СО 153-34.17.471-2003

Категории справочника

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УТВЕРЖДЕНО

Приказом

Минэнерго России

от 30 июня 2003 г. № 271

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК
ЖАРОПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ
МЕТАЛЛА КОТЛОВ, ТУРБИН И ТРУБОПРОВОДОВ

СО 153-34.17.471-2003

 

Рис. 1332

Вводится в действие

с 30 июня 2003 г.

Настоящие Методические указания (СО 153-34.17.471-2003) р распространяются на стали и сплавы для энергомашиностроения и энергетики, которые предназначены для изготовления оборудования, работающего при температуре более 115 °С или избыточном давлении пара или воды более 7 МПа. Характеристиаспространяются на стали и сплавы для энергомашиностроения и энергетики, которые предназначены для изготовления оборудования, работающего при температуре более 115 °С или избыточном давлении пара или воды более 7 МПа. Характеристики жаропрочности определяются для сталей и сплавов, длительно работающих при температуре более 400 °С.

Методические указания устанавливают единые планы испытаний, а также методы обработки полученных данных с целью определения характеристик жаропрочности сталей (сплавов), применяемых в энергомашиностроении и энергетике.

Характеристики жаропрочности предназначены для:

- расчетов на прочность деталей котлов, турбин и трубопроводов;

- оценки жаропрочности вновь разрабатываемой марки стали или сплава;

- оценки жаропрочности отдельных партий металла или металла изделий после технологических операций;

- оценки жаропрочности и долговечности металла элементов котлов, турбин и трубопроводов в процессе их эксплуатации

- оценки жаропрочности металла при проведении научно-исследовательских работ.

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Условные обозначения:

t - температура, °С;

tм - расчетная температура металла, °С;

?з - заданный ресурс, ч;

?р - время равномерного удлинения, ч;

? - номинальное напряжение, МПа;

? - остаточное удлинение, %;

?р - равномерное остаточное удлинение при времени ?р, %;

?к - остаточное удлинение после разрушения образца, %;

?з - заданное остаточное удлинение при ресурсе ?з, %;

? - остаточное сужение, %;

?р - равномерное остаточное сужение при времени ?р, %;

?к - остаточное сужение после разрушения образца, %;

- средняя деформация в текущей точке i кривой ползучести;

 

- средняя деформация при разрушении образца;

?tд.п,?з - условный предел длительной прочности (значение напряжения, вызывающее разрушение при температуре t и заданном ресурсе ?з), МПа;

?tп-?з,?з - условный предел ползучести (значение напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданного значения ?з при температуре t и заданном ресурсе ?з), МПа;

?tрк,?з - релаксационная стойкость (значение остаточного напряжения, до которого понижается начальное упругое напряжение ? за заданный ресурс ?з при температуре t), МПа;

?tк,?з - условный предел остаточного удлинения (значение остаточного удлинения при температуре t и заданном ресурсе ?з), %;

?tк,?з - условный предел остаточного сужения (значение остаточного сужения при температуре tи заданном ресурсе ?з), %;

?tр,?р - условный предел равномерного остаточного удлинения (значение равномерного остаточного удлинения при температуре t и времени равномерной деформации ?р), %;

?tр,?р -условный предел равномерного остаточного сужения (значение равномерного остаточного сужения при температуре t и времени равномерной деформации ?р), %;

(?tд.п,?з)л; (?tп-?з,?з)л; (?tрк,?з)л; (?tк,?з)л; (?tк,?з)л; (?tр,?р)л; (?tр,?р)л - лабораторные характеристики жаропрочности, МПа, %;

(?tд.п,?з)п; (?tп-?з,?з)п; (?tрк,?з)п; (?tк,?з)п; (?tк,?з)п; (?tр,?р)п; (?tр,?р)п - первичные характеристики жаропрочности, МПа, %;

(?tд.п,?з); (?tп-?з,?з); (?tрк,?з); (?tк,?з); (?tк,?з); (?tр,?р); (?tр,?р) - предварительные нормативные характеристики жаропрочности, МПа, %;

?tд.п,?з; ?tп-?з,?з; ?tрк,?з; ?tк,?з; ?tк,?з; ?tр,?р; ?tр,?р - нормативные характеристики жаропрочности, МПа, %.

1.2 Определения

1.2.1 Лабораторная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный во внепромышленных условиях, термообработанный по одному режиму, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на ±50 МПа. Химический состав и механические свойства металла, а также режимы термообработки должны соответствовать выходным данным стали (сплава).

1.2.2 Опытно-промышленная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях в процессе его внедрения в производство, химический состав, механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям временных технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.

1.2.3 Промышленная партия стали (сплава) - металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях, химический состав и механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.

1.2.4 Марка стали (сплава) - металл промышленных партий, взятых от разных плавок:

- для крупногабаритных изделий единичного производства (корпуса, ротора турбины и пр.) - не менее 6 партий;

- для крупносерийного производства - не менее 10 партий.

Рекомендуется в число этих партий включать партии с содержанием углерода и легирующих элементов на верхнем и нижнем пределах, оговоренных в технических условиях, а также металл изделий после окончательных технологических операций.

1.2.5 Изделие - деталь котла, турбины или трубопровода, изготовленная из металла, химический состав и механические свойства которого отвечают требованиям действующих нормативных документов (НД) или технических условий. Металл изделия должен соответствовать марке стали (сплава), разрешенной Правилами Госгортехнадзора России для данных условий эксплуатации.

1.2.6 Заданный ресурс - время, для которого определяются характеристики жаропрочности стали (сплава) или расчетный срок эксплуатации изделия.

1.2.7 Дополнительный ресурс - дополнительное время к заданному ресурсу, для которого можно определить характеристики жаропрочности стали (сплава) на основании проведенных испытаний при определении характеристик на заданный ресурс или срок дополнительной безаварийной эксплуатации детали котла, турбины или трубопровода.

1.2.8 Характеристики жаропрочности - характеристики прочности стали (сплава) при повышенных температурах, к которым относятся: условный предел длительной прочности ?tд.п,?з; условный предел ползучести ?tп-?з,?з; релаксационная стойкость ?tрк,?з и параметры длительной пластичности: условный предел остаточного удлинения ?tк,?з, условный предел остаточного сужения ?tк,?з, условный предел равномерного остаточного удлинения ?tр,?р, условный предел равномерного остаточного сужения ?tр,?р.

1.2.9 В комплекс обязательных для определения характеристик стали (сплава) входят: пределы прочности, текучести, удлинения и сужения при температуре 20 °С и расчетной температуре; условные пределы длительной прочности ?tд.п,?з, ползучести ?tп-?з,?з, остаточного удлинения ?tк,?з, остаточного сужения ?tк,?з, равномерного остаточного удлинения ?tр,?р и равномерного остаточного сужения ?tр,?р, а для материалов, предназначенных для крепежных изделий и трубопроводов - релаксационная стойкость ?tрк,?з.

Для каждой определяемой характеристики должны быть приведены значения дисперсии.

1.2.10 К категории лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле лабораторных партий.

1.2.11 К категории первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле опытно-промышленных партий.

1.2.12 К категории предварительных нормативных характеристик стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле первых промышленных партий.

1.2.13 К категории нормативных характеристик относятся характеристики, определенные на количестве промышленных партий, представляющих марку стали (сплава).

1.2.14 Планируемые испытания - испытания стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам, предусмотренным настоящими Методическими указаниями.

1.2.15 Произвольные испытания - испытания партии стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам испытаний, отличных от предусмотренных настоящими Методическими указаниями.

1.2.16 Аналитический метод обработки данных планируемых испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет определить все характеристики жаропрочности.

1.2.17 Аналитический метод обработки данных произвольных испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет с помощью базовых диаграмм определить условные пределы длительной прочности, ползучести, остаточного удлинения и остаточного сужения для марки стали или сплава.

1.2.18 При использовании аналитических методов обработки данных испытаний на жаропрочность точность определения условных пределов длительной прочности, указанная в пунктах 3.3.3; 5.3; 10.4 и 10.5 настоящих Методических указаний, обеспечена отсутствием экстраполяции по напряжениям.

Точность определения нормативных или предварительных нормативных характеристик для марки стали (сплава), кроме ошибки собственно методов определения жаропрочных и механических свойств, зависит от величины доверительного интервала, определенного объемом выборки и дисперсией оцениваемой характеристики.

1.2.19 Оценка жаропрочности стали (сплава) в исходном состоянии, после окончательных технологических операций и при эксплуатации основана на сопоставлении данных испытаний на длительную прочность отдельных партий металла или металла изделий с нормативными характеристиками марки стали (сплава).

1.2.20 Ускоренный метод оценки жаропрочных свойств стали (сплава) или металла изделий основан на качественном сопоставлении данных испытаний на жаропрочность с нормативными характеристиками марки стали (сплава).

1.3 Область применения

1.3.1 Комплекс лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется в качестве заявочного для характеристики свойств новой марки стали (сплава) и применяется для предварительных прочностных расчетов при ее опытном эксплуатационном опробовании.

Допустимо использование комплекса лабораторных характеристик во временных технических условиях на изготовление как самой марки стали (сплава), так и изделий из нее.

1.3.2 Комплекс первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется при отработке технологии изготовления металла в промышленных условиях, составлении временных технических условий и для предварительных прочностных расчетов при опытном эксплуатационном опробовании металла или изделий из него.

1.3.3 Комплекс предварительных нормативных характеристик стали (сплава) используется при составлении технических условий на изготовление как самой марки стали (сплава), так и изделий из нее, а также при прочностных расчетах промышленных изделий. Значения (?tд.п,?з) и (?tп-?з,?з) должны быть уменьшены при этом на 10 %. Для крупногабаритных изделий (корпуса, ротора турбины и пр.) единичного производства допустимо помещать комплекс предварительных нормативных характеристик стали (сплава) в НД и справочники с соответствующим указанием их категории и уменьшением значений (?tд.п,?з) и (?tп-?з,?з) на 20 %.

1.3.4 Комплекс нормативных характеристик определяет прочностные свойства марки стали (сплава), используется в технических условиях в качестве гарантированных значений жаропрочности, помещается в НД и справочники, по нему проводятся массовые прочностные расчеты промышленных изделий.

1.3.5 Оценка жаропрочных свойств стали (сплава) производится с целью отбраковки партий металла в исходном состоянии, а также металла отдельных изделий после окончательных технологических операций при их изготовлении. Объем проверяемых партий металла и количество изделий регламентируются специальными документами.

1.3.6 Оценка жаропрочности металла изделий при эксплуатации производится с целью определения дополнительного ресурса (времени дальнейшей безаварийной эксплуатации).

1.4 Характеристики релаксационной стойкости стали (сплава) определяются согласно действующим НД. Рекомендуется использовать расчетный метод, изложенный в настоящих Методических указаниях.

1.5 Предварительные нормативные и нормативные характеристики жаропрочности стали (сплава) в объеме, предусмотренном пунктом 1.2.9 настоящих Методических указаний, определяются организацией - разработчиком металла.

1.6 Все первичные данные по результатам испытаний стали (сплава) на жаропрочность, а также все материалы по их обработке хранятся у организации - разработчика материала.

1.7 Лабораторные и нормативные характеристики стали (сплава) для энергомашиностроения, а также предварительные характеристики для крупногабаритных изделий единичного производства согласовываются в установленном порядке.

1.8 Для каждой категории характеристик стали или сплава (лабораторных, первичных, предварительных нормативных, нормативных) рекомендуется определять температурные зависимости механических свойств металла (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение) в интервале температур 20 °С - tм.

1.9 Рекомендуется для всех сталей (сплавов) строить изохронные кривые ползучести.

1.10 Для ответственных изделий производится расчет на прочность с учетом реального сложнонапряженного состояния.

1.11 При научно-исследовательских работах, связанных с изучением металла и выбором композиций сталей (сплавов), могут проводиться испытания по другим планам, отличным от указанных в настоящих Методических указаниях.

1.12 Программы для расчетов характеристик жаропрочности находятся в ЦНИИТМАШ.

Перечень программ представлен в приложении Б.

1.13 Все данные испытаний, результаты их обработки и значения характеристик жаропрочности рекомендуется представлять в унифицированном виде. Формы таблиц и диаграмм даны в приложении В.

2 ОБЪЕМ ИСПЫТАНИЙ

2.1 Условные обозначения:

?tв - предел прочности при температуре t, МПа;

?сн - суммарное удлинение при нагружении, %;

?ун = ?/Ет - упругое удлинение при нагружении (Ет - модуль нормальной упругости металла при температуре испытания, МПа), %;

?н = ?сн - ?ун - остаточное удлинение при нагружении, %;

?св - суммарное удлинение во время испытаний, %;

?в = ?св - ?ун - остаточное удлинение во время испытаний, %;

?пв = ?св - ?сн - деформация ползучести, %;

?в - время измерения удлинения, ч;

? - время, соответствующее заданному остаточному удлинению ?з, ч;

?к - время до разрушения, ч;

ti, ?i, ?кi, ?tiв, ?снi, ?унi, ?нi, ?свi, ?вi, ?пвi, ?вi - параметры i-го испытания.

Остальные условные обозначения - согласно разделу 1.1.

2.2 Все испытания на жаропрочность проводятся согласно действующим государственным стандартам.

2.3 Образцы для испытаний каждой партии стали (сплава) изготавливаются из металла, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на ±50 МПа.

2.4 При каждом режиме испытывается не менее двух параллельных образцов. Если времена до разрушения параллельных образцов при любом режиме различаются между собой более чем в 2 раза, то проводятся дополнительные испытания на двух образцах при том же режиме.

При обработке учитываются все результаты, полученные при основных и дополнительных испытаниях.

2.5 Испытания на жаропрочность проводятся при температурах из следующего ряда:

- для углеродистых и малолегированных сталей - 400; 425; 450; 475; 500; 525 и 550 °С;

- для среднелегированных сталей - 400; 425; 450; 475; 500; 525; 550; 575; 600; 625 и 650 °С;

- для аустенитных и высокохромистых сталей - 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750 и 800 °С;

- для сплавов - 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050 и 1100 °С.

2.6 При испытаниях на жаропрочность температура испытаний t1 должна соответствовать ближайшей по отношению к температуре tм из ряда, указанного в пункте 2.5 (t1 @ tм).

2.7 Допустимо проводить испытания при большем числе режимов и большем времени до разрушения, чем указано в настоящем разделе.

2.8 План полных испытаний

2.8.1 Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение, температура):

?1, ?2 и ?3 при t1 @ tм;

?4, ?5 и ?6 при t2 > t1.

Значения t2 и t1 принимаются согласно пункту 2.5.

2.8.2 Среднее время до разрушения ?к должно быть не менее:

0,005?з для ?1;

0,020?з для ?2;

0,060?з для ?3;

0,003?з для ?4;

0,010?з для ?5;

0,050?з для ?6.

Разница между значениями напряжений испытаний ?i должна составлять не менее 10 %.

При выборе значений напряжений ?1 и ?4, с которых следует начинать испытания, ориентиром может служить значение 0,6 - 0,8?tв.

Значения времени до разрушения, полученные при испытаниях, должны охватывать интервал не менее 1,3 порядка по логарифмической шкале времени.

2.8.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 12.

2.8.4 Испытания проводятся с измерением деформации.

2.8.5 Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. При определении условных пределов длительной прочности и ползучести допустимо обрабатывать данные испытаний упрощенным аналитическим методом.

2.9 План длительных испытаний

2.9.1 Испытания должны быть проведены при температуре t1 @ tм (см. пункты 2.5 и 2.6).

2.9.2 Испытания проводятся при пяти напряжениях, причем среднее время до разрушения ?к должно быть не менее:

0,005?з для ?1;

0,030?з для ?2;

0,070?з для ?3;

0,150?з для ?4;

0,250?з для ?5.

Указания по выбору напряжения ?1 по разнице между значениями напряжений и значениями времени до разрушения даны в пункте 2.8.2.

2.9.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 10.

2.9.4 Испытания для получения условного предела ползучести проводятся с измерением деформации.

2.10 План сокращенных испытаний

2.10.1 Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение, температура):

?1, ?2 и ?3 при t1 ? tм (см. пункт 2.5);

?4, ?5 и ?6 при t2 = t1 + 50 °C.

2.10.2 Среднее время до разрушения ?к должно быть не менее:

0,004?з для ?1;

0,010?з для ?2;

0,015?з для ?3;

0,002?з для ?4;

0,005?з для ?5;

0,010?з для ?6.

Указания по выбору напряжений ?1 и ?4 по разнице между значениями напряжений и по значениям времени до разрушения даны в пункте 2.8.2.

2.10.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 12.

2.10.4 Испытания проводятся измерением деформации.

2.10.5 Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. Допустимо определять условные пределы длительной прочности и ползучести упрощенным методом.

2.11 План оценочных испытаний

2.11.1 Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение, температура):

?1 при t1 ? tм (см. пункт 2.5);

?2 при t2 = t1 + 50 °C.

2.11.2 Значения напряжений выбираются по нижней границе допускаемой полосы разброса для условного предела длительной прочности нормативных характеристик марки стали (сплава) при времени до разрушения ?к, равном 300 ч.

Для сталей, приведенных в НД Госгортехнадзора России, нижняя граница строится при напряжениях, меньших нормативных на 20 %.

2.11.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 4.

2.11.4 Испытания проводятся без измерения деформации.

2.11.5 Оценка длительной прочности стали (сплава) производится по ускоренному методу.

2.12 Лабораторные характеристики жаропрочности определяются на металле трех лабораторных партий стали (сплава), каждая из которых испытывается по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10 настоящих Методических указаний).

Данные испытаний каждой партии обрабатываются согласно пункту 2.10.5. Совместная обработка характеристик жаропрочности обследованных партий производится аналитическим методом для планируемых испытаний.

2.13 Первичные характеристики жаропрочности определяются на металле трех опытно-промышленных партий. План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении лабораторных характеристик (см. пункт 2.12).

2.14 Предварительные нормативные характеристики определяются на металле четырех первых промышленных партий стали (сплава). Допустимо проводить испытания на металле первой партии, уточняя полученные характеристики данными испытаний последующих партий.

Испытания каждой партии металла выполняются по плану полных испытаний (см. раздел 2.8 настоящих Методических указаний), а обработка данных как по отдельной партии, так и по совокупности характеристик жаропрочности обследованных партий - аналитическим методом для планируемых испытаний.

Если испытания на жаропрочность были проведены и обработаны не по настоящим Методическим указаниям, то совокупность характеристик жаропрочности партий можно обрабатывать аналитическим методом для произвольных испытаний.

2.15 Нормативные характеристики жаропрочности определяются на металле промышленных партий, представляющих марку стали или сплава (см. пункт 1.2.4).

План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении предварительных нормативных характеристик (см. пункт 2.14).

2.16 Испытания для оценки жаропрочных свойств отдельных партий металла в исходном состоянии и металла изделий при эксплуатации проводятся по плану сокращенных испытаний. Допускается проведение испытаний без измерения деформации.

2.17 Контроль жаропрочных свойств отдельных партий металла или металла изделий после окончательных технологических операций проводится на основании результатов испытаний по оценочному плану (см. раздел 2.11 настоящих Методических указаний).

2.18 По данным испытаний на жаропрочность строятся кривые деформирования (первичные кривые ползучести) в координатах ? - ? (рисунок 1). Кривые деформирования рекомендуется получать с помощью компьютера по программам Б.1.1 и Б.1.2 приложения Б.

Рис. 1333

Рисунок 1 - Кривая деформирования

2.19 По кривым деформирования для каждого испытания можно определить время ?, соответствующее заданному остаточному удлинению ?з (см. рисунок 1).

2.20 В результате испытаний образцов на жаропрочность с измерением деформации должны быть получены значения:

- температуры t;

- напряжения ?;

- времени ?в и ?к;

- удлинения ?сн; ?ун; ?нн; ?св; ?пв; ?к;

- сужения ?к.

2.21 Испытания для определения кратковременных механических свойств стали (сплава) проводятся на девяти образцах от каждой партии металла. Для определения характеристик стали (сплава) образцы испытываются при температурах t1, t2(принимаемых по пунктам 2.8.1; 2.9.1; 2.10.1 и 2.11.1) и t3 = 20 °С.

Количество партий для определения лабораторных, первичных, предварительных нормативных и нормативных характеристик принимаются согласно пунктам 2.12; 2.13; 2.14 и 2.15 настоящих Методических указаний.

Рекомендуется для каждой партии и совокупности партий строить температурную зависимость в интервале от t3 до t1 на основании проведения дополнительных испытаний не менее чем при двух значениях температуры из следующего ряда:

- для углеродистых и малолегированных сталей - 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450 и 500 °С;

- для среднелегированных сталей - 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550 и 600 °С;

- для аустенитных и высокохромистых сталей - 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750 и 800 °С;

- для сплавов - 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050 и 1100 °С.

Испытания при температурах t1, t2 и t3 следует считать основными.

2.22 Результаты проведенных испытаний образцов на жаропрочность и кратковременные механические свойства стали (сплава) помещаются в таблицу 1, которая служит основанием для последующего определения необходимых характеристик.

2.23 Данные испытаний (время ?в и удлинения ?н и ?св) помещаются в таблицу Б.1 приложения Б.

Таблица 1 - Результаты испытаний образцов и данные их предварительной обработки

 

1

Индекс карты

Лист 1

2

Марка стали (сплава)

3

Организация-испытатель

4

Категория испытания

Примечание

5

Индекс партии

6

Предприятие-изготовитель

7

Способ плавки

8

Масса партии или размеры изделия

9

Режимы термообработки

Примечание

10

Химический состав, %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Результаты механических испытаний

Клеймо образца

Температура испытаний t, °С

Предел прочности ?н, МПа

Другая справочная информация: