Статистический анализ распределения механических свойств стали марок 22К и 16ГНМ в барабанах котлов высокого давления

В связи с изменчивостью эксплуатационных нагрузок и рассеянием свойств металла расчетная оценка ресурса деталей и элементов конструкций энергетического оборудования должна основываться на вероятностной связь срока их службы с надежностью, оцениваемой вероятностью работы без разрушения. Реализация указанного подхода требует определения для рассчитываемых деталей и элементов закономерностей распределения механических свойств металла, которые полезно знать также для уточнения уровня допускаемых напряжений, требований технических условий к металлу и корректировки технологического процесса изготовления элементов.
В статье приводятся результаты исследования распределения механических свойств стали марок 22К и 16ГНМ, применяемых при изготовлении котельных барабанов высокого давления. Обрабатывали данные заводских сертификатов примерно 300 обечаек из стали марки 22К, изготовленных в 1950—1965 гг., и 400 обечаек из стали марки 16ГНМ, изготовленных в 1960— 1969 гг. на БКЗ и ТКЗ. Проверка с использованием критерия [1] показала, что различие во времени изготовления барабанов в пределах указанных сроков в целом не нарушило однородности выборок. Установлено также, что металл обечаек, изготовленных на БКЗ и ТКЗ, не отличается заметно по распределению механических свойств. Гистограммы механических свойств приведены на рис. 1—6.
Для каждой выборки вычисляли среднее значение механической характеристики X, среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации V = 100 %
Возможность описания распределения по нормальному закону проверяли с помощью критерия согласия А. Н. Колмогорова и сравнения в нормально-вероятностных координатах экспериментальной и теоретической накопленных частот.
Хотя все исследованные характеристики по техническим условиям имеют односторонние ограничения, в большинстве случае гистограммы удовлетворительно аппроксимируются нормальным законом распределения. Гистограммы для стали марки 22К.
Известны работы, в которых сравнение стали марок 16ГНМ и 22К по механическим свойствам производили по результатам отдельных малочисленных испытаний. Представляет интерес сопоставление статистических закономерностей распределения свойств стали этих марок (см. рис, I—6, таблицу). Видно, что более легированная и, следовательно, более чувствительная к возможным в производственных условиях колебаниям технологических режимов сталь 16ГНМ характеризуется заметно большим рассеянием как прочностных, так и пластических свойств. Значения коэффициентов вариации расчетных прочностных характеристик (временного сопротивления при нормальной температуре и предела текучести при рабочей температуре) у стали марки 16ГНМ на 30...45 %, а относительного удлинения — почти вдвое выше» чем у стали марки 22К.
Наиболее существенно эти стали различаются по пределу текучести (см. рис. 2, 3). Кривые распределения этой характеристики у стали марки 16ГНМ смещены вправо относительно стали марки 22К настолько, что лишь незначительно перекрываются. Это определяет безусловное преимущество стали первой марки перед сталью второй марки при работе в таких условиях, когда нагрузки имеют статический характер и расчет на прочность ведется по предельному пластическому состоянию.
Кривые распределения временного сопротивления сопоставляемых сталей в значительной степени перекрываются. Статистическая оценка среднего значения 03 для стали марки 16ГНМ лишь на 10 % выше, чем для стали марки 22К, причем дисперсия и коэффициент вариации, характеризующие рассеяние свойств, у стали марки 16ГНМ больше. Таким образом, при расчете на прочность по разрушающим нагрузкам различие между этими сталями с учетом рассеяния свойств сглаживается.
Кривая распределения относительного удлинения стали марки 16ГНМ смещена влево относительно стали марки 22К. Статистическая оценка среднего значения 6 у нее на 25 % ниже, чем у стали марки 22К- Явно выраженный усеченный характер распределения б стали марки 16ГНМ свидетельствует о том, что довольно большая часть испытываемых проб показывает низкую пластичность и нормативные требования к относительному удлинению выполняются, по-видимому, лишь после повторных испытаний на удвоенном количестве образцов или, возможно, после проведения повторной термической обработки. Пониженную пластичность стали марки 16ГНМ иллюстрирует и распределение отношения. Средние значения этого отношения у стали марки 16ГНМ находятся на уровне максимальных для стали марки 22К.
Пониженные пластические свойства стали марки 16ГНМ предопределяют ее меньшее сопротивление малоцикловой усталости. С помощью предложенного Мэнсоном уравнения линии универсальных наклонов [2] по взятым из сертификатов значениям прочностных и пластических характеристик при кратковременном статическом растяжении было построено семейство кривой расчетной характеристикой, для стали обеих марок в большинстве случаев заметно выше значений, гарантированных техническими условиями.
Прочности по временному сопротивлению при нормальной температуре и по пределу текучести при рабочей температуре относительно допускаемых напряжений для стали марок 16ГНМ и 22К по ОСТ 108.031.02—75. В обоих случаях фактический запас прочности выше нормативных значений, которые составляют 2,6.
На рисунке показаны кривые, соответствующие вероятностям разрушения 2,5 и 50%. Как видно, из-за пониженной пластичности и большого разброса свойств стали марки 16ГНМ число циклов до ее разрушения может быть даже меньше, чем у стали марки 22К при одинаковой амплитуде напряжений. Другими словами, по работоспособности в условиях нестационарного нагружения сталь марки 16ГНМ не только не имеет каких-либо преимуществ перед сталью марки 22К, но в некоторых случаях и уступает ей. Поскольку в действительности уровень напряжений в барабанах из стали марки 16ГНМ выше, чем в барабанах из стали марки 22К, вероятность образования в них усталостных трещин существенно возрастает. Опыт эксплуатации подтверждает большую повреждаемость барабанов из стали марки 16ГНМ.
По ограниченным данным (20 обечаек) были построены кривые малоцикловой усталости стали марки 16ГНМА. В интервале 103...10 циклов амплитуды напряжений, соответствующие одинаковым вероятностям разрушения, у стали этой марки на 8 ...*12 % больше, чем у стали марок 16ГНМ и 22К. Как видно из рис. 7, кривая малоцикловой усталости стали марки 16ГНМА, соответствующая вероятности разрушения 2,5 %, практически совпадает с кривыми малоцикловой усталости стали марок 16ГНМ и 22К, соответствующими вероятности разрушения 50 %. Большее сопротивление малодикловой усталости стали марки 16ГНМА, чем стали марок 16ГНМ и 22К, обусловлено более благоприятным сочетанием у нее прочностных и пластических характеристик.
Полученные данные, в частности, свидетельствуют о существовании предпосылок для того, чтобы при поверочных расчетах на статическую прочность эксплуатирующихся барабанов (например, после выборок дефектных участков) величина допускаемого напряжения с учетом фактических свойств металла и условий эксплуатации принималась выше установленных в настоящее время предельных значений (17,7-107 Па для стали марки 16ГНМ и 12,7-102 Па для стали марки 22К) ГЗ], Это позволило бы увеличить максимально допустимые размеры выборок, оставляемых в эксплуатации, и отказаться в ряде случаев от необоснованного проведения сложных и трудоемких ремонтных заварок, которые к тому же не всегда обеспечивают работоспособность сварного соединения на уровне основного металла. Выводы
1. Определены статистические параметры распределения механических свойств обечаек барабанов из стали марок 16ГНМ и 22К, которые могут использоваться при оценке ресурса барабанов высокого давления, оценке качества их изготовления, уточнении уровня свойств* регламентируемых техническими условиями, и при корректировке допускаемых напряжений.
2. Существуют предпосылки для того, чтобы при поверочных расчетах на статическую прочность эксплуатирующихся барабанов из стали марок 22К и 16ГНМ величины допускаемых напряжений с учетом фактических свойств металла и условий эксплуатации принималась выше установленных в настоящее время предельных значений.