materiálové inženýrství

Materiálové inženýrství Material Engineering

Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069

materiálové inženýrství Hodnocení odolnosti velkých výkovků pro energetiku proti porušení křehkým lomem – 20 let odboru Lomová mechanika Evaluation of Resistance of Large Forgings for Power Engineering to Brittle Fracture – 20 Years of the Fracture Mechanics Department Doc. Ing. Václav Mentl, CSc., Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra materiálu a strojírenské metalurgie

Na počátku sedmdesátých let byl v tehdejším Ústředním výzkumném ústavu n.p. Škoda Plzeň založen odbor Lomová mechanika se zaměřením na problematiku křehkého lomu a bezpečnosti rozměrných rotorů parních turbin. Tato skupina úzce spolupracovala s pracovníky závodu Turbiny (Ing. Orna, Ing. Sulek) a v podstatě za 20 let intenzivního působení v oblasti lomové mechaniky nashromáždila rozsáhlý soubor křehkolomových charakteristik ocelí používaných v té době při stavbě parních turbin. To otevřelo cestu k účinnému hodnocení křehkolomových vlastností velkých (rozměrných a silnostěnných) výkovků a odlitků pro energetiku vyráběných ve Škodě Plzeň moderními experimentálně výpočtovými metodami, zejména metodami lomové mechaniky. (V průběhu devadesátých let byly aktivity střediska Lomová mechanika včleněny do současné Mechanické zkušebny ŠKODA Výzkum s.r.o.) Rotory parních turbin představují rozměrné součásti jak v radiálním, tak v axiálním směru. Jejich lokální vlastnosti se tak obecně liší jak mezi podobnými výkovky, tak pokud porovnáváme v rámci jediného výkovku hlavové a patní části původního ingotu, resp. vlastnosti materiálu z obvodu a ze středových partií. Podobné je tomu v případě jednotlivých disků svařovaných rotorů. Tyto rozdíly pramení jak z rozdílů v lokálním chemickém složení jednotlivých taveb nebo dokonce v rámci jediného ingotu, tak z rozdílů v termomechanickém zpracování jednotlivých partií téhož výkovku. V tomto příspěvku jsou diskutovány důsledky odlišných křehkolomových vlastností jak v jednotlivých lokalitách jediného výkovku, tak mezi podobnými výkovky, vzhledem k potřebám hodnotit jejich bezpečnost za provozu s ohledem na možnou existenci trhlin a provozní degradaci. The steam turbine rotors represent large components both in radial and axial directions. Their local properties generally differ from one forging to another, or if we compare head and bottom parts of the original ingot, or central and circumferential localities of one rotor body respectively, or if we compare the properties of separate discs, e.g. in the case of welded rotors. These differences stem from even slight changes in the chemical composition of separate heats or even within one ingot and also from thermo-mechanical treatment and from the differences in technology with respect to the real shape and size of the forgings in question. In the paper, the consequences of the differences in fracture toughness characteristics in various rotor localities are discussed with respect to the rotors operational safety taking into account the existence of cracks and material degradation.

1. Úvod Zvyšování životnosti energetických zařízení představuje složitý komplexní problém, jehož řešení je z materiálového hlediska založeno na následujících bodech: U projektovaných zařízení jsou jimi:

26

- aplikace nových kvalitních materiálů, které umožňují mimo zvýšení provozních parametrů (tlaku a teploty páry atd.) a tím dosažení lepší účinnosti i prodloužení životnosti. To s sebou nese rozsáhlý výzkumný experimentální program zaměřený na hodnocení zejména mechanických vlastností vyvíjených materiálů,

Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 - aplikaci moderních výpočtových metod umožňujících co nejpřesnější popis napěťového a deformačního stavu dané součásti. U provozovaných zařízení: - znalost (definice, kvantifikace a matematický popis) procesů způsobujících degradaci mechanických vlastností materiálů jednotlivých komponent vlivem dlouhodobého provozu, - znalost konkrétních původních originálních mechanických vlastností. Vzhledem k rozměrnosti velkých výkovků pro energetické strojírenství (rotory, tlakové nádoby apod.) a náročným provozním podmínkám, patří, s ohledem na negativní dopady spojené s jejich případnými poruchami, k základním charakteristikám používaných materiálů jejich odolnost proti porušení křehkým lomem Klasické pevnostní vlastnosti (mez kluzu, mez pevnosti, tažnost) odvozené ze zkoušky tahem jsou a nepochybně budou i nadále využívány při dimenzování součástí a konstrukcí, a stejně tak budou hledány a vyvíjeny materiály s lepšími vlastnostmi v tomto směru. Pevnostní charakteristiky však bohužel nejsou schopné podat žádnou informaci o tom, jak se bude daný materiál chovat za provozu s ohledem na možnost vzniku a šíření případných defektů (trhlin), popřípadě jak se jeho vlastnosti (i pevnostní charakteristiky) budou měnit v závislosti na působení provozních degradačních faktorů, jakými jsou např. zvýšená teplota, cyklické zatěžování, resp. radiace a pod. Zejména otázky iniciace, stability či nestability a šíření trhlin při statickém, rázovém či cyklickém namáhání je nutno posuzovat ne z hlediska pevnosti, ale minimálně současně, ne-li přednostně, z hlediska houževnatosti materiálu. Je známo, že snaha o zvyšování pevnosti materiálu bez odpovídajícího zvyšování jeho houževnatosti vede k tendenci materiálu porušovat se křehkým lomem, což je jeden z nejméně žádoucích mezních stavů. Historie zná řadu metod, jak hodnotit houževnatost materiálů, tedy metod, jak hodnotit odolnost materiálů proti porušení křehkým lomem. Od samého počátku bylo zřejmé, že existují rozdíly v chování konstrukčních materiálů, zejména ocelí, při statickém a při dynamickém rázovém zatěžování, že tedy kromě teploty hraje v případě náchylnosti ke křehkému lomu významnou roli i rychlost deformace. Vznikla celá řada zkušebních metod, kterým odpovídaly také různé tvary zkušebních těles. (Ještě v „German Encyklopaedia on Material Testing, ed.1961, bylo uváděno 27 různých typů zkušebních těles!). Mezi nejznámější metody umožňující stanovit houževnatost konstrukčních materiálů patří zkoušky rázem v ohybu podle Charpyho, podle Izoda, dále např. „zkouška padajícím závažím DWT"(= Drop-Weight Test), nebo zkouška „DWTT" (= Drop-Weight Tear Test). Mnohé se zachovaly dodnes jako pozůstatek požadavků ve

Materiálové inženýrství Material Engineering starších výrobních postupech a na výkresech. Dnešním výrazným reprezentantem zkušebních metod pro hodnocení odolnosti materiálů proti křehkému lomu a nejběžnější zkouškou, pomocí které se hodnotí tranzitní chování materiálů, je zcela jednoznačně zkouška rázem v ohybu dle Charpyho prováděná na tyčích s V-vruby, ať v klasickém nebo lépe v instrumentovaném provedení. Zhruba sto let od objevení prvních křehkých lomů v polovině 19. století trvalo, než byl položen dostatečně spolehlivý základ pro hodnocení odolnosti materiálů a konstrukcí proti tomuto fenoménu. Nicméně po zkušenostech se známými dnes již klasickými křehkými lomy velkého procenta celosvařovaných lodí typu Liberty za druhé světové války byly na počátku druhé poloviny 20. století vypracovány základy metodiky, která umožňuje hodnotit vlastnosti materiálů s ohledem na nebezpečí vzniku křehkého lomu a posuzovat odolnost součástí a konstrukcí vůči vzniku a šíření trhlin při jednorázovém nebo opakovaném zatěžování. Metody posuzování odolnosti součástí a konstrukcí proti porušení křehkým lomem založené na hodnocení tranzitního chování materiálů mají řadu výhod (např. ekonomických), ale i nevýhody, které spočívají zejména v obtížnosti přenosu výsledků zkoušek na reálné konstrukce, v nemožnosti hodnotit časově závislé chování (creep, únava apod.), v neschopnosti posuzovat materiály bez tranzitního chování a v neposlední řadě nemožnosti hodnotit případy, kdy je materiál z různých důvodů používán pod tranzitní teplotou.

2. Lomová mechanika Lom je možno obecně definovat jako porušení tělesa jeho rozdělením na minimálně dvě části vlivem působení vnějšího zatížení. Jedná se o nehomogenní deformaci, na kterou je možno pohlížet z různého zorného úhlu. Lomy mohou být obecně křehké nebo houževnaté. Houževnaté lomy jsou stabilní, doprovázené plastickou makrodeformací. Oproti tomu křehký lom je nestabilní, plastická deformace je omezena na nejbližší okolí lomu a z energetického hlediska není pro vznik a následující rozvoj křehkého lomu zapotřebí přivádět další energii. Lomy mohou vznikat jako důsledek přetěžování konstrukce nad úroveň pevnosti nebo lomové houževnatosti materiálu, ze kterého byla součást nebo konstrukce vyrobeny. Křehký lom má mnohé, z hlediska konstruktéra i uživatele vesměs negativní vlastnosti: * Křehký lom je lom nestabilní, t.zn., že vzniká a šíří se energií v daný okamžik v tělese akumulované, pro jeho šíření není tedy potřebná další dodaná energie.

27

Materiálové inženýrství Material Engineering * Křehký lom vzniká a šíří se bez plastických makrodeformací. Křehkému lomu tudíž nepředchází žádná varovná fáze např. v podobě viditelných deformací součásti nebo konstrukce. * Křehký lom může probíhat při nominálních napětích pod mezí kluzu. Tato skutečnost byla dlouhou dobu v rozporu s klasickými metodami dimenzování konstrukčních částí. * Lom ( trhlina ) se šíří velkou rychlostí (0,5 - 2 km/s). Porušení konstrukce je tedy dílem okamžiku a v dostatečně rozměrných konstrukcích, např. v plynovodech apod., mohou vzniknout v krátkém časovém intervalu velmi dlouhé trhliny. Křehký lom probíhá nekontrolovaně a v jeho průběhu tedy již nelze přijímat opatření k zastavení trhliny. Taková opatření musí lomu předcházet již ve stádiu návrhu konstrukce. * Ke křehkému lomu jsou náchylné zejména rozměrné a tlustostěnné konstrukce. Tato skutečnost je způsobena jednak větší pravděpodobností výskytu defektů v rozměrné konstrukci, např. ve velkých výkovcích a odlitcích, jednak vznikem trojosé napjatosti v okolí defektů v zatížené konstrukci. * Vyskytuje se u ocelí, hliníkových a titanových slitin, které patří mezi nejběžnější konstrukční materiály, a je běžný i u plastů a keramických materiálů. Rozvoj lomové mechaniky po teoretické i experimentální stránce v poslední čtvrtině minulého (dvacátého) století umožnil její efektivní využití v praktických případech posuzování odolnosti materiálů proti porušení křehkým lomem a při hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti konstrukčních komponent i celých konstrukcí. Lomová mechanika se stala účinným nástrojem při optimalizaci technologie, byla a je používána při posuzování kvality svarových spojů a zejména v případech velkých výkovků a odlitků, které z teoretické podstaty i z praktického pohledu jsou náchylné k porušení křehkým lomem, přičemž takové lomy mohou mít závažné ekonomické důsledky a mohou vést i ke ztrátám na životech. Charakteristiky lomové mechaniky se navíc uplatňují i při řešení problematiky tečení materiálů za vysokých teplot, namáhání cyklickým zatížením (únavy) a také v oblasti koroze pod napětím. Jako prostředek pro hodnocení odolnosti materiálů, komponent a konstrukcí proti porušení křehkým lomem zavádí lomová mechanika pojem lomová houževnatost materiálu, která je definována jako kritická hodnota některé charakteristické veličiny (např. součinitele intenzity napětí v elastické oblasti, popř. J-integrálu nebo rozevření trhliny v elasticko-plastické oblasti), a to v okamžiku, kdy trhlina existující v součásti se začne šířit. Počátek šíření může mít nestabilní, křehký charakter nebo může být stabilní, tvárné. Tato otázka není pro základní principy lomové mechaniky podstatná, stejně tak základní princip lomové

28

Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 mechaniky neřeší, jakou formou bude následující šíření trhliny probíhat. Podstatnou otázkou lomové mechaniky je, kdy (za jakých podmínek) kombinace tří veličin účastných v procesu zatěžování tělesa s trhlinou: trhliny daného tvaru, velikosti a polohy v dané součásti, nominálního napětí a odolnosti materiálu proti iniciaci trhliny (lomové houževnatosti) dosáhne kritické velikosti, kdy napětí (při konstantní délce trhliny) nebo délka trhliny (při konstantním napětí) nebo jejich kombinace dosáhne velikosti přesahující lomovou houževnatost daného materiálu. Velkou předností lomové mechaniky je schopnost kvantifikovat otázky houževnatosti materiálu formou, jaké nejsou schopny jiné charakteristiky houževnatosti, např. vrubová houževnatost, různě definované tranzitní teploty a pod. V porovnání s koncepcí tranzitních teplot nabízí lomová mechanika řadu výhod: • Jedná se o řešení problematiky těles s trhlinami, takže odpadají problémy s vruby různého tvaru a velikosti, popř. porovnáním výsledků získaných různými metodami. Vrub je používán pouze pro lokalizaci polohy trhliny ve zkušebních tělesech a urychlení procesu jejího vytváření cyklickým zatěžováním (fatigue precracking). • Lomová mechanika poskytuje universálně platnou metodu umožňující přenos výsledků mezi tělesy různého tvaru, velikosti a tloušťky, tedy také mezi zkušebními tělesy a reálnými součástmi.

• Lomová mechanika poskytuje matematický výraz, který umožňuje využít lomovou houževnatost pro dimenzování konstrukčních částí podobným způsobem, jako klasické postupy dimenzování vycházející z meze kluzu nebo meze pevnosti materiálu Lomová mechanika může být použita v případech, kdy materiály nevykazují tranzitní chování a také v případech, kdy konstrukce z různých důvodů pracuje pod tranzitní teplotou. • Koncepce založená na lomové mechanice umožňuje řešit případy časově závislých procesů (creep, únava, šíření trhlin při únavě, korozi pod napětím a jejich případné kombinace). Nevýhody, které s sebou lomová mechanika přináší (především v porovnání s koncepcí tranzitních teplot) jsou také nezanedbatelné: Zkušební tělesa (zejména pro zkoušky statické lomové houževnatosti) mohou být velká a jejich tvar složitý, což zvyšuje nároky na jejich výrobu. Odběr dostatečného množství materiálu je komplikovaný zvláště v případech aktivních součástí.



• Zkušební stroje musí umožňovat vytvoření trhliny cyklickým zatěžováním s ekonomickou frekvencí. (Používají se převážně elektrohydraulické systémy, které přinášejí ovšem m.j. problémy s olejovým hospodářstvím, nebo resonanční mechanické stroje, které ale mají omezenou silovou kapacitu.)

Velkou předností lomové mechaniky je schopnost kvantifikovat otázky houževnatosti materiálu formou, jaké nejsou schopny jiné charakteristiky houževnatosti. Ve (velmi) zjednodušené formě je aparát lomové mechaniky založen na jednoduchých matematických vztazích (A. Einstein:"Příroda nemá ráda složité rovnice."). Základní informace o fungování lomové mechaniky je možno dokumentovat následujícím vztahem (pro jednoduchost uvádíme pouze vztahy platné v oblasti lineární elastické lomové mechaniky):

• Vyhodnocení charakteristik lomové mechaniky je

KI = s * (a)1/2 * Y

• Ve zkušebních tělesech je nutné "vyrobit" cyklickým zatěžováním ostrou únavovou trhlinu, což může být časově náročný proces.

poměrně pracné a komplikované (posuzování platnosti naměřených hodnot, měření délek trhlin, příp. stabilních nárůstů trhlin při měření J-R křivek, nutnost dalšího experimentálního vybavení při měření v oblasti tvárné iniciace trhlin atd.) • Ohřev nebo ochlazování zkušebních těles mohou být vzhledem k jejich rozměrům a tloušťkám složité a zdlouhavé (normativní předpisy požadují po dosažení zkušební teploty udržovat těleso na teplotě minimálně 20 minut na každých 25 mm tloušťky tělesa). S výjimkou zkoušek dynamické lomové houževnatosti, prováděných na vzorcích Charpy s únavovou trhlinou, nelze zkušební tělesa temperovat odděleně od zkušebního stroje. • Celkově se tedy jedná o poměrně nákladné zkoušky, které jsou používány pouze v odůvodněných případech. V závislosti na teplotě zkoušky je možno metody lomové mechaniky rozdělit podle způsobu iniciace trhliny následovně: 1.

2.

Oblast lineární elastické lomové mechaniky (LELM), kde dochází ke křehké štěpné nestabilní iniciaci lomu z předem cyklickým zatěžováním vytvořené trhliny: Iniciaci předchází pouze limitované plastické deformace, které neovlivňují zásadním způsobem napěťově deformační pole v okolí čela trhliny, a kde lze odolnost proti křehkému porušení hodnotit klasickými parametry lomové mechaniky, především kritickou hodnotou součinitele intenzity napětí K, kterou při splnění dalších nutných podmínek nazýváme lomovou houževnatostí materiálu při dané teplotě. Oblast elasticko-plastické lomové mechaniky (EPLM), kde především z důvodů uvedených v předchozím odstavci, tedy proto, že došlo k nadměrnému rozvoji plastických deformací a byly překročeny hranice platnosti LELM, musíme aplikovat jiné přístupy, např. J - integrál nebo rozevření kořene trhliny (COD, CTOD). Obě uvedené charakteristiky, jak bylo prokázáno, lze opět při splnění určitých omezujících podmínek považovat za parametry umožňující charakterizovat odolnost materiálů proti (křehkému) porušení, lomovou houževnatost, a lze je pomocí jednoduchých vztahů přepočítat na hodnoty KIC.

(1)

V tomto vztahu představuje „K" Irwinův součinitel intenzity napětí, který representuje stav napjatosti v okolí čela ostré trhliny, a který nabývá kritické hodnoty Kic (hodnoty lomové houževnatosti) v případě, kdy situace na čele trhliny vyvolá její nestabilitu. Hodnota o představuje úroveň (nominálního) napětí v lokalitě, kde se trhlina nachází, a je representativní délka trhliny a Y je tzv. tvarová funkce, která je specifická (a určuje se) pro konkrétní tvar, polohu a lokalizaci trhliny v daném tělese. K lomu součásti podle teorie lineární elastické lomové mechaniky dojde v okamžiku, kdy velikost součinitele intenzity napětí na čele trhliny dosáhne kritické velikosti rovnající se lomové houževnatosti materiálu (při dané teplotě a dané rychlosti zatěžování). Šíření trhliny může dále pokračovat nestabilním způsobem, jehož výsledkem může být křehký lom součásti nebo celé konstrukce, nebo po dosažení kritického stavu následuje šíření stabilní, tvárné, a k dosažení lomu tělesa je nutno dodávat další energii potřebnou k šíření lomu. Dosažení kritické velikosti součinitele intenzity napětí v daném konkrétním případě může nastat, viz rov.(1), buď pokračujícím nárůstem zatížení (typickým příkladem jsou zkoušky lomové houževnatosti, kde dané těleso s konstantní délkou trhliny je namáháno plynule rostoucím zatížením až do dosažení kritického stavu), nárůstem délky trhliny ( např. růstem délky trhliny při cyklickém únavovém zatěžování při konstantních hodnotách napětí únavového cyklu ) nebo kombinací obojího. Klasický postup řešení problematiky křehkého lomu prostředky lomové mechaniky tak spočívá v experimentálním stanovení lomové houževnatosti daného materiálu (tedy kritické velikosti součinitele intenzity napětí při dané teplotě a rychlosti deformace) a jeho porovnání s vypočtenými hodnotami součinitele intenzity napětí pro danou trhlinu v daném tělese. Lomová houževnatost potom může být dosazena do rov. (1) a z této rovnice lze, při znalosti tvarové funkce pro dané těleso a danou trhlinu, vypočítat buď maximální přípustnou úroveň zatížení, pokud se délka trhliny nemění, nebo maximální velikost přípustné délky trhliny, pokud se např. nemění napětí, ale součinitel intenzity napětí v průběhu provozu vzrůstá v důsledku

29

Materiálové inženýrství Material Engineering narůstající délky zatěžování).

trhliny

Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 (např.

při

cyklickém

Snaha měřit lomovou houževnatost jakožto nezávislý materiálový parametr, tedy snaha dosáhnout v okolí čela trhliny stavu napjatosti co nejvíce se blížícího rovinné deformaci, vedla tak zcela zákonitě ke zkouškám těles velkých tlouštěk, tedy i velkých rozměrů, viz obr.3, což vyžadovalo mít k dispozici nejen značná množství representativního materiálu pro výrobu zkušebních těles, ale i výkonné (elektrohydraulické) zkušební stroje a odpovídající nemalé finanční prostředky. Své opodstatnění tak zkoušky velkých zkušebních těles měly a dodnes mají pouze v případě mohutných a především silnostěnných součástí vyrobených z houževnatých materiálů, jakými byly a jsou např. nízkotlaké rotory parních turbin a turbogenerátorů, tlakové nádoby jaderných reaktorů a pod.

Obr.1 Klasická zkušební tělesa pro zkoušky lomové houževnatosti Fig. 1 Classical specimens for fracture toughness tests

Ze základní rovnice (1) lomové mechaniky v podstatě vyplývá, že měření lomové houževnatosti je možno teoreticky provést na jakémkoliv tělese, pro který známe příslušnou tvarovou funkci. Praxe se však ustálila v podstatě na čtyřech typech zkušebních těles, viz obr.1, které mají určité výhody v porovnání s tvary jinými. Všechny uvedené tvary těles potom mohou v různých velikostech daných možnostmi odběru materiálu pro výrobu zkušebních těles, možnostmi experimentálního vybavení zkušebny apod., rozhodující geometrickou veličinou je tloušťka těles, která zásadním způsobem ovlivňuje stav napjatosti v tělese a tím i výsledné hodnoty kritické velikosti součinitele intenzity napětí, viz obr.2. Zkoušky velkých zkušebních těles (zejména v případě houževnatých materiálů) byly vedeny snahou splnit podmínky platnosti vztahů LELM. Obr.3 Zkušební těleso tvaru „C" odebrané z modelu nízkotlakého rotoru parní turbiny Fig. 3 Specimen of the “C” shape of taken from the model of low pressure rotor of steam turbine

Známe-li hodnotu lomové houževnatosti v místě, kde se případná trhlina nachází nebo kde ji předpokládáme, můžeme určit kritickou velikost defektu (který by mohl způsobit případný křehký lom součásti) ze vztahu:

(2)

Obr.2 Zkušební tělesa typu „B" („CT") různé tloušťky Fig. 2 Specimens of the type “B” (“CT”) with various thicknesses

30

Tato rovnice dává představu o přípustné velikosti defektu v konstrukci a umožňuje např. porovnat zjištěnou velikost defektu s velikostí kritickou. Většina konstrukcí je obecně namáhána cyklicky opakovaným zatěžováním, a z výše uvedených vztahů nezískáme informaci o tom, jak dlouho (kolik cyklů) potrvá, než se trhlina ze zjištěné podkritické velikosti rozšíří do velikosti kritické. (Trhliny se mohou šířit i při statickém zatížení, např. za podmínek creepu, popř. korozí pod napětím, nebo obecně při kombinaci všech



výše uvedených způsobů namáhání. To samozřejmě reálnou situaci dále komplikuje.)

záležitost pro matematiky, resp. tyto funkce pro řadu praktických případů lze nalézt v odborné literatuře.

Pokud pro jednoduchost a přehlednost zůstaneme u případu harmonického únavového zatěžování, potom výše popsaný problém můžeme úspěšně řešit využitím tzv. Paris-Erdoganova vztahu

Jak rychle se předpokládaná nebo reálná trhlina bude šířit, zjistíme aplikací Paris-Erdoganova zákona, rov. (3), za předpokladu, že známe příslušné materiálové charakteristiky, konstanty A a b. K aplikaci této rovnice dále postačuje pouze znalost (nebo odborný odhad) úrovně cyklického zatížení.

(3) kde levá strana rovnice představuje rychlost nárůstu délky trhliny na počtu cyklů, AK je tzv. rozkmit součinitele intenzity napětí odpovídající rozdílu maximální a minimální hodnoty součinitele intenzity napětí v průběhu (harmonického) cyklu, A a b jsou konstanty charakteristické pro daný materiál, které je možno stanovit (podobně jako lomovou houževnatost) experimentálně. Pozn.: Pokud jsme zmínili únavový proces, potom tento je obecně souborem několika postupně navazujících fází, a sice fáze změny mechanických vlastností, následovaná fází iniciace trhlin, fází jejich šíření (krystalografického a makroskopického) až po konečný lom. V případě reálných součástí, které nejsme schopni vyrobit bez defektů, obvykle první dvě fáze odpadají a život konstrukce je tak určován rychlostí šíření makroskopické trhliny podle výše uvedeného ParisErdoganova vztahu. Nyní tedy máme k dispozici nástroje, kterými lze posoudit eventuelní vady v konstrukci, ať jsou původem technologické a zjištěné nedestruktivními metodami v předprovozním stadiu, nebo vzniklé jako důsledek provozních podmínek: Rovnice (1) a (2) umožňují stanovit kritickou velikost defektu a porovnat ji s informacemi (NDT) o velikosti reálných diagnostikovaných defektů. Rovnice (3) je schopna podat informaci o tom, jak rychle tento kritický stav může nastat. Vše to je samozřejmě možné za předpokladu, že známe ostatní potřebné charakteristiky a materiálové konstanty. Chceme-li tedy úspěšně řešit problém, kdy v součásti byla identifikována trhlina nebo kdy ji tam jen předpokládáme s ohledem na hodnocení bezpečnosti, použijeme rov. (1), resp. (2). Ta umožňuje stanovení kritické velikosti defektu za předpokladu, že známe - lomovou houževnatost materiálu (za dané teploty, a pokud zvolíme dynamickou lomovou houževnatost, budeme na bezpečné straně), což je věcí kompetentní mechanické zkušebny, - napětí v daném místě (aniž uvažujeme koncentraci napětí vyvolanou přítomností trhliny), což je věcí výpočtáře, a - příslušnou tvarovou funkci pro daný případ tvaru, velikosti a polohy trhliny v tělese konkrétního tvaru a zatíženého daným konkrétním způsobem, což je

Výše uvedené úvahy mohou nabídnout v mnoha případech elegantní řešení příslušných problémů. Uvedené vztahy jsou sice ty nejelementárnější a existují mnohem sofistikovanější a také komplikovanější vztahy, nicméně principy jsou tytéž a je pouze na konkrétním řešiteli, které z širokého existujícího portfolia zvolí. To, co je podstatné, je skutečnost, že pro uvedené elementární případy lze s vysokou dávkou věrohodnosti získaných výsledků použít aparát lineární elastické lomové mechaniky, protože jen v ojedinělých případech bychom se zřejmě setkali s požadavkem řešit bezpečnost konstrukce při existenci namáhání, které povede k velkým plastickým deformacím (což by byl nepochybně případ z oblasti elastoplastické lomové mechaniky vedoucí k nepoměrně složitějším vztahům, než jaké byly uvedeny výše).

3. Problematika velkých výkovků (a odlitků) Úskalí výše uvedených úvah spočívá v tom, že v okamžiku, kdy jsme postaveni před problém provést výpočet bezpečnosti součásti/konstrukce, ve které byla identifikována trhlina, neznáme potřebná data. Neznáme lomovou houževnatost v daném místě (protože nebyla měřena buď vůbec, nebo byla měřena v jiném místě, což u rozměrných výkovků je zásadní problém). Nemůžeme tak dostatečně spolehlivě stanovit kritickou velikost defektu podle rov. (2) v místě, kde byla trhlina diagnostikována. Navíc v převážné (téměř absolutní) většině případů nejsou známy (protože nebyly nikdy změřeny) materiálové konstanty Paris-Erdoganova vztahu, takže veškeré úvahy o možné rychlosti šíření trhliny ze stávajícího do kritického stavu jsou spíše úkolem pro prognostiky než pro zodpovědného výpočtáře. Situaci dále komplikuje skutečnost, že mechanické vlastnosti materiálu součástí degradují, zhoršují se vlivem působení provozních podmínek s časem, a rozsah této degradace není obvykle možné v daném čase posoudit, protože v převážné většině případů nelze z provozovaných součástí odebírat vzorky materiálu pro výrobu klasických zkušebních těles. Jediný dostatečně propracovaný způsob řešení hodnocení rozsahu degradace materiálu vlivem provozu představují svědečné vzorky umísťované do tlakových nádob jaderných reaktorů. Dlouhodobé zkušenosti získané v průběhu několika desetiletí v mechanické zkušebně Škoda Výzkum s.r.o. s

31



hodnocením křehkolomových vlastností velkých výkovků pro energetiku, zejména TN jaderných reaktorů VVER a rotorů parních turbin z produkce Škoda, prokázaly, že

4. Závěr. Návrh řešení

1. Každý rozměrný výkovek je v podstatě originál co do úrovně mechanických a zejména křehkolomových vlastností (a to i v případě výkovků z jednoho materiálu, stejných nebo podobných rozměrů a shodné technologie. To platí nejen pro geometricky podobné celokované rotory vyráběné shodnou technologií z materiálu jedné značky (např. ocele 16 537), ale také pro jednotlivé disky svařovaných NT rotorů, např. v případě JETE.)

1.

Systematicky měřit pevnostní a křehkolomové charakteristiky jednotlivých velkých výkovků v definovaných lokalitách (např. v případě NT rotorů v čepových partiích, na obvodu centrální části a ve vývrtu). Tímto způsobem mapovat mechanické vlastnosti výkovků podobného chemického složení a aplikované technologie pro účely statistického zpracování. Tento postup může prokázat dosud nedefinované souvislosti, které mohou zjednodušit (a zlevnit) zkušební postupy v budoucnu.

2.

Protože u provozovaných výkovků, zejména rotorů, není možné po určité době provozu odebírat dostatečně velké vzorky materiálu pro výrobu klasických zkušebních těles, věnovat pozornost rozvoji metod mechanického zkoušení na miniaturních zkušebních tělesech, např. metodou „Small Punch Test" apod. Zkoušky uvedené v bodě 1) tak doplňovat důsledně paralelními zkouškami na miniaturních tělesech, a systematicky vytvářet databázi odpovídajících korelací.

2.V každém výkovku se mechanické vlastnosti (mnohdy zásadně) odlišují, pokud jsou zkušební vzorky odebírány z různých lokalit, např. z hlavové resp. patní části původního ingotu, z obvodových partií, nebo z vývrtů. Z hlediska především křehkolomových vlastností se tak všeobecně jedná o materiál se zásadně odlišnými vlastnostmi, kde byly např. v případě NT rotoru mezi obvodovými a čepovými partiemi a materiálem z vývrtu naměřeny rozdíly tranzitních teplot přesahující sto stupňů Celsia. To zcela zásadně komplikuje případné výpočty a úvahy o charakteru a bezpečnosti uvedených výkovků v případě hypotetických nebo reálných defektů. Z pohledu na rov. (2) je zřejmé, že kritická velikost defektu je přímo úměrná druhé mocnině velikosti lomové houževnatosti materiálu, tedy, pokud je v jedné ze dvou lokalit téhož výkovku hodnota lomové houževnatosti poloviční, potom kritická velikost defektu v tomto místě je pouze čtvrtina velikosti v lokalitě druhé. Takové a větší rozdíly byly v případě velkých výkovků naměřeny, a to jak v rámci jediného výkovku v různých místech, tak ve srovnání shodných lokalit dvou podobných výkovků. Pokud do výpočtů zahrneme i ne zcela přesné (nerepresentativní, nekonkrétní) materiálové konstanty řešící rychlost šíření trhliny, potom výsledek bude v podstatě přinejmenším velice nepřesný, navíc stanovení pravděpodobné odchylky od reality není možné vůbec. K tomu navíc přistupuje zcela zásadní problém nemožnosti stanovit potřebné materiálové charakteristiky po určité době provozu.

32

S ohledem na popsanou problematiku a v ní obsažené problémy je možné navrhnout metodický postup řešení:

3. Tyto korelace využívat při hodnocení stupně degradace mechanických vlastností po dlouhodobém provozu, kdy z provozovaných součástí lze odebírat pouze limitované objemy reprezentativního materiálu umožňujícího provádění zkoušek na miniaturních zkušebních tělesech. Literatura [1]

[2]

Mentl V.: Lomová houževnatost materiálu tlakových nádob jaderných zařízení (Fracture toughness of nuclear power plant pressure vessels), In.: „Zvyšování životnosti komponent energetických zařízení v tepelných elektrárnách", Srní, 10/2007, ISBN 978-80-254-0424-9 Mentl V.: Křehkolomové vlastnosti turbinových rotorů z produkce „Škoda" (Resistance to brittle fracture of skoda turbine rotors), In.: „Zvyšování životnosti komponent energetických zařízení v tepelných elektrárnách", Srní, 10/2007, ISBN 978-80254-0424-9

materiálové inženýrství

Recommend Documents