POSSIBLE GENERALISATION OF DECREASE IN MECHANICAL PROPERTIES OF CARBON STEEL (ČSN ) ON OTHER STEELS

Transkript

1 MOŽNOST ZOBECNĚNÍ POKLESU MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ OCELI NA DALŠÍ MATERIÁLY POSSIBLE GENERALISATION OF DECREASE IN MECHANICAL PROPERTIES OF CARBON STEEL (ČSN ) ON OTHER STEELS Josef ČMAKAL, Ladislav HORVÁTH, Marie SVOBODOVÁ, Jindřich DOUDA UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, Praha Zbraslav, Česká republika, Abstrakt V ČR je stále nejrozšířenější ocelí na výrobu tlakových teplosměnných ploch ocel Této oceli byla věnována odpovídající pozornost a lze dohledat pro charakteristické aplikace, jakými jsou např. výparníky kotlů experimentální hodnoty o vlivu dlouhodobé teplotní expozice na pokles mechanických vlastností. U řady dalších ocelí, které jsou zatíženy srovnatelnými okrajovými podmínkami, tyto ověřené experimentální hodnoty chybí. Příspěvek se zabývá možností použití znalostí o chování oceli pro alespoň hrubý odhad gradientu poklesu mechanických vlastností vlivem teplotní degradace u oceli , která je používána pro konstrukci kotlových bubnů. Tato aplikace silně omezuje možnosti získávání vzorků během provozní teplotní expozice pro experimentální ověřování. Abstract In the Czech Republic, steel is still the most spread steel material used in pressure heat transfer surface production. Thus, this steel has been deeply investigated and a comprehensive database of characteristic experimental data in condition of boiler evaporator including an influence of long-term thermal exposure on mechanical behaviour exists. In contrary, a range of other steels without verified experimental data are frequently used at the same conditions. In addition, their usage in boiler drums crucial limits a sampling in term of service operation. Therefore, this paper is focused on a possible generalisation of decrease in mechanical properties of steel due to thermal degradation on insufficient examined steel. 1. ÚVOD V rámci projektu, týkajícího se zmapování možností odhadů zbytkové životnosti částí dlouhodobě provozovaných energetických zařízení, vyrobených z uhlíkových ocelí, byly v UJP Praha a.s. sledovány strukturní změny ocelí při dlouhodobé teplotní expozici v podcreepové oblasti. V projektu byly zahrnuty i vzorky ocelí po velmi dlouhé teplotní expozici. 2. STRUČNÝ POPIS VZORKŮ Vzorky byly odebrány z bubnů dvou strmotrubných kotlů 125 t/h, 115 atm, vyrobených v roce 1954 (kotel K4) a 1955 (kotel K5) a instalovaných v elektrárně Hodonín. Dochovaly se protokoly s měřením meze kluzu a pevnosti u nového materiálu. Teploty bubnu byly zaznamenávány bodovými zapisovači na papírové svitky. Svitky se zápisy teplot se postupně ztrácely a v době ukončení provozu kotle nebyly, s výjimkou několika výpisů, již vůbec k dispozici. Na těchto výpisech se měřená teplota pohybovala v celkem úzkém rozmezí okolo hodnoty 310 C. Je to hodnota, která je 40 C pod minimální výpočtovou teplotou a je tudíž věrohodná. Podle dalších získaných útržkovitých údajů se 1

2 teplota pohybovala v rozmezí C. K dispozici je i přesný počet provozních hodin, který je (kotel K5), resp (kotel K4) hodin. 3. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Materiál z obou kotlů byl rozdělen na dvě části. Část (pracovně značená A) byla podrobena kontrolám, část (pracovně označená jako B) byla umístěna v elektrické odporové peci a udržována na teplotě 525 C po dobu hodin. Teplota degradačního žíhání musela být oproti obvyklému rozmezí aplikačních teplot zvýšena tak, abychom získali (podle Larsenovy-Millerovy konstrukce) informaci o pravděpodobných strukturních změnách materiálu za více než pět let provozu při původní pracovní teplotě. Po doběhnutí hodin degradačního žíhání byl materiál podroben stejným mechanickým zkouškám a kontrolám jako výchozí materiál. Z části odebraného vzorku byly vyrobeny vzorky pro tahovou zkoušku. Protože jsou k dispozici původní hodnoty meze pevnosti a kluzu při 20 a 350 C, byly tahové zkoušky provedeny při stejných teplotách. Na jednotlivých vzorcích byly měřeny tvrdosti. U vzorků A (vzorky odebrané ze zrušených kotlů) zůstal zachován přibližný normový přepočet tvrdosti na pevnost. To signalizuje (již před provedením strukturního hodnocení), že zhruba 2, provozních hodin při teplotě C nevedlo zřejmě k fatálním strukturním změnám. Protože pravděpodobnost získání dalších, dlouhodobě exponovaných vzorků z bubnů nebo komor z oceli je poměrně malá, byl proveden pokus o porovnání charakteristiky poklesu mechanických vlastností reprezentovaných v tomto případě tvrdostí s chováním ocelí třídy 12, konkrétně s ocelí POROVNÁNÍ OCELI S JEMNOZRNNÝMI UHLÍKOVÝMI OCELEMI TŘÍDY 12 Oceli třídy 13 se pochopitelně od ocelí třídy 12 více nebo méně odlišují. U skupiny žáropevných ocelí se rozdíly týkají kromě vyšších hodnot pevnosti i změn, které je možné dokumentovat na ARA, resp. IRA diagramech (viz. obr. 1 a 2). Obr. 1. ARA diagram oceli určená pro cementování, má shodné složení s ocelí (aus. teplota 920 C, vel. zrna 7-6, norm. žíhaná), převzato z [1] Fig. 1. ARA diagram of carbon steel (ČSN ) for case-hardening, same composition like other carbon steel (ČSN ), aus. temperature 920 C, grain size 7-6, normalised, cited from [1] ARA diagram pro ocel třídy 12 na obr. 1 ukazuje při daných hodnotách tvrdosti na feriticko perlitickou strukturu. Oproti tomu u oceli , vzhledem k rozsáhlé perliticko bainitické oblasti můžeme očekávat existenci většího nebo menšího podílu bainitu (viz. obr. 2). 2

3 Obr. 2. IRA diagram oceli , převzato z [2] Fig. 2. IRA diagram of Mn-V steel (ČSN ), cited from [2] Příklady struktury obou bubnů zobrazené světelnou mikroskopií jsou na obr. 3 a 4. Ani strukturní odlišnosti, např. očekávaná přítomnost karbidů, resp. karbonitridů v oceli , by ovšem neměly způsobit výraznou změnu v rychlosti procesu stárnutí při relativně nízkých provozních teplotách, tj. ve směrnici přímky závislosti tvrdosti na mezi pevnosti. Vyznačení experimentálně získaných hodnot pro ocel z kotlů K4 a K5 do souboru experimentálních dat, získaných měřením na trubkách teplosměnných ploch kotlů z oceli (převzato z [3]) tento předpoklad potvrzuje pro závislost meze pevnosti na tvrdosti. Vyšší obsah C a Mn a přítomnost V u oceli zvýšily absolutní velikost meze pevnosti a kluzu u nového materiálu, gradient poklesu způsobeného teplotní degradací je však u meze pevnosti velmi podobný jako u ocelí třídy 12 (viz. obr.5). Obr. 3. Struktura oceli ze středu stěny bubnu kotle K4 (doba provozu cca 2, hodin při teplotě cca 310 C), zvětšeno 800x Fig. 3. Structure of Mn-V steel (ČSN ) from the middle of the tube wall of drum K4 (after service for ca hours at ca. 310 C), magnification 800x 3

4 Obr. 4. Struktura oceli ze středu stěny bubnu kotle K4 (doba provozu cca 2, hodin při teplotě cca 310 C), zvětšeno 800x Fig. 4. Structure of Mn-V steel (ČSN ) from the middle of the tube wall of drum K5 (after service for ca hours at ca. 310 C), magnification 800x Obr. 5. Závislost pevnostních vlastností oceli na tvrdosti s vyznačením hodnot pro ocel Fig. 5. Relations between strength properties and hardness of carbon steel (ČSN ), values of Mn-V steel (ČSN ) are included coloured points 4

5 5. ZÁVĚR Protože pravděpodobnost možnosti získání dalšího dlouhodobě teplotně exponovaného materiálu (tj. dalších bubnů) je velmi malá, bude v případě nedostatku dat o posuzované dlouhodobě provozované části teplosměnného zařízení z oceli možné použít alespoň pro závislosti, týkající se meze pevnosti pro kvantitativní hodnocení stavu hodnoty výrazně bohatších experimentálních souborů, získaných pro ocel Příspěvek vnikl v rámci řešení programu IMPULS MPO ČR, číslo FI-IM4/049, Pravděpodobnostní řešení materiálové životnosti a spolehlivosti provozu malých a středních energetických zařízení. LITERATURA [1] JECH, J. Tepelné zpracování oceli. Metalografická příručka. Praha: SNTL, [2] Kol. Oceli Výrobní program. II. Díl Vlastnosti a použití. Praha: TEVÚH, [3] DOUDA, J. Pravděpodobnostní řešení materiálové životnosti a spolehlivosti provozu malých a středních energetických zařízení. [Zpráva UJP 1374] UJP Praha a.s. : Praha, prosinec