автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Оценка высокотемпературного старения низколегированных сталей энергетического оборудования под влиянием водорода

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФВИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

ЛОНЮК Богдан Петрович

УДК 620.178:620.181

ОЦІНКА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СТАРІННЯ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ ПІД ВПЛИВОМ ВОДНЮ

05.02.01 - матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

цг

Львів - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий

керівник:

доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів,

зав. відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів

Офіційні

опоненти:

доктор технічних наук Ткачов Володимир Іванович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

НАН України, м. Львів,

зав. відділом водневої стійкості металів

кандидат технічних наук, доцент Підкользін В’ячеслав Юрійович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри матеріалознавства

Захист дисертації відбудеться “04 ” липнХ 1998р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 04.01.03. при Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 290601, м. Львів. МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розіслано ¥ ” їїуихб^І. 1993 р0Ку

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Провідна

установа:

Інститут проблем міцності НАН України, відділ механіки руйнування крупногабаритних конструкцій, м. Київ.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розрахунковий ресурс роботи значної частини енергетичного обладнання України практично вичерпаний і обгрунтування безпечності їх подальшої експлуатації - проблема, що потребує невідкладного вирішення. Технологічно обумовлені висока робоча температура, механічні та термічні напруження в поєднанні з впливом робочого середовищз негативно відбиваються на працездатності металу. Однією із причин зниження конструкційної міцності сталей внаслідок тривалої експлуатації є їх високотемпературне старіння, яке проявляється у мікроструктурній деградації матеріалу та у накопиченні пошкоджень типу пор і мікротріщин. В основу більшості відомих підходів оцінки працездатності матеріалів теплоенергетики закладено параметри високотемпературної тривалої міцності або закономірності виникнення пошкоджень в металі внаслідок повзучості. Разом з тим важкопрогнозованими, а тому особливо небезпечними, є так звані бездеформаційні руйнування, спричинені наводнюванням сталей.

З іншого боку, в проблемі оцінки високотемпературної деградації сталей залишається невирішеним питання вибору показників механічного стану металу, які б адекватно відбивали зниження конструкційної міцності матеріалу внаслідок тривалої експлуатації. Відомо, то загальновживані механічні характеристики недостатньо чутливі до таких змін. Перспективним в цьому плані є застосування підходів механіки руйнування, які описують механічні умови в локальних областях матеріалу. В роботах О.М. Романіва запропоновано використовувати для оцінки високотемпературної деградаціїї матеріалів параметри короткочасної тріщиностійкості. Разом з тим залишились поза належною увагою інші параметри механіки руйнування, зокрема, циклічної тріщиностійкості, які відзначаються максимальною локальністю процесів руйнування.

Мета і задачі досліджень. Розробити методики пришвидшенного старіння сталей під впливом водню, обгрунтувати вибір показника, чутливого до зміни стану металу внаслідок старіння, і на цій основі запропонувати підхід до прогнозування залишкового ресурсу працездатності металу.

Поставлену мету досягали вирішенням наступних завдань:

1. Розробити лабораторні методики пришвидшенного старіння конструкційних сталей, які б відтворювали деградацію металу, спричинену його високотемпературною експлуатацією.

2. Дослідити чутливість параметрів механіки руйнування до деградації металу внаслідок експлуатації та лабораторного старіння та обгрунтувати вибір відповідного параметра.

3. Вияснити закономірності впливу тривалості та температурно-силових чинників на деградацію сталей паропроводів теплових електростанцій та реаісгорів гідрокрекінгу нафти внаслідок лабораторного та експлуатаційного старіння.

4. Обгрунтувати критерій вибору гранично допустимого рівня високотемпературної деградації сталей з позиції негативного впливу водню і на основі цього запропонувати підхід до визначення залишкового ресурсу металу паропроводів.

На захист виноситься:

1. Експрес-методики лабораторного старіння конструкційних сталей енергетичного обладнання.

2. Висновки металографічних досліджень про струкчурні зміни внаслідок лабораторного старіння.

3. Результати досліджень впливу структурної деградації сталей внаслідок експлуатаційного чи лабораторного старіння на характеристики опору зародженню та поширенню тріщин.

4. Висновок про інверсію впливу розчиненого в металі водню на поріг циклічної тріщиностійкості енергетичних сталей, зумовлену різним рівнем високотемпературної деградації.

5. Підхід до оцінки залишкового ресурсу паропроводів теплових електростанцій з погляду негативного впливу водню.

Наукова новизна одержаних результатів. Створено експрес-методики лабораторного старіння конструкційних сталей в середовищі газоподібного водню: при ізотермічній витримці під навантаженням, шо не спричиняє повзучості, та при термоциклюванні. Встановлено, що внаслідок термоциклювання в середовищі водню в діапазоні температур від 100 °С до експлуатаційної у вихідній структурі ферито-перлітної сталі спостерігається розпад перліту. Запропоновано використовувати ефективний поріг циклічної тріщиностійкості (визначений із врахуванням закриття тріщини) за показник, чутливий до високотемпературного старіння сталей. Виявлено інверсію впливу

внутрішнього дифузійно-рухомого водню на ефективний поріг утоми сталей у вихідному та зістареному станах.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено експериментальні методики старіння сталей у середовищі водню. Встановлено вплив тривалості експлуатації та температурно-силових чинників на деградацію сталей паропроводів та гідро крекінгу нафти. Запропоновано підхід до розрахунку залишкового ресурсу сталей паропроводів із врахуванням негативного впливу водню. Результати роботи використані при техніко-економічному обгрунтуванні реконструкції блоків № 8, № 11 та № 12 Бурштинської ТЕС.

Особистий внесок здобувача. Створено і апробовано експрес-методики лабораторного старіння сталей в середовищі газоподібного водню. Здійснено металографічний аналіз структурних змін, викликаних старінням. Проведено експериментальні дослідження статичної та циклічної тріщиностійкості, випробування на малоциклову втому. Виявлено інверсію впливу водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості зістарених сталей. Побудовано кореляційні залежності між тривалістю експлуатації металу паропроводів та кількістю термоциклів у водні.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на: Міжн. конф. “Механіка неоднорідних структур”, м. Тернопіль, 1995; V Міжн. симп. “Повзучість та супутні процеси”, Білосток, Польща, 1995; Міжн. симп. “Старіння матеріалів та оцінка ресурсу працездатності”, Мілан, Італія, 1995; Першій міжн. конф. “Воднева обробка матеріалів” (ВОМ-95), м. Донецьк, 1995; Міжн. симп. “Втома при термічних та механічних навантаженнях”, Петтен, Нідерланди, 1996; XI Європ. конф. з руйнування, Пуатьє, Франція, 1996; 22 МРА-семінарі “Безпека та надійність заводських технологій”, Штутгарт, Німеччина, 1996; Польсько-японському симп. “Вплив середовища на матеріали високих технологій”, Закопане, Польща,

1997.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 10 публікаціях, які відображені в авторефераті дисертації.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг роботи становить 170 сторінок, містить 55 рисунків, 9 таблиць і бібліографічний список 146 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло висвітлено стан проблеми старіння та деградації властивостей енергетичних сталей, обгрунтовано актуальність вибраної теми, визначено мету досліджень та основні напрямки її досягнення.

У першому розділі розглянуто специфіку пошкоджень в металах паропроводів, які призводять до руйнування конструкцій. Виділено роль водню в цих процесах. Проаналізовано основні механізми водневого окрихчення металів. Розглянуто особливості дифузійних процесів при підвищених температурах в атмосфері водню та деструктивного впливу підвищеного вмісту водню в металі за наявності теплозмін. Проаналізовано вплив технологічних чинників на характеристики матеріалів енергетичного устаткування та існуючі методи оцінки рівня пошкоджень. Сформульовано мету дисертаційної роботи, а також основні завдання та шляхи їх вирішення.

У другому розділі наведено дані про матеріали, описано обладнання, зразки та використані методики досліджень.

Досліджували теплостійкі енергетичні сталі 12Х1МФ, 15Х2МФА, 14МоУ63: сталь 12Х1МФ після різної тривалості експлуатації та кількості термозмін у середовищі газоподібного водню, сталь 14МоУ63 після експлуатації при різних технологічних параметрах та сталь 15Х2МФА після ізотермічного старіння у газоподібному водні.

Визначали стандартні механічні характеристики при розтягу, показники статичної та циклічної тріщиностійкості, малоциклової втоми. Утомні випробування здійснювали за схемою консольного та чистого згину на призматичних зразках з одностороннім надрізом на повітрі, у водні, дистильованій воді та 3%-ному водному розчині №С1. Кінетичні діаграми втомного руйнування (КДВР) будували із врахуванням ефекту закриття тріщини. Визначали номінальні і ефективні пороги втоми. Характеристики статичної тріщиностійкості .//е за кімнатної температури та Кіс за температури рідкого азоту оцінювали, навантажуючи зразки за схемою триточкового згину. Випробування на малоциклову втому здійснювали на гладких зразках і на зразках з концетратором.

У третьому розділі викладено результати досліджень сталей 12Х1МФ та 14Мо\'63 після різної тривалості експлуатації тор на

паропроводах Бурштинської ТЕС, Добротвірської ТЕС та теплових електростанцій Югославії. Показано, що в міру зростання терміну служби структура сталі постійно змінюється. У вихідному стані сталь 12Х1МФ має середньозернисту ферито-перлітну структуру з середнім діаметром феритних зерен 20 мкм. Проте вже після 48Т03 год експлуатації на місці перлітних колоній спостерігали часткову сфероїдизацію перліту. Після 14-104 год структура мала вигляд рівновісних зерен фериту з великою кількістю грубих карбідів вздовж границь. Після 19-104 год експлуатації всередині феритних зерен з’являються дрібнодисперсні спеціальні карбіди, зумовлюючи подальше зниження вмісту легуючих елементів у фериті. Стає очевиднішою коагуляція карбідів вздовж границь фериту: ланцюжки виділень видовженої форми розмежовують зерна фериту.

Стандартні механічні характеристики міцності та пластичності сталі 12Х1МФ слабо залежать від тривалості експлуатації. Статична тріщиностійкость сталей К;с за температури рідкого азоту з часом напрацювання змінюється в діапазоні 25...30 МПаУм. Лише вязкість руйнування .¡¡с за кімнатної температури виявилась достатньо чутливою до експлуатаційного пошкодження.

Криві малоциклової втоми зразків із концентратором сталі 12Х1МФ свідчать, що при одинаковому початковому рівні навантажень час до зародження тріщин довжиною 0,3 мм у металі, експлуатованому впродовж 19-104 год, приблизно в 1,5 - 2 рази менший, а швидкість поширення тріщини у стільки ж разів вища, ніж у вихідному.

Показано, що ка відміну від вище розглянутих характеристик, параметри втомного росту тріщин є чутливішими до змін у металі. Номінальні та ефективні КДВР свідчать, що найбільший вплив експлуатаційного пошкодження спостерігається на ділянці припорогових навантажень. Номінальний розмах порогового коефіцієнта інтенсивності напружень ДКц, змінюється неоднозначно в залежності від тривалості експлуатації металу (рис. 1): АК,і, збільшується від 6,2 МГІа^м для вихідного стану до 6,8 МПал/м для металу після 14Т04 год експлуатації і відчутно знижується до 5,1 МПаУм для матеріалу після 19104 год напрацювання. Врахування, ефекту закриття тріщини дозволяє однозначно стверджувати, що ефективний поріг ДАТ,;, ^монотонно зменшується від 3,5 до 2,1 МПал/м

Рис. 1. Вплив тривалості експлуатації сталі 12Х1МФ на порогові характеристики циклічної тріщиностійкості:

1 - ДКЛ;

2 - ил-

3 - АК,і, сі',

4 - ЬКйф

зі збільшенням часу експлуатації до 19-104 год. Характер зміни AKtu сі = ДКц, - AK,k ф який характеризує частину розмаху АК, впродовж якої зовнішнє навантаження не викликає циклічної деформації матеріалу у вершині тріщини, якісно повторює закономірність, яка спостерігається для номінальних порогових значень. Коефіцієнт закриття тріщини U -АК,і, монотонно зменшується зі збільшенням тор до 14-104 год, залишаючись надалі незмінним.

Вплив часу хор на корозійну тріщиностійкість сталі 12Х1МФ оцінювали за швидкістю росту втомної тріщини на другій ділянці КДВР, отриманій за частоти 0,1 Гц. Практично незалежно від іор швидкість росту тріщини у середовищі 3%-ного розчину NaCl зростає на порядок порівняно з повітрям, тоді як у дистильованій воді -відповідно у 5 і 10 разів для вихідного стану та після т„;/ = 19104 год. Тобто лише випробування у менш корозійно-агресивному середовищі дозволили виявити чутливість кінетики росту тріщини до старіння.

Вплив технологічних параметрів експлуатації на кінетичні особливості росту втомних тріщин досліджували на сталі 14MoV63. Показано, що в міру зростання тиску пари в паропроводі, який визначає напружено-деформований стан у стінці труби, показники припорогової тріщиностійкості виявляють тенденцію до зниження. Рівень ДК,и зменшився від 8,8 МПа^м для матеріалу, експлуатованого за тиску 4,5 МПа, до 7,7 МПал/м при зростанні тиску до 18,6 МПа. Відповідні значення „^змінилися від 3,8 до 3,3 МПа\'м.

Дослідження при постійному рівні АК виявили пришвидшення росту тріщини в глибині стінки труби (по її товщині) в металі, експлуатованому при нижчому рівні робочого тиску пари. У металі, попередньо експлуатованому при вищому значенні робочого тиску, спостерігали пришвидшення росту' тріщини і біля зовнішньої стінки труби ІД$ очевидно є наслідком неоднорідного розподілу пошкоджень в перерізі стінки труби.

Узагальнення отриманих результатів свідчить про ефективність використання підходів механіки втомного руйнування стосовно оцінки рівня деградації властивостей конструкційних сталей енергетичного обладнання. Ефективний поріг AKth ф який визначає опір росту втомної тріщини з врахуванням ефекту закриття в її вершині, однозначно характеризує стан деградованого металу, і його запропоновано використовувати за показник високотемпературної деградації сталей.

У четвертому розділі описано особливості створеної методики термодеформаційного старіння у середовищі газоподібного водню та результати досліджень зістареної з її використанням сталі 15Х2МФА. Призматичні зразки розташовували у герметичній камері,

конструктивне рішення якої дозволяє розтягувати зразок постійним зусиллям продовж бази старіння в середовищі газоподібного водню. Старіння здійснювали за двох рівнів напружень розтягу в нетто-перерізі зразків: 120 та 240 МПа. Режим старіння: температура 450 °С, тиск водню 0,5 МПа. Повзучості зразків протягом вибраної бази старіння (750 та 2200 год) за таких умов не зафіксовано.

Металографічними дослідженнями показано, що внаслідок старіння в сталі відбуваються структурні зміни. У вихідній структурі, сформованій внаслідок охолодження вихідного грубозернистого аустеніту, грубі пластини нерівновісного фериту утворюють пакети з вираженою просторовою орієнтацією у трьох напрямках. Вздовж границь пластин зафіксовано прошарки видовжених карбідів.

Витримка зразків на повітрі та у водні без навантаження відчутно не змінила грубодисперсну морфологію структурних складових. Не виявлено також мікроструктурних змін після витримки під

навантаженням на повітрі. Проте витримка під навантаженням у водні. зумовлює суттєве подрібнення структурних складових, інтенсивність якого зростає з підвищенням рівня напружень. Після тримісячної

витримки під навантаженням у водні структура сталі стає однорідною дрібнодисперсною ферито-карбідною механічною сумішшю.

Дослідження циклічної тріщиностійкості зразків безпосередньо після старіння виявили, що його вплив існує лише на ділянці низькоамплітудного навантаження. Друга ділянка КДВР не чутлива до термодеформаційного старіння.

Встановлено, що витримка зразків у водні без навантаження не впливає на номінальний поріг утоми ДКц,, проте збільшує АКи, ф Аналогічна витримка на повітрі виявляє тенденцію до підвищення і ДК,і„ і ДК,і, ф

Внаслідок витримки зразків у водні під напруженням 120 МПа номінальний і ефективний пороги втоми зростають зі збільшенням часу витримки порівняно з вихідним станом. Збільшення рівня напружень в зразку продовж старіння до 240 МПа призводить до зворотнього результату: ДК& і Є£Г зменшуються. Старіння на повітрі за таких самих умов відчутно не впливає на пороги порівняно зі старінням без навантаження.

Рис.2 Вплив рівня напружень після термодеформаційного старіння впродовж 2200 год на зміну ефективного порогу циклічної тріщиностійкості:

1 - старіння у водні;

2 - старіння у водні з наступною дегазацією;

3 - старіння на повітрі

0 50 100 150 200 250

а , МПа

Вплив розчиненого в металі водню на ріст утомних тріщин у зістареному металі оцінювали, порівнюючи циклічну тріщиностійкість зразків безпосередньо після старіння та після дегазації (одногодинна витримка на повітрі при температурі старіння). Виявлено неоднозначний вплив водню на ефективний поріг утоми в залежності від рівня напружень розтягу при старінні у водні (рис. 2): при а = 120

МПа AK.), сд- вищий для зразків, випробуваних безпосередньо після старіння, а при а = 240 МПа - після додаткової дегазації. Тобто після старіння за жорсткіших умов проявляється інверсія впливу внутрішнього дифузійно-рухомого водню на ефективні пороги втоми: він додатково знижує опір поширенню втомної тріщини, що вказує на чутливість металу у такому стані до водневої крихкості.

Дослідженнями впливу газоподібного водню на ріст утомних тріщин за частоти 0,1 Гц показано, що порівняно з повітрям водень пришвидшує ріст тріщин і за кімнатної температури, і за 450 °С. Структурна деірадація сталі внаслідок термодеформаційного старіння додатково підвищує швидкість росту тріщин.

У п’ятому розділі описано методику термоциклювання у середовищі газоподібного водню, результати досліджень механічних властивостей зразків після такої обробки та підхід до оцінки залишкового ресурсу паропровідних сталей з погляду негативного впливу водню.

Методику апробовано на сталі 12Х1МФ. При її створенні виходили із неоднакової рівноважної розчинності водню в металі за різних температур та зменшення його дифузійної рухливості » результаті зниження температури.

Призматичний зразок розташовували у герметичній камері, яку заповнювали газоподібним воднем. Його нагрівали, пропускаючи через нього змінний електричний струм, до температури, яка відповідає експлуатаційній для паропроводу (550 - 570 °С) зі швидкістю 2 °С/с. Час витримки зразка при цій температурі (1 год) вибрано із розрахунку досягнення дифузійним шляхом рівноважної для цієї температури концентрації водню в усьому робочому об’ємі зразка. Після цього зразок охолоджували до 100 °С зі швидкістю

З °С/с. Різке зниження температури одночасно із гальмуванням дифузійних процесів (коефіцієнт дифузії водню в залізі при 100 і 570 °С становить відповідно 4,4Т0'5 та 2,ОТО-4 см2/с) викликає істотне зниження рівноважної розчинності водню в гратці металу (приблизно від 0,1 до 1 г/см3). Пересичення металу воднем сприяє його активному переміщенню до найближчих вільних внутрішніх чи зовнішніх поверхонь. Покидаючи твердий розчин, надлишковий водень або виходить з металу або осідає на міжфазних границях чи дефектах. Відомо, що мігруючи, водень сприяє перерозподілу атомів легуючих

елементів в матриці. Таким чином, різке охолодження наводненого металу викликає, з одного боку, підвищення внутрішніх напружень в металі внаслідок перевищення рівня рівноважної концентрації водню в ньому, а з другого - інтенсифікує дифузію легуючих елементів і тим самим сприяє зміні мікроструктури. При багаторазовому повторенні подібного циклу створюються передумови для виникнення пошкоджень.

Після закінчення термоциклювання в середовищі водню частину зразків витримували протягом однієї години за температури 570 °С, щоб десорбувати дифузійно-рухомий водень із металу і тим самим виключити можливість його впливу на швидкість росту тріщини за наступних випробувань.

Дослідження мікроструктури виявило, що термоциклювання в середовищі газоподібного водню швидко змінює вихідну ферито-перлітну структуру сталі. Вже після ІЗ термоциклів у водні зменшується кількість зерен перліту' (приблизно такі ж якісні зміни структури відбуваються після 48103 год експлуатації сталі на паропроводі). На бічних поверхнях зразка, які безпосередньо контактували з газоподібним воднем, спостерігали невелику кількість карбідних виділень вздовж границь феритних зерен за практично відсутності перліту. Це свідчить про інтенсивне обезвуглечення поверхневих шарів. Всередині зразка кількість перлітних зерен і карбідів вздовж границь значно більша. При збільшенні кількості термоциклів до 33 продовжується розпад перліту і виділення карбідів на границях феритних зерен, які набувають більш видовженої форми. Це відповідає тенденції, яка спостерігається за експлуатації впродовж 14-104 год. Після 100 термоциклів структура сталі стає практично рівноважним феритом із прошарками видовжених за формою карбідів вздовж границь зерен і значної кількості дрібних глобулярних карбідів всередині феритних зерен. Якісно подібні зміни спостерігали е металі після 19-104 год експлуатації.

Механічними випробуваннями встановлено, що в’язкість руйнування Кіс за температури рідкого азоту, твердість та мікротвердість феритних зерен практично не змінюються внаслідок термоциклювання. Одночасно характеристики втомного росту тріщини виявили достатню чутливість до структурної деградації металу. Найяскравіші ефекти виявлено на припороговій ділянці КДВР.

\

1 - 0,6 Рис. 3. Вплив кількості

термоциклів п у водні на порогові характеристики циклічної тріщиностійкості:

^ 0 20 40 60 80 100

0,1

П , ЦИКЛІВ

Номінальний поріг утоми немонотонно змінюється з ростом кількості термоциклів (рис. 3), переходячи через максимум при 20 - ЗО термоциклах. Поріг монотонно зменшується із зростанням п.

Порівнюючи порогові характеристики зразків, зістарених за одинаковим режимом, але які відрізнялися за вмістом у них дифузійно-рухомого водню (зразки безпосередньо після старіння та після дегазації), встановлено, що вплив внутрішнього водню на ефективний поріг утоми є неоднозначним (рис. 4). Якщо на перших етапах деградації термоциклюванням водень підвищує АКц, і АК;), ф то після ~ 25 термоциклів спостерігається протилежний ефект.

4

Оч

Рис. 4. Зміна ЛЛй від кількості термоциклів для металу, випробуваного безпосередньо після

старіння у водні (1) та після додаткової дегазації (2).

с

5с

після

П,

с

0 20 40 60 80 100

п , ЦИКЛІВ

Аналізуючи результати проведених досліджень сталі 12Х1МФ після експлуатації та лабораторного старіння, та беручи до уваги відповідність структурних перетворень та якісну подібність зміни параметру ЛК,/,ф побудовано кореляційну залежність між тривалістю експлуатації сталі на паропроводі і кількістю термоциклів під час лабораторного старіння у водні (рис 5), при цьому тривалості експлуатації хср ставилась у відповідність кількість термоциклів /і, для якої метал характеризується таким же значенням А/і,;, ф

Рис. 5. Кореляційна залежність між тривалістю експлуатації хор та кількістю термоциклів п лабораторного старіння.

0 20 40 60 S0 100

п , циклів

Цю криву пропонується використовувати за базову для розрахунку залишкового ресурсу металу з погляду негативного впливу водню. За параметр, який контролює стан металу, вибрано показник AK,¡, ф так як він однозначно змінюється при зростанні рівня пошкодження сталі та є достатньо чутливим до наявності розчиненого в металі водню.

Гранично допустимий рівень áJC,¡, ф відповідає такому стану металу, коли відбувається інверсія впливу розчиненого в металі водню на ефективний поріг утоми, тобто, коли позитивний вплив водню змінюється на негативний.

На основі отриманих результатів запропоновано наступну процедуру оцінки залишкового ресурсу тги металу паропроводів. За перетином залежностей ефективних порогів втоми від кількості термоциклів у водні для зразків, випробуваних безпосередньо після ■ лабораторного старіння та після дегазації, визначаємо гранично допустимий рівень АІСи,ф і відповідне йому критичне значення пс, за

яким, по базовій кореляційній залежності хор - п, знаходимо критичний час експлуатації V Оцінюємо значення ДА',/, для досліджуваного металу, експлуатованого впродовж часу ті і за базовою залежністю ефективного порогу втоми від тривалості експлуатації &І(,ь е<( - т (див. рис. 1, крива 4), перебудованій в координатах АА'.і, ф-т\ де

х‘=т/тс, (і) ^

визначаємо долю вичерпаного металом ресурсу довговічності ті* і за формулою

Тт=Т| (І/ті*- 1) (2)

- залишковий ресурс його роботи.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено лабораторні методики швидкісного високотемпературного старіння теплостійких сталей енергетичного обладнання, які враховують вплив водневого чинника і полягають:

а) у тривалому витримуванні зразків у водні під навантаженням, яке не спричиняє повзучості матеріалу;

б) у термоциклюванні зразків в атмосфері водню в діапазоні температур від 100 °С до експлуатаційної температури (експрес-методика).

2. Виявлено, що сумісний тривалий вплив водню та напружень

розтягу при температурі 450 °С спричиняє подрібнення та

гомогенізацію структурних складових корпусної реакторної сталі

15Х2МФА; термоциклювання в атмосфері водню паропровідної сталі 12Х1МФ із ферито-перлітною структурою у вихідному стані зумовлює розпад перліту та виділення і коагуляцію карбідів вздовж границь феритних зерен.

3. Виявлено відповідність структурних перетворень та

закономірностей зміни параметру ДК,і, $ у сталі 12Х1МФ після термоциклювання у водні та після тривалої експлуатації на

паропроводі.

4. Досліджено вплив тиску пари в паропроводах теплових електростанцій та тривалості їх експлуатації на механічні властивості сталей в умовах: активного статичного навантаження гладких зразків та зразків з надрізами і тріщинами при кімнатній та кріогенних

температурах: малоциклової утоми від гладкої поверхні та від концентратора; циклічного навантаження зразків з тріщинами на повітрі та в корозійних середовищах. Показано, що поріг циклічної тріщиностійкості із врахуванням ефекту закриття у вершині тріщини ЬК,), е[[ виявляє достатньо високу чутливість до експлуатаційного старіння металу та однозначно корелюс з тривалістю експлуатації та робочими напруженнями.

5. Виявлено інверсію впливу абсорбованого металом водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості в залежності від стану деградованого металу, який визначається умовами старіння. У

БйХІДНОМу СТаНІ Та ПІСЛЯ СТарІННЯ ПрИ ПОрІВНЯНО НИЗЬКИХ ПараМСТраХ

(тривалість витримки, рівень напружень під час витримки або ж кількість термоциклів у водні) внутрішній водень підвищує М-,/, ф, тоді як за більш жорстких умов старіння поріг утоми знижується.

6. Сформульовано критерій гранично допустимої деградації сталей в результаті їх високотемпературної експлуатації, за яким критичний стан металу досягається тоді, коли абсорбований металом водень починає негативно впливати на ефективний поріг утоми АК,;, ф

1. Запропоновано підхід до оцінки залишкового ресурсу металу паропроводів теплових електростанцій з погляду негативного впливу водню, в основу якого покладено критерій гранично допустимої деградації та кореляційну залежність між тривалістю експлуатації сталі і кількістю термоциклів під час лабораторного старіння у водні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Evaluation of fracture mechanics parameter sensitivenes to metal damage / Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P., Sijacki-Zeravcic V., Milanovic D. // Матеріали IV Міжн. конф. “Механіка неоднорідних структур”, Тернопіль, 1995. - Тернопільський приладобудівний інститут, 1995. -С. 245.

2. Hydrogen effect on high temperature ageing and fracture of power equipment Cr-Mo-V steels / Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk BP., Sijacki-Zeravcic V., Milanovic D. // Proc. 5Ш lnt Symp. on Creep and Coupled Processes. - Bialystok, 1995. - P. 93 - 94.

3. Damage kinetics in materials for power equipment and its effect on fatigue fracture characteristics / Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk В P., Milanovic D. // Proc. Int. Symp.: Materials Ageing and Component Life Extension, Milan, 1995,-WarIey: EMAS, 1995. - V.l. - P. 1153 -1162.

4. Nykyforchyn H.M., Student O.Z, Loniuk B P. Sensitivity of fatigue crack growth in a reactor steel to thermo-mechanical ageing in hydrogen environment // In: Fatigue under Thermal and Mechanical Loading: Mechanisms, Mechanics and Modelling. - Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1996. - P. 215 - 220.

5. Hydrogen effect on high temperature degradation of a Cr-Mo-V steel / Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P., Schaper M. // Proc. 11th Binual European Conf. on Fracture, Poitiers-Futuroscope, 1996. - Warley: EMAS, 1996. - V. II. - P. 1527 - 1532.

6. Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P. Accelerated method for high temperature degradation of materials for power plant and aplication of fracture mechanics approach for its evaluation // Proc. 22 MPA-Seminar: Safety and Realiability of Plant Technology, Stuttgart, 1996. -Stuttgart: Staatliche Materialprüfurgranstalt Universität Stuttgart, 1996. -V. l.-S. 8.1 -8.20.

7. Студент O.3., Лонюк Б.П. Ріст утомних тріщин у сталі 15Х2МФА, витриманій у високотемпературному водні // Фізико-хімічна механіка матеріалів,- 1997. -№ 4. - С. 121 -126.

8. Nykyforchyn Н.М., Student O.Z., Loniuk B.P. Express method of evaluation of high temperature hydrogen degradation of structural steels // Proc. Polish-Japanese Symp.: Environmental effects on high technology materials, Zakopane, 1997. - Warsaw: Inst. Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences, 1997. - P. 161 -166.

9. Студент O.3., Лонюк Б.П. Методика швидкісного високотемпературного старіння сталей П Фізико-хімічна механіка матеріалів - 1997. -№6. -С. 111-112.

10. Вплив експлуатаційної пошкодженості паропровідної сталі 12Х1МФ на характеристики її тріщиностіПкості / Романів О.М., Никифорчин Г.М., Студент О.З,, Дзіоба I.P., Лонюк Б.П. // Там же,-1998.-№ 1.-С. 101-104.

АНОТАЦІЯ

Лонюк Б.П. Оцінка високотемпературного старіння низьколегованих сталей енергетичного обладнання під впливом водню. - 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, 1998.

Розроблено методики лабораторного старіння конструкційних сталей у середовищі газоподібного водню, які дозволяють імітувати процеси структурної деградації при експлуатації матеріалів. Розглянуто вплив деградації металу на характеристики опору зародженню та росту тріщин. Встановлено залежність порогових характеристик росту втомних тріщин від степені пошкоджєнності. Досліджено вплив розчиненого в металі водню на параметри циклічної тріщиностійкості. Встановлено неоднозначність його впливу на ефективні пороги втоми в залежності від стану матеріалу. Запропоновано підхід до оцінки залишкового ресурсу металу паропроводу з погляду на негативний вплив водню.

Ключові слова: старіння, водень, структурна деградація, циклічна тріщиностійкість, ефективний поріг утоми, залишковий ресурс.

АННОТАЦИЯ

Лонюк Б.П. Оценка высокотемпературного старения низколегированных сталей энергетического оборудования под влиянием водорода. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Физикомеханический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов,

1998.

Разработаны методики лабораторного старения конструкционных сталей в среде газообразного водорода, которые позволяют иммитировать процессы структурной деградации при експлуатацин материалов. Рассмотрено влияние деградации металла на характеристики сопротивления зарождению та росту трещин. Установлена зависимость пороговых характеристик роста усталостных

трещин от степени повреждения. Исследовано влияние растворенного в металле водорода на параметры циклической трещиностойкости. Установлена неоднозначность его влияния на эффективные пороги усталости в зависимости от состояния материала. Предложен подкод к оценке остаточного ресурса металла паропроводов с точки зрения отрицательного влияния водорода.

Ключевые слова: старение, водород, структурная деградация, циклическая трещиностойкость, эффективный порог усталости, остаточный ресурс.

SUMMARY

Loniuk В.P. Estimation of high-temperature ageing of low-alloy power plant steels under hydrogen effect. - Manuskript.

Thesis for a kandidat’s degree by speciality 05.02.01 - material science. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 1998.

Series of methods for the laboratory ageing of the structural steels in the gaseous hydrogen environment have been developed, which allow to simulate the structural degradation processes of materials in service. The effect of metal degradation on the characteristics of crack initiation and growth resistance has been considered. Relationships between the threshold characteristics of fatigue crack growth and the damage level has been determined. The effect of the hydrogen which is dissolved in metal on the parameters of fatigue crack growth resistance has been investigated. Inversion of hydrogen effect on fatigue threshold depending on the materia! state has been determined. An approach to evaluation of the residual life time of a steam pipe line steel from the point of view of the negative hydrogen effect has been proposed.

Key words: ageing, hydrogen, structural degradation, fatigue crack growth resistance, fatigue threshold, residual life time.

Віддруковано з готових оригіналів. Спосіб друку різографія. Обсяг 1 друк. лист. Тираж 100 Львів. ВКП”ВМС”(0322) 421-041