СПОСОБ РЕМОНТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ЗАРОЖДАЮЩИМИСЯ С ПОВЕРХНОСТИ МИКРОДЕФЕКТАМИ Российский патент 2015 года по МПК B23P6/00 

Область использования

Изобретение относится к области энергомашиностроения и теплоэнергетики, в частности к ремонту энергетического оборудования, и может быть использовано для продления ресурса его ответственных деталей или элементов оборудования.

Уровень техники

Известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ ремонта металлических деталей с зарождающимися с поверхности микродефектами, включающий выявление зоны с опасной концентрацией микродефектов и удаление части металла путем зачистки указанной зоны с удалением окалины и металла с поверхности детали, достаточной для оптического исследования поверхности указанной зоны (Ю.Л. Израилев и др. / Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций, М., 2002 г., с.156-157 - [1]). Недостатком указанного способа [1] является то, что он не предусматривает определения оптимальной глубины, до которой возможно восстановительное удаление металла в пределах общей глубины повреждения детали в конкретной зоне или в пределах, определяемых условием проектного минимального запаса прочности для сечения, оставшегося после восстановительного удаления металла. Согласно [1] глубина удаляемого слоя может быть произвольной в пределах обеспечения проектного минимального запаса прочности, установленного для данной детали. Вместе с тем на практике установленный проектный минимальный ресурс для дорогостоящих деталей или элементов энергооборудования эксплуатирующие предприятия стараются продлить до максимально возможного предела с соответствующим уменьшением допустимого запаса прочности. В этих условиях становится важным правильный выбор оптимального значения глубины удаления металла, так как остаточный ресурс восстанавливаемой детали будет зависеть от двух факторов: плотности оставшихся повреждений и величины оставшегося после удаления части металла живого сечения данной детали или элемента оборудования.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является максимальное увеличение остаточного ресурса ответственных и дорогостоящих металлических деталей или элементов энергооборудования после их восстановительного ремонта путем удаления части металла с поверхностными микроповреждениями. Достигаемым техническим результатом изобретения является возможность определения оптимальной величины глубины восстановительного удаления металла, обеспечивающей решение указанной задачи.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что при осуществлении способа ремонта металлических деталей с зарождающимися с поверхности микродефектами, включающего выявление зоны с опасной концентрацией микродефектов и удаление части металла путем зачистки указанной зоны с удалением окалины и металла с поверхности детали, достаточной для оптического исследования поверхности указанной зоны, согласно изобретению последовательно удаляют по меньшей мере два поверхностных слоя металла в указанной области оптического исследования с определением поверхностной плотности (N_s)_i расположения микродефектов после удаления каждого из указанных слоев, для исследуемой области по полученным значениям (Ν_s)_i, на разных глубинах h_i их залегания от начальной зачищенной поверхности определяют зависимость N_s=f(h), экстраполируют указанную зависимость на неисследованную область глубин удаления металла в пределах общей глубины h_max наличия микродефектов в данной зоне или в пределах минимального запаса прочности оставшегося после удаления металла сечения детали, намечают 4-5 точек (N_s)_i, включая экстраполированные значения, изготавливают несколько цилиндрических образцов одинакового исходного диаметра D₀ из такого же металла, как у данной детали или элемента, в количестве по числу значений (N_s)_i, причем D₀ выбирают исходя из предельной нагрузки испытательной машины и механических свойств металла цилиндрических образцов, каждый из указанных образцов протачивают до диаметра D_i определяемого из условия равенства напряжений в поперечном сечении образца при заданной нагрузке испытательной машины и в соответствующем сечении детали при рабочей нагрузке, каждый образец ослабляют соответственно ослаблению детали выявленными на глубине h_i микродефектами, для чего на образце выполняют кольцевой надрез до диаметра d_i, испытывают надрезанные образцы до разрушения при температуре на (60-70)°C выше рабочей при одинаковом усилии, обеспечивающем напряжение в гладкой части образца равным рабочему напряжению в детали с учетом толщины удаленного слоя металла, и по результатам испытаний образцов выбирают образец с наибольшим значением времени до разрушения образца, для которого по зависимости N_s=f(h) определяют искомое значение h_opt глубины удаления металла.

Причинно-следственная связь между признаками изобретения и указанным техническим результатом состоит в том, что эти признаки составляют совокупность, необходимую и достаточную, чтобы в каждом конкретном случае с достаточной точностью определять максимально возможную по условиям прочности глубину восстановительного удаления металла.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен общий вид гиба паропровода с зоной А поверхностных микроповреждений в виде пор; на фиг. 2 - исследуемая область зоны А фиг. 1; на фиг. 3 - график зависимости N_s=f(h), построенный по данным измерений (N_s)_i на разных глубинах h_i; на фиг. 4 - график зависимости N_s=f(h), включая экстраполированную область, с выбранными точками от (N_s)_min до (N_s)_max; на фиг. 5 - цилиндрический образец без надреза; на фиг. 6 - цилиндрический образец с надрезом; на фиг. 7 - график зависимости ω=f(τ_B); на фиг. 8 - график зависимости N_s=f(τ); на фиг. 9 - график зависимости τ_Β=f(h).

Подробное описание изобретения

Осуществление способа ремонта металлических деталей согласно изобретению может быть проиллюстрировано на примере гиба паропровода из стали 12Х1М1Ф типоразмера Ø245×45 мм, отработавшего 110 тысяч часов при следующих параметрах свежего пара: давление 14 МПа, температура 560°C. Предварительно при остановленном энергооборудовании наиболее нагруженные участки паропровода 1 (наружная поверхность гибов) проверяли методами неразрушающего контроля (визуально, ультразвук, рентген и др.) на наличие зарождающихся с поверхности микродефектов. В результате проверки на наружной (растянутой) поверхности гиба 2 (зона А, фиг. 1) паропровода 1 были выявлены поры с плотностью свыше 1000 пор/мм². Согласно отраслевому стандарту (СТО 17230282.27.100.005-2008 / Основные элементы котлов, турбин и трубопроводов ТЭС. Контроль состояния металла. Нормы и требования. - М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008, с. 657 [2]) это соответствует 6 баллам шкалы микроповрежденностей, что является недопустимым для дальнейшей эксплуатации паропровода из стали перлитного класса. В связи с этим для исследования глубины проникновения дефекта в небольшой области (круг диаметром 1 см) зоны А гиба 2 произвели предварительную зачистку металла с удалением окалины и минимального слоя металла глубиной h₀. На зачищенной поверхности с помощью переносного микроскопа определили поверхностную плотность (N_s)₀ пор на единицу площади. Далее в той же области последовательно углубляли удаление металла до глубин h₁, h₂, h₃, h₄ с определением соответственно (N_s)₁, (N_s)₂, (N_s)₃, (N_s)₄ (фиг. 2). Полученные значения h_i и (N_s)_i в исследованной области зоны А представлены в таблице 1.

По полученным значениям (N_s)_i на разных глубинах h_i залегания пор от начальной зачищенной поверхности построили приведенный на фиг. 3 график зависимости

которая была экстраполирована на неисследованную область с учетом прогнозируемой оптимальной глубины (h)_opt удаления металла (фиг.4). Зависимость (1) была аппроксимирована экспоненциальным уравнением

где Μ - линейный множитель;

β - степенной множитель.

Для данного примера Μ=2604, β=-1,0247.

После этого наметили в данном примере 4 точки (N_s)_i зависимости (1) со значениями от (N_s)_min до (N_s)_max, включая экстраполированные значения, с учетом прогнозируемой области предполагаемой глубины (h)_opt удаления металла. При этом одна точка была выбрана со стандартным уровнем поврежденности (N_s)_st=1000 пор/мм², отмечаемым при исследовании развития во времени зарождающихся с поверхности микродефектов аналогичного натурного паропровода. Дополнительным условием выбора значений указанных точек было соответствие их характерным баллам, отражающим степень поврежденности металла согласно [2]. Значения выбранных точек представлены в таблице 2.

После этого из прямых участков гиба 2 паропровода 1 вырезали кольцевой участок шириной 20 мм и изготовили из него 4 цилиндрических образца (соответственно числу выбранных значений точек (N_s)_i) с осями, ориентированными параллельно касательной к окружности кольца указанного участка паропровода 1. Все образцы имели одинаковый исходный диаметр D₀=16 мм и одинаковую длину l=70 мм (фиг. 5). Исходный диаметр D₀ выбирался исходя из предельной нагрузки испытательной машины и механических свойств металла образцов. Затем указанные образцы проточили каждый до своего диаметра D_i, определяемого из условия равенства напряжений в поперечном сечении образца при заданной нагрузке испытательной машины и в соответствующем живом сечении H_i исследуемого гиба 2 паропровода 1 при рабочей нагрузке. Затем каждый образец ослабили соответственно ослаблению исследуемого элемента (гиба 2) паропровода 1 выявленными на глубине h_i микроповреждениями. Для этого на каждом образце выполнили кольцевой надрез до диаметра d_i (фиг. 6). Для определения d_i нашли зависимость между относительной поврежденностью ω=1-ψ, где ψ=(d/D)² - относительная сплошность образца, и временем τ_Β до его разрушения (фиг. 7):

Указанная зависимость (3) была построена известным способом в логарифмических координатах (SU 1422082, G01N 3/00, 1987 г. - [3]) по значениям двух экспериментально установленных точек с координатами:

(τ_Β)₀ - время до разрушения образца, имеющего относительную поврежденность ω=0 (ψ=1), т.е. образца без надреза;

(τ_B)_st=(τ_Β)₆ - время до разрушения образца с надрезом, имеющего относительную поврежденность ω=0,65 (ψ=0,35).

Двух экспериментальных точек для построения графика указанной зависимости достаточно, так как эта зависимость в логарифмических координатах имеет линейный характер [3].

Далее использовали накопленные ранее в процессе эксплуатации натурного паропровода из стали 12X1Μ1Φ экспериментальные данные об интервалах времени увеличения N_s от заданной начальной величины N_s≤300 пор/мм² (2 балла в соответствии с [2]) до заданной конечной величины N_s≥3000 пор/мм² (7 баллов в соответствии с [2]). По полученным данным была построена в логарифмических координатах зависимость (фиг.8):

N_s=f(τ), (4)

где τ - время развития дефектов от выбранной начальной точки.

Кроме того, ранее экспериментально было установлено, что состояние металла натурного паропровода со степенью поврежденности (N_s)_st=1000 пор/мм моделирует образец с величиной относительной сплошности ψ=0,35 (ω=0,65) (Оценка влияния напряжений и температуры на накопление поврежденности в гибах паропроводов путем моделирования живучести металла при испытании образцов с надрезом / Гладштейн В.И. // Металловедение и обработка металлов, №12 (678), декабрь 2011 г., с. 42-48 - [4]). Комбинируя указанные известные данные, можно установить необходимую степень сплошности ψi для каждого надрезанного образца в зависимости от степени поврежденности элемента паропровода, состояние металла которого этот образец моделирует.

Для этого на графике зависимости (4) (фиг. 8) отметили момент времени τ_st, соответствующий уровню микроповрежденностей, для которого по результатам испытаний известна относительная сплошность ψ=0,35 соответствующего образца, моделирующего состояние (N_s)_st=1000 пор/мм (6 баллов) исследуемого элемента паропровода 1. Таким образом, временная точка τ_st на фиг.8, соответствующая относительной сплошности ψ=0,35 образца, может служить опорной временной точкой (τ_B)_st для графика (фиг.7). С учетом этого обстоятельства, откладывая на оси ординат графика (фиг.8) значения (N_s)_i, соответствующие заданным значениям h_i, находили временные интервалы Δτ_i между полученными на оси абсцисс графика (фиг. 8) соответственными временными точками τ_i и указанной опорной временной точкой τ_st. Полученные Δτ_i накладывали на ось времени зависимости (3) от начальной отметки (τ_B)_st с получением требуемых значений ω_i, по которым затем определяли значения ψ_i и искомые значения d_i для соответствующего образца.

Для примера на фиг. 7 и фиг. 8 проведена указанная последовательность действий для образца, имитирующего состояние металла с (N_s)₇=500, что соответствует h₇=l,66. В результате были определены значения ω₇=0,35, ψ₇=0,65 и d₇=12,70 соответствующего образца. Полученные данные для всех образцов представлены в таблице 3.

Надрезанные образцы испытали до разрушения при температуре 610°С и одинаковом усилии Р=0,0112 МН, обеспечивающем напряжение в гладкой части образца равным рабочему напряжению в гибе 2 паропровода 1 с учетом толщины снятого слоя металла. Результаты испытаний представлены в таблице 4 и на фиг.9.

По результатам испытаний образцов выбрали образец с наибольшим значением (τ_Β)₇=3875 час, для которого по зависимости (1) определили искомое значение h_opt удаления металла. В качестве оптимального значения была получена глубина h_opt=h₇=l,66 мм.

Изобретение относится к области восстановления металлических деталей при их повреждении. Технический результат - определение возможной глубины восстановительного удаления металла. Способ включает выявление зоны с опасной концентрацией микродефектов и удаление части металла путем зачистки указанной зоны с удалением окалины и металла с поверхности детали, достаточной для оптического исследования поверхности указанной зоны. При этом последовательно удаляют по меньшей мере два поверхностных слоя металла с определением поверхностной плотности (N_s)_i расположения микродефектов после удаления каждого из указанных слоев. По полученным значениям (N_s)_i на разных глубинах h_i их залегания от начальной зачищенной поверхности определяют зависимость N_s=f(h)_i. Экстраполируют указанную зависимость на неисследованную область глубин удаления металла в пределах общей глубины h_max наличия микродефектов. Намечают 4-5 точек (N_s)_i, включая экстраполированные значения, изготавливают несколько цилиндрических образцов одинакового исходного диаметра D₀ из такого же металла, как у данной детали, в количестве по числу значений (N_s)_i, причем D₀ выбирают исходя из предельной нагрузки испытательной машины. Каждый из указанных образцов протачивают до диаметра D_i, определяемого из условия равенства напряжений в поперечном сечении образца при заданной нагрузке испытательной машины и в соответствующем сечении детали при рабочей нагрузке. Каждый образец ослабляют соответственно ослаблению детали выявленными на глубине h_i микродефектами, для чего на образце выполняют кольцевой надрез до диаметра d_i .Испытывают надрезанные образцы до разрушения при температуре на (60-70)°С выше рабочей при одинаковом усилии, обеспечивающем напряжение в гладкой части образца равным рабочему напряжению в детали с учетом толщины удаленного слоя металла, и по результатам испытаний образцов выбирают образец с наибольшим значением времени до разрушения образца, для которого по зависимости N_s=f(h)_i определяют искомое значение h_opt глубины удаления металла. 9 ил., 4 табл.

Способ ремонта металлических деталей с зарождающимися с поверхности микродефектами, включающий выявление зоны с опасной концентрацией микродефектов и удаление части металла путем зачистки указанной зоны с удалением окалины и металла с поверхности детали, достаточной для оптического исследования поверхности указанной зоны, отличающийся тем, что последовательно удаляют по меньшей мере два поверхностных слоя металла в указанной области оптического исследования с определением поверхностной плотности (N_s)_i расположения микродефектов после удаления каждого из указанных слоев, для исследуемой области по полученным значениям (N_s)_i на разных глубинах h_i их залегания от начальной зачищенной поверхности определяют зависимость N_s=f(h)_i, экстраполируют указанную зависимость на неисследованную область глубин удаления металла в пределах общей глубины h_max наличия микродефектов в данной зоне или в пределах минимального запаса прочности оставшегося после удаления металла сечения детали, намечают 4-5 точек (N_s)_i, включая экстраполированные значения, изготавливают несколько цилиндрических образцов одинакового исходного диаметра D₀ из такого же металла, как у данной детали или элемента, в количестве по числу значений (N_s)_i, причем D₀ выбирают исходя из предельной нагрузки испытательной машины и механических свойств металла цилиндрических образцов, каждый из указанных образцов протачивают до диаметра D_i, определяемого из условия равенства напряжений в поперечном сечении образца при заданной нагрузке испытательной машины и в соответствующем сечении детали при рабочей нагрузке, каждый образец ослабляют соответственно ослаблению детали выявленными на глубине h_i микродефектами, для чего на образце выполняют кольцевой надрез до диаметра d_i, испытывают надрезанные образцы до разрушения при температуре на (60-70)°С выше рабочей при одинаковом усилии, обеспечивающем напряжение в гладкой части образца равным рабочему напряжению в детали с учетом толщины удаленного слоя металла, и по результатам испытаний образцов выбирают образец с наибольшим значением времени до разрушения образца, для которого по зависимости N_s=f(h)_i определяют искомое значение h_opt глубины удаления металла.