METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
HODNOCENÍ MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ KOTLOVÉHO TĚLESA PO DLOUHODOBÉM PROVOZU METODOU MALÝCH VZORKŮ. EVALUATION OF MATERIAL PROPERTIES OF BOILER DRUM AFTER LONG SERVICE USING SMALL SPECIMEN TECHNIQUE Ladislav Kander, Miroslav Filip, Karel Matocha, Jaroslav Purmenský VÍTKOVICE – Výzkum a vývoj, spol s r.o., Pohraniční 31, 706 02 Ostrava - Vítkovice, ČR,
[email protected] Abstrakt: Metoda malých vzorků (penetračních testů) patří k perspektivním metodám hodnocení degradace materiálových vlastností a je ji možné využít pro získání podkladů potřebných hodnocení zbytkové životnosti klíčových komponent v energetickém strojírenství. Její obrovskou výhodou je minimalizace požadavků na experimentální materiál. V příspěvku budou prezentovány konkrétní výsledky získané metodou malých vzorků při hodnocení pevnostních a křehkolomových vlastností kotlového tělesa přehřívacího kotle ocelárny, vyrobeného z materiálu 11 416.1 po přibližně 158 000 hodinách provozu. Výsledky dosažené metodou malých vzorků budou porovnány s výsledky získanými standardními zkušebními postupy (zkouška tahem, zkouška rázem v ohybu). Z dosažených výsledků jednoznačně vyplývá použitelnost výše uvedené metody pro stanovení materiálových charakteristik na provozovaných energetických zařízeních. Abstract: Evaluating the mechanical properties of the structural materials of components is one of the key points for producing reliable integrity assessments and correct residual life predictions. The evaluation of mechanical properties is by definition a destructive technique, since it requires sampling material directly from the component. This can usually be performed only when the sample size is so small that easy repairing or even no repairing at all is eventually needed to allow further operation of the conponent. This necessity implies the use of very small specimens, usually not complying with the requirements of widely used test standards. In the article the experimental technique based on small punch test will be presented. The small punch technique is an almost non-destructive technique for characterizing the mechanical properties of service – exposed plant components. The microscopic size of the specimens allows to consider almost negligible the amount of material that has to be sampled from the component. An examples of residual life assessment will be presented. Úvod V průmyslu existuje celá řada součástí pracujících v nepříznivých provozních podmínkách, které mohou způsobit degradaci použitých konstrukčních materiálů. Důsledkem takto působících nepříznivých provozních podmínek může být degradace mikrostruktury a materiálových vlastností, která v konečném důsledku může vést ke snížení provozuschopnosti a životnosti komponent.
1
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Hodnocení míry degradace materiálů konstrukčních celků a jejich zbytkové životnosti pomocí standardizovaných zkušebních metod však zpravidla vyžaduje velký objem experimentálního materiálu, který je však mnohdy velmi obtížné či dokonce nemožné získat. Z těchto důvodů se celosvětově stále více prosazují trendy volající po miniaturizaci zkušebních těles a po metodách nedestruktivních či šetrných odběrů experimentálního materiálu z provozovaných zařízení. Metoda malých vzorků je zkušební metoda umožňující získat konkrétní hodnoty mechanických vlastností materiálu (mez kluzu, mez pevnosti, únavové vlastnosti, tranzitní teplota apod.). Z tohoto důvodu tato metoda představuje atraktivní metodu posuzování míry degradace provozovaných zařízení. Její hlavní výhoda spočívá v šetrném odběru minimálního množství experimentálního materiálu a to bez nutnosti provádět následné ošetření míst odběru či odstávky provozované součásti. V další části jsou shrnuty principy odběru, provádění penetračních testů a následného vyhodnocení mechanických vlastností. Prezentované výsledky přispívají k verifikaci zkušební metody malých vzorků s jednoznačným cílem využít ji ke spolehlivému zjišťování vybraných materiálových vlastností dlouhodobě provozovaných energetických zařízení. Experimentální část Jako experimentální materiál bylo použito víko průlezového otvoru kotlového tělesa přehřívacího kotle ocelárny 1 v USS Košice z nízkouhlíkové oceli pro vyšší teploty jakosti 11 416.1 eliptického tvaru o rozměrech 510 x 410 mm a tloušťce přibližně 60 mm. Kotlové těleso bylo po přibližně 158 000 hodinách provozu. Výsledky kontrolního chemického rozboru jsou uvedeny v tabulce 1 C
Mn
S
P
Si
Cu
Ni
Cr
Mo
V
Ti
0,24
0,81
0,027
0,040
0,28
0,081
0,056
0,068
0,008
<0,003
0,006
W
Co
Nb
As
Sb
Sn
Alrozp
Alváz
Alcelk
Ntřísky
0,005
0,003
0,003
0,003
0,017
0,002
0,019
0,0068
<0,003 0,012
Tabulka 1. Kontrolní chemický rozbor víka kotlového tělesa z materiálu 11 416.1 Table 1: Results of check analysis of material of boiler drum.
V rámci realizace rozsáhlého experimentálního programu byly vyrobeny z dodaného víka průlezového otvoru také vzorky pro penetrační testy o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm (viz obrázek 1).
Obr 1: Zkušební těleso pro penetrační test
Obr 2: Princip odběru
Fig.1: Punch test specimen
Fig.2: Specimen sampling 2
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Standardně se zkušební tělesa pro penetrační test vyrábějí ze vzorku materiálu odebraného pomocí odběrového zařízení SsamTM-2 firmy Rolls-Royce, kterým je naše pracoviště vybaveno. Princip odběru spočívá v odbroušení materiálu do hloubky cca 0,5 až 4 mm prakticky bez vrubového účinku a bez tepelného ovlivnění testované součásti, viz obrázek 2. Obrázek 3 pak ukazuje jak odebraný vzorek, tak místo po odběru spolu se zkušebními tělísky pro penetrační test a také pro stanovení únavových vlastností. Jak je patrné z obrázku 3, velikost odebraného experimentálního materiálu je vzhledem k reálné velikosti posuzovaných konstrukčních celků zanedbatelná.
Obr: 3: Odběrové místo, penetrační test a odběrový nástroj Fig.3: Place after cutting, punch test specimen and cutting tool Princip penetračního testu Princip penetračního testu spočívá v průniku razníku přes plochý vzorek tvaru disku nebo ploché destičky, který je uchycen mezi horním přidržovačem a dolní matricí. Podle tvaru aktivní části razníků rozlišujeme dva typy penetračního testu. Při protlačování kuličky, resp. razníku s hemisférickou plochou se jedná o kuličkový test nebo o střihový test v případě ostrohranného válcového razníku. Jednou z alternativ kuličkové zkoušky je tzv. ohybový test, kdy je vzorek pouze podložen matricí a razník je ve tvaru kužele. Schématické uspořádání penetračního testu je znázorněno na obr. 4.
Obr 4: Schéma uspořádání penetračního testu Fig 4: Scheme of punch test setup Metodika stanovení pevnostních vlastností na základě penetračního testu spočívá ve vyhodnocení grafického záznamu síla – průhyb, kdy pro stanovení meze kluzu je zapotřebí vyhodnotit sílu, která se získá z průsečíku dvou tečen (viz obrázek 5). Takto získaná síla na
3
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ mezi kluzu je po dosazení do korelačních rovnic přepočtena na mez kluzu, která odpovídá hodnotě stanovené standardní zkouškou tahem. Pro stanovení meze pevnosti se postupuje obdobně, jen je zohledněna maximální síla dosažená v průběhu penetračního testu a hodnota průhybu odpovídající této síle viz obrázek 5. Metodika hodnocení tranzitního chování konstrukčních ocelí Přesné stanovení lomové houževnatosti, resp. tranzitní oblasti konstrukčních ocelí, vyjádřené například tranzitní teplotou FATT (teplota pro 50 % houževnatého lomu na lomové ploše standardní zkoušky rázem v ohybu), je z pohledu kontroly spolehlivosti konstrukčních uzlů v energetice velmi důležité. První pokusy o stanovení lomové houževnatosti metodou penetračních testů pocházejí z počátku 80 let minulého století [5,6]. Metodika byla široce uplatněna pro materiály reaktorů jako například austenitické oceli [7] a také pro konstrukční nízkolegované oceli [8,9]. Vztah mezi tranzitní teplotou stanovenou penetračními testy a teplotou získanou na základě provedení zkoušek rázem v ohybu byl v literatuře opsán lineární závislosti (1), TSP = α × FATT
(1)
kde α je koeficient úměrnosti. přičemž hodnota koeficientu α byla v literatuře stanovena v závislosti na zkoušeném materiálu od 0,35 pro Cr-Mo-V a Ni-Cr oceli až po 0,41 pro konstrukční a dvoufázové oceli, resp. 0,42 [7]. Metodika stanovení přechodové teploty na základě penetračních testů je založena na změně lomové energie penetračního testu s teplotou, která je ilustrována na obrázku 6. Maximální síla nejprve s klesající teplotou vzrůstá, s dalším snižováním zkušební teploty však dochází k jejímu rychlému poklesu. Tranzitní teplota určená penetračním testem je pak definována jako střední energie mezi maximem energie dosaženým penetračními testy a hodnotou 200 Nmm, která odpovídá spodní prahové hodnotě energie. 1 400
Pm 1 200
Síla [N]
1 000 800 600 400
Pe
200
dm
0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Průhyb [mm]
Obr. 5: Záznam síla – průhyb z penetračního testu Fig 5: Force-deflection record from punch test
4
2,5
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Lomová energie kul. testu [N*mm]
2500 2000 1500 1000 500 TSP 0 50
100
150 200 Teplota [K ]
250
300
Obr 6: Teplotní závislost lomové energie stanovené penetračním testem Fig 6: Effect of temperature on punch test fracture behaviour Získané výsledky a jejich diskuze Pevnostní a plastické vlastnosti: Bylo provedeno celkem 5 penetračních testů při laboratorní teplotě, na základě kterých byly stanoveny hodnoty meze kluzu a meze pevnosti, z těchto hodnot byl vypočten aritmetický průměr spolu se směrodatnou odchylkou (viz tabulka 2). Pro srovnání získaných hodnot pevnostních a plastických vlastností stanovených penetračním testem byly mechanické vlastnosti stanoveny také standardní tahovou zkouškou dle ČSN EN 10 002 na zkušební tyčích kruhového průřezu o průměru 6 mm a měřené délce 30 mm. Zkoušce tahem bylo podrobeno rovněž 5 zkušebních tyčí, z dosažených výsledků byl stanoven aritmetický průměr spolu se směrodatnou odchylkou.Výsledky jsou rovněž prentovány v tabulce 2. Metoda Zkouška tahem dle ČSN EN 10 002
Mez kluzu [MPa]
Mez pevnosti [MPa]
320 ± 21
537 ± 27
Penetrační test
316 ± 25
542 ± 22
Tabulka 2: Pevnostní a plastické vlastnosti kotlového tělesa z oceli 11 416.1 Table 2: Tensile properties of the steel under investigation Na základě výsledků provedených penetračních testů a zkoušek tahem při laboratorní teplotě je možné konstatovat velmi dobrou shodu mezi výsledky získanými těmito metodami. Úroveň meze kluzu je naprosto srovnatelná jak co do velikosti střední hodnoty, tak i co do velikosti rozptylu. U hodnot meze pevnosti se již projevují důsledky nerovnoměrnosti ve struktuře nalezené při metalografické analýze, kdy byly nalezeny značné nerovnoměrnosti ve velikosti perlitických bloků. Tato skutečnost měla zřejmě vliv i na velikost rozptylu u standardní zkoušky tahem. Křehkolomové vlastnosti – tranzitní chování Pro hodnocení tranzitního chování kotlového tělesa byla vyrobena standardní zkušební tělesa pro zkoušky rázem v ohybu s V vrubem o rozměrech 10 x 10 x 55, které byly přeraženy na 5
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ kyvadlovém kladivu 300 J při různých teplotách tak, aby bylo možné získat Vidalovu křivku. Příklad takovéto křivky pro podíl houževnatého lomu na lomové ploše je uveden na obrázku 7. Z obrázku 7 pak vyplývá, že přechodová teplota pro 50 % houževnatého lomu na lomové ploše je FATT = +15 °C (288 K).
Obr 7: Teplotní závislost podílu houževnatého lomu Fig 7: Temperature dependence of the shear area 11 416.1 1400
1200
Pm [N]
1000
800
600
400
200 100
120
140
160
180
200
220
240
Teplota [K]
Obr. 8: Teplotní závislost maximální síly dosažené při penetračním testu pro materiál kotlového tělesa z oceli jakosti 11 416.1. Fig 8: Temperature dependence of fracture energy Rovněž byly vyrobeny malé vzorky a penetračními testy odzkoušeny tak, že bylo možné sestrojit, podle výše uvedené metodiky vyhodnocení tranzitní teploty, teplotní závislost maximální dosažené síly při penetračním testu. Z této závislosti po proložení uvedených křivek a s uvážením poměrně velkého rozptylu zapříčiněného nerovnoměrnostmi struktury, bylo možné vyhodnotit tranzitní teplotu v rozmezí TSP = 127 až 130 K.
6
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 11523
160 150
TSP [K]
140
y = 0,4381x R2 = 0,8264
13116.1 VStE500
130
A516
120
11416.1
110
FRS
100
15Ch2MFA
90
15Ch2MNFAA
80
A533
70
A533+SC
60 200
10GN2MFA 250
300
350
SA299
FATT [K]
Obr 9: Závislost tranzitní teploty FATT a tranzitní teploty určenou na základě penetračních testů pro vybrané konstrukční oceli Fig 9: Correlation between FATT temperature and transition temperature TSP (from punch tests) Získané tranzitní teploty z výsledků zkoušek rázem v ohybu a penetračních testů byly zaneseny do naší materiálové databáze, korelační křivka mezi tranzitní teplotou FATT a tranzitní teplotou TSP pro konstrukční oceli, z nichž řada se používá pro energetické aplikace je uvedena na obrázku 9. Z korelační křivky uvedené na obrázku 9 vyplývá velmi dobrý soulad mezi oběma tranzitními teplotami, o čemž svědčí také relativně vysoká hodnota koeficientu korelace. V tabulce 3 jsou porovnány hodnoty tranzitních teplot získaných pro materiál kotlového tělesa z oceli 11 416.1. jak standardními zkouškami rázem v ohybu, tak také penetračními testy.
Metoda Zkouška rázem v ohybu
Tranzitní teplota [°C]
Penetrační test
FATT = +17 až +23
FATT = + 15
Tabulka 3: Porovnání tranzitních teplot oceli 11 416.1 Table 3: Comparison of FATT temperatures Z výsledků prezentovaných v tabulce 3 jednoznačně vyplývá, že použití metody malých vzorků pro hodnocení tranzitního chování konstrukčních částí pracujících v energetickém průmyslu je oprávněný a plnohodnotný postup, vedoucí k získání relevantních údajů o materiálu. I když materiál kotlového tělesa vykazuje poměrně značný rozptyl ve svých mechanických hodnotách, přesto je dosažená shoda jak v rámci korelace tranzitních teplot uvedené na obrázku 10 , tak také konkrétních hodnot tranzitních teplot významných faktorem svědčícím o věrohodnosti použitého přístupu. Za velmi podstatný fakt je možné považovat skutečnost, že metodou malých vzorků je dosaženo konzervativnějších hodnot tranzitních teplot. 7
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Závěr V příspěvku byly shrnuty základní principy metody malých vzorků a problematiky odběru experimentálního materiálu. Je diskutována metodika pro vyhodnocení pevnostních vlastností a stanovení tranzitního chování na základě výsledků penetračních testů. Jsou prezentovány konkrétní výsledky, kdy metoda malých vzorků byla aplikována na konkrétní případ posuzování materiálu kotlového bubnu z materiálu 11 416.1 po 158 000 hodinách provozu. Byl konstatován velmi dobrý soulad všech posuzovaných vlastností stanovených penetračním testem a hodnot získaných standardními zkušebními metodami. Poděkování Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím MŠMT, číslo projektu 1PO5ME813. Literatura [1] Kander,L.: Analýza materiálových vlastností kotlového tělesa z materiálu 11 416.1 Vítkovice – Výzkum a vývoj, spol. s r.o. Technická zpráva T 42/2005, Ostrava, září 2005 [2] Purmenský, J. - Kupka,V.: Hutnické listy 7-8, 1993, s.65 [3] Lucas, G.E.:Review of Small Specimen Test Techniques for Irradiation Testing" Met. Trans., Vol. 21A,May 1990, s. 1105 [4] Onat E. T., Haythornthwaite R. M: Journal of Appl. Mech., 1956, s. 46. [5] Baik,J.M.,Kameda,J.,Buck,O: Scr.Metall., 1983, 17,(12),pp. 1443-1447 [6] Misawa,T., Adachi,T.,Saito,M.,Hamaguchi,Y.: J. Nucl. Mater., 1987, 150, (2), pp. 194202 [7] Mao,X.,Shoji,T.,Takahashi,H.: J. Test. Eval., 1987,15, (1),pp. 30-37 [8] Misawa,T.,Nagata,N.,Aoki,N.,Ishizaka,J.,Miura,R.,Hamaguchi,Y.:J.Nucl.Mater., 989,169,pp.225-232 [9] Hamaguchi,Y.,Kuwano,H.,Misawa,T.,Miura,R.,Yamada,T.:J.Nucl.Mater.,1986,141-143, pp.781-785 [10] Kander,L.,Filip,M.: Využití metody malých vzorků pro odhad zbytkové životnosti konstrukčních zařízení.In METAL 2005,24.5. až 26.5.2005.Hradec nad Moravicí, CD ROM, ISBN 80-86840-13-1
8
