Оцінка впливу експлуатаційної деградації сталі 20Х13 лопаток парових турбін на трищіностійкість металу - Статья

© A?aaai?ae ?.I., Naa?oe I.I.Їх виникнення повязують з: поширенням вібрацій від робочої частини лопаток в глибину хвостового зєднання [2], високим рівнем статичних напружень розтягу і згину [3], концентрацією напружень [4], втомою за високої асиметрії циклу навантаження, фретинг-утомою, корозійною втомою [5], кавітаційно-ерозійним зношуванням [6] тощо. Разом з тим, оскільки уникнути впливу значних статичних навантажень під час експлуатації лопаток у паровій турбіні практично неможливо, то важливим аспектом оцінювання їх технічного стану та обґрунтування правомірності продовження ресурсу є дослідження статичної тріщиностійкості деградованого металу Під час першої з них відбувалася високотемпературна (за температури 1030…1050 ОС впродовж 8 год) гомогенізація сталі, а під час другої (1030…1050 ОС впродовж 2 год) і наступного тригодинного відпуску за температури 730 ОС формувалися її остаточні механічні властивості [11-13]. Довжину тріщини ak визначали за зміною податливості зразка Ск під час часткового його розвантаження в k-му циклі зі співвідношення: ak / W = 0,99975 - 3,9504·U? 2,982·U?2 - 3,21408·U?3 51,51564·U?4 - 113,03·U?5 де U? = S / 4·B·W·E·Ck; E - модуль Юнга; Ск = ?VK / ?PK; ?Vk - зміна розкриття берегів тріщини за відповідної зміни сили ?Pk під час часткового розвантаження зразка. Діаграми навантаження зразків, виготовлених зі сталі 20Х13 у вихідному стані та з лопаток парових турбін після ~3?105·год їх експлуатації, відчутно відрізнялися між собою (рис.Виявлено, що внаслідок деградації сталі 20Х13, спричиненою її експлуатацією в лопатках парової турбіни впродовж 3·105 год, її статична тріщиностійкість за показником Ji , який характеризує енергозатрати на старт статичного підростання, знижується на 17 %. Якщо ж судити за показником J0,2, який відповідає докритичному підростанню тріщини на глибину 0,2 мм, то СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІІ В МАШИНОБУДУВАННІ ТА ТРАНСПОРТІ, 2014, №2 25 Отже існує проблема використання загальноприйнятого показника J0,2 для оцінювання деградації конструкційних сталей. Виявлено фрактографічні ознаки руйнування повязані з деградацією сталі. Isobe Nobuhiro Micro-crack growth behavior and life in high temperature low cycle fatigue of blade root and disc joint for turbines / Nobuhiro Isobe, Shuhei Nogami // International Journal of Pressure Vessels and Piping.

1. Виявлено, що внаслідок деградації сталі 20Х13, спричиненою її експлуатацією в лопатках парової турбіни впродовж 3·105 год, її статична тріщиностійкість за показником Ji , який характеризує енергозатрати на старт статичного підростання, знижується на 17 %. Якщо ж судити за показником J0,2, який відповідає докритичному підростанню тріщини на глибину 0,2 мм, то СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІІ В МАШИНОБУДУВАННІ ТА ТРАНСПОРТІ, 2014, №2 25

© A?aaai?ae ?.I., Naa?oe I.I. 2014 ефект деградації нівелюється. Отже існує проблема використання загальноприйнятого показника J0,2 для оцінювання деградації конструкційних сталей.

2. Виявлено фрактографічні ознаки руйнування повязані з деградацією сталі. Це в першу чергу зменшення частки вязкого руйнування з елементами зсуву та збільшення - з елементами відриву, наявність дефектів у вигляді дископодібних тріщин попереду фронту макротріщини та крихке крізь- та міжзеренне руйнування за досягнення критичної величини підростання тріщини всередині перерізу зразків. Ці ознаки не виявлено в неексплуатованій сталі і томуїх вважали проявом деградації.

1. Mazur Z. Steam turbine blade failure analysis / Z. Mazur, R. Garcia-Illescas, J. Aguirre-Romano, N. Perez-Rodriguez // ENGINEERINGFAILURE Analysis. - 2008. - Vol. 15. -P. 129-141.

2. O?ooiue A.A., Eiiaeei A.A. Oaieioeeaoeiiua ia?iaua oo?aeiu e oo?aionoaiiaee / A.A. O?ooiue, A.A. Eiiaeei. - I.: Oeiia?aoey "Iiainoe", 2002. - 534 n.

3. Eaaei A.A. I?i?iinou e aea?aoey eiiaoie e aeneia ia?iauo oo?aei / A.A. Eaaei, E.I. Ai?oaineee, A.A. Eiinii. - E.: Iaoeiino?iaiea, Eaieia?. ioa-a, 1981. - 710 n.

4. Isobe Nobuhiro Micro-crack growth behavior and life in high temperature low cycle fatigue of blade root and disc joint for turbines / Nobuhiro Isobe, Shuhei Nogami // International Journal of Pressure Vessels and Piping. - 2009. - ?86. - P. 622-627.

5. Perkins K.M., Bache M.R. Corrosion fatigue of a 12%Cr low pressure turbine blade steel in simulated service environments /K.M.Perkins, M.R.Bache // International Journal OFFATIGUE. - 2005. - Volume 27. - P.1499-1508.

6. Oiia?ia A.A. Y?iceiiii-ei??iceiiiue eciin iaoaeea ia?iauo oo?aei / A.A Oiia?ia, I.A. Iiaa?ia // Oaieiyia?aaoeea. - 1985. - ?9. - N. 39-43.

7. Nooaaio I.C. Iniaeeaino? ?oeioaaiiy aenieoaoiaaiiai iaoaeo c eiiaoie oa aeneo ia?iai? oo?a?ie/ I.C. Nooaaio, ?.I. Oea?oe // 4-oa i??i. eiio.: Iaoai?ea ?oeioaaiiy iaoa??ae?a ? i?oi?nou eiino?oeo?e, Eua?a, 2009.-Eua?a: OI? IAIO, 2009. - P.419-426.

8. Oea?oe ?. Ei?ic?eii-iaoai??i? aeanoeaino? noaeae eiiaoie oa aene?a ia?iai? oo?a?ie OAN / ?. Oea?oe, I. Nooaaio, A. Caao?nueee // O?ceei-o?i??ia iaoai?ea iaoa??ae?a. - 2010. - O. 2, Niaoaeione ?8.- Eua?a: OI? IAIO, 2009. - N. 738-743.

9. Oea?oe ?.I. Ci?ia ei?ic?eii-aoiiii? aiaaia??iino? noae? 20O13 i?ney aenieoaoao?? a ia?ia?e oo?a?i? / ?.I.Oea?oe,I.C.Nooaaio//Iaoeia?iioaoee.-2011.-?31.-N.384-391.

10.Oea?oe ?.I. Io?i?aaiiy aaa?aaao?? eiiaoeiai? noae? 20O13 i?ney aenieoaoao?? a ia?ia?e oo?a?i? ca o??ueiino?ee?no? / ?.I. Oea?oe, I.C. Nooaaio // Iaoeiiciaanoai. - 2011. - ?2. - N. 48-53.

11. Ianaeaaa A. I. Naienoaa e no?oeoo?a eeoie noaee 2O13E aey eiiaoie eiii?anni?ia e ia?iauo oo?aei/A. I. Ianaeaaa,A. I. Aaaaeuneee,A.I. ?aauei // Yia?aiiaoeiino?iaiea. - 1975. -?12. - N. 21-24.

12.Iaiaeca? ?.A. Aeeyiea a?aiaie auaa??ee i?e caeaeea e ioionea ia iaoaie?aneea naienoaa, no?oeoo?o e oaciaue ninoaa noaeae 2O13 e 1O11IOO / ?.A. Iaiaeca?, ?.A. Na?aaaa, I.A Naaa?ia // Yia?aiiaoeiino?iaiea. - 1975. - ?3. - N. 31-33.

13.?e?ee A.E. Iaoa?eaeu aey iniiaiuo aaoaeae ia?iauo oo?aei / A.E. ?e?ee, A.A.?e?ee // Yia?aiiaoeiino?iaiea. - 1975. - ?12. - N. 21-24.

14. ASTM. E1737. Standard Test Method for J-Integral Characterization of Fracture Toughness.; Draft International STANDARDISO/DIS12135. UNIFIEDMETHOD of Testforthe Determination OFQUASISTATICFRACTURE Toughness.

15.Landes J. D. Test results from J-integral studies: an attempt to establish a J testing procedure / J. D. Landes, J. A. Begley. - Fracture Analysis, STP 560. - N.Y.: ASTM, 1974, P. 170-186.

Ic

16.Iaoaieea ?ac?ooaiey e i?i?iinou iaoa?eaeia: Ni?aa. iiniaea: 4 o. / Iia iau. ?aa. Iaian?ea A.A. - Eeaa: Iaoe. aoiea, 1988-1990. O.4.: Onoaeinou e oeeee?aneay o?aueiinoieeinou eiino?oeoeiiiuo iaoa?eaeia / I.I. ?iiaiea, N.?. ??aia, A.I.Ieeeoi??ei, I.A. Iaoooia, I.I. Noaaiee - Eeaa: Iaoe. aoiea, 1990. - 680 n.

17. Aaeiiai A. Nia?aiaiiia ninoiyiea i?iaeaiu aiai?iaiiai io?oi?eaaiey iaoaeea oaieiiaoaie?aneiai iai?oaiaaiey OYN ai- e naa?oe?eoe?aneeo ia?aiao?ia. - Iaoai?ea ?oeioaaiiy iaoa??ae?a ? i?oi?nou eiino?oeo?e / I?a caa. ?aa. A.A. Iaian?ea - Eua?a: OI? IAIO, 2004. - N. 445-456.

18.Oaaa I.I. Eciaiaiea aenieoaoaoeiiiuo naienoa ?aeaca e noaee iia aeeyieai aiai?iaa. - E.: Iaoe. aoiea, 1985. - 120 n.

1. Mazur, Z., Garcia-Illescas, R., Aguirre-Romano, J. & Perez-Rodriguez, N. (2008). Steam turbine blade failure analysis. Engineering FAILUREANALYSIS. Vol. 15, pp. 129-141.

2. Trukhnyi, A.D. & Lomakin, B.V. (2002). Teplofikatsionye parovye turbiny i turboustanovki [Heat and steam turbines and turbounits]. Moscow, Publ. "Novosti". 534 p.

3. Levin A.V. Borshanskii, K.N. & Konson, E.D. (1981). Prochnost" i vibratsiya lopatok i diskov parovykh turbin [Strength and vibration of the blades and disks of steam turbines]. Leningrad, Mashinostroenie. 710 p.

4. Isobe Nobuhiro & Nogami Shuhei. (2009). Micro-crack growth behavior andlife inhigh temperature low cycle fatigue of blade rootanddisc joint for turbines. INTERNATIONALJOURNALOF PRESSUREVESSELSANDPIPING. Vol. 86. pp. 622-627.

5. Perkins, K.M. & Bache, M.R. (2005). Corrosion fatigue of a 12%Cr low pressure turbine blade steel in simulatedservice environments. INTERNATIONALJOURNALOF Fatigue. Volume 27. pp.1499-1508.

6. Tomarov, G.V. & Povarov, O.A. (1985). Erozionno-korrozionnyi iznos metalla parovykh turbin [Erosion and corrosive wear of metal of steam turbines]. Teploenergetika. Vol. 9. pp. 39-43.

26 СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІІ В МАШИНОБУДУВАННІ ТА ТРАНСПОРТІ, 2014, №2

© A?aaai?ae ?.I., Naa?oe I.I. 2014

7. Student, O.Z. & Tkachuk, Yu.M. (2009). Osoblyvosti ruinuvanni a ekspluatovanoho metalu z lopatok ta dysku parovoi turbiny [Features of destruction of the exploited metal blades and drive of a steam turbine]. 4-ta miz hn. konf.: Mekhanika ruinuvanni a materialiv i mit snist? konstrukt sii, L?viv, FMI NANU, pp. 419-426.

8. Tkacuk, J., Student, O. & Zahurs?kyi, A. (2010). Koroziino-mechanicni vlastyvosti stalei lopatok ta dyskiv parovoi turbiny TES [Corrosion and mechanical properties of steel blades and drive a steam turbine TPP]. Fizyko-chimicna mechanika materialiv. Vol. 2, Special edition ? 8. L?viv, FMI NANU. pp. 738-743.

9. Tkacuk, Ju.M. & Student, O.Z. (2011). Zmina korozijno-vtomnoi dovhovicnosti stali 20X13 pislja ekspluatacii v parovij turbini [Change of corrosion and fatigue durability of steel 20H13 after exploitation in the steam turbine]. Naukovi notatky. Vol. 31, pp. 384-391.

10.Tkachuk, Yu.M. & Student O.Z. (2011). Otsiniuvannia dehradatsii lopatkovoi stali 20X13 pislia ekspluatatsii v parovii turbini za trishchynostiikistiu [Evaluation of degradation of steel 20X13 after exploitation in the steam turbine]. Mashynoznavstvo. Vol. 2, pp. 48-53.

11.Masaleva E.N., Bavelskii, D.M. & Redko, V.P. (1975). Svoistva i struktura litoi stali 2X13L dlya lopatok kompressorov i parovykh turbin [Properties and structure of cast steel 2X13L for the blades of compressors and steam turbines]. Energomashinostroenie. Vol. 12, pp. 21-24.

12.Nemaizer, Yu.A., Sergeev, Yu.G. & Severov, M.A. (1975). Vliyanie vremeni vyderzhki pri zakalke i otpuske na mekhanicheskie svoistva, strukturu i fazovyi sostav stalei 2X13 i 1X11MFSH [Influence of holding time during quenching and tempering on the mechanical properties, the structure and phase composition of steels 2O13 and 1O11IFSH]. Energomashinostroenie. Vol. 3, pp. 31-33.

13.Chizhik, A.I. Chizhik, A.A. (1975). Materialy dlya osnovnykh detalei parovykh turbin [Materials for main parts of steam turbines]. Energomashinostroenie. Vol. 12, pp. 21-24.

14. ASTM. E1737. Standard Test Method for J-Integral Characterization of Fracture Toughness.; Draft International STANDARDISO/DIS12135. UNIFIEDMETHOD of Testforthe Determination OFQUASISTATICFRACTURE Toughness.

15.Landes, J.D. & Begley, J.D. (1974). Test results from J-integral studies: an attempt to establish a J testing procedure. Fracture Analysis, STP 560. N.Y.: ASTM, pp. 170-186.

Ic

16. Mekhanika razrusheniya i prochnost" materialov [Fracture mechanics and strength of materials]. Sprav. posobie: Vol. 4 / Pod obshch. red. Panasyuka V.V. Kiev: Nauk. dumka, 1988-1990. Vol. 4.: Ustalost" i tsiklicheskaya treshchinostoikost" konstruktsionnykh materialov [Cyclic fatigue and crack resistance of constructional materials]. O.N. Romaniv, S.Ya. Yarema, G.N. Nikiforchin, N.A. Makhutov, M.M. Stadnik - Kiev: Nauk. dumka, 1990. - 680 p.

17. Vainman, A. (2004). Sovremennoe sostoianye problemy vodorodnoho okhrupchyvanyia metalla teplomekhanycheskoho oborudovanyia TES do- i sverkhkrytycheskykh parametrov [Current state of the hydrogen embrittlement of the metal heat-mechanical equipment of TES pre- and supercritical parameters]. - Mekhanika ruinuvannia materialiv i mitsnist konstruktsii / Pid zah. red. V.V. Panasiuka. Lviv: FMI NANU, pp. 445-456.

18. Shved, M.M. (1985). Izmenenie ekspluatatsionnykh svoistv zheleza i stali pod vliyaniem vodoroda [Change of operational properties of iron and steel under the influence of hydrogen]. Kiev, Nauk. Dumka Publ., 120 p.

A?aaai?ae ?.I., Naa?oe I.I. Ioaiea aeeyiey yenieoaoaoeiiiie aaa?aaaoee noaee 20O13 eiiaoie ia?iauo oo?aei ia o?aueiinoieeinou iaoaeea.

N eniieuciaaieai iaoiaa J-eioaa?aea ioaiaii noaoe?aneo? o?aueiinoieeinou noaee 20O13 eiiaoie ia?iauo oo?aei a enoiaiii ninoiyiee e iinea ~ 3 · 105 ? yenieoaoaoee. Ia iniiaa iino?iaiiuo R-e?eauo aey yenieoaoe?oaiie e iayenieoaoe?oaiie noaee iieacaii ?acee?ey ia?ao ieie naycaiu n eioaineaiie aaa?aaaoee iaoaeea aneaanoaea yenieoaoaoee. I?iaiaeece?iaaiu iiaa?oiinoe eceiiia ia?acoia, eniuoaiiuo noaoe?aneo? o?aueiinoieeinou, e auyaeaiu iniiaiua o?aeoia?aoe?ie yeaiaiou, naycaiiua n aaa?aaaoeae noaee a yenieoaoaoeiiiuo oneiaeyo. .

Ee??aaua neiaa: noaoe?aneay o?aueiinoieeinou, iaoiaa J-eioaa?aea, aaa?aaaoey

J. Hrebenchak, P. Savchuk. Estimation of influence of operational degradation of steel 20Cr13 of steam turbine blades on crack resistance of metal.

Using the J-integral method the static crack growth resistance of the 20Kh13 steel in the virgin state and after 3?105 h service as blades in the steam turbine was estimated. Based on the building J -curves for the exploited and unexploited steels were shown the differences between them caused by its intensive degradation during exploitation. The fracture surfaces obtained after static crack growth resistance test of specimens were analyzed. The main fractographic elements concerned with degradation of steel in operation condition were revealed.

R

Keywords: fracture toughness, the J-integral method, degradation.

AAOI?U: NAA?OE Iao? Iao?iae?, a.o.i., i?ioanni?, Eooeee iaoeiiaeuiue oaoie?aneee oieaa?neoao, caaaao?uee eaoaa?u iaoa?eaeiaaaaiey e ieanoe?aneiai oi?ie?iaaiey eiino?oeoee iaoeiino?iaiey; e-mail: savchuk71@gmail.com

A?AAAI?AE ?eey Ieeieaaaia, e.o.i., Eooeee iaoeiiaeuiue oaoie?aneee oieaa?neoao, noa?oee i?aiiaaaaoaeu eaoaa?u iaoa?eaeiaaaaiey e ieanoe?aneiai oi?ie?iaaiey eiino?oeoee iaoeiino?iaiey; e-mail: tkachuk-yulya@yandex.ru

СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІІ В МАШИНОБУДУВАННІ ТА ТРАНСПОРТІ, 2014, №2 27

© A?aaai?ae ?.I., Naa?oe I.I. 2014

TRIALE: NAA?OE Iao?i Iao?iae? a.o.i., i?ioani?, Eooueee iao?iiaeuiee oaoi??iee oi?aa?neoao, caa?aoaa? eaoaa?e iaoa??aeiciaanoaa oa ieanoe?iiai oi?ioaaiiy eiino?oeo?e iaoeiiaoaoaaiiy, e-mail: savchuk71@gmail.com

A?AAAI?AE ?e?y Ieeiea?aia, e.o.i., Eooueee iao?iiaeuiee oaoi??iee oi?aa?neoao, noa?oee aeeeaaa? eaoaa?e iaoa??aeiciaanoaa oa ieanoe?iiai oi?ioaaiiy eiino?oeo?e iaoeiiaoaoaaiiy, e-mail: tkachuk-yulya@yandex.ru

AUTHORS: SAVCHUK Petro, Dr.-Eng., Professor, Lutsk National Technical University, Head of the Department of Materials Science and Engineering plastic forming structures; e-mail: savchuk71@gmail.com

HREBENCHAK Julia, Ph.D., Senior Lecturer, Lutsk National Technical University, Department of Materials Science and Engineering plastic forming structures; e-mail: tkachuk-yulya@yandex.ru.

?AOAICAIO: AOEAOIA A.A. aieoi? oaoie?aneeo iaoe, i?ioanni?, Oa?niineay ainoaa?noaaiiay ii?neay aeaaaiey, caaaao?uee eaoaa?ie yenieoaoaoee noaiauo yia?aaoe?aneeo onoaiiaie e iauaei?aia?iie iiaaioiaee, Oa?nii, Oe?aeia.

?AOAICAIO: AOEAOIA A.A. aieoi? oaoi??ieo iaoe, i?ioani?, Oa?niinuea aa??aaia ii?nuea aeaaai?y, caa?aoaa? eaoaa?e aenieoaoao?? noaiiaeo aia?aaoe?ieo onoaiiaie oa caaaeuii ?i?aia?ii? i?aaioiaee, Oa?nii, Oe?a?ia.

REVIEWER: A. BUKETOV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Kherson State Maritime Academy, Head of the Department of operation of ship power plants and general engineering training, Kherson, Ukraine.

Noaooy iaa?eoea a ?aaaeo?? 03.09.2014?.

28 СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІІ В МАШИНОБУДУВАННІ ТА ТРАНСПОРТІ, 2014, №2