Uticaj radne temperature na otpornost na nastanak i rast prslina niskougljeničnog mikrolegiranog čelika za termoenergetska postrojenja

Abstract

Svrha inženjerskog projektovanja je da konstrukcije budu izrađene tako da efikasno, sigurno i ekonomično ispunjavaju predviđene eksploatacione funkcije. Da bi se to postiglo, inženjer polazi od pretpostavljenih radnih opterećenja i eksploatacionih uslova, izračunava napone u nosećim elementima konstrukcije i upoređuje ih sa dozvoljenim naponima za odgovarajući oblik oštećenja koji može da se pojavi. Ukoliko su projektovana opterećenja manja ili jednaka opterećenjima u toku rada, vek konstrukcije će zavisiti od izbora materijala čiji kvalitet i osobine treba da odgovaraju nameni konstrukcije, tehnologiji proizvodnje i tehnologiji i izvođenju zavarivanja. Parovodi pripadaju visoko odgovornim konstrukcijama koje su tokom radnog veka izložene puzanju. Osnovno svojstvo čelika za parovode je otpornost na lom puzanjem u predviđenom radnom veku. Predmet istraživanja ove disertacije je bio da se prikupe podaci o uticaju radne temperature na mehaničke i strukturne osobine niskougljeničnog mikrolegiranog čelika za rad na povišenim temperaturama, koji će poslužiti za ocenu veka komponenata termoenergetskih postrojenja. Materijal je analiziran ispitivanjem uzoraka izrađenih od novog, nekorišćenog materijala na dve temperature, temperaturi okoline i radnoj temperaturi od 540 ℃, pri delovanju statičkog i dinamičkog opterećenja. Glavni cilj istraživanja je bio da se odredi otpornost analiziranog materijala prema nastanku prslina i lomu. Rezultati eksperimentalnih istraživanja su nam takođe pružili i sliku o ponašanju prsline na radnoj temperaturi. Pored eksperimentalne analize urađena je i numerička simulacija ponašanja epruveta pri statičkom i dinamičkom opterećenju. Numerički proračun je rađen metodom konačnih elemenata (MKE) u softverskom paketu ANSYS. Simulacije su bile zasnovane na eksperimentalno određenim vrednostima J-integrala kao i na vrednostima koeficijenata iz Parisove jednačine. Pokazano je dobro slaganje sa eksperimentalnim rezultatima, čime je verifikovana primena MKE za razmatrane slučajeve opterećenja. Dobijenim rezultatima ispitivanja dat je praktičan doprinos oceni uticaja radne temperature na ponašanje ispitivanog materijala u uslovima statičkog i dinamičkog opterećenja, a u cilju procene integriteta i preostalog veka konstrukcije. Takođe su date i smernice za produženje radnog veka procesne opreme izrađene od čelika za rad na povišenim temperaturama.

Purpose of engineering design is to construct structures to efficiently, safely and economically fulfill the estimated purposes in exploitation. To achieve this, the engineer starts from the assumed loads and operating conditions, calculates the stressesin the load-carrying structure elements’ and compares them with the allowable stresses for type of damage that may occur. If the designed loads are less than or equal to the loads acting during operation, the structure’s life will depend on the materials’ selection whose quality and properties should correspond to the function of the structure, manufacturing technology and welding technology and performance. Steam pipes belong to highly responsible constructions that are exposed to creep during their service life. The basic property of steel for steam lines is creep resistance in the expected service life. The subject of research of this dissertation was to collect data on the effect of operating temperature on the mechanical and structural properties of low carbon microalloyed steel for elevated temperature service, which will be used to assess the life of components of thermal power plants. The material was analyzed by testing specimens made of virgin, unused material at two temperatures, ambient temperature and operating temperature of 540 ℃, under static and dynamic loading conditions. The main goal of the research was to determine the resistance of the analyzed material to crack initiation and its fracture resistance. The results of experimental research also helped us to understand the crack behavior at operating temperature. In addition to the experimental analysis, a numerical simulation of specimens’ behavior under static and dynamic loading was performed. The numerical calculation was done by the finite element method (FEM) in the ANSYS software package. The simulations were based on experimentally determined values of the J-integral as well as on the values of the Paris law coefficients. Good agreement with the experimental results was shown, which verified the application of FEM for the considered load cases. The obtained test results give a practical contribution to the assessment of the operating temperature effect on the behavior of the tested material exposed to static and dynamic loading, in order to assess the integrity and the remaining life of the construction. Guidelines for extending the service life of process equipment made of steel for elevated temperatures operation are also given.