CC BY
39
УДК 621.791.052 : [620.18+539.4] : 669.14.018.295.44
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ ИЗ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ
С.Н. Барташ, доц., к.т.н., Е.А. Есипов, студ., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Процесс повреждаемости сварных соединений из теплоустойчивых перлитных сталей обеспечивается действием механизмов ползучести и усталости, а также зависит от исходной структурной неоднородности сварных соединений.
Ключевые слова: повреждаемость, трещина, поры, усталость.
ВИЗНАЧЕННЯ ПОШКОДЖУВАНОСТ1 ЗВАРНИХ З'СДНАНЬ ПАРОПРОВОД1В 3 ТЕПЛОСТ1ЙКИХ ПЕРЛ1ТНИХ СТАЛЕЙ
С.Н. Барташ, доц., к.т.н., Е.А. Ссипов, студ., Харк1вський нацюнальный автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. На процес руйнування зварних з 'еднанъ з теплостойких перлтних сталей впливае din Mexani3Mie повзучост1 та втоми. Процес також залежитъ eid euxidnoi структурног неод-Hopidnocmi зварних з 'еднанъ.
Ключов1 слова: пошкоджуватстъ, трщина, пори, втома.
DEFINITION OF DAMAGEABILITY OF WELDED JOINTS OF STEAM PIPELINES MADE OF HEAT-RESISTANT PEARLITIC STEEL
S. Bartash, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Ye. Yesypov, St., Kharkov National Automobile and Highway University
Abstract. The process of destruction of welded joints made of heat-resistant pearlitic steel is affected by the mechanisms of creep and fatigue. The process also depends on the initial structural heterogeneity of welded joints.
Key words: damage, crack, itch, fatigue.
Введение
Изучение особенностей повреждаемости стареющих сварных соединений паропроводов ТЭС из теплоустойчивых Cr-Mo-V перлитных сталей позволяет уточнить их остаточный ресурс, что важно для экономики Украины. В условиях наработки энергоблоков свыше 200 тыс. ч увеличивается их маневренный режим работы, включающий меняющееся напряжение и температуру. Физические условия длительной эксплуатации обуславливают повреждаемость металла паропроводов, которая проявляется в ползучести и малоцикловой усталости. Повреждае-
мость сварных соединений паропроводов лимитирует их ресурс эксплуатации, составляющий 0,6-0,8 ресурса эксплуатации самих паропроводов. При эксплуатации модернизированного оборудования ТЭС отмечается тенденция увеличения маневренности, а также повышения рабочей мощности и температуры.
Анализ публикаций
Под повреждаемостью подразумевается процесс зарождения микропор и микротрещин, а также их развития в процессе эксплуатации сварных соединений из теплоустойчивых перлитных сталей. Микропоры образуются
при преимущественном обеспечении повреждаемости механизмом ползучести, а микротрещины - механизмом усталости. Под раз-рушаемостью подразумевается процесс распространения сформировавшихся на макроуровне трещин.
Изучению особенностей процесса разрушае-мости металла паропроводов, обеспечиваемого совместным проявлением механизмов ползучести и усталости, посвящено ряд работ [1-6]. В известных исследованиях раз-рушаемость изучалась на стадии развития макротрещин, тогда как их повреждаемость, включающая зарождение микропор и микротрещин, практически не рассматривалась. Значительное количество работ посвящено изучению повреждаемости раздельно по механизмам - либо ползучести либо усталости [6-10].
Сварные соединения из теплоустойчивых перлитных сталей характеризуются определенной исходной структурной неоднородностью, устранение которой в полной мере не представляется возможным. Наличие неоднородности способствует в условиях ползучести увеличению интенсивности повреждаемости металла сварных соединений. Частичное уменьшение структурной неоднородности позволяет снизить уровень их повреждаемости и способствовать увеличению ресурса [9,10].
Работ, посвященных изучению повреждаемости сварных соединений на основе данных структурного фактора, применительно к их наработке свыше 200 тыс. ч мало. Изучение повреждаемости по критериям предельного состояния важно для определения остаточного ресурса сварных соединений.
Цель и постановка задачи
Цель работы - изучить зависимость процесса повреждаемости сварных соединений паропроводов, состоящих из теплоустойчивых перлитных сталей, от совместного действия механизмов ползучести и малоцикловой усталости.
Результаты исследований и их обсуждение
При оценке повреждаемости использовали критерии, предусматривающие наличие трещин, имеющих критическую длину и харак-
теризующихся катастрофическим развитием, что вызывает разрушение сварных соединений [3-6]. Для предупреждения разрушений определяли критическую длину трещин, соответствующую максимальному малоцикловому напряжению, а также интенсивность их роста в физических условиях эксплуатации сварных соединений.
В работах не учитывалась структурная неоднородность, а также структурные изменения, происходящие при эксплуатации сварных соединений, роль которых при их повреждаемости является определяющей. Для прогнозирования повреждаемости следует уточнить критерии критического развития трещин, а также критерии деформации в вершине трещины и степень деформации на пути ее развития. Такие критерии могут быть полезными для разработки закономерностей процесса повреждаемости и определения роли механизмов ползучести и усталости. При зарождении и развитии микроповреждаемости оценивалась роль стационарных и циклических напряжений и температур. Ползучесть и усталость являются взаимодополняющими факторами, обеспечивающими повреждаемость. Для описания поведения металла сварных соединений принимали принцип линейного суммирования ресурса сварных соединений [12]
N + ^ _ 1
N+V ~ '
(1)
где N - число циклов до разрушения при непрерывном циклировании; N — число циклов в исследуемых условиях нагружения; гЩ — время до разрушения при ползучести под действием стационарной нагрузки; г — время нахождения при стационарной нагрузке в исследуемых условиях нагружения.
Общее суммирование повреждаемости считали линейным
Пп+Пу=1,
(2)
где Пп - повреждаемость, обусловленная ползучестью металла; Пу - повреждаемость, обусловленная усталостью металла.
Заметим, что Пп и Пу существенно зависят от физических условий эксплуатации и могут в определенных пределах меняться.
Повреждаемость порами изучали на массиве 10 сварных соединений паропроводов свежего пара из стали 15Х1М1Ф, проработавших свыше 200 тыс. ч, и 9 - проработавших свыше 250 тыс. ч. Наиболее интенсивно в сварных соединениях после их наработки свыше 200 тыс. ч зарождение и развитие пор происходит на участке неполной перекристаллизации зоны термического влияния (ЗТВ), металл которого подвергается сварочному нагреву в области температур АС1-АС3. Менее интенсивно на других участках ЗТВ, а также в структуре металла шва и основного металла (рис. 1).
Рис. 1. Распределение плотности пор размером 0,5-1,5 мкм в сварных соединениях: 1 - область металла шва; 2 - участок сплавления; 3 - участок перегрева; 4 -участок неполной перекристаллизации; 5 - основной металл. Ресурс 250270 тыс. ч
Наличие удлиненных зерен в структуре металла шва (рис. 2) способствует повышению плотности пор, образующихся на границах, что ускоряет их развитие и перерождение в трещины.
Рис. 2. Структура металла шва сварных соединений из стали 15Х1М1Ф, изготовленных по штатной технологии
Микропоры преимущественно зарождаются (до их перерождения в трещины) по границам зерен перпендикулярно растягивающим
напряжениям в наиболее деформированных участках сварных соединений.
Формально микропоры можно считать микротрещинами. Отличительной особенностью микропор от микротрещин является их округлая форма, близкая к шаровидной или эллипсовидной (рис. 3).
Рис. 3. Повреждаемость порами металла шва применительно к ресурсу эксплуатации 190 тыс. ч. Образцы предлагаемой технологии [9], х2500
Образование усталостных трещин обеспечивается действием циклических напряжений, а также температур.
Микротрещины усталости образуются как по границам зерен, так и по их телу, на участках наибольшей концентрации напряжений: в зоне перехода от одной толщины паропровода к другой; в зоне угловых швов штуцерных и тройниковых сварных соединений; от исходных концентраторов напряжений, непро-варов, шлаковых включений, кристаллизационных трещин и др. Процесс развития усталостных трещин обеспечивается механизмами термомеханической, коррозионной циклической усталости. Повреждаемость происходит на внутреннем поверхностном участке сварных соединений паропроводов в виде сетчатого растрескивания, а также радиальных и продольных ветвящихся трещин (рис. 4).
Рис. 4. Усталостные трещины, образующиеся в сварных соединениях паропроводов: 1 - на участке сплавления; 2 - на участке перегрева; 3 - на участке перекристаллизации; 4 - на сопряжении разно-толщинных элементов
Совместное проявление повреждаемости сварных соединений характеризуется преобладанием механизма ползучести или усталости, что зависит от конкретных физических условий эксплуатации. При увеличенном количестве циклов (пусков-остановов), превышении напряжений и температур их нормативных значений преобладает усталостный механизм повреждаемости. При стационарных нагрузках (близких к предусмотренным нормативной документацией) в процессе повреждаемости преобладает механизм ползучести.
Повреждаемость сварных соединений при совместном действии механизмов ползучести и усталости существенно зависит от их структурного фактора. Например, повреждаемость порами металла участка неполной перекристаллизации после 25 тыс. ч эксплуатации при наличии новых продуктов распада аустенита в виде перлита примерно на 40 % больше, чем в виде бейнита. При наличии на участке сплавления мягких ферритных прослоек интенсивность зарождения и развития здесь микротрещин будет более интенсивной, чем в структуре, где такие прослойки отсутствуют. Заметим, что сварные соединения с увеличенной структурной неоднородностью подвергаются большему действию коррозионного фактора, стимулирующего повреждаемость по механизму усталости.
Выводы
Установлено, что сварные соединения паропроводов из теплоустойчивой перлитной стали 15Х1М1Ф с пониженной исходной структурной неоднородностью характеризуются низкой повреждаемостью микропорами и микротрещинами при их наработке свыше 200 тыс. ч.
Литература
1. Балашов Ю.В. К оценке долговечности
деталей энергооборудования в переменных режимах эксплуатации / Ю.В. Балашов, Г.М. Новицкая // Проблемы прочности. - 1982. — №7. - С. 17-22.
2. Туляков Г.А. Долговечность металла при
ползучести и низкотемпературной мало-
цикловой усталости / Г.А. Туляков // Теплоэнергетика. - 1980. - №9. - С. 5-8.
3. Гудков A.A. Трещиностойкость стали /
A.A. Гудков. -М.: Металлургия, 1989. -374 с.
4. Ковпак В.И. Прогнозирование энергопрочности металлических материалов /
B.И. Ковпак. - К.: Наукова думка, 1981. - 228 с.
5. Кудрявцев И.В. Усталость сварных соеди-
нений / И.В. Кудрявцев, Н.Е. Наумчен-ков. - М.: Машиностроение, 1976. -256 с.
6. Куманин В.И. Долговечность металла в
условиях ползучести / В.И. Куманин, Л.А. Ковалёва, C.B. Алексеев. - М.: Металлургия, 1988. - 222 с.
7. Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соедине-
ний паропроводов / Ф.А. Хромченков. -М.: Машиностроение, 2002. - 352 с.
8. К. Миллер. Ползучесть и разрушение /
К. Миллер. - М.: Металлургия. 1986. -118 с.
9. Дмитрик В. В. Моделирование структуры
сварных соединений теплоустойчивых перлитных сталей / В.В. Дмитрик // Автоматическая сварка. - 2000. - №4. -
C.27-30.
10. Дмитрик В. В. К концепции зарождения пор в сварных соединениях при низкотемпературной ползучести / В. В. Дмитрик, А.И. Конык // Автоматическая сварка. - 2005. - №7. - С. 28-31.
11. Циклическая прочность, закономерности неупругого деформирования и зарождения микротрещин в стали 15Х1М1Ф / В.Т. Трощенко, В.В. Покровский, П.В. Токарев, П.В. Ясный // Проблемы прочности. - 1993. - №7. - С. 17-23.
12. Смотрицкая Е.Г. Разрушение теплоустойчивых сталей в условиях совместного действия ползучести и малоцикловой усталости / Е.Г. Смотрицкая, В.И. Куманин // Теплоэнергетика. -1986. - №5. - С. 63-65.
Рецензент: В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ.
