Глава 6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ТЕРМОСИЛОВОМ ДЛИТЕЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ

В предыдущей главе на основании разработанных методов были рассмотрены подходы к оценке циклической прочности элементов сварных конструкций; было показано, что технологические напряжения, обусловленные процессом сварки, в ряде случаев оказывают значительное влияние на долговечность элементов конструкций. В настоящей главе будет рассмотрено влияние технологических напряжений (несварочного происхождения) на длительную прочность конструкций. Как и в предыдущей главе, для решения такой задачи задействован комплекс методов анализа деформирования и повреждения материала, изложенный в главах 1 и 3. В качестве примера выбран коллектор парогенератора

Такой выбор обусловлен тем, что здесь остаточные технологические напряжения, не учтенные при проектировании коллектора, оказали фатальное действие на его работоспособность и привели в совокупности с коррозионной средой к преждевременному разрушению коллектора.

Прежде чем перейти к изложению проведенных исследований, рассмотрим кратко историю вопроса, касающегося преждевременного повреждения коллекторов изготовленных из перлитной стали

Коллектор представляет собой сосуд давления, в который запрессовано большое количество аустенитных трубок (сталь Запрессовка трубок штатным способом производится посредством взрывной развальцовки, альтернативой штатной технологии запрессовки является гидровальцовка трубок. Режим нагружения коллектора следующий: нагрев до («холодный» коллектор) и («горячий» коллектор) при одовременном увеличении в нем давления, длительная работа при постоянных давлении и температуре, затем остывание коллектора до с одновременным снижением в нем давления. Таким образом, коллектор подвергается малоцикловому термосиловому нагружению и стационарному длительному.

Наблюдались разрушения только холодных коллекторов. Экспертиза разрушенных при эксплуатации коллекторов позволила установить, что зарождение разрушения происходило в перемычках между теплообменными трубками по межзеренному механизму с последующим его развитием по внутризеренному.

Предполагалось, что повреждение холодных коллекторов может быть обусловлено следующими факторами:

деформационным старением стали происходящим при температуре эксплуатации коллектора;

снижением пластичности и малоцикловой прочности за счет высверловки отверстий и взрывной запрессовки трубок;

сугубо коррозионным фактором при нарушении водно-химического режима работы коллектора.

Выполненные в процессе экспертизы исследования металла коллектора по аттестационным характеристикам показали соответствие металла коллектора всем требованиям, предъявляемым к материалам таких конструкций. В дальнейших исследованиях механических и коррозионо-механических свойств стали применительно к условиям работы коллектора особое внимание уделяли проверке перечисленных выше гипотез. В результате выполненных экспериментальных исследований, в частности, было установлено следующее:

в стали могут происходить процессы динамического и статического деформационного старения, однако они не приводят к сколько-нибудь заметному ухудшению ее пластических и прочностных свойств;

технологические мероприятия, связанные с развальцовкой трубок (высверловка отверстий в коллекторе с последующей взрывной развальцовкой трубок внем), не приводят к снижению малоцикловой прочности стали;

испытания на коррозионное растрескивание на стандартной базе показали отсутствие разрушения образцов.

Таким образом, проведенные исследования позволили отклонить предположения о разрушении металла коллектора в результате снижения малоцикловой прочности или коррозионного растрескивания. Необходимо подчеркнуть, что и по другим характеристикам, таким, как хрупкая прочность, сопротивление усталостным разрушениям на стадии зарождения и развития трещин на воздухе и в коррозионной среде, были подтверждены высокие показатели, при которых преждевременное разрушение коллектора не должно было бы произойти. Вместе с тем, эксперименты по замедленному деформированию (растяжение гладких образцов с малой скоростью деформирования) в коррозионной среде показали, что при составе среды, соответствующей отклонениям, имевшим место в процессе эксплуатации разрушившихся коллекторов (низкий водородный показатель pH, присутствие кислорода), может происходить значительное снижение пластичности стали, причем тем большее, чем ниже скорость деформирования. Такая закономерность соответствует зависимости критической деформации от скорости деформирования в условиях ползучести материала (см. гл. 3). Данное обстоятельство привело к необходимости изучения возможных временных процессов деформирования материала коллектора при стационарном нагружении. Выполненные эксперименты, результаты которых будут представлены ниже, показали, что

сталь в рабочем диапазоне температур при напряжениях, равных или выше предела текучести, проявляет свойство ползучести. Следовательно, при наличии в конструкции высоких напряжений, приводящих к перманентному деформированию материала с медленной скоростью (ползучести материла), и коррозионной среды принципиально может возникнуть ситуация, приводящая к преждевременному повреждению коллектора. Расчеты, выполненные при проектировании коллектора, показали, что эксплуатационные напряжения невелики, поэтому основное внимание было уделено исследованию остаточных технологических напряжений, которые могли, внести значительный вклад в активизацию низкотемпературной ползучести стали Проведенные расчетные исследования остаточных технологических напряжений в коллекторе и их взаимодействие с эксплуатационной нагрузкой действительно подтвердили высокую суммарную напряженность конструкции и возможность реализации в ней процессов низкотемпературной ползучести.

Этот факт с учетом данных по замедленному деформированию в коррозионной среде позволил считать обоснованным, что преждевременное повреждение коллектора связано с коррозионно-механическим разрушением, обусловленным медленным деформированием материала в высоконагруженных зонах. Было также дано объяснение более высокой работоспособности горячих коллекторов по сравнению с холодными.

Указанная совокупность экспериментальных и расчетных данных дала возможность разработать методику расчета долговечности коллектора при статическом нагружении и на основании этой методики проследить влияние технологических и эксплуатационных факторов на долговечность изделия.

Подробное изложение влияния технологических и эксплуатационных факторов на долговечность конструкции при термосиловом нагружении является предметом настоящей главы.