Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

Проведены тщательные исследования фазовых

структурных

превращений металла четырех патрубков

из

сталей 12Х1МФ,

12МХ,

16М и

стали

20,

которые разрушались

по

разным причи-

нам

эксплуатации

по

прошествии

от 17 до 100 тыс. ч

из-за

исчерпания длительной прочности. Установлено,

что

аустенитные

зерна зарождаются

по

границам ферритных зерен. Прослежена

кинетика растворения карбидов, установлено,

что

размер аусте-

нитных зерен близок

размеру ферритных зерен,

из

которых

они образовались. Поры, выходящие

на

поверхность, подвер-

гаются вакуумному растравливанию, поры

объеме металла

заращиваются. Однократный нагрев

до

950—1000°

обеспечи-

вает заращивание

пор

размером

до 2—4 мкм:

Восстановительная термическая обработка привела

регене-

рации микроструктуры, видимой

под

оптическим микроскопом.

Были' полностью ликвидированы последствия сфероидизации.

Исследования микроструктуры сталей 12Х1МФ,

15ХМ и 12МХ

нескольких десятков паропроводов после различных стадий сфе-

роидизации

накопления повреждаемости (вплоть

до

разру-

шения)

как

после эксплуатации,

так- и

после восстановительной

термической обработки показали,

что во

всех «случаях после

термообработки

полной фазовой перекристаллизацией полу-

чается оптимальная

или

близкая

оптимальной

точки зрения

обеспечения жаропрочности микроструктура

(рис. 4.30).

На паропроводах свежего пара ряда блоков сверхкритиче-

ского давления мощностью

300 МВт

установлены трубы

из

стали

15Х1М1Ф

низкой ударной вязкостью (около

10—20

Дж/см

Металл труб после

25 тыс. ч

эксплуатации обладает низкой

де-

формационной способностью

— при

времени

до

разрушения

5—10 тыс. ч

относительное удлинение снижается

до 0,3—0,5%.

Структура состоит

из

одной промежуточной составляющей.

Путем восстановительной термической обработки

полной

фа-

зовой перекристаллизацией получена оптимальная структура,

состоящая

из

феррита

промежуточной составляющей

обес-

Рис.

4.30.

Влияние восстановительной термической обработки

на

микроструктуру

металла паропроводных труб

из

стали 12Х1МФ, Х500:

—

труба вырезана

из

паропровода через

28 тыс. ,ч

эксплуатации вследствие ускоренной ползучести;

б—то

же

после восстановительной термической обработки

печивающая хороший комплекс всех показателей эксплуата-

ционной надежности.

Рассмотрим возможные механизмы залечивания субмикро-

скопических и микроскопических пор и произведем оценку вклада

каждого из этих механизмов в общий эффект.

Поры могут залечиваться спеканием, выпадением вторичных /

и третичных фаз на свободной поверхности из-за уменьшения

растворимости, а также при образовании новых фаз в процессе

фазовой перекристаллизации.

Спекание пор происходит при нагреве до высоких темпера-

тур из-за тенденции к уменьшению свободной поверхности под

влиянием капиллярных сил.

На поверхности поры, образовавшейся в процессе ползучести

в перлитной жаропрочной стали, действует капиллярное давле-

ние,

вызванное наличием поверхностного натяжения и кривиз-

ной. В тех местах, где радиус кривизны меньше, это давление

больше.

Устранение поры происходит заполнением атомами из объема

металла с образованием в нем вакансий. Каждой температуре

соответствует своя равновесная концентрация вакансий: чем

выше температура, тем больше вакансий. Под концентрацией

вакансий понимается отношение числа свободных узлов к числу

всех узлов кристаллической решетки. Концентрация вакансий

С при постоянной температуре может быть определена по урав-

нению С = е~Т~, где U — энергия активации образования ва-

кансий; Т — абсолютная температура; R — универсальная га-

зовая постоянная.

При повышении температуры стали реально существующее

число вакансий будет отставать от равновесного и колонии ва-

кансий будут растворяться в металле. В процессе последующего

охлаждения избыточные вакансии окажутся рассредоточенными

по всему объему и постепенно исчезнут, как они обычно исчезают

при охлаждении.

Для рассредоточения относительно малых колоний вакансий

потребуются нагрев до меньших температур и меньшие выдерж-

ки,

чем для рассредоточения крупных колоний вакансий.

Оценку радиуса полностью заращиваемой путем спекания

поры можно произвести по формуле

где Do — постоянная коэффициента самодиффузии; Е — энергия

активации самодиффузии; R — универсальная газовая постоян-

ная;

Т — абсолютная температура; а — коэффициент поверхност-

ного натяжения; A

— атомная масса железа; т — время вы-

(4.4)

держки при спекании; k — константа Больцмана; d

— плотность

железа при температуре спекания; N

— число Авогадро.

На основании расчетов, проведенных по формуле

(4.4),

по-

строена номограмма, с помощью которой легко определить ра-

диус заращиваемой в аустените поры в зависимости от темпе-

ратуры и продолжительности выдержки при восстановленной

термической обработке (рис.

4.31).

В частности, показано, что

для заращивания путем спекания поры с радиусом

1,11-Ю

-3

мм

(диаметром около 2 мкм) при температуре 1000° С требуется ча-

совая выдержка. Такая пора (при увеличении Х2000) имеет

диаметр около 4,4 мм.

При восстановительной термической обработке пора, находя-

щаяся на границе аустенитных зерен, сокращается в своих раз-

мерах путем смыкания границ, так как свободная энергия гра-

ницы аустенитных зерен меньше свободной энергии поверхности

поры.

В процессе выдержки, согласно уравнению

(4.4),

неровности

поры, имеющие минимальный радиус кривизны, должны устра-

няться в первую очередь. Это соответствует экспериментальным

данным, пора смыкается, а границы ее спрямляются.

Из уравнения (4.4) следует, что процесс спекания особенно

эффективен в начальный период, когда заращиваются поры ма-

лого размера. Затем процесс замедляется. Радиус наибольшей

устраняемой путем спекания поры пропорционален только корню

кубическому из времени выдержки.

Возможность повышения температуры для ускорения залечи-

вания пор ограничена интенсивным ростом аустенитного зерна,

0123456789

Рис.

4.31. Зависимость радиуса полностью заращиваемой поры в перлитной па-

ропроводной стали от температуры нагрева и продолжительности выдержки

(сталь 12Х1МФ)

который приводит в дальнейшем к укрупнению вторичных зерен

феррита, перлита и промежуточной составляющей и снижению

длительной пластичности. При необходимости заращивания пор

большого размера целесообразно проводить двойную нормали-

зацию: первую при температурах 1050—1100° С (или даже выше)

для заращивания пор и ускорения гомогенизации аустенита из-за

диффузии; вторую — при температурах, обычно используемых

при термической обработке металла в исходном состоянии, для

получения оптимальных размеров зерна и рисунка микро-

структуры.

Расчеты, выполненные для оценки возможного влияния фа-

зовой перекристаллизации и влияния выпадения вторичных и

третичных фаз на процесс заращивания пор, показали, что ве-

дущую роль играет превращение аустенита в феррит, происхо-

дящее с увеличением объема. Результаты расчетов и измерения

плотности удовлетворительно согласуются между собой.

Возможность полного заращивания субмикроскопических пор

в перлитных жаропрочных сталях при восстановительной терми-

ческой обработке с полной фазовой перекристаллизацией пока-

зана расчетным путем и подтверждена при помощи эксперимента

путем просмотра большого количества (нескольких сотен) гра-

ниц зерен с использованием оптической и электронной микро-

скопии.

Таким образом, восстановительная термическая обработка

эффективна в том случае, если в металле не образовались ви-

димые под оптическим микроскопом поры. В качестве крити-

ческого размера заращиваемой поры можно принять пору диа-

метром 2 мкм. При отсутствии таких пор целесообразно прово-

дить восстановительную термическую обработку для повышения

надежности элементов энергооборудования. При наличии микро-

скопических пор размером 2 мкм и более термообработку прово-

дить не следует.

При восстановительной термической обработке происходит

наследование трансформированной субструктуры ферритных зе-

рен.

Важным представляется вопрос о возможности возвращения

легирующих элементов из карбидов в твердый раствор. Для про-

верки эффективности этого процесса исследован металл ряда

труб из сталей 15Х1М1Ф, 12Х1МФ, 12МХ, 15ХМ и 16М, в кото-

ром при эксплуатации произошли наиболее глубокие изменения,

а процесс накопления легирующих элементов в карбидах зашел

возможно дальше. Во всех случаях после термообработки обеспе-

чено содержание молибдена и хрома в карбидах на том же уров-

не,

что и в металле труб соответствующей марки стали в исход-

ном состоянии.

При выборе режимов восстановительной термической обра-

ботки определенный интерес представляет кинетика растворения

карбидов в процессе изотермической выдержки. С этой целью

выполнены исследования кинетики изменения количества и фа-

зового состава карбидов в образцах металла прямого участка

и гиба паропроводной трубы из стали 12Х1МФ, эксплуатируемой

при температуре 565° С на ТЭЦ № 23 Мосэнерго и демонтирован-

ной после 42,3 тыс. ч эксплуатации в связи-с ускоренной ползу-

честью.

После эксплуатации карбидная фаза состояла из МегзСб, МеС

и Ме?Сз. Образцы помещались в печь, имеющую температуру

950, 975 или 1000° С, и выдерживались в течение различных

промежутков времени. Затем закаливались в воде для фиксиро-

вания в виде мартенсита или бейнита аустенитной составляющей.

Одновременно на этих образцах исследовался состав карбидной

фазы [89].

Изменения состава карбидной фазы в металле прямого участ-

ка и гиба практически одинаковы. Первым растворился или пре-

терпел изменения карбид МеуСз. Нитрид ванадия не раство-

ряется даже при длительном нагреве до 1000° С. Доказательст-

вом, что нерастворившаяся фаза является практически чистым

нитридом ванадия, служит то, что фаза имеет параметр решетки,

равный 4,13 А (карбид ванадия VC имеет параметр решетки

о о

4,158 А, а чистый нитрид ванадия VN — 4,137 А, некоторое

отличие в величине параметра обусловлено тем, что в стали

12Х1МФ нитрид ванадия имеет растворенные примеси).

Мелкодисперсные нитриды ванадия, выпадающие по дисло-

кациям, способствуют сохранению трансформированной дислока-

ционной структуры феррита при восстановительной термической

обработке, несмотря на наличие полной фазовой перекристал-

лизации. Этот эффект аналогичен эффекту высокотемпературной

термомеханической обработки. Но его влияние на механические

свойства металла после эксплуатации и восстановительной тер-

мической обработки значительно слабее.

Аналогичные исследования, проведенные на металле прямых

участков и гибов из стали 12МХ и 15ХМ, показали, что пятими-

нутной выдержки при 950° С достаточно для полного растворения

в них карбидов. Это объясняется лучшей растворимостью карби-

дов МегзСб и МезС, не содержащих ванадия.

В процессе охлаждения аустенита и затем феррита из-за

уменьшения растворимости легирующих элементов при снижении

температуры происходит выпадение мелкодисперсных карбидов

(аналогично тому, как это происходит и при нормализации ме-

талла в исходном состоянии).

В результате осуществления восстановительной термической

обработки возможно получение оптимальной микроструктуры

жаропрочных перлитных сталей.

Проведены исследования механических свойств при комнат-

ной

рабочих температурах металла элементов паропроводов

коллекторов котлов после различных сроков эксплуатации

после восстановительной термической обработки.

результате

термообработки прочностные свойства

при

комнатной температу-

ре обычно повышаются,

пластические несколько снижаются.

Влияние восстановительной термической обработки

на

механи-

ческие свойства, определяемые

при

растяжении

при

комнатной

температуре, противоположно влиянию эксплуатации

на эти

свойства.

Восстановительная термическая обработка существенно

по-

вышает ударную вязкость

в тех

случаях, когда

она

была

на

низком уровне,

слабо влияет

на нее,

когда

она

была

на

среднем

или высоком уровне.

Временное сопротивление

при

рабочей температуре после вос-

становительной термической обработки сильно возрастает

и в

ряде случаев превышает значения, характерные для* металла

в исходном состоянии. Предел текучести

при

рабочей темпера-

туре после восстановительной термической обработки имеет тен-

денцию

повышению.

Это

повышение

тем

заметнее,

чем

ниже

предел текучести после эксплуатации.

Пластические свойства

при

рабочей температуре

результате

проведения восстановительной термической обработки несколько

снижаются, оставаясь

на

достаточно высоком уровне.

Характерно,

что

отношение

510

/а

для

сталей

12МХ и

15ХМ после эксплуатации

течение

108—114 тыс. ч и

восста-

новительной термической обработки повышается

до 0,91—0,96

против

0,56—0,72

после эксплуатации такой

же

длительности.

Напомним,

что в

исходном состоянии отношение

510

/а

для

сталей

12МХ и 15ХМ

находится

пределах

0,68—0,89.

Таким образом, отношение

/о

Ва

для

сталей

12МХ и

15ХМ после восстановительной термической обработки полу-

чается несколько выше,

чем в

исходном состоянии. Аналогичное,

но несколько менее контрастное повышение отношения о^/а

после эксплуатации

восстановительной термической обработки

по сравнению

исходным состоянием наблюдается

для

сталей

12Х1МФ

15Х1М1Ф.

Испытания

на

длительную прочность стали

20 с

использова-

нием промежуточной восстановительной термической обработки

показали,

что

применение восстановительной термической обра-

ботки приводит

существенному увеличению времени

до

раз-

рушения.

Проведено также исследование восстановительной термиче-

ской обработки

на

длительную прочность металла паропроводных

труб, длительно находившихся

эксплуатации. Испытанию под-

вергался металл паропроводов после длительной эксплуатации,

а также после эксплуатации

восстановительной термической

обработки.

Материалом исследования служил металл труб после экс-

плуатации продолжительностью

до 100—180 тыс. ч или

демонти-

рованных из-за ускоренной ползучести. Проверено влияние вос-

становительной термической обработки

на

жаропрочность всех

перлитных жаропрочных сталей, используемых

для

изготовления

паропроводов: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф,

12МХ, 15ХМ и 16М.

Во всех случаях восстановительная термическая обработка

приводила

существенному повышению времени

до

разрушения

при высоких уровнях напряжений

и, как

правило, несколько

меньшей степени влияла

на

время

до

разрушения

при

умеренных

нагрузках,

т. е.

эффект восстановительной термической обработ-

ки имел обратный характер

по

отношению

влиянию длительной

эксплуатации

при

высокой температуре. Наблюдалось существен-

ное повышение экстраполированного

координатах

lga — lgT

предела длительной прочности

за 100 тыс. ч.

Положительное влияние восстановительной термической

об-

работки

на

предел длительной прочности имеет место даже

в том

случае, когда труба разрушилась

от

исчерпания длительной

прочности

когда трудно рассчитывать

на

полное залечивание

повреждений

структуре металла.

Длительная пластичность, определяемая

по

относительному

удлинению,

результате проведения восстановительной терми-

ческой обработки

большинстве случаев несколько снижается,

но остается

на

вполне удовлетворительном уровне.

некоторых

случаях термообработка практически

не

сказывалась

на

длитель-

ной пластичности.

Способ осуществления нагрева

при

восстановительной терми-

ческой обработке (печной

или

индукционный)

не

влияет

на

структуру

свойства, которые определяются только термическим

циклом.

Выше рассматривалось влияние восстановительной терми-

ческой обработки

на

длительную прочность металла образцов,

вырезанных

из

патрубков длительно работавших труб

и из

таких

же патрубков, подвергнутых восстановительной термической

обработке.

Проведено также исследование влияния восстановительной

термической обработки

на

конструкционную длительную проч-

ность трубчатых образцов, подвергнутых обычному старению

старению

под

напряжением, которое имитировало эксплуатацию.

Образцы трубы

из

стали 12Х1МФ промышленной партии

ис-

пытаны

на

длительную прочность

под

внутренним давлением

исходном состоянии, после старения

при

590°

С в

течении

6000 ч

без напряжения,

без

старения

при

590°С

напряжении

70 МПа

в течение

6000 ч, а

также после старения

под

напряжением

вос-

становительной термической обработки.

В исходном состоянии предел длительной прочности, опреде-

ленный экстраполяцией

на 10

ч,

составил

62 МПа, что

неплохо

296

согласуется

со

средними значениями

по

справочным данным.

После старения

старения

под

напряжением

течение

6000 ч

при 590°

предел длительной прочности

за 100 тыс. ч

понизился

до

47 МПа.

Заметных различий между длительной прочностью

образцов, прошедших старение

старение

под

напряжением,

не наблюдается.

Восстановительная термическая обработка, проведенная

по

тому

же

режиму,

что и

термическая обработка

исходном

состоянии, привела

восстановлению конструкционной длитель-

ной прочности трубчатых образцов, прошедших старение

под

напряжением. Точки после восстановительной термической обра-

ботки ложатся

на ту же

прямую,

что и

точки

для

исходного

состояния

(рис.

4.32).

Таким образом, доказана эффективность восстановительной

термической обработки

для

восстановления конструкционной

длительной прочности труб, работающих

под

внутренним давле-

нием

условиях ползучести

(в

частности,

для

паропроводных

труб).

Значительный интерес представляет влияние восстановитель-

ной термической обработки

по

циклу

полной фазовой перекри-

сталлизацией

на

структуру

работоспособность сварных соеди-

нений перлитных сталей.

В сварных соединениях

из

сталей 12Х1МФ

15Х1М1Ф

под

воздействием термического цикла сварки

на

участке зоны терми-

ческого влияния, который нагревался

районе точки

Ас\,

обра-

зуется мягкая прослойка,

а на

участке сварного соединения,

который нагревался выше точки

Ас\ —

прослойка повышенной

твердости. Отпуск устраняет прослойку повышенной твердости;

мягкая

же

прослойка остается.

б,МПа

-а

Г-

-••^

-а

те-

9-г

•

~ч -

JU—1,

1 -

9-г

•

~ч -

JU—1,

1 -

9-г

•

~ч -

JU—1,

1 -

200

160

120

100

ВО

100 2 3 Ч 5 6 7891000, 2 3 4 5 678310000 2 3 Ч 5 6

7Т,Ч

Рис.

4.32.

Влияние восстановительной термической обработки

на

конструкцион-

ную длительную прочность патрубков

из

стали 12Х1МФ

при

нагружении внут-

ренним давлением:

—

исходное состояние;

2 —

образцы, состаренные

без

напряжения;

3 —

образцы, состаренные

под

напряжением,

4 --

образцы, состаренные

под

напряжением

подвергнутые восстановительной тер-

мической обработке

Двойная термическая обработка сварных соединений паро-,

проводных труб из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф по режиму нор-

мализации и нормализации с отпуском снимает неравномерность

структуры и наклеп, который возникает из-за термомеханическо-

го цикла сварки. .

. Исследования микроструктуры показали, что зона терми-

ческого влияния после термообработки по полному циклу исче-

зает. Структура металла сварных соединений становится одно-

родной.

Длительная прочность сварных соединений из стали 12Х1МФ,

выполненных электродами ЦЛ-20М, после восстановительной

термической обработки по полному термическому циклу такая

же,

как у основного металла или может быть ниже приблизи-

тельно на 20%.

Проведенные испытания на длительную прочность сварных

соединений из сталей 12МХ и 15ХМ после восстановительной

термической обработки, продолжительностью до 7—10 тыс. ч по-

казали, что такие сварные соединения обладают жаропрочностью

на уровне основного металла в состоянии после восстановитель-

ной термической обработки.

Испытания на изгиб с равномерной скоростью деформации

выполнены по методике, предложенной В. Н. Земзиным

(НПО ЦКТИ). Эти испытания позволяют оценить склонность,

сварных соединений к локальным разрушениям. Испытания про-

водились при 550 и 600° С со скоростью 0,6%/ч, .чтобы спрово-

цировать локальное разрушение. Сварное соединение оказалось

не склонным к локальным разрушениям как после эксплуатации,

так и после восстановительной термической обработки.

Так как при расчете паропроводов из сталей 12Х1МФ, при-

меняется коэффициент прочности

ср

св

= 0,8, а сварные соедине-

ния из сталей 12МХ и 15ХМ после восстановительной термиче-

ской обработки по полному термическому циклу практически

равнопрочны с основным металлом, то при осуществлении такой

термической обработки паропроводов из этих сталей можно

не проводить переварку сварных соединений труб. Сварные

соединения на трубах из стали 15Х1М1Ф необходимо перева-

рить.

После восстановительной термической обработки следует осу-

ществлять ультразвуковой контроль сварных соединений и внеш-

ний осмотр гибов.

В частном случае, когда паропровод имеет протяженные пря-

мые участки и малое количество гибов, возможен вариант вос-

становительной термической обработки одних гибов как наименее

надежных элементов паропровода.

В результате комплекса проведенных исследований рекомен-

дуются режимы восстановительной термической обработки при

осуществлении нагрева печным и индукционным способом для

всех используемых

СССР паропроводных труб перлитных

сталей (табл.

4.5).

В зависимости

от

конкретных условий

на

электростанции

и в

энергосистеме,

также наличия заводов, имеющих большие печи

для термической обработки труб паропроводов, возможны сле-

дующие варианты осуществления восстановительной термической

обработки:

термическая обработка штатного паропровода

термических

печах;

термическая обработка

печах

созданием сменного комп-

лекта труб

или

паропроводов;

термическая обработка индукционным нагревом

демонта-

жем

на

электростанции;

термическая обработка индукционным нагревом

без

демон-

тажа непосредственно

на

месте установки паропровода

(с

раз-

резкой замыкающих стыков

снятием тепловой изоляции).

Последние

два

способа

не

требуют транспортировки трубо-

провода

на

завод,

при их

реализации

нет

необходимости

уни-

кальном печном оборудовании

осуществляются

они

силами

электростанции

ремонтного персонала районного энергоуправ-

ления.

В результате выполнения комплекса научно-исследователь-

ских работ, направленных

на

создание режимов

оборудования

для восстановительной термической обработки,

также обоб-

щения накопленного положительного опыта применения этого

способа регенерации структуры

свойств жаропрочных перлит-

ных сталей разработано «Временное положение

проведении

восстановительной термической обработки паропроводов, отрабо-

тавших ресурс» (Союзтехэнерго,

1978).

Это

положение опреде-

Таблица

4.5.

Типовые режимы восстановительной термической обработки

паропроводных труб

из

перлитных сталей

Марка стали

Способ нагрева

Нормализация

Отпуск

Марка стали

Способ нагрева

Темпера-

тура,

°С

Время,

мин

Темпера-

тура,

°С

Время,

мин

Печной

Индукционный

920—950

920—960

—

16М

Печной

Индукционный

920—950

920—960

—

12МХ

и 15ХМ

Печной

Индукционный

950—980

950—1000

670—690

2,0

12Х1МФ

Печной

Индукционный

1000—1030

980—1030

710—740

3,0

1,0

15Х1М1Ф

Печной

1020—1050

730—760' "

10,0