ХАРКIВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО?

ДОРОЖНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Дмитрик Віталій Володимирович

УДК 621.791.052:519.6+539.434.376+620

ТЕОРЕТИЧНІ I ПРАКТIЧНI ОСНОВИ ЗБІЛЬШЕННЯ РЕСУРСУ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ IЗ ТЕПЛОТРИВКИХ ПЕРЛІТНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2007

На правах рукопису

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії

Науковий консультант: | член-кореспондент НАН України, доктор технiчних наук, професор Григоренко Георгий Михайлович, завiдувач вiддiлом iнституту електро-зварювання iм. Є.О. Патона НАН України.

Офіційні опоненти: | Балицький Олександрванович, доктор технiчних наук, професор, провiдний науковий спiвробiтник Фiзiко-механiчного iнституту iм. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів).

Воєводiн Вiктор Миколайович, доктор фiзико-математичних наук, про-фесор, заступник директора iнститута фiзики твердого тiла, матеріало-знавства i технологiй Нацiонального наукового центру “Харкiвський фiзико-технiчний iнститут” НАН України, завiдувач вiддiлом.

Любченко Анатолiй Петрович, доктор технiчних наук, професор, на-чальник ЦЗЛ (Державне підприємство "Завод ім. Малишева" Мінпром-політики України (м. Харків)).

Провiдна установа: | Нацiональний аерокосмiчний унiверситет iм. М.Е. Жуковського “Хар-кiвський авiацiйний iнститут” Мiнiстерства освiти i науки України, м. Харкiв, кафедра авiацiйного матеріалознавства.

Захист відбудеться 13.12.2007 р. у 12 годині на засіданні Спеціалізованої вченої Ради Д .059.01 при Харкiвському нацiональному автомобiльно-дорожному унiверситетi за адресою: 61002, м. Харкiв ГСП, вул. Петровского, 25.

З дисертацією можна познайомитися у бібліотеці Харкiвського нацiонального автомобiльно-дорожного унiверситету.

Автореферат розіслано 26.05. 2007 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої

Ради Д .059.01

канд. техн. наук I.В. Кияшко

ВСТУП

Актуальність теми. Виготовлення нових енергоблоків ТЕС, що включають до 15000 зварних з'єднань, пов'язане iз значними фінансовими витратами. Ресурс експлуатації зварних з'єднань паропроводів енергоблокiв із Crтеплотривких перлітних сталей, що працюють в умовах повзучості, становить приблизно 0,6–0,8 ресурсу самих паропроводів. Пошкоджуваність зварних з'єднань відбувається значно інтенсивніше, ніж пошкоджуваність інших елементів паропроводів – прямих труб, згинiв, конічних переходів, що істотно забезпечується станом їхньої структури. Серед факторів, що обумовлюють пошкоджуваність зварних з'єднань (конструкційного, технологічного й експлуатаційного) істотну роль грає структурний фактор. Вимушена зупинка енергоблоку потужністю 800 МВт, що пов'язана, наприклад, з руйнуванням зварних з'єднань, призводить до збиткiв, близько 1 млн. грн. за добу. Модернізація устаткування ТЕС також є дуже дорогою операцією. Зварнi з'єднання паропроводів з Crтеплотривких перлітних сталей з покращеною якiст'ю структури і пiдвищеними властивостями істотно забезпечать зниження інтенсивності їхньої пошкоджуваності, що є економічно доцільним. Тому актуальним стає проведення досліджень фізико-хімічних процесів, як основи оптимізації формування структури і властивостей зварних з'єднань з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей, що дозволить збільшити ресурс їх експлуатації до 300000–350000 годин. Збільшення ресурсу експлуатації паропроводів ТЕС є дуже важливою проблемою для економіки України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Матеріал роботи пов'язаний з участю її автора в роботі секції 7 “Конструкції й устаткування енергетики” Науково-координаційної й експертної Ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд і машин при Президії НАН України. Автор є членом робочої групи постійно діючого науково-практичного семінару “Підвищення надійності зварних з'єднань при монтажі і ремонті технологічного устаткування в енергетиці” Міністерства палива й енергетики України, ІЕЗ ім. Є.О. Патона і Державного комітету ядерного регулювання НАЕК “Енергоатом”. Вивчення фізико-хімічних процесів для оптимізації структури і властивостей зварних з'єднань з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей виконувалося відповідно до тематики Державної науково-технічної програми 06.03. "Створення конкурентноздатних способів імітаційного моделювання складних систем, підвищення їхньої надійності й ефективності" Міністерства України з питань науки і технологій і проводилося при виконанні проектів 4/006ДО-95 "Стратегічні напрямки энерго і ресурсозберігаючих технологій", а також ДКНТ України і на замовлення підприємств: НДР № .04.02 “Розробка термостійкого алмазоподібного матеріалу для попередження забризкування пальників і слідкуючих пристроїв зварювальних роботів і автоматів”, держреєстрація № U026826; НДР № “Дослідити і розробити технологію й елементи устаткування для роботизованого зварювання корпусних деталей турбін” (Зведений план науково-дослідних, проектно-конструкторських і технологічних робіт зі зварювальної науки і техніки на 1989 рік. Київ.: IЕЗ ім. Є.О. Патона, 1988. –с.305); НДР “Дослідження і оптимізація процесів одержання заготівок на основі маловідходних, безвідходних та екологічно чистих технологій”, держреєстрація № U003754, 2006 р. і ін.

У наведених НДР автор був науковим керівником чи відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є обгрунтування закономiрностей формування оптимізованої структури зварних з'єднань паропроводів з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей, що забезпечує поліпшення властивостей з'єднань для збiльшення ресурсу їх експлуатації.

Для досягнення поставленої мети були визначені такі основні завдання:

1. Визначити залежності між вихідною структурою зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей і їх властивостями в умовах повзучості.

2. Встановити закономірності пошкоджуваності структури зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей, що враховуватимуть зв'язки між вихідною структурою і її стабільністю в умовах повзучості.

3. Вивчити можливість поліпшення фізико-хімічних властивостей і структури зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей стосовно до умов повзучості.

4. Розробити концепцію зменшення інтенсивності пошкоджуваності структури зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей, що експлуатуються в умовах повзучості, шляхом одержання їх оптимізованої вихідної структури і поліпшених властивостей.

5. Забезпечити подальший розвиток чисельних методів визначення зварювального нагрівання з'єднань, що виготовляються, шляхом рішення теплової задачі, як сполученої, в умовах законів Навьє-Стокса і Фур'є, для одержання оптимізованої вихідної структури і поліпшених властивостей зварних з'єднань з теплотривких сталей.

6. Теоретично обґрунтувати і практично розробити нові конструкційні і функціональні матеріали для зварювального устаткування, використовуваного при одержанні зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей, застосування яких дозволить зменшити їх вихідну структурну неоднорідность.

7. Обґрунтувати одержання зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей з оптимізованою структурою і властивостями, що забезпечують збільшення їхнього паркового ресурсу експлуатації до 350000 годин.

Об'єкт дослідження. Зварнi з'єднання паропроводiв з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей енергоблокiв теплових електричних станцiй.

Предмет дослідження. Умови формування та вплив структури на фiзико-хiмiчнi процеси, властивостi i пошкоджуваність зварних з'єднань в процесi довготривалої експлуатації.

Методи дослідження. Вивчення фізико-хімічних процесів, структури, властивостей та пошкоджуваності виконували на зразках зварних з’єднань, що були виготовлені за штатною та запропонованою технологіями, а також на зразках вирізаних з діючих паропроводів.

При проведенні експериментальних досліджень використовувалися як стандартні методи та методики, ряд з яких було удосконалено, так і оригінальні. Вивчення структури, хімічного складу та будови фаз здійснювали з використовуванням методів оптичної та електронної мікроскопії, а також мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізів (Neophot-21, ЭОМ-1200А, JSM-850, Siеmens-D500, Camebax). Визначення повзучості та тривалої міцності проводили на удосконалених машинах АИМА5-2 та ИП-4М, а короткочасних механічних властивостей на штатному обладнанні. Моделювання зварювального нагрівання і статистична обробка даних виконувались шляхом використовування методів прикладної математики.

НАУКОВА НОВИЗНА ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

У дисертаційній роботі наведено комплекс фундаментальних і прикладних досліджень для формування оптимізованої структури і поліпшення властивостей зварних з'єднань з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей, що експлуатуються в умовах повзучості. Сукупність теоретичних положень і практичних результатів роботи може бути кваліфікована як теоретичне узагальнення і рішення важливої науково-прикладної задачі, що має істотне народногосподарське значення.

1. Встановлено, що найбільша інтенсивність зародження і розвитку пор в умовах довготривалої експлуатації характерна для структури ділянки неповної фазової перекристалізації зони термічного впливу, де нові продукти розпаду аустеніту після зварювального нагрівання представляють перліт або мартенсит, а найменша характерна для структури, де нові продукти розпаду аустеніту представляют троостит або бейніт.

2. Вперше визначена залежність рівня сегрегації хрому, молібдену, ванадію, марганцю і кремнію по межах зерен ?-фази від зварювального нагрівання з'єднань, що виготовляються, а також забезпечено зменшення рівня сегрегації шляхом оптимізації зварювального нагрівання.

3. Вперше встановлена, в умовах повзучості, залежність швидкості реакції M3C>M7C3>M23C6>M6C від рiвня локальної сегрегації елементів Cr та Mo по межах зерен ?_фази й обґрунтована можливість зниження швидкості такої реакції шляхом зменшення рівня початкової сегрегації цих елементів в структурi зварних з'єднань.

4. Обґрунтована закономірність ковзання, яке протікає при повзучості в структурі зерен ?_фази зварних з'єднань, що забезпечує утворення фрагментованих субзерен ?-фази, та запропонована ідея зниження інтенсивності ковзання для її зменшення.

5. Розроблено концепцію двостадійної пошкоджуваності порами структури зварних з'єднань з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей: перша стадія характеризується переважно процесами дифузії й адсорбції атомів Cr, Mo, Mn і C, а також коалесценції виділень M23C6, що сприяють зменшенню їхньої когерентності iз зернами ?-фази; друга стадія характеризується переважно дислокаційним механізмом, що забезпечує локальну деформацію зерен ?-фази.

6. Для отримання зварних з'єднань із теплотривких перлітних сталей з оптимізованими структурою і властивостями вперше розроблено математичну модель їх зварювального нагрівання, що передбачає рішення теплової задачі в умовах законів Навье-Стокса і Фур'є.

7. Вперше обґрунтовано та розроблено термостійкі покриття мідних сопел зварювальних пальників, будова яких складається з двох шарів, перехідного, що має суміш атомів міді, нікелю і хрому, а також завершального, який складається з Cr, TiN чи ZrN.

8. Обґрунтовано і запропоновано нові композиції складів порошкових матеріалів для струмопiдвiдних мундштуків зварювальних пальників. Склад запропонованих композицій, на відміну від відомих, включає берилій або титан.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

1. На основі проведених досліджень розроблено технологію одержування зварних з'єднань з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей з оптимізованими вихідною структурою і властивостями, що дозволило, на відміну від відомих технологій, збільшити ресурс їхньої експлуатації. За запропонованими технологією і технічними рішеннями отримано 8 авторських свідоцтв, а також підготовлено рекомендації по використанню їх в новій нормативній документації.

2. Розроблено і впроваджено термостійкі покриття сопел пальників роботів, автоматів і напівавтоматів для зварювання в суміші захисних газів CO2+Ar, що дозволило шляхом зменшення їх забризкування знизити кількість вихідних дефектів в металі шва. По цьому технічному рішенню отримано авторське свідоцтво Російської федерації та Патент на винахiд (Україна).

3. Розроблено й впроваджено струмопiдвiдні мундштуки з порошкових матеріалів пальників зварювальних автоматів і напівавтоматів, що забезпечило зменшення вихідної дефектності в структурі металу шва шляхом зниження інтенсивності зносу мундштуків. По цьому технічному рішенню отримано авторське свідоцтво СРСР.

4. Уточнено закономірності пошкоджуваності зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей при їхньому наробітку понад 250000 г для визначення залишкового ресурсу досліджуваних зварних з'єднань. Ці положення оформлено у вигляді публікацій, технічних звітів і рекомендацій, а також передано у відповідні організації.

5. Результати виконаних досліджень істотно доповнили навчальні курси “Металографія зварних з'єднань”, "Матеріалознавство”, "Теорія зварювальних процесів", "Металознавство і термообробка зварних з'єднань", "Матеріалознавство і технологія металів", що викладаються студентам в Українській інженерно-педагогічній академії. Матеріали досліджень використо-вуються також у курсових і дипломних проектах.

6. Результати виконання дисертацiйної роботи впроваджено на найбільших підприємствах України ВАТ "Турбоатом", ВАТ "Електроважмаш" (м. Харків), ВАТ Харцизький трубний завод (м. Харцизьк), ВАТ Куп'янський ливарний завод, АЕС (м. Рівне), ВАТ ТЕС (м. Енергодар) і ін.. Були рекомендовані і передавалися для практичного використовування партії сопел і струмопiдвiдних мундштуків з порошкових матеріалів підприємствам і приватним фірмам: АТ "Світло шахтаря" (м. Харків); ВАТ "ЗИЛ" (м. Москва); BINZEL (Німеччина); ТОВ "Феррит" (м. Харків); АТ "Норд" (м. Донецьк) та ін.

Особистий внесок здобувача. Автор сформулював мету і розробив програму досліджень. Будучи ініціатором, керівником чи відповідальним виконавцем, автор брав безпосередню участь у розробці методів, методик, моделей, виконанні розрахунків і експериментів, їхньому проведенні, аналізі й обробці експериментальних даних. Узагальнення отриманих результатів, написання статей у співавторстві відбувалося при особистій участі автора. В усіх випадках автор займався формулюванням задач і постановкою досліджень, аналізував і узагальнював отримані результати. В усіх дослідницьких роботах його участь була визначальною.

Наукові і практичні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно або в співавторстві відповідно до публікацій, у яких автору належать:– 

постановка задачі, моделювання структури і зварювального нагрівання, аналіз і узагальнення результатів моделювання, досліджень структури, фазового складу і пошкоджуваності зварних з'єднань [2, 30, 32–34, 36, 37, 48, 49, 51, 52];– 

проведення експериментальних досліджень і трактування механізмів пошкоджуваності структури зварних з'єднань [9, 12, 19, 50, 56];– 

постановка задачі по розробці нових конструкційних і функціональних матеріалів і експериментальне визначення їхніх експлуатаційних характеристик [4, 6, 11, 13, 14–16, 21–27, 40, 47, 55, 58];– 

ідея зв'язку вихідної структури зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей зі стабільністю такої структури в умовах повзучості [3, 5, 10, 18, 20];– 

огляд, аналіз і узагальнення літературних джерел [31];– 

концепція пошкоджуваності структури зварних з'єднань з теплотривких перлітних сталей в умовах повзучості [7, 17, 54, 57];– 

роботи без співавторів [1, 8, 35, 38, 39, 41–46];

Освоєння і впровадження у виробництво відповідних технічних рішень і технологій здійснювалося при особистій участі автора разом із співробітниками кафедр УIПА, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, НТК–інститут монокристалів і інших підприємств.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній конференції: “Сварка и родственные технологии – в XXI век” (м. Київ, 1998 р.); на Міжнародній конференції “Сварные конструкции” (м. Київ, 2000 р.); на Міжнародній конференції “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций” (м. Київ, 2003 р.); на Міжнародній конференції “Алмазоподобные пленки углерода” (м. Харків, 1994 р.); на науково-практичних семінарах за програмою розвитку ООН “Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике” (м. Київ, 2004 р., 2005 р.); на Об'єднаній сесії наукової і Координаційної Ради і бюро Ради головних зварників (м. Київ, 1990 р.); на Всесоюзній науково-технічній конференції “100-летие изобретения по методу Н.Г. Славянова и современные проблемы развития сварочного производства” (м. Перм, 1988 р.); на заводі – ВТУЗі при ЗИЛ (м. Москва, 1988 р.); на Республіканській науково-технічній конференції “Научные достижения и опыт отраслей машиностроения – народному хозяйству” (м. Харків, 1990 р.); на Всесоюзній науково-технічній конференції “Новые процессы сварки, наплавки и газотермических покрытий в машиностроении” (м. Таганрог, 1986 р.); на науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу Українського заочного політехнічного інституту, Харківського інженерно-педагогічного інституту, Української інженерно-педагогічної академії (м. Харків, 1985–2006 р.р.); на 7_ій Міжнародній науково-технічній конференції “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов” (м. Харків, 2006 р., Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”). У повному обсязі доповiдi по дисертації було зроблено на об'єднаному науковому семінарі профільниих кафедр Приазовського державного технічного університету, Національної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ), на мiжкафедральних семiнарах Харкiвського нацiонального автомобільно-дорожнього унiверситету і на семінарі профільних відділів НТК “Інститут монокристалів”, де її рекомендували до захисту.

Матеріали дисертаційної роботи також експонувалися на ряді виставок, в т.ч. “Наука Харківщини - 2000”, “Наука Харківщини - 2002”, Міжнародній виставці “Зварювання-2002”, м. Київ і ін.

У повному обсязі доповiдь по дисертації було зроблено на розширеному мiжкафедральному семiнарi механiко-технологiчного факультету Української інженерно-педагогічної академії, де її рекомендували до захисту.

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 58 роботах, в тому числі: 32 статтi у наукових журналах, що відповідають вимогам ВАК, 14 публікацій складають праці і тези доповідей профільних конференцій, а також семінарів (у т.ч. 8 – Міжнародних). За матеріалами дисертації отримано 11 авторських свідоцтв СРСР і Російської Федерації, 1 Патент України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається iз вступу, 6-ти роздiлiв основного тексту, загальних висновків, списку літератури з 433 найменувань і доповнень на 25 сторінках. Робота викладена на 364 аркушах машинописного тексту, містить 142 рисунка та 24 таблиці.

Автор вдячний співробітникам УІПА, ІEЗ ім. Є.О. Патона, ВАТ “Турбоатом”, НТК “Інститут монокристалів”, ТEЦ-3 (м. Харків), ТЕС (м. Енергодар), особисто академіку Патону Б.Є., чл.-кор. Григоренку Г.М., проф. Акулову А.І., проф. Пономаренко О.І., канд. фіз._мат. наук Семенову А.І. за плiдне i багаторічне співробітництво та критичне обговорення результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі автор розкрив сутність і стан проблеми розробки наукових і технологічних основ оптимізації структури і властивостей зварних з'єднань паропроводів з Cr-Mo-V теплотривких перлітних сталей, обґрунтовував актуальність дисертаційної роботи, сформулював мету і задачі дослідження, визначив наукову новизну і практичну цінність отриманих у роботі результатів, вказав на зв'язок дисертації з науковою тематикою, галузевими і державними планами і програмами. Визначено особистий внесок здобувача у розв'язаннi проблеми збільшення ресурсу експлуатації зварних з'єднань з теплотривких перлiтних сталей, а також наведено дані про апробацію матеріалу дисертації і кількість публікацій з її тематики.

У першому розділі обґрунтовано проблему збільшення ресурсу експлуатації зварних з’єднань паропроводів із теплотривких перлітних сталей. Виконано детальний аналіз сучасного стану і напрямків досліджень для її вирішення, які забезпечують оптимізацію структури та підвищують властивості зварних з’єднань для зменшення їх пошкоджуваності в умовах повзучості.

Дисертаційна робота є продовженням розробки наукового напрямку який започаткували Л.І. Міркін, С.С. Дьяченко, Т.Г. Березіна, Р.З. Шрон, Ф.А. Хромченко та ін.

У розділі 2 наведено методику й основні методи дослідження. Показано, як на основі моделювання зварювального нагрівання та встановлених особливостей фізико-хімічних процесів одержано оптимізовану структуру та покращені властивості зварних з’єднань.

Дослідження структури, властивостей та пошкоджуваності зварних з’єднань виконувалися на зразках, виготовлених за штатною та запропонованою технологіями. В запропоновану технологію входило виготовлення з’єднань шляхом механізованого зварювання, в середовищі 75% СО2 % Аr, на режимах, які відповідно даним моделювання зварювального нагрівання, забезпечують формування оптимізованих структур та покращення властивостей зварних з’єднань. Ця технологія реалізовувалася на зварювальному обладнанні до складу якого входили сопла та струмопiдвiдні мундштуки з оригінальними конструкційними та функцiональними матеріалами. Досліджувалися також зразки зварних з’єднань виготовленi за штатною технологієюз допомогою вiдомих процесiв та обладнання, в т.ч. вирізані з діючих паропроводів. Для експериментів використовували зразки однієї плавки, однакового хімічного складу й однаково термооброблені. Попередній підігрів зварних з'єднань був також однаковим – 300°С.

Для досліджень застосовувалися методи: мікроструктурний, електронномікроскопічний і мікрорентгеноспектральний, а також рентгенографічний. Повзучість вивчали на стандартних зразках шляхом використовування установок типу АИМА-5-2 та ИП-4М. Пори виявляли шляхом застосовування оптичної та електронної мікроскопії. Кількість і склад карбідних фаз визначалася за допомогою аналізу отриманих опадів шляхом використання методів фотометрії. З урахуванням методики Н.М. Попової виділення карбідів М3С, М7С3, М23С6 і М6С робилися анодним розчиненням у розчинах солей, а карбідів VC і Мо2С - у кислотах. За рентгенограмами, отриманими на дифрактометрi Siemens-D500 і визначалася структура карбідів. Типи карбідів визначалися також і на фотографіях реплік дiльниць зварних з'єднань при вiдповiдному збільшенні, тобто шляхом зіставлення з фотографіями досліджуваних карбідів. Мікротвердість (ПМТ-3) замірялася на зрізах зварних з'єднань.

Третій розділ присвячений моделюванню зварювального нагрівання, що включає рішення нелінійної системи рівнянь магнітної гідродинаміки потоків рідкого металу в розплавленому металі ванни (в'язкої рідини), рис. ., системи до складу якої входили рівняння Максвелла розподілу векторів напруженостей і , відповідно, електричного і магнітного полів.

Рис. . Схема апроксимації границі фазового переходу двохпараметричним сімейством пара-болоїдів обертання: ?1 – область основного металу; ?2 – область розплаву ванни.

Поза зварювальною ванною вирішувалось нелінійне рівняння теплопровідності щодо температури Т, що безпосередньо сполучено з рішенням відносних змінних = {u,}, P, T у зварювальній ванні. Таким чином, вирішувалася задача про фазові переходи з вільною границею, що сформульована як задача Стефана.

(1)

Тут = – кінематична в'язкість; g – прискорення сили ваги; вектор . Мішаний добуток визначає вплив електромагнітних сил на поведiнку динаміки розплавленого металу ванни;  – коефіцієнт температурного розширення; T – температура;  _ функція струму розплаву (потенціал); – ротор поля швидкостей; , c, , k – щільність, теплоємність (при постійному об’ємі), динамічна в'язкість і коефіцієнт теплопровідності відповідно; Qk – струминне дрiбнокраплинне перенесення електродного металу, що забезпечує додаткове тепловкладення в розплавлений метал ванни.

Зв'язок з фізичними змінними наступний

, (2)

де u – компонента вектора швидкості уздовж осі Оz, а v – уздовж осі Оr.

Ця задача була вiсесиметричною щодо невідомих , , Т i s=s(t) – границі розділу фаз. Для системи (1) сформулювано відповідні умови на краях.

Визначення потенціалу .

=r20120 +{ (r201)21}, (3)

тут 0 і 1 – вектори-функції, представлені у вигляді зрiзаного ряду.

k=r01pk – координатні функції, що точно задовольняють умовам на краях і вимогам симетрії задачі.

Температура T у зоні розплаву L. На вільній поверхні 0 заданий тепловий потік q.

T0 2  00 2+0q+{02 3}. (4)

Умові Стефана для потоків на границі розділу фаз 1 задовольняє рiвняння:

у L (5)

У зоні розплавленого металу L рiвняння для температури T представляється у вигляді

TTL=T00+T11,

де 0+11 – розкладання одиниці в L: 0=1/(0+1), 1=0/(0+1).

Температура Т в зоні твердого тіла S.

у S,

T2 = 10 + 2 D2 10+h2210 -2 h2Tcp+{22 11},

(6)

T3 = 12 + 3 D3 12+h3312 -3h3Tcp+{32 13},

T4 =Tcp+414

Загальна формула для визначення температури в об'ємі, зайнятому твердим тілом, в остаточному вигляді запишеться так

TTS=T1e1+…+T4e4, (7)

де функції e1, … e4 дають розкладання одиниці в області S. Формально кожну з них можна записати у вигляді

(знак модуля обов'язковий тільки для 1), (i=1,…,4)

Рис. .: а) структура металу шва і зони термічного впливу; б) поля температур у розплавленому металі ванни й у зварному з'єднанні. Повздовжній переріз. Основний метал – сталь 15Х1М1Ф.

Методом Роте рішення нестаціонарної крайової задачі зводилося до знаходження рішень послідовностей стаціонарних задач. На кожному тимчасовому шарі методом Гальоркіна-Петрова нелінійну систему диференціальних рівнянь зведено до нелінійної системи алгебраїчних рівнянь, де пошукуванними були коефіцієнти розкладання рішень по координатних функціях. Ефективна побудова таких функцій досягалася шляхом застосування методу В. П. Рвачова, що дозволяє координатним функціям (якi залежать від часу) точно задовольняти всім умовам на краях та дає можливість одержувати гарні наближення вже на перших кроках ітераційних процесів, рис. . Алгоритм дозволяє також знаходити вдалі апроксимації вільної границі.

Розроблена теорія моделювання зварювального нагрівання, вперше повною мірою враховувала початкові і граничні умови, дозволила одержувати гладкі апроксимації температурних полів у з'єднаннях із досліджуємих сталей. На основі даних моделювання уточнено фізико-хімічні умови для оптимізації вихідної структури зварних з'єднань.

Розділ 4 присвячений теоретичному обґрунтуванню і розробці нових конструкційних і функціональних матеріалів для зварювального обладнання, використовування яких забезпечує зменшення вихідної дефектності в металі шва. При зварюванні в суміші захисних газів CO2+Ar має місце забризкування сопел і струмопідвідних мундштуків (СМ) пальників, а також можливе влучення бризок металу в розплавлений метал зварювальної ванни, що призводить до наявності у металі шва неметалевих включень. Видалення таких включень викликає в зварних з'єднаннях появу істотної локальної структурної неоднорідності.

Допускаючи, що бризки в момент їхнього контакту з робочою поверхнею мідних сопел чи СМ не піддаються деформації, роботу адгезії визначали з урахуванням даних змочування поверхні, що враховують рівноважний (крайовий) кут змочування ш. Енергетичну взаємодію між рідкою і твердою фазами визначали як роботу адгезії

отв.ф./ж.ф. = утв.ф. + уж.ф.-?гтв.ф./ж.ф. ,

де утв.ф – вільна поверхнева енергія твердої фази; уж.ф – рідкої фази; гтв.ф./ж.ф – вільна міжфазна енергія на межі тверда фаза – рідка фаза.

Встановлено, що величина кута ш залежить не тільки від окремих компонентів, що входять до складу бризок (FeO, Fe2O3, Fe3O4 та ін.), але і від масової взаємодії між рідкою і твердою фазами. Показано, що інтенсивність приварювання і налипання бризок розплавленого металу на робочі поверхні сопел і СМ обумовлена ступенем розходження хімскладу бризок, структури, а також каталітичним впливом температури нагрівання сопел і СМ.

Роботу адгезії о ?визначали з урахуванням допущень: поверхня бризок була окислена, тобто до складу поверхневої плівки входили з'єднання FeO, Fe2O3, Fe3O4; бризки розплавленого металу мають сферичну форму; на ділянці розподілу фаз, що прилягає до оксидної плівки, структура металу бризок мала незначні відмінності від структури по їх перетину; збільшення о при підвищенні температури, яке характеризується взаємодією оксидів заліза з міддю (поверхня сопел і СМ), забезпечується ентальпією зв'язку; пропорція між Fe–O і Fe–Cu на поверхні розділення фаз фіксована і відповідає відношенню стехіометричних коефіцієнтів в оксидах FeO, Fe2O3 і Fe3O4

де – площа, займана молем металу на поверхні розділу фаз; ?H0(Fe), ДHFe(Cu) – питомі ентальпії при впровадженні кисню в залізо і заліза в мідь; бa, n – коефіцієнти, що характеризують особливості конкретного процесу адгезії бризок до поверхні сопел чи СМ.

З урахуванням фізичних умов забризкування сопел і СМ, а також розрахункових значень о, розроблено спеціальні термостійкі покриття для запобігання їх забризкуванню. На робочу поверхню сопел і СМ на установці типу “Булат” методом іонного осаджування за розробленою технологією наносилися багатошарові титанові і цирконієві покриття. Шляхом підбору параметрів режиму осаджування створювалися умови для зниження залишкових напруг у покритті, яке формується. Іонне бомбардування при осаджуванні іонів нікелю, титану і цирконію забезпечувало вдарювання іону об поверхню підкладки, утворення ділянки “тепловий клин”, що має розміри по глибині порядку 6 нм. При швидкості зростання покриття 10–6–10–12 м/с ця об'ємна ділянка зазнавала близько 9–11 циклів зміни температури. Термоциклювання забезпечувало зниження кристалізаційних і залишкових напруг. Сумарна щільність покрить, одержуваних шляхом іонного осаджування, була значно вищою, ніж щільність аналогічних покрить, набутих плазменним, електролізним і газотермічним методами. Іонний метод осадження відповідно забезпечував бiльш великий ступінь адгезії покрить, які наносяться, до поверхні мідних сопел, відсутність залишкових напруг після азотування, а також більш високу міцність і зносостійкість покрить в умовах експлуатації, рис. .

а) б)

Визначено оптимальну товщину багатошарових покрить, що мають завершальний шар TiN _ –25 мкм, ZrN – _ мкм, Cr – _ мкм. Наявність таких покрить дозволила знизити на 50–80% кількість неметалевих включень в металі шва.

Визначено залежність формування структурної неоднорідності зварних з'єднань з теплотрив-ких перлітних сталей від ступеню зносу струмопiдвiдних мундштуків, рис. .

Ч1,7

Рис. . Макроструктура зварних з'єднань, що сформувалися при зносi СМ. Напівавтоматичне зва-рювання в суміші CO2+Ar. Основний метал сталь 15Х1М1Ф. Ступінь зносу СМ складає 30%.

Обґрунтовано і розроблено композиції інгредієнтів порошків для струмопiдвiдних мундштуків (СМ) пальників зварювальних автоматів, напівавтоматів і роботів.

Вхідні до складу запропонованої композиції СМ надтверді зерна оксидів алюмінію і нітриду кремнію руйнують на поверхні електродного дроту, що рухається, оксидні плівки. Це поліпшує фізичний контакт їхніх струмопровідних поверхонь. Графіт утворює тверде змащення між тертьовими поверхнями каналу СМ і електродного дроту. Таким засобом підвищено ступінь фізичного контакту між поверхнями СМ і електродного дроту. Інгредієнти, що входять до складу композицій в сукупності забезпечують знижений в 5–8 разів у порівнянні з відомими СМ ступінь їхнього зношування. Відповідно зменшується структурна неоднорідність зварних з'єднань.

Встановлено, що при використанні сопел із запропонованими термостійкими покриттями і СМ із порошкових матеріалів, а також охолоджуваних пальників з новими технічними рішеннями, підвищуються вихідні якісні характеристики металу шва, а саме: поліпшуються умови формування вихідної структури зварних з'єднань через зменшення перервності процесу зварювання, викликаного необхідністю видалення налиплих на робочу поверхню сопел і СМ бризок розплавленого металу; здійснюється рівномірне зварювальне нагрівання крайок основного металу унаслідок відсутності відхилення дуги, викликаної зносом СМ; при зниженні рівня забризкування сопел і СМ забезпечується, відповідно, менше влучення бризок у розплавлений метал ванни, тобто зменшується кількість неметалевих включень у металі шва; метал шва характе-ризується зниженим ступенем вихідної пористості і кількості неметалевих включень, що забезпе-чує зменшення його пошкоджуваності в процесi довготривалої експлуатації в умовах повзучості.

Розділ 5 присвячений вивченню особливостей структури зварних з'єднань паропроводів з Crтеплотривких перлітних сталей, їхніх властивостей i пошкоджуваностi в умовах повзучості.

Дослідження вихідних структур зварних з'єднань дозволило виявити ті їхні ділянки, де формуються локальні структури, якi вiдносят до бракувочних і де в умовах повзучості, найбільш інтенсивно утворяться пори, що перероджуються в тріщини. В області металу шва формуються подовжені феритні зерна або ланцюжки з рівноосьових феритних зерен. На ділянці сплавлення зони термічного впливу (ЗТВ) утворяться збільшені феритні зерна, згруповані локально в ланцюжки, симетричні щодо металу шва. На ділянці перегріву формується структура з відносно збільшеним балом зерна (4–5, ГОСТ –82) у порівнянні із структурою металу шва й основного металу (бал 6–7). На ділянці неповної фазової перекристалізації нові порції продуктів розпаду аустеніту являють собою пластинчастий чи сфероідизований перліт або мартенсит. Виявлення методами неруйнівного контролю наведених структур, які можна віднести до тих, що вибраковуються у достатній мірі не можливо.

Рис. . Фрагментовані субзерна ділянки неповної перекристалізації ЗТВ. ?6000. Основний метал сталь 15Х1М1Ф. Ресурс 186000 г.

Встановлено, що зародження пор розміром 0,1–1,0 мкм, після 200000 годин експлуатації переважно відбувається в структурі ділянки неповної перекристалізації (50% від загальної кількості). У структурі ділянок сплавлення, перегріву і в металі шва – решта. Коагулюючі карбідні виділення M23C6 утворюють додаткові сходинки на межах зерен і є ефективними джерелами конденсації напруг в умовах ковзання. Розкриття виступу, внаслідок проковзування призводить до порушення суцільності, тобто утворення зародкових мікропор, що з'являються спочатку на границях, перпендикулярних до прикладених напруг. Роботу, витрачену на утворення мікропори, прийнято такою, що дорівнює 4/3 ?r3у (у _ зовнішня напруга, r _ сферичний радіус мікропори), і на утворення нової поверхні такою, що дорівнює 4 ?r2г. Розрахунковий радіус мікропори склав 0,1 _ ,3 мкм, що наближається до експериментальних даних. Проковзуванню по межах зерен сприяє перенесення вакансій, обумовлене дифузією атомів Cr і Mo в карбіди M23C6, M6C, а також Mo у карбіди Mo2C і V в карбіди VC, що утворюються. Розвиток мікропор розглядався, як ефект зриву дислокацій з коагулюючих карбідних виділень, розташованих на границі зерен ?-фази.

Встановено, що процес утворення фрагментованих субзерен, який виявляється після 150000 годин експлуатації зварних з'єднань, істотно залежить від їхньої вихідної структурної неоднорідності, обумовленої зварювальним нагріванням, у т.ч. і від характеру розподілу карбідів по тілу зерен. Структура зразків штатної технології, що має більший рівень структурної неоднорідності, нiж структура запропонованої, характеризується відповідно і більш високою інтенсивністю фрагментації субзерен, див. рис. .

У структурі зразків запропонованої технології відстань між карбідними виділеннями є більш рівномірною, ніж в аналогічній структурі штатної, що забезпечує відповідно більш рівномірне утворення навколо них кілець дислокацій. Наприклад, у структурі зразків штатного режиму середня відстань між карбідами VC (повздовжній розмір 70–150 A) має істотний розкид, що складає від 500 до 2500 A, а також має місце їхня локальна концентрація. У структурі зразків запропонованої технології середня відстань між VC складає від 900 до 1100 A, а також відсутня локальна їх концентрація. Рівномірний вихідний розподіл карбідів як по зернах ?_фази, так і по їхніх межах, що підтверджується рис. ., шляхом гальмування руху дислокацій, стабілізує їхню пластичність в умовах повзучості.

Можна стверджувати, що зміна структури цих зварних з'єднань відповідно контролює їхню повзучість, а переповзання і наступне ковзання дислокацій забезпечує локальну деформацію зерен ?-фази, що відрізняється.

Рис. . Мікротвердість зварних з'єднань (основний метал – сталь 15Х1М1Ф) ділянка неповної перекристалізації заштрихована: а) вихідна мікротвердість (автоматичне зварювання на штатних режимах); б) мікротвердість після 170000 годин експлуатації.

Зміцнення забезпечується переважно наявністю карбідів VC, Mo2C, M3C, M7C3, а також коагулючих M23C6 і M6C. Виявлено, що пiсля 100000 г експлуатації збільшується кількість карбідів M23C6, а їхня коагуляція придає структурі особливості, що відрізняються від вихiдних. Найбільша інтенсивність коагуляції карбідів M23C6 характерна для структури ділянки неповної перекристалізації. Установлено, що дрiбнодисперсні (у вигляді волокна) карбіди VC залишаються стабільними, тобто практично не коагулюють при експлуатації до 350000 г на всіх ділянках структур зварних з'єднань. Відзначено після 200000 г експлуатації незначне (близько 5–7%) збільшення кількості VC у структурі ділянки неповної перекристалізації. З урахуванням значень твердості, див. рис. ., можна показати, що і пластичність цiєї ділянки змінюється.

Сліди ковзання по найбільш щiльноупакованих площинах {II0} і напрямках ‹III›, розглядалися як результат виходу частин дислокаційних кілець на поверхню зерен, а зміцнення – як результат затримки частин дислокацій в об'ємі зерен. Поява слідів ковзання в структурі зварних з'єднань (рис. ) і її зміцнення взаємозалежнi і контролюються структурною неоднорідністю, забезпечуваною зварювальним нагріванням. Навколо слідів ковзання відповідно утворювалися ділянки зміцненої структури.

Рис. . Сліди ковзання в структурі ділянки неповної перекристалізації. ?8200. Ресурс 270000 г, е ,2%.

Величина зерен також впливає на кількість слідів ковзання при повзучості. Обґрунтовано наявність у вихідній структурі зварних з'єднань зі сталей 15Х1М1Ф та 12Х1МФ оптимальних за величиною зерен 10_ мкм. Встановлено, що найменше число слідів ковзання утвориться в структурі, що містить 75–85% бейнiту, ферит – решта, що підтверджується підвищеною стабільністю такої структури стосовно до експлуатаційних умов. Показано, що кількість слідів ковзання на ділянках зварного з'єднання буде взаємно відрізнятися. При наявності в складі нових порцій розпаду аустеніту у вигляді грубопластинчатого чи сфероідизованого перліту кількість слідів ковзання істотно збільшується. Перевантаження (тобто перевищення нормативних напруг і температур) також забезпечує зростання і кількість грубих смуг ковзання.

Моделювання зварювального нагрівання забезпечило отримання вихідної структури зварних з’єднань, яка характеризується зменшеним рівнем їх структурної неоднорідності і відсутністю бракувальних структур. На ділянці неповної перекристалізації запобігається формування нових продуктів розпаду аустеніту у вигляді грубопластинчатого чи сфероїдизованого перліту, а також мартенситу. Величина зерен на ділянці перегріву також є зменшеною і відповідає 6-му і 7-му балам ГОСТ 5639-82. На цьому участку зменшується загальна кількість нових порцій розпаду аустеніту, а їхня структура є більш подібною до структури основного металу. На ділянці сплавлення запобігається утворення локальних бракувальних прошарків із структурою, яка відрізняється від металу основного і наплавленого, рис. .

а) б)

Рис. . Структура ділянки сплавлення зони термічного впливу зварних з'єднань. ?100: а) зразки штатної технології; б) зразки запропонованої.

Отримана вихідна структура зварних з'єднань, виготовлених за запропонованою технологією, характеризується більшою стабільністю в умовах робочих напруг і температур нiж за штатною. Знижується швидкість реакції М3С>М7С3>М23С6, а також iнтенсивнiсть коагуляції М23С6. Швидкість деформації зерен ?-фази в структурі таких зварних з'єднань в умовах повзучості є уповільненою, а пошкоджуваність порами зменшеною (близько 20–25%).

Розділ 6 присвячений вивченню й оптимізації структури, хімскладу і властивостей зварних з'єднань низьколегованих теплотривких Cr-Mo-V перлітних сталей для збільшення ресурсу їхньої експлуатації в умовах повзучості. Об'єктом дослідження була залежність пошкоджуваності в умовах робочих напруг і температур зварних з'єднань, виготовлених за запропонованою і штатною технологіями, від їхньої структурної неоднорідності.

Встановлено залежність між зварювальним нагріванням з'єднань, що виготовляються, і балом зерна (G) у бейнітно-феритній структурі металу шва (рис. ).

Рис. . Залежність балу зерна G (ГОСТ ) від тепловкладення в основний метал, вираженого через наближене значення погонної енергії.

Висока стабільність структури зварних з'єднань, виготовлених за пропонованою технологiєю забезпечується низьким ступенем вихідної сегрегації Cr, Mo, Si і Mn у зернах ?_фази на всіх ділянках структур зварних з'єднань. Наприклад, рис. .

Рис. . Вихiдна сегрегацiя Cr в структурі зварних з'єднань із сталі 12Х1МФ.

Мікроструктура металу шва в досліджуваних зразках після напрацювання вiд 100000 до 200000 г iстотно не змінювалася і складалася з відпущеного бейніту і фериту. Карбіди переважно були дрібнодисперсними і розташовувалися по границях і по тілу зерен. На локально перегрітих ділянках металу шва (зразки штатного режиму) карбіди в більшій мірі (приблизно 60–70%) концентрувалися по границях вiдносно збiльшених (50–70 мкм) феритних зерен. У зразках запропонованого режиму розосередження карбідів було рівномірним. Як показав рентгено-структурний аналіз, тут основними були карбіди М3С, М23С6 і VC, однак малися сліди і Мо2С, а також М7С3. У карбідах знаходилося приблизно 58%87% Мо, 43%

Сегрегація атомів хрому на границях зерен ?-фази забезпечує відповідну швидкість реакції М3С>М7С3>М23С6>М6С. Коагуляція М23С6 відбувається внаслідок коалесценції самих карбідів, а також при дифузії атомів Cr і Mo із зерен ?-фази в карбіди М23С6, а також адсорбції Cr та Mo. Реакція М23С6>М6С, в умовах коагуляції М23С6, є уповільненою, що пояснюється низькою інтенсивністю насичення осередків М23С6 визначеною кількістю атомів Cr, Mo і Mn.

Рентгеноструктурне дослідження карбідних фаз М3С і М23С6, виділених з металу шва зварного з'єднання паропроводу (напрацювання 200000 г), проводилося на порошковому дифрактометрі “Siemens” у монохроматизованому мідному випромінюванні з графітовим монохроматором на відбитому пучку. Дифрактограми зняті в інтервалі кутів 10° ? ? ? ° із кроком сканування 0,02° і часом нагромадження 75 секунд у кожній точці. Розрахунок виконано за методом Рітвельда.

2И(°)

Кут відображення

Рис. . Рентгенограма карбідних фаз M23C6 удосконалена за методом Рітвельда.

Зовнішній вигляд рентгенограм (рис. ) засвідчує, що в карбідних фазах М23С6 відзна-чається істотна частина деформованості їх кристалiчних ґраток, спостерігається хвилястий фон від їх деформованої частини і помітне розширення рефлексів, обумовлених малими розмірами кристалитів.

При уточненні елементарної ячейки М23С6 (рис. ) встановлено, що куби є порожніми, а в центрі кожного тетраедра й октаедра знаходиться атом марганцю.

Рис. . Уточнена елементарна ячейка M23C6. | Рис. . Пошкоджуванiсть порами металу участка неповної перекристалiзацiї ЗТВ зварних з'єднань iз сталi 12Х1МФ. Ресурс 275637 г. Пори бiля коагу-люючих карбiдiв M23C6 помiченi стрiлками.

– Коалесценція М23С6.

У тетраедрах зовнішня відстань між атомами більша вiд параметру осередку на 20–30%. Тетраедричні ребра між кубами істотно перевищують довжину ребер куба. Збільшення параметрів ячейки M23C6 обумовлено перебуванням у її вершинах атомів Cr і Mo, що мають бiльші атомні радіуси, ніж залізо.

Встановлено, що систематичне зародження і розвиток пор у зразках штатного режиму починається приблизно від 150000 г експлуатації, а в зразках запропонованого – від 190000 г. Відповідно, інтенсивність пошкоджуваності в зварних з'єднаннях, виготовлених за штатною технологією, була більш високою.

При наробітку в умовах повзучості понад 150000 г зменшується ступінь когерентності коагулюючих виділень M23C6 із зернами ?-фази, рис 13, локально збільшується щільність вакансій по їхніх межах, а також вiдбувається фрагментація субзерен ?-фази. Відзначається злиття вакансій і наступне утворення пор. Спочатку пори мають кулясту чи еліпсовидну форму і характери-зуються повздовжними розмірами 0,5_,2 мкм при щільності до 150 пор на 1 мм2. Після експлуатації зварних з'єднань понад 150000 г у структурі зерен ?-фази відзначається