ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Материалы сварных конструкций турбин из "Сварные конструкции паровых и газовых турбин " Одной из характерных особенностей сварных конструкций паровых и газовых турбин является широкий ассортимент применяемых материалов. Необходимость обеспечения заданного уровня свойств при длительной работе в широком диапазоне температур от комнатной до 500—800° требует использования в различных узлах установок легированных сталей перлитного, ферритомартенситного и аустенитного классов. Широкое применение находят сварные конструкции из литых деталей, поковок и проката. [c.19] Области применения того или иного класса сталей определяются условиями работы узлов турбин и, прежде всего, уровнем рабочих температур и длительностью эксплуатации. Для стационарных и транспортных турбин, сварные конструкции которых рассматриваются в книге, ресурс работы, как правило, может изменяться в пределах 10 - 10 час. [c.19] На фиг. 7 приведены показатели длительной прочности (од. 10 час.) различных марок сталей [10], [11 ], используемых в сварных конструкциях турбомашин. В соответствии с уровнем жаропрочности наиболее распространенные перлитные стали находят применение в узлах турбин, работающих до температуры 565—570°. В интервале температур 550—600° наиболее целесообразным является применение хромистых жаропрочных сталей на базе 12% хрома. Аустенитные стали на железной основе используются в зоне температур 580—650° выше 650° необходимо применять сплавы на никелевой основе. [c.19] Как правило, возможность появления трещин в сварном соединении и степень изменения свойств отдельных участков зоны термического влияния с увеличением легированности стали повышаются. Поэтому наиболее широко применяемые в энергомашиностроении легированные стали требуют при сварке соблюдения ряда технологических ограничений, связанных с введением подогрева изделия и термической обработки после сварки, жестко регламентированных сварочных режимов и т. д. При этом для каждой марки стали, намеченной к использованию в сварной конструкции, необходимо проведение большого объема исследования, связанного с выбором сварочных материалов и оценкой работоспособности сварных соединений в условиях работы конструкции. [c.20] Иногда ограниченная свариваемость той или иной стали является причиной снижения уровня свойств сварных соединений.. В этих случаях при выборе марки стали необходимо учитывать условия работы свариваемого узла. [c.20] Для конструкций, в которых основные усилия распределены таким образом, что являются для сварных соединений рабочими (глава П1), снижение их свойств в результате плохой свариваемости стали может снизить и общую прочность изделия. При этом работоспособность конструкции, изготовленной из высокопрочной, но плохо свариваемой стали, не будет отличаться или будет ниже работоспособности конструкции, выполненной из менее прочной, но хорошо свариваемой стали. Если же дополнительно учесть лучшую технологичность изделия, изготовленного из хорошо свариваемой стали, то преимущества использования последней становятся очевидными. [c.20] Условия работы сварных конструкций энергоустановок при высоких температурах предъявляют к сварным соединениям, кроме обеспечения должного уровня механических свойств, также требования сохранения необходимой жаропрочности и жаростойкости. Поэтому комплекс испытаний, обычно используемых для оценки жаропрочных материалов, является обязательным и для сварных соединений. В то же время особенности строения последних предъявляют при исследовании их работоспособности в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах ряд дополнительных требований к методике испытаний и критериям оценки полученных результатов. Объем указанных испытаний и критерии оценки работоспособности зависят прежде всего от условий эксплуатации данной сварной конструкции. Основные требования к методике испытания сварных соединений приведены ниже. [c.21] При разработке технологии сварки жаропрочных материалов особую трудность представляет, как правило, выбор сварочных материалов (электродов и сварочных проволок), обеспечивающих необходимые свойства металла шва. Для работы при высоких температурах металл шва, кроме необходимого уровня механических свойств и технологической прочности, должен обеспечивать также достаточную стабильность структуры и свойств при заданных температурах, обладать необходимым сопротивлением ползучести и жаростойкостью, а также рядом других свойств в соответствии с условиями работы данного узла. При этом критерии оценки пригодности того или иного типа сварочных материалов будут существенно зависеть от назначения данного узла конструкции. Так, например, для сварных конструкций камер сгорания газовых турбин пригодность тех или иных электродов будет определяться прежде всего жаростойкостью металла шва. Ряд сварных узлов турбин (рабочие лопатки, роторы и другие) могут работать под воздействием динамических знакопеременных напряжений. Поэтому для данных сварных соединений должна быть проверена их усталостная прочность. [c.21] Наиболее показательными для оценки работоспособности сварных конструкций являются результаты испытания самих сварных соединений. Основным типом образцов при этом являются образцы с поперечным стыковым швом. Испытание их позволяет выявить наименее прочный участок сварного соединения в условиях совместной работы различных его зон и оценить его способность пластически деформироваться, определяющую склонность к хрупким разрушениям при изготовлении и эксплуатации конструкции. [c.21] Наиболее показательным видом испытания образцов сварных соединений, позволяющим приблизить условия испытания последних к условиям работы большинства деталей энергооборудования, является оценка их длительной прочности при растяжении. [c.22] Как показано на фиг. 8, на которой приведено распределение относительного сужения по длине образцов сварных соединений перлитной и аустенитной сталей после испытания на кратковременный разрыв (сплошные кривые) и длительную прочность (пунктирные кривые), переход к длительным испытаниям приводит к существенному снижению пластичности при разрушении, а в ряде случаев, и к смещению места излома. Очевидно, в этих условиях разница в уровне свойств отдельных составляющих должна проявляться заметно более резко, чем при обычных кратковременных испытаниях. [c.22] Основным видом образцов сварных соединений для испытания на длительную прочность, как и при кратковременных испытаниях, являются образцы с поперечным швом. При этом, в зависимости от типа свариваемых изделий, форма образцов может изменяться. В большинстве случаев испытания ведутся на круглых десяти- или пятикратных образцах диаметром 8 или 10 мм. В случае сварки тонколистового материала используются плоские образцы, а для оценки свойств сварных стыков труб малого диаметра—трубчатые образцы. В пп. 2, 3 и 4 приведены значения пределов длительной прочности большинства используемых в сварных конструкциях энергоустановок сталей там же приведены указанные характеристики для металла швов и сварных соединений. [c.22] Работоспособность сварных конструкций при высоких температурах в большой степени зависит от уровня длительной пластичности сварных соединений. Правильный учет этой характеристики в значительной степени определяет надежность работы изделий. Так, низкая деформационная способность сварных соединений при высоких температурах обусловливает возможность появления хрупких разрушений изделий в эксплуатации. Поэтому при необходимости использования подобных соединений в конструкциях должны приниматься специальные меры к обеспечению плавного сопряжения свариваемых деталей и к отсутствию в зоне сварного соединения резких изменений формы сечения, могущих вызвать концентрацию напряжений. [c.23] Как показано рядом работ [18 ], [19 ], испытания при высокой температуре с постоянной скоростью деформации наиболее полно выявляют длительную пластичность материала, являющ,уюся одной из основных характеристик его склонности к хрупким разрушениям. Поэтому в качестве критерия для оценки чувствительности сварных соединений трубопроводов к хрупким разрушениям используется не прочность сварного соединения, а его предельная деформационная способность, выражаюш,аяся в величине относительного удлинения образца до разрушения. [c.23] По данным ряда исследований [20], [21 ], надежность работы при высоких температурах сварных соединений разнородных сталей (аустенитной с перлитной или хромистой) наиболее полно выявляется в условиях их испытания на длительную прочность при циклических изменениях температуры. Указанные испытания являются необходимыми в первую очередь для оценки работоспособности узлов транспортных установок, имеющих большое число пусков. [c.23] При выборе материала сварных конструкций энергоустановок, работающих при высоких температурах, специального рассмотрения заслуживает вопрос об уровне свойств стали при комнатной температуре. Наиболее важной характеристикой, которая должна при этом учитываться, является пластичность и вязкость материала при комнатной температуре. [c.23] Для ряда теплоустойчивых и жаропрочных сталей, в первую очередь для хромомолибденованадиевых перлитных и высокохромистых ферритных и феррито-аустенитных сталей, в результате проведения термической обработки возможен сдвиг порога хладноломкости в область положительных температур. В этом случае материал при комнатной температуре становится хрупким, оставаясь в то же время вязким при рабочей температуре. [c.23] Как показывает опыт изготовления и эксплуатации сварных конструкций энергоустановок, работающих при высоких температурах, хрупкость материала при комнатной температуре может в определенных случаях привести к разрушению изделия при отсутствии рабочих напряжений. Необходимо учитывать, что непосредственно после сварки в изделии возникают остаточные напряжения, имеющие в массивных узлах характер реактивных сварочных напряжений (глава III). Скрытая энергия, накопившаяся в изделии при наличии в нем реактивных напряжений, может достигать очень высоких значений, превосходящих величину энергии, которая может быть поглощена хрупким материалом, особенно при наличии различных концентраторов напряжений в виде резкого изменения формы сечения или дефектов в швах (непроваров, трещин и других). В этих условиях зародышевая трещина, идущая от концентратора напряжений, будет развиваться дальше, приводя к полному разрушению конструкции. При сборке, гидравлических испытаниях узла в процессе пуска установки конструкция также подвергается воздействию напряжений при комнатной температуре. При наличии конструктивных концентраторов напряжений и хрупком материале и в этих случаях может произойти разрушение изделия. [c.24] Приведенные соображения показывают важность сохранения пластичности и вязкости материала сварных конструкций энергоустановок при комнатной температуре. Указанное требование является особенно необходимым для изделий, имеющих сложную форму, например отливок и поковок арматуры, цилиндров и др. [c.24] Для оценки работоспособности сварных конструкций, работающих при высоких температурах, существенным является также сохранение стабильности структуры и свойств сварного соединения в условиях длительного старения. Исследование его структуры после длительных выдержек позволяет выяснить кинетику структурных превращений в различных зонах, выявить причины снижения работоспособности и наметить пути к ее повышению. Поэтому обычно шлифы сварного соединения подвергаются различным выдержкам при рабочей температуре. С целью скорейшего получения данных о характере структурных изменений при рабочей температуре за заданный срок работы энергоустановки (100 ООО час.) образцы подвергаются старению и при более высоких температурах. Стабильность свойств сварного соединения при высоких температурах проверяется, как правило, на разрывных образцах с надрезом, расположенным в той или иной его зоне. [c.24] Вернуться к основной статье