НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

СИРОТЮК

Андрій Михайлович

УДК 620.191.33

ВСТАНОВЛЕННЯ УМОВ ПОВЕРХНЕВОГО ТРІЩИНОУТВОРЕННЯ

ПРИ ЦИКЛІЧНОМУ ДЕФОРМУВАННІ

СТАЛЕЙ ЕНЕРГЕТИЧНОГО УСТАТКУВАННЯ

У ВОДНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Дмитрах Ігор Миколайович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу фізичних основ руйнування

та міцності матеріалів

Офіційні опоненти: | член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Андрейків Олександр Євгенович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, старший науковий співробітник відділу конструкційної міцності матеріалів в робочих середовищах

кандидат технічних наук

Ковальчук Ярослав Олексійович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри матеріалознавства

Провідна установа: | Інститут проблем міцності НАН України (м. Київ),

відділ фізичних основ міцності та руйнування

Захист відбудеться “ 16 ” жовтня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий “ 5 ” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | Никифорчин Г.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Технічна діагностика відповідальних конструкцій, що експлуатуються в умовах сумісної дії циклічних навантажень та корозійно-агресивних середовищ є актуальною науково-технічною проблемою, зокрема для визначення ресурсу об’єктів тривалої експлуатації. Численними дослідженнями доведено, що процеси руйнування елементів конструкцій та деталей машин під впливом сумісної дії механічних навантажень та корозійних робочих середовищ обумовлені рядом фізико-хімічних локалізованих процесів утворення та розвитку у матеріалі, тріщиноподібних дефектів. При цьому поряд з місцями підвищеної концентрації напружень (отвори, вирізи, щілини та інші технологічні та конструктивні концентратори напружень), ці процеси часто виникають і на гладких деформованих поверхнях, що зумовлено гетерогенністю їх фізико-хімічного стану. Це підтверджено, зокрема, останніми статистичними даними Державного науково-дослідного інституту теплоенергетики, а саме: близько 60-ти відсотків випадків, виходу з ладу теплоенергетичного устаткування, зумовлено первинними корозійно-механічним пошкодженнями та утворенням і подальшим розвитком поверхневих тріщиноподібних дефектів. Таким чином виникає гостра потреба в розробці ефективних методів оцінки цих явищ, і адекватних розрахункових схем для інженерної практики. На сьогоднішній день такі методи розвинуті в літературі недостатньо, особливо в плані врахування специфіки взаємодії робочого середовища з приповерхневими деформованими шарами матеріалу.

У зв’язку з цим, визначення характеристик та критерію поверхневого тріщиноутворення в циклічно деформованих конструкційних металах у взаємозв’язку з параметрами фізико-механічного стану його поверхні та механізмами дії робочого середовища, є актуальною науковою та прикладною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з наступними науково-дослідними темами, які виконувалися у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно тематичних планів Національної академії наук України і в яких дисертант був виконавцем:

· тема НД-10/167 “Дослідження характеристик фізико-хімічних процесів руйнування деформованих металів при локальній взаємодії з робочими корозійними середовищами” (постанова Бюро Відділення ФТПМ Президії НАН України за № 8 від 13 травня 1997 року, номер державної реєстрації – 0197U003370);

· Регіональна програма з визначення залишкового ресурсу конструкцій, споруд і машин тривалої експлуатації та розробки заходів щодо продовження терміну їх без аварійної роботи на 2001-2005 роки (виконується в рамках тематичного плану міжвідомчої комісії з питань науково технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення критерію поверхневого тріщиноутворення в сталях енергетичного устаткування при їх циклічному деформуванні в робочих корозійно-агресивних середовищах та розробка на цій основі інженерної оцінки періоду зародження поверхневої тріщини в залежності від експлуатаційних чинників.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних задач:

· розробити методику для дослідження поверхневої пошкоджуваності конструкційних сталей, яка б забезпечувала реєстрацію та аналіз змін фізико-механічного стану поверхні в межах кожного циклу навантаження;

· встановити і обґрунтувати базові параметри досліджуваних процесів, зокрема характеристичні значення прикладених напружень, що спричиняють суттєву електрохімічну активацію деформованої поверхні для даних систем “матеріал-середовище”;

· розробити модель процесу поверхневого тріщиноутворення, як результат одночасної дії циклічних напружень та електрохімічних процесів;

· встановити критерій зародження поверхневої тріщини, як функцію напружено-деформованого та фізико-хімічного стану поверхні матеріалу;

· розробити метод визначення періоду зародження поверхневої тріщини та застосувати його для оцінки експлуатаційної надійності трубопроводів енергетичного устаткування із сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т.

Об’єкт дослідження: процес руйнування трубопроводів енергетичного устаткування, що реалізується шляхом утворення та подальшого розвитку поверхневих тріщиноподібних дефектів під дією експлуатаційних чинників.

Предмет дослідження: характеристики та критерій утворення поверхневих тріщин у сталях 12Х1МФ та 08Х18Н12Т при їх циклічному деформуванні у водних робочих середовищах.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є одночасне врахування механічних та електрохімічних чинників, що визначають процес поверхневого тріщиноутворення при циклічному деформуванні сталей в корозійних середовищах:

· поєднанням методів механічних випробовувань матеріалів та стандартних електрохімічних вимірювань визначались характеристичні значення прикладеного механічного напруження, починаючи з якого відбувається суттєва електрохімічна активація циклічно деформованої поверхні металу;

· методами експериментальної механіки руйнування визначались довжина поверхневих тріщин, як функція числа циклів прикладеного навантаження при випробуваннях у середовищах з різним рН;

· стандартними потенціостатичними методами електрохімічних вимірювань визначались часові залежності інтегрального корозійного струму, що протікає на циклічно деформованій поверхні металу в процесі випробування зразків;

· методами механіки руйнування визначались кінетичні діаграми росту тріщиноподібних дефектів з гладкої деформованої поверхні в залежності від умов випробувань досліджуваних сталей;

· методом пластичних реплік встановлювалась ступінь корозійно-механічної пошкоджуваності досліджуваної поверхні та стадійність процесу поверхневого тріщиноутворення;

· розрахунковими методами механіки руйнування визначався період утворення поверхневої макротріщини, а також допустима глибина тріщиноподібних дефектів у залежності від експлуатаційних чинників.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації розроблено методику експериментального дослідження корозійно-механічної пошкоджуваності циклічно-деформованих металевих поверхонь, що містить нові наукові підходи і дозволяє визначити зміну фізико-механічного стану поверхні в межах кожного циклу навантаження. Введено та обґрунтовано новий параметр – характеристичне напруження , що спричиняє суттєву електрохімічну активацію деформованої поверхні і показано його кореляцію з кінетикою утворення тріщиноподібних поверхневих дефектів. Розроблено нову модельну схему та запропоновано критерій зародження поверхневої корозійно-втомної тріщини, який є функцією параметра та параметрів електрохімічного розчинення металу на циклічно деформованій поверхні.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці інженерної оцінки періоду зародження корозійно-втомної поверхневої тріщини, що враховує як механічні, так і фізико-хімічні параметри взаємодії деформованого металу з робочим середовищем. Встановлені значення числа циклів навантаження до утворення корозійно-втомної макротріщини у стінках трубопроводів із сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т в залежності від умов експлуатації, зокрема від можливої зміни складу водно-хімічного режиму енергоблоків. Ці результати були використані у Державному науково-дослідному інституті теплоенергетики для експертного аналізу причин експлуатаційного руйнування трубопровідних систем енергоблоків ТЕС з метою встановлення механізму пошкоджень та вироблення оптимальних рекомендацій щодо їх профілактики.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення, які становлять суть дисертації отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [1] – реалізація експериментів та узагальнення одержаних даних; [2] – експериментальне встановлення умов та чисельна реалізація критерію утворення поверхневих корозійно-втомних тріщин; [3] – визначення діаграм циклічної корозійної тріщинотривкості сталей 12Х1МФ і 08Х18Н12Т та розрахунок допустимої глибини тріщиноподібних дефектів; [4] – експериментальні дослідження і встановлення кореляції між ступенем пошкоджуваності циклічно деформованої поверхні та параметрами її електрохімічного стану; [8] – розробка методики дослідження та експериментальні дані про розвиток поверхневих дефектів; [9] – експериментальні дані про механічну пошкоджуваність деформованих металевих поверхонь з постійним потенціалом електрохімічної поляризації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на 13-й Європейській конференції з руйнування (Сан-Себаст’ян, Іспанія 2000), а також на V і VI міжнародних конференціях “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів” (Львів, 2000 р. та 2002 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Приладобудування-2000” (Симеіз, 2000), відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів: КМН-2000 і КМН-2002 (Львів, 2000 і 2002 р.) та “Інструмент-2000” (Львів, 2000), на яких автор особисто доповідав одержані результати.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 праць, з них 4 у фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку літературних джерел (116 найменувань) і додатку. Загальний обсяг роботи становить 137 сторінок, в тому числі 53 рисунків, 18 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі стисло висвітлено стан проблеми утворення і розвитку тріщиноподібних дефектів з гладких циклічно деформованих поверхонь, обґрунтовано актуальність вибраної теми, визначено мету дослідження та задачі для її досягнення, показано наукову новизну, практичне значення та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі зроблено огляд літератури, що висвітлює особливості початкових стадій руйнування конструкційних металів при сумісній дії циклічних навантажень та агресивних середовищ. Наведено основні визначення та положення механіки руйнування матеріалів у корозійних середовищах. Зроблено критичний аналіз сучасного стану проблеми дослідження утворення та розвитку тріщиноподібних дефектів на гладких деформованих поверхнях, на основі якого сформульовано мету та задачі роботи.

Другий розділ присвячено методології дослідження. Для реалізації задач роботи було створено спеціальну установку, що дозволяє проводити дослідження початкових стадій корозійно-втомного руйнування матеріалів із врахуванням як фізико-механічних, так і фізико-хімічних чинників взаємодії деформованої поверхні та робочого середовища. Установка базується на випробуванні призматичних зразків з гладким вирізом в умовах циклічного згину (рис. ).

Об’єктами випробувань були сталі 12Х1МФ та 08Х18Н12Т, що застосовуються для виготовлення трубопровідних систем енергетичного устаткування. В якості корозійного середовища використовували 3 % водний розчин з додатками та для досягнення різних значень (3,0; 6,5; 9,0). Таким чином, у широкому діапазоні зміни середовища, були розглянуті два характерних випадки системи “матеріал-середовище”: корозійно активна та корозійно пасивна.

(а) | (б)

Рис. . Зразок (а) і принципова схема випробувальної установки (б): 1 – зразок; 2 – випробувальна машина для циклічного згину консольного згину призматичних зразків; 3 – система вимірювання параметрів циклічного навантаження; 4 – автоматичний потенціометр; 5 – робоча камера; 6 – корозійне середовище; 7 – електричний нагрівач; 8 – електроконтактний термометр; 9 – тиристорний вимикач; 10 – електрод для вимірювання рН; 11 – рН-метр; 12 – потенціостат; 13 – допоміжний платиновий електрод; 14 – капіляр Хаббера-Лугіна; 15 – електрод порівняння; 16 – двохкоординатний самописець; 17 – катетометр (оптичний мікроскоп).

У процесі кожного випробування контролювались та реєструвались наступні параметри: максимальне напруження циклу навантаження ; коефіцієнт асиметрії R та частота навантаження f; pH середовища; електродний потенціал досліджуваної поверхні ; інтегральний корозійний струм ; зміна корозійного струму в межах кожного циклу ; число циклів навантаження N; довжина поверхневих тріщин a та зображення досліджуваної поверхні, які в електронній формі аналізувались за допомогою персонального комп’ютера. Крім цього, за спеціальною процедурою визначалось характеристичне значення напруження , починаючи з якого відбувається суттєва електрохімічна активація поверхні металу в межах кожного циклу навантаження. Схема досліджуваних параметрів представлена на рис. .

Рис. . Схематичне представлення параметрів, що контролювались у процесі корозійно-втомного дослідження.

Рис. . Зміна корозійного струму протягом одного циклу навантаження в сталі 12Х1МФ при випробуваннях у середовищах із різним :

1 – навантаження; 2 – розвантаження. | У третьому розділі розглянуто особливості впливу циклічних напружень на електрохімічний стан деформованих поверхонь. Встановлено наступні тенденції зміни корозійного струму в межах циклу навантаження. По-перше, значення зростає із навантаженням досягаючи свого максимуму при . При розвантаженні значення спадають до певної величини при , що є більшою від величини на початку циклу навантаження. Це зумовлює зростаючий характер зміни інтегрального корозійного струму з числом циклів навантаження , що узгоджується з відомими тенденціями електрохімічної активації металів циклічним напруженням. По-друге, в межах кожного циклу навантаження існує певне характеристичне значення напруження , з досягненням якого відбувається значне зростання струму (рис. ).

Встановлено, що параметр є характеристикою системи “матеріал-середовище” і показано тенденції його зміни в залежності від класу матеріалу, середовища та числа циклів навантаження. В якості прикладу це проілюстровано на рис. .

Рис. . Залежність параметра від кількості циклів навантаження N при випробовуваннях в середовищах з різним .

Слід відмітити, що зміна параметра з числом циклів навантаження корелює з кінетикою зародження корозійних пошкоджень та поверхневих тріщиноподібних дефектів (рис. ). Цей факт може бути покладений в основу нового методу діагностики корозійно-механічної пошкодженності деформованих металевих поверхонь.

Рис. . Кореляція зміни параметра із ступінню корозійно-втомної пошкоджуваності циклічно деформованої поверхні (сталь 08Х8Н12Т, ):

І – зародження поверхневих тріщин, ІІ – їх ріст та злиття; ІІІ – утворення макротріщин.

Таким чином, параметр можна прийняти за характеристичний, тобто такий що відбиває специфіку корозійно-втомних процесів на циклічно деформованих металевих поверхнях.

У четвертому розділі приведені закономірності процесу корозійно-механічного руйнування сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т на таких послідовних стадіях: зародження поверхневих тріщиноподібних дефектів, їх злиття (коалесценція) і утворення макротріщини, а також ріст макротріщини в глибину матеріалу. Встановлено неоднозначний вплив pH середовища на процеси поверхневого тріщиноутворення. Так середовище з pH близьким до нейтрального (pH=6,5) спричиняє найбільш помітне сповільнення процесу зародження поверхневої тріщини в сталі 08Х18Н12Т в порівнянні із кислим (pH=3,0) та лужним (pH=9,0) середовищами (рис. , крива 1). У той же час для сталі 12Х1МФ спостерігається зворотній ефект (рис. , крива 2).

Рис. . Залежність числа циклів навантаження до зародження поверхневої тріщини в сталях 08Х18Н12Т (1) та 12Х1МФ (2) від pH середовища. | Досліджено кінетику розвитку поверхневої тріщини в даних сталях і побудовано відповідні діаграми їх росту в залежності від pH середовища. З одержаних залежностей видно, що вказана тенденція впливу pH середовища зберігається і для стадії розвитку поверхневих корозійно-втомних тріщин в сталях 12Х1МФ та 08Х18Н12Т (рис. 7).

Рис. . Довжина поверхневої корозійно-втомної тріщини у сталях 12Х1МФ (а) та 08Х18Н12Т (б), як функція числа циклів навантаження N при випробовуваннях в середовищах з різним pH.

Сумісний аналіз цих даних разом із послідовними зображеннями досліджуваної поверхні дозволив ідентифікувати наступні стадії поверхневого корозійно-втомного руйнування сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т: зародження тріщин з корозійних дефектів, їх розвиток та коалесценцію – утворення макротріщини (рис. ).

а) |

б) |

в) |

г)

д) |

е) |

є) |

ж)

Рис. . Стадійність поверхневого корозійно-втомного руйнування в сталях 12Х1МФ (а, б, в, г) та 08Х18Н12Т (д, е, є, ж): зародження (а, б, д, е); ріст та злиття тріщин (в, є) і утворення макротріщини (г, ж).

Встановлено закономірності росту макротріщини в глибину матеріалу для досліджуваних випадків. Результати цих випробовувань були описані за допомогою відомої степеневої залежності Паріса , де  – довжина тріщини в глибину матеріалу (табл. ).

Таблиця 1.

Значення констант у залежності Паріса для швидкості росту тріщини в глибину матеріалу в сталях 12Х1МФ та 08Х18Н12Т

середовища | сталь 12X1МФ | сталь 08Х18Н12Т

C | n | C | n

3,0 | 3,9210-8 | 0,48 | 1,0510-8 | 0,98

6,5 | 1,9210-8 | 0,72 | 0,4910-8 | 0,97

9,0 | 5,5510-8 | 0,41 | 3,7810-8 | 0,44

Одержані в розділі результати склали основу для подальшого розвитку моделі та критерію поверхневого тріщиноутворення в досліджуваних матеріалах.

У п’ятому розділі розглянуті модель та критерій утворення поверхневої корозійно-втомної тріщини. Запропонована модель процесу приповерхневої корозійної втоми матеріалу ґрунтується на наступних положеннях:

·

·

· напруження

При цьому, як було показано, критеріальне співвідношення між довжиною поверхневої тріщини a, характеристичним значенням прикладеного напруження та параметрами електрохімічного розчинення металу має наступний вигляд:

, (1)

де  – певна функція довжини тріщини;  – максимальне напруження циклу навантаження;  – константа системи “матеріал-середовище”;  – інтегральний об’єм розчиненого металу з одиниці площі поверхні впродовж заданого числа циклів навантаження .

Значення параметра визначали на основі наступного співвідношення:

, (2)

де  – молекулярна вага металу;  – число електронів, що приймають участь у реакції електрохімічного розчинення металу;  – стала Фарадея;  – густина металу;  – частота циклічного навантаження;  – залежність інтегрального корозійного струму на циклічно деформованій поверхні від числа циклів навантаження .

Функція для всіх розглянутих випадків задовільно представляється степеневою залежністю виду:

, (3)

де та константи системи “матеріал-середовище”.

На основі розрахунків та експериментальних даних було встановлено, що параметр у критеріальній залежності (1) є величиною сталою для даного матеріалу і не залежить від середовища (рис.  а, в). Ці дані було отримано для тріщин різної довжини при зміні середовища в діапазоні .

Даний факт свідчить про однакову фізичну природу процесу корозійної втоми для всіх досліджених випадків незалежно від стадії розвитку поверхневої тріщини чи середовища, що є підтвердженням достовірності запропонованої моделі. На основі цих даних функція може бути представлена степеневою залежністю:

, (4)

де та залежать тільки від системи “матеріал-середовище”. Залежність (4) для сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т приведена на рис. (б, г).

Рис. . Взаємозв’язок між параметрами та для різних довжин тріщин (а, в): 1 – ,001 м; 2 – ,002 м; 3 – ,005 м; 4 – ,01 м; 5 – ,02 м при випробовуваннях сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т у середовищах з різним :  – ;  – ; 0 – . Функція описує приріст довжини корозійної тріщини –б, г).

Ґрунтуючись на критерії (1) із урахуванням співвідношень (2)-(4) була встановлена наступна формула для визначення довжини поверхневої корозійно-втомної тріщини:

. (5)

Розрахунки проведені за формулою (5) показали задовільну узгоджуваність із експериментальними даними (рис. ), що є свідченням достовірності запропонованого підходу, а також практичної застосовності одержаних результатів.

Рис. . Порівняння експериментальних (точки) та розрахункових (лінії) значень довжини поверхневої тріщини від числа циклів навантаження при випробовуваннях сталі 08Х18Н12Т у середовищах з різним .

Шостий розділ присвячений застосуванню результатів роботи для інженерних оцінок зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів у стінках трубопроводів енергетичного обладнання (рис. ). |

Рис. . Типове розташування та характер корозійно-втомних тріщиноподібних дефектів у стінках трубопроводів.

На основі результатів одержаних у п’ятому розділі була запропонована наступна формула для визначення числа циклів навантаження (періоду) до зародження поверхневої корозійно-втомної тріщини довжиною :

. (6)

Оцінка періоду зародження поверхневих корозійно-втомних тріщин здійснена на основі залежності (6) для досліджуваних випадків наведена в табл. .

Таблиця 2.

Число циклів навантаження до утворення поверхневої тріщини довжиною |

сталь 12X1МФ | сталь 08Х18Н12Т

Середовище | а, мм | а, мм

1 | 5 | 10 | 1 | 5 | 10

217541 | 255481 | 274469 | 32565 | 45285 | 52272

134573 | 160021 | 173304 | 49777 | 69925 | 81093

184605 | 213375 | 227405 | 34464 | 46270 | 54051

У розділі також була здійснена оцінка допустимої глибини тріщини в стінках трубопроводів у залежності від планованого терміну їх експлуатації. Дані розрахунки виконані на основі діаграм циклічної корозійної тріщиностійкості сталей 12X1МФ та 08Х18Н12Т і згідно прийнятої умови, що допустимий приріст тріщини за період експлуатації не буде перевищувати 1 мм. Особливістю цих досліджень є те, що в них врахований чинник реального експлуатаційного середовища, тобто враховувались можливі відхилення складу типових водно-хімічних режимів роботи енергоблоків і можлива наявність у середовищі нерегламентованих шкідливих домішок (табл. ).

Таблиця 3.

Водні робочі режими та їх хімічний склад

№ з/п | Хімічний склад середовища

1 | 1й розчин H3BO3 + KOH до pH 8

2 | 1й розчин H3BO3 + KOH до pH 8 + 5мг/кг Cl– (10,5 мг/кг KCl)

3 | 1й розчин H3BO3 + KOH до pH 8 мг/кг (16,3 мг/кг KNO3)

4 | Дистильована вода + NH3 до pH 9

5 | H2O + NH3 до pH 9 + 100 мкг/кг N2H4

6 | H2O + NH3 до pH 9 + 100 мг/кг N2H4

7 | H2O+ NH3 до pH + 10 мг/кг Cl–(16,5 мг/кг NaCl)

8 | H2O+ NH3 до pH 9 + 10 мг/кг Cl– (HCl); pH 3,95

9 | H2O + NH3 до pH 9 + 10–5 моль/л CH3CH2COOH; pH 5,9

а) |

б)

в) |

г)

Рис. . Оцінка допустимої глибини тріщиноподібних дефектів залежно від терміну експлуатації трубопроводу зі сталей 08Х18Н12Т (a, б) та 12Х1МФ (в, г): a, в – l/a=1/20; б, г – l/a=1/3. Номери точок на графіках відповідають порядковому номеру середовища у табл. .

Одержані дані (рис. ) показали, що значення допустимої глибини тріщини залежить від матеріалу трубопроводу, форми дефекту (відношення ) та складу середовища. Діапазон зміни цих значень становить 6...9 мм для даного типу трубопроводу. Таким чином підтверджено необхідність врахування специфіки кожного розглядуваного випадку при прогнозуванні безпечних термінів роботи трубопровідних систем ТЕС.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено обґрунтування і вирішення науково-технічної задачі, яка полягає у встановленні умов та критерію поверхневого тріщиноутворення в конструкційних металах у взаємозв’язку з параметрами фізико-механічного стану його поверхні та механізму впливу робочого корозійного середовища. Встановлено характеристики процесу зародження та розвитку поверхневих корозійно-втомних тріщин в сталях 12Х1МФ та 08Х18Н12Т під дією експлуатаційних чинників з метою використання отриманих результатів для експертних оцінок та прогнозування ресурсу трубопроводів енергетичного обладнання. В результаті виконання роботи отримані наступні основні результати:

1. Розроблено методику та технічні засоби для дослідження поверхневої пошкоджуваності та тріщиноутворення в конструкційних сталях при їх циклічному деформуванні в корозійно активних середовищах, яка дозволяє фіксувати та аналізувати зміну фізико-механічного стану поверхні в межах кожного циклу навантаження.

2. Запропоновано та обґрунтовано новий параметр для оцінки процесів корозійної втоми, що є певним характеристичним значенням прикладеного напруження в межах циклу навантаження ( = s), з досягненням якого відбувається суттєве збільшення електрохімічної активації деформованої поверхні.

3. Встановлено, що зміна параметра s корелює з кінетикою утворення та розвитку тріщиноподібних поверхневих дефектів, що може бути покладено в основу нового методу технічної діагностики деформованих металів у корозійних середовищах.

4. Одержано нові дані про кінетику розвитку поверхневих тріщиноподібних дефектів у досліджуваних сталях в залежності від прикладених циклічних навантажень та складу і pH робочого середовища.

5. Запропоновано нову модельну схему процесу поверхневого корозійно-втомного тріщиноутворення, як результат синергетичної дії циклічних напружень та електрохімічних процесів, що базується на використанні параметра s , як характеристичного напруження та передбачає домінантну роль процесу електрохімічного розчинення на циклічно деформованій поверхні металу.

6. Встановлено критерій зародження поверхневої тріщини довжиною a, який зв’язує характеристичне напруження s, максимальне напруження циклу max, величину корозійного струму Icorr та деяку константу електрохімічного розчинення металу на деформованій поверхні.

7. Запропоновано аналітичне співвідношення для визначення періоду зародження поверхневої тріщини (числа циклів навантаження) і здійснена його експериментальна перевірка.

8. Визначено період утворення корозійно-втомної тріщини у стінках трубопроводів із сталей 12X1МФ та 08Х18Н12Т, а також здійснена оцінка допустимої глибини тріщини в залежності від планового терміну експлуатації трубопроводів та чинників робочого середовища, зокрема можливу наявність у ньому нерегламентованих шкідливих домішок.

9. Результати роботи були використані для оцінки експлуатаційної надійності та залишкової довговічності трубопровідних систем енергоблоків ТЕС.

Список ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЯ. Сиротюк А.М. Встановлення умов поверхневого тріщиноутворення при циклічному деформуванні сталей енергетичного устаткування у водних середовищах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2002.

Дисертація присвячена проблемам механіки руйнування конструкційних матеріалів в умовах сумісної дії циклічних навантажень та робочих корозійно-агресивних середовищ. Об’єктами випробувань були сталі для трубопровідних систем енергетичного устаткування. Запропоновано новий параметр для оцінки процесів корозійної втоми матеріалів, що є певним характеристичним напруженням у межах циклу навантаження, з досягненням якого відбувається суттєва електрохімічна активація деформованої поверхні. Запропоновано модель та критерій зародження поверхневої корозійно-втомної тріщини, який є функцією вказаного параметра, а також параметрів електрохімічного розчинення металу на циклічно деформованій поверхні. На цій основі встановлено аналітичне співвідношення для визначення періоду зародження поверхневої тріщини.

Визначено період утворення корозійно-втомної тріщини в стінках трубопроводів із сталей 12Х1МФ та 08Х18Н12Т, а також здійснена оцінка допустимої глибини тріщини в залежності від планового терміну експлуатації трубопроводів та чинників робочого середовища.

Ключові слова: циклічне навантаження, тріщиноподібні дефекти, поверхня металу, корозійне середовище, довжина тріщини, період зародження тріщини, електрохімічне розчинення металу.

АННОТАЦИЯ. Сыротюк А.М. Определение условий поверхностного трещинообразования при циклическом деформировании сталей энергетического оборудования в водных средах. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка НАН Украины, Львов, 2002.

Диссертация посвящена проблемам механики разрушения конструкционных материалов в условиях совместного воздействия циклических нагрузок и рабочих коррозионно-агрессивных сред. Объектами испытаний были стали для трубопроводных систем энергетического оборудования. Предложен новый параметр для оценки процессов коррозионной усталости материалов, что представляет собой некоторое характеристическое напряжение в пределах цикла нагружения ( = s), при достижении которого происходит существенная электрохимическая активация деформированной поверхности. Установлена корреляция параметра s с кинетикой образования и развития трещиноподобных поверхностных дефектов, что может быть положено в основу нового метода технической диагностики деформированных металлов в коррозионных средах.

Предложена новая модельная схема процесса поверхностного коррозионно-усталостного трещинообразования, как результат синергетического действия циклических напряжений и электрохимических процессов, которая базируется на использовании параметра s , как характеристическое напряжение и предусматривает доминантную роль процесса электрохимического растворения на циклически деформированной поверхности металла.

Установлен критерий зарождения поверхностной трещины длинной а, который связывает характеристическое напряжение s , максимальное напряжение цикла max , величину коррозионного тока Icorr и константы электрохимического растворения металла на деформированной поверхности. На этой основе предложена инженерная оценка периода зарождения поверхностной коррозионно-усталостной трещины, которая учитывает как механические, так и физико-химические параметры взаимодействия деформированного металла с рабочей средой.

Определен период образования коррозионно-усталостной трещины в стенках трубопроводов из сталей 12Х1МФ и 08Х18Н12Т, а также осуществлена оценка допустимой глубины трещины в зависимости от планового срока эксплуатации трубопроводов и факторов рабочей среды, в частности, наличия в ней нерегламентированных примесей являющихся, результатом экологического загрязнения водозабора.

Результаты использованы для экспертного анализа причин эксплуатационного разрушения трубопроводных систем энергоблоков ТЭС с целью установления механизма повреждений и выработки оптимальных рекомендаций их профилактики.

Ключевые слова: циклическое нагружение, трещиноподобные дефекты, поверхность металла, коррозионная среда, длина трещины, период зарождения трещины, электрохимическое растворение металла.

SUMMARY. SyrotyukDetermining of condition of surface crack nucleation under cyclic deforming in steels for power generating equipment in aqueous environments. –

The dissertation for gaining a scientific degree of the candidate of sciences (engineering) in specialty 01.02.04. –of deformed solids – Karpenko Phisico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2002.

The dissertations related to fracture mechanics problems of structural materials under joint action of cyclic loading and operating corrosive environments. The steels for pipelines of power generating equipment were the objects for investigations. For corrosion fatigue assessment a new parameter is proposed that is some characteristic value of applied stress within loading cycle beginning from which significant electrochemical activation of deformed surface is occurred. The model and criterion of surface corrosion fatigue crack nucleation are developed. The proposed criterion is a function both characteristic stress and parameters of electrochemical dissolution of cyclically deformed surface. On this base, an analytic relation for determining of crack nucleation period was derived.

The periods of corrosion fatigue crack nucleation in pipelines walls with steels 12Kh1MF and 08KhN12T were determined and an admissible crack depth assessment was also done with takes into account of planned terms of exploitation and factor of operating environments.

Key words: cyclic loading, crack-like defects, corrosive environment, crack length, period of crack nucleation, electrochemical dissolution of metal.