Содержание материала

При создании аппаратов на быстрых нейтронах из хромоникелевых аустенитных сталей важным является обеспечение надежной работы сварных соединений. Одним из видов повреждений их являются так называемые локальные разрушения околошовной зоны (ЛРОЗ). Внешне они проявляются в образовании трещин на расстоянии 1—3 диаметров зерен от линии сплавления. Трещины образуются с поверхности и растут в глубь металла при длительной работе и температуре выше 500 °С.
Локальные разрушения характерны для жестких узлов конструкций, имеющих плохую компенсацию от термических расширений. Наличие циклических нагрузок способствует появлению локальных разрушений. Разрушения происходят при уровне расчетных рабочих напряжений, более низких, чем пределы длительной прочности, полученные при одноосном растяжении материалов. Характерной особенностью является то обстоятельство, что разрушение происходит без заметной макроскопической пластической деформации.
 
Впервые с этим видом повреждений столкнулись при эксплуатации тепловых электростанций с высокими параметрами пара. Чаще всего трещины обнаруживались в сварных стыках толстостенных паропроводов, с толщиной стенки более 20 мм. Меньше трещин появлялось в таких узлах, как поковки и отливки паровых коробок, стопорные клапаны и др. Время до появления трещин в околошовной зоне сварных соединений было различным; как правило, трещины возникали после нескольких лет эксплуатации, иногда обнаруживались вскоре после монтажа.
В настоящее время причины возникновения трещин и влияние различных факторов на время до появления трещин, а также пути устранения этого вида дефектов достаточно хорошо изучены.
Установлено, что трещины в околошовной зоне являются следствием понижения деформационной способности металла в процессе высокотемпературной выдержки, что не дает возможности разрядки высокого уровня остаточных сварочных напряжений в совокупности с рабочими и напряжениями, возникающими от недостаточной компенсации. Уменьшение деформационной способности происходит из- за неодинакового упрочнения тела и границ зерен. Для некоторых составов хромоникелевых аустенитных сталей характерным является выпадение упрочняющих фаз в теле зерна. В результате этого пластическая деформация локализуется на границах зерен, приводя в конечном счете к разрушению практически без макроскопической пластической деформации. Кроме того, при определенном легировании возможно образование легкоплавких эвтектик по границам зерен, что в свою очередь способствует локализации деформации.
Большое число лабораторных исследований, а также опыт эксплуатации тепловых электростанций показали, что склонность металла к локальным разрушениям по изложенным причинам в первую очередь определяется химическим составом аустенитной стали. Стали, легированные сильными карбидообразующими элементами — титаном или ниобием, имеют значительно большую склонность к локальным разрушениям, чем нестабилизированные хромоникелевые или хромоникельмолибденовые стали.
Так, на Челябинской ТЭЦ ежегодная повреждаемость стыков паропроводов из стали Х18Н12Т (температура 560 °С, давление 16,0 МПа) г. течение 1960—1966 гг. находилась в пределах 25—50%. В тех же условиях применение сталей марок Х18Н9 и Х16Н9М2 позволило полностью исключить появление локальных разрушений. Для стабилизированных сталей зафиксировано упрочнение зерен при выделении вторичных мелкодисперсных фаз, установлена также повышенная концентрация сильных карбидообразователей на границах зерен в виде крупных выделений.
Опасны также цепочки включений по границам зерен глинозема и нитридов алюминия.
Склонность к локальным разрушениям уменьшается при проведении аустенизации сварных соединений. Положительное влияние термообработки было надежно установлено для стабилизированных и нестабилизированных аустенитных сталей. Например, повреждаемость аустенизированных сварных стыков паропроводов из стали марки 1Х18Н12Т, эксплуатировавшихся при температуре 560 °С, в 1,6—2,0 раза ниже, чем стыков, не подвергавшихся термической обработке. Пятилетняя статистика показала, что относительная повреждаемость аустенизированных и неаустенизированных стыков составила соответственно 19,3 и 37,3%. Помимо уменьшения числа поврежденных стыков, после аустенизации уменьшается также глубина образующихся трещин.
Испытаниями на очень жестких тавровых пробах было показано, что аналогичное действие оказывает термообработка на поведение малосклонной к локальным разрушениям стали Х18Н9 (табл. 4.7).

Таблица 4.7. Влияние аустенизации на склонность к локальным разрушениям сталей марок Х18Н9 и Х18Н10Т (тавровые пробы; сварка электродами марки ЭА-400/10У)


Марка стали

Состояние после сварки

Режим испытания

Число нагрузочных наплавок

Результаты люминесцентного контроля

Протяженность трещины по результатам металлографического контроля, мм

Х18Н9

Исходное

650 °С—10 ч

5

Узкие трещины

0,57

 

После аустенизации

650 °С—10 ч

14

Надрывы

0,175

 

То же

650 °С—50 ч

1

Нет трещин

Х18Н10Т

»

650 °С—10 п

3
5

Сплошные широкие трещины

4,3
9,0

 

»

650 °С—50 ч

1

Сплошные трещины

1,0

Положительное влияние аустенизации на уменьшение склонности сварных соединений к локальным разрушениям объясняется снятием остаточных сварочных напряжений и уменьшением неоднородности механических свойств в сварном соединении. Кроме того, аустенизация может уменьшить неблагоприятное выделение упрочняющих фаз при последующей высокотемпературной эксплуатации.

Пластическая деформация основного металла до сварки увеличивает склонность к локальным разрушениям сталей марок Х18Н10Т и Х18Н9, что проявляется в уменьшении времени до появления трещин, а также в возрастании их размеров. Степень изменения склонности зависит от степени наклепа (изучено до 14%). Вместе с тем для малосклонной к локальным разрушениям стали Х18Н9 считается допустимым наклеп до 3—4%. Определенное влияние может иметь различие механических свойств металла шва и основного металла. Установлено, что для уменьшения вероятности локализации пластической деформации в околошовной зоне прочность металла шва должна быть не выше прочности основного металла.
Возможность появления трещин в околошовной зоне и время до их появления зависит в первую очередь от температуры. Показано [9], что температурно-временная зависимость локальных разрушений стали Х18Н10Т имеет С-образный характер (рис. 4.21). Наименьшее время до появления трещин имеет место при температуре около 700 °С. При температуре ниже 450 °С время до появления трещин даже для сталей, склонных к этому виду повреждений, составляет десятки тысяч часов.
Важно оценить время до возникновения повреждений сталей, малосклонных к локальным разрушениям. В работе эта оценка проведена путем экстраполяции результатов испытаний тавровых проб при температуре около 650 °С на температуру 550 °С, наиболее часто встречающуюся в трубопроводах реакторов на быстрых нейтронах. Пробы не подвергались циклической подгрузке.
В работе испытания проводились при периодической циклической подгрузке тавровых проб, т. е. в более жестких условиях, с последующей экстраполяцией на значение циклов, равное 1 (рис. 4.22). Последнее соответствует обычной изотермической выдержке. В результате для стали Х18Н9 возможное появление трещин ожидается через 40 000—100 000 ч. В той же работе изучалось влияние одновременно воздействия термоциклического и механического нагружений на склонность к локальным разрушениям. Были поставлены две серии опытов по оценке склонности к образованию трещин сварных образцов: при обычных изотермических выдержках и в условиях одновременного действия механических и термических напряжений.

Рис. 4.21. Температурная зависимость времени до появления трещин в околошовной зоне стали марки 1Х18Н10Т:
● — ость трещины; О — нет трещин
Рис. 4.22. Зависимость числа циклических нагрузок N до образования трещин от продолжительности выдержки τц за цикл:
1-сталь X18H10T, Тmах=650ОС; 2 — сталь Х18Н9, Тmах= 550 °С
В результате длительных испытаний в интервале температуры 500— 650 °С оказалось, что время до появления трещин в околошовной зоне практически одинаково как для образцов, подвергнутых изотермическим выдержкам, так и для образцов, испытанных в условиях термоциклических и механических нагружений.