CC BY
179
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК. 621.052.08
К.А. Лисицын, А.Н.Смирнов
ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ, ОТРАБОТАВШИХ РАСЧЕТНЫЙ СРОК В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Тепловые электрические станции (ТЭС) оснащены мощными энергетическими установками, производящими тепловую и электрическую энергию. Обеспечение высокой работоспособности и надежной эксплуатации оборудования ТЭС в значительной степени зависит от правильного выбора материала для его изготовления и качественного проведения сварочных работ.
Металл элементов паровых котлов и трубопроводов работает в критических условиях, при высоких температурах и под постоянным или изменяющимся внутренним давлением, при воздействии высоких напряжений, вызванных усилиями само-компенсации и массовыми нагрузками.
В зависимости от условий эксплуатаций для изготовления паропроводов применяют углеродистые и легированные стали. При длительной эксплуатации в металле энергооборудования происходят сложные физикохимические явления, связанные с изменением структурно-
фазового состава и физикомеханических характеристик. Протекают процессы сфероиди-зации перлита и коалесценции карбидных частиц. Сфероиди-зация перлита это процесс перехода карбидных пластин в термодинамически более устойчивую сферическую форму с повышением температуры. Сфе-роидизации перлита может привести к снижению прочностных свойств металла - при развитой сфероидизации, соответствую-
щей баллу 5 - 6 шкалы ОСТ 3470-960-96 снижение прочностных свойств может достичь 20% от исходного. Сфероидизация вызывает также увеличение скорости ползучести. Все эти явления приводят к образованию и накоплению микропо-врежденности (микротрещин), к появлению макротрещин и разрушению оборудования [1].
Сварные соединения являются наиболее повреждаемыми узлами элементов энергооборудования [2]. Наиболее слабым звеном в сварном соединении является зона термического влияния. Вероятность разрушения сварного соединения по шву резко возрастает при наличии в шве геометрической неоднородности и низких пластических свойств наплавленного металла.
Эксплуатационные повреждения сварных соединений обычно связаны с одновременным действием ряда факторов, которые в первом приближении могут быть выделены в три основные группы [2]:
• наличие в изделии концентраторов напряжений, вызванных дефектами формы стыка (неснятое усиление шва, применение подкладных колец или замка в корне шва, резкий переход сечения свариваемых элементов в районе стыка), технологическими дефектами (трещины, поры и шлаковые включения), возникшими при изготовлении изделия, и образованием начальных, стабильно растущих, трещин из-за усталости, ползучести или коррозии;
• высокая степень напряженности стыка от действия рабочих, термических и остаточных напряжений;
• несоответствие свойств материала конструкции или металла отдельных зон сварного соединения требуемому уровню в результате использования некачественных или несоответствующих техническим условиям сварочных материалов, отклонений от оптимальных режимов сварки и термической обработки.
Большой научный и практический интерес представляет исследование сварных соединений после длительных, сверх-расчетных сроков эксплуатации с целью определения возможности их дальнейшей работы. В настоящей публикации проведены результаты исследований уникальных сварных соединений паропропроводов, изготовленных из углеродистых сталей, выплавленных в Германии в 1929 - 1933 годах, и из стали 20 (ГОСТ 1050), выплавленной в СССР в пятидесятые годы. Срок эксплуатации исследованных сварных соединений и паропроводов составляет - 177408 -580608 час. Паропроводы эксплуатировались на Тепловой электростанции Кузнецкого металлургического комбината (ТЭЦ КМК) г. Новокузнецка с 1943 г. Рабочие параметры среды: давление - 2,7 МПа, температура - 400 0С. К сожалению, на ТЭЦ КМК не сохранилась сварочная документация, отсутствует информация о примененных сварочных материалах,
5ан
7
¡Й.5
.6
5.5 5
4.5 4
3.5 3
2.5
г
1.5 1
0,5
0
: I- - ■ г т 1 я
| а п і . $[ І 1 ! в
І в н н 5т : К: : Я: І а в « 1 га
й т щ
\3:2 1612422141132141211 11122 -Ц ^ 5 2
N
Рис.1. Характер распределения дефектов (8 - эквивалентная площадь дефектов, выявленных УЗК) в сварных соединениях паропроводов; N - число сварных соединений с дефектами после различных сроков эксплуатации
режимах и способах сварки и т.д.
Согласно требованиям нормативно-технической документации (НТД) Госгортехнадзора России (в настоящее время Ростехнадзора), все сварные соединения подвергались неразрушающему контролю (НК) в определенные сроки, часто совпадающие со сроками проведения
капитальных ремонтов.
Методами ультразвуковой дефектоскопии (УЗК) проконтролировано более 200 сварных соединений паропроводов с различными сроками эксплуатации. На рис.1 приведены результаты УЗК только тех сварных соединений, в которых обнаружены дефекты. Анализ результатов НК показал, что не
существует зависимости между сроком эксплуатации сварных соединений и эквивалентной площадью дефектов, выявленных УЗК. Распределение дефектов носит стохастический характер, которое связано, в первую очередь, с условиями выполнения сварочных работ.
С целью определения опасности выявленных дефектов
а
Рис. 2. Внешний вид и структура сварного соединения паропровода, изготовленного из стали 20 после 329640 часов эксплуатации: а - вид сварного соединения; б - микроструктура основного металла, Х100; в - микроструктура зоны термического влияния Х 200
Рис. 3. Дефекты и характер микроструктуры в сварном соединении после 361800 часов эксплуатации (сталь 20): а - макроструктура сварного соединения; б - микроструктура основного металла, х100; в -микроструктура металла шва с неметаллическими включениями, х150; г - микроструктура зоны перегрева, х200
сварки для дальнейшей эксплуатации оборудования из паропроводов была проведена вырезка двух дефектных сварных соединений и одно - бездефектное, которые подвергались металлографическому исследованию. Из этих же сварных соединений были изготовлены образцы для определения механических характеристик.
Металлографический анализ проводили на микроскопе МИМ - 8М при увеличениях х100, х150, х200, х500, х1000, механические испытания - на разрывной машине ЦДМУ - 30.
Из паропровода к турбогенератору №1 (рег.№ 1260, дата пуска - сентябрь 1958г.) исследовали сварные соединения после 329640 и 361800 часов эксплуатации (материал -сталь 20). В сварном соединении паропровода после 329640 часов эксплуатации дефектов не выявлено (рис. 2а). Структура основного металла ферритоперлитная, величина зерна соответствует баллу 9 - 10 шкалы ГОСТ 5639-82, сфероидизации перлита соответствует баллу 3 шкалы ОСТ 34-70-960-96, полосчатость феррито-перлитной
структуры - 4 баллу по шкале 3 ГОСТ 5640-68 (рис. 2б). Микроструктура сварного шва состоит из зерен феррита с величиной зерна до 2 балла шкалы ГОСТ 5639-82. и видманштеттовой структурой до 3 балла по шкале 4 ГОСТ 5640-68 (рис. 2в).
В соединении (труба и фланец) после 361800 часов эксплуатации в металле шва выявлены поры размером 0,2х0,05 мм, а также несплавления, длиной от 1,3мм и до 5мм в корне шва (недопустимый дефект
сварки согласно РТМ 1С -2001). В макроструктуре шва по
Рис. 4. Дефекты сварки и микроструктура сварного соединения паропровода после 482400 часов эксплуатации, изготовленного из стали Бї 42.11: а - макродефекты В сварном шве; б - микроструктура в зоне термического влияния; х150, в - микроструктура металла шва, ; х150
линии сплавления шва наблюдаются непрерывные цепочки шлаковых включений, протяженностью до 7 мм (рис. 3а). Микроструктура основного металла состоит из зерен феррита и перлита, величина которых оценивается 7 - 8 баллом ГОСТ
5639-82 (сфероидизации перлита соответствует 4 баллу шкалы ОСТ 34-70-960-96). В микроструктуре металла трубы выявлена структурная полосчатость 2 балла шкалы 4А ГОСТ 5639-82(рис.3б). В микроструктуре наплавленного металла наблюдаются неметаллические включения (рис. 3в). В зоне термического влияния обнаружены участки перегрева с величиной зерна крупнее 1 балла и видман-штеттовой структурой, оцениваемой 4-5 баллами шкалы 4А ГОСТ 5640-68 (рис. 3г). Микроструктура фланца представляет собой зерна феррита и перлита,
величина которых оценивается 7 баллом шкалы ГОСТ 5639-82.
Как в первом, так и втором случае структурно свободного графита в микроструктуре сварного соединения не выявлено.
Также было исследовано сварное соединение паропровод к турбогенератору №7 (рег.№2662, дата пуска - 1943г.). с наработкой 482400 часов (материал - сталь 81 42.11). В результате исследования в макроструктуре сварного соединения обнаружено большое скопление пор размером до 0,5мм и непро-вар в половину толщины стенки, который является недопустимым дефектом согласно требованиям РТМ-1 С-2001 (рис.
4а). Микроструктура основного металла представляет собой перлит и феррит с величиной действительного зерна, соответствующему баллу 8 шкалы ГОСТ 5639-82 (сфероидизация
перлита соответствует баллу 2 шкалы ОСТ 34-70-960-96). В микроструктуре трубы выявлена структурная полосчатость первого балла шкалы 3 ГОСТ
5640-68. В зоне термического влияния наблюдается участки перегрева с величиной зерна 5-6 балла шкалы ГОСТ 5639-82 и видманштеттовой структурой 3 балла шкалы ГОСТ 5640-68 (рис 4б). В микроструктуре наплавленного металла наблюдается игольчатое строение (рис. 4в), а в нижних слоях шва нормализованная мелкозернистая структура с величиной зерна 6 балла шкалы ГОСТ 5639-82 (сфероидизация перлита соответствует второму баллу шкалы ОСТ 34-70-960-96). Структурносвободного графита в микроструктуре шва и околошовной зоне не выявлено.
Как видно из рис. 3а, в сварном соединении после
і,М№
700
600
50С
400
300
200
100
250
; - - - _ г> с
£ и
і
* < *
300
350
410 450
ЬІ'СМКаИПЛЇЛТЛ-ЦН
500
550
т, жс.ч.
Рис.5. Механических характеристик сварных соединений паропроводов после различных сроков эксплуатации: ■ — временное сопротивление разрыву основного металла, МПа; ▲ — временное сопротивление разрыву сварного соединения, МПа; ♦ - предел текучести основного металла, МПа
361800 часов эксплуатации дефекты обнаружены как в наплавленном металле, так и в корне шва. «Несплавление»
расположено практически параллельно образующей трубы и имеет затупленное окончание. Такой характер, месторасположение и форма дефекта не может привести к образованию трещины в металле шва из-за направленности «несплавления» и низкой концентрации напряжении в его окончании. Поры также не создали в наплавленном металле значительной концентрации напряжений при длительной эксплуатации, так как имеют округлую форму. В сварном соединении после 482400 часов эксплуатации поры выявлены преимущественно в усилении шва. В этом соединении из-за некачественной подготовки стыкуемых кромок труб под сварку и нарушения технологии сварки произошло образование «непровара» в половину толщины стенки (рис.4а). «Непровар» имеет затупленное раздваивающееся окончание. Образованию трещин препятствовала стабильная микроструктура металла и, по-видимому, «мягкие» режимы
эксплуатации (отсутствие резких перепадов температур и давлений пара). Отсутствие трещин в металле шва после длительной эксплуатации свидетельствует о низкой концентрации напряжений в зоне дефектов.
Механические характери-
стики основного металла и сварных соединений в процессе длительной эксплуатации изменились незначительно (рис.5). Временное сопротивление разрыву соединения после 482400 часов работы относительно высоко и составляет 425 МПа в бездефектной зоне, а на участке «непровара» достигает 330
МПа. Стабильность механических характеристик металла паропроводов в процессе длительной эксплуатации сверхрас-четные сроки, а также анализ микроструктуры подтверждает высокое качество углеродистых сталей, поставляемых в прошлом веке для изготовления энергооборудования.
Выводы
1. При длительной эксплуатации в исследованном металле паропроводов произошли процессы сфероидизации перлита, причем в немецкой стали 81 42.
11 сфероидизация перлита соответствует лишь второму баллу шкалы ОСТ 34-70-960-96 при работе более 400 тыс. час., а в стали 20 после 300 тыс. и более часов эксплуатации сфероидизация достигает третьего, четвертого баллов, что свидетельствует о высокой стабильности структуры немецкой стали-81 42.11.’
2. Металлографические исследования показали, что наличие недопустимых дефектов (согласно требованиям нормативно-технической документации) не привело к образованию трещин в исследованном металле при длительной эксплуатации, а анализ размеров, формы и месторасположения дефектов в сварных соединениях показал отсутствие зон с высокой концентрацией напряжений.
3. Результаты настоящего исследования, а также большой опыт эксплуатации дефектных сварных соединений - сроки, значительно превышающие расчетные, позволяют сделать вывод о возможности работы паропроводов с дефектами сварки при условиях: детальной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) в металле шва; четкого представления о размерах, форме, характере и причинах образования дефектов.
4. Механические свойства
основного металла и исследованных сварных соединений при длительной эксплуатации изменились незначительно, (за исключением сварного соединения с «непроваром» после 482400 часов) удовлетворяют требованиям нормативно-
технической документации и находятся на нижнем пределе допустимых величин.
Для решения вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации паропроводов с дефектными сварными соединениями сверхрасчетные сроки и уточнения норм разбраковки сварных соединений необходимо решить следующие задачи.
1. Оценить влияние различных типов дефектов сварки (их размеров, формы и расположения) на напряженно-деформированное состояние в металле шва.
2. Определить допустимый уровень напряжений для оценки возможности дальнейшей экс-
плуатации дефектных сварных соединений в зависимости от структурно-фазового состояния, внутренних дальнодействую-
щих полей напряжений, физикомеханических характеристик,
параметров среды, марки стали и сроков наработки.
3. Разработать методику
оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений с привлечением методов неразрушающего контроля.
Результаты исследований по решению вышеуказанных задач будут приведены в следующих публикациях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов А.Н., Герике Б.Л., Муравьев В.В. Диагностирование технических устройств опасных производственных объектов. - Новосибирск: Наука, 2003. - 244 с.
2.Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов - М.: Машиностроение, 2002. -352с.
□ Авторы статьи:
Лисицин
Константин Александрович
- ведущий специалист ООО ПКП «Энергопром - М» (г. Новокузнецк)
Смирнов Александр Николаевич
- докт. техн. наук, доц. каф. «Технология машиностроения»
УДК.621:797:629:114:41
Б. И. Коган
О СОЗДАНИИ НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА РЕМОНТА МАШИН
Условия эксплуатации объективно определяют виды взаимодействия поверхностей три-босопряжений, (в т. ч. рабочих) и неподвижных, а каждому виду взаимодействия поверхностей соответствуют наиболее характерные виды их разрушения, приводящие к отказу конкретного элемента или узла машины.
Характер контакта и нагрузки в сопряжениях опреде-
ляет вид и скорость отказов, предопределяет необходимые конструктивные и технологические мероприятия по обеспечению надёжности сопряжений. В табл. 1 приведены типичные
виды контактов и предпосылки отказов:
В табл. 2 приведены сопутствующие свойства сопрягаемых поверхностей (подвижных и неподвижных) и особенности рабочей среды, определяющей
надёжность сопряжений.
Надёжность машины можно выразить через ресурс Тр лимитирующего сопряжения:
Тр = (Бф-Б^/У , (1)
где 5ф - функциональный зазор, мкм; - конструкционный за-
зор при сборке, мкм; У - скорость изнашивания, мкм/ч.
В работах проф. А.Г. Суслова показано определяющее влияние на показатели на-
Таблица 1
Виды контактов и предпосылки отказов
Вид контакта Вид перемещения или его отсутствие Типовые примеры Предпосылки отказов
По поверхности (плоской или кривой) Без перемещения (неподвижное сопряжение) Шлицевые, шпоночные сопряжения Смятие, фреттинг-процесс
Скольжение Цилиндрические, геликоидные, резьбовые, плоские, колодочные тормоза Износ (истирание)
По линии Без перемещения Контактные Смятие, фреттинг-процесс
Скольжение Выглаживание Износ (истирание)
Обкатка, качение без скольжения Подшипники качения Поломка
Качение со скольжением Зубчатые зацепления, кулачковые пары, подшипники качения Износ, усталость, отслаивание, поломка
