Turbina shpilkasi nosozligi, yuqori haroratda ishlaydigan turbina birikmasida qoʻllanilgan ASTM A193/A193M Grade B16 Cr–Mo–V poʻlat shpilkalarning rezba tubida boshlangan charchash yoriqlari xizmat davomida kamaygan zarba energiyasi va moʻrt sinishga moyil material holati bilan birlashishi natijasida rivojlangan koʻp omilli mexanik shikastlanishdir. Oʻrganilgan turbinada sakkizta shpilkaning toʻrttasi taxminan toʻrt yillik foydalanishdan soʻng singan va bu toʻrtta shpilka bir-biriga qoʻshni joylarda bo‘lgan. Sinish yuzasida rezba tubida koʻp sonli fatigue ratchet marks, temperlangan martensitik mikrostruktura, choʻzilgan sulfid/silikat inkluziyalar, sferoidlashgan karbidlar va taxminan 45 μm qalinlikdagi yuqori harorat oksid qatlami aniqlangan. Xizmat qilgan shpilkaning oʻrtacha Charpy zarba energiyasi 8,83 J boʻlgan, ishlatilmagan materialda esa 72,78 J; bu taxminan %87,9 kamayishdir. Tadqiqot nosozlikni bitta nuqsonga emas, balki rezba tubidagi kuchlanish konsentratsiyasi, siklik yuklanish, ehtimoliy notekis preload, oksidlanish, inkluziyalar va past zarba energiyasining birgalikdagi taʼsiriga bogʻlaydi.

Tadqiqotning muhim muhandislik xulosasi shuki, yuqori qattiqlik yoki yuqori choʻzilish mustahkamligi oʻzi xavfsiz ishlashni kafolatlamaydi. Xizmat qilgan shpilkada choʻzilish mustahkamligi yuqori saqlangan boʻlsa-da, uzayish, kesimning qisqarishi va ayniqsa Charpy zarba energiyasi sezilarli darajada kamaygan. Shu sababli yuqori haroratda siklik yuklanadigan rezbali birikmalarda faqat mustahkamlik emas, balki plastiklik, zarba energiyasi, sirt yaxlitligi, inkluziya morfologiyasi va montaj preload nazorati birgalikda baholanishi kerak.

Oʻrganilgan nosozlik

Sanoat turbinalarida shpilkalar montaj preload-i, ish bosimi, tebranish, issiqlik kengayishi, harorat gradientlari va start-up/shutdown sikllari sabab bir vaqtning oʻzida bir nechta yuklanish mexanizmlariga duch keladi. Oʻrganilgan turbinada sakkizta shpilkaning toʻrttasi taxminan toʻrt yillik xizmatdan soʻng singan.

Bu toʻrtta singan shpilkaning tasodifiy tarqalish oʻrniga ayni yuqori yuklanish hududida va yonma-yon joylashgani material xususiyatlariga qoʻshimcha ravishda mahalliy montaj yoki yuk taqsimoti muammosi boʻlishi mumkinligini koʻrsatadi.

Rezba Tubi Nega Charchash Yorigʻi Uchun Kritik Hududdir?

Rezba tubi kesim geometriyasi keskin oʻzgaradigan oʻyiq hududidir va nominal oʻq bo‘ylab kuchlanishdan ancha yuqori mahalliy kuchlanishlarni hosil qilishi mumkin. Mexanik ishlov bilan ochilgan rezbalarda asbob izlari, kichik ildiz radiusi, sirt tirnalishlari va qoldiq kuchlanishlar bu konsentratsiyani yanada oshirishi mumkin; shu sababli u siklik yuk ostida charchash yoriqlari boshlanishi uchun tabiiy kritik hududdir.

Oʻrganilgan namunalar

Tadqiqotda uchta shpilka P1, P2 va P3 deb nomlangan:

• P1: choʻzilish namunasi uchun ishlatilgan.
• P2: metallografiya va Charpy sinovlari uchun ishlatilgan.
• P3: sinish yuzasi, qattiqlik va kimyoviy tahlil uchun ishlatilgan.

Bundan tashqari, xuddi shu deklaratsiyalangan materialdan tayyorlangan ishlatilmagan silindrsimon sterjen xizmat ko‘rmagan etalon material sifatida oʻrganilgan.

Tahlil usullari

Tadqiqot quyidagi usullarni birgalikda qoʻllagan:

• makroskopik sinish tekshiruvi,
• optik emissiya spektrometriyasi,
• ASTM E3 ga muvofiq metallografik namuna tayyorlash,
• optik mikroskopiya,
• ASTM E45 ga muvofiq inkluziyalarni tasniflash,
• stereomikroskopik fraktografiya,
• SEM tekshiruvi,
• lokal EDS tahlili,
• ASTM E18 Rockwell C qattiqligi,
• ASTM E23 Charpy V-notch,
• ASTM E8/E8M choʻzilish sinovi.

Material: ASTM A193/A193M Grade B16

B16 yuqori harorat yoki yuqori bosim ostidagi bolt/shpilka qoʻllanmalarida ishlatiladigan Cr–Mo–V qotishmali poʻlatdir. Oʻrganilgan shpilkadagi asosiy elementlar manbada keltirilgan Grade B16 etalon oraligʻiga umuman mos keladi.

Alyuminiy %0,029 bo‘lib, manbada ko‘rsatilgan maksimal %0,015 qiymatdan yuqori aniqlangan. Biroq tadqiqot bu kimyoviy ogʻishni oʻzi sinish sababi deb hisoblamaydi.

Ishlatilmagan sterjen materiali bilan kimyoviy taqqoslash

Ishlatilmagan sterjenda Si %0,43 va Mo %0,67 oʻlchangan. Bu qiymatlar manbada koʻrsatilgan etalon oraligʻidan biroz yuqori. Bu farqlar material sertifikati, qoʻllanilgan ASTM versiyasi va lot bir jinsliligini tekshirish zarurligini koʻrsatadi; ammo ular toʻgʻridan-toʻgʻri sinish sababi sifatida isbotlanmagan.

Mikrostruktura

Xizmat qilgan shpilkaning matritsasi temperlangan martensitdan iborat. Mikrostrukturada:

• globulyar oksid inkluziyalari,
• choʻzilgan sulfid yoki silikat inkluziyalari,
• avvalgi austenit don chegaralari yaqinida sferoidlashgan karbidlar,
• sirtda yuqori harorat oksid qatlami

kuzatilgan.

Inkluziyalarning roli

Choʻzilgan sulfid yoki silikat inkluziyalari metall matritsaga nisbatan boshqa elastik/plastik xususiyatlar va boshqa interfeys mustahkamligiga ega. Ayniqsa uzun va ingichka inkluziyalarning uchlarida mahalliy kuchlanish konsentratsiyasi oshishi mumkin.

Bu inkluziyalarning rezba tubi kabi allaqachon geometrik jihatdan kritik hududga yaqin joylashishi mikroyoriq yoki mikroboʻshliq hosil boʻlishini osonlashtirishi mumkin bo‘lgan sharoit yaratadi.

Karbidlarning taqsimlanishi

Sferoidlashgan karbidlar ayniqsa avvalgi austenit don chegaralari bo‘ylab to‘plangan. Manba bu morfologiya va taqsimot mahalliy plastik deformatsiya qobiliyatini kamaytirishi va muayyan sharoitlarda intergranulyar ajralishni osonlashtirishi mumkinligini muhokama qiladi.

Sirt oksidlanishi

Rezba sirtlarida taxminan 45 μm qalinlikdagi yuqori harorat oksid qatlami kuzatilgan. Oksid–metall interfeysi tekis emas, tishli/serrated morfologiyani koʻrsatadi.

Bunday interfeys allaqachon kuchlanish konsentratsiyasi mavjud bo‘lgan rezba tubida qoʻshimcha mikroskopik notekisliklar hosil qilishi mumkin. Biroq manba oksidlanishning o‘zi asosiy sinish sababi ekani isbotlanmaganini aniq taʼkidlaydi.

EDS bilan lokal inkluziya tahlili

Charpy sinish yuzasidagi lokal zarrachaning EDS tahlilida taxminan:

• Si: %13,46,
• S: %25,71,
• Ti: %45,29,
• Fe: %15,42,
• Ni: %0,12

aniqlangan. Bu qiymatlar faqat lokal, yarim miqdoriy tahlildir; poʻlatning umumiy kimyoviy tarkibini ifodalamaydi.

Sinish yuzasi

P3 shpilkasining sinish yuzasida bir nechta boshlanish hududi mavjud. Bu hududlar rezba tubida toʻplangan va ratchet marks bilan bogʻlangan.

Ratchet marks turli nuqtalarda boshlangan charchash yoriqlarining rivojlanib, bir-biri bilan qoʻshilganini koʻrsatadigan tipik makroskopik belgilar hisoblanadi.

Ratchet Marks Bu Sinishda Nimani Koʻrsatadi?

Ratchet marks shpilkadagi yoriq bitta boshlanish nuqtasidan emas, balki rezba tubi bo‘ylab bir nechta mahalliy boshlanish nuqtalaridan rivojlanganini ko‘rsatadi. Bu topilma siklik yuk ostida rezba geometriyasi, sirt ishlov izlari, oksidlanish, inkluziyalar yoki turli preload darajalari kabi bir nechta mahalliy kuchlanish konsentratorlari bir vaqtning oʻzida taʼsir qilishi mumkinligi haqidagi talqinni qoʻllab-quvvatlaydi.

SEM fraktografiyasi

SEM tekshiruvi ayrim hududlarda intergranulyar sinish morfologiyasini ko‘rsatgan. Charpy namunalarida esa keng hududlarda cleavage-ga o‘xshash moʻrt sinish morfologiyasi kuzatilgan.

Cleavage morfologiyasi sinishdan oldingi plastik deformatsiya cheklanganini va past energiya yutilishi bilan mos keladigan xatti-harakatni koʻrsatadi.

Qattiqlik

Ishlatilmagan sterjen oʻrtacha 29,8 HRC ko‘rsatgan. Manbada B16 uchun ko‘rsatilgan 25–35 HRC oraligʻida qolganligi sababli, qoʻpol qattiqlik anomaliyasi o‘zi sinishni izohlamaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Charpy zarba energiyasi

Xizmat qilgan shpilka ishlatilmagan materialning atigi taxminan %12,1'i miqdoricha energiya yuta olgan.

Nisbiy kamayish:

\[ \Delta E= \frac{72.78-8.83}{72.78}\times100 \approx87.9\% \]

deb hisoblanadi.

Charpy Natijasidagi 8,83 J Qiymati Nimani Anglatadi?

8,83 J xizmat qilgan shpilka materialining kertikli Charpy namunasi dinamik sinish vaqtida yutgan oʻrtacha energiyadir. Bu qiymat ishlatilmagan materialdagi 72,78 J dan ancha past va kompaniyaning ushbu qoʻllanma uchun belgilagan >20 J qabul mezoniga javob bermaydi; biroq Charpy energiyasi toʻgʻridan-toʻgʻri sinish chidamliligi \(K_{IC}\) emas.

Kompaniya qabul mezoni

Kompaniya ushbu qoʻllanma uchun Charpy energiyasi 20 J dan yuqori boʻlishini talab qiladi. Bu qiymat ASTM A193/A193M ning universal minimumi emas, balki kompaniyaning qoʻshimcha loyihalash/qabul mezonidir.

Xizmat qilgan shpilkaning 8,83 J oʻrtacha qiymati bu mezonning atigi taxminan %44,2 qismini tashkil etadi.

Choʻzilish sinovi

P1 ning choʻzilish mustahkamligi ishlatilmagan sterjenga nisbatan taxminan %10,5, oquvchanlik mustahkamligi esa taxminan %22,7 yuqori. Aksincha, uzayish taxminan %20,5 va maydonning qisqarishi taxminan %29,5 kamaygan.

Yuqori mustahkamlik, ammo past plastiklik

Bu kombinatsiya nosozlik tahlilining markazida turadi. Shpilka yuqori monoton yuk ko‘tarish qobiliyatini saqlab qolgan holda plastik deformatsiyalanish va dinamik energiyani yutish qobiliyatini yoʻqotgan.

Shu sababli faqat Rockwell qattiqligi yoki choʻzilish mustahkamligiga qarash yuqori haroratda xizmat qilgan rezbali detal ishonchliligini baholash uchun yetarli emas.

Ehtimoliy preload notekisligi

Manbaga ko‘ra barcha shpilkalar montajdan oldin magnit zarracha nazoratidan o‘tkazilgan, ammo siqish vaqtida moment nazorati qoʻllanilmagan.

Agar sakkizta shpilkaning preload darajalari teng bo‘lmagan bo‘lsa, ayrim shpilkalar birikma yukining kattaroq qismini ko‘tarishi mumkin. Singan toʻrtta shpilkaning qoʻshni joylarda bo‘lishi bu ehtimolni kuchaytiruvchi geometrik topilmadir; biroq tadqiqot toʻgʻridan-toʻgʻri preload o‘lchovini amalga oshirmagani sababli bu holat aniq oʻlchangan emas.

Taklif etilgan sinish mexanizmi

1. Rezba tubi geometriyasi yuqori mahalliy kuchlanish hosil qiladi.
2. Ishlov izlari, oksid notekisliklari va inkluziyalar ayrim hududlarda kuchlanish konsentratsiyasini yanada oshiradi.
3. Issiqlik va mexanik sikllar ostida rezba tubida bir nechta charchash yorigʻi boshlanadi.
4. Ratchet marks ushbu koʻp boshlanish hududlari rivojlanib, birlashganini ko‘rsatadi.
5. Yoriqlar rivojlangan sari samarali yuk ko‘taruvchi kesim kamayadi.
6. Qolgan kesim atigi 8,83 J oʻrtacha Charpy energiyasiga ega, zarba energiyasi past bo‘lgan material holatida yuk ko‘tarishda davom etadi.
7. Yakuniy sinish cleavage/intergranulyar xarakter ustun bo‘lgan yanada moʻrt mexanizm bilan tugaydi.

Bu Nosozlikning Bitta Ildiz Sababi Bormi?

Yoʻq. Tadqiqot nosozlikni koʻp omilli deb tasniflaydi. Charchash yoriqlarining rezba tubida boshlanishida geometrik kuchlanish konsentratsiyasi, ehtimoliy ishlov izlari, siklik yuk va mumkin bo‘lgan preload notekisligi rol oʻynagan bo‘lsa; past zarba energiyasi, choʻzilgan inkluziyalar, karbid taqsimoti va sirt oksidlanishi yoriq rivojlanishi hamda yakuniy moʻrt sinishga moyillikni oshirgan bo‘lishi mumkin.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlaydigan xulosalar

• Sinish boshlanishlari rezba tubida.
• Bir nechta fatigue crack initiation hududi mavjud.
• Ratchet marks siklik charchash boshlanishini qoʻllab-quvvatlaydi.
• Xizmat qilgan shpilkaning Charpy energiyasi ishlatilmagan materialnikidan taxminan %87,9 past.
• Xizmat qilgan material yuqori choʻzilish/oquvchanlik mustahkamligini saqlab, pastroq plastiklik ko‘rsatadi.
• Mikrostrukturada temperlangan martensit, sferoidlashgan karbidlar va metall bo‘lmagan inkluziyalar mavjud.
• Taxminan 45 μm sirt oksid qatlami mavjud.
• Sinish mexanizmi material + geometriya + montaj + xizmat yuklarining birikmasiga mos keladi.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlamaydigan xulosalar

• Oksidlanishning o‘zi nosozlikning asosiy sababi ekani isbotlanmagan.
• Muayyan bir inkluziyaning o‘zi toʻrtta shpilkani sindirgani isbotlanmagan.
• Preload darajalari toʻgʻridan-toʻgʻri o‘lchanmagan; faqat ehtimoliy hissa sifatida baholangan.
• Yoriq o‘sish tezligi o‘lchanmagan.
• Charpy natijasi toʻgʻridan-toʻgʻri \(K_{IC}\) sinish chidamliligi emas.
• Ishlatilmagan sterjen bilan tayyor shpilkaning ishlab chiqarish va issiqlik bilan ishlov berish tarixi butunlay bir xil ekani isbotlanmagan.
• Materialda kuzatilgan barcha mikrostruktura farqlari faqat toʻrt yillik xizmatdan kelib chiqqan deb aytib bo‘lmaydi.

Taklif etilgan tuzatish choralari

• Shpilka preload-i va siqish momentini belgilangan protsedura bilan nazorat qilish.
• Kalibrlangan moment kalitlari va qayd etilgan siqish ketma-ketligidan foydalanish.
• Imkon bo‘lsa shpilka uzayishi yoki toʻgʻridan-toʻgʻri preload o‘lchovi bilan montaj nazorati.
• Rezba tubi radiusi, sirt gʻadir-budurligi va ishlov izlarining oʻlcham nazorati.
• Prokatlash bilan hosil qilingan rolled thread variantini baholash.
• Poʻlat tozaligi va inkluziya morfologiyasini taʼminot spetsifikatsiyasiga kiritish.
• Lot va heat-number kuzatuvchanligini kuchaytirish.
• Kompaniyaning >20 J Charpy mezonini xarid va qabul shartlariga kiritish.
• Haqiqiy xizmat haroratiga mos termik qaritishdan soʻng mexanik sinovlar.
• Davriy magnit zarracha tekshiruvi va rezba tubiga yoʻnaltirilgan sirt nazoratlari.

Manba va Usul Haqida Izoh

Asl tadqiqot: Failure Analysis of Turbine Studs: Interaction of Fatigue Crack Initiation and Embrittlement

Muallif: Cassius O. F. T. Ruchert

Muassasa: University of São Paulo, Materials Engineering Department, EEL/USP.

Manba turi: Nosozlik tahliliga oid tadqiqot preprinti.

Taqriz holati: Taqrizdan oʻtmagan. PDF aniq “Preprint not peer reviewed” deb belgilangan.

Platforma: SSRN.

SSRN: Abstract 7208017.

DOI: Manba PDF da tekshiriladigan DOI ko‘rsatilmagani uchun qoʻshilmagan.

Oʻrganilgan material: ASTM A193/A193M Grade B16 Cr–Mo–V qotishmali poʻlat shpilkalar.

Xizmat muddati: Taxminan toʻrt yil.

Oʻrganilgan nosozlik: Sakkizta shpilkaning toʻrttasi ayni yuqori yuklanish hududida singan.

Usullar: Makroskopiya, optik emissiya spektrometriyasi, ASTM E3 metallografiyasi, ASTM E45 inkluziya tahlili, stereomikroskopik fraktografiya, SEM/EDS, ASTM E18 Rockwell C, ASTM E23 Charpy V-notch va ASTM E8/E8M choʻzilish sinovlari.

Asosiy cheklov: Tadqiqot yoriq o‘sish tezligini yoki haqiqiy preload taqsimotini miqdoriy o‘lchamagan. Ishlatilmagan sterjen bilan xizmat qilgan shpilkaning toʻliq ishlab chiqarish tarixlari aynan bir xil emas. Shu sababli xizmat taʼsiri, ishlab chiqarish taʼsiri va montaj taʼsirini toʻliq ajratib boʻlmaydi.

Eng muhim muhandislik xulosasi: Shpilka nosozligi bir parametrli emas; charchash boshlanishi bilan past zarba energiyali/moʻrtlashgan material holati rezba geometriyasi, oksidlanish, inkluziyalar va ehtimoliy preload notekisligi bilan birlashgan koʻp omilli sinishdir.