Оцінювання деградації зварних з’єднань теплостійких сталей у високотемпературному наводнювальному середовищі - Автореферат

Адже непрогнозовані руйнування великогабаритних конструкцій, таких як паропроводи ТЕС і корпуси реакторів гідрокрекінгу нафти, приводять до значних економічних втрат і тяжких екологічних наслідків. Жорсткі температурно-силові умови інтенсифікують структурні перетворення в металі (Е.И. Його вплив на механічні властивості та різні аспекти деградації конструкційних матеріалів досліджували в своїх роботах 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 зєднань низьколегованих сталей енергетичного та нафтохімічного обладнання", № держреєстрації 0106U004809; "Розроблення методів оцінки технічного стану та залишкового ресурсу зварних зєднань 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.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. Для порівняння дослідили метал з модельного ЗЗ, отриманого за технологією виконання ремонтних ЗЗ ручним багатопрохідним електродуговим зварюванням, прийнятою на ТЕС, яким моделювали заміну пошкодженої ділянки паропроводу неексплуатованою трубою. 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. Встановлено, що попри низьку чутливість інтегральних механічних характеристик (твердість, ударна вязкість) до деградації ОМ, ці властивості для МШ відчутно знижуються після його експлуатації (рис. Адже визначена інтегральна концентрація водню в експлуатованому металі ЗЗ вища, ніж у вихідному стані (в ОМ вона зросла після експлуатації на 30 %, а в МШ - у 3 рази).Вперше виявлено, що в зварному зєднанні 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. 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. Показано високу чутливість комплексу механічних характеристик (твердості, міцності, пластичності, ударної вязкості, статичної і циклічної тріщиностійкості) до зміни стану металу шва після деградації. 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 зєднання сталі 15Х1М1Ф.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У дисертації встановлені структурні та фрактографічні особливості прояву та оцінювання деградації металу зварних зєднань 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 зєднанні 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 вязкості, 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 зєднання 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 вязкого 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 зєднань 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.

Кількісний аналіз структурних змін у сталі внаслідок високотемпературної витримки у водні / О.З. Студент, Б.П. Русин, Б.В. Кисіль, М.І. Кобасяр, Т.П. Стахів, А.Д. Марков // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2003. - №1. - С. 22-28.

Degradation of welded joints of steam pipelines of thermal electric power plants in hydrogenating media / H.М. Nykyforchyn, O.Z. Student, І.R. Dzioba, S.М. Stepanyuk, Ya.D. Onyshchak, A.D. Markov // Material Science. - 2004. - V.40, №6. - P. 836-843.

Студент О.З., Марков А.Д. Вплив експлуатації корпусної сталі реакторів гідрокрекінгу нафти на її механічні властивості // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. - 2005. - Вип. 6. - С. 749-754.

Дзіоба І. Р., Студент О. З., Марков А. Д. Про сучасний підхід SINTAP та його використання для оцінки роботоздатності зварних зєднань парогонів ТЕС // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - №6. - С. 70-79.

Марков А.Д. Оцінка водневої крихкості експлуатованого на парогоні ТЕС металу зварного зєднання // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2006. - Спец. вип. № 5. - С. 257-261.

Студент О.З., Марков А.Д., Никифорчин Г.М. Особливості впливу водню на властивості і механізм руйнування металу зварних зєднань паропроводів ТЕС // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2006. - №4. - С.26-35.

Марков А.Д., Студент О.З. Діагностування металу зварних зєднань теплостійких сталей після високотемпературної водневої деградації // Машинознавство. - 2006. - №8. - C. 23-29.

Оцінка технічного стану зварних зєднань парогонів ТЕС з урахуванням водневої деградації експлуатованого металу / Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, С.М. Степанюк, А.Д. Марков // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин. - Київ: ІЕЗ НАНУ, 2006. - С. 295-299.

Никифорчин Г.М., Студент О.З., Марков А.Д. Аномальний прояв високотемпературної деградації металу зварного зєднання ощаднолегованої сталі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2007. - №1. - С. 73-79.

Effect of Hydrogenation and Plastic Predeformation on the Crack Growth Resistance of Structural Steel / D. Petryna, A. Markov, Ye. Kryzhanivskyi, H. Nykyforchyn // Proc. 14th Bienniel Conf. Fracture - ECF14 "Fracture Mechanics beyond 2000" / Eds. A. Neimitz, I. Rokach, D. Kocanda, K. Golos, Cracow, 2002. - Sheffield: EMAS, 2002. - V. II/III. - P. 663-668.

Temperature hydrogen degradation of the petroleum refinery steel / O.Z.Student, A. Zagorski, A.D. Markov, K.J. Kurzydlowski // Proc. 3rd Int. Conf. "Stress, durability and stability of materials and structures, SDSMS ’03", Klaipeda, 2003. - Kaunas: Technologija, 2003. - P. 270-279.

Марков А.Д, Бабій Л.О. Особливості впливу повторно-статичних навантажень на тривалу міцність зварного зєднання сталі 15Х2МФА // Зб. XVIII відкр. наук.-техн. конф. молодих наук. і спец. ФМІ НАНУ "Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи", Львів, 2003. - Львів: ФМІ НАНУ, 2003. - С. 35-38.

Визначення чутливості механічних властивостей теплостійких сталей до високотемпературної водневої деградації / Л.О. Бабій, А. Д. Марков, Г. В. Кречковська, П.Я. Сидор // Зб. "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій", Львів, 2004. - Львів: ФМІ НАНУ, 2004. - С. 813-817.

Марков А.Д. Порівняння властивостей різних зон зварного зєднання зі сталі 15Х1М1Ф після експлуатації на парогоні ТЕС // Зб. ХІХ відкр. наук.-техн. конф. молодих наук. і спец. ФМІ НАНУ "Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи", Львів, 2005. - Львів: ФМІ НАНУ, 2005. - С. 148-151.

Никифорчин Г.М., Студент О.З., Марков А.Д. Поріг циклічної тріщиностійкості як показник високотемпературної водневої деградації низьколегованих сталей енергетичного обладнання // Праці колокв. "Механічна втома металів", Тернопіль, 2006. - Тернопіль: ТДТУ, 2006. - С. 78-84.