Зварюваність теплостійких хромистих сталей для котлоагрегатів високих параметрів - Автореферат

Мета роботи: на основі дослідження закономірностей впливу легування й умов зварювання на формування структури і властивостей зварних зєднань теплостійких хромистих сталей розробити науково обґрунтовані принципи одержання зварних зєднань з високою тривалою міцністю для високотемпературних вузлів котлоагрегатів із надкритичними параметрами пари. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання: - визначити характер впливу хрому на фазовий склад хромистих сталей, сформулювати умови забезпечення їх однофазної мартенситної структури й обґрунтувати вибір хромистих теплостійких сталей для виготовлення зварних трубних систем котлоагрегатів із надкритичними параметрами пари; вивчити закономірності фазових перетворень при зварюванні хромистих сталей обраних систем легування, особливості формування структури й властивостей їх зварних зєднань; дослідити фактори, що впливають на опір зварних зєднань хромистих мартенситних теплостійких сталей утворенню тріщин при зварюванні і термічній обробці та визначити умови забезпечення тріщиностійкості; Забезпечення стійкості зварних зєднань проти утворення холодних тріщин досягається: за рахунок обмеження швидкості охолодження зварного зєднання w6/5 ? 8...10 °С/с; проведення термічного відпочинку зєднань після зварювання при 160…200 °С.Істотним недоліком таких сталей є утворення в їхній мартенситній структурі феритної фази (до 20...40 %), що обумовлює зниження пластичності при високих температурах, низьку технологічність при виготовленні труб, погіршення зварюваності (через високу схильність до утворення холодних тріщин) і низьку вязкість металу швів. В другому розділі, на основі вивчення закономірностей впливу легування та умов зварювання на формування фазового складу хромистих сталей та зварних зєднань закладено базові положення щодо вимог до хімічного складу основного металу та параметрів технологічних процесів дугового зварювання, при яких можуть бути одержані зварні зєднання з однорідною мартенситною структурою і механічними властивостями, що вимагаються. Зварювання виконували з застосуванням дослідних електродів для ручного зварювання (SMAW), порошкового дроту для автоматичного зварювання під флюсом (SAW), які, виходячи з вимоги однорідності структури й властивостей зварних зєднань, забезпечували легування наплавленого металу, аналогічне сталі, що зварюється. На підставі вивчення будови зєднань, зварених з різною погонною енергією, і моделювання структури зварних зєднань шляхом нагрівання зразків у вакуумній камері за термічним циклом зварювання виявлено закономірності й сформульовано можливий механізм утворення д-фериту біля шва в сталях з 9 % Cr. Із виявлених закономірностей випливає основний принцип зварювання сталей з 9 % Cr: для забезпечення однорідної структури зєднань і задовільної вязкості металу швів при зварюванні слід використовувати режими з малою погонною енергією.Представлена робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що має важливе народногосподарське значення, і полягає у створенні наукових засад для розробки технологічних процесів зварювання і термічної обробки зварних зєднань із перспективних складнолегованих хромистих сталей з підвищеним рівнем тривалої міцності, призначених для виготовлення високотемпературних компонентів та трубних систем котло-і турбоагрегатів, що працюють при надкритичних параметрах пари (Т до 600...610 °С, Р до 31 МПА). Встановлено, що при зменшенні вмісту вуглецю в залізовуглецевих системах з ~10...12 % Cr, у порівнянні із системами без хрому, в ~2 рази інтенсивніше знижується температура д>г-перетворення й, відповідно, підвищується стабільність д-фериту. Виявлено наступні умови, при яких можливе утворення д-фериту у зварних зєднаннях сталей з 9 % Cr: - у металі швів і зоні сплавлення (ЗС) при автоматичному зварюванні під флюсом на режимах з q/v > 20 КДЖ/см.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Представлена робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що має важливе народногосподарське значення, і полягає у створенні наукових засад для розробки технологічних процесів зварювання і термічної обробки зварних зєднань із перспективних складнолегованих хромистих сталей з підвищеним рівнем тривалої міцності, призначених для виготовлення високотемпературних компонентів та трубних систем котло- і турбоагрегатів, що працюють при надкритичних параметрах пари (Т до 600...610 °С, Р до 31 МПА). Результати і розроблені принципові рішення передбачені для застосування при реконструкції діючих та будівництві нових енергоблоків ТЕС, сприяють створенню наукового і технологічного підґрунтя для розвитку вітчизняного енергомашинобудування, а також можуть бути поширені на виробництво деталей та вузлів відповідальних конструкцій важкого та хімічного машинобудування.

2. Показано, що проблема створення енергетичних котлоагрегатів із надкритичними параметрами пари повинна вирішуватись на основі використання складнолегованих мартенситних сталей з підвищеним вмістом хрому. Встановлено, що однофазна мартенситна структура й високі технологічні властивості хромистих сталей досягаються за умови CRЭКВ ? 10 %. При комплексному легуванні однофазність мартенситних сталей забезпечується при вмісті хрому в межах ~8,15...9,75 %. Цій умові легування відповідають сталі типу Х10CRMOVNB91 (P91), 10Х9МФБ (Ди 82) та ін., які доцільно використовувати для створення трубних систем котлоагрегатів високих параметрів.

3. Встановлено, що при зменшенні вмісту вуглецю в залізовуглецевих системах з ~10...12 % Cr, у порівнянні із системами без хрому, в ~2 рази інтенсивніше знижується температура д>г-перетворення й, відповідно, підвищується стабільність д-фериту. Це підтверджує високу чутливість фазового складу хромистих складнолегованих сталей і металу швів до зміни концентрації вуглецю.

4. Виявлено наступні умови, при яких можливе утворення д-фериту у зварних зєднаннях сталей з 9 % Cr: - у металі швів і зоні сплавлення (ЗС) при автоматичному зварюванні під флюсом на режимах з q/v > 20 КДЖ/см. У швах утворення д-фериту повязане з укрупненням дендритної структури й кристалізаційних прошарків зі скупченням феритизаторів (Cr, Mo, Nb, V) при неоднорідному розподілі вуглецю. У ЗС д-ферит утворюється за механізмом, що включає такі стадії - перегрів основного металу до розвитку зернограничного оплавлення, утворення зародків феритної фази на оплавлених границях внаслідок лікваційного перерозподілу феритизаторів і вуглецю, подальше укрупнення зародків за рахунок дифузії вуглецю у високотемпературну зону в напрямку зварювальної ванни;

- у ЗС при зварюванні зєднань різнорідних сталей із використанням аустенітних хромонікелевих зварювальних матеріалів внаслідок дифузії вуглецю з мартенситної сталі в більше легований хромом аустенітний метал шва. Зміна характеру перерозподілу вуглецю й виключення утворення д-фериту в ЗС досягається при зварюванні присадковими матеріалами на основі Ni;

- у швах внаслідок зменшення загального вмісту вуглецю, наприклад, при його вигорянні в умовах зварювання TIG.

5. На підставі аналізу закономірностей термокінетичного перетворення аустеніту встановлено, що збільшення вмісту хрому в теплостійких сталях від ~2,5 до 12...13 % знижує температуру мартенситного перетворення Ms від ~450 до ~270 °С и підвищує ступінь їхнього загартування. Відповідно до ступеня зміцнення при зварюванні сталі з 9 % Cr (Ms = 380 °C і твердість ~450 HV) належать до категорії складнозварюваних матеріалів і займають проміжне положення між мартенситними сталями з ~12 % Cr (Ms = 280 °C, ~550 HV) і бейнітними сталями з Cr до ~2,5 % (Ms ? 450 °C, ~350 HV).

6. Встановлено, що зварні зєднання мартенситних сталей з 9 % Cr схильні до уповільненого руйнування при температурах нижче 140 ЄС із мінімумом тріщиностійкості при ~80…100 ЄС. При більш високій і більш низькій температурах тривалість процесу тріщиноутворення збільшується. У загальному виді залежність схильності до уповільненого руйнування від температури в координатах температура - час руйнування описується С-кривою.

7. Показано, що на розвиток уповільненого руйнування зварних зєднань мартенситних сталей впливає структурна неоднорідність, що виникає в результаті різного ступеня низькотемпературного розпаду мартенситу. Зроблено припущення, що ступінь розвитку розпаду визначає піддатливість мартенситу проходженню пружно-пластичної деформації під дією напружень, характер її розподілу в обємі металу і можливість швидкого зростання локальної щільності дислокацій і концентрації водню до критичного рівня, достатнього для тріщиноутворення.

Досягнення високої стійкості зварних зєднань проти утворення холодних тріщин повинне ґрунтуватися на регулюванні теплових режимів зварювання, що забезпечують умови для розпаду мартенситу й евакуації дифузійного водню.

8. Встановлено, що у зварних зєднаннях сталей з 9 % Cr при відпуску в інтервалі ~400…550 °С має розвиток вторинне твердіння, причиною якого може бути виділення карбіду хрому М7С3 (типу (Fe, Cr)7C3). В цих умовах у випадку утворення в мартенситі д-фериту можлива поява відпускних тріщин. Тріщини зароджуються на міжфазных границях д-ферит/мартенсит в результаті локалізації в мяких прошарках д-фериту пластичної деформації при релаксації напружень. Додатковим окрихчуючим фактором може бути вплив сегрегацій зернограничних домішок. Висока стійкість проти відпускних тріщин забезпечується при формуванні зєднань з однорідною мартенситною структурою.

9. Створено науково обґрунтовані принципові положення для розробки технологічних процесів зварювання й термічної обробки, спрямовані на забезпечення високої тріщиностійкості і необхідних службових властивостей зварних зєднань теплостійких 9 %-них хромистих сталей: - для виключення утворення д-фериту у швах із системою легування С-9Cr-MOVNB зварювальні матеріали повинні забезпечувати в них вміст С не менш 0,085 %;

- на підставі встановленого впливу Mn і Ni на положення точки Ас1 (збільшення Mn і Ni веде до зниження Ас1) показано, що для запобігання зниженню температури Ас1 у металі швів нижче рекомендованої температури відпуску зварних зєднань, слід застосовувати обмеження в легуванні швів цими елементами - (Mn Ni) ? 1,4...1,5 %;

- для забезпечення однорідної мартенситної структури зварних зєднань, часткового відпуску загартованих шарів швів під впливом повторного зварювального нагріву, а також стабільно високих значень ударної вязкості металу швів (KCV? 50 Дж/см2) зварювання слід виконувати валиками малого перерізу на режимах з малою погонною енергією. При ручному зварюванні покритими електродами оптимальними є валики товщиною ~1,5...2,5 мм, при зварюванні під флюсом - вузькі валики еліптичної форми без центрального глибокого провару, що одержуються при зварюванні з q/v ? 20 КДЖ/см. Для виключення вигоряння вуглецю з наплавленого металу й утворення д-фериту зварювання TIG слід виконувати з q/v ? 14 КДЖ/см на струмах не вище 140 А;

- умовами досягнення високої стійкості проти утворення холодних тріщин, заснованими на зниженні негативного впливу структурного й водневого факторів, є забезпечення швидкості охолодження металу ЗТВ w6/5 не більше 8...10 °С/с і ізотермічна витримка (відпочинок) при температурах 170…180 °С (остання рекомендується при перервах у процесі зварювання або після зварювання перед наступним відпуском);

- для забезпечення максимального зниження рівня внутрішніх напружень, одержання необхідних міцнісних властивостей і ударної вязкості металу швів високий відпуск зварних зєднань повинен проводитись при 750…760 °С із тривалістю не менше 2 год.

10. Робота являє собою завершений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень з вирішення поставленої проблеми. В результаті розширено уявлення про закономірності формування структури й властивостей зварних зєднань хромистих мартенситних сталей нового покоління, про природу тріщиноутворення при зварюванні й термічній обробці. На підставі розроблених металургійних і технологічних підходів створено принципові технологічні процеси зварювання типових зєднань труб із хромистих мартенситних сталей. З урахуванням сформульованих вимог до легування наплавленого металу розроблено нові зварювальні електроди (АНЛ-8 (ТУ 28.7-05416923-091:2008)). Технологія ручного зварювання сталі Х10CRMOVNB91 покритими електродами пройшла дослідно-виробничу перевірку в ПТЕМ-Інжиніринг і рекомендована для використання при монтажі й ремонті систем трубопроводів котлів із циркулюючим киплячим шаром енергоблоків ТЕС.

1. Строение и свойства зоны сплавления сварных соединений стали 02Х8Н22С6 (ЭП 794) / В. Ю. Скульский, К. А. Ющенко, И. Я. Дзыкович, В. Н. Липодаев, Л. А. Скульская, Т. В. Кайда // Автоматическая сварка. - 1997. - № 11. - С. 14-17.

2. Структурные превращения и свариваемость закаливающейся высокопрочной стали 20ХН4ФА / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк, В. Г. Васильев, Г. Н. Стрижиус. // Автомат. сварка. - 2003. - № 2. - С. 19-23.

3. Скульский В. Ю Проблемы выбора свариваемой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков ТЭС (Обзор) / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк // Автомат. сварка. - 2004. - № 3. - С. 3-7.

4. Скульский В. Ю. Новые теплоустойчивые стали для изготовления сварных узлов тепловых энергоблоков (Обзор) / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк // Автомат. сварка. - 2004. - № 4. - С. 35-40.

5. Скульский В. Ю. Структура металла в зоне сплавления и ЗТВ сварных соединений высокохромистых теплоустойчивых сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2005. - № 5. - С. 15-23.

6. Скульский В. Ю. Присадочные материалы для автоматической сварки под флюсом теплоустойчивых сталей с 9 % хрома / В. Ю. Скульский, С. И. Моравецкий // Автомат. сварка. - 2005. - № 6. - С. 49-50.

7. К вопросу выбора технологии сварки элементов ГЦТ Ду850 при замене парогенераторов ПГВ 1000М на АЭС / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, В. В. Волков, Бывалькевич А. И., В. В. Подъячев, Н. А. Иванов, Н. В. Немлей, А. П. Мирошниченко, А. В. Бажукова // Автомат. сварка. - 2005. - № 10. - С. 41-47.

8. Герметизация горячезакатных днищ баллонов из стали 20ХН4ФА с помощью сварки / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий, Г. Н. Стрижиус // Автомат. сварка. - 2005. - № 11. - С. 31-35.

9. Царюк А. К. Применение теплоустойчивой стали с 9 % хрома при реконструкции тепловых электростанций / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, С. И. Моравецкий // Проблеми загальної енергетики. - 2005. - № 12. - С. 69-73.

10. Скульский В. Ю. Влияние легирования присадочного материала и свариваемой стали на структуру в зоне сплавления / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 1. - С. 10-16.

11. Разработка и аттестация технологии ААРДС в узкую разделку элементов ГЦТ Ду850 на АЭС / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, И. Л. Касперович, А. И. Бывалькевич, Т. В. Осташко, В. В. Жуков, С. Н. Дудкин, Н. А. Иванов, А. П. Мирошниченко, Н. В. Немлей, А. В. Бажуков // Автомат. сварка. - 2006. - № 5. - С. 24 - 31.

12. Скульский В. Ю. Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 9. - С. 22-25.

13. Скульский В. Ю. Особенности образования дельта-феррита на границе сплавления при сварке теплоустойчивой хромистой мартенситной стали / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 11. - С. 17-21.

14. Способ повышения сопротивляемости локальным повреждениям сварных соединений трубопроводов АЭС / О. Г. Касаткин, А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий, И. Д. Клещевников, Ю. М. Копылов, А. Г. Медведев // Автомат. сварка. - 2007. - № 3. - С. 32-35.

15. Скульский В. Ю. Оценка склонности сварных соединений теплоустойчивой хромистой мартенситной стали к образованию трещин при термической обработке / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк, С. И. Моравецкий // Автомат. сварка. - 2009. - № 1. - С. 5-9.

16. Скульский В. Ю. К вопросу о легировании теплоустойчивой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков тепловых электростанций нового поколения / В. Ю. Скульский // Современная электрометаллургия. - 2009. - 94 № 1. - С. 52-56.

17. Скульский В. Ю. Влияние углерода на фазовый состав металла швов сварных соединений мартенситной стали с 9 % Cr / В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик // Автомат. сварка. - 2009. - № 2. - С. 38-40.

18. Скульский В. Ю. Термокинетические особенности образования холодных трещин в сварных соединениях закаливающихся теплоустойчивых сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 3. - С. 14-18.

19. Скульский В. Ю. Особенности кинетики замедленного разрушения сварных соединений закаливающихся сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 7. - С. 14-20.

20. Скульский В. Ю. Выбор теплового режима сварки закаливающихся сталей разных структурных классов / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 6. - С. 7-12.

21. Пластичность зоны сплавления сварных соединений стали 02Х8Н22С6 при сварке сварочными материалами, отличающимися по легированию от свариваемой стали : материалы VI международной научно-технической конференции [«Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах»], (Мариуполь, 7-9 сентября 2000 г.) / Министерство образования и науки Украины, Приазовский государственный технический университет [и др.]. - Мариуполь: Приазовский государственный технический университет, 2000. - С. 295-299.

22. Оценка склонности сварных соединений теплоустойчивой стали с 9 % хрома к замедленному разрушению : материалы международной конференции [«Современные технологии машиностроения, качество, реструктуризация»], (Кишинев, 24-26 мая 2001 г.) / Universitatea Tahnica a Moldovei, Universitatea Tahnica “GH. Asachi” IASI [и др.]. - Chiєinгu: Universitatea Tahnica a Moldovei, 2001. - Т. 2. - С. 501-503.

23. Имитация термодеформационного цикла сварки (ТДЦС) на теплоустойчивой стали с 9 % хрома (X10CRMOVNB910) : материалы международной конференции [«Современные технологии машиностроения, качество, реструктуризация»], (Кишинев, 24-26 мая 2001 г.) / Universitatea Tahnica a Moldovei, Universitatea Tahnica “GH. Asachi” IASI [и др.]. - Chiєinгu: Universitatea Tahnica a Moldovei, 2001. - Т. 2. - С. 527-530.

24. Назначение и свойства новой теплоустойчивой стали с 9 % : Сб. тезисов стендовых докладов международной конференции [«Современные проблемы сварки и ресурса конструкций»], (Киев, 24 - 27 ноября 2003 г.) / НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины [и др.]. - К.: ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2003. - С. 73-74.

25. Сварочные материалы для механизированной сварки под флюсом теплоустойчивых сталей с 9 % хрома применительно к изготовлению поворотных блоков паропроводов ТЭС : труды ІІІ международн. конф. по свар. материалам стран СНГ [„Сварочные материалы. Разработка. Технология. Производство. Качество”], (Днепропетровск, 01-04 июня 2004 г.) Ассоциация «Электрод» предприятий стран СНГ, ОАО «Днепропетровское метизное производство». - Днепропетровск: Ассоциация „Электрод”, 2004. - С. 150-156.

26. Разработка и аттестация технологии ААРДС в узкую разделу элементов ГЦТ ДУ850 применительно к замене парогенераторов ПГВ-1000 М на АЭС : труды 2-го науч.-практ. семинара [«Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике»], ( Киев, 6 - 8 декабря 2005 г.) / НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, ОАО “Южтеплоэнергомонтаж” [и др.]. - К.: НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, 2005. - С. 15-20.

27. К вопросу о технологичности теплоустойчивых сталей с повышенным содержанием хрома, предназначенных для строительства энергоблоков тепловых электростанций нового поколения : труды 2-го науч.-практ. семинара [«Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике»], ( Киев, 6 - 8 декабря 2005 г.) / НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, ОАО “Южтеплоэнергомонтаж” [и др.]. - К.: НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, 2005. - С. 121-125.

28. Причины локальных повреждений сварных соединений трубопроводов АЭС / О. Г. Касаткин, А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий // Цільова прогр. НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин": (зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2004 - 2006 р.р.). - К.: ІЕЗ ім. Є. О. Патона, 2006. - С. 192-195.

29. Сварка при ремонте трубопроводов энергетических блоков ТЭС и АЭС : сб. тезисов стендовых докладов международной конференции [«Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие»], (Киев, 24 - 26 ноября 2008 г.) / НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, Международная ассоциация «Сварка». - К. : ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2008. - С. 114-115.

30. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки марки АНЛ-8. Технические условия : ТУ 28.7 - 05416923-091:2008. - Действительны с 22.04.2008 19 с.