СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩЕГО МЕТАЛЛА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD OF NON-DESTRUCTIVE TEST OF LONG-TERM OPERATED METAL OF OPERATED ELEMENTS OF HEAT POWER EQUIPMENT

Изобретение относится к способам изучения и анализа наноструктурного состояния длительно работающего наплавленного и основного металла эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования с помощью методов физического металловедения, в частности электронно-микроскопических исследований наноструктуры (локальных полей внутренних напряжений, дислокаций), а также акустических методов неразрушающего контроля.
В процессе длительной эксплуатации элементов теплоэнергетического оборудования при высоких температурах и давлениях в длительно работающем наплавленном и основном металле происходят сложные физико-химические процессы, вызванные, в первую очередь, распадом перлитной составляющей микроструктуры, коагуляцией и сфероидизацией карбидов, образованием и накоплением микроповрежденности.
Большую опасность с точки зрения безопасной эксплуатации представляют зоны элементов теплоэнергетического оборудования, подвергающиеся высокому давлению и температуре. В таких зонах развиваются микронесплошности, которые на ранних стадиях не выявляются существующими методами неразрушающего контроля.
В теплоэнергетике для контроля качества металла элементов оборудования применяют способ акустико-эмиссионного контроля (см. Госгортехнадзор России, ГУП и НТЦ «Промышленная безопасность». Сборник документов. Серия 28. Выпуск 2001 г.).
В основу способа акустико-эмиссионного контроля положена, в частности, работа по оценке работоспособности сварных соединений (см. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981, 184 с.).
Способ акустико-эмиссионного контроля основан на испускании материалом упругих волн, вызванных динамической локальной перестройкой его структуры. Оценку работоспособности длительно работающего наплавленного и основного металла проводят путем регистрации и анализа, возбуждаемых развивающимися дефектами акустических колебаний.
К недостаткам этого способа неразрушающего контроля металла элементов теплоэнергетического оборудования можно отнести:
- сложность и большую стоимость аппаратуры;
- низкую помехоустойчивость аппаратуры;
- не явную связь между параметрами микроструктуры в зоне образования микронесплошностей и акустико-эмиссионными характеристиками.
Наиболее близким к изобретению следует отнести способ выявления зон предразрушений в сварных соединениях теплоустойчивых сталей (Патент на изобретение №2457478, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27.07.2012 г.), включающий измерение времени задержки поверхностных акустических волн в неработающем сварном соединении с исходным состоянием, в эксплуатируемом сварном соединении в металле швов и околошовных зонах в двух взаимно перпендикулярных направлениях, далее на основе измерения локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений и времени задержки поверхностных акустических волн определяют акустический критерий оценки ресурса сварных соединений:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>t</mi><mn>01</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>t</mi><mn>02</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
01
где R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны поляризованной вдоль неработающего сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t01
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны поляризованной вдоль эксплуатируемого сварного соединения, нс;
02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны поляризованной поперек неработающего сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны поляризованной поперек эксплуатируемого сварного соединения, нс,
причем при величине акустического критерия оценки ресурса сварного соединения, меньше либо равной 0,98, производят замену эксплуатируемого элемента.
К недостаткам способа выявления зон предразрушений в сварных соединениях теплоустойчивых сталей следует отнести то обстоятельство, что при определении степени поврежденности металлов количественно не учитывается степень изменения структурно-фазового состояния наплавленного и основного металла в процессе длительной эксплуатации.
Технический результат изобретения заключается в предотвращении повреждений длительно работающего наплавленного и основного металла элементов теплоэнергетического оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что акустический критерий оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла содержит коэффициент, учитывающий анизотропию акустических характеристик, а также коэффициент, учитывающий изменение структурно-фазового состояния (величины локальных полей внутренних напряжений) в исследуемом металле
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>K</mi><mi>C</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow>
,
C
где K - коэффициент, учитывающий анизотропию акустических характеристик и выражается как
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
γ - коэффициент, учитывающий изменение величины локальных полей внутренних напряжений в исследуемом металле и выражается формулой:
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
где
- величина локальных полей внутренних напряжений в исследуемом длительно работающем металле,
вн
τ - величина локальных полей внутренних напряжений в исследуемом наплавленном металле,
1
2
ΔR и ΔR - анизотропия времени задержки поверхностных акустических волн в наплавленном металле и в длительно работающем металле соответственно. Данные величины рассчитываются как
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
,
,
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль исследуемого образца наплавленного металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной перпендикулярно исследуемому образцу наплавленного металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль исследуемого образца длительно работающего металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной перпендикулярно исследуемому образцу длительно работающего металла, нс;
причем при величине акустического критерия оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла элементов теплоэнергетического оборудования более чем 0,22 производят замену эксплуатируемого элемента.
Заявленный способ осуществляют следующим образом. Для неразрушающего контроля длительно работающего металла эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования проводят измерение времени задержки поверхностной волны, поляризованной вдоль и поперек зон наплавленного металла в исходном состоянии и в длительно работающем металле эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования. Измерения проводят не менее чем в двенадцати точках каждого участка. Затем из этих участков с замеренным временем задержки поверхностных акустических волн изготавливают образцы (шлифы), которые исследуют электронно-микроскопическими методами в точках измерения времени задержки поверхностных акустических волн. В этих точках изучают наноструктуру: определяют величину локальных полей внутренних напряжений и плотность дислокаций, выявляют наличие микронесплошностей. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием статистических методов обработки результатов.
Исследования наноструктуры проводят с применением электронно-микроскопических методов на микроскопе «ЭМ-125К» при ускоряющем напряжении 125 кВ с использованием гониометра.
Далее определяют критический уровень локальных полей внутренних напряжений для длительно работающего наплавленного и основного металла, приводящий к возникновению микронесплошностей и разрушению.
Строят эталонные кривые зависимостей между величиной локальных полей внутренних напряжений и временем задержки поверхностных акустических волн для длительно работающего наплавленного и основного металла.
Для акустических исследований используют многофункциональную автоматизированную спектрально-акустическую систему «АСТРОН». В основу работы аппаратной части системы положен способ подробной регистрации всей серии отраженных акустических импульсов для ее последующей обработки средствами программной части системы.
После этого определяют предельную величину акустического критерия, которая характеризует образование в длительно работающем наплавленном и основном металле элементов теплоэнергетического оборудования микронесплошностей, приводящих к появлению трещин и разрушению.
Акустический критерий оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла элементов теплоэнергетического оборудования определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>K</mi><mi>C</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow>
,
C
где K - коэффициент, учитывающий анизотропию акустических характеристик и выражается как
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
γ - коэффициент, учитывающий изменение величины локальных полей внутренних напряжений в исследуемом металле и выражается формулой
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
где
- величина локальных полей внутренних напряжений в исследуемом длительно работающем металле,
вн
τ - величина локальных полей внутренних напряжений в исследуемом наплавленном металле,
1
2
ΔR и ΔR - анизотропия времени задержки поверхностных акустических волн в наплавленном металле и в длительно работающем металле соответственно.
Данные величины рассчитываются как
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
,
,
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль исследуемого образца наплавленного металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной перпендикулярно исследуемому образцу наплавленного металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль исследуемого образца длительно работающего металла, нс;
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
- среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной перпендикулярно исследуемому образцу длительно работающего металла, нс;
причем при величине акустического критерия оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла элементов теплоэнергетического оборудования более чем 0,22 (если коэффициент, учитывающий изменение величины локальных полей внутренних напряжений в исследуемом металле более 0,13, а коэффициент, учитывающий анизотропию акустических характеристик, находится в пределах от 0,64 до 1), то производят замену эксплуатируемого элемента.
Пример конкретного применения заявляемого способа.
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mrow><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>1100</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
C
вн
C
Для исследованного длительно работающего наплавленного и основного металла барабана котла высокого давления, изготовленного из специальной молибденовой стали после 320 тыс. ч эксплуатации при температуре 316°C и давлении 11,0 МПа
,
,
,
равны 5805, 5790, 5882 и 5860 нс соответственно, а вычисленный коэффициент, учитывающий анизотропию акустических характеристик K=0,681,
, τ=520 МПа, тогда коэффициент, учитывающий изменение величины локальных полей внутренних напряжений γ=0,47, а акустический критерий оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления равен F=0,7, что свидетельствует о том, что на участках между водоопускными отверстиями возникли значительные локальные поля внутренних напряжений и образовались микронесплошности, приводящие к появлению трещин и разрушению. Следовательно, дальнейшая эксплуатация барабана котла высокого давления может привести к разрушению технического устройства и возникновению аварийной ситуации.
Таким образом, предложенный способ впервые позволяет выявлять зоны образования микронесплошностей в эксплуатируемых элементах энергетического оборудования по акустическому критерию, который учитывает как анизотропию акустических характеристик, так и изменение структурно-фазового состояния (величины локальных полей внутренних напряжений) в исследуемом металле.