Содержание материала

В последние годы в ряде зарубежных стран и в СССР ведутся работы по использованию центробежнолитых труб для трубопроволов большого диаметра мощных энергоблоков.
Важной задачей является изучение работоспособности основного металла и сварных соединений этих труб.
Во ВТИ совместно с другими организациями проводились исследования в этом направлении. Объектом исследования были основной металл труб диаметром 245X45, 525X25,   630x25 мм из стали 15Х1М1Ф и их сварные стыковые соединения с кольцевыми швами. Швы выполняли ручной электроду- говой (РЭД) и автоматической дуговой сваркой под флюсом (АДФ) с последующим отпуском 720— 730°С продолжительностью 3 ч и ультразвуковым контролем. Исследовались физические, кратковременные механические свойства металла, химический состав, жаропрочность, чувствительность к концентрации напряжений, малоцикловая выносливость.
Было установлено, что металл центробежнолитых труб по своему химическому составу, длине и сечению трубы отвечает стандартным требованиям. От металла катаных груб он отличается высокой чистотой в отношении вредных примесей: содержание серы не превышает 0,01%, фосфора 0,015%, количество неметаллических включений — 3-го балла шкалы ВНИТИ. Включения оказываются преимущественно глобулярной формы и располагаются ближе к внутренней поверхности труб. Последнее, видимо, связано с тем, что в центробежнолитых трубах углерод, сера и кремний обнаруживают тенденцию ликвации к внутренней поверхности. Легирующие элементы при этом по толщине стенок распределяются равномерно. Плотность, газонасыщенность и состояние макроструктуры соответствуют уровню, характерному для катаных труб. В некоторых трубах .три макротравлении были выявлены ликвационные прослойки (трубы диаметром 630X25 мм) и скопления пор вблизи внутренней поверхности (трубы диаметром 245x45 мм).
После термической обработки по режиму гомогенизирующего отжига с нагревом до 1030—1050°С, последующей нормализацией с 980— 1000°С и отпуске при 730—760°С микроструктура труб состояла из мелкодисперсной смеси бейнита и феррита (рис. 7-5).
Металл в термически обработанном состоянии характеризовался высоким уровнем и удовлетворительной равномерностью распределения механических свойств по длине и сечению труб. Свойства при 20°С находятся в пределах: ов= = 55-3-65, <ут=35-=-45 кгс/мм2, δ = =20д-30, 72 -75%,       ан=8- 25 кгс-м/см2. Порог хладноломкости лежит в интервале температур 0-ь-|-20°С. Обращает на себя внимание тот факт, что высоким уровнем свойств обладает и металл труб, имеющий ликвационную неоднородность по макроструктуре. Прочность, пластичность и ударная вязкость металла труб диаметром 245X45 мм, в которых вблизи внутренней поверхности обнаружены отдельные скопления пор, практически одинаковые по всему сечению.
Удовлетворительными пластическими свойствами обладает металл при испытании образцов на статический изгиб. Образцы вырезали из различных мест по длине и сечению труб.
Основной металл характеризуется, кроме того, высоким уровнем прочности и пластичности при испытании на длительное разрушение при 565°С. Так, предел длительной прочности при 565°С за 100 тыс. ч находится на уровне 11—13 кгс/мм2 (рис. 7-6) при базе испытания 8 тыс. ч. Удлинение образцов составляет 16—22, сужение поперечного сечения 79—85%. Высокая пластичность металла подтверждается испытаниями на длительную прочность образцов с надрезом. Относительное сужение образцов в надрезе при напряжении 24—34 кгс/мм2 превышает 32%, что свидетельствует косвенно о высокой сопротивляемости металла труб хрупкому разрушению.


Испытания на статический изгиб прямоугольных образцов 15Х X 15x150 мм и ударный изгиб образцов 10X10X55 мм с надрезом глубиной 2 и радиусом 1 мм показали высокую сопротивляемость металла зарождению трещин и удовлетворительную сопротивляемость развитию разрушения при 20 и 570°С.
Удельная работа на зарождение трещин аэ и развитие разрушения ар металла при 20°С в условиях статического и динамического изгибов соответственно составила 9—11 и 3—9 кгс-м/см2. При 565°С. свойства металла при статическом изгибе имеют уровень аа=9- -11 и ар=9-МЗ кгс-м/см2, а при ударных испытаниях аэ=5ч-6 и ар=9- и 10 кгс-м/см2.

Следует при этом подчеркнуть, что высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению при испытании образцов на растяжение и изгиб обладает металл как с однородной макроструктурой, так и со слабо развитой ликвационной полосчатостью.
После старения при 565°С в течение 15 тыс. ч прочностные (σ„, <7т, од.п) и пластические свойства (δ, ψ), а также ударная вязкость (ая) металла практически не меняются и остаются на высоком исходном уровне. Микроструктура претерпевает некоторые изменения: увеличивается количество высокодисперсной фазы, происходят сфероидизации и коагуляция карбидов. Внутри ферритных зерен на включениях начинается закрепление дислокаций, в бейнитных зернах происходит образование дислокационных сеток. При этом в трубах с неоднородной макро- и микроструктурой по сечению стенки в процессе длительного старения при 570°С наблюдается процесс выравнивания неоднородности в микроструктуре. Так, если в металле труб диаметром 630x25 мм в состоянии поставки вблизи внутренней поверхности, помимо зерен феррита и бейнита, наблюдались довольно плотные дополнительные выделения мелкодисперсных карбидов в виде неправильных полос, то после старения длительностью 15 тыс. ч микроструктура металла по сечению  труб практически не отличалась и представляла собой смесь бейнита и феррита.
Данные металлографического анализа находятся в полном соответствии с результатами фазового анализа и определения физических свойств металла, модуля упругости и внутреннего трения. Если в состоянии поставки в металле, прилегающем к наружной поверхности труб, в карбиды было связано 17% хрома, 32% молибдена, 83% ванадия, а в металле, прилегающем к внутренней поверхности, соответственно 21, 38 и 88%, то после старения по всему сечению трубы содержание хрома в карбидах оказалось равным 18, молибдена 51, ванадия 88%.
Высокотемпературные пики кривой внутреннего трения, которые служат качественным ориентиром при определении содержания в металле количества вторичной фазы, исчезают на кривой металла наружной зоны через 5 тыс. ч, металла внутренней зоны — через 10 тыс. ч старения.
Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что свойства металла центробежнолитых труб при отсутствии пор, микротрещин и достаточной чистоте по вредным примесям серы и фосфора и при допустимой ликвационной неоднородности макроструктуры соответствуют уровню свойств катаных труб. По результатам эксперимента следует также предположить, что в процессе эксплуатации при 565°С структурная неоднородность металла по сечению стенки труб будет снижаться.
Разрушение натурной центробежнолитой трубы диаметром 245 X Х25 мм в стендовых условиях при давлении среды 240 кгс/см2 и температуре 560°С подтвердило экспериментальные данные, полученные при испытании образцов в лабораторных условиях. Остаточная деформация (увеличение диаметра в месте разрушения трубы) составила 5,1%, что свидетельствует о высокой пластичности металла центробежнолитых труб.
Исследования сварных соединений центробежнолитых труб дали следующие результаты. Химический состав металла швов удовлетворяет техническим требованиям. Дефекты в околошовной зоне не выявлены. Структура металла шва и зоны термического влияния аналогична структуре зон сварных соединений катаных труб. Механические свойства удовлетворительные.
Твердость зон сварного соединения, выполненного РЭД, находится в допустимых пределах; при этом отсутствует большой градиент прочностных свойств по зонам (твердость основного металла достигала 180 HV). Максимальное значение отношения в зоне сплавления составляет 0,75.
Металл швов, выполненных АДФ, обладает измельченной структурой первичной кристаллизации. Наиболее высокие значения твердости 250—257 HV выявлены в районе зон сплавления при отношении от/Ов=0,78-ь-0,81.
Ударная вязкость металла швов составляет 9-Ξ-12 кгс-м/см2. Удовлетворительную сопротивляемость хрупкому разрушению металл швов имеет при 20 и 565°С в процессе испытания на растяжение образцов с кольцевым надрезом. Пластичностьв надрезе превышает 5%· Высокие значения сопротивляемости хрупкому разрушению различных зон сварных соединений, выполненных РЭД, получены при испытании на статический изгиб прямоугольных образцов с надрезом. Вместе с тем сварные соединения, выполненные АДФ, проявляют заметную склонность к хрупкому разрушению по зоне сплавления при изгибающих нагрузках. Аналогичные результаты были получены ранее при исследовании сварных соединений катаных труб, сваренных АДФ, а также стыков труб с литой арматурой. В связи с этим технология автоматической сварки под флюсом требует усовершенствования.
Предел длительной прочности сварных соединений, выполненных РЭД, находится на уровне 8,5— 10 кгс/мм2, а соединений, выполненных АДФ, — не более 6 кгс/мм2 при 565°С за 100 тыс. ч (рис. 7-6).
Установлено влияние скорости деформации на изменение механических свойств металла катаных и центробежнолитых труб, что дало возможность косвенно оценить свариваемость материала.
Анализ средних значений механических свойств показывает, что в диапазоне скоростей от 1 до 0,01 мм/мин значения предела прочности и текучести, а также пластические свойства металла катаных и центробежнолитых труб примерно одинаковые.
Критическая скорость деформации металла центробежнолитой и катаной труб, полученная на установках ИМЕТ-ЦНИИЧЕРМЕТ и ИМЕТ-1, имеет близкие значения: 4 и 4,4 мм/мин соответственно. Исследования на установке ИМЕТ-1 показали, что максимальная температура начала охрупчивания металла центробежнолитой трубы оказалась выше, чем катаной: 1425 и 1375°С. Это указывает на более удовлетворительную свариваемость металла центробежнолитой трубы.

В интервале 1300—900°С пластичность металла катаной и центробежнолитой труб одинаковая. В целом свариваемость исследованных катаной и центробежнолитой труб идентична.
Изучение влияния термических циклов сварки при температуре 1200, 1250 и 1300°С и последующей термической обработки (отпуск при 740 и 650°С) выявило, что механические свойства ов, От, ф, бк металла околошовной зоны после отпуска при 740°С оказались выше, чем основного металла центробежнолитой трубы в диапазоне 20—565°С, однако относительное удлинение меньше. Минимальные значения пластических свойств металла околошовной зоны выявились после высокого отпуска при 650°С. Кроме того, проводились испытания участка натурных центробежнолитых труб диаметром 245x45 мм общей длиной 5000 мм с набором сварных соединений на стенде ВТИ. Параметры испытания: циклический изгиб с напряжением σ-ι—10 и 12 кгс/мм2, колебания температуры пара в интервале 480—560°С, вызывающие переменные термические напряжения около 5 кгс/мм2, и внутреннее давление среды 24 кгс/см2.
Испытания проводили в два этапа. Продолжительность первого при σ_ι = 10 кгс/мм2 и 12340 и 26 тыс. теплосмен составила 10 450 ч; изгибающие напряжения ±10 кгс/мм2. Было проведено 100 пусков и остановов стенда, после чего ультразвуковой контроль основного металла и сварных соединений дефектов не обнаружил.
На втором этапе стендовые испытания проводили при σ_ι — = 21 кгс/мм2 на базе 42 924, 1488 циклов и, кроме того, 4 тыс. теплосмен при 25 пусках стенда. Испытания были прекращены после сквозного разрушения одного из. сварных стыков. Параллельные трещины преимущественно были ориентированы по зоне сплавления и основному металлу (рис. 7-7).


Рис. 7-7. Характер разрушения центробежнолитой трубы со сварным кольцевым швом после испытаний на натурном стенде ВТИ.
В  процессе разрушения диаметр трубы локально увеличился.
Результаты комплексного исследования выявили хорошую работоспособность основного металла и сварных соединений центробежнолитых труб и позволили рекомендовать их для паропроводов энергоблоков 300—800 МВт.
В 1973—1974 гг. для эксплуатационного опробования на горячем промежуточном паропроводе энергоблока 300 МВт Каширской ГРЭС были установлены центробежнолитые трубы диаметром 630 X Х25 мм.
В 1976 г. изготовлены первые промышленные партии центробежнолитых труб диаметром 920X32 и 820X22 мм из сталей 15Х1М1Ф и 15ГС, предназначенные для иссле дования металла и эксплуатационного опробования на энергоблоке 800 МВт Славянской ГРЭС.