книги из ГПНТБ / Белюнас, К. И. Методика исследования и определения свойств стали паровых котлов и другого действующего оборудования [учебное пособие]

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЛИТОВСКОЙ ССР

МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ РУКОВОДЯЩИХ И ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТНИКОВ

К. И. БЕЛЮНАС

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ СТАЛИ

ПАРОВЫХ КОТЛОВ И ДРУГОГО ДЕЙСТВУЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ

ВИЛЬНЮС — 1974

УДК 658.562.012.7 : 669.14

ВВ Е Д Е Н И Е

ВСоветском Союзе строится и эксплуатируется большое число гигантских паровых котлов высокого и сверхвысокого давления, а также современных котлов среднего и низкого давления. Наряду с этим важную роль в народном хозяйстве

играют старые паровые котлы различных типов, размеров и назначений.

При эксплуатации металл паровых котлов подвергается одновременному воздействию высоких температур, механиче­ ских напряжений и агрессивной среды. В результате этого е металле котла могут возникнуть изменения структуры, меха­ нических свойств и коррозия. Колебания температуры или нагрузки еще больше усложняют рабочие условия элементов котла и способствуют возникновению опасности разного рода повреждений. Вот почему требуется проверка металла дей­ ствующих паровых котлов.

Правила котлонадзора предусматривают проверку качест­ ва металла паровых котлов путем механических испытаний, а в некоторых случаях способом химического анализа и метал­ лографического исследования. Однако условия применения металлографического исследования, методика его проведения и значение результатов правилами котлонадзора конкретно не оговариваются.

Механические испытания, дающие количественные показа­ тели, необходимые при определении размеров конструкций и параметров режима работы оборудования, характеризуют качественное состояние металла далеко не полно. При этом остаются невыявленными природа и особенности процессов обработки металла, т. е. строение фаз и общая структура, предопределяющие свойства и поведение металла в тех или иных условиях. Механические испытания не подсказывают

3

нам причин появления определенных свойств металла и тем самым не обеспечивают рационального использования метал­ ла, не говоря уже о том, что механические испытания весьма трудоёмки, связаны с разрушением конструкций, применени­ ем сложного и дорогостоящего оборудования. Учет всего это­ го подтверждает, что упрощение методов определения свойств металлов является весьма актуальной проблемой.

В области упрощения способов определения механических свойств и выяснения их взаимосвязи со структурой металлов' работают многие коллективы исследователей. Широко извест­ ны научные школы Н. Н. Давиденкова, И. А. Одинга — В. С. Ивановой, Б. М. Равинского, М. Е. Блантера, А. Н. Гу­

добившиеся весьма ощутимых результатов. Однако имеются еще малоисследованные области. В частности, мы мало знаем о закономерностях взаимосвязей фаз структуры с показате­ лями свойств в различных условиях. Несмотря на все дости­ жения металловедения, мы немного можем сказать о качестве и поведении металла в тех или иных обстоятельствах при изменении структуры. Отсутствие данных о закономерностях взаимосвязей структуры со свойствами металлов лишает нас возможности пользоваться основным законом современного металловедения, впервые установленным П. П. Аносовым («Свойства металла определяются его структурой»).

До сих пор отсутствует также единая методика металло­ графических исследований. По этим причинам результаты металлографического исследования в практике мало ценятся и недостаточно используются. Существующие способы кон­ троля металла паровых котлов и другого действующего обо­ рудования, а также подходы оценки качества металла подле­ жат усовершенствованию.

Автор данной работы попытался разработать рациональ­ ную схему контроля качества металла паровых котлов и ино­ го действующего оборудования, пользуясь минимальным объё­ мом металла и при минимальном повреждении конструкции. Одновременно автор пытался пополнить сведения о влиянии на свойства и закономерности взаимосвязей особенностей микроструктуры и показателей механических свойств сталей при комнатной температуре и релаксации напряжения в усло­ виях, соответствующих работе паровых котлов низкого и сред­ него давления, усовершенствовать методику металлографиче­ ского исследования котельной стали и других металлов, изы­

4

скать приёмы оценки качества и определения показателей свойств по структуре, т. е. определить пригодность металла в целом, а также его пригодность для работы оборудования в различных режимах без разрушения конструкции.

1.ОБЪЕМ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Втечение двадцати с лишним послевоенных лет автор вел

проверку качества металла паровых котлов, находящихся в эксплуатации, а также изучал отечественные котельные и другие углеродистые стали, прошедшие различные методы термической обработки.

В ходе работы было произведено исследование при ком­ натной температуре макро-микроструктуры, испытание меха­ нических свойств и анализ химического состава металла 690 различных деталей 389 действующих паровых котлов; таким же опытом, а также исследованию релаксации напряжений при температуре +430° С были подвергнуты 3780 образцов углеродистых сталей, термически обработанных различными способами.

Металл действующих паровых котлов подвергался иссле­ дованиям и испытаниям в том виде, в каком он поставлялся. Стали марок 08, 15, 20 и 45 перед исследованием обрабатыва­ лись термически для образования феррита, перлита и цемен­ тита, а также видманштеттности. 3780 образцов названных сталей нагревались при температурах предварительной обра­ ботки Асз +40° С; 1000°, 1100°, 1200° и 1300° С, а затем с различной скоростью охлаждались. После предварительной термической обработки были исследованы структура, механи­ ческие свойства и релаксация напряжения 540 образцов, а остальные 3240 образцов (по 540 образцов каждой марки сталей 08 и 45 и по 1080 — марки 15 и 20) подвергались в дальнейшем термической обработке. По 540 образцов сталей марки 15, 20 и 45 помещались в герметически закрытые ме­ таллические ящики и нагревались до температуры 700° С для образования зернистого перлита; по 540 образцов сталей 08, 15 и 20 (также в герметически закрытых ящиках) нагрева­ лись до температуры 600° С для образования структурно сво­ бодного цементита. При этих температурах образцы выдержи­ вались следующими периодами: 10, 100, 200, 300 часов.

Твердость металла определялась по Бригнелю или Роквел­ лу шариковыми инденторами по обеим сторонам листовой

5

стали. Испытание на растяжение проводилось на длинных, коротких пропорциональных и кольцевых образцах согласно ГОСТам 1497-61 и 655-53; испытание на ударную вязкость —

и изготовленном нами специальном приспособлении*. Релаксация напряжения исследовалась по разработанной

нами методике, соответствующей принципам ЦНИИТМАШа (при изгибе плоских образцов 3X10X170 мм) при помощи специально сконструированного и изготовленного стенда**. Напряженные по заданной начальной величине образцы на­ гревались до +430° С и выдерживались 1, 2, 4, 8, 16, 32, 57, 80, 100, 200, 300, 400 и 500 часов. Остаточный прогиб при релак­ сации образцов измерялся в термоконстантном помещении при температуре 20° С при помощи индуктивного датчика «ВР» в комплекте с измерительным прибором типа «Митроник» с точностью до 1 мк. При этом использовалось специаль­ ное сконструированное и изготовленное нами приспособление.

Химический состав стали исследовался стандартными ме­ тодами на содержание углерода, марганца, серы, фосфора и кремния.

Структуру стали определяли при помощи металлографи­ ческих микроскопов МИМ-7 и МИМ-8. Микроструктура оце­ нивалась согласно стандартным шкалам ГОСТов 5639-65, 8233-56, 5640-68 и 1778-62.

Работа состоит из трех глав:1 — обзорная, II — экспери­ ментальная (исследование металла деталей действующих па­ ровых котлов), III — экспериментальная (даны результаты изучения котельных и других углеродистых сталей).

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

В этой главе представлены итоги металлографических исследований, механических испытаний и химического анали­ за стали деталей действующих паровых котлов. Об объёме этих работ можно судить по данным таблицы 1.

Результаты механических испытаний указывают на разли­ чие свойств стали отдельных деталей паровых котлов, нахо-

* При участии В. Юренаса. **При участии И. Бендикаса.

6

-j

дящихся в эксплуатации. Однако для металла котлов в целом эти свойства приблизительно сходные, за исключением метал­ ла труб— показатели прочности металла труб оказались несколько выше, чем у других деталей.

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что по уровню показателей механических свойств, согласно классификации Госгортехнадзора СССР от 1968 г., непригодными к эксплуа­

39 кгс/см2 — до 27%.

Результаты химического анализа показали, что состав металла деталей паровых котлов примерно одинаков, за исключением металла труб; сталь труб содержала сравни­ тельно много марганца и кремния.

Результаты металлографических исследований. При иссле­ довании макро-микроструктуры стали деталей паровых котлов автор обращал внимание на величину зерен, особенности строения пластинчатого и зернистого перлита, соотношения перлита и феррита, зернистого и пластинчатого перлита, виды цементита, неметаллических включений, видманштеттности, полосчатости и рекристаллизованности структуры, а также на микро-макротрещины (табл. 3).

Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что структура стали барабанов, жаровых труб, топок, решеток, днищ и су­ хопарников примерно одинакова. Лишь структура труб (газо­ пламенных, водяных и перегревателей) в большинстве пока­ зывает мелкозернистый феррит, сфероидизированный перлит, видманштеттность и микро-макротрещины чаще, чем сталь других деталей, но реже — структурно свободный цементит

ирекристаллизованность.

3.ИТОГИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛИ. ДЕЙСТВУЮЩИХ

ПАРОВЫХ к о т л о в

Результаты проведенных исследований показали, что механические испытания или анализ химического состава, или даже то и другое, вместе взятое, характеризует качество металла далеко не полно, требуя, однако, при этом немалого количества металла.

8