Меню

Ползучесть это явление при котором в стенах труб медленно накапливается



ПОЛЗУЧЕСТЬ

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

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 и влияния 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 пластическую деформацию, что приводит к снижению скорости ползучести.

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.

При эксплуатации оборудования АЭС наблюдается радиационная ползучесть.

Радиационная ползучесть— ползучесть, вызванная облучением материала; характеризуется, как правило, повышенной скоростью.Радиационная ползучесть сталей проявляется при температуре 300–500 °С, когда роль термической ползучести еще пренебрежимо мала.

Следствием радиационно-ускоренной ползучести является существенное снижение длительной прочности материалов под действием облучения. Радиационная ползучесть происходит в результате скольжения и переползания дислокаций. Установившаяся скорость радиационной ползучести пропорциональна приложенному напряжению и повреждающей дозе.

Основной характеристикой ползучести является предел ползучести. Предел ползучести – напряжение, которое вызывает заданную деформацию 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 – 10 5 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 e = 1 % и времени t = 10 5 ч будет составлять .

Предел ползучести обозначают , где t – температура, °С; t – время, ч; e – деформация, %. — скорость ползучести

Для деталей длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1% за 10 5 ч.

Например, для допускаемой деформации, равной 1 %, за 10 5 ч при температуре t = 500 °С предел ползучести обозначается: МПа (напряжение, равное 130 МПа, вызывает деформацию в 1 % за 10 5 ч при температуре 550 °С).

Источник

Живучесть паропроводов стареющих ТЭС — Ползучесть трубопроводов

Содержание материала

Многие трубопроводы энергетических установок эксплуатируются при рабочих температурах, вызывающих развитие ползучести. В состоянии ползучести возможно значительное изменение напряженного состояния во времени. Особенно сильно изменяются напряжения, вызываемые самокомпенсацией температурных расширений: они уменьшаются от больших значений в начале периода эксплуатации до очень малых — в его конце. Напряжения от внутреннего давления и весовой нагрузки изменяются в меньшей мере; это обусловлено постоянством этих нагрузок и высокой степенью «статической определенности» напряжений.
Изменение напряжений в трубопроводе во времени можно учесть при оценке прочности введением в расчет «усредненных» напряжений. Принимается, что они составляют некоторую долю начальных напряжений, определяемых обычным расчетом трубопровода, и действуют без изменения в течение всего срока эксплуатации трубопровода. Однако определение соотношения между усредненными и начальными напряжениями должно основываться на анализе кинетики напряженного состояния трубопровода в состоянии ползучести.
Серьезное значение имеет исследование ползучести трубопроводов при самокомпенсации температурных расширений. Задачу о ползучести трубопровода, нагруженного в результате самокомпенсации, следует отнести к классу задач релаксационного типа: состояние нагружения обусловлено деформированием трубопровода на постоянную величину, напряжения непрерывно уменьшаются при нарастании деформации ползучести и соответствующем уменьшении упругой деформации. Процесс характеризуется значительной нестабильностью напряженного состояния, что должно учитываться соответствующим образом при оценке прочности.
Возникают вопросы относительно применения монтажной растяжки в трубопроводах: какова ее эффективность, в каких случаях ее использование является необходимым и т. д. Монтажная растяжка применяется для уменьшения напряжений и усилий в трубопроводе в рабочем состоянии. Однако выполнение ее во многих случаях сопряжено со значительными трудностями. Как правило, качество выполнения монтажной растяжки оказывается низким. Решение вопросов, относящихся к монтажной растяжке, должно основываться на анализе ползучести трубопроводов при самокомпенсации температурных расширений.
Выполнение расчетов ползучести трубопроводов встречает значительные трудности. В связи с этим большое значение приобретает задача установления общих закономерностей ползучести трубопроводов. Решение ее позволяет, в частности, разработать рекомендации по приближенному учету
ползучести при оценке прочности трубопровода на базе обычного упругого расчета.
Сущность метода. Описываемый метод является численным, приводящим к рекуррентной последовательности упругих расчетов. Для проведения расчета трубопровод делится на отрезки достаточно малой протяженности; принимается, что по длине отрезка напряжения не изменяются. Интервал времени тоже делится на малые промежутки — настолько малые, что в пределах шага деления напряжения можно считать неизменными. В этих предположениях для данного временного шага вычисляются приращения остаточных деформаций ползучести, а по ним — соответствующие приращения остаточных перемещений концов отрезков. Эти приращения перемещений суммируются с перемещениями ползучести, накопленными к данному моменту времени; полученные суммарные перемещения ползучести прибавляются к перемещениям концов отрезков от заданных нагружающих факторов (нагрев, монтажная растяжка и т. д.). Затем проводится расчет трубопровода по обычной «упругой» схеме с введением определенных указанным образом перемещений концов отрезков. Далее вычисляются приращения перемещений ползучести для следующего временного шага и выполняется следующий упругий расчет трубопровода и т. д. Результаты последовательности подобных расчетов (начиная от начального упругого расчета) в совокупности дают картину изменения во времени напряженно-деформированного состояния трубопровода. По своему математическому содержанию изложенный метод примыкает к методу приращений деформаций во времени.
Допущения. Для упрощения реализации метода, вполне универсального по применимости, вводится ряд упрощающих допущений: предполагается, что трубопровод выполнен из тонкостенных прямолинейных труб; не учитывается действие весовой нагрузки; принимается, что мгновенные пластические деформации (при нагрузке, разгрузке) отсутствуют; температура трубопровода считается постоянной во времени.

Читайте также:  Как обжимать трубы valtec

Закономерности ползучести трубопроводов

Рассмотрение результатов расчетов конкретных трубопроводов позволяет отметить некоторые общие закономерности развития ползучести трубопровода при самокомпенсации.
• Для типовых трубопроводов явление локализации ползучести проявляется весьма слабо. Лишь в особых случаях, а именно при наличии явных локализаторов ползучести (места резких пиков изгибающих моментов, переходы с утоненной стенкой или уменьшенным диаметром, участки повышенной температуры и т.п.) следует учитывать возможность локализации ползучести.

  1. Диаграммы релаксации компенсационных напряжений в данном поперечном сечении трубопровода, соответствующие точкам наибольшей интенсивности начальных напряжений, близки по форме к диаграммам релаксации напряжений в образце при простом растяжении. При благоприятных условиях (высокий уровень напряжений от внутреннего давления, наличие значительных компенсационных напряжений другого рода) диаграммы релаксации, напряжений в трубопроводе располагаются ниже диаграмм релаксации образца.
  2. Диаграммы релаксации компенсационных напряжений в различных сечениях трубопровода (в точке наибольшей интенсивности напряжений) обладают, как правило, свойством приближенного подобия. Это значит, что для данного момента времени напряжения в различных сечениях трубопровода составляют приблизительно одну и ту же долю начального значения.

Свойством подобия обладают также диаграммы релаксации реактивных усилий трубопровода.
Следствием является сохранение во времени при ползучести качественных особенностей напряженно-деформированного состояния трубопровода (положение нейтральной плоскости в поперечном сечении, места максимальных изгибных напряжений и т. д.).

  1. Деформированная форма трубопровода, обусловленная самокомпенсацией температурных расширений, мало изменяется в условиях развития ползучести.
  2. На процесс релаксации напряжений в трубопроводе значительное влияние оказывает начальная (переходная) стадия ползучести.

Отмеченные закономерности позволяют ориентировочно оценивать релаксации напряжений и усилий в трубопроводах, исходя из результатов расчета по упругой схеме и кривых релаксации образцов.

Источник

Ползучесть это явление при котором в стенах труб медленно накапливается

Влияние среды с температурой выше 450°С на металл трубопровода

При длительной работе трубопроводов с температурой среды выше 450°С в сталях развивается ползучесть, окалинообразование и графитизация, которые снижают прочностные характеристики сталей.

Читайте также:  Прокладка трубопроводов надземной прокладки

Жаропрочность. При работе паропровода с температурой пара выше 450°С на внутренних стенках труб происходит окисление металла и за счет утончения стенок труб образуются тонкие слои окалины. С течением времени толщина стенах труб уменьшается, вследствие чего в стенках труб увеличиваются напряжения и ускоряется процесс ползучести.

Способность стали сопротивляться образованию окалины при действии на нее пара с высокой температурой называемся окалиностойкостью или жаропрочностью.

Жаростойкость сталей определяется потерей массы окисляющимся металлом за определенный промежуток времени. Потеря в массе металла за счет образования окалины учитывается при расчете толщины стенки труб на прочность прибавкой на образование окалины.

Графитизация. Под действием высоких температур в стали происходит выделение свободного углерода по границам зерен. Это явление называют графитизацией стали. Наличие зерен графита в стали с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению в стали раковин или пустот, ослабляющих металл к приводящих к ускорению ползучести.

Чтобы предотвратить графитиазацию сталей, производят специальные термические обработки стали и легирование сталей специальными присадками, связывающими углерод. Для своевременного обнаружения графитизации труб паропроводов на электростанциях организован систематический контроль за изменениями структуры стали с периодической вырезкой с наиболее горячих участков паропроводов образцов для лабораторного исследования.

Длительная прочность характеризует разупрочнение металла трубопровода или снижение его механической прочности при длительной работе при высоких температурах. Чем длительнее металл работает при высоких температурах, тем меньшее напряжение требуется для разрушения этого металла.

Таблица 1-3
Механические свойства металлов труб
Марка стали Предел текучести, МПа Временное
сопротивление
разрыву, МПа
Относительное
удлинение, %
Твердость по Бринеллю
(при в толщине стенки
более 10 мм) HB
Диаметр
отпечатка,
мм не менее
Число твердости
не более
10
20
35
45
10Г2
20Х
40Х
30ХГСА
15ХМ
30ХМА
12ХН2
ВСт4сп
ВСт4сп
ВСт5сп
ВСт5сп
210
250
300
330
270



230
400
400
25
25
27
27
340
420
520
600
480
440
670
700
440
600
550
420
420
500
500
24
21
17
14
21
16
9
11
21
13
14
20


17
5,1
4,8
4,4
4,2
4,3

3,7




1370
1560
1870
2070
1970

2690






Таблица 1-4
Номинальные допустимые напряжения для труб из
углеродистых сталей при разных температурах, МПа
Марка стали Временное сопротивление
разрыву, МПа
Рабочая температура труб, °С
200 260 300 340 380 400 420 440 460
Ст2
СтЗ
Ст4
10
15 и 15к
22к
25 и 25к
350
390
430
360
400
450
480
105
117
128
109
121
14
14
93
103
111
96
106
129
127
85
94

88
97
122
115



79
87

104



71
77

92



67
73

87



63
69

81



52
58

67



41
46

51

Длительной прочностью стали называется способность стали нести без разрушения заданную нагрузку в течении определенного времени. Предел длительной прочности трубопроводных сталей является их важнейшей прочностной характеристикой. Сравнительной величиной длительной прочности стали является предел длительной прочности, т. е. напряжение, при котором металл разрушается через 100000 ч работы при определенной температуре.

Расчеты трубопроводов на прочность обычно производятся по допускаемым напряжениям, которые связаны с пределом длительной прочности соотношением

где σ t доп — допускаемое напряжение, σд.п — запас прочности по пределу длительной срочности.

Величина σ t доп, вычисленная по этой формуле, относится к той температуре, для которой был принят предел длительной прочности. Предел длительной прочности трубопроводных сталей резко снижается при повышении температуры.

Механические свойства металла труб в состоянии поставки должны удовлетворять нормам механических свойств, приведенным в табл. 1-3.

Номинальные допускаемые напряжении для труб из углеродистых сталей для разных температур приведены в табл. 1-4.

Читайте также:  Как обновить старую трубу

Рекомендуемые расчетные характеристики прочности стали при высоких температурах приведены в табл. 1-5.

В качестве расчетной характеристики прочности принята наименьшая из двух величин для данной температуры — предела текучести и предела длительной прочности за 100 000 ч. Значения предела текучести (находящиеся слева от жирной ломаной линии) соответствуют минимальным опытным данным для разных плавок, а значения предела длительной прочности (находящиеся справа от жирной ломаной линии)—средним опытным данным с отклонениями ±20% среднего значения.

Таблица 1-5
Рекомендуемые расчетные характеристики прочности труб при высоких температурах, МПа
Марка стали Рабочая температура. ºС
250 300 350 400 450 475 500 525 550 575 600 625 650
20
15ГС
15ХМ
12Х1МФ
13Х1М1Ф
12Х2МФБ
12Х2МФСР
Х18Н12Т
200
250
230
250
280
210
240
210
180
230
220
240
270
200
230
200
100
200
210
230
230
190
220
200
140
170
200
220
240
190
210
190
100
130
190
210
230
170
200
185
70

190
200
220
150
190
180
50

155
190
210
120
180
170


110
150
170
100
150
165


75
110
130
80
110
160



85
95
65
85
140



60
70
50
70
110





40
60
90







70

Значения характеристик прочности для температур, лежащих в промежутке между указанными в таблице, находят линейной интерполяцией.

Предел текучести определяют по ГОСТ 9651-73. На электростанциях должен быть организовав контроль состояния металла паропроводов при температуре стенки 450°С и выше, а также наблюдения за ростом остаточных деформаций, структурными изменениями, изменениями содержания легирующих элементов в карбидной фазе.

На электростанции должна быть схема паропроводов с нанесенными на ней точками измерения остаточных деформаций, местами

Рис. 1-2. Расположение реперов на контрольном участке паропроводов.

расположения контрольных участков (рис. 1-2) сварных соединений и опор. Нумерация этих точек измерения и контрольных участков сварных соединений должна быть последовательная и единая по электростанции. Места расположения точек измерения и площадка для удобного доступа к ним должны быть предусмотрены проектом.

Для установки бобышек на паропроводах под один размер и последующего измерения по ним остаточной деформации труб применяют специальные скобы (рис. 1-3). Для каждого диаметра труб имеется своя скоба. Замеры производят по бобышкам, установленным по взаимно перпендикулярным осях (х—х иуу).

Контролю и наблюдению подлежат все паропроводы, работающие при температуре 450°С и выше, за исключением паропроводов диаметром менее 100 ми, длительность работы которых не превышает 3000 ч в гол.

Рис. 1-3. Эскиз скобы (шаблона) для измерения остаточной деформация паропроводов.

1 — корпус; 2 — сменная губка; 3 — губка, запрессованная во втулку с посадкой А1/Пр1; 4 — втулка; 5 — гайка, закрепляющая схемную втулку.

Размеры скобы для наиболее ходовых диаметров паропроводов
Диаметр паропровода, мм Размер скобы, мм
l D С R К R не менее H
I II III I II III
335
273
245
219
188
133
10
10
10
10
10
10
8,4
8,6
8,8
8,9
9,15
9,35
6,8
7,2
7,6
7,8
8,3
8,7
288
313
289
259
208
173
366,5
314,4
286,2
260,1
208,8
173,6
308,2
315,8
287,4
261,2
209,7
174,3
385
333
305
279
228
193
192,5
166,5
132,5
139,5
114
96,5
25
25
20
20
15
15
217,5
191,5
172,5
159,5
129,5
111,5
8
8
8
6
6
6

Ползучесть — явление, при котором в стенках труб медленно накапливается остаточная деформация, возникающая в результате длительного воздействия внутреннего давления среды даже при напряжениях ниже предела текучести, соответствующего данной температуре. Ползучесть приводит к увеличению диаметра трубопровода и соответственно утонению стенок труб и возрастанию напряжений растяжения. Протекание процесса ползучести характеризуется скоростью ползучести. Для уменьшения скорости ползучести в сталь вводят легирующие элементы: хром, молибден, ванадий, титан. Следовательно, для трубопроводов, работающих при температуре 450°С и выше, применяют низколегированные, легированные и аустенитные стали.

Источник