|
Предложения в тексте с термином "Сталь"
Влияние растягивающих напряжений а при температуре 545 °С на интенсивность накапливания повреждаемости металла зон сварных соединений стали 15Х1М1Ф при ползучести в условиях испытания образцов на длительную прочность: /_сг = 100МПа;2-о=70.
Следует отметить, что сварные соединения таких сталей [11], относящихся к категории более технологичных и умеренно теплоустойчивых материалов по сравнению с хромомолибденованадиевыми сталями, характеризуются высокой надежностью в процессе длительной эксплуатации паропроводов при ползучести до 3 • 10s ч и более при температуре 510 °С (на примере сварных соединений стали 12МХ).
Повреждения сварных соединений паропроводов из углеродистой стали 20 при ползучести обусловлены преимущественно графити-зацией, суть которой заключается в распаде цементита с образованием структурно-свободного графита (углерода) в ЗТВ при температуре выше 430.
Допускаемая номинальная длительная прочность сварных соединений оценивается по уравнению [13]: где п - запас прочности, п = 1,5; [а] — допускаемые напряжения на сталь, МПа; фю - коэффициент прочности сварных соединений; [ а°„ ] - допускаемая номинальная длительная прочность стали, МПа.
Уравнения выражены параметрическими зависимостями: для соединений стали 12Х1МФ
4) для соединений стали 15Х1М1Ф
Жаропрочные свойства (длительная прочность) сварных соединений в исходном до эксплуатации состоянии зависят от структуры основного металла - теплоустойчивой стали, а также от структурной, химической и механической неоднородности металла по зонам, обусловленной тепловыми условиями сварки и послесварочной термообработки.
Закономерность снижения фактической длительной прочности сварных соединений стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф с металлом шва может быть установлена по уравнениям параметрических зависимостей (1.
Жаропрочные свойства сварных соединений стали 12Х1МФ с металлом шва 09X1МФ для условий длительной эксплуатации паропроводов с наработкой до 3 • 105 ч при температуре 545°С (см.
10) • длительная прочность сварных соединений стали 15Х1М1Ф на 25.
35 % выше уровня этой характеристики соединений стали 12Х1МФ для эксплуатации при температуре 545 °С, что объясняется более высокой жаропрочностью стали 15Х1М1Ф;
3 • 10s ч снижение длительной прочности при температуре 545 °С достигает примерно 30 % для соединений стали 12Х1МФ и 35 % для соединений стали 15Х1М1Ф; • значения коэффициента прочности, установленные по уравнению (1.
0,7 для сварных соединений стали 12X1 МФ и повышенным уровнем фю = 0,78.
Экспериментальный коэффициент прочности сварных соединений срм получен из отношения фактической длительной прочности сварного соединения Стда к допускаемой [13] номинальной длительной прочности основного металла - стали [ о°" ].
ЖАРОПРОЧНОСТЬ 77 соединений стали 15X1 MlФ, что в целом удовлетворяет нормативным требованиям [фш] = 0,7 для т = 2 • 10s ч и [фю] = 0,6 для т = 3 • 10s ч [13].
0,88 создает определенный резерв для надежной эксплуатации сварных соединений из стали 15Х1М1Ф на длительные сроки; • фактические жаропрочные свойства (длительная прочность, коэффициент прочности при ползучести) сварных соединений стали 12Х1МФ, установленные по результатам испытаний сварных трубных моделей под внутренним давлением, превышают значения этих характеристик, определенные по результатам испытаний образцов.
На жаропрочные свойства сварных соединений заметное влияние оказывают такие факторы, как исходная кратковременная прочность свариваемой стали и тепловые условия сварочно-термической технологии, что отражается на структурном состоянии и степени разупрочнения металла шва и ЗТВрп.
Так, по результатам испытаний натурных сварных трубных моделей под внутренним давлением для расчетной температуры 545 °С на базе 105 ч повышение исходной прочности стали 12Х1МФ в диапазоне о„ = 430.
По сварным соединениям стали 15Х1М1Ф максимальные жаропрочные свойства (длительная прочность, коэффициент прочности при ползучести) реализуются при умеренной прочности ст„ = 525.
Влияние исходных прочностных свойств стали 12Х1МФ на жаропрочность и длительную пластичность сварных соединений с металлом шва 09Х1МФ на расчетной базе 10s ч при температуре 545 °С по результатам стендовых испытаний сварных трубных моделей под внутренним давлением в условиях ползучести (см.
2 - предел текучести стали; о, - временное сопротивление разрыву стали.
Коэффициент прочности сварного соединения <р0 получен из отношения фактической длительной прочности соединения а^, к допускаемой по [13] номинальной длительной прочности стали.
Влияние технологии сварки и исходных прочностных свойств стали 15Х1М1Ф на жаропрочность сварных соединений с металлом шва
МШ - структура шва, балл [24]; ств — временное сопротивление разрыву стали 15Х1М1Ф при температуре 20 °С, МПа; F^"3 — доля крупнозернистой структуры в шве, %)
Содержание элементов, % сталь, тип электрода С Si Мп Сг Мо V Ni Си S Р не более
Что касается снижения содержания углерода как меры борьбы с горячими трещинами, то к этому следует подходить с известной осд-орож-ностью, поскольку снижение углерода ниже 0,06 % (ниже нижнего допускаемого уровня) неизбежно снижает жаропрочность сварных швов 09Х 1 МФ, и эксплуатационные повреждения при ползучести развиваются по разупрочненному металлу шва сварных соединений паропроводов хромомолибденованадиевых сталей (главным образом в соединениях стали 15Х1М1Ф).
Вид повреждения Показатель трещиностойкости Средние расчетные значения показателей трещиностойкости металла Урав нение Индекс Максимально допустимый уровень зтвм стали 12Х1МФ ЗТВОТ стали 15ХШ1Ф шва 09X1 МФ шва 09X1 М
ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ 91 • высокая интенсивность растягивающих напряжений, которые представляют собой сочетание сварочных напряжений от усадки металла (могут достигать уровня, соответствующего пределу текучести стали) с дополнительной концентрацией напряжений в зонах расположения сварочных дефектов (непровара, шлаковых включений, горячей трещины и др.
Считается, что при Сэ < 0,4 % сталь не склонна к образованию холодных трещин.
По этому качественному показателю теплоустойчивые стали и металл швов 09ХШ и 09X1 МФ проявляют склонность к холодным трещинам (см.
Более точными, учитывающими влияние как химического состава стали, так и толщины стенки свариваемых деталей, являются уравнения Д.
6) где 350 - температура, °С, принятая как характерная для мартенситного превращения большинства закаливающихся конструкционных и теплоустойчивых сталей; 0,25 - предельное содержание углерода, %, при котором углеродистые стали не закаливаются при сварке и не возникает опасность появления холодных трещин в ЗТВ сварных соединений.
Взаимосвязь твердости НУ с ударной вязкостью я„ и критической температурой хрупкости КТХ металла швов 09Х1МФ сварных соединений паропроводов из теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали высоких сварочных напряжений, которые, как правило, соответствуют уровню предела текучести свариваемой стали.
Термические трещины - трещины повторного нагрева в околошовной зоне сварного соединения хромомолибденованадиевой стали: а - макротрещина; б, в - характер межзеренного повреждения
Возникновения термической трещины в околошовней зоне ЗТВ0| сварных соединений теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (на примере стали 15Х1М1Ф) при повторном нагреве: а - диаграмма склонности к образованию трещин типа III при ползучести в условиях дисперсионного охрупчивания металла (С-образная диаграмма); б - диаграммы изменения твердости HV металла ЗТВ03 и релаксации остаточных сварочных напряжений аос при нагреве; в - механизм появления трещины (точка А) при исчерпании пластичности металла 6 от накопленной деформации ЕО
Развитие эксплуатационных повреждений при ползучести сварных соединений теплоустойчивых сталей (на примере стали 15Х1М1Ф) с металлом шва 09Х1МФ (5 - пластичность металла зон при ползучести; е„ - накопленная деформация при ползучести; Арп иАмю -точки исчерпания пластичности соответственно МШ и ЗТВрп — появление макротрещины): а - с упрочненным швом умш > 1.
Содержание элементов, % сталь, тип электрода С Si Мп Сг Мо V Ni Си S Р не более
30 % (снижение жаропрочности) в зависимости от исходной прочности свариваемой стали и тепловых условий сварки; ширина ЗТВрп ограничена размером 1.
В стали 15Х1М1Ф-ЦЛ содержание алюминия допускается не более 0,01 %.
Сталь Термообработка о„, МПа МПа % % кгс/см2 НВ не менее
при проведении гидравлического испытания паропровода из стали 12Х1МФ в пределах котла на ТЭЦ-12 Мосэнерго.
20 мм в коллекторах и паросборных камерах из стали 12Х1МФ на котлах БКЗ-210-140Ф и БКЗ-420-140НГМ через 40.
на паропроводе острого пара диаметром 245 х 45 мм из стали 15Х1М1Ф, проработавшем 217,5 тыс.
0,12 %; количество легирующих элементов, поступивших в небольшом количестве в результате частичного расплавления при сварке основного металла - стали 15Х1М1Ф ограничивалось содержанием /Сг/ = 0,15.
на паропроводах острого пара диаметром 325x60 мм из стали 15Х1М1Ф Запорожской ГРЭС.
Повреждения в виде трещин, идущих с наружной поверхности вдоль оси шва, были обнаружены в поперечных кольцевых швах паропроводных труб и продольных швах штампосварных колен из стали 15Х1М1Ф.
Примером негативного влияния недостаточного подогрева при сварке и высоких токовых режимов в сочетании с использованием флюса АН-22 (о влиянии этого флюса на снижение жаропрочности сварных соединений изложено выше) служат преждевременные повреждения штампосварных колен условным диаметром Dy = 600 и 700 мм из стали 15Х1М1Ф [36].
В частности, занижение температуры подогрева в процессе приварки упоров креплений подвесок к трубам паропровода горячего промперегрева из стали 15Х1М1Ф при монтаже энергоблока 800 МВт привело к появлению трещин в угловых фланговых и лобовых швах [40].
При этом в двух случаях на сварных тройниках диаметрами 426 х 17/219x32 мм, из стали 12Х1МФ, отработавших 20.
Одновременно было установлено, что многочисленные трещины в ЗТВрп сварных соединений особенно энергично развиваются до сквозных при высокой прочности металла шва и высокой прочности ст„ > 600 МПа свариваемой стали.
Повреждения с развитием межзеренных трещин по околошовной зоне вплоть до полного разрушения сварных деталей из стали 15Х1М1Ф произошли на сварном тройнике диаметрами 325 х 60/300 х 70 мм при наработке 2 тыс.
Недоотпуск после сварки послужил главной причиной эксплуатационного повреждения заводского сварного стыка паропровода острого пара диаметром 325 х 60 мм из стали 15Х1М1Ф, отработавшего 117 тыс.
При термообработке сварных стыков паропровода диаметром 365 х 75 мм из стали 15Х1М1Ф энергоблока 800 МВт Сургутской ГРЭС-2 в период ремонтной кампании 1999 г.
Типичные повреждения сварных соединений теплоустойчивых сталей (на примере стали 15Х1М1Ф), вызванные нарушением оптимальной свярочно-термической технологии: а - поперечная трещина в подварочном шве ПШ (типа III); б - продольная (кольцевая) трещина (типа IV); в - трещина в зоне локального разупрочнения от двух швов (типа IV)
Типичным может служить пример повреждения стыкового сварного соединения паропровода острого пара диаметром 465 х 75 мм из стали 15Х1М1Ф, отработавшего около 110 тыс.
Типичные повреждения сварных стыков паропроводов острого пара диаметром 325x60 мм из стали 15Х1М1Ф, отработавших около 120 тыс.
Следует учитывать, что двойное тепловое воздействие на сварной шов 09X1МФ (при многослойном выполнении основного шва и при нанесении подварочного шва) вызывает энергичное локальное разу-прочне-ние наплавленного металла, который по сравнению со свари-ваемой сталью 15Х1М1Ф является менее легированным и уступает по содержанию углерода.
Другим типичным случаем является эксплуатационное повреждение стыкового соединения с двойным швом 09X1 МФ паропровода горячего промперегрева диаметром 426x26 мм из стали 15Х1М1Ф, отработавшего 130 тыс.
В другом случае вследствие дефектов сварки было обнаружено повреждение сварного стыка паропровода острого пара диаметром 273 х 32 мм из стали 12Х1МФ, отработавшего 152 тыс.
В сварных стыках паропровода горячего промперегрева из центро-бежнолитых труб 920 х 32 мм стали 15Х1М1Ф обнаруженные технологические дефекты сварки в корневой части швов превышали допустимые размеры [18, 53].
426x17 мм из стали 12Х1МФ.
Сталь Термообработка ст,, МПа МПа % % кгс/см2 НВ не менее Норм.
По повреждениям сварных соединений паропровода Сургутской ГРЭС-2 дополнительная причина заключалась в некондиционном (некачественном) основном металле труб из стали 15Х1М1Ф.
В работе [43] показано влияние параметра d^/D^ >0,5 на снижение конструкционной прочности тройников после отработки проектного срока службы паропроводов из стали 12Х1МФ.
>н Д2[ст] + р), где [а] - допускаемые напряжения на сталь; р - давление пара; Р = Д,/Д,„.
Из результатов стендовых испытаний с тензометрированием сварных тройников 273 х 32/133 х 13 и 273 х 32/219 х 26 мм из стали 12Х1МФ под внутренним давлением было установлено, что значения коэффициента концентрации ас = 1,51 и 2,98 [48].
U-14) где т - показатель ползучести стали.
20 мм коллекторов и паросборных камер из стали 12Х1МФ (см.
Влияние высоты h выпуклости шва на концентрацию напряжений в условиях растягивающей нагрузки в стыковом сварном соединении паропроводов 245x45 мм из стали 15Х1М1Ф ного соединения при ползучести.
ПОВРЕЖДЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ применительно к стали 15Х1М1Ф (рис.
В частности это относится к сварным стыкам труб 108 х 22 с коническими переходами 108 х 22/245 х45 мм из стали 12Х1МФ и других типоразмеров.
Так, повреждение в виде сквозной трещины по разупрочненной прослойке металла было выявлено на стыковом сварном соединении паропровода 373 х 36 мм из стали 12Х1МФ, отработавшего 236 тыс.
Повреждение по механизму ползучести в виде магистральной кольцевой трещины в ЗТВр„ стыкового сварного соединения паропровода диаметром 273x36 мм из стали 12Х1МФ, отработавшего
Аналогичное повреждение сварного стыка имел паропровод диаметром 133 х 17 мм из стали 12Х1МФ, проработавшем около 100 тыс.
ч при температуре 545 °С и давлении 14 МПа на паропроводе диаметром 377х 50 мм из стали 12Х1МФ Первомайской ТЭЦ-14 АО Ленэнерго в 1996 г.
Вследствие повышенных напряжений от самокомпенсации тепловых расширений произошли повреждения 22 сварных соединений паропроводов горячего промперегрева диаметром 426 х 18 мм из стали 12Х1МФ с наработкой от 30 до 80 тыс.
Эксплуатационные повреждения 19 сварных стыковых соединений паропровода диаметром 465 х 75 мм из стали 15Х1М1Ф энергоблока 800 МВт № 1 Сургутской ГРЭС-2 в 1999 г.
Недопустимо высокие изгибающие нагрузки вследствие неудовлетворительной трассировки пароперепускных труб от выходных коллекторов к паро-сборной камере были одной из причин эксплуатационных повреждений штуцерных сварных соединений условным диаметром Dy> 100 мм из стали 12Х1МФ на котлах серии БКЗ (см.
По этой причине также отмечены повреждения штуцерных сварных соединений условным диаметром Dy S 100 мм пароперепускных труб из стали 12Х1МФ на котлах Тверской ТЭЦ-3 и Новогорьковской ТЭЦ.
Так, трещины развивались с внутренней стороны от концентраторов напряжений на границе перехода проточки внутренней поверхности трубы стыкового сварного соединения разнотолщиных трубных элементов диаметрами 426 х 17/426x28 мм из стали 12Х1МФ (рис.
На паропроводе горячего промперегрева произошло повреждение стыкового сварного соединения трубы диаметром 273 х 11 мм с отводом диаметром 273 х 20 мм из стали 12Х1МФ [25].
Усталостные трещины в стыковых сварных соединениях паропроводов горячего промперегрева из стали 12ХМФ: а - кольцевая (продольная шву) Тр(к) в сварном стыке паропровода диаметром
Такой метод, например, регламентирован для сварных соединений паропроводов горячего промперегрева из центробежнолитых труб (сталь 15Х1М1Ф-ЦЛ) и применяется, при необходимости, для выявления фактической толщины стенки в соединениях паропроводов свежего пара.
Спектральный анализ (стилоскопирование) выполняется с помощью переносных стилоскопов типа СЛП для подтверждения в стали и сварном шве требуемого по НТД содержания легирующих элементов.
В стали HCMV3 допускается содержание никеля не более 0,025 %.
ч и более для рабочей температуры 545 °С (на примере испытаний образцов сварных соединений стали 12Х1МФ).
Ранее аналогичные результаты по обоснованию оптимальных режимов нагружения напряжение - температура были получены при испытании на длительную прочность образцов сварных соединений высокохромистой стали [66].
Сравнительная длительная статическая трещиностойкость при температуре 600 °С зон сварного соединения центробежных труб из стали
Такой подход используется и при проведении отечественных испытаний [68]; оптимальные области параметров испытаний на длительную прочность образцов сварных соединений стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф показаны на рис.
Сдаточные микроструктуры 1 Сталь 15Х1М1Ф Бейнит Нормализация 1020.
Сталь Температура, °С Коэффициент прочности Катаные трубы Механически обработанные трубы при изгибающей нагрузке
При расчете значений фш для базы от 2 • 105 до 3 • 105 ч при температуре > 530 °С сварных соединений хромомолибденованадиевой стали промежуточные значения оцениваются линейным интерполированием.
Примечание: с^ -длительная прочность основного металла на базе 105 ч при температуре 545 °С для ста- ли 12Х1МФ и при температуре 560 °С для стали 15ХШ1Ф.
Содержание легирующих элементов в карбидном осадке, <60 прочности Остаточная деформация, %: на трубах из стали: % 12Х1МФ <1,5 15Х1М1Ф <1,0 на гибах <0,8
ч >5 Критическая температура хрупкости, °С: для стали: 12Х1МФ <60 15Х1М1Ф <50
Для сварных соединений паропроводов углеродистой стали 20 высокая работоспособность обеспечивается при отсутствии графитиза-ции металла, при этом может быть допущена начальная стадия графити-зации, соответствующая баллу 1 [19], развивающаяся преимущественно в ЗТВ соединений.
Ванадий эффективно влияет на повышение длительной прочности и сопротивление ползучести стали благодаря своему упрочняющему действию путем образования термически устойчивых высокодисперсных карбидов.
32 мм стали 15Х1М1Ф-ЦЛ [15] Длительность
В зависимости от применяемого режима термической обработки (например, при нормализации и последующем высоком отпуске) в низколегированной хромомолибденованадиевой стали может быть реализован тот или иной механизм упрочнения или их комбинация: фазовый наклеп при у -> а-превращении, дисперсионное твердение (выделение карбидов ванадия) и упрочнение твердого раствора (взаимодействие атомов молибдена и ванадия - углеродистых пар с дислокациями в твердом растворе).
ч для сварных соединений паропроводов из углеродистой стали марки 20.
Под влиянием эксплуатационных факторов в хромомолибденованадиевой стали протекают процессы термодеформационного старения: распад и выделение вторичных фаз, перестройка дислокационной структуры и накопление микроповрежденности в результате ползучести.
Кинетика вклада 5 различных механизмов в упрочнение теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали в процессе ползучести: / - общий вклад всех механизмов упрочнения; 2 — упрочнение частицами вторичных фаз, преимущественно высокодисперсными карбидами ванадия VC; 3 — упрочнение за счет твердого раствора; 4 — упрочнение фазовым наклепом
ч по стыковым сварным соединениям паропроводов из центробежнолитых труб (сталь 15Х1М1Ф-ЦЛ); более 300 тыс.
р элементов паропровода диаметром 325 х 60 мм из стали 15Х1М1Ф на расчетные параметры пара (температуру 545 °С при давлении 25,5 МПа) [3]:
Это, в частности, можно подтвердить на примере сварных тройников 3, которые по сравнению с гибами 2 и прямыми участками труб / характеризуются сокращенным в 2 - 2,5 раза парковым ресурсом на паропроводе диаметром 325 х 60 мм из стали 15Х1М1Ф на расчетные параметры пара: температуру 545 °С при давлении 25,5 МПа (рис.
Обеднение молибденом твердого раствора в связи с переходом в карбидную фазу вызывает снижение жаропрочных свойств стали.
ч, определяется аналогично отечественному включая расчетные методы по номинальным допускаемым напряжениям [ст] на сталь с коэффициентом запаса прочности я = 1,5 для номинальных типоразмеров трубных элементов с учетом параметров пара (температуры, давления) или с коэффициентом п = 1,2 для 0,8 [а].
М„СЛ в процессе ползучести теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали (сталь 12Х1МФ)
Условные обозначения: аэкв - эквивалентные напряжения; [от] - допускаемые напряжения на сталь; а^, -длительная прочность сварного соединения.
Парковый ресурс определяется из результатов сопоставления расчетных эквивалентных напряжений, оцениваемых как приведенные от внутреннего давления аэкв = ар проектных параметров пара (или средних параметров на период наработки) и номинальных размеров (наружного диаметра и толщины стенки) трубных элементов, с допускаемыми номинальными напряжениями [а] на сталь при обязательном удовлетворении условия: стжв=[а] = о21/я, (4.
Определение паркового ресурса тпк р сварных соединений паропровода для рабочей температуры 545 °С и давления 25,5 МПа: а - ССС диаметрами 325 х 60/345 х 70 мм из стали 15Х1М1Ф/15Х1М1ФЛ; тпк.
6-ТСС диаметрами 325 х 60/245 х 45 мм из стали 15Х1М1Ф/12Х1МФ; т'пк.
р~ условный парковый ресурс для корпуса тройника с неукрепленным отверстием; [о]' - условные допускаемые напряжения на корпус тройника с неукрепленным отверстием; [ст]" -условные допускаемые напряжения на штуцер; <ТР - приведенные напряжения; У - сталь 15Х1М1Ф; 2 - сталь 15Х1М1ФЛ; 3 - сталь 12Х1МФ
Это связано с тем, что для номинальных допускаемых напряжений на сталь [о] регламентированный по [13] нормативный допуск отклонений от средних значений составляет ±20 % и при оценке ресурса неизбежно приводит к значительной погрешности до ±150 % (рис.
Влияние нормативного [13] отклонения ±20 % номинальных допускаемых напряжений \<в\ на максимальную погрешность ±150 % при оценке номинального ресурса тр паропровода из стали 12Х1МФ для растягивающих напряжений 70 МПа при температуре 545 °С
Индивидуальный ресурс определяется из результатов сопоставления эквивалентных (или максимальных) напряжений аэкв с номинальной долговечностью (длительной прочностью) стали ст°" с соблюдением условия аэкв < а"" на период накопленной наработки или на срок установленного индивидуального ресурса с одновременной оценкой запаса прочности п = СУ"" / стэкв ( ин или и„ р - соответственно на период наработки или индивидуального ресурса).
Так, на первой стадии ползучести хромомолибденованадиевой стали поры отсутствуют, при этом плотность дислокаций в ферритных зернах невелика, и более высокая вблизи границ зерен и у крупных карбидов.
3) [47, 73]; К„ - коэффициент перегрузки; для тройников К„ = 1,4 [13, 49]; фи - коэффициент прочности сварного соединения с поперечным швом для условий растягивающей нагрузки (вектор растягивающих напряжений ориентирован поперечно шву) [13]; ф^,ш - то же, но для изгибающей нагрузки [13];[о1] - допускаемые напряжения на сталь, МПа [13];
Схема определения ресурса стыковых сварных соединений паропровода диаметром 325 х 60 мм из стали 15Х1М1Ф: тпк р для [ст]„к р = 56,9 МПа; ти р для стэкв = 63,98 МПа;
Схема определения ресурса стыковых сварных соединений паропровода труб диаметром 325 х 60 мм из стали 15Х1М1Ф с литыми патрубками диаметром 345 х 70 мм из стали 15Х1М1ФЛ паровой арматуры Dy- 200 мм:
10, для стали 15Х1М1ФЛ
Схема определения ресурса тройниковых сварных соединений паропровода труб диаметром 325 х 60/133 х 36 мм из стали 15Х1М1Ф/12Х1МФ:
Сталь 12Х1МФ.
Трубы для паропроводов из стали 12Х1МФ (химический состав и механические свойства даны в табл.
7 для сроков индивидуального ресурса, при этом категорией высокой опасности КО = 7 характеризуются тройниковые сварные соединения ТСС диаметром 325 х 60 / 245 х 45 мм из стали 15Х1М1Ф как исчерпавшие свой индивидуальный расчетный ресурс.
К категории повышенной категории опасности КО = 3 относятся ТСС диаметрами 325 х 60/133 х 36 мм из стали 15Х1М1Ф/12Х1МФ.
Индивидуальный ресурс при данном методическим подходе определяется из результатов сопоставления фактических эквивалентных напряжений с диаграммами номинальной долговечности (длительной прочности) стали (рис.
Схема оценки индивидуального ресурса т„,, сварных соединений по фактическим нагрузкам и номинальной жаропрочности стали с оценкой запаса прочности для т„.
2 — допускаемые напряжения на сталь МПа, [13] соединений с учетом марок сталей и особенностей эксплуатационных условий (коэффициентов перегрузки, температурных условий).
При последующем высоком отпуске согласно [6, 7] в стали происходят следующие процессы: в феррите выделяются дисперсные карбиды по границам зерен и телу зерна, что повышает прочность и сопротивляемость металла ползучести; в перлитной составляющей идет процесс сфероидизации цементит-ных пластин, в результате чего структура перлита приобретает преимущественно зернистое строение; в бейнитной составляющей структуры реализуется процесс распада пересыщенного твердого раствора с выделением карбидов и снижением уровня микронапряжений, появившихся при нормализации в результате фазового наклепа, при этом реализуется начальная стадия процессов возврата и рекристаллизации.
2, на все виды нагрузок) с диаграммами фактической долговечности стали а^.
Объем ферритной составляющей и температурный интервал распада аустенита в стали определяется двумя факторами: температурой нормализации и скоростью охлаждения.
232 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ остаточная Од„ определяется из базовых уравнений сварных соединений, установленных по результатам комплексных исследований ВТИ:• для соединений стали 12X1 МФ
30) • для соединений стали 1 5Х 1 М 1 Ф
После высокого отпуска сталь будет характеризоваться преимущественно феррито-сорбитной структурой с содержанием сорбита отпуска в количестве 5.
При расчете по фактическим нагрузкам и фактической долговечности стали и сварных соединений суммируются достоинства каждого из методов, рассмотренных в § 4.
Сроки индивидуального ресурса устанавливаются из результатов сопоставления СУЭКВ, оцененных по фактическим нагрузкам, с диаграммой фактической долговечности стали с учетом фактических значений коэффициента прочности сварного соединения для условий ползучести.
Сравнительная остаточная долговечность Ряа в условиях ползучести сварных соединений стали 12Х1МФ с металлом шва 09Х1МФ после эксплуатации паропроводов в стационарном (7) и маневренном (2) режимах: о, и ст2 - уровни длительной прочности на остаточный ресурс 13 0.
Сравнительные сроки остаточного ресурса Ра„ в условиях ползучести при 545 °С и 73 МПа сварных соединений стали 12Х1МФ с металлом шва 09X1МФ после эксплуатации паропроводов в стационарном (7) и маневренном (2) режимах (см.
Базовая диаграмма / исходной долговечности строится по результатам испытаний образцов на длительную прочность или по номинальным допускаемым напряжениям на сталь с учетом запаса прочности п = 1,5 [13].
Расчетно-аналитический подход в оценке ресурса элементов паропроводов по длительной прочности [9] основан на сочетании остаточной фактический долговечности стали и начальной стадии интенсивной микроповреждаемости в сопоставлении с расчетными приведенными (окружными) напряжениями от внутреннего давления рабочей среды (рис.
Значения остаточной длительной прочности берутся для стали после эксплуатационной наработки паропровода не менее 60 тыс.
18 в координатах напряжение - время параллельно диаграмме / остаточной длительной прочности стали и ниже нее на 10 % наносится диаграмма 2 начального этапа интенсивной микроповреждаемости и одновременно проводится вектор расчетных приведенных напряжений до пересечения в точке А с диаграммой микроповреждаемости.
Ф„ - феррит с перлитом; Б- бейнит; Ас\, Ас$ ~ критические точки стали): а - сталь 12Х1МФ; / - 3 °С/мин; 2 - 200 °С/мин; б- сталь 15Х1М1Ф; / - 1 °С/мин; 2-3 °С/мин; 3-50 °С/мин; 4 - 1800 °С/мин
Согласно приложению к ТУ 14-3-460-75 "Шкалы микроструктур для труб из стали 12Х1МФ" микроструктура классифицирована на сдаточную - 1 - 5 балла и браковочную -6-9 балла (см.
Это, в частности, подтверждает работа [76], в которой рекомендуется корректировать результаты испытания в сторону сокращения времени разрушения образцов на примере исследований хромомолибденовой стали типа 2,25Сг-1Мо.
С целью корректного выбора жаропрочных свойств стали 12Х1МФ по микроструктурному состоянию предложено оценивать длительную прочность металла по трем структурным группам (рис.
Пример расчета: Пусть металл ЗТВрп сварного соединения паропровода из стали 12Х1МФ после наработки т„ = 200 тыс.
Погрешность в оценке жаропрочности стали в пределах поля рассеяния не превышает 15 %.
Влияние структурного состояния отражается на длительной прочности стали, значения которой для температуры 545 °С на расчетной базе 105 ч характеризуются диапазоном 72.
Особенно большое различие полученных данных наблюдается по сварным тройникам диаметрами 325 х 60 / 245 х 45 мм из стали 15Х1М1Ф.
После полного цикла термообработки (нормализации с отпуском) в карбидах стали содержится примерно 55.
Эффективное решение поставленной задачи по обеспечению надежной эксплуатации сварных соединений новых паропроводов на длительные сроки может быть реализовано: использованием накопленного опыта по продлению ресурса паропроводов стареющего энергооборудования (рассмотрено выше); использованием для паропроводов более жаропрочных высоколегированных сталей мартенситного и/или аустенитного класса, в том числе 9 %-ной хромистой стали типа 10Х9МФБ нового поколения; широким применением автоматизированных процессов газоэлектрической сварки в смеси аргона, углекислого газа и/или кислорода стационарной или модулированной дугой при изготовлении и монтаже паропроводов; применением бесшовных тройников и колен по прогрессивной технологии заводского изготовления вместо штампосварных и ковано-сварных фасонных деталей и изделий; оснащением автоматизированными системами для мониторинга рабочих параметров с налаженной системой оперативной диагностики за состоянием металла на ТЭС [79].
Так, по данным [14] более опасным рассматривается процесс развития повреждаемости стали 12Х1МФ со структурой отпущенного бейнита - экстремальный рост повреждаемости / (объемная микроповрежденость) проявляется в период исчерпания ресурса примерно 0,9 ТН/ТР (т„/тр - исчерпание ресурса, т„ - длительность наработки; тр - предельный ресурс на стадии появления макротрещины, тыс.
Более пологая (и менее опасная) линия / соответствует накоплению микроповреждаемости в сталии с феррито-сорбитной структурой, что позволяет более уверенно выявлять фактическую поврежденность металла и прогнозировать остаточный ресурс трубных элементов паропровода из стали 12Х1МФ.
Сталь 15Х1М1Ф.
Так, расчетный парковый ресурс стыковых сварных соединений паропроводных труб диаметром 273 х 32 мм из стали 12Х1МФ на параметры пара 545 °С и 14 МПа, полученный для ар по уравнению (4.
Кинетика микроповреждаемости стали 12Х1МФ при ползучести в зависимости от структурного состояния: / - феррито-сорбитная структура; 2 - структура отпущенного бейнита
Увеличение в стали 15Х1М1Ф по сравнению со сталью 12Х1МФ содержания Сг и Мо приводит к повышению стабильности аустенита, что определяет особенности термокинетического распада аустенита, а следовательно, формирование структур стали при нормализации.
90 мм из 0,5Сг--0,5Mo-0,25V стали выполнялись ручной дуговой сваркой многослойным способом тонкими кольцевыми валиками в узкую чашеобразную разделку кромок без подкладного кольца (рис.
Таким образом, в зависимости от скорости охлаждения в паропроводных трубах стали 15Х1М1Ф формируются структуры феррито-бей-нитная или бейнитная, что обеспечивает высокое субструктурное упрочнение стали.
Стабилизация субструктурного упрочнения, карбидное упрочнение и повышение пластичности стали достигаются путем применения высокотемпературного отпуска при оптимальном режиме 730.
Повышенную склонность к такому повреждению проявляют сварные соединения паропроводов из стали 15Х1М1Ф, поскольку этому способствует недостаточная жаропрочность сварного шва 09X1 МФ, который менее легирован по сравнению со свариваемой сталью, и при дополнительном высокотемпературном нагреве энергично разупрочняется.
760 °С; снижение температуры отпуска до 700 °С способствует резкому снижению длительной пластичности стали уже через 5.
350 °С в зависимости от марки свариваемой стали и толщины стенки трубных элементов.
Примером могут служить сравниваемые варианты ремонта сварного тройника диаметром 325 х60/245 х45 мм из стали 15Х1М1Ф, отработавшего до повреждения на паропроводе 168 тыс.
Термическая обработка по нормативному режиму (ТУ 14-3-460-75) формирует в трубах из стали 15Х1М1Ф структуру отпущенного бейнита или феррита с отпущенным бейнитом.
С учетом известной неоднородности в жаропрочных свойствах стали 15Х1М1Ф и металла шва 09X1МФ остаточная долговечность отремонтированных по рассмотренным вариантам технологии ремонта сварных соединений будет характеризоваться различными диаграммами 2 и 3 на рис.
Отклонения от оптимального режима термической обработки (не-догрев при нормализации, низкая скорость охлаждения при нормализации, высокая, свыше Ась температура отпуска приводят к снижению жаропрочных свойств стали).
Это распространяется с учетом особых требований технологического характера на выполнение следующих типоразмеров сварных соединений коллекторов и паропроводов из стали 12Х1МФ: штуцерных сварных соединений пароперепускных труб?
Вместе с тем, при сварке ремонтных швов паропроводов из стали типа 2,25Сг-1Мо допускается использование покрытых электродов увеличенного диаметра вплоть до 5 мм.
Нагрев при отпуске в области температур выше критической точки Aci приводит к рекристаллизации бейнита и образованию перлита по границам зерен так же, как в стали 12Х1МФ.
После полного цикла термической обработки в стали 15Х1МФ присутствуют карбиды ванадия, молибдена и хрома - VC, М3С, М2зС6.
Сварные соединения паропроводов из стали 15Х1М1Ф восстановительной термической обработке не подвергаются и подлежат переварке.
Зависимости длительной прочности а"п (средние значения) на расчетной базе 2 • 10s ч при 545 °С и длительной пластичности (относительного сужения ц/°спл ) сварных соединений стали 12Х1МФ с металлом шва 09Х1МФ после нормализации от продолжительности тотп высокого отпуска при ВТО (И.
Тарковского [87] в 4-5 раз повышает трещиностойкость сварных соединений стали 12Х1МФ в условиях малоцикловой ползучести при температуре 560 °С.
Что касается сварных соединений паропроводов из углеродистой стали 20, то П.
26 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ растеризующие сталь с пониженной жаропрочностью.
Контроль, проводимый после выполнения восста- 12Х1МФ, 15ХМи УЗК ТВ MAP 100 100 100*2 удовлетворять требованиям по [18] по результатам ВК; оцененные баллом 2 при УЗК; новитель- 12МХ твердость не менее 130НВ ной терми- Вырезка 1 СС для для стали 12Х1МФ и не менее ческой оценки структуры и 125НВ для стали 15ХМ и 12МХ обработки свойств сварного (и сварных соединений); соединения (СС) микроструктура не должна после проведения иметь микроповрежденности в ВТО виде пор и карбидных частиц размером более 4 мкм;
1 количество перлитной со ставляющей в структуре стали Вырезка 1 СС для 12Х1МФ должно быть не менее оценки структуры 15 %; не допускается наличие 12Х1МФ, и свойств сварного округлых зерен перлита вели
Большое влияние на свойства стали 15Х1М1Ф оказывает технология изготовления элементов паропроводов.
Трудность решения такой задачи заключается в Значительной химической и структурной неоднородности металла зон и большой вероятности недопустимого разупрочнения менее легированного металла шва по отношению к более жаропрочной стали.
Сложность в назначении единого режима ВТО для такого шва и стали 15Х1М1Ф состоит в нахождении компромисса для этих неоднородных участков сварного соединения.
Так, если для стали 15Х1М1Ф оптимальным может рассматриваться режим нормализации с температур 1050.
По действующему отраслевому документу [22] сварные соединения паропроводов из стали 15Х1М1Ф восстановительной термической обработке не подвергаются и подлежат переварке; • разработка технологии и термического оборудования с промышленным применением других более экономичных и эффективных способов нагрева для целей ВТО.
Необходимость проведения высокого отпуска при 750 °С в течение 5 ч в этом случае очевидна, поскольку он вызывает повышение пластичности металла до исходного состояния, что подтверждается снижением параметра примерно до Ор/а,, = 0,55 (стт - предел текучести стали;ав -временное сопротивление разрыву, МПа).
АО "Фирма ОРГРЭС" подвергала ВТО корпус стопорного клапана из стали 15Х1М1ФЛ турбины Т-]00-300 в электропечи с общим нагревом, и положительные результаты исследований структуры и свойств металла подтвердили высокую эффективность и возможность дальнейшего применения такого способа термообработки для продления срока службы габаритных деталей [87].
Проведение нормализации при температуре 1020 °С с последующим отпуском при 680 °С участка паропровода диаметром 325 х 32 мм из стали 12X1МФ способом нагрева газовоздушной смесью показало перспективность такой технологии ВТО [75]; • совершенствование технологии ВТО в области повышения точности регистрации фактических температурных режимов нагреваемого металла, улучшения защиты нагреваемых элементов паропроводов от окалины, обоснованного выбора оптимального состояния опорно-подвесной системы при ВТО с целью предупреждения коробления участков паропровода при высокотемпературном нагреве.
В процессе длительной эксплуатации при ползучести в стали 15X1 MlФ происходят структурные изменения, характеризующиеся обеднением твердого раствора, изменением фазового состава карбидов с коагуляцией карбидных частиц, типичные процессы сфероидизации продуктов распада упрочняющей фазы, изменение плотности дислокаций.
Одновременно развивается микроповреждаемость металла, которая может быть схожа с характером повреждаемости стали 12Х1МФ для структуры отпущенного бейнита (линия 2, см.
2); о-эфф - эффективные напряжения; стэфф =1,1 [<т], где [ст] -допускаемые напряжения на сталь [13]; аЭК11 — эквивалентные напряжения, на все виды нагрузок по [13].
Так, уменьшение параметра ОЭФФ/ОР от 1,3 до 1,1 позволяет увеличить срок службы на примере паропроводов диаметром 325 х38 мм из стали 12Х1МФ от 105 до 2'105 ч при температуре 545 °С и давлении 14 МПа (рис.
Снижение параметров пара позволяет значительно увеличить срок службы элементов паропроводов (труб, фасонных деталей, сварных соединений), поскольку снижение температуры пара соответственно повышает уровень допускаемых напряжений на сталь, а давления пара - снижает уровень рабочих напряжений.
Это можно проиллюстрировать на примере расчета паркового ресурса стыковых сварных соединений паропровода диаметром 245x45 мм из стали 15Х1М1Ф с металлом шва 09Х1МФ, спроектированного на номинальные параметры пара (температуру 545 °С и давление 25,5 МПа).
Влияние отклонений параметров пара (проектных — номинальных t = 545 °С ир = 25,5 МПа) на расчетный парковый ресурс тпкр стыковых сварных соединений паропроводов диаметром 245x45 мм из стали 15Х1М1Ф с металлом шва 09Х1МФ для условий ползучести (табл.
Влияние изменения параметров пара на ресурс паропровода диаметром 290x48 мм из теплоустойчивой стали 13СгМо44 (Германия): / - tn; 2 - tn - 5 °С; 3-tn- 10 °С (tn - проектная температура пара)
По сравнению с широко применяемыми в российской теплоэнергетике теплоустойчивыми низколегированными хромомолибденовыми и хромомолибденованадиевыми сталями более жаропрочными являются высокохромистые стали мартенситно-ферритного класса и хромоникеле-вые аустенитные стали (табл.
Высоколегированные жаропрочные стали могут применяться для изготовления коллекторов и паропроводов с температурой 545.
Сталь 15Х1М1Ф-ЦЛ.
32 мм из этой стали применяются на паропроводах горячего промперегрева энергоблоков 300.
К освоенным промышленностью относятся следующие высоколегированные жаропрочные материалы: высокохромистая сталь мартенситно-ферритного класса 12Х11В2МФ (ЭЙ 756) и хромоникелевые аустенит-ные стали 12Х18Н12Т и 10Х16Н16В2МБР (ЭП 184).
К неосвоенной отечественной промышленностью (накоплен ограниченный опыт по изготовлению отдельных паропроводных труб) относится перспективная 9 %-ная хромистая сталь типа 1ОХ9МФБ мартенситно-ферритного класса, которая характеризуется благоприятным сочетанием достаточно высокой жаропрочности и повышенной технологичности.
Такая сталь нашла промышленное применение в качестве основного материала коллекторов и паропроводов на ТЭС США, Германии и др.
В отечественной теплоэнергетике на эту сталь возлагают определенные надежды и ее рассматривают как перспективную для паропроводов ТЭС.
Влияние марки стали на срок службы паропроводов было выявлено по результатам оценки паркового ресурса стыковых сварных соединений паропроводов 219 х 32 и 273 х 32 мм для параметров пара: температуры 560 °С и давлении 14 и 25,5 МПа.
Кратковременные механические и жаропрочные свойства стали 15Х1М1Ф-ЦЛ зависят от структурного состояния металла, которое в свою очередь определяется химическим составом стали и сложной термической обработкой, включающей противофлокенный отжиг, гомогенизацию, нормализацию и высокий отпуск (см.
Влияние марки стали на снижение толщины стенки паропроводов для широкого диапазона параметров пара (температуры 545.
Особенности структуры, качества и жаропрочности стали 15Х1М1Ф-ЦЛ с учетом влияния технологии центробежного литья трубных заготовок заключаются в следующем [15, 16]: • в неоднородности структуры по толщине стенки труб, выраженной полосчатостью структур двух разновидностей, чередующихся зонами однотипной равновесной структуры с ликвационными зонами (рис.
Для паропроводов острого пара с температурой эксплуатации 600 °С при давлении 30 МПа наиболее рациональным является применение ау-стенитной стали 10Х16Н16В2МБР, что дает возможность изготовлять паропроводные трубы с относительно небольшой толщиной стенки (48 мм) и, следовательно, на 70.
Эффективность их использования определяется конкретной маркой высоколегированной стали.
12 %-ная хромистая сталь 12Х11В2МФ (ЭЙ 756) мартенситно-ферритного класса в состоянии после термической обработки (нормализации с отпуском) характеризуется структурой мартенсита и небольшим
70 мм из этой стали.
Паропроводы диаметром 219x32 мм из стали 12Х11В2МФ (ЭЙ 756) длительно эксплуатируются на Приднепровской и Рефтинской ГРЭС [94].
Из этой стали рекомендуется изготовлять паропроводы с температурой эксплуатации до 600 °С.
За рубежом (в Германии, Соединенном Королевстве) накоплен многолетний опыт использования 12 %-ной хромистой стали для паропроводов ТЭС.
Так, сталь X20CrMoV121 (аналог российской стали ЭЙ 756) является оптимальным материалом для паропроводов свежего пара диаметрами 220 х37и310х52ммс температурой эксплуатации 530.
В последнее время в связи с разработкой стали нового поколения типа 10Х9МФБ сталь 12Х11В2МФ рассматривается как более жаропрочная, но менее технологичная и более дорогая ввиду содержания в ней дефицитного вольфрама.
9 %-ная хромистая сталь 10Х9МФБ мартенситыо-ферритного класса характеризуется: достаточно высокими жаропрочными свойствами (длительная прочность при 560.
По результатам комплексных исследований, проведенных ГНЦ "НПО ЦНИИТМАШ", АООТ "ВТИ" и другими институтами, обоснована возможность использования стали 10Х9МФБ-Ш (Ди82-Ш электрошлакового переплава), разработанной ГНЦ "НПО ЦНИИТМАШ", для паропроводов в теплоэнергетике с повышением температуры пара до 565 °С, а в перспективе и до 580 °С с давлением до р = 29 МПа с гарантированным ресурсом не менее 2-Ю5 ч при обеспечении снижения металлоемкости паропроводов не менее чем на 25.
Допускаемые напряжения для расчета на прочность паропроводов из стали 10Х9МФБ внесены в нормативный документ [13].
За рубежом сталь типа 10Х9МФБ нашла достаточно широкое применение в качестве материала для коллекторов котлов и паропроводов ТЭС, внесена в три международных стандарта и включена под маркой Р91 в технические условия США, под маркой TuZ10CDVNb09.
Сталь Р91 применена в Японии в конце 90-х годов на паропроводах двух энергоблоков 700 МВт ТЭС с повышенными параметрами пара (310 бар, температуре 566 °С), с конца 1980 г.
Микроструктура основного металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф-ЦЛ:
Сталь 10Х9МФБ характеризуется теплофизическими свойствами (теплопроводностью, коэффициентом термического расширения) близкими к аналогичным свойствам сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, что важно для благоприятных условий работы сварных соединений разнородных сталей, например, комбинации 10Х9МФБ+15Х1М1Ф.
Термическая обработка паропроводных труб из стали 10Х9МФБ во Франции включает нормализацию с температур 1040.
В результате достигается структура мартенсита с дисперсными карбидами типа М23С6 и карбонитридами типа М(С, N)x, что при относительно низком содержании углерода обеспечивает высокую ударную вязкость и порог хладноломкости стали не выше температуры -20 °С.
PC - равноосная, идентичная структуре стали 15ХШ1Ф горячекатаных труб;
Установлена ее нечувствительность к горячим (кристаллизационным) трещинам даже при сварке толстостенных паропроводных труб (диаметром 600 х 150 мм) и возможность устранения склонности сварных соединений к холодным и термическим трещинам (например, путем снижения содержания фосфора в стали до Р < 0,01 % и введения подогрева при сварке до температуры 150.
ЛП - ликвационные прослойки; ЛП, - слаборазвитая ликвационная прослойка по фаницам дендритов; ЛП2 - развитая ликвационная прослойка с локализацией в ней микротрещин • зоны с однотипной равновесной структурой соответствуют структуре (феррито-бейнитной с карбидами), типичной для стали 15Х1М1Ф и соответственно с типичными жаропрочными свойствами;
Сталь 10Х9МФБ рассматривается как перспективный материал для паропроводов, эксплуатирующихся на высоких (540 °С, 14.
Хромоникелевая сталь 12Х18Н12Т аустенитного класса в состоянии после термической обработки при быстром охлаждении с высоких температур сохраняет аустенитную структуру при положительных и отрицательных (до -150 °С) температурах, что обеспечивает высокую пластичность и нечувствительность основного металла к закалке в околошовной зоне сварных соединений.
Сталь отличается высокими жаропрочными свойствами (примерно в 2 раза более высокими по уровню длительной прочности, чем низколегированные стали 12Х1МФ и 15X1 MlФ) в сочетании с нечувствительностью к концентрации напряжений и распространению трещин.
Сталь 12Х18Н12Т хорошо освоена промышленностью и применялась в качестве основного материала (наряду с другими аустенитными сталями) для паропроводов на Черепетской ГРЭС и Челябинской ТЭЦ-1.
Вместе с тем следует учитывать определенные особенности, связанные как со свариваемостью аустенитной стали, так и с неработоспособностью сварных соединении в процессе эксплуатации паропроводов в условиях ползучести.
Химический состав ликвационных зон отличается значительной сегрегацией (скоплением) вредных примесей в ликвационных прослойках по границам зерен (например, больше в 5 раз Р и в 20 раз S по сравнению с марочным составом стали), сегрегацией в ликвационных зонах Мп до 9 %, S до 6 % и Р до 0,6 %, а также повышенным по сравнению с нормативными требованиями содержанием легирующих элементов (Сг, Мо, V); • ликвационные зоны характеризуются наличием дефектов литейного происхождения типа газовых пор, шлаковых и/или песчаных включений и, кроме того, загрязнений в виде неметаллических включений (сульфидов, оксидов, силикатов).
ПРИМЕНЕНИЕ БОЛЕЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 327 использованием электродов (сварочной проволоки) для получения более пластичных и умеренно менее прочных сварных швов по сравнению с прочностью стали (предпочтение в этом случае отдается электродам ЦТ-26 с ЦТ-26-1 и сварочной проволоке Св-04Х19Н11МЗ); нанесением предварительной облицовки на свариваемые кромки стыков паропровода с использованием электродов ЦТ-26 типа Э-08Х16Н8М2, что существенно повышает стойкость сварных соединений против локального межзеренного хрупкого повреждения по 3TB0, сварных соединений.
Нужно отметить, что рассмотренные особенности и меры технологического и металлургического характера, направленные на повышение работоспособности сварных соединений паропроводов из аустенитной стали 12Х18Н12Т достаточно хорошо отработаны и регламентированы в инструктивных материалах в виде требований по оптимальной сварочно-термической технологии.
Необходимым является строгое соблюдение требований по технологии выполнения сварных соединений с учетом особенностей, связанных с теплофизическими свойствами чувствительных к сварочно-деформаци-онным циклам сварки аустенитных сталей, в том числе стали 12Х18Н12Т.
Хромоникелевая сталь 10Х16Н16В2МБР аустенитного класса характеризуется высокой жаропрочностью (почти в 2 раза более высоким уровнем длительной прочности по сравнению с аустенитной сталью 12Х18Н12Т) благодаря дополнительному легированию вольфрамом, молибденом, ниобием и бором.
По свариваемости эта сталь не чувствительна к образованию холодных трещин, но проявляет склонность к горячим и термическим трещинам типов I и III.
Сталь 10Х16Н16В2МБР освоена промышленностью, включая технологии проката паропроводных труб, гибки, сварки, термообработки, контроля.
Паропровод из этой стали со сварными соединениями надежно эксплуатировался на энергоблоке СКР-100 Каширской ГРЭС при параметрах пара 650 °С и 30 МПа, но через определенное время энергоустановка была временно остановлена.
Рассматриваемая аустенитная хромоникелевая жаропрочная сталь сложного состава ЮХ16Н16В2МБР является перспективным материалом для новых паропроводов ТЭС на закритические параметры пара 600 °С и 30 МПа с учетом экономической целесообразности, поскольку стали такого легирования относятся к категории дорогостоящих материалов.
874-95; • в процессе длительного термического старения отмечается временное разупрочнение стали 15Х1М1Ф-ЦЛ (на этапе примерно 104 ч при 545°С, обусловленное распадом бейнитной составляющей в зонах равновесной структуры и ликвационных прослоек) с последующим временным повышением прочностных свойств за счет выделения дисперсных карбидных фаз и начиная с выдержки 4 • 104 ч - постепенным снижением прочностных свойств в результате коагуляции карбидных фаз; • жаропрочные свойства характеризуются длительной прочностью, значения которой для центробежнолитой стали составляют примерно на уровне 0,92 длительной прочности стали 15Х1М1Ф горячекатаных труб.
Номинальные значения длительной прочности стали 15Х1М1Ф-ЦЛ определены с доверительным интервалом ±0,95.
Жаропрочные стали.
Длительная прочность ликвационных зон находится на уровне 0,95 длительной прочности стали 15Х1М1Ф-ЦЛ.
Микролегирующие примесные элементы в низколегированной Cr-Mo-V стали.
Несмотря на рассмотренные характерные особенности стали 15Х1М1Ф-ЦЛ паропроводы горячего промперегрева из центробежноли-тых труб могут надежно эксплуатироваться продолжительное время, превышающее сроки паркового ресурса.
По результатам комплексных исследований АООТ "ВТИ" с оценкой свариваемости стали 15Х1М1Ф-ЦЛ и работоспособности сварных соединений можно отметить следующее:
30 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ особенности свариваемости стали с оценкой влияния тепловых условий сварки и послесварочной термической обработки на структуру и свойства сварных соединений при общем подходе аналогичны свариваемости стали 15Х1М1Ф горячекатаных труб.
В связи с полученными результатами комплексных исследований были обоснованы скорректированные режимы высокого отпуска сварных соединений стали 15Х1М1Ф-ЦЛ, которые нашли применение при выполнении стыков паропроводов [18]; за период длительной эксплуатации паропроводов из стали 15Х1М1Ф-ЦЛ было зарегистрировано незначительное число случаев повреждений сварных соединений, отработавших 100.
О некоторых особенностях структурного состояния металла центробежнолитых паропроводных труб из стали 15Х1М1Ф // Электрические станции.
О надежности изделий из стали 20, эксплуатируемых при высоких температурах // Теплоэнергетика.
Стали 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ применяются в качестве основного металла литых трубных элементов (колен) и корпусов паровой арматуры (запорной, регулирующей, предохранительной).
Литые детали подвергаются сложной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг, для выравнивания химического состава и устранения концентрационных неоднородностей состава по сечению металла, двойную нормализацию для получения бейнитной или бейнито-ферритной структуры и высокий отпуск для повышения пластических свойств при сохранении достаточной жаропрочности стали (см.
Структурные превращения при нормализации и отпуске протекают по аналогии с превращениями при термообработке стали 15X1 MlФ.
Более технологичной является сталь 20ХМФЛ.
По сравнению с ней сталь 15Х1М1ФЛ, получившая наиболее широкое применение в теплоэнергетике, отличается более высоким содержанием Сг, Мо и V, что характеризует эту сталь как более жаропрочную и менее технологичную.
Сталь 15Х1М1ФЛ более чувствительна к формированию структуры от скорости охлаждения при нормализации, следствием чего бейнито-ферритная структура может иметь избыточное или, наоборот, недостаточное количество структурно-свободного феррита.
В первом случае это сказывается на снижении длительной прочности стали, а во втором - на повышении критической температуры хрупкости и, следовательно, на повышении склонности стали к хрупкому разрушению.
В корпусных деталях из стали 15Х1М1ФЛ наиболее повреждающимися при эксплуатации являются зоны повышенной концентрации напряжений, к которым преимущественно относятся места перехода литых патрубков к корпусам арматуры и участки скопления дефектов литейного происхождения (шлаковые и песочные включения, газовые поры, расслоения металла).
25 % и по данным ГНЦ "НПО ЦНИИТМАШ" - примерно на 35 % по сравнению с жаропрочностью стали 15Х1М1Ф.
Хромомолибденовые стали.
Стали 12МХ и 15ХМ нашли широкое применение в 50-е годы XX века при сооружении отечественных ТЭС с температурой пара на большинстве паропроводов г - 500.
Эти стали характеризуются высокой технологичностью, в том числе хорошей свариваемостью и стойкостью против хрупкого разрушения при гибке в горячем и холодном состоянии, а также нечувствительностью к графитизации.
По уровню длительной прочности хромомолибденовые стали уступают более легированным хромомолибденованадиевым сталям перлитного класса ввиду отсутствия, прежде всего, ванадия.
Сталь 12МХ с исходной феррито-перлитной структурой в процессе длительной эксплуатации характеризуется преимущественно ферритной структурой со сфероидизированным до 2 - 4-го балла перлитом и карбидами в виде крупных карбидов М2зС6 по границам зерен и телу феррит-ных зерен [19], а также игольчатых карбидов М2С [11].
Структурные изменения одновременно сопровождаются снижением кратковременных прочностных и повышением пластических свойств при достаточной стабильности длительной прочности стали.
Структура и свойства соединений теплоустойчивой стали, выполненных дуговой сваркой модулированным током // Сварочное производство.
Сталь 15ХМпо сравнению со сталью 12МХ отличается более высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью (последнее объясняется повышенным содержанием Сг), а также более стабильной и однородной структурой.
Восстановительная термическая обработка углеродистой стали // Теплоэнергетика.
Парковый ресурс паропроводов из этой стали для г-510°Си/?
Сталь 12X11В2МФ - перспективный материал для изготовления паропроводов энергоблоков // Теплоэнергетика.
Сталь 20ХМЛ, используемая для литых корпусных деталей арматуры паропроводов из стали 12МХ и 15ХМ, характеризуется структурой феррит + перлит с бейнитом и карбидами.
Наработка однотипных по конструкции, маркам стали и условиям эксплуатации элементов теплоэнергетического оборудования, которая обеспечивает их безаварийную работу при соблюдении требований РД 10-262-98, РД 153-34.
Эта сталь является менее жаропрочной, но более технологичной по сравнению со сталями 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ.
Особенности структурных изменений стали 20ХМЛ типичны изложенным для хромомолибденовых сталей трубных катаных элементов.
Углеродистая сталь согласно [1,2] применяется для паропроводов с температурой эксплуатации до 450 °С (см.
Высокодисперсная разновидность перлита с межпластинчатым расстоянием < 0,20 мкм, образующаяся из аустенита при охлаждении (сорбит "закалки"); по степени дисперсности и твердости занимает промежуточное положение между перлитом и трооститом; сорбит также образуется при отпуске из мартенсита (сорбит "отпуска"); он отличается от сорбита "закалки" формой частиц цементита - глобули вместо пластинок; такая форма цементита способствует существенному повышению вязкости стали
Уровень и стабильность свойств стали определяются химическим составом (содержанием углерода) и термической обработкой по режиму нормализации (см.
Сталь характеризуется высокой технологичностью, в том числе хорошей свариваемостью.
В исходном состоянии сталь 20 имеет феррито-перлитную структуру с плотным перлитом.
При длительной эксплуатации распад упрочняющей фазы в виде сфероидизации перлита не происходит, что отражается на сохранении требуемых кратковременных механических и жаропрочных свойств стали [20].
Термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (стали), заключающаяся в одно- или многократном нагреве (не выше Act), выдержке и охлаждении, при котором происходит распад и/или возврат и рекристаллизация мартенсита
Нестабильностью структуры, характерной для этой стали при температуре эксплуатации выше 440 °С [20] и в отдельных случаях при более умеренных температурах в процессе длительной наработки паропроводов [21], является графитизация.
Факторами, вызывающими графитизацию, являются повышенное содержание алюминия и кремния в стали, мелкое зерно, ос
Металл шва включает участок сварного соединения, образовавшегося в результате кристаллизации расплавленного металла, который представляет собой неравномерную смесь наплавленного металла и частично расплавленного основного металла свариваемой стали.
Зона термического влияния представляет собой участок основного металла, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке термически упрочненной стали.
Влияние удельной энергии сварки qlV (при температуре подогрева 300 °С) на структуру зон сварных соединений
Типичная микроструктура этой зоны бейнито-сорбитная или феррито-перлитная (сорбитная) с типичным размером зерна свариваемой стали;
ЗТВрП - зона, отличающаяся бейнито-феррито-карбидной микроструктурой (для соединений стали 15X1М1Ф) или феррито-карбидной микроструктурой (для соединений стали 12Х1МФ) с мелким зерном вплоть до 9 - 11 номеров по ГОСТ 5639-82 (рис, 1.
14), Получение такой микроструктуры, резко отличающейся от структуры основного металла свариваемой стали, связано с пребыванием нагретого при сварке металла в межкритическом интервале температур tAc - tAc , что создает эффект неполного отжига и вызывает локальное разупрочнение этой прослойки металла (см.
Таким образом, микроструктура зон сварных соединений теплоустойчивых сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф характеризуется значительной неоднородностью, обусловленной тепловыми условиями сварки и структурным исходным состоянием свариваемой стали.
Типичная неоднородность размера зерна (номер) и твердости НУ по зонам сварного соединения теплоустойчивой Cr—Mo-V стали с влиянием параметров структуры и свойств на повреждаемость (In — Р) при ползучести (ЗТВ, МШ, ОМ, РП, ОЗ, Бом-см.
В отечественной теплоэнергетике для паропроводов тепловых электростанций (ТЭС) широкое применение получили теплоустойчивые низколегированные хромомолибдеиованадиевые и хромомолибденовые стали я углеродистые стали [1 - 5].
30 % и более, зависит от исходных прочностных свойств свариваемой стали (рис.
рп = [(HVOM - HVpn)/HVOM] - 100 этого участка сварного соединения усиливается с повышением прочностных свойств свариваемой стали, с увеличением тепловложения при сварке погонной энергии сварки, температуры подогрева и практически не зависит от режимов отпуска; однако снижается и практически исчезает [23] при проведении нормализации с отпуском (явление рекристаллизации микроструктуры при нормализации).
Распределение твердости НУ по зонам сварного соединения теплоустойчивой Cr-Mo-V стали с металлом шва 09Х1МФ для основного металла (ОМ): / - высокой прочности ст„ w 590 МПа; 2 - умеренной прочности о.
В зарубежной теплоэнергетике материалами длительно эксплуатирующихся паропроводов служат преимущественно теплоустойчивые низколегированные стали (табл.
Неоднородность свойств по этому показателю определяется в первую очередь тепловыми условиями сварки и термической обработки с учетом исходной твердости свариваемой стали (рис.
4), легированные хромом и молибденом (типа 1Сг-0,5Мо и 2,25Сг-1Мо), в меньшей степени - стали, легированные хромом, молибденом и ванадием (типа 0,5Cr-0,5Mo-0,25V и l,2Cr-lMo-0,25V), а также углеродистые стали.
В последнее время за рубежом получили распространение более жаропрочные и технологичные высокохромистые стали преимущественно с содержанием 9 % хрома.
600 ( а3 - стойкость против локального разрушения соединения стали
Хромомолибденованадиевые стали на паропроводах отечественных ТЭС полностью вытеснили менее жаропрочные хромомолибденовые стали 12МХ и 15ХМ в энергоустановках с параметрами пара 545.
На жаропрочность сварных соединений заметное влияние, кроме того, оказывает значительная неоднородность длительной прочности основного металла, уровень которой в свою очередь зависит от исходного структурного состояния свариваемой стали.
Так, согласно [12] для стали 12Х1МФ влияние микроструктуры (феррито-сорбитной, феррито-карбид-ной, игольчатого сорбита отпуска) сказывается на большом различии длительной прочности с отклонением значений до ±35 % от номинальной по [13] исходной долговечности.
, а из стали 15Х1М1Ф - с 1965 г.
Для стали 15Х1М1Ф с различной микроструктурой (бейнитной, бейнито-сорбитной, бейнито-перлито-сорбитной с карбидами и др.
ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МИКРОСТРУКТУРЫ 55 хромомолибденованадиевые стали относятся к категории наиболее термически упрочненных материалов из серии низколегированных и углеродистых перлитных сталей и в связи с этим наиболее чувствительных к локальному разупрочнению под действием термического (термодеформационного) цикла сварки; сварные соединения хромомолибденованадиевых сталей характеризуются сильно выраженной структурной, химической и механической неоднородностью металла по зонам; сварные соединения являются наиболее повреждающимися в процессе длительной эксплуатации паропроводов в условиях ползучести, при этом слабым местом является разупрочненная прослойка металла в зоне термического влияния ЗТВрп, по которой отмечается до 95 % случаев повреждений; в процессе длительной эксплуатации при ползучести в металле ЗТВрП сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф микроструктурные изменения протекают наиболее энергично по сравнению с основным металлом, что предопределяет высокую интенсивность развития микроповреждаемости в этом участке ЗТВ.
В исходном состоянии до эксплуатации металл ЗТВрп, подвергнутый при сварке нагреву в межкритическом интервале температур Ас\ - Ас3 и созданному тем самым эффекту неполного отжига, характеризуется структурным состоянием, резко отличающимся от структуры свариваемой стали, мелкозернистым строением металла ЗТВрп, наличием в ней продуктов распада упрочняющих фаз и их сфероидизации, появлением избыточного структурно свободного феррита, наличием укрупненных карбидных частиц, изменением плотности дислокаций.
В сварных соединениях стали 12Х1МФ с металлом шва 09X1МФ особенности эволюции микроструктуры металла ЗТВрп при ползучести состоят в следующем.
13, а) металл ЗТВрп имеет феррито-карбидную структуру с ограниченным до 10 % перекристаллизованным перлитом, количество которого зависит от содержания перлитной составляющей в структуре свариваемой стали.
15 мкм), что на 2 - 5 номеров меньше по сравнению с основным металлом свариваемой стали (размер зерен основного металла -номера 4 - 7) и соответствует абсолютному среднему размеру 30.
Структура основного металла стали 12Х1МФ отличается большим разнообразием: феррито-перлитная, феррито-сорбитная, феррито-бейнитная, вплоть до феррито-карбидной.
В сварных соединениях стали 15ХШ1Ф с металлом шва 09X1МФ микроструктурные изменения в металле ЗТВрп при ползучести характеризуются следующими особенностями.
Эволюция микроструктуры металла ЗТВрп сварных соединений стали 15Х1М1Ф для условий ползучести
Сталь Стандарт Предельная максимальная температура, °С Трубы, поковки, отливки Сталь
ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МИКРОСТРУКТУРЫ 61 превращений основного металла - стали 15X1 MlФ при длительной эксплуатации в процессе ползучести.
Так, наличие пор ползучести округлой формы свидетельствует о диффузионном механизме их развития, что реализуется обычно в условиях умеренных рабочих напряжений и в сварных соединениях стали умеренной прочности, например, стали 12Х1МФ.
Присутствие пор ползучести клиновидной формы в большинстве случаев отмечается в ЗТВрп сварных соединений более жаропрочной стали 15Х1М1Ф и/или в сварных
Схема одновременно протекающих при ползучести процессов деградации микроструктуры металла ЗТВрл сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей (на примере соединений стали 12Х1МФ) на стадиях предразрушения (РП - разупрочненная прослойка металла в ЗТВ соединения; ОМ- основной металл; ЯЯ - перекристаллизованный перлит; ЦП - цементитные прослойки;
Эксплуатационная микроповреждаемость зон сварных соединений стали 15Х1М1Ф при ползучести
ХМФ -НЕ ПАНАЦЕЯ.
|
Рейтинг: 0
Вход
Регистрация
Чат
FAQ
Поиск
Пользователи
Уважаемые коллеги. Недавно возник спор - из какой марки стали изготавливаются штока на задвижках ЧЗЭМ и какими методами их доводят до окончательного изделия? Кто знает подскажите.
