НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

МАРКОВ

Андрій Дмитрович

УДК 620.178:620.181

ОЦІНЮВАННЯ ДЕГРАДАЦІЇ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ ТЕПЛОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ У ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ НАВОДНЮВАЛЬНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

05.02.01 - матеріалознавство

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-механічному інституті

ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Студент Олександра Зиновіївна,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, провідний науковий співробітник відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Ткачов Володимир Іванович

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м.  Львів, завідувач відділу водневої стійкості металів

кандидат технічних наук,

БАСІСТИЙ Павло Васильович,

Тернопільський національний педагогічний університет ім. В. Гнатюка, м. Тернопіль, доцент кафедри фізики та методики викладання фізики | Провідна установа: | Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, відділ міцності та пластичності матеріалів | Захист відбудеться “05” вересня 2007 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий “03” серпня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Погрелюк І.М. |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Оцінювання роботоздатності теплоенергетичного та нафтопереробного устаткування є особливо актуальним завданням для України. Адже непрогнозовані руйнування великогабаритних конструкцій, таких як паропроводи ТЕС і корпуси реакторів гідрокрекінгу нафти, приводять до значних економічних втрат і тяжких екологічних наслідків. Однією з причин втрати роботоздатності такого устаткування є деградація теплостійких сталей в часі тривалої експлуатації. Жорсткі температурно-силові умови інтенсифікують структурні перетворення в металі (Е.И. Крутасова), сприяють повзучості (П.А. Антикайн, Ф.А. Хромченко, Т.Г. Березина, А.А. Чижик), знижують залишкову пластичність (А.Б. Вайнман), статичну (О.М. Романів), циклічну (Г.М. Никифорчин) та корозійно-циклічну (І.М. Дмитрах) тріщиностійкість експлуатованого металу.

Відзначають також особливу роль водню у процесах високотемпературної деградації сталей. Його вплив на механічні властивості та різні аспекти деградації конструкційних матеріалів досліджували в своїх роботах Г.В. Карпенко, В.В. Панасюк, І.К. Походня, В.І. Махненко, В.І. Похмурський, О.Є. Андрейків, В.І. Ткачов, Г.М. Никифорчин, В.В. Федоров, В.А. Гольцов, В.І. Шаповалов, Б.О. Колачев, Ю.І. Арчаков, A.R.R.A.W.W. Gerberich, A.P.G.H.G.I.M.ernstein, A.S.C.D.та інші.

Останнім часом причиною експлуатаційних пошкоджень великогабаритних конструкцій з теплостійких сталей все частіше стають зварні з’єднання (ЗЗ). За сумісного тривалого впливу високотемпературного наводнювального середовища та механічних навантажень ЗЗ особливо схильні до крихкого руйнування. Сприяє цьому їх макро- і мікронеоднорідність за хімічним складом, структурою та механічними властивостями. Структурні мікродефекти в ЗЗ стають енергетично вигідними пастками для водню, що потрапляє в метал і під час зварювальних робіт, і з робочого середовища. Високоградієнтні поля залишкових напружень в них сприяють перерозподілу водню і роблять їх особливо чутливими до його впливу. Тому можна припустити, що деградація металу ЗЗ у наводнювальному середовищі протікатиме інтенсивніше порівняно з основним металом (ОМ). Звідси дослідження структурних аспектів деградації за впливу високотемпературного наводнювального середовища та оцінювання їх впливу на механічні властивості та механізми руйнування металу ЗЗ є важливим завданням сучасного матеріалознавства як з наукової, так і з практичної точок зору.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота викону-валась у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України у рамках бюджетних тем НАН України „Встановлення мікроструктурних, електрохімічних та механічних показників експлуатаційної деградації низьколегованих сталей енергетичного та нафтохімічного обладнання”, № держреєстрації 0100U004862, 2003…2005 рр., “Дослідження корозійно-водневої деградації зварних з’єднань низьколегованих сталей енергетичного та нафтохімічного обладнання”, № держреєстрації 0106U004809; “Розроблення методів оцінки технічного стану та залишкового ресурсу зварних з’єднань паропроводів ТЕС з урахуванням водневої деградації металу” цільової комплексної програми НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин” (РЕСУРС), № держреєстрації 0104U004531, 2004...2006 рр.; “Оцінка стійкості до водневої деградації сталі корпусів реакторів гідрокрекінгу нафти” МОН України, № держреєстрації 0103U006320, 2003...2006 рр., виконавцем яких був автор.

Мета роботи – на основі досліджень структурних змін, механічних властивостей та механізмів руйнування металу ЗЗ теплостійких ощаднолегованих сталей паропроводів ТЕС і корпусу реактора гідрокрекінгу нафти після їх високотемпературної водневої деградації за експлуатаційних і модельних лабораторних умов визначити стан металу ЗЗ з позиції його роботоздатності у великогабаритних зварних конструкціях.

Задачі дослідження:

1. Оцінити зміни структури та механічних властивостей металу ЗЗ теплостійкої сталі 15Х1М1Ф після експлуатації на паропроводі ТЕС.

2. Встановити чутливість механічних характеристик до високотемпературної деградації металу ЗЗ теплостійких ощаднолегованих сталей.

3. Дослідити вплив наводнювання на механічні властивості металу з різних зон експлуатованого і неексплуатованого ЗЗ сталі 15Х1М1Ф.

4. Виявити закономірності структурних змін металу шва (МШ) після його високотемпературної водневої деградації в лабораторних умовах.

5. Розкрити механізм руйнування експлуатованого і неексплуатованого МШ під впливом водню.

6. Обґрунтувати досягнення МШ граничного стану з використанням лабораторної експрес-методики деградації сталей термоциклуванням у газоподібному водні.

Об’єкт дослідження – високотемпературна воднева деградація металу ЗЗ теплостійких сталей в експлуатаційних та лабораторних умовах.

Предмет дослідження – закономірності зміни мікроструктури, механічних властивостей та механізмів руйнування ЗЗ теплостійких сталей, зумовлені тривалим впливом високотемпературного наводнювання.

Методи дослідження – оптична металографія для аналізу структурних змін у металі; оптико-спектральний аналіз хімічного складу металу; електронно-мікроскопічна фрактографія; деградація металу в лабораторних умовах шляхом термоциклування у водні; хроматографічний аналіз для визначення вмісту водню в металі; механічні випробування з визначенням твердості, характеристик міцності і пластичності на повітрі та за наводнювання, ударної в’язкості, статичної та циклічної тріщиностійкості (ЦТ).

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше експериментально показано, що за однакової тривалості експлуата-ції на головному паропроводі ТЕС (~2·105 год) деградація МШ інтенсивніша, ніж металу ЗТВ і ОМ. Встановлено відповідність зміни мікроструктури МШ після високотемпера-турної водневої деградації в експлуатаційних і лабораторних умовах. В обох випадках деградація МШ проявляється трансформацією голкового фериту в глобулярний зі збільшенням діаметра зерна фериту, що спричиняє зниження міцності. З іншого боку, внаслідок поглинання феритної оторочки на межах колишніх аустенітних зерен та ослаблення меж феритних зерен карбідами, знижується опір крихкому руйнуванню.

2. Виявлено нові особливості деградації механічних властивостей МШ паропроводу ТЕС:

а) основні механічні характеристики МШ (міцність, відносне звуження, твердість та ударна в’язкість) зменшуються на 25…40 % після його тривалої високотемпературної експлуатації, на противагу відомій слабій чутливості цих механічних властивостей до зміни стану ОМ;

б) одночасне зниження опору і крихкому, і в’язкому руйнуванню та протилежна зміна характеристик пластичності деградованого МШ, за якого відносне звуження зменшується, а відносне видовження зростає.

3. Запропоновано при оцінюванні високотемпературної деградації МШ паропроводів користуватися наступними методичними рекомендаціями:

а) випробовувати на розтяг радіально орієнтовані зразки на відміну від прийнятих у енергетиці осьових та тангенціально орієнтованих зразків, оскільки перші чутливіше відбивають зміни в МШ після його експлуатації;

б) використовувати електролітичне наводнювання під час випроб зразків розтягом, щоб підсилити чутливість механічних характеристик до деградації металу ЗЗ;

в) оцінювати граничний стан експлуатованого МШ за інверсією впливу абсорбованого металом водню на ефективний поріг ЦТ з позитивного на негативний, як це використовується стосовно ОМ.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується їх узгодженістю з визнаними уявленнями про закономірності, природу і механізми руйнування конструкційних сталей, експериментальним підтвердженням та повторюваністю спільних закономірностей впливу абсорбованого металом водню на механічний стан деградованого металу ЗЗ теплостійких сталей, коректним застосуван-ням методичних підходів для вирішення поставлених завдань, використанням в експериментальних дослідженнях сучасних методів отримання, реєстрації та оброблення інформації, опосередкованим узгодженням отриманих експериментальних результатів з відомими в літературі, практичним використанням зроблених висновків і рекомендацій.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні методів оцінювання працездатності ЗЗ теплостійких ощаднолегованих сталей. Виявлено інтен-сивнішу деградацію МШ порівняно з іншими зонами ЗЗ, що необхідно брати до уваги, аналізуючи технічний стан відповідальних конструкцій після їх тривалої експлуатації за підвищеної температури та дії воденьвмісного середовища. Показано вищу чутли-вість характеристик міцності до деградації МШ в експлуатаційних умовах, визначених на радіально орієнтованих стосовно осі труби зразках, порівняно з регламентованими осьовими зразками. Обґрунтовано можливість оцінювання стану деградованого МШ за зміною твердості, заміряною безпосередньо на експлуатованому об’єкті. Рекомендова-но проводити механічні випроби розтягом за додаткового електролітичного наводню-вання, що підвищує чутливість механічних властивостей до зміни стану ОМ і МШ внаслідок деградації. Визначено граничний стан експлуатованого МШ і показано, що його досягнення загрожує крихким руйнуванням. Результати дисертаційної роботи використано ВАТ "Західенерго" для визначення стану експлуатованого МШ та обґрун-тування термінів обстеження ЗЗ сталі 15Х1М1Ф на головних паропроводах ТЕС.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення дисертації автор отримав самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: виявлення та аналіз змін механічних властивостей та структурних перетворень в теплостійких сталях під дією водню [1, 4, 10, 11, 13]; оцінювання чутливості механічних властивостей різних зон ЗЗ до дії водню та закономірності зміни цих властивостей внаслідок деградації [2, 3, 12, 15]; дослідження впливу наводнювання на зміну властивостей МШ теплостійких сталей [6, 7, 9]; визначення граничного стану деградованого МШ [8].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на Міжнародних симпозіумах, конференціях, семінарах і колоквіумах: “Safety and Reliability in Energy Technology” (Stuttgart, Germany, 2003), “Strength, Durability and Stability of Materials and Structures, SDSMS’03” (Klaipeda, Lithuania, 2003), “Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів – Корозія-2004, 2006” (м. Львів, 2004, 2006 рр.), "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (м. Львів, 2004“Junior-Euromat-2004” (Lausanne, Switzerland, 2004), „Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м. Ужгород, 2005 р.), „Механічна втома металів” (м. Тернопіль, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, з них – 9 статей у фахових виданнях України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 134 сторінки, вона містить 69 рисунків, 5 таблиць, бібліографічний список із 107 найменувань та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі висвітлено стан та обґрунтовано актуальність проблеми високотемпературної водневої деградації конструкційних сталей та їх ЗЗ в енергетиці та нафтохімії, визначено мету досліджень та основні напрямки її досягнення, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі на основі огляду літературних першоджерел проаналізовано: умови деградації конструкційних теплостійких сталей під час експлуатації паропроводів та реакторів гідрокрекінгу нафти, можливі механізми водневого окрихчення металів та деструктивного впливу пересичення металу воднем за умов теплозмін, вплив експлуатаційних чинників на властивості матеріалів енергетичного устаткування та методи оцінювання стану деградованого металу. Сформульовано основні завдання дисертаційної роботи та визначено напрямки досліджень.

У другому розділі описано досліджені матеріали, обладнання, зразки та використані методики досліджень.

Досліджували властивості металу з різних зон ЗЗ ощаднолегованих теплостійких сталей (15Х1М1Ф паропроводу ТЕС та 15Х2МФА корпусу реактора гідрокрекінгу нафти) у вихідному стані та після високотемпературної водневої деградації за лабораторних та експлуатаційних умов.

Використали метал із заводського ЗЗ сталі 15Х1М1Ф вертикальної ділянки головно-го паропроводу ТЕС після ~2·105 год експлуатації. Діаметр і товщина стінки труби становили 0,325 м і 0,06 м відповідно. Структура ОМ з одного боку ЗЗ – феритна з кар-бідами всередині і вздовж меж зерен (ОМ1), а з іншого – ферит-бейнітна (ОМ2). Для порівняння дослідили метал з модельного ЗЗ, отриманого за технологією виконання ре-монтних ЗЗ ручним багатопрохідним електродуговим зварюванням, прийнятою на ТЕС, яким моделювали заміну пошкодженої ділянки паропроводу неексплуатованою трубою. Попередньо прогріті до 300 оС півметрові відтинки труб (з експлуатованої впродовж ~2·105 год труби з металу ОМ1 та неексплуатованої труби з металу ОМ2) з V-подібним розробленням крайок зварили електродами ТМЛ-3У, накладаючи валки завтовшки 4...6 мм. Після зварювання ЗЗ відпускали впродовж 3 год за температури 735 оС. При цьому метал зони термічного впливу (ЗТВ) з боку неексплуатованого ОМ2 і МШ, який за хімскладом відповідав сталі 09Х1МФ, вважали металами у вихідному стані.

ЗЗ сталі 15Х2МФА корпусу реактора гідрокрекінгу нафти отримали автоматичним багатопрохідним зварюванням під флюсом дротом Св-10ХМФТУ листів товщиною 0,4 м за прийнятою технологією виготовлення таких швів.

Деградацію металу ЗЗ за експлуатаційних умов моделювали в лабораторних умовах, використавши експрес-методику термоциклування зразків у газоподібному водні (тиск 0,3 МПа) від робочої (для сталі паропроводу 570 оС, а для сталі корпусу реактора – 450 оС) до кімнатної температури зі швидкістю нагрівання і охолодження ~2 оС/с та витримуванням за робочої та кімнатної температури 0,5 год.

Стан деградованого металу ЗЗ оцінювали за інтегральними механічними характеристиками, такими як твердість та ударна в’язкість, міцність та пластичність за розтягу, в тому числі і за умов електролітичного наводнювання. Ударну в’язкість визначали на осьових (L-R) та радіально (R-C) орієнтованих зразках. Механічні властивості за розтягу визначали на гладких циліндричних зразках діаметром 3 мм, орієнтованих вздовж осі труби (досліджувана зона ЗЗ розташована по центру робочої частини зразка), тангенціально і радіально (робоча частина зразка повністю розташована у досліджуваній зоні ЗЗ). Зразки випробували за швидкості навантаження 3·10-3 с-1 на машині УМЕ-10Т, додатково оснащеній електрохімічною коміркою. Їх наводнювали в 0,5M водному розчині сірчаної кислоти з додаванням 2 г/л тіомочевини за густини струму 50 мА/см2 та тривалості попереднього наводнювання 15 хв.

Характеристики ЦТ визначали на повітрі за результатами втомного навантаження консольним згином балкових зразків (1218160 мм) з крайовим надрізом. Кінетичні діаграми втомного руйнування (КДВР) будували в номінальних і ефективних (з урахуванням закриття тріщини (ЗТ)) координатах. Визначали номінальні Kth = Kth max – Kth min та ефективні Kth eff = Kth max – Kth cl порогові розмахи коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН). Величину Kth cl, що характеризує ЗТ і відповідає частині циклу навантаження, під час якої метал в околі вершини тріщини циклічно не деформується, визначали за методом податливості. За довірчої імовірності 0,95 і мінімальної кількості випроб рівній трьом відносна похибка визначення порогових розмахів КІН не перевищувала 5

Статичну тріщиностійкість JIc визначали шляхом побудови R-кривих за методикою багаторазового часткового розвантаження балкових зразків, навантажених триточковим згином.

Металографічні дослідження проводили на оптичному мікроскопі Neofot-21, а фрактографічні на скануючому електронному мікроскопі Hitachi S-2600N. Вміст водню в металі визначали хроматографічним методом.

У третьому розділі наведено результати досліджень структури, інтегральних механічних властивостей неексплуатованого і експлуатованого на паропроводі металу ЗЗ сталі 15Х1М1Ф та досліджено вплив наводнювання на їхню зміну.

Зміна структури. Макроструктура МШ в межах окремих валиків має вигляд стовп-частих кристалітів, які морфологічно наслідують колишні аустенітні зерна. Вздовж їх меж розташовані феритні оторочки, які простягаються практично через всю товщину валиків. Всередині зерен колишнього аустеніту у вихідному стані домінує структура голкового фериту без характерної просторової орієнтованості окремих кристалів, ріст яких не розпочинається від меж аустенітних зерен, як це властиво бейніту. Мікротвердість HVм таких ділянок становила 2300…2400 МПа. Подекуди траплялися також ділянки з HVм до 2900 МПа, що властиво бейніту і залишковому мартенситу. Після експлуатації стовпчаста форма зерен вихідного аустеніту зберігається, а феритна оторочка на їх межах практично зникає. Зерна фериту в межах колишніх зерен аустеніту округлюються, їх діаметр зростає, мікротвердість знижується до 1900 Мпа, а всередині них і на їх межах спостерігали різні за розмірами карбіди. Таким чином, після експлуатації протягом ~2·105 год голковий ферит у структурі МШ перетворюється у глобулярний.

Механічні властивості. Встановлено, що попри низьку чутливість інтегральних механічних характеристик (твердість, ударна в’язкість) до деградації ОМ, ці властивості для МШ відчутно знижуються після його експлуатації (рис. 1). У вихідному стані механічні характеристики МШ вищі за відповідні показники ОМ, що відповідає вимогам чинного регламенту на виконання ЗЗ. Проте після ~2·105 год експлуатації попри практичну незмінність властивостей ОМ, твердість та ударна вязкість МШ стають нижчими за регламентовані, критичні для ОМ паропроводів рівні.

Попри незначну зміну характеристик міцності і пластичності експлуатованого ОМ (на 3…5характеристики міцності МШ після експлуатації на паропроводі знижуються значно сильніше (уВ на 26а у02 на 37що засвідчує його інтенсивні-шу деградацію. Зазвичай на основі досліджень властивостей металу ЗЗ у вихідному стані, найслабшою його зоною вважають метал ЗТВ, що проявляється, в першу чергу, його високою схильністю до водневого розтріскування, низьким опором зародженню і поширенню втомних тріщин чи тріщин повзучості. Згідно ж з отриманими результата-ми характеристики міцності металу ЗТВ після 2•105 год експлуатації знижуються на 15…20% і стають нижчими за відповідні характеристики ОМ, проте залишаються вищими, ніж характеристики МШ. Твердість ЗТВ після експлуатації сумірна з твер-дістю ОМ (рис. 1 а). Звідси можна зробити висновок, що після високотемпературної деградації в експлуатаційних умовах вже не ЗТВ, а МШ стає найслабшою зоною ЗЗ. Тому в подальших дослідженнях основну увагу зосередили на закономірностях зміни властивостей МШ після його високотемпературної експлуатації.

Рис. 1. Твердість НВ поперек осі ЗЗ на рівні 15 мм від зовнішньої поверхні труби (а) та ударна в’язкість KCV (б) для неексплуатованого (білі) та експлуатованого (чорні позначення) ЗЗ сталі 15Х1М1Ф.

Інтенсивнішу, порівняно з ОМ, деградацію МШ можна пов’язати з агресивною дією наводнювального робочого середовища як джерела водню в металі, який, як відомо, сприяє дифузійним процесам і, відповідно, мікроструктурним змінам. Адже визначена інтегральна концентрація водню в експлуатованому металі ЗЗ вища, ніж у вихідному стані (в ОМ вона зросла після експлуатації на 30а в МШ – у 3 рази).

Загалом, закономірності впливу наводнювання на механічні властивості неексплуатованого металу детально вивчені. Стосовно ж експлуатованого ОМ, а тим більше МШ, ці особливості ще не розкриті. Щоб виключити можливий вплив на механічні властивості ЗЗ попередньо абсорбованого металом водню, зразки перед випробами дегазували 2 год у вакуумі за робочої для паропроводу температури 570 оС. Результати свідчать (рис. ), що електролітичне наводнювання під час випроб зразків розтягом дає можливість виявити зміну стану ОМ після його експлуатації навіть за інтегральними механічними властивостями. Без наводнювання досягти цього не вдається, оскільки характеристики міцності і пластичні ОМ слабо чутливі до зміни стану металу внаслідок його експлуатації. Зокрема, після наводнювання неекс-плуатованого ОМ його характеристики уВ та у02 знизилися лише на 11та менше ніж на 1а експлуатованого – на 24та 7відповідно (рис.2 а, в). Отже, попри низьку чутливість характеристик міцності на повітрі до деградації ОМ після експлуатації, електролітичне наводнювання істотно підвищує цю чутливість. Подібну тенденцію спостерігали також для МШ (рис.  б, г). При цьому рівні уВ та у02 неексплуатованого МШ знижуються внаслідок наводнювання на 6а експлуатованого – на 23та 12відповідно.

Механізм впливу водню. Проаналізовано механізми руйнування за розтягу гладких зразків неексплуатовано-го і експлуатованого металу ЗЗ під дією внутрішнього (абсорбованого металом під час зварювання, експлуатації чи електролітичного наводнювання перед випробами) і зовнішнього (який поступає в метал внаслідок електролітичного наводнювання під час випроб) водню. Фрактографічно виявлено, що за впливу зовнішнього водню руйнування і експ-луатованого, і неексплуатованого ОМ і МШ розпочинається від бічної поверхні зразків рядом практично паралельних нормально орієнтованих тріщин. В усіх випадках злами в межах цих підростань крихкі, проте в ОМ (незалежно від його стану) і неексплуатованому МШ реалізу-ється череззеренне, а в експлуатованому МШ – міжзеренне руйнування вздовж всього периметра зразка. Останнє свідчить про зниження когезивної міцності вздовж меж зерен фериту внаслідок експлуатації і пояснює істотніше, порівняно з вихідним станом, зниження характеристик міцності.

За впливу внутрішнього водню в центральній частині зламів попередньо навод-нених зразків з неексплуатованого ОМ і МШ на фоні класичного ямкового рельєфу виявили круглі ділянки з характерним череззеренним відколом. Від ямки в їх центрі радіально розходяться гребені відриву. Ці елементи зламів пов’язали з накопиченням водню в центральній частині перерізу зразка, де реалізується об’ємно-напружений стан. Попереднє наводнювання експлуатованого МШ подібно до наводнювання під час ви-проб також спричиняє міжзеренне руйнування, але не від поверхні зразків, а в централь-ній частині зламів, що пояснюється впливом абсорбованого МШ водню на ослаблені внаслідок експлуатації межі феритних зерен у МШ. Оскільки міжзеренне руйнування є менш енергоємним за череззеренне, то отримані результати служать фрактографічним доказом особливої схильності до крихкого руйнування саме експлуатованого МШ.

Чутливість механічних властивостей до деградації металу ЗЗ залежить від орієнтації зразків. Характеристики міцності МШ на повітрі, визначені на зразках з різною орієнтацією, свідчать, що радіально орієнтовані зразки (поперек стінки труби), найчутливіше відбивають зміни в МШ після його тривалої експлуатації (рис. ). Це пов’язано з тим, що робоча частина таких зразків охоплює декілька валиків багапрохід-ного шва, межі яких відзначаються більшою дефектністю. Тому експлуатований МШ легше руйнується вздовж цих меж, ніж по тілу валиків. Проте в енергетиці для оціню-вання стану металу зазвичай використовують осьові та тангенціально орієнтовані зразки (для МШ це зразки, вирізані поперек осі ЗЗ або вздовж напряму накладання валиків), які (згідно отриманих результатів) менш придат-ні для цієї мети. Тому стан експлуатованого МШ рекомендовано визначати на зразках, вирізаних в радіальному напрямі.

Ударна в’язкість KCV металу ЗЗ також залежить від орієнтації зразків (рис. ). Зокрема, рівні KCV для експлуатованого і неексплуатованого ОМ, визначені на радіаль-них зразках, є значно нижчими, ніж на осьових, що зумовлено текстурованістю металу вздовж осі труби. Ефект орієнтації зразків сильнішає в експлуатованому ОМ, що може бути наслідком полегшення розшарування вздовж сегрегаційних смуг після експлуатації металу. Одночасно значення KCV МШ слабо чутливі до зміни орієнтації зразків, бо в обох випадках руйнування відбувається вздовж меж між суміжними валиками.

Фрактографічні дослідження показали, що середня протяжність зон в’язкого підростання на зламах корелює з ударною в’язкістю незалежно від орієнтації зразків і стану ОМ і МШ. На початковому етапі руйнування неексплуатованих ОМ і МШ домінують ямки відривом. В експлуатованих ОМ (за радіальної) і МШ (за осьової і радіальної орієнтацій зразків) переважають низькоенергоємні ямки зсувового характеру, що засвідчує зниження енергоємності руйнування і корелює з нижчими рівнями KCV.

Таким чином, отримані результати вказують на інтенсивнішу, порівняно з ОМ і ЗТВ, деградацію МШ в часі експлуатації на паропроводі, демонструють можливості оцінювання стану деградованого металу ЗЗ навіть за інтегральними механічними характеристиками за використання елек-тролітичного наводнювання, засвідчують різну чутливість до зміни стану експлуато-ваного металу ЗЗ залежно від орієнтації зразків та розкривають особливості меха-нізму руйнування за дії водню.

Четвертий розділ присвячено визначенню статичної та циклічної тріщиностійкості металу ЗЗ сталі 15Х1М1Ф у вихідному стані, після тривалої експлуатації на паропроводі ТЕС та після високотемпературної водневої деградації за лабораторних умов, і порівнянню різних механічних показників за їх чутливістю до зміни стану металу ЗЗ після експлуатації.

Статична тріщиностійкість. Виявлені зміни мікроструктури МШ після експ-луатації визначають його тріщиностійкість. У вихідному стані МШ має вищу, порівняно з ОМ, статичну тріщиностійкість – критичне значення J-інтегралу J1c (рис. 5). Отже, попри кращі властивості неексплуатованого МШ за твердістю, ударною в’язкістю та механічними властивостями за розтягу його статична тріщиностійкість є також вищою. Після експлуатації тріщиностійкість металу ЗЗ J1c істотно знижується, що свідчить про високу чутливість цього показника до зміни стану металу внаслідок експлуатації. Проте максимально (в 4,5 рази) його рівень знижується саме для МШ, що ще раз засвідчує найменшу стабільність його механічних властивостей в часі тривалої високо-температурної експлуатації у наводнювальному середовищі. Крім того, на відміну від традиційних механічних показників стану металу, за зміною цього локального показника можна судити не лише про стан МШ після експлуатації, але й про стан ОМ.

Циклічна тріщиностійкість. Випроби на ЦТ, особливо за низьких, близько порогових значень DK, забезпечують вищу, порівняно з статичною тріщиностійкістю, локальність руйнування, і тим самим є привабливими для оцінювання деградації сталей. Виходячи з цього, за механічний показник стану деградованого МШ використали порогове значення ефективного розмаху КІН DKth eff. Дослідили метал у вихідному стані, після ~2·105 год експлуатації на головному паропроводі ТЕС та лабораторної деградації термоциклуванням у водні. Залежно від стану металу визначали вплив водню, абсорбованого ним під час деградації, на рівень DKth eff. Зразки у вихідному стані наводнювали, витримавши їх впродовж 2 год у газоподібному водні під тиском 0,3 МПа за температури 570 оС. При цьому вважали, що МШ наситився воднем, але через обмежену тривалість витримування за високої температури структурні зміни в ньому ще не відбулися. Значення DKth eff наводненого МШ порівнювали з відповідними значеннями для МШ після 2 год дегазації у вакуумі.

Встановлено позитивний вплив водню, абсорбованого неексплуатованим МШ, на рівень DKth eff (рис. 6 а), що узгоджується з відомими закономірностями впливу водню на ефективний поріг ЦТ ощаднолегованих, в тому числі теплостійких, сталей у вихід-ному стані. Разом з тим рівень DKth eff для експлуатованого МШ після наводнення є нижчими, ніж після дегазації (рис. 6 а). Виявлений негативний вплив водню на ефективний поріг ЦТ експлуатованого МШ вказує на його схильність до водневого окрихчення і ставить під сумнів можливість його подальшої експлуатації. Крім того, зниження рівня DKth eff експлуатованого МШ, порівняно з нексплуатованим більше ніж у 3 рази, засвідчує його особливо інтенсивну деградацію впродовж експлуатації.

Рис. 6. Зміна ефективного порогу ЦТ DKth eff наводненого (1) та дегазованого (2) МШ від тривалості експлуатації фop (а) та кількості термоциклів n у водні (б).

Після деградації зразків МШ з використанням лабораторної експрес-методики термоциклування у газоподібному водні спостерігали подібну тенденцію зміни його мікроструктури як і після тривалої експлуатації, а саме, поетапну трансформацію голкового фериту в глобулярний та зникнення феритної оторочки вздовж колишніх аустенітних зерен. Мікротвердість структурних складових при цьому теж знижується відповідно до зміни HVм після тривалої експлуатації.

Для обґрунтування граничного стану деградованого МШ дослідили зразки з МШ після різної кількості термоциклів у газоподібному водні у наводненому та дегазованому станах. Виявлено, що значення DKth eff і наводненого, і дегазованого МШ знижуються зі зростанням кількості термоциклів у водні. Точка їх перетину визначає стан МШ, за якого позитивний вплив абсорбованого металом водню на рівень DKth eff змінюється на негативний (рис. 6 б). Такий стан деградованого МШ пропонується вважати за граничний, оскільки за його досягнення МШ стає схильним до водневого окрихчення на локальному рівні. Побудова кореляційної залежності між часом експлуатації та кількістю термоциклів у водні для МШ може послужити основою для встановлення граничної тривалості експлуатації ЗЗ на паропроводі та визначення його залишкового ресурсу.

Узагальнивши отримані дані стосовно зміни механічних показників стану металу ЗЗ після експлуатації, порівняли їх за чутливістю до високотемпературної водневої деградації (рис. 7). Практично всі найуживаніші механічні властивості є чутливими до зміни стану МШ внаслідок деградації. Водночас для ОМ чутливими є тільки локальні параметри механіки руйнування – JIc та DKth eff. Причому за однакової тривалості експлуатації на головному паропроводі ТЕС, чутливість цих параметрів до деградації МШ майже вдвічі перевищує їх чутливість до деградації ОМ.

Рис. 7. Порівняння механічних показників стану експлуатованого металу за їх чутливістю до високотемпературної водневої деградації МШ (а) та ОМ2 (б). l - відносна зміна відповідних показників внаслідок експлуатації.

Одночасне зниження характеристик міцності, які характеризують опір в’язкому руйнуванню, та ударної в’язкості і тріщиностійкості, які характеризують опір крихкому руйнуванню, експлуатованого МШ є нетиповим явищем. Адже низький опір крихкому руйнуванню властивий саме матеріалам з високими твердістю та міцністю. Це переконує, що виявлена аномальна зміна механічних властивостей МШ є наслідком деградації в часі експлуатації, оскільки за впливу будь-яких інших відомих чинників (термічне оброблення, легування, деформування) тенденція їх зміни була б протилежною до отриманої.

Одночасне зниження міцності і опору крихкому руйнуванню МШ після експлуатації пов’язане зі зміною його мікроструктури. Трансформація голкового фериту в глобулярний зі збільшенням розміру зерна фериту зумовлює зниження міцності деградованого МШ, що узгоджується з відомою тенденцією зміни міцності від величини зерна (залежність Холла-Петча). Тоді як утворення зернограничних карбідів та поступове поглинання феритними зернами феритної оторочки, властивої МШ у вихідному стані, знижують когезивну міцність вздовж меж феритних зерен, а отже, і опір крихкому руйнуванню деградованого МШ.

Крім феномену одночасного зниження міцності і опору крихкому руйнуванню, експлуатованому МШ властива ще нетипова зміна показників пластичності. Зазвичай за дії інших чинників вони змінюються якісно подібно та корелюють зі зміною характеристик опору крихкому руйнуванню. В нашому випадку ці показники неоднозначно описують зміну стану МШ, деградованого в експлуатаційних умовах (ш знижується, а д зростає). Це унеможливлює їх одночасне використання як характеристик пластичності експлуатованого МШ. Відсутність кореляції між ш і д можна пояснити внутрішнім мікророзтріскуванням експлуатованого МШ вздовж меж зерен фериту, ослаблених карбідами. За рахунок розкриття цих мікротріщин суттєво збільшується реальне видовження зразка експлуатованого МШ на етапі рівномірного деформування, що проявляється зростанням д. За початкових робочих довжини l0 і діаметру d0 зразків ці ж показники для експлуатованого (lексп, dексп) і неексплуатовано (lнеексп, dнеексп) МШ після випроб розтягом можна розташувати в наступній послідовності: lексп > lнеексп > l0, а d0 > dексп > dнеекспл (рис. 8). Звідси зрозуміло, що дексп > днеексп, а шексп < шнеекспл. Тому не можна робити висновок про вплив тривалої експлуатації на пластичність матеріалу за зміною д. Разом з тим відсутність кореляції показника д з характеристиками KCV, JIc і DKth виникає лише в деградованому МШ і пов’язана з його підвищеною схильністю до розтріску-вання за активного навантаження.

Одержані результати дають можливість визначати граничний стан деградованого МШ за його схильністю до водневого окрихчення. Одночасне зниження опору крихкому та в’язкому руйнуванню і нетипова зміна характеристик пластичності є наслідками деградації МШ після експлуатації.

У п’ятому розділі наведено результати досліджень впливу деградації ЗЗ сталі 15Х2МФА корпусу реактору гідрокрекінгу нафти за зміну його структури та механічних властивостей.

Впродовж експлуатації такої великогабаритної зварної конструкції як корпус реактора гідрокрекінгу нафти (висота ~40 м, діаметр до 5 м ) за жорстких температурно-силових умов (температура ~450 оС, тиск технологічного середовища ~16 МПа) корпусна сталь 15Х2МФА і ЗЗ наводнюються. За сумісної дії під час експлуатації високих температури, напружень та водню виникають умови для деградації металу ЗЗ. Цю сталь недавно почали використовувати в таких конструкціях і дані про її властивості після експлуатації на сьогодні відсутні. Тому для моделювання процесу деградації використали лабораторний метод пришвидшеної деградації металу термоциклуванням зразків у газоподібному водні від робочої (450 оС) до кімнатної температури. За механічний показник стану металу прийняли ефективний поріг ЦТ DKth eff.

Якщо у вихідному стані МШ сталі 15Х2МФА має вищий рівень DKth eff, порівняно з ОМ, то після 600 термоциклів у водні він стає нижчим. Це вказує на вищу схильність МШ до водневої деградації. Заміри твердості МШ після різної кількості термоциклів у водні виявили її зниження від 210 HB до 175 HB зі збільшенням кількості термоциклів до 600, що свідчить про чутливість цієї характеритики до зміни стану МШ в результаті його деградації в лабораторних умовах. На противагу цьому твердість ОМ після термоциклування у водні залишається незмінною. Крім того, як і у випадку ЗЗ паропровідної сталі 15Х1М1Ф, рівень ефективного порогу ЦТ для МШ сталі 15Х2МФА під впливом водню змінюється неоднозначно зі збільшенням кількості термоциклів у водні. Проявляється інверсія впливу абсорбованого МШ водню на рівень DKth eff з позитивного на негативний після 600 термоциклів. Отже, феномен негативного впливу водню на DKth eff зафіксували на багатопрохідних ЗЗ як паропроводу, так і корпусу реактора, які відрізнялися за технологією електродугового зварювання (ручне і автоматичне), за хімічним складом МШ (МШ на ЗЗ сталі 15Х1М1Ф за складом відповідає сталі 09Х1МФ, а на сталі 15Х2МФА – Х2МФ) та за температурним діапазоном циклування у водні (від кімнатної до 570 оС і 450 оС). Це переконує в правомірності використання ефекту неоднозначного впливу абсорбованого МШ водню на рівень DKth eff для обґрунтування граничного стану деградованого МШ.

Крім того, отримані для МШ сталі 15Х2МФА корпусу реактора гідрокрекінгу нафти результати підтверджують закономірності зміни структури, інтегральних і локальних механічних властивостей, отримані для МШ сталі 15Х1М1Ф паропроводу, та вищу інтенсивність деградації МШ порівняно з ОМ. Отже, встановлені для ЗЗ двох досліджених сталей закономірності високотемпературної водневої деградації можна вважати загальними для ЗЗ ощаднолегованих сталей енергетичного та нафтохімічного устаткування, які тривало експлуатуються у наводнювальних середовищах.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертації встановлені структурні та фрактографічні особливості прояву та оцінювання деградації металу зварних з’єднань низьколегованих теплостійких сталей за сумісної дії високої температури та наводнювального середовища в експлуатаційних та лабораторних умовах. Найважливіші наукові та практичні результати полягають у наступному:

1. Вперше виявлено, що в зварному з’єднанні теплостійкої сталі метал шва деградує інтенсивніше порівняно з металом зони термічного впливу і основним металом. У вихідному стані механічні властивості металу шва найвищі, а після 2•105 год експлуатації стають нижчими за властивості основного металу і за регламентований критичний рівень. І це попри те, що за однакової тривалості експлуатації властивості основного металу не виходять за регламентовані межі.

2. Металографічно показано, що деградація металу шва в експлуатаційних і лабораторних умовах проявляється трансформацією голкового фериту в глобулярний зі зростанням діаметра зерна, що спричиняє зниження міцності, та зникненням феритної оторочки навколо колишніх аустенітних зерен та ослабленням меж феритних зерен карбідами, що зумовлює зниження опору крихкому руйнуванню.

3. Показано високу чутливість комплексу механічних характеристик (твердості, міцності, пластичності, ударної в’язкості, статичної і циклічної тріщиностійкості) до зміни стану металу шва після деградації. Тоді як до деградації основного металу чутливі лише локальні показники такі як статична тріщиностійкість та ефективний поріг циклічної тріщиностійкості.

4. Встановлено аномальне одночасне зниження характеристик міцності і опору крихкому руйнуванню та відсутність кореляції між показниками пластичності (ш знижується, а д зростає) експлуатованого металу шва зі зварного з’єднання сталі 15Х1М1Ф. Зростання д пояснюється значним видовженням зразка на етапі рівномірного деформування за рахунок внутрішнього мікророзтріскування і розкриття мікротріщин вздовж меж зерен фериту, ослаблених карбідами. Про зміну пластичності експлуатованого металу шва слід судити за відносним звуженням, яке корелює зі зменшенням опору крихкому руйнуванню.

5. Виявлено анізотропію зміни механічних властивостей металу шва, деградованого в експлуатаційних умовах. Це підтверджує різна чутливість характеристик міцності до деградації металу шва залежно від орієнтації зразків стосовно осі труби. Нерегламентовані радіальні зразки найчутливіше відбивають зміни стану металу шва після експлуатації.

6. Встановлено, що використання електролітичного наводнювання зразків під час випроб розтягом дає можливість за їх стандартними механічними властивостями оцінити стан не лише експлуатованого металу шва, але і основного металу, що неможливо досягти без наводнювання.

7. Фрактографічно показано однаковий механізм руйнування череззеренним відколом неексплуатованого металу шва під впливом і зовнішнього, і внутрішнього водню. Проте, зовнішній водень ініціює ріст відколом нормально орієнтованих відповерхневих макротріщин, а внутрішній проявляється в серцевині зламу крихкими череззеренними ділянками на фоні в’язкого ямкового рельєфу. Вперше показано, що руйнування експлуатованого металу шва під впливом водню відбувається за міжзеренним механізмом, що свідчить про зниження когезивної міцності меж феритних зерен внаслідок експлуатації.

8. На прикладі зварних з’єднань двох теплостійких сталей, отриманих за різними технологіями, обґрунтовано критерій досягнення деградованим металом шва граничного стану за зміною характеру впливу абсорбованого ним під час деградації водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості з позитивного на негативний, що дає можливість вважати виявлені закономірності загальними для ЗЗ ощаднолегованих теплостійких сталей.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1.

2.

3.

4.