STUDIUM LOKÁLNÍCH CREEPOVÝCH VLASTNOSTÍ KOLENA VYSOKOTLAKÉHO PAROVODU PO DLOUHODOBÉM PROVOZU

Transkript

1 STUDIUM LOKÁLNÍCH CREEPOVÝCH VLASTNOSTÍ KOLENA VYSOKOTLAKÉHO PAROVODU PO DLOUHODOBÉM PROVOZU Ferdinand Dobeš a Karel Milička a a) Ústav fyziky materiálů AV ČR, Žižkova 22, Brno, ČR Abstract A distribution of creep properties in the wall of exposed pipe bend was studied by means of small punch creep. The method consists in a deformation of miniaturized disc specimen by spherical punch under an influence of constant force at elevated temperature. The thickness of the disc applied in the present study was 0.5 mm. The discs were cut parallel to the external surface of the pipe. Even if additional thickness approx. 1 mm for cutting and specimen preparation is considered, the method makes it possible to estimate creep properties for several dozens of specimens along typical power-plant pipe wall. The technique is illustrated using results of the tests of pipe bend manufactured from low alloy steel of Czech designation (DIN equivalent 14MoV 6 3) after service at C and 17.1 MPa for 104,000 hours. The procedures for estimating creep rupture strength and creep ductility from small punch tests are given. 1. ÚVOD Při provozu energetických zařízení je řada kritických součástí vystavena složitému napěťovému a teplotnímu působení. V důsledku toho dochází, i v součástech poměrně jednoduchých tvarů, k nerovnoměrnému rozložení degradace vlastností. Při rozhodování o dalším provozu takových součástí a zařízení je znalost poškození, nebo jinými slovy znalost okamžitých lokálních vlastností, naprosto zásadní podmínkou. Určení lokálních vlastností je problémem i u součástí vyřazených z provozu nebo u materiálu ze zkoušek simulujících provozní podmínky, na kterých bychom mohli ověřovat výpočtové modely creepového poškození, protože konvenční mechanické zkoušky neumožní dostatečně přesně určit gradient poškození. Jako vhodný nástroj se pro tento účel jeví miniaturizované zkoušky, např. miniaturní protlačovací zkouška (small punch). Tato zkouška má podobné geometrické uspořádání jako známá Erichsenova zkouška hlubokotažnosti plechů. Zkouška spočívá v deformaci vzorku umístěného na prstencové raznici kuličkou resp. razníkem s polokulovitým hrotem, případně cylindrickým razníkem [1-3]. Základní rozměry zkoušky jsou určeny vztahem a > R+ h 0, 1) kde a je poloměr otvoru raznice, R je poloměr razníku a h 0 je počáteční tloušťka vzorku. Např. japonská norma pro tento druh zkoušky doporučuje rozměry vzorku (v závislosti na tom, kterou z mechanických vlastností chceme studovat) 10x10 mm a tloušťku 0,5 nebo 0,25 mm, případně průměr 3 mm a tloušťku 0,25 mm [4]. Rozměry vzorku jsou dostatečně malé, a je tedy zřejmé, že tímto typem zkoušky je možno dosáhnout podstatně detailnější určení lokálních mechanických vlastností. Cílem našeho příspěvku je ukázat možnosti této metody pro charakterizaci rozložení creepového poškození ve stěně trubkového kolena vysokotlakého parovodu po dlouhodobém provozu.

2 2. EXPERIMENTÁLNÍ TECHNIKA Pro miniaturizovanou protlačovací zkoušku byl adaptován creepový stroj ÚFM pro zkoušky při konstantním tahovém zatížení. Jedná se o stroj se zatěžováním prostřednictvím páky o poměru 1:10. Odporová pec umožňuje zkoušení do teploty 1000 C. Zkoušení probíhá v atmosféře čištěného argonu. Pro protlačovací zkoušku jsou použity specifické čelisti, které revertují směr působící síly z tahové na tlakovou. Do těchto čelistí je vložen přípravek pro protlačovací zkoušku, který je schematicky znázorněn na obr. 1. V průběhu zkoušky tlačí na RAZNÍK vzorek keramická kulička vyrobená z materiálu na bázi Al 2 O 3 (FRIALIT KULIČKA F99.7) o průměru 2,5 mm. Výrobce garantuje toleranci průměru v mezích SVORKA ± 0,0005 mm a odchylky od sféricity VZOREK 0,0005 mm. Kontrolní ověření kvality kuliček bylo provedeno ve Výzkumném RAZNICE ústavu valivých ložisek Brno, ZKL V+V VÁLEC a. s., na přístroji Talyrond 73 od firmy Taylor and Hobson. Odchylky od sféricity ZÁTKA se pohybovaly v setinách µ m, u žádné z náhodně vybraných 10 kuliček nepřesáhla odchylka 0,0001 mm. Kruhový diskový vzorek o průměru 8 Obr. 1: Schéma protlačovací zkoušky mm a počáteční tloušťce 0,5 mm je umístěn na raznici s otvorem o průměru 4 mm. V průběhu zkoušky je kulička protlačována konstantní silou a je měřena časová závislost průhybu ve středu vzorku jako rozdíl mezi polohou razníku a raznice. Tato závislost je měřena s použitím průtahoměru W2K od firmy Hottinger-Baldwin Co. (SRN). Údaj průtahoměru je zpracován pro tento účel speciálně vyvinutým počítačovým programem, který provádí registraci dat v souladu se specifickými rysy této zkoušky. 3. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Pro zkoušení byl použit materiál z kolena vysokotlakého parovodu po hodinách provozu při teplotě C a tlaku 17,1 MPa. Koleno bylo vyrobeno z oceli Výsledky výpočtů redistribuce napětí, deformace a poškození tohoto kolena jsou uvedeny v práci [5], kde jsou také shrnuty výsledky předchozího studia základních mechanických vlastností materiálu tohoto kolena [6, 7]. Z kolena byly vyříznuty válečky o průměru 8 mm, jejichž osa byla kolmá na stěnu kolena. Válečky byly elektrojiskrově rozřezány na plátky o tloušťce 1,2 mm, přičemž řezy byly kolmé k ose válečků. Plátky byly broušeny na metalografických papírech rovnoměrně z obou stran s konečným broušením na papírech na tloušťku 0,500 ± 0,005 mm (obvykle ± 0,002). Tloušťka vzorků byla měřena pasametrem SOMET. 4. VÝSLEDKY Všechny zkoušky byly provedeny při teplotě C a síle 350 N. Vzorky byly při zkoušce orientovány tak, že kulička tlačila na stranu vzorku bližší k vnějšímu povrchu trubky. Typický příklad závislosti středového průhybu na čase je na obr. 2. Změřená závislost má charakter creepové křivky s výrazným stadiem primárního creepu. Stadium ustáleného tečení chybí, ale je možno vyhodnotit minimální rychlost průhybu. Tato minimální rychlost spolu s dobou do protržení vzorku jsou dvě veličiny, které jsou nejzřetelněji závislé na vnějších podmínkách protlačovací zkoušky. Závislost doby do lomu (protržení vzorku) na vzdálenosti od vnějšího povrchu je uvedena na obr. 3. Se zvětšující vzdáleností od vnějšího povrchu se doba do lomu

3 PRŮHYB [mm] Střed Vnitřní povrch Vnější povrch 350 N 873 K Místo čís ČAS [h] Obr. 2: Časová závislost průhybu středu vzorku stejný trend poklesu tvrdosti v počátečních vzdálenostech pod povrchem. snižuje a teprve v posledních mm tloušťky stěny dochází k zastavení tohoto trendu. Analogické chování je pozorováno i pro minimální rychlost průhybu. To je ilustrováno na obr. 4. Kvalitativně je ovšem charakter této závislosti opačný než v případě doby do lomu. Pro potvrzení výše uvedených charakteristik jsme sledovali i průběh tvrdosti v profilu trubky v identickém místě kolena. Tvrdost HV30 se pohybuje v mezích a její závislost na vzdálenosti od povrchu je v podstatě nevýrazná. Kvantitativně leží v dolní oblasti hodnot zjištěných na tomto koleni v a. s. Vítkovice [5]. Tvrdosti HV2, HV5 a HV10 měřené ve stejném profilu jsou na obr. 5. Ve všech třech případech je 50 1E-5 DOBA DO LOMU [h] RYCHLOST PRŮHYBU [mm/s] 8E-6 6E-6 4E-6 2E E+0 Obr. 3: Závislost doby do lomu ve stěně trubky Obr. 4: Závislost minimální rychlosti průhybu na poloze ve stěně trubky 5. DISKUSE Zhodnocení výsledků prezentovaných v předcházející kapitole se pokusíme provést pomocí širšího komplexu měření dříve provedených na materiálu kolena z oceli 14MoV 6 3 [8]. Jedná se o ocel, která je německým ekvivalentem naší oceli Koleno bylo vyrobeno z trubky o délce mm, vnitřní průměr 175 mm, nominální tloušťka stěny 27 mm. Koleno bylo exponováno v MPA Stuttgart po dobu hodin za podmínek simulujících provozní podmínky: teplota C, vnitřní tlak páry 200 bar, otevírací síla kolena 400 kn [9]. Materiál, který byl použit pro konvenční a protlačovací creepové zkoušky, byl odebrán z koncových rovných částí kolena a z jádrové oblasti stěny trubky, aby se minimalizoval možný vliv nehomogenity mechanických vlastností vyvolaný výrobou, případně simulovanou expozicí.

4 TVRDOST HV5 HV2 HV Obr. 5: Závislost tvrdosti na poloze ve stěně trubky Při protlačovací zkoušce jsou napětí působící v jednotlivých místech prohnutého vzorku složitou funkcí času. Srovnávacím kriteriem protlačovací a konvenční jednoosé creepové zkoušky proto byly protlačovací síla a napětí, které vedou u obou typů zkoušky ke stejné době do lomu. Pro porovnání bylo použito 57 protlačovacích zkoušek o celkovém trvání hodin a 20 konvenčních creepových zkoušek o celkové délce hodin. Zanedbáme-li pro jednoduchost určitou teplotní a napěťovou závislost, můžeme vztah mezi silou F [N] působící při protlačovací zkoušce a aplikovaným napětím σ [MPa] při jednoosé creepové zkoušce vyjádřit jako [10] F σ 2,52. 2) Použijeme-li - kromě tohoto vztahu - ještě hodnotu napěťové citlivosti doby do lomu při jednoosé creepové zkoušce zjištěnou pro ocel 14MoV 6 3 [8], ln t F lnσ = 10,66, 3) i pro zde studovanou ocel 15128, můžeme z prezentovaných výsledků odhadnout mez pevnosti při tečení. Závislost takto stanovené meze pevnosti při tečení pro teplotu C a dobu do lomu 100 hodin je na obrázku 6. Jestliže se při výše uvedeném postupu nebudeme snažit o extrapolaci, která by byla příliš vzdálená naměřeným údajům, můžeme mez pevnosti tečení pro dobu X přibližně odhadnout z výsledků protlačovací zkoušky provedené při síle F, při které došlo k protržení po čase t R, pomocí vztahu tr σ TPt = F * 0, ,0857 log 10. 4) X V tomto vztahu je opět napětí v MPa a síla v N. Průměrná hodnota meze pevnosti při tečení (600 0 C, 100 hodin) stanovená ze všech odhadnutých hodnot na obr. 6 je 123,01 ± 2,43 MPa. Pro tři vzorky ležící u vnějšího povrchu (což odpovídá možnostem jednoho odběru materiálu přístrojem SSAM-2) dostaneme hodnotu meze pevnosti při tečení 123,87 ± 1,82 MPa. Výsledky dosažené na oceli 14MoV 6 3 dále ukazují, že minimální rychlost průhybu [mm/s] a minimální rychlost creepu [1/s] při stejných dobách do lomu jsou přibližně spojeny vztahem δ! 2! ε. 5) m, 1 m Je třeba zdůraznit, že tato rovnice, stejně tak jako rovnice (2) a (4) platí pouze pro danou geometrii protlačovací zkoušky. Pro řadu materiálů bylo prokázáno, že doba do lomu,

5 130 MEZ PEVNOSTI PŘI TEČENÍ 600 o C, 100 h [MPa] Obr. 6: Průběh odhadnuté hodnoty meze pevnosti při tečení minimální rychlost creepu a lomová deformace jsou spjaty modifikovaným Monkmanovým- Grantovým vztahem [11] ε! t ε m F F = K MD, 6) kde K MD je konstanta. Při znalosti této konstanty můžeme ze změřené doby do protržení a minimální rychlosti průhybu pomocí výše uvedených vztahů odhadnout i creepovou tažnost. Pro ilustraci tohoto postupu použijeme konstantu K MD = 0,351 ± 0, 130, zjištěnou pro trubku 0.8 CREEPOVÁ TAŽNOST Obr. 7: Odhad creepové deformace při lomu

6 z oceli 14MoV 6 3. Výsledky jsou uvedeny na obr. 7. Odhlédneme-li od jisté problematičnosti tohoto odhadu, která je dána mj. otázkou přenosu konstanty K MD z materiálu po zkušební expozici hodin na materiál po čtyřnásobně dlouhé exploataci, můžeme si na tomto obrázku všimnout jednoho zajímavého rysu. Zatímco u doby do lomu (a v důsledku toho i meze pevnosti při tečení) se hodnoty stanovené pro vzorky u vnějšího povrchu výrazně nelišily od hodnot získaných v objemu stěny, zdá se, že creepová tažnost povrchových vzorků (a to jak u vnějšího, tak i u vnitřního povrchu) je nižší. S ohledem na praktické provádění protlačovací zkoušky na materiálu získaném nedestruktivním odběrem ze studovaného tělesa to znamená, že mez pevnosti při tečení bude stanovena dostatečně spolehlivě, zatímco odhad creepové tažnosti může být příliš konzervativní. 6. ZÁVĚRY 1) Pomocí protlačovací zkoušky je možno určovat průběh lokálních creepových vlastností v objemu těles po dlouhodobé exploataci. 2) Na základě empirických vztahů mezi napětím při jednoosé creepové zkoušce a silou při protlačovací zkoušce o stejném trvání je navržen vztah pro odhad meze pevnosti při tečení z výsledků protlačovací zkoušky. 3) Je navržen postup pro odhad creepové tažnosti vycházející z modifikovaného Monkmanova-Grantova vztahu. 4) Experimenty na trubkovém koleni po dlouhodobé expozici ukázaly, že protlačovací zkouška prováděná na nedestruktivně odebraném vzorku z povrchu je schopna dát dostatečně reprezentativní představu o mezi pevnosti při tečení uvnitř stěny trubky. PODĚKOVÁNÍ Práce byla provedena v rámci projektů 106/98/1363 a 106/00/0172 Grantové agentury ČR. Náš dík patří ing. O. Bielakovi, CSc., za poskytnutí experimentálního materiálu. LITERATURA [1] MAO, X., KAMEDA, J. Small Punch Technique for Measurement of Material Degradation of Irradiated Ferritic Alloys. J.Mater.Sci., 1991, roč. 26, s [2] XU, Y.C., ZHAO, Z.Q. A modified miniature disk test for determining material mechanical properties. J.Test.Eval., 1995, roč. 23, s [3] TETTAMANTI, S., CRUDELI, R. Small Punch Creep Test: A Promising Methodology for High Temperature Plant Components Life Evaluation. In Baltica IV, Plant Maintenance for Managing Life & Performance, Eds. S. Hietanen, Pertti Auerkari, Technical Research Centre of Finland, Espoo 1998, Vol. 2, s [4] TAKAHASHI, H., SHOJI, T., MAO, X., HAMAGUCHI, Y., MISAWA, T., SAITO, M., OKU, T., KODAIRA, T., FUKAYA, K., NISHI, H., SUZUKI, M. Recommended Practice for Small Punch (SP) Testing of Metalic Materials. Technical Report JAERI- M , [5] BIELAK, O. Materiál kolena VT parovodu po hodinách provozu. BiSAFE - Životnost & spolehlivost tlakových zařízení, zpráva Z , Praha [6] KELLNER, P. Posouzení stavu materiálu kolena VT-parovodu kotle K4, EDĚ. TEDIKO, zpráva 7-Z73/26-7/172, [7] KUBOŇ, Z. Výsledky zkoušek mechanických vlastností VT parovodu 324x48 mm kotle K4 Elektrárny Dětmarovice. Vítkovice a.s., zpráva /117, Ostrava 1998.

7 [8] ULE, B., ŠUSTAR, T., DOBEŠ, F., MILIČKA, K., BICEGO, V., TETTAMANTI, S., MAILE, K., SCHWARZKOPF, C., WHELAN, M. P., KOZLOWSKI, R. H., KLAPUT, J. Small Punch Test Method Assessment for the Determination of the Residual Creep Life of Service Exposed Components - Outcomes from an Interlaboratory Exercise. Nuclear Engineering and Design, 1999, roč. 192, č. 1, s [9] MAILE, K., PURPER, H., THEOFEL, H. Innendruckversuche an Rohrbogen aus warmfesten Stählen mit zusätzlich aufgebrachten Biegemomenten bei Temperaturen im Kriechbereich, Research Report Nr , Staatliche Materialprüfungsanstalt Stuttgart, [10] DOBEŠ, F., MILIČKA, K., bude publikováno [11] DOBEŠ, F., MILIČKA, K. The relation between minimum creep rate and time to fracture. Metal Science, 1976, roč. 10, s