Поведение материалов при повышенных температурах

Паровые котлы ТЭС

Уже были рассмотрены методы организации процессов, обеспечивающих оптимальные условия работы металла элементов паровых котлов, работающих при высоком давлении. Но даже в этих условиях металл ответственных узлов (трубы поверхностей нагрева, барабан, коллекторы, паропроводы) находится в тяжелых условиях, так как в стационарных режимах он подвергается воздействию напряжений от внутреннего давления и собственной массы при высокой температуре. В переменных режимах (пусках, остановах) металл находится под дополнительным воздействием переменной температуры и давления. В некоторых режимах могут возникать и переменные температуры циклического характера.

Кроме того, на металл ответственных узлов котла действуют высокая температура и кор- розионно-активные в химическом отношении среды: топочные газы, насыщенный и перегретый пар, пароводяная смесь и питательная вода. Под воздействием этих сред возникает коррозия металла.

Многие элементы котла, особенно детали водяной и паровой арматуры и труб поверхностей нагрева, работают в условиях эрозионного и абразивного износа. Эрозионным называют износ под влиянием воздействия струи жидкости, газа или пара, абразивным— механический износ под действием твердых частиц — абразивов (например, золовой износ труб поверхностей нагрева). Эрозия металла — сложный процесс, сочетающий в себе коррозию от химического воздействия среды и механический износ под влиянием динамики потока жидкости или пара (механический износ может усиливаться в процессе эрозии при наличии в среде твердых абразивных частиц).

Металл труб воздухоподогревателя испытывает небольшое давление (до 7—8 кПа), и потому механические усилия незначительны, но металл работает при высокой температуре (до 400—450°С).

Особенно в тяжелых условиях работают находящиеся в газоходах неохлаждаемые элементы, предназначенные для подвески и крепления поверхностей нагрева. Эти элементы несут большую весовую нагрузку и подвержены воздействию агрессивных газов при высокой температуре (до 800°С).

Каркас котла также несет большую весовую нагрузку, но работает он при температуре окружающего атмосферного воздуха. Только в подвесных конструкциях паровых котлов отдельные так называемые «горячие» подвески каркаса, кроме того, подвержены высокой температуре, определяемой температурой протекающей через них рабочей среды.

Элементы котла, работающие под избыточным давлением, условно можно разделить на две группы:

1) элементы, работающие при температуре ниже 350—400°С: барабан, парообразующие трубы и их коллекторы, трубы экономайзера и переходной зоны и их коллекторы, трубопроводы и арматуры для воды и насыщенного пара;

2) элементы, работающие при температуре выше 350—400°С: пароперегреватели и их коллекторы, пароохладители, трубопроводы и арматура перегретого пара.

Специфическую опасность для надежной работы ответственных элементов парового котла представляет длительное воздействие напряжений от внутреннего давления и высокой температуры перегретого пара, если она превышает 450°С. Под совместным влиянием температуры выше 450°С и напряжений (трубы пароперегревателей, их коллекторы и магистральные паропроводы) в стали развивается опасное явление ползучести (крипа). Ползучесть представляет собой медленное и непрерывное накопление пластической деформации, т. е. постепенное увеличение размеров детали. Это особый вид пластической деформации, протекающей при напряжении ниже предела текучести. Опасной особенностью процесса ползучести является то, что по достижении определенных пределов остаточной
пластической деформации металл разрушается. Поэтому размеры деталей, работающих в условиях развития ползучести, непрерывно контролируют.

Диаграмма ползучести показана на рис. 25.1, на котором изображены кривые ползучести при постоянном напряжении для трех значений температуры /і</г</з. Рассмотрим ход процесса на примере ползучести при температуре 11. Кривая состоит из трех участков: О а, аб и бс. По времени участок 0 а — период затухающей ползучести — соответствует короткому начальному периоду /, когда металл даже несколько упрочняется. Далее наступает длительный период II установившейся ползучести— участок ab, в пределах которого деталь может работать надежно, не разрушаясь. Скорость ползучести в этом периоде постоянна:

0=A//T=tga. (25.1)

Наконец, следует опасный период III нарастающей ползучести бс, в течение которого наступает разрушение детали — точка с и которому предшествует сильная пластическая деформация, например раздутие труб поверхности нагрева. Надежная работа деталей возможна только в пределах периода II установившейся ползучести. При более высокой температуре (/2 и ^з) процесс ползучести протекает аналогично, но более активно во времени; скорость установившейся ползучести повышается, а разрушение наотупает раньше. Напряжение, при котором скорость ползучести в периоде II не превышает заданной, или напряжение, вызывающее за заданный срок службы суммарную деформацию не более некоторого безопасного, допустимого предела, называют условным пределом ползучести аП – Для большинства марок сталей допускается суммарная деформация в 1% за 100 тыс. ч работы. Этому соответствует скорость ползучести Уп=10~7 мм/(мм-ч), или 10~5% /ч.

Характеристикой прочности металла при работе в условиях ползучести служит предел длительной прочности. При нагружении металла в условиях ползучести длительность работы детали до разрушения зависит от испытываемого напряжения. Напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях ползучести за заданный период, называют пределом длительной прочности.

Зависимость времени до разрушения при постоянной температуре тР от напряжения чаще всего выражают степенным уравнением

Хр=Всгт, (25.2)

Где В и m — постоянные для данного металла и данной температуры.

Следовательно, в двойных логарифмических координатах график зависимости тР от а выражается прямыми, показанными на рис. 25.2 для трех температур 11, t2 и /з (ti<t2<ts).

Длительность безопасной работы детали при данном напряжении (без разрушения) может быть установлена по рис. 25.2. Следовательно, расчет на прочность деталей, работающих в условиях ползучести, можно проводить не по пределу ползучести, а по пределу длительной прочности. Задавшись временем безопасной работы и введя запас прочности, можно рассчитать напряжение, при котором деталь буде г надежно работать в течение заданного времени.

Физическая природа предела ползучести и предела длительной прочности неодинакова. Предел ползучести характеризует сопротивление металла малой пластической деформации при повышенной температуре, а предел длительной прочности — сопротивление металла разрушению в условиях ползучести. Тем не менее в зависимости от обстоятельств каждая из этих характеристик может фигурировать в расчетах на прочность в условиях ползучести, тем более, что для каждого материала между этими характеристиками имеется определенная взаимосвязь.

Поведение металла при высоких температурах

Рис. 25.2. Зависимость предела длительной прочности от времени до разрушения.

До последнего времени для расчета деталей, работающих в условиях ползучести, предусматривалась подстановка в расчетные формулы допускаемого напряжения по пределу длительной прочности при данной температуре стенки за заданный период работы (обычно 100 тыс. ч). Предел длительной прочности обозначается О д. п (/ — температура стенки). При коэффициенте использования рабочего времени /СРаб=0,85, т=100 тыс. ч эквивалентно сроку службы при расчетных параметрах пара — примерно 15 годам. Для дорогостоящего оборудования, каким являются паровой котел и паровая турбина с труд – нозаменяемыми элементами (паропроводы, пароперегреватели, коллекторы, головная часть турбины и др.), этот срок службы в настоящее время считается недостаточным, если учитывать большие запасы прочности, заложенные в расчетах прочности. По сроку амортизации рекомендуется его увеличить примерно в 2 раза, т. е. до 200 тыс. ч. Это может несколько снизить длительную прочность к концу ресурса металла по сравнению с длительной прочностью при 100 тыс. ч. Учитывая, однако, улучшение технологии производства сталей и их термообработки, повышение культуры эксплуатации оборудования, улучшение методов контроля работы металла в эксплуатации оборудования, следует ожидать небольшого снижения длительной прочности при намеченном ресурсе металла в 200 тыс. ч. Новые нормы расчета на прочность [4] позволяют производить расчеты деталей паровых котлов на 200 тыс. ч.

Работа металла при повышенных температурах отличается также той особенностью, что при этих температурах получают развитие диффузионные процессы, под влиянием которых могут существенно изменяться структура, а следовательно, и свойства металла. В этих условиях металл разупрочняется в результате охрупчивания и графитизации. Разупрочнение может привести к аварийной потере прочности.

Работа сталей в условиях воздействия топочных газов и перегретого пара при повышенных и высоких температурах сопровождается также активизацией процессов электрохимической коррозии и как следствие усилением окисления и окаллнообразования на поверхностях, соприкасающихся с активными средами. От воздействия топочных газов особенно страдают внешние поверхности труб пароперегревателей, от воздействия перегретого пара — внутренние поверхности этих труб, коллекторов перегретого пара и магистральных паропроводов. Окалинообразова – ние может быть настолько значительным, что толщина стенки трубы уменьшается до опасных пределов, влекущих за собой преждевременную ползучесть и даже разрушение труб. Образование окалины усугубляется интенсивными тепловыми нагрузками, высокими напряжениями, возникающими от внутреннего давления. Утонение металла вследствие окалинообразования учитывают в прочностных расчетах.

С увеличением единичной мощности требования к надежности выше, а обеспечить ее сложнее из-за большой металлоемкости поверхности нагрева и огромного числа сварных соединений. Увеличение единичной мощности часто сопровождается повышением параметров пара, что связано с применением более прочных, но менее пластичных сталей. Последние более чувствительны к концентрациям напряжений, и поэтому для них даже небольшие дефекты металла более опасны.

В итоге современные паровые котлы большой мощности требуют не только улучшения технологии производства, но и получения по результатам контроля широкой информации о работе металла в сложных условиях эксплуатации: его ползучести, структуре, составе, механических свойствах и возникающих напряжениях.

Условия работы металла при высоких температурах и давлениях позволяют сформулировать следующие основные требования к стали для обеспечения длительной надежной работы котельной установки: высокий предел ползучести; высокий предел длительной прочности; высокая стойкость против окалинообразования; стабильность структуры, гарантирующая отсутствие опасного изменения свойств в процессе длительной работы; хорошая свариваемость; отсутствие металлургических и механических дефектов поверхности, ослабляющих сечение элементов и являющихся концентраторами напряжений.

Нормальному (неаварийному) останову котла (блока) предшествует его разгрузка. При останове в резерв на короткое время (например, на ночь) стремятся в наибольшей степени сохранить тепловое состояние оборудования, в связи с чем …

Рассматриваемые режимы можно разделить на три основных этапа: подготовительные операции, собственно растопки котла и повышение нагрузки до заданной. Рассмотрим их применительно к наиболее современному оборудованию — блочным установкам. В течение …

В соответствии с тепловой схемой АЭС пар вырабатывается либо непосредственно в ядерных реакторах кипящего типа, либо в парогеиераторах-теплообменни – ках, в которых осуществляется передача теплоты от теплоносителя, поступающего из реактора, …

Источник

С повышением температуры механические свойства материалов изменяются. пределы прочности, пропорциональности и текучести, а также модуль упругости убывают; пластичность обычно увеличивается, но при некоторых температурах она может и понижаться.

Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. При повышенных температурах, а для некоторых материалов (типа полимеров) даже при нормальной, статическая прочность зависит от длительности нагружения, так как с течением времени могут меняться механические свойства материала, размеры детали и распределение в ней напряжений. Поэтому при высоких определяют не только обычные механические характеристики при кратковременных испытаниях, но и характеристики при продолжительной работе. Прочность материала называют в этом случае длительной, прочностью.

Для определения механических свойств образца при продолжительной работе его нагревают в электропечи, установленной на разрывной машние, нагружают и отмечают время до разрушения Чем выше напряжение, тем быстрее разрушается образец.

Напряжение, при котором образец разрушается не ранее заданного времени, называют пределом длительной прочности Обозначение указывает, что при напряжении образец разрушается не менее чем через Предел длительной прочности всегда ниже предела прочности при кратковременном испытании.

Зависимость предела длительной прочности стдл от времени при постоянной температуре называют кривой длительной прочности. В двойных логарифмических координатах эта зависимость в определенных пределах имеет вид прямой линии (рис. 4):

или

где и С — постоянные для данной температуры испытания. Чем выше температура, тем меньше показатель степени и тем быстрее убывает по времени предел длительной прочности. Пределы длительной прочности для некоторых материалов приведены в табл 2. По данным таблицы

(кликните для просмотра скана)

и формуле (7) можно найти значение постоянных

Например, для сплава при откуда

Размеры нагруженных при высокой температуре деталей с течением времени непрерывно меняются, что может нарушить работу машины. Это явление называют ползучестью. При испытании на ползучесть к нагретому образцу прикладывают постоянную нагрузку и через определенные промежутки времени измеряют удлинение образца Зависимость остаточной деформации от времени испытаний при постоянном напряжении и постоянной температуре называют кривой ползучести (рис. 5).

Остаточная деформация вначале быстро нарастает (стадия — неуста новившаяся ползучесть), затем в течение основного времени работы скорость ползучести остается примерно постоянной (стадия II — установившаяся ползучесть), наконец, перед разрушением образца скорость ползучести быстро нарастает (III стадия). Чем выше напряжение и температура, тем быстрее развивается ползучесть.

Наибольшее напряжение, при котором деформация ползучести за определенный период времени не превышает заданного значения, называют пределом ползучести (обозначение указывает, что при напряжении ползучесть за вызывает относительное остаточное удлинение Пределы ползучести некоторых сплавов приведены в табл. 2.

Рис. 5. Кривые ползучести при разных постоянных напряжениях

Когда общая деформация детали по условиям работы остается неизменной (например, вытяжка болта в резьбовом соединении), увеличение с течением времени пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации и падению напряжения (в данном случае к ослаблению резьбового соединения). Это явление называют релаксацией напряжений.

Наконец, при высоких температурах происходит интенсивное окисление ряда материалов. В неравномерно нагретых конструкциях ползучесть приводит с течением времени к перераспределению напряжений: в горячих зонах напряжения уменьшаются, в более холодных — увеличиваются. Это должно учитываться в расчетах на длительную прочность.

Применение обычных конструкционных сталей в условиях значительной напряженности ограничено температурой Жаропрочные стали и сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов применяют при температурах до и выше. При еще более высоких температурах применяют металлокерамические и керамические материалы.

Температурный диапазон применения ряда материалов может быть расширен при использовании защитных жаростойких покрытий.

При очень низких (или, как их иногда называют, криогенных) температурах механические свойства материалов также меняются повышается прочность и снижается пластичность.

При снижении температуры от нормальной до пределы прочности и текучести сталей возрастают

в среднем на 20—30%. Относительное удлинение и особенно относительное сужение заметно уменьшаются, т. е. материал становится более хрупким. Усиливается чувствительность материала к концентрации напряжений, поэтому прочность надрезанных образцов с понижением температуры обычно падает.

Для каждого материала имеется предельная температура, ниже которой его применение в конструкциях становится недопустимым из-за высокой хрупкости.

Источник

Инженерные конструкции могут подвергаться экстремальным нагрузкам, например при пожаре, ударах или взрывах, а также их комбинированным воздействиям в результате случайных событий.

Для лучшего понимания надежности конструкций при воздействии экстремальных явлений, в первую очередь, необходимо изучить механические свойства строительных материалов. Бетон, как широко используемые строительный материал, достаточно изучен для прогнозирования его поведения в различных сценариях нагрузки.

Доказано, что свойства бетона зависят как от температуры, так и от скорости деформации при пожаре или другом воздействии. В целом, прочность бетона повышается с увеличением скорости деформации. Это увеличение (так называемый эффект скорости деформации) может быть связан с термической активацией, макро вязкостью и инерциальным механизмом.

Кроме того, так называемый эффект скорости деформации зависит от различных неопределенных факторов, например от состава, соотношения воды и цемента, метода и времени отверждения, типа заполнителя, размера образца и прочих факторов. Под воздействием огня, бетон значительно разрушается и теряет большую часть своей несущей способности.

Для количественной оценки влияния температуры используются понижающие коэффициенты и расчетные кривые. Cтальной фибробетон, сочетающий цементирующую матрицу и прерывистую арматуру, состоящий из случайно распределенных в матрице стальных волокон, обладает хорошей прочностью и высокой прочностью на разрыв и может быть лучше, чем традиционного бетона.

Фибробетонный путепровод, Германия. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Textilbeton-Bruecke_-_Faserbeton_-270932.jpg#/media/Файл:Textilbeton-Bruecke_-_Faserbeton_-270932.jpg

Поэтому стальной фибробетон лучше выдерживает некоторые экстремальные нагрузки, по сравнению с обычным бетоном. За последние несколько десятилетий установили, что, хотя стальной фибробетон и отличается от простого бетона – его качество все еще зависит от скорости деформации и температуры.

Под воздействием высоких температур материалы становятся более хрупкими и проявляют различные эффекты скорости деформации по сравнению с материалами при комнатной температуре. Тем не менее, имеющихся в настоящее время исследований недостаточно. Они выполняются на различных материалах с различными экспериментальными процедурами, учитывающими различные комбинации высокой температуры и скорости деформации (например, динамическая нагрузка при высокой температуре или после нее).

Таким образом, мы еще далеки от количественного определения комбинированного воздействия скорости деформации и температуры. Что касается стального фибробетона, то исследований его свойств, при пожарах и ударах еще меньше, чем исследований обычного бетона.

Фибробетон. Источник: https://1beton.info/vidy/fibrobeton/chto-takoe-fibrobeton-plyusy-i-minusy-gde-primenyaetsya

Несмотря на недостаток испытаний, можно сделать следующие неоспоримые выводы:

При температуре не выше 600 C включение стального волокна может эффективно предотвратить разрушение образцов стального фибробетона на фрагменты при динамической нагрузке, в то время как это изменение в структуре не является значительным при разрушении при 800 C.
Кривые динамического напряжения-деформации фибробетона имеют такие же формы, как и в случае квазистатических нагрузок. Кривые напряжения-деформации как в статических, так и в динамических условиях становятся более плоскими с увеличением температуры.
Динамическая прочность на сжатие фибробетона, при воздействии повышенных температур, все еще чувствительна к скорости деформации. Тем не менее, влияние температуры и количества стальных волокон на скорость деформации неравномерно.
С ростом температур, динамическая прочность на сжатие и модуль упругости фибробетона уменьшаются, в то время как критическая деформация возрастает. Кроме того, сначала повышается пиковая прочность, а затем она уменьшается при тех же условиях.
При воздействии высоких температур, дозировка стальных волокон оказывает незначительное влияние на динамическую прочность при сжатии, критическую деформацию и модуль упругости, а также пиковую вязкость.

Считается, что больше внимания следует уделять изучению влияния размеров волокна, дозировки волокна и температуры на растяжение, изгиб и сжатие фибробетона при динамических нагрузках с более широким диапазоном скоростей деформации.

Источник