Условия эксплуатации и требования к сплавам

В энергомашиностроении используют низколегированные жаропрочные, теплостойкие хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали с рабочими температурами до 585 °С. Для более высокотемпературных элементов применяют железоуглеродистые сплавы аустенитного класса с температурами эксплуатации 600 - 640 °С. Промежуточное положение в употреблении занимают 12 %-ные хромистые стали с легирующими добавками карбидообразующих элементов.

Развитие энергетического машиностроения и других отраслей промышленности в настоящее время привело к расширенному использованию жаропрочных сплавов, работающих в условиях высоких температур. Повышение параметров эксплуатации деталей и мощности современных энергетических установок вызывают необходимость широкого и все более комплексного легирования сталей.

К жаропрочным материалам предъявляются специальные эксплуатационные требования – высокая длительная прочность и сопротивление ползучести.

Жаропрочность является структурно-чувствительной характеристикой металла и значительно изменяется в зависимости от рабочей температуры, напряжения и времени использования. Поэтому она представляет собой один из основных служебных параметров материала. Кратковременные механические свойства более стабильны при эксплуатации и не позволяют судить о работоспособности различных марок сталей при длительном сроке службы.

Жаропрочность материала обеспечивается выделением в процессе старения при высокой температуре дисперсных карбидных и интерметаллидных частиц. В результате перераспределения дислокаций и пластической деформации в металле формируется субструктура различных порядков. Величина субзерен и состояние субграниц оказывает влияние на сопротивление ползучести при работе под напряжением и высокой температуры. К структурным изменениям в условиях ползучести следует отнести и образование очагов разрушения по границам зерен, интенсивность которых определяет долговечность материала. Для жаропрочных материалов, рассчитанных на длительный срок службы, весьма важным становится вопрос об устойчивости исходной структуры и свойств. Стабильность этих характеристик при рабочих параметрах определяет надежность работы металла тепло- и электроэнергетического оборудования.

В настоящее время его значительная часть отработала расчетный срок (100 тыс. ч). За это время в металле произошли изменения исходной структуры, фазового состава, свойств, длительной прочности. Однако замена такого оборудования в большинстве случаев нецелесообразна, так как металл не исчерпал свой остаточный ресурс. За 100 тыс. часов работы остаточная деформация ползучести не превышает 0,5 %. Это значит, что большинство деталей и узлов может надежно работать и после такого времени службы. Исключением являются отдельные сильно нагруженные детали, которые подлежат замене.

Установление в процессе эксплуатации закономерностей изменения длительной прочности, скорости ползучести, фазового состава и других свойств различных сталей может послужить надежным средством для прогнозирования работоспособности металла и создания новых марок материалов.

Успешное развитие энергетической промышленности в значительной степени зависит от правильного выбора жаропрочных сталей и сплавов для различных элементов энергооборудования. Наиболее широко применяются низколегированные теплостойкие хромомолибденованадиевые, хромистые и аустенитные стали с 12 % хрома и выше. Изготовленные из них аппараты успешно работают в течение десятков лет при напряжениях 30 – 75 МПа и температурах от 500 до 650 °С.

К материалам энергомашиностроения предъявляют следующие требования: высокое сопротивление ползучести и повышенная жаропрочность; стабильная структура и свойства при рабочих параметрах; коррозионная стойкость в различных агрессивных средах; а также технологичность при изготовлении деталей и агрегатов.

Этим сочетанием свойств обладают аустенитные и теплостойкие перлитные стали. Последние в исходном состоянии имеют сравнительно низкий уровень кратковременных и длительных прочностных характеристик и достаточно устойчивую структуру.

В процессе длительной работы под напряжением при высоких температурах в сталях происходит изменение исходной структуры, прочностных и пластических свойств и фазового состава. С течением времени в результате развития процессов сфероидизации и коагуляции фаз тип первоначальной структуры меняется.

В зависимости от степени легированности стали и ее свойств установлены предельные рабочие температуры для различных марок сплавов (табл. 1.4).

Работа различных деталей при температурах выше допустимых часто приводит к преждевременному разрушению, поэтому очень важно правильно оценить и выбрать материал с учетом фактических условий работы (состава газовой среды, температуры, напряжений, циклирования).

Таблица 1.4 - Предельные рабочие температуры сталей