов, выполняющих контроль каче­ ства металла и сварных соединений при монтаже и ремонте тепло­

©Издательство «Энергия», 1974 г.

Степан Васильевич Савкив Петр Николаевич Цюпка Мирон Петрович Дармиц Алексей Иванович Лямичев

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Рецензент П. А. Антикайн

Редактор Ю. Н. Новиков

Издательство «Энергия», Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговле,

Москва, M-1T4, Шлюзовая наб., 10.

і

ПРЕДИСЛОВИЕ

Надежность и экономическая эффективность работы энергетического оборудования электростанций в огром­

ной степени зависит от своевременной и правильной оцен­

ки свойств материалов, из которых оно изготовлено.

Постоянное повышение единичной мощности теплоэнер­

гетических установок сопровождается применением легированных сталей сложного химического состава, из­ делий больших толщин и размеров, увеличением коли­ чества сварных соединений. Все эти факторы усложняют

технологию изготовления и монтажа оборудования и вы­

зывают увеличение объема контрольных операций.

Качество и свойства поставляемых материалов, полу­ фабрикатов и готовых изделий определяются заводамиизготовителями и подтверждаются сертификатами. Но

иногда имеются случаи поставки оборудования электро­

станциям с дефектами (некачественная сварка, пороки литья, нерекомендованная структура стали и др.), что снижает надежность работы энергооборудования. В свя­

зи с этим во время монтажа энергетического оборудова­

ния выполняется входной дублирующий контроль монти­

руемых изделий и контроль монтажных сварных соеди­ нений.

В процессе эксплуатации и ремонта установленного

энергетического оборудования выполняются большие объемы работ по наблюдению за изменениями в металле

и его сварных соединениях, возникающих под действием рабочих температур и напряжений с целью своевремен­

ного выявления начальных стадий разрушения или дру­

гих прямых или косвенных признаков ухудшения свойств

металла.

Учитывая тяжелые последствия аварий, требующих

останова котлоагрегата, надежность применяемых мето­ дов контроля должна быть высокой. Экономический ущерб от простоя энергоблока мощностью 300 Мет в те­

3

Глава первая

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛЕЙ

Жаропрочные, технологические и механические свой­ ства стали обеспечиваются в первую очередь ее хими­ ческим составом. Поэтому контроль за соответствием

химического состава сталей, из которых изготавливают­

ся ответственные детали теплоэнергетического оборудо­ вания, требованиям проекта и ТУ имеет первостепенное

значение.

При монтаже и ремонте энергетического оборудова­

ния в зависимости от цели контроля (определение сер­ тификатных данных стали, сортировка по маркам, по­ лучение точного процентного содержания некоторых

элементов) нашли применение следующие безобразцо­

вые методы определения химического состава сталей:

полуколичественный спектральный анализ (стилоскопи-

рование); количественный спектральный анализ малых доз металла; определение содержания углерода в угле­

родистых доэвтектоидных сталях по микроструктуре.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Основным методом определения химического состава металла теплоэнергетического оборудования без вырез­

ки образцов из деталей является спектральный анализ. Физические основы метода следующие.

В нормальном состоянии атомы элементов обладают наимень­ шей внутренней энергией. Передача атому дополнительной кинети­ ческой энергии извне вызывает увеличение энергии его электронов,

в результате чего электроны переходят на оболочки, более удален­

ные от ядра, т. е. на уровни с большей энергией. Получив избыток

энергии, атом переходит в одно из возможных для него энергетиче­

ски более высоких состояний. Такой процесс перехода атома в со­

стояние с большей энергией называется возбуждением.

5

ему свойственный спектр, характеризующийся набором волн опреде­

ленной длины. Например, если электроны переходят с энергетиче­

ского уровня E2 на энергетический уровень E1, то они излучают

кванты электромагнитного излучения с длиной волны λ: he

где h — постоянная Планка l(6,6∙10~27 эрг ∙ ceκ) с—скорость света

Приборы, предназначенные для изучения спектра

посредством его фотографирования, 'называют спектро­

графами; приборы, предназначенные для визуального

изучения спектра—спектроскопами. Спектроскопы, при­ меняемые для визуального анализа состава сталей, на­

зывают обычно стилоскопами.

В спектральных приборах для разложения светового

пучка применяются призмы из прозрачных материалов

и дифракционные решетки.

Перед попаданием на грань призмы световой пучок

предварительно проходит через узкую щель с парал­

лельными сторонами. Создаваемое светом изображение

щели после прохождения призмы попадает на экран

в виде разделенных линий. Расстояния между линиями

определяются длинами волн — чем меньше длина вол­ ны, тем большее отклонение получает соответствующая

ей линия (рис. 1). Изображение щели, одной волны оп­

ределенной длины называется спектральной линией.

Перевод исследуемого металла из твердого состояния

в газообразное происходит с выделением тепловой энер­

гии при возбуждении дугового или искрового разрядов

между электродом и изделием. В дуговом или искровом

разрядах часть материала электрода и изделия разо­

гревается и частично испаряется (температура дугового ʌ

разряда 4000—8000 °С, искрового 10 000—12 000 oC и

6

при этом возникает свечение, полный спектр которого

состоит из излучений атомов анализируемого вещества

и атомов металла электрода.

Однако с момента начала действия разряда поверх­

ностные слои электродов изменяются по составу, что

приводит к изменению интенсивности спектральных ли-

ний с увеличением времени действия дуги или искры.

Этот процесс происходит до тех пор, пока в поверхност­ ных слоях электродов установится равновесие между

переходом вещества в плазму разряда и поступлением

его из нижних слоев. Время, необходимое на этот про­

пературы газового облака и других условий возбужде­ ния; C—концентрация данного элемента в пробе (в

твердом электроде, изготовленном из исследуемого ма­

териала); / — интенсивность излучения данной длины волны в светящемся облаке; b — коэффициент поглоще­

ния излучения исследумой длины волны в газовом обла­ ке источника. Для линий небольшой интенсивности Ô—1, для большой b< .

При спектральном анализе сплавов интенсивность

спектральных линий примесей сравнивают с интенсив­ ностью спектральных линий основы сплава, выступаю-

7

щпх как внутренний эталон. Таким образом, для количе­

ственного спектрального анализа необходимо выбирать две спектральные линии: линию примеси λ∏ и линию

основы или внутреннего эталона λo. Эти две линии со­

ставляют аналитическую пару. Их относительная интен­

сивность R = IuJIq является мерой концентрации данного элемента в пробе. При анализе сталей в качестве внут­

реннего эталона (линий сравнения) используются спек­

тральные линии железа. Так как относительная интен­

сивность линий зависит от температуры возбуждения, для анализа необходимо выбирать пары линий, имею­

щие одинаковый потенциал возбуждения. Такая пара линий называется гомологической. Относительная ин­

тенсивность двух гомологических линий разных элемен­

тов зависит только от их концентраций:

трацию элемента основы можно рассматривать как по­ стоянную, то относительная интенсивность двух гомоло­ гичных линий, элемента примеси и элемента сравнения

(основы) при данных условиях возбуждения зависит от

должна быть максимально чувствительной к изменению концентрации этого элемента в данном сплаве;

б) спектральная линия основы сплава (внутреннего эталона) не должна менять своей интенсивности с изме­

нением концентрации определяемого элемента и других примесей;

в) обе спектральные линии должны быть гомологич­

ными.

Таким образом, в основе эмиссионного спектрально­

го анализа лежат два положения: атомы каждого эле­ мента характеризуются вполне определенным набором

спектральных линий и интенсивность каждой спектраль­

ной линии зависит от концентрации атомов данного эле­

мента, в плазме разряда,

8

При полуколичественном спектральном анализе с по­

мощью стилоскопа концентрация элемента примеси в сплаве определяется визуально по относительной интен­ сивности аналитической пары, для которой известно соот­ ношение между значениями относительной интенсивнос­

Mnv

Рис. 2. Видимая область спектра.

видимая область спектра с рабочим интервалом 390—

670 нм (рис. 2).

Визуальный метод спектрального анализа позволяет

производить как качественный анализ сплавов, при ко­

тором определяется наличие элемента примеси, так и

полуколичественный, при котором концентрация элемен­

та определяется приближенно с относительной погреш­

ностью 10—20%. Более точное определение относитель­

ной интенсивности аналитических пар линий при коли­ чественном анализе производится при помощи фото-

метрирования соответствующих линий спектрограмм,

полученных на спектрографах или непосредственной

фотоэлектрической регистрацией. При количественном

спектральном анализе используется ультрафиолетовая и видимая область спектра в интервале длин волн

200—600 нм.

2. КАЧЕСТВЕННЫЙ И ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Для качественного и полуколичественного определе­

ния химического состава сталей и сплавов цветных ме­ таллов непосредственно на изделиях применяются CTH-

лоскопы СЛП-1 и СЛП*. -2

* Малогабаритный переносный стилоскоп СЛП-4 в условиях монтажа и ремонта не нашел применения вследствие малой разре­

шающей способности.

9