Способ определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов Российский патент 2024 года по МПК G01N21/00 F17D5/06 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля, и предназначено для определения остаточного ресурса эксплуатации наиболее опасных элементов нагруженных конструкций, трубопроводов, обшивок и теплообменников котлов, футеровки печей и металлургического оборудования, огнеупорной защиты.

Известен способ оценки долговечности материалов и остаточного ресурса, основанный на экспериментальной формуле академика АН СССР Серафима Николаевича Журкова (Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности// ФТТ. - 1980.-Т.22.-№11):

, (1)

где τ₀ , Q - константы материала, экспериментальные зависимости которых от температуры Т не определены; ν, σ, ε - удельный объем, компоненты тензора натяжений и деформаций (включая тепловую), R - универсальная газовая постоянная, Т - температура в градусах Кельвина.

Недостатком данного способа является: 1) отсутствие в формуле С.Н. Журкова разности T_c-T температуры плавления T_c и температуры T, которая бы обнуляла долговечность при приближении температуры тела к температуре плавления; 2) в формуле С.Н. Журкова отсутствует связь долговечности τ с зернистой структурой поликристаллического материала и не учитывается факт увеличения долговечности при внешнем изменении зернистой структуры ковкой, прокаткой, волочением, закаливанием, как и изменение зернистой структуры в процессе эксплуатации, от которой зависит величина константы материала τ₀ .

Известен способ определения скорости роста зерен поликристаллической плотной оксидной керамики в зависимости от температуры, основанный на экспериментальной формуле Андрианова Николая Трофимовича и Лукина Евгения Степановича (Андрианов Н.Т., Лукин Е.С. Термическое старение керамики М. «Металлургия», 1979.с 31.):

, (2)

где t - время роста зерна, D - диаметр зерна, K₀ - константа материала, Q - энергия активации материала, T - температура в Кельвинах, R - универсальная газовая постоянная.

Недостатком данного способа является: 1) отсутствие связи времени роста t с долговечностью τ 2) кубическая зависимость размеров зерен от времени, которую авторы экспериментальной формулы приняли, что бы описать замедление роста размеров зерен в процессах рекристаллизации - изменение размеров зерен в поликристаллической структуре материала, а недостаток заключается в том, что на практике рост размеров зерен полностью прекращается при достижении максимальных для данной температуры и материала размеров и тогда наступает резкое падение прочности материалов, что впервые и указали Андрианов Николай Трофимович и Лукин Евгений Степанович; 3) отсутствие в формуле (2) множителя с разностью температуры плавления T_c и температуры тела Т, исключающего рост зерен при температурах плавления и выше.

Недостатком способов Журкова и Андрианова - Лукина является неустановленная связь долговечности с достижением зернистой структурой поликристаллического тела под нагрузкой своих допустимых максимальных размеров зерен, не установлено существование максимальных размеров зерен, при достижении которых дальнейший рост прекращается и границы зерен, накапливающие дефекты, дислокации, примеси, остаются неподвижными, не размазывают накопленные дефекты и примеси по объему материала и теряют прочность - отсутствующий механизм потери прочности в методах Журкова и Андрианова - Лукина.

Известен способ определения остаточного ресурса трубопроводов при помощи контроля деформации трубы путем экстензометров, прикрепляемых ко внешней стороне трубы в наиболее напряженных местах, и под действием внутреннего давления в трубе, измеряемого манометром, устанавливаемым внутри трубы (патент РФ №2654154, МПК F17D 5/06, G01M 3/00, опубл. 16.05.2018). При этом контролируется циклическое увеличение числа пластических сдвигов, отождествляемых с образованием микродефектов и микротрещин в материале трубы, а также уменьшение толщины стенки трубы.

Недостатком аналога является неучет зернистой структуры материала, в зависимости от которой образование микротрещин может быть крайне редким, а при достижении размеров зерен своих максимальных значений образование микротрещин наступает лавинообразно, что и воспринимается как старение материала, то есть недостатком способа является то, что учитывается число накопленных микротрещин и не учитывается скорость их образования.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов.

Указанный технический результат достигается способом определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов, включающим фотографирование с помощью микроскопа выбранного обработанного участка исследуемого материала, определение размера зерен исследуемого материала по микрофотографиям, определение среднего размера зерна путем компьютерного анализа экспериментальных данных, определение квантового числа k1 по среднему размеру зерна, определение квантового числа k2 в интервале 0,75-0,85 в зависимости от максимального размера зерна, установленного из известных справочных данных для исследуемого материала, определение значения множителя τ_o путем использования в качестве нижнего и верхнего пределов интегрирования квантовых чисел k1 и k2 соответственно по формуле

,

по которому определяют долговечность исследуемого материала под тепловыми и механическими нагрузками по формуле

, где:

Q - энергия активации, Дж/моль;

σ - компонента тензора натяжений, Па;

ε - компонента тензора деформации;

- молярный объем материала, м³/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж*моль^-1*K^-1;

D₀ - константа коэффициента термодиффузии атомов или молекул в поликристаллическом материале, Дж^-1*с^-1;

α - константа энергии связи спаренных валентных электронов, определяющих ковалентную или ионную связь атомов или молекул в поликристаллическом материале, Дж/K;

Т_с - температура плавления материала, °С;

T - температура эксплуатации материала в течении периода времени оцениваемого старения материала, °С.

Долговечность материалов под тепловыми и механическими нагрузками вычисляется по формуле

, (3)

в которой Т_с - температура плавления материала в градусах Цельсия, T - температура эксплуатации материала в градусах Цельсия в течении периода времени оцениваемого старения материала; Q - энергия активации материала, определяется по справочникам или по формуле

, (4)

где Т_с - температура плавления, T_j - температура отскока, при которой скорость кристаллизации из расплава достигает максимального значения, R - универсальная газовая постоянная;

D₀ - константа коэффициента термодиффузии атомов или молекул в поликристаллическом материале, которая определяется по справочнику или по формуле скорости роста кристалла из расплава при температуре отскока

U = (5)

где - молярный объем материала, определяемый по формуле

, (6)

M - средняя по процентному составу молекулярная масса;

ρ - масса одного кубометра исследуемого материала;

ε = ε1+ε2 - компонента тензора деформации;

упругая деформация;

ε₂ - тепловая деформация;

σ = σ1+σ2 - компонента тензора натяжений;

σ1 - внутренние натяжения;

σ2 - натяжения, вызванные внешними силами и моментами;

E - модуль Юнга материала;

α - новая в науке о материалах константа энергии связи спаренных валентных электронов, определяющих ковалентную или ионную связь атомов или молекул в поликристаллическом материале, которая в справочниках отсутствует, определяется по формуле максимальных размеров зерен в материале при температуре отскока и близких температурах

(7)

τ_o(k1, k2) - множитель, зависящий от истории роста зерен материала до начала эксплуатации и за время эксплуатации через интеграл от функции квантового числа k, от которого зависит размер зерна зернистой структуры при квантовых переходах от одного стационарного состояния к другому, вызванного действием термодинамических сил, значения k1 - нижний предел интегрирования и k2 - верхний предел интегрирования, определяются по формуле, устанавливающей связь квантового числа и размеров зерен данного материала

. (8)

Размеры зерен L_n определяются экспериментально путем микрофотографирования участка специальным образом обработанной поверхности материала, компьютерного анализа размеров зерен по фотографии участка зернистой структуры, определения среднего размера зерен и величины дисперсии размеров зерен, максимальный размер зерен определяется из известных справочных данных экспертным советом данной отрасли, в работе оборудования которой применяется исследуемый материал, при котором экспертный совет считает материал потерявшим необходимую для дальнейшей эксплуатации прочность, найденные квантовые числа k1 и k2 подставляются в качестве верхнего и нижнего пределов интегрирования в формулу для вычисления значения множителя

, (9) который принимает значения от 1 до 16 и показывает, что при неучете роста размеров зерен в процессах рекристаллизации и отнесения множителя τ_o(k1, k2) к константам материала, оценка долговечности и остаточного ресурса может отличаться от истинного значения в 16 раз.

Способ осуществляется следующим образом.

В способе определяются параметры условий эксплуатации материала оборудования в заданном технологическом режиме: T в градусах Цельсия, компонента тензора натяжения σ материала исследуемого участка оборудования или конструкции. Далее определяются по справочникам или в независимых экспериментальных исследованиях образцов исследуемого материала независимые от истории старения константы материала, входящие в формулу долговечности (3): Q - энергия активации; T_C - температура плавления и температура отскока T_j , которая вычисляется по формуле , если из справочников известны энергия активации Q и температура плавления Т_с. Если для нового материала энергия активации и температура плавления не известны, то они определяются при исследовании отдельных образцов данного материала при нагреве и выдержки в графитовом тигле индукционной печи и определении температуры термопарой или пирометром. Тогда после определения температуры плавления и температуры отскока как температуры максимальной скорости кристаллизации из расплава при поддержании температуры отскока на поверхности тигля определяется энергия активации нового материала по формуле (4), которую вносим в бибилиотеку параметров материалов; a - константа энергии спаривания валентных электронов, которая вычисляется по формуле связи размеров зерен зернистой структуры с квантовым числом k; D₀ - константа коэффициента термодиффузии; E - модуль Юнга, устанавливающий связь компоненты тензора натяжений σ и тензора деформаций в интервале упругих деформаций; коэффициент термического расширения α, устанавливающий связь компоненты тензора термической деформации с превышением температуры выше нормальной.

Определяются размеры зерен зернистой структуры материала средние по статистическому анализу размеров зерен микрофотографии участка поверхности материала оборудования или конструкции в наиболее опасных участках и наибольшие размеры, которые экспериментально определяются при анализе микрофотографий образца материала после длительного прокаливания образца материала в течении не менее 12 суток при температуре отскока T_j. По формуле (8), устанавливающей связь размеров зерен с квантовым числом k, вычисляется квантовое число k1, соответствующее средним размерам зерен в зернистой структуре материала. Максимальным размерам зерен соответствует значение квантового числа k2=0.75-0.85, при которых термодинамическая сила практически обнуляется и рост зерен прекращается. Выбирая значение квантового числа на основе решения отраслевого экспертного совета из указанного интервала, из формулы связи размеров зерен с квантовым числом, находим константу материала α:

. (10)

Максимальная скорость кристаллизации задается формулой

(11)

из которой по экспериментально определенной скорости кристаллизации при температуре отскока T_j находится постоянная диффузии D₀.

После того как определены все параметры формулы долговечности (3), можно проводить исследования методом математического моделирования путем построения графиков зависимости времени долговечности при различных условиях эксплуатации и вычислять значения остаточной долговечности от начала, задаваемого средними размерами зерен в момент микрофотографирования обработанного участка материала оборудования или конструкции, которая зависит от значения множителя τ_o(k1, k2), где универсальная числовая функция, зависящая только от квантовых чисел первоначальных и конечных размеров зерен, вычисляется по формуле (9).

Пример реализации способа.

Для пояснения способа в части точности его предсказаний приведем ряд графиков.

На фиг. 1 представлен график значений функции τ_o(0.1, k2) в зависимости от значения квантового числа k2, соответствующего максимальным размерам зерен. По этому графику время остаточной долговечности вычисляется так. Пусть значение множителя функции долговечности, не зависящего от истории эксплуатации, при заданных температуре и натяжениях , значение квантового числа, соответствующего наблюдаемым средним размерам зерен в зернистой структуре, равно k1=0.75 и экспертный совет определил допустимое для эксплуатации максимальное значение k2=0.85. По графику находим множитель τ_o(0.75,0,85) = 6-2=4. Остаточный ресурс составляет 2000*4=8000 суток. Более информативными являются графики долговечности в зависимости от температуры и величины натяжения, так как они показывают резкое сокращение долговечности материала при совершенно небольшом превышении тепловых и механических нагрузок.

На фиг. 2 представлен график времени долговечности стали при температуре Т=100°С и изменении величины упругой деформации на 0,001. Долговечность сократилась с 300 лет до нескольких лет. При эксплуатации материала из этого же сорта стали при Т=800°С долговечность составляет 150- 350 суток при деформациях в 20 раз меньших.

На фиг. 3 представлен график времени долговечности стали при Т=800°С. При растяжении от 0,001 до 0,004 долговечность упала с 300 суток до 150 суток - в два раза.

По справочным данным и по формуле долговечности получены графики времени долговечности плотной корундовой и оксид циркониевой керамики, которая используется для футеровки ряда высокотемпературных печей во внутреннем слое и срок службы которых известен при ряде высоких температур.

На фиг. 4 представлены графики времени долговечности корундовой (нижний график) и оксид циркониевой керамики (верхний график) в зависимости от температуры эксплуатации при небольших механических нагрузках.

Экспериментальные точки ложатся на полученные кривые при ряде значений температуры как для корундовой, так и для циркониевой керамики.

Наиболее убедительным доказательством точности формулы долговечности (3) служат графики долговечности стали при разных температурах и натяжениях, при которых долговечность составляет десятки секунд - так называемый предел прочности.

На фиг. 5 представлены графики зависимости предела прочности стали от температуры. Точечный график - экспериментальный, график сплошной линией получен по формуле долговечности (3), в которой принято время долговечности 10 секунд.

Хорошее совпадение даже в экстремальных условиях быстрого старения вместе с другими результатами, представленными графиками показывают возможность достижения высокой точности в прогнозировании долговечности и остаточного ресурса материалов в условиях их эксплуатации.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и предназначено для определения остаточного ресурса эксплуатации наиболее опасных элементов нагруженных конструкций, трубопроводов, обшивок и теплообменников котлов, футеровки печей и металлургического оборудования, огнеупорной защиты. Способ определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов включает фотографирование с помощью микроскопа выбранного обработанного участка исследуемого материала, определение размера зерен исследуемого материала по микрофотографиям, определение среднего размера зерна путем компьютерного анализа экспериментальных данных, определение квантового числа k1 по среднему размеру зерна, определение квантового числа k2 в интервале 0,75-0,85 в зависимости от максимального размера зерна, установленного из известных справочных данных для исследуемого материала, определение значения множителя τ_о путем использования в качестве нижнего и верхнего пределов интегрирования квантовых чисел k1 и k2 соответственно, по которому определяют долговечность τ исследуемого материала под тепловыми и механическими нагрузками. Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов. 5 ил.

Способ определения остаточного ресурса керамических и металлических материалов, включающий фотографирование с помощью микроскопа выбранного обработанного участка исследуемого материала, определение размера зерен исследуемого материала по микрофотографиям, определение среднего размера зерна путем компьютерного анализа экспериментальных данных, определение квантового числа k1 по среднему размеру зерна, определение квантового числа k2 в интервале 0,75-0,85 в зависимости от максимального размера зерна, установленного из известных справочных данных для исследуемого материала, определение значения множителя τ_о путем использования в качестве нижнего и верхнего пределов интегрирования квантовых чисел k1 и k2 соответственно по формуле

по которому определяют долговечность исследуемого материала под тепловыми и механическими нагрузками по формуле

где:

Q - энергия активации, Дж/моль;

σ - компонента тензора натяжений, Па;

ε - компонента тензора деформации;

- молярный объем материала, м³/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж*моль^-1*K^-1;

D₀ - константа коэффициента термодиффузии атомов или молекул в поликристаллическом материале, Дж^-1*с^-1;

α - константа энергии связи спаренных валентных электронов, определяющих ковалентную или ионную связь атомов или молекул в поликристаллическом материале, Дж/K;

T_C - температура плавления материала, °С;

T - температура эксплуатации материала в течение периода времени оцениваемого старения материала, °С.