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

Перед испытанием деталь очищают и подогревают до 40—60° С для некоторого увеличения размеров дефектов. В качестве флуо­ ресцирующего раствора применяют трансформаторное масло; смесь авиационного масла с керосином; смесь легкого минерального масла с керосином с добавлением небольшого количества (5%) ан­ траценового масла.

Люминесцентный метод применяют и в несколько измененном виде. Изделие погружают на несколько минут в смесь, состоящую из 15% авиационного масла и 85% керосина или из 25% автола и 75% керосина. Затем изделие просушивают и смесь минераль­ ного масла с керосином остается только в полостях дефектов, если таковые имеются в изделии (эта смесь способна проникать

вочень тонкие трещины). Высушенные изделия посыпают тонко­ размолотой окисью магния, которая в местах расположения де­ фектов пропитывается минеральным маслом и частично проникает

вполости дефектов. Далее на изделие направляют ультрафиолето­ вые лучи, под действием которых окись магния, пропитанная минеральным маслом, флуоресцирует ярким желто-зеленым цветом.

Метод цветной дефектоскопии. На явлении капиллярного про­ никновения хорошо смачивающей жидкости в трещины, поры и другие поверхностные дефекты основан успешно применяемый в турбостроении метод цветной дефектоскопии. Испытываемую деталь погружают на 10— 15 мин в смесь керосина и трансфор­ маторного масла (отношение объемов примерно 2 : 1) или керосина и скипидара (в равных объемах). Смесь окрашивают в ярко-крас­ ный или красно-оранжевый цвет. Если погрузить деталь в ванну с указанным раствором невозможно, то раствор наносят на поверх­ ность детали кистью. Затем деталь промывают сильной струей холодной воды для удаления с поверхности окрашивающего рас­ твора. Если деталь имеет трещины, поры и другие дефекты подоб­ ного рода, то раствор остается в полостях дефектов. Далее по­ верхность детали покрывают тонким слоем каолина, разведенного в воде, и просушивают теплым воздухом. Дефекты четко высту­ пают на покрытой каолином поверхности. Детали следует осматри­ вать дважды: через 3—5 мин и через 20—30 мин после про­ сушки.

Пескоструйный метод. Выявить дефекты можно также при помощи пескоструйной очистки поверхности деталей, предвари­ тельно обильно смоченных керосином. В результате керосин пол­ ностью удаляется с поверхности и остается только в полостях де­ фектов. При испарении из этих полостей керосин делает дефекты видимыми. Как и при методе цветной дефектоскопии, керосин можно окрашивать, а поверхность детали после пескоструйной очистки покрывать мелом или раствором каолина.

В научно-исследовательских институтах и лабораториях турбо­ строительных заводов ведется систематическая работа по дальней­ шему совершенствованию существующих и изысканию новых

80

эффективных и надежных методов выявления поверхностных и внутренних дефектов в металлических заготовках турбинных деталей.

Дефектоскопию осуществляют не только на заводах, поставля­ ющих литье, поковки, штамповки и прокат для турбин, но и на турбинных заводах, а также на электростанциях в процессе эксплуатации турбин. Например, на электростанциях осуществ­ ляют ультразвуковым и магнитным методами контроль турбинных лопаток, сварных швов на трубопроводах; выполняют макротрав­ ление отливок корпусов клапанов и пр. Хорошо поставленный де­ фектоскопический контроль имеет важнейшее значение для на­ дежной работы турбин.

6 М. Ф . Сичиков

Глава II

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТАЛЛОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Большинство ответственных деталей турбин работает в усло­ виях длительного воздействия высоких температур. В условиях воздействия температуры свежего пара или близкой к ней рабо­ тают детали парораспределения и регулирования, сопловой ап­ парат, рабочие и направляющие лопатки и диски первых ступеней турбины и ступеней после промежуточного перегрева пара и др. Тепловая энергия пара, поступающего в турбину, превращается в механическую энергию вращения ротора турбины. Давление и температура пара, движущегося через неподвижные сопла и вра­ щающиеся каналы, образуемые рабочими лопатками турбины, по­ степенно снижаются по мере этого движения. Таким образом, детали турбин испытывают воздействие повышенных температур в диапазоне от температуры свежего пара до температуры влаж­ ного пара, уходящего с последней ступени турбины в конденсатор.

Прочность сталей и сплавов при высоких температурах опре­ деляется прочностью межатомных связей в кристаллических ре­ шетках. С повышением температуры амплитуда тепловых колеба­ ний атомов и подвижность их в кристаллической решетке возра­ стают, а связи между атомами ослабевают. Вследствие этого со­ здаются условия, способствующие разупрочнению металла. В ре­ зультате деформация металла будет развиваться быстрее и при меньших значениях действующих внешних сил.

По границам зерен, на поверхностях раздела внутри зерен (между блоками и их группами) при повышении температуры воз­ растает диффузионная подвижность атомов, с которой связаны структурные превращения, ведущие к разупрочнению.

Чтобы металл или сплав могли более или менее длительно ра­ ботать под нагрузкой при высоких температурах, надо принимать такие меры, которые бы усиливали межатомные связи в кристал­ лической решетке, способствовали снижению подвижности атомов, задерживали их перемещения при данной температуре. Если от­ влечься от влияния структурных факторов, то можно прибли­ женно считать, что межатомные связи тем прочнее, чем выше тем­ пература плавления металли и больше работа, необходимая для расчленения кристаллов на атомы. Прочность этих связей зависит и от других факторов —■от модуля упругости, коэффициента ли­ нейного расширения, амплитуды отклонения атомов от положения

82

равновесия при тепловых колебаниях и пр. Результаты многолет­ них исследований показали, что один и тот же уровень подвиж­ ности атомов' у разных металлов наблюдается при существенно различных температурах, например, у железа, кобальта и ни­ келя — при 700—800° С, у хрома — при 1000° С, у молибдена — при 1200° С и у вольфрама — при 1600° С.

Важнейшее значение для повышения жаропрочности метал­ лов и сплавов имеет их структурное состояние. Внутризеренная и межзеренная деформация в металле развивается с разной интен­ сивностью в зависимости от препятствий, которые встречают на своем пути перемещающиеся атомы. Деформационные сдвиги бло­ кируются частицами упрочняющих фаз в твердом растворе. При этом существенное значение имеют количество, размеры, форма и расположение выделившихся частиц. Дисперсионное твердение (старение), связанное с выделением мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, является одним из эффективных методов повы­ шения жаропрочности металлов и сплавов. Тонкая субмикроско­ пическая структура в основном твердом растворе, дробление бло­ ков в пределах зерна также способствуют повышению жаропроч­ ности. Большое значение имеют несовершенства кристаллической структуры — вакансии, дислокации и др. — их взаимодействие и движение. Следует отметить и роль дисперсных частиц, которые препятствуют передвижению дислокаций, замедляя или приоста­ навливая его.

Значительное влияние на жаропрочность оказывает состояние границ зерен, так как искажения кристаллической решетки в гра­ ничных зонах зерен разрыхляют металл. Диффузионные процессы в этих зонах протекают быстрее, чем в самом зерне, и для развития диффузии по границам зерен требуется значительно меньшая теп­ ловая энергия.

В процессе кристаллизации металла на границах зерен скап­ ливаются примеси, в том числе и легкоплавкие. Присутствие та­ ких примесей даже в небольших количествах может резко сни­ зить пластичность металла при высоких температурах. Примене­ ние чистых шихтовых материалов, специальных методов выплавки в производстве жаропрочных металлов и сплавов, ужесточение требований в отношении допустимого содержания в них вредных примесей способствуют, в частности, повышению межзеренной прочности. На процессы, протекающие в граничных зонах, и на структуру границ зерен можно активно влиять специальным ле­ гированием. Жаропрочность сплава обычно повышается с ростом величины зерна.

На основе современных представлений о физической природе прочности и пластичности кристаллических тел при высоких, температурах, о свойствах различных металлов и их взаимодей­ ствии в сплавах, о влиянии на жаропрочность микроскопической и субмикроскопической структуры и несовершенств кристалли­ ческого строения металлов, о течении процессов деформации, ее

блокировании и т. п. разработаны принципы и методы легирова­ ния, технологии выплавки, горячей механической и термической обработки жаропрочных сталей и сплавов.

Химический состав таких сталей и сплавов изменяют в широ­ ких пределах в зависимости от температуры, при которой они должны будут работать, и необходимой их долговечности в опре­ деленных условиях нагружения. При выборе композиции сплавов наряду с жаропрочностью учитывают и требуемую жаростой­ кость — сопротивление окислению при высоких температурах.

Металл, на основе которого создают жаропрочный сплав, дол­ жен обладать высокой температурой плавления. Высокой должна быть и температура его рекристаллизации — процесса, физиче­ ская сущность которого заключается в том, что в деформирован­ ном металле при этой температуре атомы преодолевают силы меж­ атомных связей в деформированной решетке, образуются заро­ дыши новых, неискаженных зерен, и происходит их рост за счет перемещения атомов.

К легирующим элементам, выбираемым при формировании жаропрочного сплава, предъявляют следующие требования. Они должны способствовать торможению диффузионных процессов

всплаве при его предполагаемой рабочей температуре; создавать возможности дисперсионного твердения с выделением упрочняю­ щих фаз в мелкодисперсной форме; усиливать межатомные связи

вкристаллической решетке и т. д. Особое значение для жаропроч­ ных сплавов, которые применяют в производстве мощных паровых турбин, имеет стабильность структуры при длительной работе—

втечение 100—200 тыс. ч.

Известно, что для многих сплавов с тонкой субмикроскопиче­ ской неоднородностью строения, обеспечивающей высокий уровень жаропрочности, характерны неустойчивость структурного состоя­ ния, а также склонность к коагуляции упрочняющих фаз, заро­ ждению и росту кристаллитов новых фаз и другим изменениям структуры во время длительного пребывания под действием на­ пряжений при повышенной температуре. Эти изменения могут привести к повышению хрупкости и разупрочнению сплава. Такие сплавы, несмотря на высокий уровень жаропрочных свойств в ис­ ходном состоянии и при кратковременной службе, не могут быть целесообразно использованы в паротурбостроении. Поэтому здесь не применяют, например, многочисленные высоколегированные жаропрочные сплавы, разработанные для газотурбинных авиацион­ ных двигателей, которые предназначены для относительно кратко­ временной службы.

Турбостроители, металловеды и металлурги идут по пути со­ здания и освоения в производстве для деталей паровых турбин, работающих при высоких температурах, умеренно легированных железоуглеродистых сплавов со сравнительно невысокой в исход­ ном состоянии, но устойчивой при длительной службе в условиях воздействия постоянных и переменных напряжений жаропроч-

84

ностью, при достаточной пластичности и деформационной способ­ ности и относительно стабильной структуре.

Для изучения свойств при высоких температурах и оценки надежности металлов паровых турбин используют много методов испытаний и исследований. Далее будут рассмотрены наиболее часто применяемые методы.

ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Сравнительно просто осуществляется кратковременное испы­ тание металлов на растяжение при высоких температурах. На рис. 34 приведены образцы для таких испытаний, применявшиеся различными исследователями. В зависимости от выбранной кон­ струкции захватов и способа закрепления применяют образцы с гладкими или нарезанными головками. Для испытаний листо­ вого металла применяют плоские образцы различных размеров.

*4,

Рис. 34. Образцы для испытаний металлов на растяжение при повышенных температурах

Значительной разницы между образцами для испытаний на растя­ жение при высоких температурах и при комнатной температуре нет.

Многими исследователями установлено существенное влияние скорости нагружения образца на величину определяемых при ис­ пытаниях металла характеристик механической прочности — пре­ делов прочности и текучести. Поэтому при разработке методов таких испытаний на кратковременный разрыв специальное внима­ ние уделяют установлению скорости деформации испытываемого образца или скорости его нагружения.

Известны различные способы нагрева образцов при испыта­ ниях на разрыв: в электропечах; в ваннах из расплавленных солей или металлов; в печах с газовой средой; пропусканием тока через

85

испытываемый образец. Преимущественное применение получили электрические печи. Чтобы достичь равномерного нагрева испы­ тываемого образца, рекомендуется медленно нагревать его и до­ статочно долго выдерживать при температуре испытания до при­ ложения растягивающей нагрузки. Колебания температур по длине образца обычно допускаются не более ±5° С. Температуру измеряют непосредственно на образце или в пространстве печи. Если позволяет длина рабочего участка образца, то температуру желательно измерять не в одной, а в двух или трех его точках.

Измерения деформации образца в процессе испытаний пред­ ставляют известные трудности, связанные с тем, что образец, на­ ходящийся в печи, недоступен для непосредственных измерений. Наиболее распространенным из предложенных различными иссле­ дователями методов измерения деформаций являются следующие.

Измерение деформаций зеркальными экстензометрами. Призмы зеркал экстензометра устанавливают вне печи на специальных удлинительных планках, закрепляемых на образце при помощи хомутов, болтов или призм.

Измерение деформаций индикаторами. Вне печи монтируют индикаторы обычного (цена деления 0,01 мм) или прецизионного (цена деления 0,001—0,002 мм) типов и при помощи удлинителей различной формы передают на эти индикаторы деформацию образца при растяжении. Ввиду возможных перекосов при установке из­ мерительных приспособлений и связанной с этим вероятности ошибок на один образец ставят два индикатора. Деформацию определяют как среднюю по показаниям обоих индикаторов.

Автоматическая запись деформаций. Этот метод наиболее прост и надежен при достаточно большом масштабе диаграммы растя­ жения. Пределы прочности и текучести по диаграмме определяют таким же образом, как и при испытаниях на растяжение в усло­ виях комнатной температуры.

Методика кратковременных испытаний на растяжение при вы­ соких температурах в СССР стандартизована и предусматривает

испытания коротких (5,65]/F0) или длинных (11,3]/F0) цилиндри­ ческих образцов с диаметром рабочей части 5; 6 или 10 мм, с на­ резными головками. Рабочую часть образцов обрабатывают по 8-му классу чистоты. Можно испытывать плоские образцы тол­ щиной 0,5— 10 мм и шириной 10—20 мм. Образец нагревают до температуры испытаний в течение не менее 1 ч, время выдержки при этой температуре составляет 20—30 мин.

Испытания на кратковременный разрыв при высоких темпера­ турах показывают, что для всех металлов с повышением темпера­ туры характеристики прочности и пластичности изменяются. С увеличением времени выдержки при нагружении пределы проч­ ности и текучести снижаются. Площадка текучести на диаграмме растяжения при высоких температурах исчезает и для тех сталей, у которых при нормальной температуре она была выражена вполне отчетливо.

86

Однако результаты испытаний на кратковременный разрыв, начиная с определенных для каждой стали температур, сами по себе не могут служить достаточно надежным критерием для оценки металла, работающего в турбине, так как влияние важнейшего фактора — фактора времени — подобными испытаниями не отра­ жается.

Для углеродистых сталей предел текучести может быть исполь­ зован в качестве расчетной характеристики без учета влияния длительного воздействия нагрузок при температурах до 300—• 350° С, а для низко- и среднелегированной стали — до 400— 450° С. В практике расчетов на прочность деталей паровых турбин допускаемые напряжения определяют на основе значения пре­ дела текучести при температуре работы металла с учетом коэф­ фициентов запаса: для деформированного металла 1,65; для литой стали 2,0. При этом, начиная с температуры 350° С для углероди­ стой стали, с —430° С для теплоустойчивых, жаропрочных сталей перлитного класса, хромистых нержавеющих сталей и аналогич­ ных им и с 480—520° С для аустенитных сталей, коэффициенты запаса прочности относят не только к пределу текучести при дан­ ной температуре, но и к характеристикам прочности, полученным при длительных испытаниях.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ

Вусловиях длительной работы металла при высоких темпера­ турах первостепенное значение приобретает явление ползучести. Сущность этого явления заключается в том, что металлы, на­ ходясь в течение продолжительного времени под действием по­ стоянных по величине нагрузок в условиях более или менее вы­ соких температур, приобретают способность медленно и непре­ рывно пластически деформироваться («ползти») при напряжениях, которые значительно ниже предела текучести металла для данной температуры.

Вметалле, длительно работающем в условиях постоянной нагрузки и высоких температур, протекают сложные и разнообраз­ ные процессы. Действующие на металл напряжения вызывают деформацию и связанное с ней упрочнение — повышение проч­ ности и твердости, снижение показателей пластичности. Одно­ временно происходят структурные изменения — сдвиги в кри­ сталлах, вытягивание зерен металла в направлении действующих сил. Действие высоких температур вызывает разупрочнение — снижение прочности и твердости при повышении пластичности. Влияет высокая температура также и на перестройку структуры, искаженной при холодной деформации, — вытянутые зерна вновь восстанавливают первоначальную равноосную форму. Упрочне­ ние и изменения структуры, происшедшие в результате холодной деформации, оказываются неустойчивыми при температуре, пре­ вышающей порог рекристаллизации.

87

Одновременно происходящие в металле противоположные про­ цессы упрочнения при деформации под действием напряжения и разупрочнения под влиянием высоких температур и определяют в основном развитие явления ползучести металлов. В разных металлах ползучесть наблюдается при различных температурах

ипроявляется с разной интенсивностью. У некоторых металлов

снизкой температурой рекристаллизации (ниже комнатной), на­

пример олова и свинца, ползучесть возникает при комнатной температуре. У углеродистых сталей ползучесть наблюдается при 350—400° С, у легированных — при более высоких температурах,

участок деформации Ъс, протекающей с большой, но убываю­ щей скоростью;

участок cd деформации, происходящей с практически постоян­ ной скоростью (равномерная ползучесть);

участок de деформации с увеличивающейся скоростью (об­

с большой, но уменьшающейся скоростью ползучести. Тогда cd будет вторым участком с равномерной, практически постоянной скоростью, а de — третьим с возрастающей до разрушения образца скоростью ползучести. Этого деления кривой мы будем придер­ живаться в дальнейшем изложении.

Если деталь турбины работает при длительном воздействии достаточно высоких температур, то ее нельзя рассчитывать на прочность без учета явления ползучести, ориентируясь только на предел текучести, так как напряжения, при которых ползучесть происходит с ощутимой скоростью, могут быть значительно ниже предела текучести для данной температуры. Допускаемые напря­ жения металла детали, работающей в условиях ползучести, должны находиться в пределах участка (второго) равномерной, установив­ шейся ползучести. Напряжения, которые могут привести к работе металла в третьем участке ползучести или вблизи него, не допу­

88

скаются, так как создают опасность разрушения детали вследствие ползучести.

Влияние изменения напряжений при постоянной температуре на течение процесса ползучести ясно из рассмотрения зависимостей рис. 36. Как видим, уменьшение напряжений увеличивает дли­ тельность стадии равномерной ползучести и отдаляет третью ста­ дию, предшествующую разрушению. Возможно, следовательно, подобрать такую величину напряжений, при которой для данной температуры третья стадия ползучести за период работы детали не наступит.

Однако соблюдение только этого условия, устраняющего воз­ можность разрушения металла, еще не обеспечивает надежной работы агрегата. Деформация ползучести детали, работающей в условиях, характеризуемых вторым участком кривой, не­ прерывно возрастает. В турбине есть много деталей, взаимодей­ ствие которых с сопряженными деталями может нарушиться вследствие нарастания дефор­ маций свыше определенных пре­ делов. Так, деформация детали вследствие ползучести может привести к недопустимому из­ менению величины зазоров и натягов, в результате которого

нормальная работа конструкции нарушится. Для таких деталей недостаточно обеспечить только работу металла в пределах пер­ вого и второго участков ползучести в течение всего периода эксплуатации.

В этом случае допустимую скорость ползучести выбирают та­ ким образом, чтобы суммарная деформация ползучести детали за весь этот период не превысила определенной величины, обуслов­ ленной конструктивными соображениями. Если деталь турбины предназначена для службы в течение 100 000 ч, а ее общая допу­ стимая деформация не должна превышать 1% длины, то допусти­ мая скорость ползучести для этой детали составит 1. 10~7 мм/мм в ч или 1. 10“Б%/ч. Многие детали турбин большой мощности должны работать еще дольше — до 200 000 ч и более. Скорость ползучести металла таких деталей при той же допустимой деформации (1%) должна быть соответственно меньшей.

Задачей конструктора является назначение такого рабочего напряжения, которое при температуре эксплуатации детали вы­ зовет скорость ползучести, не превышающую допустимую сточки зрения сохранения работоспособности конструкции. Однако часто

иэтого недостаточно для обеспечения надежной работы металла

вусловиях ползучести. Если по конструктивным соображениям

89