Марков Андрій Дмитрович. Оцінювання деградації зварних з'єднань теплостійких сталей у високотемпературному наводнювальному середовищі

Краткое описание

Марков Андрій Дмитрович. Оцінювання деградації зварних з'єднань теплостійких сталей у високотемпературному наводнювальному середовищі : Дис... канд. наук: 05.02.01 2007

Марков А. Д. Оцінювання деградації зварних з’єднань теплостійких сталей у високотемпературному наводнювальному середовищі. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2007.
В дисертації досліджено зміни механічних властивостей, структури та механізмів руйнування металу зварних з’єднань (ЗЗ) низьколегованих теплостійких сталей 15Х1М1Ф та 15Х2МФА відповідно паропроводів ТЕС та корпусу реактора гідрокрекінгу нафти після тривалої високотемпературної деградації у наводнювальних середовищах.
Металографічно показано, що деградація металу шва в експлуатаційних і лабораторних умовах проявляється трансформацією голкового фериту в глобулярний зі зростанням діаметра зерна, що спричиняє зниження міцності, та зникненням феритної оторочки навколо колишніх аустенітних зерен та ослабленням меж феритних зерен карбідами, що зумовлює зниження опору крихкому руйнуванню.
Показано, що на відміну від основного металу (ОМ) паропроводу, для якого інтегральні механічні властивості практично не чутливі до зміни стану металу внаслідок експлуатації, для металу шва (МШ) такі характеристики як твердість, міцність за розтягу та ударна в’язкість є чутливими до його високотемпературної деградації. Зроблено висновок, що деградація МШ в часі експлуатації відбувається інтенсивніше ніж ОМ і металу зони термічного впливу. Це підтверджено зниженням як інтегральних механічних властивостей МШ (крім відносного видовження), так і локальних статична (за показникомJIc) і циклічна (за ефективним пороговим рівнем коефіцієнта інтенсивності напружень DKth eff) тріщиностійкість.
Фрактографічно розкрито механізм руйнування за впливу попередньо абсорбованого МШ водню і за його потрапляння в метал ззовні під час випроб, при цьому виявлено зміну механізму руйнування з череззеренного для МШ у вихідному стані на міжзеренний в експлуатованому МШ.
Моделювання деградації ЗЗ сталей 15Х1М1Ф и 15Х2МФА з використанням лабораторної методики термоциклування у водні дало можливість обґрунтувати граничний стан МШ за появою інверсії впливу абсорбованого ним водню на DKth eff, нижче якого він стає схильним до водневого окрихчення. На цій основі запропоновано метод оцінювання стану деградованого металу ЗЗ з урахуванням наводнювання.

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

Вперше виявлено, що в зварному з’єднанні теплостійкої сталі метал шва деградує інтенсивніше порівняно з металом зони термічного впливу і основним металом. У вихідному стані механічні властивості металу шва найвищі, а після 2105год експлуатації стають нижчими за властивості основного металу і за регламентований критичний рівень. І це попри те, що за однакової тривалості експлуатації властивості основного металу не виходять за регламентовані межі.
Металографічно показано, що деградація металу шва в експлуатаційних і лабораторних умовах проявляється трансформацією голкового фериту в глобулярний зі зростанням діаметра зерна, що спричиняє зниження міцності, та зникненням феритної оторочки навколо колишніх аустенітних зерен та ослабленням меж феритних зерен карбідами, що зумовлює зниження опору крихкому руйнуванню.
Показано високу чутливість комплексу механічних характеристик (твердості, міцності, пластичності, ударної в’язкості, статичної і циклічної тріщиностійкості) до зміни стану металу шва після деградації. Тоді як до деградації основного металу чутливі лише локальні показники такі як статична тріщиностійкість та ефективний поріг циклічної тріщиностійкості.
Встановлено аномальне одночасне зниження характеристик міцності і опору крихкому руйнуванню та відсутність кореляції між показниками пластичності ( знижується, а зростає) експлуатованого металу шва зі зварного з’єднання сталі 15Х1М1Ф. Зростання пояснюється значним видовженням зразка на етапі рівномірного деформування за рахунок внутрішнього мікророзтріскування і розкриття мікротріщин вздовж меж зерен фериту, ослаблених карбідами. Про зміну пластичності експлуатованого металу шва слід судити за відносним звуженням, яке корелює зі зменшенням опору крихкому руйнуванню.
Виявлено анізотропію зміни механічних властивостей металу шва, деградованого в експлуатаційних умовах. Це підтверджує різна чутливість характеристик міцності до деградації металу шва залежно від орієнтації зразків стосовно осі труби. Нерегламентовані радіальні зразки найчутливіше відбивають зміни стану металу шва після експлуатації.
Встановлено, що використання електролітичного наводнювання зразків під час випроб розтягом дає можливість за їх стандартними механічними властивостями оцінити стан не лише експлуатованого металу шва, але і основного металу, що неможливо досягти без наводнювання.
Фрактографічно показано однаковий механізм руйнування череззеренним відколом неексплуатованого металу шва під впливом і зовнішнього, і внутрішнього водню. Проте, зовнішній водень ініціює ріст відколом нормально орієнтованих відповерхневих макротріщин, а внутрішній проявляється в серцевині зламу крихкими череззеренними ділянками на фоні в’язкого ямкового рельєфу. Вперше показано, що руйнування експлуатованого металу шва під впливом водню відбувається за міжзеренним механізмом, що свідчить про зниження когезивної міцності меж феритних зерен внаслідок експлуатації.
На прикладі зварних з’єднань двох теплостійких сталей, отриманих за різними технологіями, обґрунтовано критерій досягнення деградованим металом шва граничного стану за зміною характеру впливу абсорбованого ним під час деградації водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості з позитивного на негативний, що дає можливість вважати виявлені закономірності загальними для ЗЗ ощаднолегованих теплостійких сталей.