Металлографический метод. Оболочка ТЭНа из стали
Указанные выше методические принципы могут быть применены и для электрокипятильников, трубчатая оболочка которых выполнена из стали.
Для проведения металлографического анализа из оболочки стального ТЭНа также приготавливают два продольных микрошлифа: первый - на участке вблизи края трубки, второй - в средней ее части [54]. Если трубчатая оболочка выполнена из углеродистой стали обыкновенного качества, то ее выявляют с помощью 3-% раствора азотной кислоты (HNO3) в этиловом спирте (C2H5OH). Если материал - нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т, для травления используется реактив следующего состава: соляная кислота (HCl) - 500 см3, серная кислота (H2SO4) - 35 см3, медный купорос (CuSO4) - 150 г.
Далее c помощью оптического микроскопа (при увеличениях 50 - 250х) устанавливают особенности микроструктуры шлифов и вычисляют размер зерна. Расчет размера зерна может быть произведен при помощи компьютерного анализатора изображения.
При аварийном режиме различие в структуре шлифов будет обусловлено степенью локального прогрева трубки собственным нагревательным элементом (спиралью) и может также отличаться, как литая и деформированная структура, подвергшаяся рекристаллизации. Если литая структура отсутствует, то выявляется разница размера зерна по длине и толщине трубки. Может оказаться, что разница среднего размера зерна внутренней и внешней зон существенна: средний размер зерен внутренней зоны в 5 - 6 раз выше, чем внешний. Именно такая структура указывает на перегрев ТЭНа в результате протекания аварийного режима.
|
|
|
В других случаях средний размер зерен внутренней и внешней зон трубки одинаков, но вблизи края трубки наблюдается мелкозернистая структура, а в средней части - крупнозернистая. Увеличение среднего размера зерен в три и более раз свидетельствует о локальном перегреве в средней части в условиях сниженного теплообмена.
Метод определения микротвердости
Еще одним методом, позволяющим выявить и зафиксировать фазовые и структурные превращения материала трубки нагревательного элемента, вызванные ее локальным перегревом при аварийном режиме работы, является измерение микротвердости трубки по месту расположения нагревательной спирали с помощью микротвердомера ПМТ-3М [6, 55].
Уменьшение микротвердости поверхностных слоев металла оболочки ТЭНа при аварийном режиме работы в основном объясняется разрыхлением поверхности вследствие процессов окисления и рекристаллизации на локальном участке, где заложена нагревательная спираль, и соответствующим изменением физико-механических свойств металла оболочки. На выводном участке, где спираль отсутствует, этого не происходит.
|
|
|
Таким образом, в случае аварийного режима работы, по изменениям величины микротвердости, измеряемой по длине ТЭНа электрокипятильника, четко прослеживается граница между зоной укладки нагревательной спирали и зоной, где она отсутствует [55].
Измерение микротвердости
Принцип действия микротвердомера основан на вдавливании алмазного наконечника (конуса, пирамиды, или шарика) в исследуемый образец под определенной нагрузкой и измерении линейной величины диагонали или стороны полученного отпечатка.
Значение микротвердости рассчитывают по формуле:
где Н - микротвердость по методу Виккерса;
Р - нормальная нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику (пирамида), кгс;
d- среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка, мм;
Поскольку задачей исследования является не определение абсолютных значений твердости оболочки ТЭНа, а их сравнение на отдельных участках, то результаты измерений могут выражаться в относительных единицах.
Методика проведение исследования
Для определения микротвердости ТЭНа, представленного на исследование, боковую поверхность фрагмента трубки стачивают, шлифуют и полируют. Микротвердость определяют на плоской полированной чистой поверхности с шероховатостью не более 0,32 мкм. При подготовке поверхности образцов (фрагментов трубки ТЭНа) особое внимание обращают на то, чтобы в результате механической обработки не произошло наклепа или нагрева поверхности, поскольку это может привести к искажению величины микротвердости.
|
|
|
Подготовленный фрагмент трубки ТЭНа при помощи прессика закрепляют пластилином на пластинке (или металлической призме) так, чтобы исследуемая поверхность расположилась параллельно рабочей плоскости столика, на которой устанавливается пластинка с исследуемым образцом.
При выборе нагрузки учитывают площадь участка, твердость которого измеряется, и толщину образца (или слоя); расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее двойного размера отпечатка. Расстояние между центрами соседних отпечатков должно превышать размер отпечатка не менее чем в 3 раза, минимальная толщина образца должна превышать глубину отпечатка не менее чем в 10 раз.
Интерпретация результатов исследования
Если аварийного режима работы кипятильника не было или, если он отожжен в результате внешнего нагрева (воздействия тепла пожара), твердость трубчатой оболочки ТЭНа должна быть примерно одинаковой по всей длине (рисунок 2.71 а, в).
|
|
|
При аварийном режиме работы ТЭНа (без водяного охлаждения) разогрев трубчатой оболочки изнутри, раскаленной спиралью, приводит к рекристаллизации металла трубки на локальном участке (участок II на рисунке 2.71), где проходит спираль. В результате на данном участке твердость металла в 1,5 - 2,0 и более раз ниже, чем на вводном участке. По измеренной величине твердости между участками I и II наблюдается четко выраженная граница.
Таким образом, факт работы кипятильника в аварийном режиме устанавливается по экстремально низкой твердости трубчатой оболочки ТЭНа в зоне расположения нагревательной спирали.
| а) до пожара | б) после пожара, в случае работы кипятильника в аварийном режиме | в) кипятильник пострадал от внешнего теплового воздействия |
Рисунок 2.71 - Твердость трубки ТЭНа электрокипятильника в различных ситуациях (микротвердомер ПМТ-3М)
Необходимо отметить, что данное правило установления факта аварийного режима обратной силы не имеет - отсутствие различий в величине твердости в двух зонах трубки не исключает причастности кипятильника к возникновению пожара. Ибо весьма вероятна ситуация, что трубка ТЭНа полностью отожглась в результате последующего нагрева в ходе пожара и перешла из состояния, показанного на рисунок 2.71 б, в состояние изображенное на рисунке 2.71 в. При этом сформировавшиеся ранее признаки работы в аварийном режиме нивелируются. Здесь многое зависит от температурной зоны, где во время пожара оказался кипятильник. ТЭНы, находившиеся на полу, как правило, сохраняют искомые признаки [6].
Исследование электроутюгов
Методические рекомендации по металлографическому исследованию электроутюгов на предмет установление факта их работы в аварийном режиме опубликованы в работе [56].
При тепловом воздействии электроутюга с отключенным терморегулятором разложение горючих материалов начинается через 5 - 6 мин, при этом температура в месте контакта составляет 300 - 350 °С [56]. При дальнейшем повышении температуры возникает горение. Время работы электроутюга в аварийном режиме до момента разрыва электрической цепи - от 10 до 36 мин, при этом температура достигает 500 - 700 °С.
В результате протекания аварийного режима на поверхности трубчатой оболочки могут образовываться наплавы, а также сквозные проплавления. В случае значительных разрушений оболочки ТЭНа по ее длине, необходимо иметь в виду возможность иного механизма ее разрушения. Подошвы некоторых утюгов изготавливаются из алюминиевых сплавов. При высокотемпературном воздействии возможно взаимодействие стальной оболочки ТЭНа с алюминиевым сплавом и проявление т.н. металлургического эффекта, т.е. плавление стали при более низких температурах (менее 1500 °С).
Установить факт работы электроутюга в аварийном режиме можно с помощью металлографического исследования микроструктуры трубчатой оболочки ТЭНа. При аварийном пожароопасном режиме нагрев трубчатой оболочки ТЭНа неравномерен (температура в средней части существенно отличается от температуры на краях оболочки), образуются места локальных оплавлений, появляется различная по толщине окалина, изменяется размер зерен по длине и толщине металлической оболочки. Из-за слабого теплового воздействия пожара сохраняется структура трубки ТЭНа, появившаяся вследствие аварийного режима.
Методика проведения исследования
Для выявления микроструктуры трубчатой оболочки ТЭНа из нее вырезают два образца: на участке вблизи края и в средней части. Изучение микрошлифа производится в продольном направлении.
Микроструктуру трубчатой оболочки выполненной из углеродистой стали выявляют следующим реактивом: 3-% раствор азотной кислоты (HNO3) в этиловом спирте (C2H5OH). Исследование проводят с помощью металлографического микроскопа (например, МЕТАМ РВ-21) при увеличениях 50 - 250х.
В ходе исследования устанавливают особенности микроструктуры (форма и размер зерна) трубчатой оболочки ТЭНа на обоих участках.
Интерпретация результатов исследования
При аварийном режиме работы ТЭНа:
- может наблюдаться такое же различие в микроструктуре участков, расположенных вблизи края и в средней части трубки, как между литой структурой и рекристаллизованной;
- имеется разница в величине размера зерна на двух участках стальной трубчатой оболочки;
При отсутствии указанных выше признаков, т.е. размер зерна на обоих участках одинаков, делается вывод о том, что установить факт протекания аварийного пожароопасного режима работы электроутюга не представляется возможным.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 162; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!