Изпитвания на котелните стомани на парните локомотиви в БДЖ

Инж. Димитър ДЕЯНОВ

 

Както е известно, епохата на парната тракция у нас приключи преди повече от 25 години. Тогава (през 1980 г.) статистиката регистрира последните 0,03 % от общата превозна работа в БДЖ, извършена с парни локомотиви. Впоследствие мнозина решиха, че сме се разделили окончателно с огнедишащите машини, че те са останали безвъзвратно в историята на техниката и ще ги виждаме само в музейните експозиции. Оказа се, че не е така.

 

Днес в повечето страни на Европа и в целия свят са възстановени и действат стотици парни локомотиви, макар и с по-различно предназначение: те возят атракционни, туристически и юбилейни влакове за удоволствие на любителите на парната тракция в железниците, за ретросюжети във филмовата индустрия и с опознавателна цел за младите хора.

 

След 1986 г. в БДЖ също бяха възстановени няколко парни локомотива. Както се вижда от постоянно увеличаващите се ежегодни заявки, интересът към атракционните и екскурзионни пътувания с тях расте. Това налага на първо време да се предприеме възстановяването на още няколко локомотива и Съветът на директорите на БДЖ ЕАД през 2005 г. взе по принцип такова решение, нареждайки да се подложат на изпитване котелните стомани на определените за целта локомотиви.

 

Освен предвидените в последните (най-новите) предписания (ПЛС 302/85) механични изпитвания: на опън, на ударна жилавост и на огъване, химичен състав и определяне марката на стоманата, поръчахме и металографско изследване за микроструктурата на материала. Така за първи път през юни и юли 2005 г. котелната стомана на локомотивите 05.о1 и 03.12 беше подложена на металографско изследване. След това подобно изследване се направи и на котлите на теснолинейните машини 10⁷⁶ и 611⁷⁶.

 

Защо разширихме изискванията за изпитването на котелните стомани?

 

За да отговорим на този въпрос, се налага да припомним някои характерни особености на стоманите, като се ограничим само с най-необходимото от обширните знания за желязо-въглеродните сплави и техните производни.

 

Стоманите представляват деформируема (ковка) сплав на желязото (Fe) и въглерода (С) с неизбежните, в зависимост от метода на производството им, примеси от манган (Mn), силиций (Si), сяра (S), фосфор (Р) и други елементи. Специално котелните стомани за обикновените (класически) локомотивни котли, каквито са нашите, работещи с парно налягане до 16 kgf/cm² и температура около 200^o С, са нисковъглеродни стомани (С от 0,12 до 0,30 теглови процента) с примеси от Mn до 0,50 %, Si до 0,30 % и други незначителни (фосфор, сяра, хром, никел, мед и т.н.). По принцип, всички метали и техните сплави имат кристален строеж. Специално желязото, при загряване от обикновена температура до температурата на топене (1528^o C), преминава през 4 алотропни модификации: α до 768^o C, β до 906^o C, γ до 1401^o C и δ до 1528^o C. Всички модификации имат пространствено-центрирана кубична кристална решетка, с изключение на γ - желязото, което има равнинно-центрирана решетка. Тези подробности са важни, защото допускат различна степен на разтваряне (вграждане) на въглерода в кристалната решетка на желязото и образуването на така наречените “твърди разтвори”. Така например, максималната разтворимост на въглерода в α - Fe е до 0,03 %, а в δ - Fe до 0,1 %. При понижаване на температурата и преминаване от γ в α - желязо, пределната разтворимост на въглерода скокообразно намалява от 0,8 до 0,03 %, а освободеният въглерод, отделен от кристалната решетка на желязото по дифузионен път, образува химическо съединение Fe₃C (железен карбид).

 

Механизмът на кристализационния процес е следният: при застиването на стопилката и достигане точката на втвърдяването, на различни места в нея се появяват кристализационни центрове, около които започва образуването на отделните кристали. В процеса на по-нататъшното охлаждане, в стопилката възникват нови центрове, около които се образуват нови кристали, а вече образуваните нарастват и това продължава докато цялата стопилка се втвърди напълно. Кристализационните центрове получават различна ориентация, а кристалите се възпрепятстват взаимно при нарастването си. В резултат от това се получават неправилно оформени кристални форми, които се наричат кристалити (зърна) и притежават различни свойства (фиг.1)

 

При изследване на микроструктурата на нисковъглеродните стомани, каквито са котелните за локомотиви, чието производство става при нормална скорост на охлаждане, се установява наличието на:

 

Ферит (твърд разтвор на въглерод в кристалната решетка на α - желязо). Феритът е най-меката и пластична съставка на стоманата (твърдост по Бринел - Н_В = 80 до 100 единици). Той носи магнитните свойства на стоманата.

 

Цементит - така се нарича железният карбит - Fe₃C в металографията - нестабилно химическо съединение на желязото с 6,67 % въглерод. Цементитът е най-твърдата съставна част на желязо-въглеродните сплави (твърдост Н_В > 700 единици).

 

Перлит - смес от ферит и цементит.

 

След производството на изделието от стомана, последната запазва микроструктурата си неограничено време, ако не бъде подложена на механично и топлинно натоварване или поставена продължително време в тежка агресивна среда. В този смисъл, наличните у нас нови пещи за локомотивни котли серия 14 и 15, макар и произведени преди 40 години, запазват ресурса си и той ще започне да тече от момента, когато бъдат вградени в някой действащ локомотивен котел. Само че ние не ги пазим. Те стоят на открито върху терена в база Калояновец и дори не се боядисват периодично, за да се предпазят от повърхностна корозия.

 

Когато един котел е действащ, след определено време, което зависи от: качеството на стоманата, вложена в конструкцията му; големината на механичното (от работното налягане) и топлинното (от работната температура) натоварване; времето, през което е подложен на тези натоварвания; постоянни или променливи са натоварванията; броя на пусканията (запалване) и спиранията (загасване) на котела, в микроструктурата на котелната стомана настъпват определени изменения. Тези изменения са: ивичност (линейно разположение на кристалитите от ферит и перлит), зоново обезвъглеродяване, сливане (нарушаване на цементитната мрежа) в различна степен между отделните структурни зърна на материала и др.

 

Доколкото тези микроструктурни изменения, в най-общия случай, предшестват понижените якостни показатели на котелната стомана, микроструктурното изследване ни дава ориентировъчна (а понякога и доста точна) представа за остатъчния ресурс на материала. Например котелната стомана на теснолинейния локомотив 1076 отговаря на всички якостни изпитвания, съгласно изискванията на ПЛС 302/85, но микроструктурното изследване показа почти 70 % ивичност надлъжно и напречно в средната част от дебелината на котелната ламарина, изчезване на границата (сливане) между голяма част от структурните зърна и значително обезвъглеродяване (фиг. 3).

 

Това показва, че котелната стомана, въпреки добрите механични показатели, които все още има, се приближава към края на своя ресурс и този котел не трябва да бъде възстановяван като действащ. То дава отговор и на въпроса, защо освен механични изпитвания (по ПЛС 302/85), трябва да се правят и металографски изследвания за микроструктурата на котелните стомани, като може би вторите трябва да предшестват първите за набелязания за възстановяване парен локомотив.

 

Комплексните (механични и металографски) изпитвания на образците котелна стомана на локомотивите 03.12, 10⁷⁶ и 611⁷⁶ се направиха в лабораторията “Механични изпитвания и контрол” при Техническия университет - София, под ръководството на доц. д-р инж. Божана Табакова и са значително по-пълни от извършваните в други лаборатории. Освен това, благодарение на доброто сътрудничество с лабораторията в ТУ - София, се установи, че поради съвременните методи за разкрояване за получаване на необходимите пробни тела (епруветки) и шлифове от представения материал, е възможно, без да пострадат количеството и качеството на изпитванията, изрязваното парче от котелната стомана да бъде с размери 300 х 250 mm, вместо 400 х 350 mm, както е според § 11 на ПЛС 302/85. Така повърхността, респективно масата, на изрязваното парче намаляват с около 46 %, а дължината на заваръчния шев при възстановяването на парчето – с почти 30 %, което облекчава значително работата, времето и разходите за затварянето на отвора в котелния барабан.

 

Въведената вече от около година практика, при изпитвания на котелните стомани да се поръчва и извършването на металографско изследване, увеличава цената на изпитванията с около 100 лева, но в замяна на това дава извънредно ценна информация за състоянието на материала, от който е изграден котелът на локомотива, определен да бъде възстановен като действащ.