ANALIZA ZALENOCI WYNIKÓW PEŁZANIA METOD MAŁYCH PRÓBEK I KONWENCJONALNEJ PRÓBY PEŁZANIA

Transkrypt

1 40/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA ZALENOCI WYNIKÓW PEŁZANIA METOD MAŁYCH PRÓBEK I KONWENCJONALNEJ PRÓBY PEŁZANIA D. MIERZWISKI 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kociuszki, Wydział Mechaniczny, Instytut Inynierii Materiałowej; al. Jana Pawła II 37; Kraków STRESZCZENIE Bezpieczna eksploatacja urzdze energetycznych w szczególnoci walczaków oraz wirników turbin parowych zwizana jest z okreleniem bezawaryjnego czasu pracy w oparciu o badania diagnostyczne. Stosowane dotychczas badania trwałoci urzdze energetycznych s procesami kosztownymi i czasochłonnymi. Alternatyw badania pełzania stali moe by metoda małych próbek nazywana Small Punch Test (SPT). Key words: creep test, small punch test, correlation, new kind of steels for future power plants, high-temperature creep resistance, carbides 1. WPROWADZENIE Problematyka oceny stanu materiału urzdze energetycznych, bdca podstaw prognozowania czasu przedłuonej, poza czas obliczeniowy, bezpiecznej eksploatacji, jest bardzo aktualn i wan, zarówno z poznawczego jak i praktycznego punktu widzenia. Łczna moc podstawowych urzdze energetycznych, które przekroczyły 30 lat, stanowi aktualnie w naszym systemie energetycznym około 30% jego całkowitej mocy zainstalowanej, natomiast w przypadku braku inwestycji odtworzeniowych, w najbliszych 10 latach, przekroczy go moe dalsze 40% urzdze [1]. Rozwój diagnostyki elementów instalacji energetycznej w czasie długotrwałej eksploatacji zmierza do opracowania kompleksowych, nieniszczcych metod bada. 1 dr in., daro@mech.pk.edu.pl

2 Najbardziej zaawansowane i szeroko stosowane s metody defektoskopowe, fizyczne oraz strukturalne [2]. Due potencjalne moliwoci tkwi w metodzie małych próbek tzw. Small Punch Test (SPT). Ta technologiczna próba została po raz pierwszy wprowadzona w celu oszacowania zmian własnoci mechanicznych elementów poddanych promieniowaniu w reaktorach jdrowych. Ze wzgldów ekonomicznych, metoda ta znalazła zastosowanie w odniesieniu do wirników turbin oraz korpusów, gdy umoliwia monitorowanie degradacji własnoci materiałów elementów pracujcych w sposób cigły. Ekonomiczny aspekt zastosowania metody małych próbek wyraa si zarówno przez niewielkie rozmiary próbki stosowanej do bada [3, 4], jak równie krótki czas trwania procesu badawczego w próbie pełzania stali [5]. W zwizku z miniaturyzacj próbek ronie znaczenie sposobu pobierania materiału. Dotychczas bowiem, najwikszy problem stanowił fakt naruszenia cigłoci struktury badanego elementu w czasie wycinania materiału na próbki na drodze obróbki skrawaniem lub cicia palnikiem. Te destrukcyjne metody wymuszaj konieczno naprawy miejsc pobierania materiału badawczego przez spawanie odpowiednich korków, powikszajc zmiany struktury w strefie wpływu ciepła [6]. Nierzadko miejsca te, poddane podczas spawania szeregowi cykli zmian ciepła, staj si w przyszłoci ródłami napre i rozwoju pkni [2]. Problemy zwizane z wyciciem a nastpnie uzupełnieniem pobranego materiału, moe skutecznie rozwiza nowy sposób powierzchniowego pobierania materiału, tak zwany Surface Sampling System lub Scoop Sampling System (SSAM) [7], który praktycznie bez tworzenia karbu lub innego negatywnego wpływu na badany element i na próbk, umoliwia pozyskiwanie materiału do bada. Ten sposób dostarcza wystarczajc ilo materiału potrzebn do wykonania próbek stosowanych w metodzie SPT. Rys. 1 Sposób wycinania materiału do bada. Przykładowe próbki [7, 8] Fig. 1 Procedure end example of samples cuttimg out Podczas trwajcego około jednej godziny procesu skrawania uzyskuje si materiał na próbki, w kształcie czaszy o rednicy czci kulistej odpowiadajcej rednicy narzdzia skrawajcego (rys. 1). Brak deformacji i wpływów cieplnych w próbkach pozyskanych t metod, mimo wysokiej prdkoci skrawania, wynika z zastosowania bardzo małego posuwu narzdzia skrawajcego, w połczeniu z intensywnym chłodzeniem ciecz [6]. 362

3 Za wzgldu na niewielkie wymiary pobranego materiału, w niektórych przypadkach moliwe jest pobranie próbek w sposób wymagajcy jedynie wyrównania powierzchni. 2. MATERIAŁY I METODYKA BADA Materiał do bada wyprodukowany został w VSG Henrichshütte Hattingen, w Niemczech na potrzeby projektu COST 522. S to nowej generacji stale martenzytyczne z dodatkiem wolframu i kobaltu przeznaczone do pracy w blokach energetycznych o parametrach nadkrytycznych. Stale dostarczone były w postaci prtów kutych o przekroju poprzecznym około mm. W celu rozrónienia tych dwóch materiałów oznaczone je jako stale: A, B (Tabela 1). Tabela 1. Skład chemiczny badanych stali. Table 1. Chemical composition of steels. C Si Mn Cr Mo Ni Co N Nb V W A 0,12 0,03 0,12 10,34 0,90 0,17 3,02 0,03 0,07 0,21 0,42 B 0,19 0,02 0,10 11,15 0,90 0,17 3,02 0,03 0,07 0,21 0,42 W oparciu o załoenia dozoru technicznego, i najbardziej wiarygodne wyniki przy prognozowaniu trwałoci resztkowej urzdze energetycznych uzyskuje si dysponujc wynikami prób pełzania materiału po eksploatacji oraz w stanie wyjciowym, zasymulowano warunki eksploatacyjne jakie mog zaistnie w turbinach parowych lub walczakach [9]. Przeprowadzono proces wygrzewania stali w temperaturze 650 ºC przez 10 tys. godzin w piecu sylitowym bez atmosfery ochronnej. Przeprowadzony nadzór procesu w czasie wygrzewania próbek wykazał wahania temperatury maksymalnie od 645 do 655 ºC. Po upływie zadanego okresu czasu prty wyjto z pieca i pozostawiano do ostygnicia na powietrzu. Nastpnie wycito z nich znormalizowane próbki do bada pełzania metod konwencjonaln oraz nieznormalizowan metod małych próbek (SPT). Wymiary próbek do badania metod SPT wynosiły ø 6,35 0,5 mm. Badania pełzania metod konwencjonaln przeprowadzone zostały w ramach projekty COST 522 w Instytucie Metalurgii elaza w Gliwicach, natomiast badania pełzania metod małych próbek przeprowadzone zostały w Zakładzie Obróbki Cieplnej Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej im. T. Kociuszki. Urzdzenie do metody SPT opracowane zostało przez dr in. J. Kłaputa oraz mgr in. P. Putyr w ramach programu badawczego COPERNICUS [10]. Wiele modyfikacji konstrukcyjnych pierwszej wersji urzdzenia do pełzania małych próbek doprowadziło do powstania nowatorskiego narzdzia badawczego, za pomoc którego mona dokładnie bada proce pełzania stali t metod. 363

4 3. WYNIKI BADA Wyznaczenie wytrzymałoci na pełzanie za pomoc konwencjonalnej próby pełzania trwajcej od 1000 nierzadko do 10 tys. godzin [2], lub skróconych prób pełzania, w zalenoci od zastosowania stali wahajcych si od 24 do 300 godzin [12] jest procesem, zwłaszcza w pierwszym przypadku, długotrwałym oraz kosztownym. Aby próba SPT mogła zastpi konwencjonalne badania pełzania stali naley przeprowadzi badania kalibrujce. W tym celu, bazujc na wczeniej uzyskanych wynikach pełzania metod konwencjonaln, przeprowadzono pełzanie za pomoc techniki małych próbek. Ustalone uprzednio warunki przeprowadzenia eksperymentu zakładały stał temperatur równ 650 ºC oraz róne wartoci naprenia. Specyfika pomiaru odkształcenia próbki w metodzie SPT wymusza zastosowanie czujnika przemieszczenia stempla wciskanego w materiał tak jak ma to miejsce w badaniu tłocznoci blach metod Erichsena. Nie daje to jednak moliwoci bezporedniego wyliczenia wartoci napre jak to jest w metodzie konwencjonalnej. W celu porównania wyników uzyskanych za pomoc techniki małych próbek z wynikami uzyskanymi w konwencjonalnej próbie pełzania, naley okreli warto napre ekwiwalentnych w metodzie SPT. Posłuono si w tym celu wzorem empirycznym (1) uzyskanym w ramach projektu COPERNICOS, przy tych samych warunkach testu [4, 11]. F = 10,3 2 h 0 (1) gdzie: F warto obcienia [N], h 0 wysoko próbki [mm] Wykorzystujc wyej podany wzór, porównano wyniki tych dwóch metod midzy sob na jednym układzie współrzdnych (rys. 2) Naprenie [MPa] pełzanie metod SPT - pełzanie metod konwencjonaln 0 0, Czas do zniszczenia [h] Rys. 2. Porównanie wyników pełzania stali metod konwencjonaln i SPT Fig. 2. Comparison of results conventional creep test and Small Punch Test 364

5 Przeprowadzone w ten sposób porównanie uzyskanych wyników bada, obrazuj jedn z zalet metody SPT. Wyranie krótszy czas trwania badania wpływa, wraz z niewielkimi wymiarami próbki, korzystnie na ekonomiczny aspekt tej metody. Korelacja tych dwóch metod, umoliwi za porednictwem póniejszych bada wyłcznie metod SPT, okrelenie czasu bezpiecznej eksploatacji urzdze pracujcych w sposób cigły. W tym celu naley dokładnie okreli jakie zjawiska zachodz w procesie pełzania metod SPT. Korzystajc z danych uzyskanych w procesie pełzania stali metod SPT przeprowadzono wstpn statystyczn analiz czasów pełzania. Do tego celu wykorzystano program komputerowy TableCurve TM firmy Jandel Scientifics. Uzyskano wykres (rys. 3a) oraz funkcj matematyczn (2) opisujc zmian czasu w funkcji naprenia. y = a+b 2 ( ln( x) ) +c ln( x) (2) gdzie: a, b, c s współczynnikami funkcji i wynosz: a = 276,92452, b = 1,31245, c = - 34,43954, natomiast współczynnik korelacji r wynosi 0, W analogiczny sposób uzyskano wykres (rys. 3b) i funkcj (3) dla konwencjonalnej próby pełzania. x y = a +b e c (3) gdzie: a, b, c s współczynnikami funkcji, której współczynnik korelacji r wynosi 0, ; a wartoci: a = 138,24142, b = 64,71239, c = 1385, a) b) Nap. [MPa] Nap. [MPa] Czas [h] Czas [h] Rys. 3. Wykresy dopasowania wyznaczonych funkcji empirycznych dla pełzania metod: a) SPT, b) konwencjonaln Fig. 3. Adjustment graphs of empirical function for: a) SPT, b) conventional creep test Dla analizy wyników bada uyto programu STATISTICA firmy StatSoft. Okrelono zaleno regresj wykładnicz korzystajc z estymacji nieliniowej quasi- 365

6 Newtona. W wyniku przeprowadzonych oblicze uzyskano wykres funkcji (rys. 4) oraz wzór (4) pozwalajcy na przewidywanie czasu pełzania stali w metodzie konwencjonalnej na podstawie wyników pełzania metod małych próbek ( b+c x y = a+e ) (4) gdzie: a, b, c s współczynnikami funkcji i wynosz: a = -112,13, b = 6,06851, c = 0,02217, natomiast współczynnik korelacji r wynosi 0, Pełzanie stali metod konwencjonaln [h] Pełzanie stali metod SPT [h] Rys. 4. Korelacja wyników pełzania metod konwencjonaln i SPT Fig. 4. Correlation of results conventional creep test and Small Punch Test Porównanie wyników tych dwóch metod, na tym etapie bada, obarczone jest wieloma czynnikami zakłócajcymi. Biorc pod uwag fakt, e wyniki pełzania w metodzie konwencjonalnej mog by obarczone błdem rzdu ± 20 %, to sumowanie błdów z metod badawczych oraz błdów aproksymacji wymaga przeprowadzenia duej iloci testów dla okrelenia pasma rozrzutu wyników w metodzie małych próbek, oraz dokładnego opisania zjawisk zachodzcych podczas pełzania stali metod SPT. Przeprowadzone badania na małych próbkach pozwalaj uzyska informacj nie tylko o własnociach wytrzymałociowych materiału. Wielko próbki pozwala na przeprowadzenie bada metalograficznych, które s nadal w diagnostyce energetycznej szerokim ródłem wiedzy o materiale. W celu weryfikacji uzyskanych wyników, przeprowadzono badania uzupełniajce ma materiałach w stanie wyjciowym oraz po procesie wygrzewania w temperaturze 650 ºC przez 10 tys. godzin, zarówno nie poddanych procesowi pełzania jak i po pełzaniu w temperaturze 650 ºC, przy rónych wartociach obcienia. 366

7 4. WNIOSKI Całkowite zastpienie konwencjonalnej próby pełzania stali metod SPT jest moliwe, wymaga jednak utworzenia bazy danych wyników pełzania wszystkich stali stosowanych w energetyce oraz przeprowadzenia procesu normalizacyjnego samej metody. Obecnie moe by ona stosowana tylko jako jedna z wielu metod warsztatowotechnologicznych, dostarczajc wielu niezbdnych informacji dotyczcych własnoci materiałów pracujcych w sposób cigły w warunkach pary przegrzanej. Proces kalibracyjny tych dwóch metod umoliwi w póniejszym czasie korzystanie wyłcznie z metody SPT do badania pełzania stali, wymaga to jednak poznania zjawisk zachodzcych podczas trwania badania. Niewielka ilo materiału niezbdnego do przeprowadzenia badania pełzania metod małych próbek oraz skrócony czas trwania samej próby otwiera przed t metod szerokie moliwoci zastosowania w analizie nie tylko materiałów energetycznych ale równie w innych gałziach przemysłu. LITERATURA [1] Dobosiewicz J.: Kryteria oceny stanu wirników turbin parowych; Energetyka; Nr 11; [2] Hernas A.; arowytrzymało stali i stopów; WP; Gliwice [3] Siurek P.: Badanie odpornoci na pkanie stali metod Small Punch Test (SPT); Energetyka; 2001; NR 11 [4] Mierzwiski D., Putyra P.: Metoda SPT alternatyw konwencjonalnej próby pełzania ; XXXII SIM; Kraków-Krynica 2004; s [5] Mierzwiski D.: Diagnostyka wirników turbin parowych metod małych próbek; Praca doktorska; Kraków [6] Dobosiewicz J.: Kryteria oceny stanu wirników turbin parowych; Energetyka; Nr 11; [7] Mercaldi D. W.; Patent nr US [8] Srivastav S., Foulds J. R., Andrew S. P., Beckerdite G.: Unit-Specific Evaluation of Steam Turbine Rotors Using Miniature Sample Removal and SAFER-PC; Proceedings of the Fifth International Conference on Engineering Structural Integrity Assessment organised by The Dynamic Testing Agency in Association with AEA Technology plc, held at Churchill College; Cambridge; UK September [9] Hernas A., Dobrzaski J.: Trwało i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych; Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice

8 [10] Kłaput J.: Sprawozdanie z realizacji zadania badawczego pod tytułem Technika Małych Próbek Small Punch Test Method ; Raport roczny (skrócony) projektu zamawianego nr KBN 12/T08/T10/99. [11] Kozłowski R. H. i inni; Raport kocowy programu badawczego; COPERNICUS: Small Punch Test Method Assessment for the Determination of the Residual Creep Life of Service Exposed Components; [12] Tomaszczyk W.: Pełzanie metali; Wyd. Górniczo-Hutnicze; Katowice ANALYSIS OF DEPENDENCE BETWEEN SMALL PUNCH TEST AND CONVENTIONAL CREEP TEST SUMMARY The safe exploitation of energetic devices insist on precise describing of failurefree working time. Vary important to describe of failure-free working time is diagnostic checking. Conventional tests ordinary used to determination of operational safety are expensive and time-consuming. As an alternative to conventional creep test the innovatory method called Small Punch Test could be introduced. Recenzował: prof. Józef Dako, prof. Ryszard Kozłowski. 368