Склонность к локальным разрушениям в условиях эксплуатации

В период эксплуатации ряда трубопроводов, изготовленных из Cr-Ni жаропрочных сталей и работающих в условиях температур t=560-600°С, в сварных стыках выявлялись наружные трещины, проходящие в основном металле вблизи сварных швов. Эти трещины являются межкристаллитными, располагающимися на расстоянии одного-двух зерен от границы металла шва. Установлено, что их образование связано с напряжениями изгиба, которые вызывают ползучесть, а также что в этих условиях металл в околошовной зоне имеет меньшее сопротивление длительному разрушению чем основной металл или металл шва. Вопрос о локальных разрушениях сварных соединений из аустенитной стали находится в центре внимания исследователей, т.к. такие разрушения являются основной причиной аварий парогенераторов тепловых станций сверхвысоких параметров. Единой теории, объясняющей причины и механизм локальных разрушений, не существует.

Локальным разрушениям подвержены, как правило, сварные соединения толстостенных труб, работающие в условиях недостаточной компенсации температурных изменений по длине трубопровода и при частых теплосменах. Время до обнаружения трещин весьма различно, но чаще они обнаруживаются лишь после эксплуатации в течение нескольких тысяч часов. При этом уровень расчетных напряжений в деталях, пораженных трещинами, всегда ниже соответствующих пределов длительной прочности, полученных при испытании образцов в условиях одноосного растяжения. Известен ряд факторов, которые в настоящее время учитываются при изучении причин локальных разрушений:

¾ химический состав свариваемого металла, так стали типа Х18Н12, стабилизированные титаном или ниобием, признаны наиболее склонными к локальным разрушениям,

¾ механическая неоднородность сварных соединений, чтобы исключить в процессе эксплуатации локализацию деформаций в металле околошовной зоны,

¾ термодеформационный цикл сварки, который оказывает влияние на изменение структуры и свойств в процессе сварки и при эксплуатации, а также возможность релаксации остаточных напряжений.

На основании исследований, выполненных рядом институтов, можно предложить следующий механизм возникновения локальных разрушений. Хрупкие межкристаллитные разрушения в металле околошовной зоны сварных соединений из аустенитной стали обусловлены высоким уровнем местных остаточных напряжений, достигающих предела текучести материала, объемностью напряженного состояния и пониженной деформационной способностью материала при длительном высокотемпературном нагружении. Понижение деформационной способности металла околошовной зоны связано с упрочнением за счет наклепа, вызванного усадкой металла шва, а также неблагоприятным распределением фаз в теле и на границах зерен после сварки и длительной тепловой выдержки. Под воздействием термического цикла сварки металл околошовной зоны сварного соединения подвергается высокому нагреву (вплоть до оплавления границ зерен) и последующему охлаждению с большой скоростью. Местный характер нагрева вызывает упруго-пластические деформации, которые создают не только напряжения, но и приводят к упрочнению (наклепу). В результате наклепа и неблагоприятного расположения вторичных фаз в теле и по границам зерен при последующей высокотемпературной эксплуатации увеличивается сопротивление внутризеренной пластической деформации (упрочнение тела зерна) и создаются условия для локализации деформации по границам зерен.

Основные виды коррозии сварных соединений аустенитных материалов.

Аустенитные стали и сварные швы подвержены нескольким видам коррозионного разрушения, главными из которых являются:

• межкристаллитная коррозия (МКК);
• общая жидкостная коррозия в результате воздействия агрессивного реагента;
• коррозионное растрескивание (МККР ПН).

МКК наблюдается при выдержке стали или сварных швов при температурах 500-800°С или при медленном охлаждении их с 900-1000 °С. В процессе участки металла околошовной зоны подвергаются тепловому воздействию в области указанных температур и там может развиваться МКК. Суть этого процесса заключается в том, что при длительном пребывании металла в условиях указанных температур на границах зерен твердого раствора выпадают комплексные карбиды железа и хрома. Выпадение этих карбидов влечет за собой обеднение хромом (ниже 10-12 %) пограничных слоев зерен твердого раствора. Такое снижение содержания хрома приводит к потере коррозионной стойкости металла, т.к. карбиды хрома являются очень рыхлыми и по ним может свободно проходить коррозионная среда. Особенно опасен интервал температур 680-780°С, т.к. при этих температурах интенсивно происходят процессы диффузии углерода, который будет выпадать из раствора при медленном охлаждении. Применяются следующие методы предупреждения МКК;

· снижение содержания углерода в стали и швах до пределов растворимости (0,02-0,03 %);

· легирование элементами (Ti, Nb, Ta, Zr, V), обладающими большим сродством к углероду чем хром;

· закалка с 1050-1100°С с обязательным быстрым охлаждением или стабилизирующий отжиг при 850-900°С в течение 2-4 часов;

· повышение содержания феррита в швах до 20-25 % путем дополнительного их легирования хромом и такими элементами как Si, Al, V, Mo, W.

Разновидностью МКК является ножевая коррозия. Она возникает на узкой полосе вдоль шва непосредственно у линии сплавления. Обязательным условием появления этого вида коррозии является перегрев стали в околошовной зоны до 1200-1250^оС и повторное тепловое воздействие на этот участок критических температур 500-800^оС.

МККР ПН стали и сварных соединений образуется в результате совместного воздействия растягивающих напряжений и агрессивных реагентов (морская вода, бидистилат). МККР ПН подвержены преимущественно нестабилизированные аустенитные стали. Меры борьбы с МККР ПН:

¾ повышение в них содержания никеля до 40%,

¾ создание двухфазной структуры

¾ недопущение коробления и наклепа сварных изделий.

Литература

1 ПНАЭ Г-7-009-89. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные положения. Энергоатомиздат, 1991.

2. ПНАЭ Г-7-010-89. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля. Энергоатомиздат, 1991

3. Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. М., 1975.

4. Карзов Г.П., Тимофеев Б.Т., Горбаконь А.А., Петров В.А. Работоспособность аустенитных трубопроводов Ду-300 КМПЦ реакторов РБМК в условиях межкристаллитного коррозионного растрескивания. Физико-химическая механика материалов, № 5, 2000, с.5-10.

5. Тимофеев Б.Т., Федорова В.А., Бучатский А.А. Причины возникновения межкристаллитного коррозионного растрескиванияв сварных соединениях трубопроводов АЭС из аустенитной стали марки 08Х18Н10Т. Физико-химическая механика материалов, № 5, 2004.

6. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений.

7. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Термическая обработка сварных соединений. 1973

Дата добавления: 2014-01-05