Wytrzymałość na pełzanie stali SUPER 304H

Autorzy: dr inż. Robert Wersta , prof. dr hab. inż. Adam Zieliński
Data publikacji: 03.04.2023 r. Numer wydania: Stal 3-4/2023

pełzanie pełzanie stali pomiary próby pełzania stale austenityczne wytrzymałość stali

Stal Super 304H

Obecnie w polskiej energetyce najczęściej na wężownice przegrzewaczy pary (SH, RH) pracujące w temperaturze ok. 600°C stosowana jest stal Super 304H. Dominującym procesem odpowiedzialnym za ich mechaniczne niszczenie jest pełzanie. Charakteryzuje się ono bardzo małą szybkością odkształcenia dla stali w zakresie od 10^-8 do 10^-12 s^-1 [5]. Zależność pomiędzy odkształceniem a czasem przy stałej temperaturze i naprężeniu w procesie pełzania przedstawia rys. 1. W formie graficznej definiuje takie pojęcia jak trwałość obliczeniową, resztkową jak również rozporządzalną trwałość resztkową.

pełzanie stali — Rys. 1. Schematyczne ujęcie pełzania i definicji trwałości resztkowej i rozporządzalnej [1] ; rys: autorzy

Z praktycznego punktu widzenia najistotniejszą częścią charakterystyki pełzania jest stadium II, które w inżynierskich analizach zagadnienia trwałości resztkowej wyznacza tzw. rozporządzalną trwałość resztkową – bezpieczną z punktu widzenia niezawodnej eksploatacji [1, 2, 5].

Problematyka ta nabiera nowego znaczenia. Wymaga też szczególnej uwagi ze względu na aktualne tendencje prowadzenia eksploatacji krajowego systemu energetycznego w układzie regulacyjnym z OZE. Czyli: częstego odstawiania/uruchamiania kotłów w przypadku zmian zapotrzebowania na energię elektryczną. Przedstawione badania mają pomóc w ocenie przegrzewaczy wykonanych ze stali Super 304H.

Materiał do badań

Materiał do badań stanowił wycinek rury wężownicy przegrzewacza pary o wymiarach ø 42,4 x 8,8 mm wykonanej ze stali Super304H. Skład chemiczny badanej stali w odniesieniu do wymagań normy przedstawiono w tab. 1.

STAL_3-4_23_Robert_Wersta_Adam_Zielinski_STAL_SUPER_304H_TAB_1 — Tab. 1. Skład chemiczny materiału badanej rury ze stali Super 304H

Zakres i metody badań

Próby pełzania prezentowane w pracy wykonano na maszynach jednopółkowych produkcji Instytutu Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica w Gliwicach. Umożliwiają prowadzenie badań w temperaturze do 1000°C przy obciążeniu maksymalnym 6 kN wraz z pomiarem i rejestracją temperatury i wydłużenia. Komory grzewcze gwarantują stały poziom temperatury badania na długości pomiarowej próbki o długości 50 mm w czasie trwania próby z dokładnością ± 0,4°C.

Do pomiaru wydłużenia stosowano ekstensometry z indukcyjnymi czujnikami pomiaru długości z dokładnością ± 0,005 mm.
System klimatyzacji i wentylacji utrzymuje stałą temperaturę otoczenia 23 ± 3°C, zapewniając powtarzalność warunków wykonywanych prób a także pomiarów.
Próby pełzania wykonano z pomiarem wydłużenia w stałej temperaturze jak również przy stałym obciążeniu na standardowych próbkach o stosunku l_o/do = 10.
Próbki zostały pobrane wzdłuż osi rur o długości pomiarowej próbki l_o = 50 mm i średnicy d₀ = 5 mm.
Próby pełzania przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 204 [7] w zakresie skróconych prób pełzania a także badania pełzania z pomiarem wydłużenia.

Wyniki badań

Skrócone próby pełzania prowadzono przy stałym poziomie naprężenia. Odpowiadają one wymaganemu eksploatacyjnemu i w różnych wartościach temperatury badania, z zasady wyższej od temperatury eksploatacyjnej. Stosując metodę ekstrapolacji, można wyznaczyć wytrzymałość na pełzanie dla zakresu temperatury odpowiadającego przewidywanym wartościom eksploatacyjnym.

Wyznaczone charakterystyki skróconych prób pełzania w postaci zależności log t_r = f(T_e) przy σ_b = const dla stali Super304H przy stałym poziomie naprężenia σ_b = 150 i 180 MPa pokazano na rys. 2.