3.3. Микроструктурный мониторинг
3.3.1. Назначение и область применения
3.3.1.1. Технология ММ металла элементов ротора реализуется в соответствии с действующими НД.
3.3.1.2. При проведении ММ в первую очередь необходимо ориентироваться на изменения основных характеристик микроструктуры металла, контролируемых при монтаже оборудования и во время капитального ремонта. При необходимости контроль элементов ротора может осуществляться также в периоды остановов энергоблоков на средний или внеплановый ремонт.
3.3.1.3. Технология ММ включает: определение мест контроля, подготовку шлифов, выборку микрообразцов или снятие реплик, металлографический анализ средствами оптической и электронной микроскопии с записью и компьютерной обработкой портретов микроструктур, наполнение базы данных по микроструктурам металла образцов и работу с этой базой.
3.3.2. Методы металлографического анализа и условия их применения
3.3.2.1. Состояние структуры металла элементов ротора в условиях эксплуатации определяется неразрушающими методами с помощью:
- изготовления металлографических шлифов непосредственно на элементах с последующим просмотром и регистрацией структуры либо с применением переносных микроскопов, оснащенных фото- или видеокамерой, либо путем снятия реплик (оттисков) с подготовленного на элементе металлографического шлифа и последующего их анализа в металлографических лабораториях;
- отбора микрообразцов, не нарушающих целостность элементов, с последующим анализом в металлографических лабораториях.
3.3.2.2. Определение опасных мест элементов ротора, из которых должна производиться выборка микрообразцов или снятие реплик, осуществляется как на основании расчетов (максимальное исчерпание ресурса), так и с учетом мирового опыта, основанного на статистике повреждений и результатов испытаний образцов металла и ротора в целом. При выборе мест для ММ используются также специальные средства неразрушающего контроля (УЗК, МПД, ВТК, ДАО-технологии).
3.3.2.3. Контроль микроповреждений на поверхности дисков и полумуфт в опасных местах сначала осуществляется на предварительно подготовленных площадках-шлифах с помощью переносного микроскопа и (или) методом реплик. Затем в местах, где выявлены микродефекты, для определения микроповреждений на поверхности и по глубине поверхностного слоя производится выборка микрообразцов.
3.3.2.4. Для контроля микроповрежденности металла ЦПР, тепловых канавок, пазов дисков под лопатки производится выборка микрообразцов.
3.3.3. Снятие реплик, выборка микрообразцов, подготовка шлифов
3.3.3.1. Снятие реплики (оттисков) для металлографического анализа производится по технологии, регламентированной действующими НД.
3.3.3.2. Размеры шлифа для снятия реплик определяются возможностью его изготовления и необходимостью иметь полированную площадку с размерами не менее 30 х 20 мм. При подготовке шлифа должен быть удален обезуглероженный слой металла. Толщина удаляемого слоя металла не должна превышать 1 мм.
3.3.3.3. Выборка микрообразцов выполняется методом электроэрозионной резки с помощью специального устройства; при выборке микрообразцов из ЦПР такое устройство монтируется на специальную штангу.
3.3.3.4. Глубина лунки, создаваемой при выборке микрообразца, не должна превышать 1,8 мм. Лунка удаляется механическим способом с помощью шлифовальной машинки с мелкозернистым наждачным камнем диаметром 30 - 50 мм, в результате чего образуется плоская лыска со сглаженными кромками с характерным размером 20 - 30 мм. При этом толщина удаленного слоя не должна превышать 2 мм.
3.3.3.5. Подготовка шлифов на элементах для снятия реплик и контроля с помощью переносного микроскопа, а также для исследований на стационарных микроскопах выполняется согласно требованиям ОСТ 34-70-690-96 [4].
3.3.3.6. Зоны, где должна производиться выборка микрообразцов из РВД и РСД, указаны на рисунке 1 (не приводится).
3.3.4. Исследование микроструктуры и поврежденности металла
3.3.4.1. Микроструктурный анализ металла образцов включает: оценку наличия и характера распределения неметаллических включений, определение величины зерна, ориентации и распределения отдельных структурных составляющих, их микротвердости, особенностей возникновения и развития микроповреждений металла.
3.3.4.2. Металлографический анализ шлифов микрообразцов проводится на металлографических микроскопах при 50 - 1000-кратных увеличениях, позволяющих наблюдать шлиф в отраженном свете. При необходимости такие же шлифы можно использовать для электронной растровой микроскопии при 2000 - 5000-кратных увеличениях.
3.3.4.3. Дефекты типа макропор, трещин, неметаллических включений выявляются на полностью подготовленных шлифах в нетравленом состоянии при 50 - 100-кратных увеличениях. Определение неметаллических включений осуществляется в соответствии с ГОСТ 1778-70 [5].
3.3.4.4. Оценка величины зерна производится в соответствии с ГОСТ 5639-82 [6].
3.3.4.5. Металлографический анализ реплик выполняется по технологии, аналогичной применяемой при исследовании микрошлифов образцов. Анализ осуществляется на металлографических микроскопах при 50 - 1000-кратных увеличениях в отраженном свете. В результате анализа определяются величина зерна, наличие, форма и размеры неметаллических включений, микроструктура и морфологические особенности микроповрежденности порами, цепочками пор, микротрещинами.
3.3.4.6. В результате исследования микрообразцов, реплик дается характеристика микроструктуры и оценивается микроповрежденность металла элементов роторов.
3.3.4.7. Категории повреждения микроструктуры металла роторных сталей в процессе длительной эксплуатации от исходного состояния до образования макротрещин устанавливаются по шкалам микроструктур в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1
КАТЕГОРИИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ РВД
И РСД ПАРОВЫХ ТУРБИН В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
┌───┬────────────────────────────────────────────────────────────┐ │КПМ│ Характеристика микроструктуры │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │1 │Микроструктура в пределах сдаточной исходной - бейнитная, │ │ │ферритно-бейнитная. Металлографические дефекты отсутствуют │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │2 │Небольшие изменения исходной микроструктуры на начальной │ │ │стадии старения, например увеличение количества карбидов │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │3 │Изменение исходной микроструктуры (сфероидизация бейнита - │ │ │2-й балл по шкале сфероидизации) или выявление металлурги- │ │ │ческих дефектов менее критического размера │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │4 │Заметные изменения исходной микроструктуры (сфероидизация │ │ │бейнита - 3-й балл по шкале сфероидизации); отсутствие │ │ │микропор размером более 1 мкм (не выявляются при исследова- │ │ │нии методом оптической микроскопии) │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │5 │Большие изменения микроструктуры - наличие микропор размером│ │ │более 1 мкм (сфероидизация бейнита - 4-й балл и выше по │ │ │шкале сфероидизации) │ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │6 │Наличие цепочек пор и(или) микротрещин глубиной менее 0,2 мм│ ├───┼────────────────────────────────────────────────────────────┤ │7 │Наличие макротрещин глубиной более 0,2 мм │ └───┴────────────────────────────────────────────────────────────┘
3.3.5. Компьютерная запись и обработка микроструктур
Микроструктуры фиксируются в памяти компьютера в виде растровых файлов (портретов) в стандартных графических форматах BMP или JPEG. Для этой цели используется специальный комплекс, состоящий из микроскопа, сканирующего устройства (цифровой видеокамеры или фотоаппарата, имеющих интерфейс с компьютером) и компьютера.
Специально разработанное программное обеспечение позволяет улучшить визуальные характеристики портрета, в том числе: увеличить контрастность и выровнять освещенность, уменьшить высокочастотный шум, а также определить такие количественные характеристики микроструктуры, как средний размер зерна, максимальный и средний размер пор, средний размер и плотность распределения карбидов и др.
Наличие банка портретов микроструктур с различной поврежденностью позволяет создавать электронные атласы микроструктур для применяющихся в теплоэнергетике сталей.