ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ РУЛОНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 12ХГНМ

Применение высокопрочной теплоустойчивой рулонной стали 12ХГНМ для изготовления рулонированных сосудов высокого дав­ления (РСВД) ставит ряд проблем перед изготовителями и эксплуата­ционниками, связанных с установлением безопасных температур гидроиспытаний и разработкой регламента пуска РСВД в холодное время года. Наличие сварных швов в РСВД, материал которых бо­лее склонен к хрупкому разрушению, чем основной металл, а также влияние термического цикла сварки на охрупчивание околошовной зоны основного металла, т. е. зоны термического влияния (ЗТВ), ставит задачи оценки охрупчивания металла различных зон сварных соединений и оценки сопротивления хрупкому разрушению сосуда в целом. Если вторая задача может быть решена лишь с применением методов линейной или нелинейной механики разрушения и инженер­ных методов расчета, то первая задача часто решается удовлетвори­тельно с применением более простых испытаний на ударный изгиб стандартных образцов. В данной работе использовались сварной блок толщиной 100 мм из рулонной стали 12ХГНМ толщиной 4 мм, изго­товленной с применением действующей технологии сварки кольцевых швов из обечаек из стали 12ХГНМ. Сварка производилась сварочной проволокой Св-10ХГСН2МТ под слоем флюса АН-17М с последующим отпуском для снятия напряжений. Металлографическое исследова­ние показало, что микроструктура полученного сварного соединения удовлетворительная; твердость металла шва и наплавки практически не отличается от твердости основного металла. Наиболее высокая
твердость отмечена в ЗТВ ру­лонной стали. Микроструктура основного металла — мелкозер­нистая ферритно-перлитная по­лосчатая, ЗТВ — грубая фер­ритно-перлитная структура, ме­талл шва имеет в основном структуру мелкодисперсного перлита, а наплавка состоит из перлита с характерными круп­ными выделениями феррита; аналогичные участки имеются в металле шва.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ РУЛОНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 12ХГНМ

Рис. 1. Схема вырезки образцов из свар­ного соединения стали 12ХГНМ.

Из сварного блока были изготовлены и испытаны і а ударный изгиб стандартные по­перечные образцы с U - и У-образными надрезами (тип I и II по ГОСТ 9454-78) по основному металлу, ЗТВ, наплавке и ме­таллу шва (рис. 1). Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре ПСВО-ЗО с регистрацией диаграммы изгиба в координатах усилие — прогиб на фотопленку при температу­рах от — 40 до 40 °С. После испытаний с помощью бинокулярного микроскопа МПБ-2 определялась доля вязкой составляющей в изло­ме образцов. По результатам испытаний строили графики темпера­турных зависимостей ударной вязкости и доли волокна в изломе образцов металла различных зон сварного соединения (рис. 2) и оп­ределяли критические температуры хрупкости по трем критериям: ударной вязкости на образцах с U-oбразным надрезом (тип I по ГОСТ 9454-60) КCU ^ 60 Дж/см2, ударной вязкости на образцах с У-об - разным надрезом (тип II по ГОСТ 9454-60) KCV 35 Дж/см2 и доле вязкой составляющей в изломе тех и других образцов

50 %, Вц ^ 50 %. Все эти критерии находят применение в раз­личной нормативно-технической документации. Этим и определяется вш'юр данных критериев для сравнительной оценки качества метал­ла различных зон сварного соединения стали 12ХГНМ.

Критерий КСU 60 Дж/см2 был выбран, исходя из того, что,

во-первых, этот уровень ударной вязкости при комнатной температу­ре установлен для многих материалов, применяемых для изготовле­ния сосудов и их элементов, а во-вторых, в соответствии с требова­ниями котлонадзора [1]. Значения ударной вязкости при комнат­ной температуре металла шва для всех сталей, кроме сталей аустенитного класса, должны быть не ниже 50 Дж/см2. Этот крите­рий использован для определения критической температуры хруп­кости.

Второй критерий KCV ^ 35 Дж/см2 применяется в Британских стандартах. Кроме того, из анализов многочисленных случаев ава­рий сосудов д вления известно [2], что, если ударная вязкость ме­талла не ниже 35 Дж/см2, то хрупкое разрушение не имеет Mec aj т. е. оно происходит при напряжениях не ниже предела текучести.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ РУЛОНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 12ХГНМ

Рис. 2. Температурные зависимости ударной вязкости и доли волокна в из­ломе металла различных зон сварного соединения:

1 — основной металл і і — ЗТВ в основном металле; 8 — наплавна; t — шов.

Следовательно, критерий KCV ^ 35 Дж/ома является гарантом ка­тастрофических хрупких разрушений.

Критическая температура хрупкости, определяемая по виду из­лома и соответствующая 50 % вязкой составляющей в изломе, разде­ляет области вязкого и квазихрупкого разрушения материала и мо­жет быть использована для расчета сопротивления разрушению 19 4—303 289

Критические температуры хрупкости металла различных зон сварного соединения стали 12ХГНМ

Зона сварного соединения

Состояние металла сварного соединения

Критические температуры хрупкости по критерию, °С

Bj & 50 %

вп Ss

> 50 %

KCU > 60 Дж/см2

KCV

& 35 Дж/см3

Основной ме­

Исходное

— 17

—7

Ниже —40

Ниже —18

талл

Тепловая выдержка

—22

3

-40

—23

Наплавка на

Исходное

-20

10

Ниже —40

-18

рулонную

Тепловая выдержка

5

10

-40

-40

сталь

Зона термиче­

Исходное

20

40

4

35

ского влия­

Тепловая выдержка

20

25

Ниже —40

-15

ния

Шов

Исходное

0

25

Ниже —40

-5

Тепловая выдержка

—3

10

Ниже —40

0

элементов конструкций при различных температурах нагружения

[3] . Этот критерий (Вц^ 50 %) используется для определения крити­ческой температуры хрупкости материалов, применяемых для изго­товления ответственного оборудования в ядерной энергетике [4].

В результате выполненного исследования установлено, что наи­большее охрупчивание присуще металлу зоны термического влия­ния (рис. 2). Далее следуют в порядке возрастания величины ударной вязкости КСU наплавка, основной металл и металл шва. Оказалось, что металл шва имеет наиболее высокую вязкость при испытании образцов с С/-образным надрезом во всем исследованном интервале температур. При испытании образцов с F-образным надрезом графики температурной зависимости ударной вязкости различных зон пере­секаются и поэтому их взаимное расположение зависит от температу­ры испытания. По виду излома сварного соединения располагаются следующим образом в порядке возрастания доли вязкой составляю­щей: ЗТВ, шов, наплавка, основной металл, причем кривые темпе­ратурной зависимости доли вязкой составляющей в изломе образцов с F-образным надрезом сдвинуты в сторону более высоких температур по сравнению с образцами с fZ-образным надрезом. В некоторых слу­чаях этот сдвиг составляет до 30 °С.

Для оценки влияния рабочих условий РСВД на степень охрупчи­вания сварных соединений производилась тепловая выдержка ме­талла сварного блока, из которого после выдержки изготавливались ударные образцы. Тепловая выдержка происходила при температу­ре 350 °С в течение 1000 ч. После тепловой выдержки ударная вяз­кость основного металла почти не изменилась, а свойства металла различных зон сварного соединения в основном заметно повысились и кривые температурной зависимости ударной вязкости и доли во­локна в изломе сдвинулись влево, т. е. в направлении более низких температур. Вследствие этого критические температуры хрупкости ЗТВ в основном металле и шва существенно понижаются (таблица).

После тепловой выдержки ударная вязкость KCU ^ 60 Дж/см2 для всех зон при температуре —40 °С, т. е. критическая температу­ра хрупкости по этому критерию не выше —40 °С. По критерию /sTCF^35 Дж/см2 наихудшим является металл шва, у которого кри­тическая температура хрупкости по этому критерию составляет 0 °С; более высокие значения критической температуры хрупкости по виду излома соответствуют 20—25 °С для ЗТВ.

В результате исследования сопротивления хрупкому разрушению металла сварного соединения рулонной стали 12ХГНМ в исходном состоянии и после тепловой выдержки при 350 °С в течение 1000 ч установлено, что в исходном состоянии наиболее низкие значения ударной вязкости присущи металлу зоны термического влияния. Длительная тепловая выдержка при 350 °С приводит к некоторому повышению сопротивления хрупкому разрушению металла всех зон сварного соединения стали 12ХГНМ. Наиболее низкие критические температуры хрупкости соответствуют критерию KCU ^ 60 Дж/см2, промежуточные — KCV ^ 35 Дж/см2 и наиболее высокие — В ^ > 50 %.

Оставить комментарий