Надійність зварної арматури високотемпературних перетворювачів (ТП)

Автор: Білобородченко Станіслав Володимирович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Технології та устаткування зварювання
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2023-2024 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: Метою МКР є дослідження способів забезпечення прийнятної експлуатаційної надійності, при термічне – механічному навантаженні в процесі роботи, арматури термоперетворювача (ТП) за високотемпературною тріщиностійкістю та міцністю основного металу і зони зварювання, яка виготовляється з молібденових сплавів легованих цирконієм і ренієм в залежності від впливу технологічного циклу виготовлення конструкції – електронне – променевого зварювання та наслідків термічного оброблення. У першому розділі показане, що в процесі експлуатації високотемпературних ТП їх конструктивні елементи піддаються специфічним впливам, які змінюють їх метрологічні (чутливий елемент), фізико - механічні властивості (трубчаста арматура) і, таким чином, критичне впливають на надійність ТП в цілому. Основними факторами, які впливають на надійність ТП в процесі експлуатації є теплові та ударне – вібраційні навантаження, структурні перетворення в матеріалі арматури, що змінюють температурний поріг крихкості, а також можливість резонансного руйнування в частотному діапазоні 50…2000Гц. Основною причиною відмов, з рештою рівних умов, є катастрофічна втрата міцності матеріалу арматури під дією високої температури: розвиток процесів міжкристалічної та транскристалітної корозії, явищ втоми та повзучості, утворення тріщин та крихке/пластичне руйнування зони зварювання. Проведений статистичний аналіз відмов зварних з’єднань високотемпературних ТП, який доказує нормальний закон їх розподілення з базовими показниками часу наробітки виробу 3151,2 ? 4790?12731 год, та такий, що за фізичною моделлю для реальних конструкцій відповідає процесам поступового накопичення ушкоджень та зростання дефектності матеріалу. З метою підвищення робочого ресурсу ТП типовими матеріалами для арматури ТП послуговують строго орієнтовані за зовнішнім середовищем сталі та сплави заліза (температура середовища до 10000С) та молібденові сплави, найвища стійкість яких спостерігається в нейтральних та вакуумних середовищах (вимірювані температури більші 20000С). Причиною незначної експлуатаційної стійкості молібденової арматури є вплив неметалевих домішків (гази – кисень, азот, водень та вуглець), які утворюють тверді розчини укорінення та різні фази, що є результатом дії вимірюваної температури через утворення деформаційної і рекристалізаційної кінцевої структури металу підвищеної крихкості. Певним підходом до підвищення надійності високотемпературної зварної молібденової арматури є рафінування металу, легування цирконієм (до 25%) та ренієм (до 43%), а також попереднє термічне - деформаційне оброблення (рекристалізаційний відпал, пластичне деформування), застосування технологій, які виключають контакт гарячого металу з газами. Одним з таких підходів є прийнятні способи виготовлення зварної трубчастої арматури з молібденових сплавів, а саме: дугове зварювання в середовищі інертних газів та електронне – променеве, які, при зварюванні на оптимальних режимах для забезпечення заданого термічного циклу, принципово дозволяють певне вичищення металу рідкої ванни від газів, а особливості його кристалізації при зварюванні тонкостінної арматури мають позитивний вплив на перерозподіл структурних складових і фаз та, тим самим, сприяють зниженню температури порогу крихкості. У другому розділі продемонстроване, що надійність зварної арматури ТП забезпечується однією з її складових –досконалою технологію зварювання променевими джерелами енергії: електронний або фотонний промені. Встановлене, що при подібності термічного впливу на зону зварювання та кінцеві результати формування шва більш прийнятним, з точки зору оптимальної організації технологічного циклу є електронне – променеве зварювання (ЕПЗ), оскільки фізичне задовольняє визначальне умову гарантованого захисту зони формування шва. Використання для розрахунку параметрів ЕПЗ енергетичного, кінематичного та геометричного базису (тепловий стан, швидкість переміщення джерела нагрівання та геометричні показники перерізу шва) дозволяє розрахувати установчі значення таких параметрів, які уточнюються в подальшому при налагодженні технології зварювання конкретних сплавів металів та товщин конструкції арматури. Встановлене, що параметри режиму зварювання - потужність променю та питома енергія коректне описуються статистичне достовірним показовим законом розподілення (кореляція ), а для швидкості зварювання – логарифмічним розподіленням (кореляція ). Це дозволяє на підставі отриманих моделей стандартних розподілень, при визначенні вказаних параметрів режиму зварювання, встановлювати їх рівень, виходячи із заданої глибини проплавлення з надійною імовірністю не гірше 0,95. При виборі параметрів потужності променю (струм променю та напруга прискорення) найбільш ефективним за глибиною регулювання є променевий струм. При виборі у якості провідних регулюючих термічне – деформаційний цикл зварювання параметрів таких як потужність променю та швидкість зварювання в умовах незмінності швидкості, найбільшою регулювальною здатністю володіє потужність променю (неявне – струм променю); а при незмінності потужності вплив швидкості зварювання практичне інваріантний до спроможності проплавлення в області проведеного експериментування для великих товщин стінки арматури. Пошукові роботи із зварювання композиції молібден + нержавіюча сталь демонструють підвищену крихкість (утворення тріщин) в зоні зварювання через утворення карбідів молібдену та інтерметалідів. Задіяні для компенсації негативного їх впливу прошарки з нікелю та нікелю і міді дещо підвищують міцність та пластичність зварної зони, проте не задовольняють експлуатаційним вимогам до виробу за жаростійкістю та жароміцністю в робочому діапазоні вимірюваних температур ТП. У третьому розділі приведені результати визначення механічних показників надійності зварної арматури статичним випробовуванням на зразках з надрізом, який є концентратором напружень і послуговує їх перерозподілу і накопиченню енергії для тріщино утворення. Для оцінки опірності матеріалу (тріщиностійкості) використані положення лінійної механіки руйнування, параметри якої - J- інтеграл та коефіцієнт концентрації напружень мають різну інформативну достовірність (ширина зони невизначеності їх модельного уявлення), проте однозначне вказують на область оптимальних режимів термічного оброблення або робочих температурних навантажень зварної арматури ТП. Ефективним засобом підвищення їх достовірності є запропонований коефіцієнт об’ємного деформування , який практичне демонструє секундне прирощення об’єму тріщини в процесі її розвитку. Встановлений високий нелінійний кореляційний зв’язкок між коефіцієнтом концентрації напружень та коефіцієнтом об’ємного деформування, при модельних одиничних значеннях оцінки відхилення масиву даних від їх середніх значень, дозволив запропонувати їх коваріацію у якості інтегрального коефіцієнту оцінки тріщиностійкості матеріалу; кореляційний зв’язок якого з матеріалом під силовою дією скерованою вздовж ліній прокатування або поперек становить не менше 0,99 і коректне описується простими лінійними або поліноміальними залежностями. За фізичною сутністю, відповідне його розмірності, він являє секундне виділення енергії руйнування на одиниці шляху просування тріщини в ступеню ?. Якщо прийняти, у першому наближенні, що її секундне прирощення відповідає товщині зразка, то останнє однозначне зв’язує площу руйнування з її лінійною розмірністю. Найкращі показники опірності, при урахуванні виготовлення заготовок трубної арматури забезпечуються, якщо робоче силове механічне навантаження прикладене до арматури під кутом 45…550, коли повністю працюють осьові та зсувні пластичні деформації границь зерен. Модельні описи зміни показників механічної опірної здатності молібденових сплавів, рекомендованих в якості матеріалу арматури, однозначне демонструють оптимальну зону їх або технологічного термічного оброблення матеріалу, або робочу зону термічне –механічного навантаження арматури ТП- 1200…14000С.