5.2.4. Термическая усталость

Повреждения при термической усталости обусловлены циклическим характером изменения напряжений и частично релаксацией переменных остаточных напряжений, возникающих при изменении температуры.

Цикл повреждения материала повторяется при каждом эксплуатационном пуске - остановке. Поврежденность определяется скоростью изменения температурного поля.

Зоной высокотемпературных роторов, наиболее подверженных усталостным повреждениям, являются уплотнения на входе в цилиндр, где имеются высокие коэффициенты теплоотдачи, а выточки в лабиринтовых уплотнениях или радиусные переходы от уплотнения к полотну дисков порождают местную концентрацию напряжений.

Работа трубопроводов в режиме частых пусков, как правило, приводит к появлению трещин термической усталости в корпусах турбин, регулирующих и скоростных клапанов и других литых элементах энергоблока. Трещины возникают, в основном, в областях наибольших температур и температурных градиентов в корпусах турбин. Участие термической усталости обнаруживается и при анализе преждевременных повреждений гибов необогреваемых труб, барабанов, коллекторов и других элементов энергооборудования.

Современные электростанции в общем случае рассчитываются на 5000 пусков из горячего состояния после 8-ч простоя и несколько меньшее число пусков из неостывшего и холодного состояния.

По данным металлографических исследований [171] средние и максимальные значения длин трещин, образующихся на образцах из стали 10ГН2МФА, после 1000 и 2000 циклов нагружения зависят от технологического состояния рабочей поверхности базы испытаний и состава коррозионной среды (рис. 5.45).

Рис. 5.45. Средние (заштриховано) и максимальные значения длины трещины в образцах из стали10ГН2МФА после 1000 (а, б) и 2000 (в, г) циклов нагружения (1 ~ точение; 2 - сверление; 3 - импульсная запрессовка) в воде с содержанием хлор-ионов 0,05 (а, в) и 0,2 г/кг (б, г)

Рис.

Методика испытаний предусматривала имитацию условий изготовления «труба - трубная доска»: наличие растягивающей статической компоненты, наложенной на знакопеременное нагружение за счет стеснения термических деформаций при нагреве и интенсивном охлаждении образца (при критических эксплуатационных условиях). Рабочая часть образцов представляет собой призматический отрезок перемычки между двумя отверстиями трубной доски, образуемой поверхностями двух соседних отверстий в состоянии после либо глубокого сверления, либо сверления и импульсной запрессовки теплообменных труб. Для сравнения использовали цилиндрические корсетные образцы с минимальным диаметром рабочей части 5 мм.

В соответствии с экстремальными условиями работы образцы испытывали при статическом нагружении напряжением 500 МПа (а0 2 металла плиты при 350 °С) в условиях коррозионно-термического воздействия по режиму 50 lt;=gt; 350 °С [171]. В качестве охлаждающей жидкости применяли водную среду с содержанием хлоридов 0,05 и 0,2 г/кг. После 1000 термоциклов увеличение содержания хлоридов в четыре раза интенсифицирует рост трещин, прежде всего, в цилиндрических образцах. В образцах, подвергнутых сверлению и импульсной запрессовке, соответствующий прирост максимальной длины трещин составляет 70 и 25% соответственно.

Повышение агрессивности среды приводит к существенному увеличению склонности к трещинообразованию при всех состояни

ях поверхности образцов. Характерной чертой кинетики роста малоцикловых трещин является достижение ими критического размера (- 65 мкм), после чего одна из них становится магистральной и приводит к разрушению образца. Критическая стадия развития трещин достигается на базе 2000 циклов в среде с содержанием хлор-ионов 0,2 г/кг как в цилиндрических образцах, так и в образцах из трубной доски после импульсной запрессовки.

Как видно из рис. 5.46, высокая скорость (в интервале 10 7... 10 8 м/цикл) роста термоусталостных трещин для стали 10ГН2МФА выявляется при весьма низких значениях АК = 2,6 -^-4,2 МПа • л/м. Влияние импульсной запрессовки проявляется в резком (до трех раз) увеличении скорости роста термоусталостных трещин. При этом в условиях коррозионно-термической усталости и по сравнению с испытаниями на воздухе при 20 °С наблюдается увеличение скорости роста трещины на два порядка.