"Методические указания по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов. СО 153-34.17.471-2003"
Утверждены
Приказом
Минэнерго России
от 30 июня 2003 г. N 271
Вводятся в действие
с 30 июня 2003 года
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ
И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛА КОТЛОВ, ТУРБИН И ТРУБОПРОВОДОВ
СО 153-34.17.471-2003
Настоящие Методические указания (СО 153-34.17.471-2003) распространяются на стали и сплавы для энергомашиностроения и энергетики, которые предназначены для изготовления оборудования, работающего при температуре более 115 °С или избыточном давлении пара или воды более 7 МПа. Характеристики жаропрочности определяются для сталей и сплавов, длительно работающих при температуре более 400 °С.
Методические указания устанавливают единые планы испытаний, а также методы обработки полученных данных с целью определения характеристик жаропрочности сталей (сплавов), применяемых в энергомашиностроении и энергетике.
Характеристики жаропрочности предназначены для:
- расчетов на прочность деталей котлов, турбин и трубопроводов;
- оценки жаропрочности вновь разрабатываемой марки стали или сплава;
- оценки жаропрочности отдельных партий металла или металла изделий после технологических операций;
- оценки жаропрочности и долговечности металла элементов котлов, турбин и трубопроводов в процессе их эксплуатации;
- оценки жаропрочности металла при проведении научно-исследовательских работ.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Условные обозначения:
1.2. Определения
1.2.1. Лабораторная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный во внепромышленных условиях, термообработанный по одному режиму, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на +/- 50 МПа. Химический состав и механические свойства металла, а также режимы термообработки должны соответствовать выходным данным стали (сплава).
1.2.2. Опытно-промышленная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях в процессе его внедрения в производство, химический состав, механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям временных технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.
1.2.3. Промышленная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях, химический состав и механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.
1.2.4. Марка стали (сплава) - металл промышленных партий, взятых от разных плавок:
- для крупногабаритных изделий единичного производства (корпуса, ротора турбины и пр.) - не менее 6 партий;
- для крупносерийного производства - не менее 10 партий.
Рекомендуется в число этих партий включать партии с содержанием углерода и легирующих элементов на верхнем и нижнем пределах, оговоренных в технических условиях, а также металл изделий после окончательных технологических операций.
1.2.5. Изделие - деталь котла, турбины или трубопровода, изготовленная из металла, химический состав и механические свойства которого отвечают требованиям действующих нормативных документов (НД) или технических условий. Металл изделия должен соответствовать марке стали (сплава), разрешенной Правилами Госгортехнадзора России для данных условий эксплуатации.
1.2.6. Заданный ресурс - время, для которого определяются характеристики жаропрочности стали (сплава) или расчетный срок эксплуатации изделия.
1.2.7. Дополнительный ресурс - дополнительное время к заданному ресурсу, для которого можно определить характеристики жаропрочности стали (сплава) на основании проведенных испытаний при определении характеристик на заданный ресурс или срок дополнительной безаварийной эксплуатации детали котла, турбины или трубопровода.
Для каждой определяемой характеристики должны быть приведены значения дисперсии.
1.2.10. К категории лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле лабораторных партий.
1.2.11. К категории первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле опытно-промышленных партий.
1.2.12. К категории предварительных нормативных характеристик стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле первых промышленных партий.
1.2.13. К категории нормативных характеристик относятся характеристики, определенные на количестве промышленных партий, представляющих марку стали (сплава).
1.2.14. Планируемые испытания - испытания стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам, предусмотренным настоящими Методическими указаниями.
1.2.15. Произвольные испытания - испытания партии стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам испытаний, отличных от предусмотренных настоящими Методическими указаниями.
1.2.16. Аналитический метод обработки данных планируемых испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет определить все характеристики жаропрочности.
1.2.17. Аналитический метод обработки данных произвольных испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет с помощью базовых диаграмм определить условные пределы длительной прочности, ползучести, остаточного удлинения и остаточного сужения для марки стали или сплава.
1.2.18. При использовании аналитических методов обработки данных испытаний на жаропрочность точность определения условных пределов длительной прочности, указанная в пунктах 3.3.3; 5.3; 10.4 и 10.5 настоящих Методических указаний, обеспечена отсутствием экстраполяции по напряжениям.
Точность определения нормативных или предварительных нормативных характеристик для марки стали (сплава), кроме ошибки собственно методов определения жаропрочных и механических свойств, зависит от величины доверительного интервала, определенного объемом выборки и дисперсией оцениваемой характеристики.
1.2.19. Оценка жаропрочности стали (сплава) в исходном состоянии, после окончательных технологических операций и при эксплуатации основана на сопоставлении данных испытаний на длительную прочность отдельных партий металла или металла изделий с нормативными характеристиками марки стали (сплава).
1.2.20. Ускоренный метод оценки жаропрочных свойств стали (сплава) или металла изделий основан на качественном сопоставлении данных испытаний на жаропрочность с нормативными характеристиками марки стали (сплава).
1.3. Область применения
1.3.1. Комплекс лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется в качестве заявочного для характеристики свойств новой марки стали (сплава) и применяется для предварительных прочностных расчетов при ее опытном эксплуатационном опробовании.
Допустимо использование комплекса лабораторных характеристик во временных технических условиях на изготовление как самой марки стали (сплава), так и изделий из нее.
1.3.2. Комплекс первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется при отработке технологии изготовления металла в промышленных условиях, составлении временных технических условий и для предварительных прочностных расчетов при опытном эксплуатационном опробовании металла или изделий из него.
1.3.4. Комплекс нормативных характеристик определяет прочностные свойства марки стали (сплава), используется в технических условиях в качестве гарантированных значений жаропрочности, помещается в НД и справочники, по нему проводятся массовые прочностные расчеты промышленных изделий.
1.3.5. Оценка жаропрочных свойств стали (сплава) производится с целью отбраковки партий металла в исходном состоянии, а также металла отдельных изделий после окончательных технологических операций при их изготовлении. Объем проверяемых партий металла и количество изделий регламентируются специальными документами.
1.3.6. Оценка жаропрочности металла изделий при эксплуатации производится с целью определения дополнительного ресурса (времени дальнейшей безаварийной эксплуатации).
1.4. Характеристики релаксационной стойкости стали (сплава) определяются согласно действующим НД. Рекомендуется использовать расчетный метод, изложенный в настоящих Методических указаниях.
1.5. Предварительные нормативные и нормативные характеристики жаропрочности стали (сплава) в объеме, предусмотренном пунктом 1.2.9 настоящих Методических указаний, определяются организацией - разработчиком металла.
1.6. Все первичные данные по результатам испытаний стали (сплава) на жаропрочность, а также все материалы по их обработке хранятся у организации - разработчика материала.
1.7. Лабораторные и нормативные характеристики стали (сплава) для энергомашиностроения, а также предварительные характеристики для крупногабаритных изделий единичного производства согласовываются в установленном порядке.
1.9. Рекомендуется для всех сталей (сплавов) строить изохронные кривые ползучести.
1.10. Для ответственных изделий производится расчет на прочность с учетом реального сложнонапряженного состояния.
1.11. При научно-исследовательских работах, связанных с изучением металла и выбором композиций сталей (сплавов), могут проводиться испытания по другим планам, отличным от указанных в настоящих Методических указаниях.
1.12. Программы для расчетов характеристик жаропрочности находятся в ЦНИИТМАШ.
Перечень программ представлен в Приложении Б.
1.13. Все данные испытаний, результаты их обработки и значения характеристик жаропрочности рекомендуется представлять в унифицированном виде. Формы таблиц и диаграмм даны в Приложении В.
2. ОБЪЕМ ИСПЫТАНИЙ
2.1. Условные обозначения:
Остальные условные обозначения - согласно разделу 1.1.
2.2. Все испытания на жаропрочность проводятся согласно действующим государственным стандартам.
2.3. Образцы для испытаний каждой партии стали (сплава) изготавливаются из металла, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на +/- 50 МПа.
2.4. При каждом режиме испытывается не менее двух параллельных образцов. Если времена до разрушения параллельных образцов при любом режиме различаются между собой более чем в 2 раза, то проводятся дополнительные испытания на двух образцах при том же режиме.
При обработке учитываются все результаты, полученные при основных и дополнительных испытаниях.
2.5. Испытания на жаропрочность проводятся при температурах из следующего ряда:
- для углеродистых и малолегированных сталей - 400; 425; 450; 475; 500; 525 и 550 °С;
- для среднелегированных сталей - 400; 425; 450; 475; 500; 525; 550; 575; 600; 625 и 650 °С;
- для аустенитных и высокохромистых сталей - 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750 и 800 °С;
- для сплавов - 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050 и 1100 °С.
2.7. Допустимо проводить испытания при большем числе режимов и большем времени до разрушения, чем указано в настоящем разделе.
2.8. План полных испытаний
Значения времени до разрушения, полученные при испытаниях, должны охватывать интервал не менее 1,3 порядка по логарифмической шкале времени.
2.8.3. Число испытанных образцов должно быть не менее 12.
2.8.4. Испытания проводятся с измерением деформации.
2.8.5. Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. При определении условных пределов длительной прочности и ползучести допустимо обрабатывать данные испытаний упрощенным аналитическим методом.
2.9. План длительных испытаний
2.9.3. Число испытанных образцов должно быть не менее 10.
2.9.4. Испытания для получения условного предела ползучести проводятся с измерением деформации.
2.10. План сокращенных испытаний
2.10.3. Число испытанных образцов должно быть не менее 12.
2.10.4. Испытания проводятся с измерением деформации.
2.10.5. Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. Допустимо определять условные пределы длительной прочности и ползучести упрощенным методом.
2.11. План оценочных испытаний
Для сталей, приведенных в НД Госгортехнадзора России, нижняя граница строится при напряжениях, меньших нормативных на 20%.
2.11.3. Число испытанных образцов должно быть не менее 4.
2.11.4. Испытания проводятся без измерения деформации.
2.11.5. Оценка длительной прочности стали (сплава) производится по ускоренному методу.
2.12. Лабораторные характеристики жаропрочности определяются на металле трех лабораторных партий стали (сплава), каждая из которых испытывается по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10 настоящих Методических указаний).
Данные испытаний каждой партии обрабатываются согласно пункту 2.10.5. Совместная обработка характеристик жаропрочности обследованных партий производится аналитическим методом для планируемых испытаний.
2.13. Первичные характеристики жаропрочности определяются на металле трех опытно-промышленных партий. План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении лабораторных характеристик (см. пункт 2.12).
2.14. Предварительные нормативные характеристики определяются на металле четырех первых промышленных партий стали (сплава). Допустимо проводить испытания на металле первой партии, уточняя полученные характеристики данными испытаний последующих партий.
Испытания каждой партии металла выполняются по плану полных испытаний (см. раздел 2.8 настоящих Методических указаний), а обработка данных как по отдельной партии, так и по совокупности характеристик жаропрочности обследованных партий - аналитическим методом для планируемых испытаний.
Если испытания на жаропрочность были проведены и обработаны не по настоящим Методическим указаниям, то совокупность характеристик жаропрочности партий можно обрабатывать аналитическим методом для произвольных испытаний.
2.15. Нормативные характеристики жаропрочности определяются на металле промышленных партий, представляющих марку стали или сплава (см. пункт 1.2.4).
План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении предварительных нормативных характеристик (см. пункт 2.14).
2.16. Испытания для оценки жаропрочных свойств отдельных партий металла в исходном состоянии и металла изделий при эксплуатации проводятся по плану сокращенных испытаний. Допускается проведение испытаний без измерения деформации.
2.17. Контроль жаропрочных свойств отдельных партий металла или металла изделий после окончательных технологических операций проводится на основании результатов испытаний по оценочному плану (см. раздел 2.11 настоящих Методических указаний).
2.18. По данным испытаний на жаропрочность строятся кривые деформирования (первичные кривые ползучести) в координатах тау - дельта (рисунок 1 - здесь и далее рисунки не приводятся). Кривые деформирования рекомендуется получать с помощью компьютера по программам Б.1.1 и Б.1.2 Приложения Б.
2.22. Результаты проведенных испытаний образцов на жаропрочность и кратковременные механические свойства стали (сплава) помещаются в таблицу 1, которая служит основанием для последующего определения необходимых характеристик.
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ
И ДАННЫЕ ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
ПЛАНИРУЕМЫХ ИСПЫТАНИЙ
3.1. Условные обозначения:
3.2. Предварительная обработка данных испытаний
3.2.1.1. Значение параметра длительной прочности определяется для каждого испытания по формуле:
При отсутствии марочных данных значение постоянной а принимается для углеродистых, малолегированных, среднелегированных и высоколегированных сталей минус 25, для аустенитных сталей - минус 20, для сплавов - минус 30.
3.2.1.3. Если по результатам испытаний, нанесенным на условную параметрическую диаграмму, можно провести две линии, то в дальнейшую обработку включаются лишь данные, лежащие на правой ее ветви.
3.2.2.2. Значение равномерного остаточного сужения подсчитывается по формуле:
3.2.3.1. На кривую деформации ползучести наносятся точки П и Р, соответствующие окончанию переходной и квазиравномерной стадий формирования. Координаты этих точек принимаются по кривой остаточного удлинения (см. рисунок 3).
3.3. Определение условных пределов длительной прочности
3.3.2. Для определения нормативных условных пределов длительной прочности, характеризующих марку стали, подсчитываются средние значения постоянных для М партий по формулам:
3.3.2.1. Определение условных пределов длительной прочности математическим путем производится по формуле (3) подставлением в нее значений постоянных, подсчитанных по формулам (4).
3.3.2.3. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
3.3.2.5. Для определения условных пределов длительной прочности для заданных температуры и ресурса рассчитывается значение параметра по формуле:
Значение условного предела длительной прочности находится из формулы (5).
3.3.2.6. При необходимости определения условных пределов длительной прочности с вероятностью разрушения образцов, отличной от принятой для нормативных характеристик (р = 0,5), значение параметра для построения параметрической диаграммы рассчитывается по формуле:
Таблица 2
Расчеты ведутся по программе Б.2 Приложения Б.
Для ряда напряжений подсчитываются значения параметра и строится параметрическая диаграмма жаропрочности для заданной вероятности разрушения (2 на рисунке 5).
Значение условного предела длительной прочности находится из формулы (7).
3.3.2.7. Упрощенный метод определения долговечности
Значительное сокращение числа испытываемых образцов существенно снижает суммарное время эксперимента.
3.4. Определение условных пределов ползучести
3.4.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
3.4.1.4. По формуле (11) с определенными на компьютере коэффициентами можно построить график ползучести в координатах ln тау - ln сигма. Кроме того, результаты математической обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.4.2. Для определения нормативных условных пределов ползучести, характеризующих марку стали, подсчитываются средние значения постоянных для М партий по формулам:
3.4.2.1. Определение условных пределов ползучести аналитическим методом производится по формуле (11), в нее подставляются значения постоянных, подсчитанные по формулам (12). Последовательность расчетов по формуле (11) аналогична расчетам по определению условных пределов длительной прочности по формуле (3), описанным в пункте 3.3.2.1.
При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4 (см. рисунок 5).
3.4.2.3. С целью определения условных пределов ползучести для заданных температуры и ресурса рассчитывается значение параметра по формуле:
3.4.2.4. При необходимости определения условных пределов ползучести с вероятностью, отличной от принятой для нормативных характеристик, значение параметра для построения параметрической диаграммы рассчитывается по уравнению:
Расчеты ведутся по программе Б.2 Приложения Б.
Построение параметрической диаграммы жаропрочности аналогично указаниям пункта 3.3.2.6 для длительной прочности. Значение условного предела ползучести находится из формулы (15).
3.5. Определение условных пределов остаточного удлинения
3.5.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
3.5.6.1. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.6. Определение условных пределов остаточного сужения
3.6.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
3.6.6.1. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.7. Определение условных пределов равномерного остаточного удлинения и сужения
3.7.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
3.7.6. Для определения времени равномерного удлинения используется формула:
3.7.7.1. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.7.7.3. Условный предел равномерного остаточного сужения определяется по формуле:
3.8. Определение ресурса равномерного остаточного удлинения
3.8.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле (25), производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1.
3.8.2. Необходимые для расчета данные испытаний (температура t, номинальное напряжение сигма) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
Результаты математической обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.8.6.1. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле (20).
Коэффициент m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.9. Определение изохронных кривых ползучести
3.9.1. Математическая обработка первичных кривых ползучести партии стали (сплава), основанная на уравнении состояния:
3.9.2. Данные для построения кривых ползучести партии стали (сплава) определяются на компьютере по формулам:
3.9.3. Изохронные кривые ползучести строятся по полученным данным для партии стали (сплава) в координатах сигма - дельта при t = const и тау = const.
В условиях эксплуатации допустимое значение деформации ползучести, как правило, не превышает 2%, поэтому даже при больших запасах изохронные кривые используются в пределах, не превышающих 5%.
3.10. Расчет характеристик релаксационной стойкости
3.10.1. Математическая обработка данных испытаний партии стали (сплава) производится на компьютере согласно пункту 3.9.1.
3.10.2. Данные для построения кривой релаксации партии стали (сплава) определяются на компьютере по программе Б.1.5 Приложения Б, основанной на формуле:
3.11. Для сталей тепловой энергетики 12Х1М1Ф, 15Х1М1Ф и 25Х1М1Ф допускается для предварительного анализа и прогноза использовать уравнение (48). После логарифмирования этого уравнения получаются формулы, близкие к приведенным в данном разделе.
4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИДА СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Условные обозначения:
Оптимальное решение поставленной задачи дает объединение уравнения долговечности типа (3) с критерием прочности (35). В результате зависимость долговечности жаропрочных материалов с учетом вида сложного однородного напряженного состояния после логарифмирования представляется в удобном для дальнейшей обработки виде:
4.2. Оценка неизвестных коэффициентов уравнения типа (36) осуществляется в несколько этапов.
4.2.1. Проводятся испытания на длительную прочность трубчатых образцов при двух - трех уровнях температуры.
5. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ
ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПОЛЗУЧЕСТИ И МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
5.1. Процесс ползучести при эксплуатации энергетического оборудования может сопровождаться развитием малоцикловой усталости металла, связанной с нестационарностью (цикличностью) изменения эксплуатационных параметров нагружения. В этих условиях долговечность металла и его длительная прочность могут значительно отличаться от аналогичных характеристик для стационарного уровня нагружения.
5.3. Для оценки изменения характеристик длительной прочности и долговечности испытания проводятся в режимах последовательного (комбинированного) нагружения при ползучести и малоцикловой усталости. Повреждаемость от ползучести и малоцикловой усталости рассчитывается по параметру суммарной относительной долговечности:
5.4. Оценка малоцикловой повреждаемости производится на основе кривых малоцикловой усталости, полученных в соответствии с требованиями ГОСТ 25.505-85 "Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении", в условиях жесткого нагружения (с заданными не менее чем на трех уровнях значениями упруго-пластической деформации). Для оценки характеристик малоцикловой усталости допускается использовать зависимости циклической долговечности, определенные по механическим (жаропрочным) свойствам металла.
5.5. Оценка характеристик длительной прочности производится по упрощенному методу (раздел 3) с испытанием не менее шести образцов для каждого состояния материала. Выбранный уровень напряжений должен соответствовать области межзеренного разрушения. Для оценки доли повреждаемости от ползучести допускается использование среднемарочных зависимостей длительной прочности.
5.6. Испытания при последовательном нагружении проводятся с внесением фиксированной доли предварительного малоциклового повреждения на уровне 0,3 и 0,7 с последующим испытанием в условиях ползучести. После малоциклового испытания поверхность образцов должна подвергаться дополнительной обработке с целью удаления поверхностного поврежденного слоя металла.
Равноправной для оценки суммарной долговечности является методика предварительного внесения повреждаемости от ползучести в интервале 0,3 - 0,7 и определения остаточной долговечности в условиях малоциклового нагружения.
5.7. Обработка данных испытаний производится для каждой из заданных температур для получения зависимости параметра суммарной относительной долговечности в виде:
5.9. Обработка данных испытаний для прогнозирования характеристик длительной прочности и остаточного ресурса в условиях малоциклового нагружения производится в соответствии с модифицированным параметрическим уравнением в виде:
где коэффициенты а, m, b и с соответствуют аналогичным коэффициентам параметрического уравнения (3); коэффициенты k и l определяют изменения активационных параметров разрушения, связанные с изменением состояния материала при внесении доли малоциклового повреждения;
5.10. Дальнейшая оценка характеристик длительной прочности и долговечности производится для заданных условий длительного статического и нестационарного нагружения по рабочим параметрам оборудования и предполагаемым циклическим режимам эксплуатации с выделением экстремально нагруженных конструктивных зон с учетом соответствующих коэффициентов концентрации напряжений.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ И ОЦЕНКА
ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА
6.1. Условные обозначения применяются в соответствии с разделами 1.1, 2.1 и 3.1 настоящих Методических указаний.
6.2. В разделе 3 изложен метод расчета характеристик прочности и пластичности при разрушении, включающий критическую фазу развития ползучести (интенсивного накопления повреждений и деформации ползучести), которую необходимо исключить при оценке срока службы.
6.3. Деформационную способность в первом приближении можно рассчитывать по уравнению:
Для значительного снижения роли критической стадии ползучести следует использовать формулу оценки поврежденности, выраженную через среднюю деформацию ползучести, накопленную с момента приложения нагрузки до момента разрыва материала. В этом случае поврежденность оценивается по значению средней деформации ползучести, рассчитываемому по формуле:
Степень поврежденности определяется величиной отношения:
6.4. Остаточный ресурс определяется по уравнению:
6.4.1. В качестве первого приближения оценки поврежденности можно использовать формулу:
где N - коэффициент, аналогичный р (см. пункт 6.3).
6.4.2. Более точной оценкой поврежденности является формула (46), введение которой в уравнение (47) значительно повышает достоверность оценки остаточного ресурса из-за существенного снижения роли критической фазы ползучести.
6.5. На кривых ползучести существуют три реперные точки, по которым можно судить о степени поврежденности материала.
6.5.1. Процесс ползучести состоит из двух этапов. На первой стадии скорость затухает и достигает минимума при окончании первого этапа процесса (первая реперная точка).
Уравнения механического состояния позволяют оценить значение деформации окончания затухающей стадии ползучести:
На этой стадии повреждения практически отсутствуют (самый безопасный период).
6.5.3. По мере развития ускоренной стадии ползучести происходит увеличение количества пор и их слияние в микротрещины, после чего наступает критическая фаза ползучести, которую необходимо исключить из допустимого ресурса. В этой стадии применение восстановительной термической обработки может оказаться неэффективным.
За время до разрушения (третья реперная точка) можно считать время накопления предельно допустимой деформации. При этом оно должно быть не более 90% суммарной долговечности.
7. ЭКСПРЕССНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ
МЕТАЛЛА (СТАЛЕЙ 12Х1МФ, 15Х1М1Ф И 25Х1М1Ф) В ЭКСПЛУАТАЦИИ
7.1. Метод заключается в определении предела длительной прочности металла, находящегося в эксплуатации, по результатам испытаний не менее четырех образцов при одном и том же температурно-силовом режиме. Если время до разрушения хотя бы одного образца отличается от среднего более чем в два раза, проводятся испытания еще двух образцов в том же температурно-силовом режиме.
7.2. Для энергетических перлитных сталей хромомолибденованадиевого класса для предварительного анализа и прогнозирования жаропрочных характеристик возможно использование зависимости:
Найти А и с можно, если прологарифмировать уравнение и применить программу Б.4.1 Приложения Б.
7.3. На формуле (48) основывается ускоренный метод оценки долговечности энергетических материалов. Последовательность действий приведена ниже.
7.5. Рассчитывается эксплуатационный параметр нагружения:
7.6.2. Коэффициент запаса по долговечности равен:
7.6.6. Анализ всех полученных данных, в том числе по прочности и пластичности при длительном разрыве, позволяет решить вопрос о возможности снижения запаса длительной прочности.
8. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА ЖАРОПРОЧНЫХ СВОЙСТВ СТАЛИ (СПЛАВА)
8.1. Условные обозначения приняты в соответствии с разделами 1.1; 2.1 и 3.1.
8.2. Качественный контроль жаропрочных свойств поступающего на предприятия энергомашиностроения металла и металла изделий, а также приемочный контроль изготавливаемого на них оборудования производятся по ускоренному методу (см. раздел 7), план испытаний при этом должен соответствовать оценочному (см. раздел 2.11), если он не оговорен действующими техническими условиями или заводскими инструкциями.
8.3. Количественная оценка жаропрочных свойств производится на металле, предназначенном для особо ответственных изделий, или при их приемочном контроле. Этот метод применяется также при аттестационных испытаниях и оценке перспективности разработки и применения новой марки стали (сплава) по уровню ее характеристик длительной прочности.
8.3.1. Испытания металла проводятся по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10), а обработка данных - по упрощенному математическому методу (см. раздел 7).
8.3.5. Для некоторых марок сталей (особенно имеющих достаточно высокую пластичность) возможно увеличить остаточный ресурс за счет снижения запаса прочности.
8.3.6. Разработка и применение новой марки стали (сплава) считаются перспективными по уровню ее характеристик длительной прочности, если не менее 75% данных испытаний и рассчитанный условный предел длительной прочности лежат выше допустимой полосы разброса нормативных характеристик близкой к ней промышленно применяемой марки стали или сплава (линия 2 на рисунке 7).
9. ОЦЕНКА ЖАРОПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
9.1. Условные обозначения:
Остальные условные обозначения - согласно разделам 1.1; 2.1 и 3.1.
9.2. Определение механических свойств
9.2.1. Испытания проводятся при комнатной и повышенной температуре.
9.2.2. План испытаний принимается в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации и наблюдению за металлом энергооборудования.
9.3. Определение дополнительного ресурса
9.3.1. Испытания на длительную прочность проводятся по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10), а данные испытаний обрабатываются упрощенным математическим методом (см. разделы 3, 5 и 7).
9.3.6. Рекомендуется при определении дополнительного ресурса учитывать пластические свойства испытываемого металла изделий.
9.3.6.1. Испытания на длительную прочность проводятся с измерением деформации по ГОСТ 3248-81.
9.3.6.4. Значение дополнительного ресурса рассчитывается по формуле:
9.3.6.5. За допустимое время дальнейшей безаварийной эксплуатации детали принимается наименьшее значение, определенное по пунктам 9.3.4 и 9.3.6.4.
10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО ПРЕДЕЛА
ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ РЕСУРСЕ
10.1. Условные обозначения:
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
11.1. Условные обозначения:
Остальные обозначения - согласно разделам 1.1 и 3.1.
11.2. Механические свойства лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и нормативных характеристик стали (сплава) получаются путем математической обработки результатов кратковременных испытаний образцов, представляющих определенную группу партий металла. Количество образцов в партии должно соответствовать указаниям пункта 2.21, а количество партий в группе для получения определенной категории характеристик - пунктов 2.12, 2.13, 2.14 и 2.15.
11.3. Определение каждой характеристики производится по результатам испытаний образцов, помещенным в таблицу 1 (см. пункт 2.22), для каждой температуры отдельно.
11.4. Механические свойства
11.4.2. Для вероятности разрушения, отличной от нормальной (р = 0,5), значения пределов прочности и текучести, относительных удлинения и сужения рассчитываются по формулам:
11.5. Температурная зависимость
Каждое из этих состояний представляется полным комплексом физико-химических, механических и структурных характеристик для двух - пяти материалов.
11.5.2. Температурная зависимость пределов прочности и текучести, относительных удлинения и сужения определяется путем математической обработки всех механических испытаний. При этом число уровней температуры испытания должно быть не менее четырех (см. пункт 2.21).
11.5.3. Уравнения для определения температурных зависимостей характеристик механических свойств стали (сплава) имеют вид:
11.5.5. Математическая обработка результатов механических испытаний производится с помощью компьютера по стандартной статистической программе Б.6 Приложения Б.
11.5.6. Необходимые для расчета данные испытаний (температура и величины механических свойств) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
11.5.8. Если значения дисперсий, полученных по пункту 11.5.7, превышают 10% начального разброса, то математическая обработка результатов испытаний производится на компьютере по статистической программе, упомянутой в пункте 11.5.5 на основе уравнений:
11.5.9. Значения пределов прочности и текучести, а также относительных удлинения и сужения для вероятности р = 0,5 при температуре t определяются по уравнениям (58) - (61) или (62) - (65) с использованием значений коэффициентов, полученных по пунктам 11.5.7 или 11.5.8.
11.5.10. Для значений вероятности разрушения, отличной от р = 0,5, значения характеристик механических свойств стали (сплава) при температуре t определяются по формулам (54) - (57).
11.5.11. Точность определения пределов прочности и текучести по данному методу в диапазоне температур испытаний составляет +/- 3%.
11.5.12. Для материалов после наработки устанавливаются приведенные характеристики прочности и пластичности:
Здесь альфа - ударная вязкость, а значок ' означает, что берется усредненное или базовое кратковременное значение характеристики.
11.5.13. Оценка результатов наработки производится по формуле:
Приложение А
(справочное)
ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Если рассматривать ползучесть как термически активируемый процесс, то для него уравнение состояния представляется в виде произведения экспоненты и тау экспоненциального множителя типа:
Этот вид обосновывается с точки зрения как термомеханики, так и физики твердого тела.
Уточняются закономерности изучаемого явления, показывается, что выражения для f и U можно конкретизировать и от уравнения (А.1) перейти к зависимости:
Так, уравнения основной части настоящих Методических указаний (1), (3), (5), (6), (11), (13), (14), (19), (22), (23), (25) - (27), (45) следуют из формулы (А.3) после логарифмирования, уравнения (31), (44), (47) являются логарифмическими от небольших модификаций формулы (А.3). При этом некоторые расчетные коэффициенты могут фиксироваться.
Зависимость формулы (48) выводится из выражения (А.2) при n = 0, k = 2, r = 2.
Приложение Б
(справочное)
ПЕРЕЧЕНЬ
И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Б.1. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ПО РАСЧЕТУ
ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ЖАРОПРОЧНОСТИ
Б.1.1. Построение первичных кривых ползучести
Б.1.2. Построение первичных кривых ползучести на основе уравнения Лакомба
Таблица Б.1
Б.1.3. Определение характеристик жаропрочности
Находится предел длительной прочности в зависимости от температуры и нагрузки. Вычисляются коэффициенты уравнения, связывающие эти величины, и проводятся по нему расчеты для пределов прочности, ползучести, остаточного удлинения, остаточного сужения, равномерного остаточного удлинения (см. разделы 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний).
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.4. Расчет уравнения состояния
Программа определяет скорость накопления деформации как функцию температуры, номинального напряжения, остаточного удлинения для двух видов испытаний - с постоянным напряжением или постоянной нагрузкой, находит коэффициенты уравнения (31), связывающего эти величины (см. раздел 3.9 настоящих Методических указаний), по нему проводятся расчеты.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.5. Построение изохронных кривых ползучести и расчет релаксационной стойкости
Программа ведет для заданного режима испытаний расчет времени, за которое накопится заданная деформация по трем формулам (32) - (34) для испытаний с постоянной нагрузкой, с постоянным напряжением, на релаксационную стойкость, коэффициенты в которых определены программой Б.1.4 (см. разделы 3.9 и 3.10 настоящих Методических указаний).
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.6. Расчет основных характеристик жаропрочности в параметрическом виде
Программа определяет эти характеристики с помощью введения промежуточных величин (параметров). Результаты используются также для построения параметрических диаграмм, дающих возможность по требуемым ресурсу и температуре вычислять значение искомой характеристики (предела длительной прочности, предела ползучести, предела остаточного удлинения, предела остаточного сужения, предела равномерного остаточного удлинения, времени равномерного удлинения). Соответствующие уравнения приведены в разделах 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний.
Примеры вида уравнений, построения параметрических кривых и нахождения по ним характеристик даны в Приложении В.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.2. РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ
Определяются не только основные характеристики жаропрочности в обычном и параметрическом виде (аналогично программам Б.1.3 и Б.1.6), но и доверительные интервалы для их значений, что дает возможность оценивать предел длительной прочности и остаточный ресурс металла с вероятностной точки зрения. Соответствующие уравнения приведены в разделах 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний.
Данные берутся из таблиц 1 и 2 настоящих Методических указаний (см. пункты 2.22 и 3.3.2.6).
Б.3. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛА
И ЕГО ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
По взаимосвязи между деформацией ползучести и повреждаемостью определяется время достижения более ранних стадий процесса разрушения. Вводятся различные виды зависимости деформации от напряжения и степени поврежденности металла. Соответствующие уравнения приведены в разделе 6 настоящих Методических указаний.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СВОЙСТВ
ХРОМОМОЛИБДЕНОВАНАДИЕВЫХ СТАЛЕЙ
Б.4.1. Прогнозирование длительной прочности
Реализуется слегка усложненная по сравнению с программой Б.1.3 (квадратичная) зависимость характеристик длительной прочности от температуры и нагрузки, при этом часть коэффициентов зафиксирована - см. уравнение (48) настоящих Методических указаний. Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.4.2. Экспрессный метод
На основе уравнения (48) настоящих Методических указаний вводится зависимость (50) для расчета времени до разрушения металла в условиях эксплуатации по результатам ускоренных испытаний. В программе используются данные таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22). Кроме того, в нее должны быть введены либо эксплуатационное напряжение, либо сведения для его расчета - см. формулу (49) настоящих Методических указаний.
Б.5. РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛА
С УЧЕТОМ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
С помощью критерия прочности материала определяется уравнение для эквивалентного напряжения при различных типах напряженного состояния. Введение этого напряжения в выражение для долговечности металла позволяет найти температурно-временную зависимость конструктивной длительной прочности жаропрочных материалов (см. раздел 4 настоящих Методических указаний). Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22). Кроме того, должны быть введены различного вида напряжения.
Б.6. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Программа дает возможность рассчитывать произвольные (линейные и нелинейные) регрессионные модели, по коэффициентам корреляции и остаточным дисперсиям оценивать влияние каждого фактора на изучаемую характеристику, находить соответствующие доверительные интервалы.
Сведения берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. п. 2.22).
Приложение В
(рекомендуемое)
УНИФИКАЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ ПО ЖАРОПРОЧНОСТИ
В.1. Условные обозначения приняты согласно разделам 1.1; 2.1; 3.1; 5.1; 9.1 и 10.1 настоящих Методических указаний.
В.2. Результаты испытаний стали (сплава) на жаропрочность с измерением деформации образца по ГОСТ 3248-81 представлены в таблице 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22) и таблице Б.1 Приложения Б, которые содержат все необходимые данные для расчетов характеристик жаропрочности.
В.3. Значения коэффициентов в формулах для определения условного предела длительной прочности (3), условного предела ползучести (11), условного предела удлинения (19), условного предела сужения (22), условного предела равномерного остаточного удлинения (25), ресурса равномерного остаточного удлинения и дисперсии соответствующих характеристик, определенные с помощью компьютера по программам Приложения Б для лабораторных и нормативных характеристик, а также для предварительных нормативных характеристик крупных изделий индивидуального производства, помещаются в таблицу В.1.
Таблица В.1
КОЭФФИЦИЕНТЫ ФОРМУЛ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ
Таблица В.2
ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛИ
В.7. Результаты определения жаропрочных свойств металла изделий при эксплуатации помещаются в таблицу В.3.
Таблица В.3
ХАРАКТЕРИСТИКА ЖАРОПРОЧНОСТИ
МЕТАЛЛА ИЗДЕЛИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В.8. Характеристики жаропрочности стали (сплава) любой категории могут быть представлены в виде графиков.
В.9. Обобщенная параметрическая диаграмма жаропрочности
В.9.1. Результаты всех испытаний на жаропрочность, проведенных по планам и обработанных в соответствии с разделом 3 настоящих Методических указаний, рекомендуется представлять в виде параметрической диаграммы в координатах Р - lg дельта (рисунок В.1). По обобщенной диаграмме можно определять условные пределы длительной прочности, ползучести и характеристик длительной пластичности.
В.9.3. В верхней половине обобщенной параметрической диаграммы помещаются температурно-временные или температурно-деформационные номограммы, отражающие зависимость параметра от логарифма времени или логарифма деформационной характеристики при заданной температуре.
В.9.4. Характеристики прочности и пластичности определяются по обобщенной параметрической диаграмме следующим образом.
В.9.4.2. Проводится горизонталь 1-3-4 по линии параметрической диаграммы Г аналогично пункту В.9.4.1 и находится условный предел ползучести (линия 4-6-7).
В.9.4.3. По горизонтали 15-5-8-9 определяются условные пределы остаточного удлинения (линия 5-8-10-11), остаточного сужения (линия 5-8-9-12-13) и равномерного остаточного удлинения (линия 5-15-16-17).
В.9.4.6. С помощью обобщенной параметрической диаграммы можно получать данные для построения первичных и изохронных кривых ползучести для заданной температуры.
Приложение Г
(справочное)
БАНК ДАННЫХ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ
И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
Г.1. Банк содержит данные примерно по 2 тыс. отечественных и 21 тыс. иностранных марок машиностроительных материалов, в него занесены стали различного класса (конструкционные, инструментальные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, для отливок, специальные), более 100 видов чугунов, 400 сплавов, в первую очередь применяющихся в энергетике, металлургии, транспорте, тяжелом машиностроении. Он включает сведения о химических, физических, механических и эксплуатационных свойствах материалов, фирмах-производителях и поставщиках продукции, видах поставки, аналогах, технологических характеристиках, всего более чем по 300 параметрам.
Г.2. Информационный банк данных постоянно актуализируется, непрерывно пополняясь и модифицируясь. При сопровождении банка частота его модификации определяется заказчиком.
Г.3. Банк открыт для пользователя, который может самостоятельно пополнять или корректировать его, максимально приспосабливая к собственным запросам.
Г.4. В системе реализованы прямые запросы (поиск свойств какого-либо материала) и обратные запросы (выбор материалов, удовлетворяющих условиям, наложенным на их характеристики). Число условий практически не ограничено.
Г.5. Система позволяет компактно распечатывать на принтере любую необходимую информацию, осуществляет ее копирование, обеспечивает защиту и безопасность данных.
Г.6. Система является диалоговой и, несмотря на достаточно сложную структуру, чрезвычайно проста в работе. Пользоваться банком и модифицировать его можно научиться за несколько часов.
Г.7. Все данные банка сопровождаются указанием на источник информации. Использовано свыше 800 таких источников от государственных и отраслевых стандартов до литературных данных и рекомендаций.
Г.8. Банк данных можно использовать на любых типах современных персональных компьютеров. Система поставляется в режиме OFF-LINE на дискетах и может быть установлена и задействована на ПЭВМ заказчика.
Г.9. Объем системы порядка 45 Мбайт. Она уже успешно используется на энергетических, металлургических и машиностроительных предприятиях, в отраслевых НИИ.