Відносна твердість металів: хронологія досліджень та роль енергетики при визначенні цього поняття
Відносна твердість матеріалів була відома з давніх часів. Ще під час правління династії Юань (ХІІІ ст.) у Китаї була створена шкала твердості різних порід дерева, що йшли на будівництво кораблів, а саме – «відносна твердість» - тобто, у порівнянні їх між собою. Відомий німецький вчений Георг Агрікола (1494-1555) у своїй праці, яка вийшла з друку в 1556 році, «Про гірничу справу і металургію» (De re Metallica) описав , як можна використовувати тверді матеріали. 1640 року Альваро Алонсо Барба (1569-1662) запропонував визначати твердість матеріалів обпилюванням досліджуваного тіла стальним напилком , тобто, власне, він «прив`язав» твердість матеріалів до твердості сталі. Свого часу твердістю матеріалів зацікавився відомий фізик Генріх Гецрц (1857-1894). Він запропонував користуватися поняттям «абсолютна твердість». Надалі виявилося, що це не зовсім коректно, тому що «абсолютна твердість» одного і того ж матеріалу змінювалась зі зміною його температури та діаметра випробувальних куль.
Неоднозначність стосовно питанні визначення механічних властивостей металів ще наприкінці ХІХ ст. спонукала Національне Бюро Стандартів США до запровадження державного «тестування» матеріалів на твердість як «нестійкої сукупності властивостей матеріалу, більш-менш пов’язаних між собою». Але конструктори термін «твердість» віднесли до показників пластичності матеріалів і він почав означати опір заглибленню у нього тіла. Поступово, на основі вже накопиченого досвіду, з`явилося розуміння того, що за міру твердості необхідно приймати відношення металу до величини деформації.
На початку ХХ ст. під твердістю вже однозначно розуміли опір, що його чинить тіло проникненню в нього іншого тіла.
У 1900 р. шведський інженер-металург Іоганн Август Брінель запропонував статичний метод визначення твердості металів, що широко застосовується й сьогодні. У1914 р. британські інженери Стенлі (1886-1940) та Хью Роквела розробили метод визначення твердості, пізніше названий їх прізвищем. Він застосовується аналогічно методу Брінеля, але за його допомогою досліджують і тверді матеріали, шліфовані поверхні.
У 1925 р. англійськими інженерами Р.Л. Смітом та Г.Е. Сендлендом розроблено ще один із найбільш відомих сьогодні статичних методів вимірювання твердості металів і сплавів. На честь концерну, в якому вони працювали, він був названий методом Вікерса. Суть його полягає у вдавлюванні у поверхню виробу правильної чотиригранної алмазної піраміди з кутом 136o між протилежними гранями. На відміну від методів Брінеля і Роквела, він застосовується для визначення твердості металів широкого діапазону пластичності, а також тонких деталей.
Як видно з фактів, наведених вище, твердометрія протягом усього ХХ ст. постійно вдосконалювалась. За цей час з`явилося багато нових методів визначення твердості металів, і не тільки статичних (можна відмітити методи: Лудвіка (1907 р.), Лідса (1936 р.), Цейса-Ганемана (1940 р.), М.С. Дрозда (1956 р.), Бірбаума (1920 р.), Хенікса (1923 р.), Григоровича (1949 р.), Налея, Хрущова, Скворцова, Альохіна, Терновського, Шоршорова (1968-1973 рр.) та ін.)
У післявоєнний період розвиток теплової енергетики пішов по шляху створення станцій з використаннямустаткування високого тиску понад 10 МПа і високих температур (понад 480oС ). Це підвищувало ККД електростанцій, дозволяло створити установки з великою одиничною потужністю і відносно низькою металоємністю, але з іншого боку призводило до частих поломок обладнання. Не можна сказати, що до появи високотемпературних установок устаткування не пошкоджувалося. Ще в довоєнних директивних документах були описані проблеми пошкоджень робочих лопаток останніх перепадів тиску турбін, поверхонь нагрівання, пароперегрівачів котлів, поломок обертових механізмів. Але поява устаткування, що працює при високих температурах, докорінно змінила ситуацію: за законами фізики, при високих температурах, у металі відбуваються незворотні процеси, що призводять до погіршення його властивостей і руйнування. Пізніше це явище було названо “вичерпання ресурсу”. Інвестори почали вимагати від виробників енергообладнання гарантії безпеки. В результаті наукових та практичних дослідів енергетики прийшли до висновку про необхідність створення служб спостереження за станом металу і зварних з'єднань. Це й стало основною причиною швидкої уніфікації існуючих методів визначення твердості і, врешті-решт, дозволило своєчасно зупинитися на декількох з них, як на більш-менш універсальних.
З 1946 р. в РЕО „Київенерго” здійснювався контроль металу для обладнання електростанцій. Ці роботи здійснював Ш.Ц. Голянський (1907-1983) – інженер – раціоналізатор, організатор, а в подальшому (з 10.02.1954 р.) і начальник однієї із перших лабораторій металів РЕО„Київенерго” в енергосистемах колишнього СРСР. Компетентний фахівець, інженер за покликанням, він зумів підібрати людей і створити колектив фахівців. Це був дійсно творчий колектив. Досвіду було мало, його набиралися в процесі роботи. Створювалися нові засоби контролю, яких раніше не було. Уже через 6 років на Виставці досягнень народного господарства в Києві демонструвалися створені в лабораторії металів прилади для відбору проб, які використовуються при спектральному аналізі, вихровий дефектоскоп, переносні металографічний мікроскоп і твердомір (їхні автори одержали медалі виставки), пізніше були створені установки для іспитів на розрив при робочих температурах і іспитів на гарячу твердість.
В 1961 році в Україні на Придніпровській ДРЕС (м. Дніпропетровськ) почалося будівництво першого енергоблоку, потужністю 300 МВт на надкритичні параметри пари: тиск 25,5 МПа (255 ат), температура перегріву пари 565o С. Цей блок був введений в експлуатацію в 1963 році. До середини 1960-х років накопичений досвід приніс серйозні здобутки: за результатами досліджень лабораторії металів РЕО „Київенерго” був виконаний перехід на підвищену (з 510oС на 540oС) температуру поверхонь нагрівання котлів першої черги Дарницької ТЕЦ, потім заміна в пароперегрівачах котлів Чернігівської ТЕЦ аустенітної сталі на перлітну, що різко знизило пошкоджуваність. А потім з'явилися й інші напрямки дослідження стану металу: проблема надійності гибів, ерозійний знос, кутові зварені з'єднання і багато чого іншого, що постійно вимагало вивчення, освоєння нових прийомів контролю, а найчастіше і їхню розробку.
Багато робіт були зроблені вперше і принесли відчутні результати. Серед них слід зазначити такі роботи: удосконалювання методики ультразвукового контролю зварних з'єднань труб поверхонь нагрівання. Це дозволило практично припинити пошкодження стиків після ремонту. Вперше в Міненерго СРСР, без демонтажу, проконтрольовані шпонкові пази в дисках турбін Т-100 і виявлені тріщини. За участю фахівців лабораторії металів РЕО „Київенерго” розроблялися галузеві інструкції з контролю зварних з'єднань і гибів трубопроводів. До речі, ці інструкції застосовуються дотепер у Мінпаливенерго України.
Для оцінки стану металу в процесі тривалої експлуатації був розроблений комплекс методів контролю, що не руйнують діючого устаткування. Це – металографічний аналіз за допомогою переносного мікроскопа, визначення твердості переносними твердомірами з розрахунком міцних властивостей металу, визначення хімічного складу стилоскопіюванням, дефектоскопія за допомогою радіоактивних ізотопів. Методики була вперше застосовані при монтажі устаткування Трипільської ДРЕС, київських: ТЕЦ-5, ТЕЦ-6, КГЕС, КГАЕС, Кан ГЕС, ЧАЕС та ін. і застосовується до сьогоднішнього дня при діагностуванні довгостроково працюючого устаткування.
Багаторічна експлуатація енергетиками Києва сучасних енергетичних котлів надкритичних параметрів пари, паропродуктивністю 1000 тонн пари на годину, 255 кгс/см2 (25,5 МПа), температурою пари 545oС засвідчує їх високий професіоналізм і те, що вони достойно тримають підняту планку експлуатації вітчизняної теплоенергетики попередніми поколіннями завдяки контролю зі сторони фахівців лабораторії металів АК „Київенерго”.
Нині фахівці лабораторії металів АК „Київенерго” були і залишаються відомими в масштабах Мінпаливенерго України. За їхньою участю розроблялися практично всі редакції інструкцій зі спостереження за металом, у т.ч. і нині діюча в Україні типова інструкція. Працівники лабораторії металів брали участь у створенні системи контролю металу в АК «Київенерго», в організації всіх лабораторій металів станцій і теплових мереж. Фахівці лабораторії навчили роботі майже 90% персоналу цих лабораторій.
В останнє десятиліття інтенсивно розвивалося технічне діагностування устаткування.
Організація досліджень, що спрямовані на розробку методів і засобів виявлення зародження і розвитку найбільше небезпечних дефектів валопроводу турбоагрегату (в тому числі і тріщини на основі аналізу крутильних коливань).
Оснащення турбоагрегатів, що відпрацювали парковий ресурс, стаціонарними системами автоматичного діагностування вібраційного стану на базі сучасних вітчизняних інформаційних і комп’ютерних технологій, які дозволяють у реальному часі виявляти небезпечні ситуації та попередити їх розвиток.
Розробка науково обґрунтованих методик, математичних моделей й алгоритмів оперативного комп’ютерного моніторингу теплового та напруженого-деформованого станів високотемпературних роторів і корпусів турбін за результатами визначення параметрів пари у ЦВТ і ЦСТ і температури металу їхніх корпусів в обмеженому числі точок для засобів підтримки оптимального керування перемінними режимами та розрахункової оцінки індивідуальних: спрацьованого і залишкового ресурсів цих елементів.
Створення автоматизованих систем моніторингу і діагностики теплового і термонапруженого станів, які дозволяють в режимі реального часу оцінювати спрацювання ресурсу високотемпературних роторів на змінних режимах експлуатації, що обумовлені ринковими умовами. Поєднання їх з автоматизованими системами аналізу і діагностування вібраційного стану турбоагрегатів для створення комплексної системи оцінки надійності експлуатації турбіни.
Від звичного терміну «контроль» воно відрізняється тим, що визначається не тільки стан устаткування, але й термін подальшої його надійної роботи . Над створенням нормативних документів з розрахункового оцінювання ресурсу високотемпературних роторів і корпусів парових турбін ТЕС, безперечно, працюють фахівці Інституту проблем машинобудування (ІПМаш) НАН України. У цьому напрямку фахівці лабораторії металів АК „Київенерго” теж мають свої напрацювання в т.ч. вони знайшли вираження у нормативних документах енергетичної галузі і Держнаглядохоронпраці. Дослідження тонкої структури і пошкодження металу дозволили розробити нові методи оцінки залишкового ресурсу обладнання. Впровадження методів оцінки тріщиностійкості енергетичного лиття дозволило виконати систематичне обстеження корпусних деталей турбін високого тиску й у ряді випадків показати можливість їхньої експлуатації навіть з появою тріщин.
Розроблені і застосовуються методи оцінки залишкового ресурсу труб пароперегрівачів, визначення тривалої міцності сталі і гарячої твердості, оцінка корозійного зносу латунних труб теплообмінників та ін. Ведеться постійний пошук новітніх методів прогнозування надійної експлуатації та експертної оцінки фактичного стану різних вузлів устаткування. За результатами дослідження лабораторії було виведено з роботи велику кількість дефектних вузлів, забраковано багато труб і інших деталей при вхідному контролі, що дозволило уникнути багатьох поломок устаткування.
Від надійності металу устаткування і його працездатності багато в чому залежить надійність роботи електростанції і теплових мереж, тому девіз роботи працівників лабораторії і станційних лабораторій: від розробок – до практичного впровадження на діючому устаткуванні.
Лабораторія металів існує й активно працює вже 56 років. За довге життя вона мала різні назви: лабораторія, служба. Не міняється одне – служіння енергетиці на базі накопиченого досвіду і міцних знань колективу, відданого своїй справі. Зараз, на підході до свого 60-річчя служба металів являє собою сильний за технічними можливостями колектив, здатний вирішити практично будь-яке завдання, пов'язане з контролем металу. Сьогодні це єдина служба в Україні. яка виконує роботи з оцінки залишкового ресурсу по тріщиностійкості і пошкоджуваності методом прецизійного зважування. У 1997 році служба металів АК „Київенерго” була визнана Держнаглядохоронпраці України, як спеціалізованою організацією з технічного діагностування.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
