CC BY
52
УДК 621.791.72: 621.791.052: 620.17 С. Н. БАРТАШ
Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина СТРОЕНИЕ ИЗЛОМОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ
Изучено строение изломов сварных соединений из теплоустойчивых перлитных сталей, которые длительно эксплуатируются в условиях ползучести и малоцикловой усталости, позволило уточнить механизм их разрушения
Вивчення будови 1злом1в зварних з'еднань з теплостшких перлтних сталей, як1 довготривало експлуатуються в умовах повзучост1 та малоцикловог втоми, дозволило уточнити мехашзм гх руйнування.
Введение
Усиление маневренного режима эксплуатации энергоблоков ТЭС, наработка которых составляет свыше 200000 ч, характеризуется существенным увеличением интенсивности разрушаемости их сварных соединений. Сварные соединения паропроводного тракта в основном изготавливают из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Переход энергоблоков ТЭС на маневренный режим обусловлен меняющейся потребностью использования электроэнергии, а также износом энергетического оборудования.
Повреждаемость длительно эксплуатируемых сварных соединений происходит по двум механизмам: ползучести и малоцикловой усталости. Уточнение особенностей механизмов повреждаемости целесообразно для снижения интенсивности самой повреждаемости сварных соединений, что существенно повысит их ресурс.
Основная часть
Изучениемикростроенияповерхностиизломовсварныхсоединений,длядиагностирования усталостного разрушения, проводилось с использованием методов электронной фрактографии. Выявлялась последовательная смена характерных фрактографических особенностей повреждаемости, что позволило внести коррективы в ее стадийность.
Механизм малоцикловой усталости изучаемых сварных соединений реализуется в условиях действия рабочих напряжений и температур, поэтому изломам частично присущи особенности строения похожие на типично усталостные изломы [1, 2]. Например, изломы имеют заметные следы пластического деформирования, наибольшие - в зоне долома. При повторно-статических нагружениях в зоне развития трещины наблюдаются бороздки и линии - знаки, а также участки хрупкого проскальзывания, где развитие трещины локально ускоряется. Такие участки вначале имеют вид нечетких колец, переходящих в площадки, что характеризует стадийность развития трещины.
Изломы повторно-статического нагружения сварных соединений отражают тенденцию эволюции структуры при длительной эксплуатации в условиях изменения частоты нагружения и термоциклирования, что и определяет стадийность повреждаемости сварных соединений. Поэтому, установление по излому зависимости разрушаемости от изменения структуры сварных соединений, представляется актуальной задачей.
Изучение микростроения усталостных изломов сварных соединений увязывалось с конкретными участками их микроструктуры. Учитывались также и особенности структурных изменений, происходящие в металле сварных соединений при их длительной эксплуатации, приводящие к зарождению трещин, протекающие при зарождении трещин и сопутствующие их развитию.
Принималось к сведению, что образовавшиеся микропоры и микротрещины раскрываются в процессе развития магистральной трещины, что фиксируется поверхностью излома в виде соответствующего микрорельефа.
Изучениемикростроенияусталостных изломов позволило подтвердить положение [1], что ориентация бороздок совпадает с направлениемплоскостейскольжения в пределахзерна а - фазы и претерпевает измененияпри переходе через границы зерен. Наблюдаемыевизломе рельефные сплошныебороздкиявляютсямикронадрывами наего поверхности. Прислиянии, р азвивающихсявдольсо седних плоскостей микротрещин, бороздки располагаются в виде
Рис. 1. Фестанчатое расположение бороздок в зоне развития усталостной трещины (участок сплавления ЗТВ). х9000
Увеличение числа циклов, особенно после наработки сварных соединений свыше 250000ч, способствует превращениюмикротрещин вмагистральную трещину, чтохарактеризуется р^рушениемперемычек между террасами,рис. 2
Бороздки, пересекающиесоседние связаны с микронесплошностями металла.
Сплошныерельефныебороздкирассматривались как микронадрывы на поверхности излома, образующиеся локально вдоль плоскостей скольжения, рис. 3. Образование бороздок представляется схемой, рис. 4 [1].
Рис. Р . Рельефные изогнутые бороздки, расположенные в зоне ускоренного развития усталостной трещины (участок сплавления ЗТВ). х7650
Рис. 3. Хаотично развитый рельеф в зоне ускоренного развития усталостной трещины. Наплавленный металл. х4000
Рис. 4. Схема образования усталостных бороздок: Q - сечение, расположенное перпендикулярно развитию трещины
В условиях малоцикловой усталости эволюция дислокационного строения приводит к образованию, наряду с ячеистой, элементов полосовой структуры. Такая структура, с различной степенью развитости, отличается как на поверхностном участке металла, так и по его глубине. Известно, что полосовая структура корелирует с линиями скольжения, рассматриваемые как микронадрывы, развивающиеся при дальнейшем циклировании в микротрещины, рис.3. Сами бороздки непосредственно связаны с дислокационными стенками полосовой структуры, представляющие вытянутые, ориентированные вдоль плоскостей скольжения участки с критической плотностью дислокаций, что рассматривается, как предразрушение.
Допускали, как в работе[1],что увеличение шага бороздок, при повышении скорости роста трещины,относитсятолько к рельефным бороздкам (микронадрывы,обр^ующиесяпри остановкетрещины ]в ее дискретном движении).
При медленномросте усталостной трещины, образующиеся на поверхности излома бороздки, связанынепосредственнос локальнымпредрг^рушением полосовойструктуры. Процессу образованиябороздок предш ествует обеднение а-фазы легирующими элементами С г, Мо, и Такой процесс являете;? двухстадийным:1) образование микроповреязденийметалла перед векшиной трещины;2) развитиетрещиныпутемее взаимодействш! с микротрещинами и микропорами.
Тонкиеслаборельефные бороздки в малоцикловых изломах чередуются с бороздками, имеющими увеличенную рельефность см. рис. 3. В зоне медленного развития трещины присутствуют только бороздки со слабым рельефом, имеющие частично прерывистое строение, рис. 5.
Рис. 5. Прерывистые бороздки в зоне медленного развития трещины.
Наплавленный металл. х9000
Рельефность поверхности излома заметно отличается, что подтверждает различную степеньдеформации зерен а-фазы и соответствует локальному сосредоточениюбороздок,рис. 5 .Рас стояниемежду слаборельефными бороздками находитеяв пределах0,03- 0,2 мкми не претерпеваетзаметного увеличен!ы приудалении от вершины трещины. Однако, шаг д^1с по длинетрещинырастетпримерно от 0,2 мкм до 2 икм.
Приведенные данные позволили установитьпрерывистый характер роста рассмотренных усталостных трещин. В зоне, расположенной перед фронтом трещины образуются линии скольженш!, характеризующие исчерпание пластичностиметалла, чтои вызывает скачкообразное развитиетрещины. Микропоры и микротрещины,расположенные внутри этой зоны, трещинапроходитбез остановки,оставляетна поверхности излома тонкие рельефные бороздки. Установили, что увеличкние шага рельефных бороздок зависитне только от увеличения при анении трещины,нои отположения плоскостилинии
скольжения, т.е. от состояния структуры сварных соединений. С полосовой структурой связаны не только бороздки, но и расслоения по плоскостям скольжения, рис.5.
В зоне медленного развития трещины наблюдаются локальные расслоения с малорельефными обрг^ованиями, рис.6, имеющими структуру, называемую сетчатой [3], а также гладкие поля расслоения.
б)
Рис. 6. Микроструктура зон медленного развития усталостной трещины.
Наплавленный металл. х4000: а) сетчатая структура; б) гладкие поля расслоений, образовавшиеся по плоскостям скольжения
Зона ускоренного развития трещины характеризуется увеличенным числом рельефных бороздок. Здесь имеются участки с хаотичным рельефом, рис. 7, имеющие заметные следы пластической деформации.
В этой зоне могут находиться и локальные участки с ямочным рельефом, появление которых можно объяснить наличием сорбита. Встречаются также поля с малорельефным полосчатым строением, рис.6, что характерно для нижнего бейнита.
Рис. 7. Хаотично развитый рельеф в зоне ускоренного развития усталостной трещины в наплавленном металле. х7500
Выводы
На основе рассмотренных особенностей поверхностей изломов можно утверждать, что образование бороздок связано со структурными превращениями, происходящими в металле сварных соединений при их длительной эксплуатации в условиях ползучести и малоцикловой усталости. А именно, с полигонизацией зерен а -фазы, интенсивность которой необходимо уменьшить.
Поры в большинстве, располагались возле коагулирующих карбидных выделений М23С6. При увеличивающейся интенсивности повреждаемости металла участка сплавления ЗТВ, после 270000 ч эксплуатации, возрастающая роль принадлежит мягким ферритным прослойкам. Прослойки состоят из цепочек укрупненных (3-4 баллы, ГОСТ 5639-82) или локально сгруппированных более мелких ферритных зерен на участке сплавления зоны термического влияния, что придает существенное различие свойств металлу данного участка, рис. 8.
НУ 3»
Рис. 8. Схема распределения твердости в сварном соединении
Изучение морфологии поверхности разрушения позволило выявить прерывистый характер роста усталостных трещин, что можно объяснить наличием перед фронтом развития трещин линий скольжения и исчерпанием пластичности металла длительно эксплуатируемых сварных соединений.
Список литературы
1. Фрактография - средство диагностирования разрушения деталей /М. А. Балтер, А. П. Любченко, С. П. Аксенова и др. - М.: Машиностроение, -1987. - 159 с.
2. Гордеева Т. А., Жегина П. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. -М.: машиностроение, 1078. - 199 с.
3. Дмитрик В. В., Барташ С. Н., Шелепов П. Г. К особенностям повреждаемости сварных соединений паропроводов в условиях ползучести //Энергосбережение • Энергетика • Энергоаудит. - 2007. - № 3. - С. 78-84.
STRUCTUREOF FRACTURESOF THE WELDEDCONNECTIONS
OF STEAM LINE
S. N.BARTASH Ukrainianengineer-pedagogicalacademy,Kharkov,Ukraine
The structure offractures of the welded connections from thermostable pearlitic steels, which are protractedly exploited in the conditions of creep and little cycles fatigue, is studed to specify the mechanism of their destruction
nocmynunaepedavtyuw 11.02 2010 p.
