Формирование и развитие дефектов труб котла-утилизатора

При рассмотрении подготовленного шлифа были зафиксированы дополнительно три трещины, расположенные между раскрытыми сквозными дефектами. При толщине стенки трубы 6 мм протяженность выявленных дефектов достигает 4мм. Важно отметить, что в морфологии каждой из «незавершенных» трещин выделяются два участка (рис.3). Первый приповерхностный на глубине 200-600 мкм характеризуется широким (до 100 мкм) раскрытием дефекта, плотно заполненного окислами. Второй основной участок дефекта представляет собой разветвленный и протяженный след развития трещины. Наличие двух участков разной морфологии и протяженности позволяет утверждать, что развитие повреждения металла обусловлено несколькими факторами, из которых следует выделить два доминантных.

Первый фактор определяет повреждение металла трубы в приповерхностных (наружных) слоях с последующим «мощным» окислением, что наиболее вероятно на ранних этапах эксплуатации металлоконструкции.

Второй фактор непосредственно связан с длительной эксплуатацией трубы и внутренним строением металла, определяющим рабочий ресурс трубы.

Зафиксировано, что морфология «незавершенных» трещин характеризуется извилистой траекторией, ориентированной вдоль радиуса трубы. В объемах металла, расположенных между первыми и вторыми участками раскрывающихся трещин, обнаружены периодические разрывы трещин (рис.4).

На траекториях трещин в пределах второго участка выявлены периодические с шагом 30±15 мкм повороты на 90 градусов и ветвления дефектов, типичные при внутризеренной пластической деформации под воздействием пульсирующей (возможно знакопеременной) нагрузки (рис.5). Учитывая условия эксплуатации трубы, можно полагать, что протяженность и извилистость растущих трещин обусловлена процессами микропластической деформации механизмом ползучести в поле упругих напряжений термического происхождения.

Выводы

По результатам проведенных лабораторных исследований можно заключить следующее:

1. Труба изготовлена из малоуглеродистой стали удовлетворительного металлургического качества. Мелкозернистая феррито-перлитная структура металла соответствует деформированному и хорошо отожженному состоянию. Механические свойства материала удовлетворительны, существенных изменений микроструктуры материала, связанных с длительной эксплуатацией не зафиксировано.

2. Возникновение и последующее развитие повреждения металла (трещины) вызвано условиями и длительностью эксплуатации металлоконструкции в составе котла-утилизатора.

Жесткое изгибное в плоскости конструктивного изгиба (возможно с упругим натягом) крепление трубы в пакете способствовало образованию на боковой поверхности первичных надрывов глубиной до 500 мкм, которые в процессе эксплуатации при высоких температурах и в контакте с окружающей средой заполнялись окалиной, преобразуясь в локальные очаги повреждений. В процессе эксплуатации при теплосменах в локальных очагах генерировались термоупругие напряжения небольшой величины, но достаточные для активации микропластической деформации механизмом ползучести. Вследствие ползучести реализовалось постепенное подрастание микротрещин, из которых на исследуемом фрагменте трубы две достигли противоположной стенки и образовали сквозное повреждение.

а.)

б.)

Рис.1. Общий вид фрагмента гнутой трубы (а), и укрупненное изображение сквозных трещин (б)

Рис.2. Феррито-перлитная микроструктура стали при увеличении 500х

Рис.3. Характерный вид «незавершенной» трещины, выявленной в стенке трубы между сквозными трещинами

Рис.4. Прерывистое развитие «незавершенных» трещин

Рис.5. Характерное внутризеренное развитие «незавершенных» трещин

Литература

1. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: ч. 2.Обоснование ресурса и безопасности. Новосибирск.: Наука, 2005. 610 с.
2. Расследование инцидентов и аварий на опасных производственных объектах / Под редакцией А.М.Кузнецова. Иркутск.: Издательство ИрГТУ, 2011. 272 с.
3. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М.: Энергоатомиздат, 1997. 288с.
4. Шаталов А.А., Власов И.Э., Иванов В.И. Современные проблемы неразрушающего контроля оборудования производственных объектов. // Химическая техника, 2003, №8. С. 5-7.