автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение надежности сварных листовых футерованных конструкций

На правах рукописи

ШНЕЙДЕРОВ Георгин Рафаиловмч

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СВАРНЫХ ЛИСТОВЫХ ФУТЕРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.23.01-Стронтельные конструкции, здания п сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003068481

Работа выполнена в Центральном орлепа Трудовою Красного Знамени научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций мм. II.Г1. Мельникова

Защита состоится 26 апреля 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 303.015.01 при ЦНИИПСК им. Мельникова по адресу: 117947, Москва, ул. Архитектора Власова, 49, к. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИПСК им. Мельникова.

Огзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим выслать в секретариат ученого совета по указанному выше адресу. Факс: (495) 960-22-77.'

11аучнып руководитель:

доктор технических наук Горнцкин Инталии Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических паук, профессор Поповским Богдан Васильевич

кандидат технических наук Кулик Дмитрии Владимирович

Ведущая организация:

Щ1ИИСК им. В.Л.Кучеренко, филиал ФГУ11 НИЦ «Строительство»

Автореферат разослан «

2007 г.

»

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 303.01 5..01. кандидат технических наук

П.Ю. Симон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Обеспечение надежности и долговечности ответственных металлических конструкций, таких как кожуха доменных печей (ДП) и воздухонагревателей (ВН), корпуса кислородных конвертеров и миксеров, рамные металлоконструкции промышленных зданий, является важной задачей в техническом, экономическом и экологическом аспектах. Длительная и надежная эксплуатация таких ответственных конструкций и оборудования требует решения ряда вопросов, связанных с изучением природы и закономерностей процессов, протекающих в материале сварных конструкций под воздействием эксплуатационных факторов, разработки и совершенствования методов достоверной оценки технического состояния оборудования и внедрения мероприятий по продлению ресурса его безопасной эксплуатации.

Особую актуальность этой проблеме придает известный факт, что основные производственные фонды России устарели, однако продолжают эксплуатироваться.

В процессе эксплуатации сварные металлоконструкции испытывают длительное воздействие нагрузок, температуры и среды, в результате чего происходит деградация их служебных свойств. Снижение свойств материла под воздействием эксплуатационных факторов может привести к достижению предельного состояния и, как следствие, к трещинообра-зованию или разрушению конструкций. Известно, что одним из наиболее опасных видов повреждений термоулучшенных сталей в условиях их длительной эксплуатации при повышенных температурах является тепловая хрупкость (ТХ). Однако, насколько механизм развития ТХ действует в сталях с ферритно-перлитной структурой, остается до сих пор не ясным. Отсутствует также достоверная информация о влиянии деградации металла сварных соединений в процессе эксплуатации на характеристики трещиностойкости (вязкость разрушения и величину критического раскрытия трещины).

В связи с этим проблема определения остаточного ресурса сварных конструкций и оборудования настоятельно выдвигает задачу уточнения фактических механических свойств металла конструкций и их сварных соединений (в том числе сопротивления хрупкому разрушению) под воздействием эксплуатационных факторов и задачу надежного прогноза изменения характеристик трещиностойкости во времени.

Все это подтверждает актуальность темы работы и определяет ее цель и задачи.

Цель работы: повышение надежности сварных листовых футерованных конструкций.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

■ провести систематические обследования сварных соединений кожухов ДП, ВН, конвертеров, миксеров, рамных строительных конструкций и т.п., эксплуатируемых в условиях стационарного и нестационарного воздействия повышенных (250-550°С) температур с целью установления причин хрупкого трещинообразования;

■ исследовать влияние теплового охрупчивания на характеристики статической трещиностойкости Кс (К,с) и 6С (6|С) сварных соединений ферритно-перлитных сталей;

■ разработать и внедрить методы диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений металлоконструкций на малых пробах, не требующих проведения последующего ремонта;

■ разработать и внедрить сталь для кожухов ДП с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию;

■ разработать методологические основы оценки технического состояния и на этой основе остаточного ресурса конструкций и оборудования с учетом изменения характеристик трещиностойкости при повышенных (250-550°С) температурах эксплуатации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые установлено, что причиной хрупкого трещинообразования кожухов доменных печей и воздухонагревателей, корпусов кислородных конвертеров и других футерованных конструкций, выполненных из ферритно-перлитных сталей, является развитие в них процессов тепловой хрупкости, приводящих к снижению характеристик трещиностойкости.

2. Предложен механизм развития тепловой хрупкости в ферритно-перлитных сталях при эксплуатации их в сварных футерованных конструкциях при повышенных температурах, заключающийся в одновременном протекании двух процессов: сегрегации вредных примесей типа фосфора по границам зерен и изменении размера и выделением по этим границам критической плотности карбидов.

3. На основе систематических исследований влияния длительности и температуры выдержки на характеристики сопротивления хрупкому разрушению и фрактографические особенности разрушения сварных соединений СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 10ХСНД, 09Г2С, 12Г2МФТ разработан метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций, учитывающий развитие в них повреждаемости по механизму ТХ. Основные положения этого метода включены в РД 11-288-99.

4. На основе установленных закономерностей изменения характеристик трещиностойкости Кс (К]С) и 5С (6,с) при тепловой хрупкости предложен метод расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций, учитывающий деградацию механических свойств сварных соединений под воздействием эксплуатационных факторов.

5. В металле кожуха доменной печи после длительной эксплуатации выявлено наличие зернограничной сегрегации фосфора, обусловливающей охрупчивание стали.

6. Для кожухов доменных печей разработана и внедрена свариваемая сталь 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию.

7. Установлена линейная зависимость между приростом критической температуры хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупких изломах образцов, которая легла в основу метода определения повреждаемости (охрупчивания) металла сварных соединений конструкций на малых пробах, не требующего последующего ремонта (патент РФ № 1249388.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты систематических обследований сварных футерованных конструкций и

исследований металла их сварных соединений в условиях длительного воздействия повышенных температур, позволившие установить причину их хрупкого трещинообразования.

2. Разработка научных положений и на их основе комплекса мероприятий по повышению надежности сварных футерованных конструкций, включающего разработку и внедрение:

• ферритно-перлитной стали 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию для кожухов ДП;

• метода оценки степени теплового охрупчивания конструкций с использованием микропроб,

• введение в практику оценки технического состояния конструкций определения степени охрупчивания и учет при оценке остаточного ресурса изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов.

3. Метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций, основанный на установленной линейной связи между увеличением в хрупких зонах изломов доли межзеренного разрушения и степени охрупчивания ферритно-

перлитных сталей в условиях длительного воздействия повышенных (250 + 500°С) температур.

4. Методика оценки на малых пробах степени повреждаемости металла и технического состояния металлоконструкций, подвергаемых длительному воздействию повышенных температур и агрессивных сред.

5. Закономерности влияния зернограничного охрупчивания на характеристики тре-щиностойкости конструкционных сталей, подвергнутых длительному воздействию повышенных (250 + 500°С) запроектных температур эксплуатации, учет которых обеспечивает надежную основу расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1. На базе выявленной линейной зависимости между приростом критической температуры хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупком изломе разработан фрактографичеекий метод диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений конструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах, на малых пробах, не требующий проведения последующего ремонта (патент № 1249388).

Указанный метод использован при оценке технического состояния и определении остаточного ресурса кожухов ВЫ СП АК "ТУЛАЧЕРМЕТ" и ОАО «Косогорский металлургический завод», корпусов миксеров, конвертеров, кожухов ВН и ДП и дуговых сталеплавильных печей ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" (г. Череповец), при определении степени теплового охрупчивания металла в кожухах ДП ММК (г. Магнитогорск) и НТМК (г. Нижний Тагил), а также сосудов и аппаратов ОАО "НОРСИ" (г. Кстово, более 500 ед.), ПО "НАФТАН" (г. Новополоцк, более 200 ед.).

2. Метод фрактографического определения степени охрупчивания сталей за счет ослабления границ зерен вошел составной частью в нормативные документы РД 03-421-01, РД 03-380-00 и РД 03-401-00.

3. Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технического документа РД-11-288-99, регламентирующего последовательность и объем работ, выполняемых при обследовании кожухов ДП и ВН.

4. Разработан способ ремонта кожухов ДП и ВН, испытавших охрупчивание, с использованием восстановительной термообработки мест разделки трещин до проведения сварки (патент по заявке №92002260/02).

5. Разработана (совместно с ЦНИИЧМ и НТМК) низколегированная толстолистовая сталь 09Г2МФБ для кожухов ДП большого объема с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию, обеспечивающая их продолжительную кампанию. В условиях НТМК проведена выплавка, прокатка и термообработка стали в толщинах 60 и 100 мм. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 14-1-4473-88 "Сталь листовая для кожухов ДП марки 09Г2МФБ. Опытная партия". Сталь 09Г2МФБ применена в кожухах трех ДП НТМК.

6. Результаты исследования склонности к ТХ сварных соединений использованы при выборе режимов сварки стали 10Х2ГНМ для ректоров гидрокрекинга нефти.

7. Результаты исследований внедрены в РД 26.260.16-2002 в части расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению при выявлении трещиноподобных дефектов и оценки склонности металла конструктивных элементов к хрупкому разрушению.

8. Результаты обследования по определению степени охрупчивания металла сварных кожухов ДП№5 ОАО «Северсталь» и ДП№5 ОАО «НЛМК» использованы при уточнении участков кожухов, подлежащих замене при проведении капитальных ремонтов.

9. На основе моделирования влияния состояния теплового охрупчивания на характеристики трещиностойкости ферритно-перлитной стали 16Г2АФ выполнен расчет срока воз-

можной эксплуатации кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» после ремонта с заменой части кожуха.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на VIII и IX научно-технических совещаниях по тепловой микроскопии "Структура и прочность металлических материалов в широком диапазоне температур" (Москва, 1978 г. и Фрунзе, 1980 г.); на IV Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1980 г.); на VIII Всесоюзной конференции по усталости металлов (Москва, 1982 г.); на совместном заседании Научно-методической комиссии по стандартизации в области фрактографии (секция "Расчеты и испытания на прочность НТС Госстандарта) и секции "Физические методы исследования" научного Совета АН СССР (Москва, 1982 г.); на Всесоюзных научно-технических конференциях "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов", Ижевск, 1984 и 1988 г.г.); на 5-ой Украинской конференции по металлическим конструкциям (Киев, 1992 г.); на II и III Международных конгрессах "Защита-95" и "Защита 98" (Москва, 1995 и 1998 г.г ).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, библиографического списка из 118 наименований, приложения с результатами внедрения. Работа изложена на 151 страницах, включающих п рисунков и 5$габлиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложено состояние проблемы, обоснована актуальность задачи повышения надежности и ресурса ответственных сварных конструкций и намечены пути решения поставленных задач.

Глава 1. Состояние вопроса

В этой главе рассмотрены условия эксплуатации сварных футерованных конструкций, а также рамных конструкций тепловыделяющих производств, и свойства сталей после длительной эксплуатации в этих условиях.

Проведен анализ случаев образования при эксплуатации футерованных конструкций дефектов и повреждений, в том числе возникновения и распространения протяженных хрупких трещин, часто приводящих к аварийному разрушению конструкций.

Спецификой работы футерованных конструкций является их работа при повышенных температурах. Анализ результатов исследований действительной работы ДП и ВН (Сорокин Л.А., Миллер В.Я., Кандаков Г.П., Беляев Б.Ф., Грацилев В.М., Любин А.Е., Шаломов В.В., Калугин Я.П., Горицкий В.М., Байшев Ю.П., Еремин К.И. и др.), конвертеров, опорных колец и миксеров (Майоров А.И., Шусторович В.М., Победоносцев А.И., Вагин B.C. и др), а также рамных конструкций цехов тепловыделяющих производств (Гладштейн Л И., Калашников Г.В., Гродзенский А.И., Нищета С.А и др.) показал, что температурные воздействия на металлоконструкции могут быть «штатными», предусмотренными проектом, и «нештатными», непредусмотренными проектными решениями, что обусловлено технологическими и эксплуатационными причинами (разгар и износ футеровки, выход из строя холодильников, отсутствие защитных экранов). Перегрев конструкций оказывает существенное влияние на изменение их напряженно-деформированного состояния (обычно общее напряженное состояние снижается, а локальные напряжения резко возрастают) и приводит к короблению, выпучиванию, а также к трещинообразованию. При этом температурные воздействия могут быть как длительными постоянными (сотни и тысячи часов), так и кратковременными повторяющимися (десятки минут), что обусловлено спецификой технологического процес-

са, временем обнаружения дефекта или заменой футеровки. Имеются данные, свидетельствующие об эксплуатации указанных конструкций при температурах от 200 до 600°С.

Анализ результатов обследований и испытаний кожухов ДП и ВН показал, что в процессе эксплуатации в них возникают существенные растягивающие напряжения (иногда превышающие предел текучести) как в кольцевом, так и в вертикальном направлениях. Наличие двухосного растяжения снижает деформативную способность кожуха и способствует его хрупкому разрушению. В практике эксплуатации ДП и ВН известны случаи, когда трещины достигали 6 и 7 м (печи Днепродзержинского завода), 12 м (печь КМК) и даже % длины мараторного кольца (печь Нижнетагильского завода).

Экспериментальные и теоретические исследования причин трещинообразования и напряженно-деформированного состояния кожухов ДП и ВН, выполненные специалистами ЦНИИПСК, МИСИ, Днепрпроектстальконструкция, ВНИИМТ, ВНИИМЧМ и др., позволили систематизировать основные трещины, возникающие в конструкциях при эксплуатации, по их местоположению, ориентации и протяженности, установить основные причины их образования (как конструктивно-технологического, так и эксплутационного характера) и разработать мероприятия но их предупреждению. Основные положения этих исследований нашли свое отражение в Руководстве ЦНИИПСК по расчету стальных конструкций ДП большого объема. Однако проблему надежности таких конструкций решить в полной мере до сих пор не удалось. Образование протяженных трещин имело место на ДП №5 ОАО «Северсталь», на воздухонагревателе ВН№2 ДП№1 «Тулачермет», на конвертерах ОАО «Северсталь» и других объектах. Наличие трещин и аварийных ситуаций приводит к непредусмотренным простоям оборудования и связанным с ними экономическим потерям. В связи с этим повышение надежности кожухов ДП, ВН и других футерованных конструкций было и остается актуальной задачей.

В существующем Руководстве ЦНИИПСК по расчету стальных конструкций ДП большого объема не учитывается напряженно-деформированное состояние в зонах с локальным перегревом, а также изменение свойств металла сварных соединений стали в процессе эксплуатации.

Вопросам исследования свойств стали после длительной эксплуатации посвящены работы Гейченко В Н., Чалого И.И., Смольяниновой H.A., Ильюшонок В.В., Гладштейна Л.И., Одесского П.Д., Губайдулина Р.Г., Шусторовича В.М., Винокурова В.А., Горицкого В.М., Грудева И.Д., Вострова В.К., Кандакова Р.П., Баско Е.М. и др. Установлено, что качество исследованного металла, если его оценивать в рамках требований ГОСТов, не может в большинстве случаев служить первопричиной образования хрупких трещин и разрушений футерованных конструкций. Для этого необходимы охрупчивающие факторы эксплуатационного характера, снижающие трещиностойкость сталей и их сварных соединений.

В работах Гладштейна Л И., Горицкого В.М., Астафьева A.A., Звездина Ю.И., Богданова В.И. и др. установлено существенное повышение критической температуры хрупкости в термоулучшенных сталях под длительным воздействием температур 300-500°С. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о влиянии длительного воздействия повышенных (300-500°С) температур на сопротивление хрупкому разрушению сталей с феррит-но-перлитной структурой в горячекатанном и нормализованном состояниях, в которых они, как правило, используются в сварных листовых футерованных конструкциях. Кроме того, в литературе практически отсутствуют данные о склонности к ТХ сварных соединений фер-ритно-перлитных сталей.

Проведенный анализ литературных данных позволил сформулировать цель работы и определить задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Глава 2. Анализ причин трещинообразования и экспериментальное исследование металла сварных соединений конструкции металлургического комплекса, эксплуатируемых при повышенных температурах

В данной главе представлены результаты анализа причин трещинообразования и экспериментальных исследований механических свойств, структуры и сопротивления хрупкому разрушению металла кожухов ДП и ВН, миксеров, конвертеров и рамных конструкций различных металлургических заводов после длительной эксплуатации (табл. 1).

При исследовании причин трещинообразования ДП №6 НЛМК на поверхности трещины выявлены характерные участки хрупкого разрушения, что связано с низким сопротивлением хрупкому разрушению металла зоны термического влияния и сварного шва.

Анализ причин трещинообразования корпуса миксера Днепровского металлургического завода (г. Днепродзержинск), произошедшего при ударе о него разливочного ковша, показал, что снижение сопротивления металла миксера произошло в процессе эксплуатации за счет перегревов до 300-500°С в результате развития в стали при этих температурах явления ТХ. Трещины имели хрупкий характер и распространялись на 1/6 периметра обечайки (по диаметру). Испытания на ударный изгиб образцов, вырезанных в непосредственной близости от поверхности трещины, показали, что материал корпуса миксера находился в хрупком состоянии. Критическая температура хрупкости Т50 (50% волокна в изломе) составляла 60°С. Фрактографический анализ, проведенный с целью выяснения причин снижения характеристик трещиностойкости металла, показал, что доля межзеренного разрушения, свидетельствующая о степени ослабления границ зерен, в отдельных зонах миксера достигала 35%, что и обусловило снижение сопротивления стали хрупкому разрушению.

Установлено, что одной из причин трещинообразования корпуса конвертера на металлургическом заводе им. Ильича в г. Мариуполе также явилось развитие в металле корпуса конвертера процессов ТХ, протекающих при эксплуатации при температурах выше регламентированных 300°С, что подтверждено результатами фрактографических и металлографических исследований. Учитывая, что характерным признаком развития ТХ является повреждаемость границ зерен, при исследовании металла обследованных конструкций использовали фрактографический метод с целью идентификации указанного вида эксплуатационной повреждаемости (табл.1).

Проведено исследование металла корпуса кислородного конвертера №3 КарМК, на корпусе которого имелись многочисленные латки и трещины длиной 4-6 м с раскрытием кромок до 60 мм и депланацией до 50 мм, местные выпучивания и прогары. Установлено, что сформировавшаяся в результате многократных перегревов крупнозернистая структура со сферическими по форме включениями перлита в зернах феррита обусловила повышение критической температуры хрупкости металла до 50+60°С.

При обследовании корпусов и опорных колец конвертеров №2 и №3 ОАО «Северсталь» выявлены зоны, в которых значения прочностных характеристик стали 09Г2С ниже минимальных значений, регламентированных ГОСТ 19282. Установлено, что разупрочнение стали и потеря необходимого уровня эксплуатационных свойств металла отдельных зон корпусов и опорных колец конвертеров обусловлены существенными изменениями структуры металла конвертера, вызванными нестационарными (нештатными) воздействиями на корпус при перегревах (износе футеровки). Степень сфероидизации некоторых проб оценивалась 4-6 баллами по шкале ВТИ (ОСТ 34-70-690-96), что свидетельствовало о воздействии на металл в процессе эксплуатации температур выше 500°С.

С целью уточнения зон ремонта кожуха ДП №5 ОАО «НЛМК» проведено его натурное обследование с выявлением дефектов, отбором проб и исследованием качества металла различных зон кожуха ДП. Система охлаждения доменной печи работала не на полную

Таблица 1.

Свойства стали кожухов ДП, ВН. миксеров и конвертеров после длительной эксплуатации

Места отбора проб Зона Марка Срок а<и /сг. 65, Т5„, Им,

стали эксп., лет МПа/МПа % °С %

фрагмент 1, ОМ 09Г2С 12 340/535 27 +40 24,2

ДП №10 фрагмент 2, ОМ 09Г2С 12 +60 22,2

зона горна фрагмент 3, ОМ 09Г2С 12 +140 61,0

фрагмент 4, ОМ 09Г2С 12 +70 16,2

ДП №10 фрагмент 1, ОМ 09Г2С 12 325/525 28 +20 4,5

зона лещади фрагмент 2, ОМ 09Г2С 12 +35 34,3

МШРДС 09Г2С 12 +25 -

МШ АС + 10 -

ДП №10 МШЭШС +35 18,4

ЗС, РДС +30 -

ЗС, ЭШС +35 -

ДП №9: зона горна ОМ 10ХСНД 12 455/560 25 +35 21,0

зона лещади ОМ 10ХСНД 12 +55 11,5

зона горна МШРДС 10ХСНД 12 +50 24,6

ДП №2 ОМ ВСтЗсп 9 +25 -

ДП №8 ОМ ВСтЗсп 34 +60 -

ВН №36, ММК ОМ 10Г2С1 22 +55 12,0

ВН №30, ММК, 1987г., 5=20 мм, ОМ 10Г2С1 17 326/513 32 + 12 9

ДП №6 НТМК, 1984 г. 8^10 мм, ОМ 09Г2С 342/507 28 +40 6

ДП №6, НТМК, 1987 г. 6^40 мм, ОМ 09Г2С 360/520 31 +40 13

ДП №6, НТМК, 1987 г. латка, 6=40мм, ОМ 09Г2С 342/510 27 +40 21

Миксер, НТМК, 1987г. 6=50 мм, ОМ 09Г2С 302/466 31 0 15

Конвертер, Жданов, ОМ(8=50 мм1 7 270/481 34 +85 31

1984 г. ОМ(8=70 мм) 318/477 29 +20 43

ВН №2, Тулачермет, 1999 ОМ, ШГД 14Г2, 37 300/457 27 0 31

г. ОМ, 5 пояс, (8=10 мм) 350/533 27 -42 12

Купол 226/432 +40 21

ВН №5 ДП№2 15 пояс СтЗкп 64 229/368 +22 16

Тулачермет, 2000 г. 4 пояс 233/358 +26 10

1 пояс 215/370 +31 16

ВН №6 ДП№2 15 пояс СтЗпс 64 260/388 +24 14

Тулачермет, 2000 г. 13 пояс 243/363 +15 8

10 пояс СтЗсп 262/437 +21 11

ВН №7 ДП№2 15 пояс СтЗкп 64 237/372 +31 27

Тулачермет, 2000 г. 8 пояс СтЗпс 233/375 +25 11

4 пояс 239/397 + 17 7

ВН №8 ДП№2 4 пояс СтЗкп 64 221/339 +37 29

Тулачермет, 2000 г 1 пояс 214/324 +31 18

ВН№4 ДП №2 ОАО Се- купол 09Г2С 351/569 29 13

версталь, 2005 г.

ВН№3 ДП №2 ОАО Се- купол 09Г2С 361/504 10 14

версталь, 2005 г.

отм.42,0 м 09Г2С 351/552 26 31

ВН№3 ДП №5 ОАО отм. 42,0 м 345/549 7 18

Северсталь, 2005 г. Зона ШГД, отм.27,000 м 350/552 23 35

Зона ШГД, отм.27,0 м 335/516 | 8 | 22

Обозначения: ДП - доменная печь, ВН - воздухонагреватель ДП; МШ- металл шва

мощность. В зоне заплечиков из 96 холодильников заглушены 3 холодильника: над чугунной леткой №1 - 1 и над чугунной леткой №4 - 2. В зоне распара из 48 холодильников заглушены 2: над чугунной леткой №1 - 1 и над чугунной леткой №2 - 1. В нижней части шахты в районе трубчатых секций из 720 заглушены ЗЗсекции.

По уровню ударной вязкости при отрицательных температурах металл зон кожуха, подвергавшихся в процессе эксплуатации интенсивным перегревам (о чем свидетельствуют структурные изменения, выраженные в сфероидизации перлита и его преимущественным расположением по границам зерен), не удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 19281-89 к толстолистовому прокату 325 класса прочности 12-й категории. Определены участки кожуха ДП №5 ОАО «НЛМК», подлежащие замене вследствие сниженного в результате эксплуатационных воздействий уровня механических характеристик и сопротивления хрупкому разрушению.

В рамках разработки мероприятий по продлению безопасного срока службы кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» проведено его натурное обследование. На кожухе ДП №5 выявлены ремонтные вставки (по 3 вставки около чугунных леток №№ 1, 2,4 и 6 вставок около чугунной летки № 3; 9 вставок на отм. 41,475; вставка в районе 39-го холодильника на кожухе лещади в 1-ом ряду холодильников), а также вертикальные ребра жесткости высотой 2485 мм на отм. 41475. Наличие принудительного охлаждения купола поливом водой и накладных наружных водяных холодильников в районе чугунных леток свидетельствовало о нестационарных нерегламснтированных температурных воздействиях на металл ДП в процессе эксплуатации. Результаты оценки прочностных характеристик показали, что металл проб из зон купола и шахты доменной печи, подвергавшихся в процессе эксплуатации нестационарным нагревам, приведшим к изменению структуры, имеет прочностные характеристики ниже требований ТУ 14-1-1779-76 к толстолистовому прокату из стали 16Г2АФ-Ш. Установлено, что в структуре металла отдельных зон купола и кожуха ДП №5 в процессе длительной эксплуатации произошли изменения, сопровождающиеся сфероидизацией перлита и его преимущественным расположением по границам зерен. Степень сфероидизации металла отдельных проб соответствовала 2-3 баллу по шкале ВТИ (ОСТ 34-70-690-96), что свидетельствовало о воздействии на металл в процессе эксплуатации повышенных (400 -500°С) температур. Формирование такой структуры в процессе эксплуатации обусловило

На кожухе доменной печи были выявлены следующие дефекты: над чугунной леткой №2 в зоне распара (отм.+18590) в районе монтажного люка - три трещины длиной 900 мм, 400 мм и 300 мм; над чугунной леткой №1 в зоне первого пояса трубчатых холодильников шахты (отм.+18590) - пять трещин длиной 1800 мм, 800 мм, 600 мм, 500 мм и 400 мм, площадь выпучивания 4-5 м2; в зоне первого ряда плито-вых холодильников шахты (4 пояс шахты, отм. +23600) над чугунной леткой №3 - зона выпучивания площадью 7-8 м2 и над чугунной леткой №1 - зона выпучивания площадью 4-5 м2 (рис.1). Определены фактические механические свойства и критические температуры хрупкости металла из различных зон кожуха ДП.

Рис. 1 Повреждения кожуха ДП №5 НЛМК: 1 - трещины; 2 -депланации и зоны перегревов.

ослабление когезивной прочности границ зерен феррита и некоторое (на 20-40 МПа) снижение его прочностных характеристик.

При обследовании ВН №8 ДП №2 Косогорского металлургического завода (КМЗ), изготовленного из стали СтЗпс и эксплуатируемого с 1938 г., наибольшее количество ремонтных вставок и выпучин, свидетельствующих о воздействии на металл на этом участке повышенных температур, выявлено в нижней части кожуха в зоне штуцера горячего дутья. Установлено, что металл кожуха в этой зоне характеризуется пониженными по сравнению с требованиями нормативных документов прочностными характеристиками и наибольшей степенью охрупчивания, связанной с ослаблением границ зерен.

Установлено, что в зонах с наибольшей концентрацией термических напряжений, таких как купола ДП и ВН, зоны чугунных и шлаковых леток ДП, зоны штуцеров горячего дутья, места локальных перегревов и т.д., имели место структурные изменения, сопровождающиеся сфероидизацией перлита и его перераспределением по границам зерен. Изменения структуры в этих зонах приводят к снижению уровня механических свойств стали ниже уровня, регламентированного соответствующими нормативными документами, и к повышению склонности стали к хрупкому разрушению. Типичные зоны повреждаемости и трещинообра-Рис. 1 Повреждения кожуха вн №2 ОАО КМЗ: зования на кожухах ВН показаны на рис.2. 1- трещины; 2 - депланации и зоны перегревов

Экспериментально показано, что доля межзеренного разрушения в металле из кожуха ДП №10 ММК достигает 61% для стали 09Г2С (ферритно-перлитная структура) при Т'5(1=160°С; 31% - для стали 09Г2С (ферритно-перлитная структура) из корпуса конвертера (МК им.Ильича, г. Мариуполь) при Т5о=85°С; 43% - для стали 09Г2С (ферритно-карбидная структура) из корпуса конвертера (МК им.Ильича, г. Мариуполь) при Т5о=20"С и т.д., что по уровню зернограничной повреждаемости соизмеримо с повреждаемостью металла, специально охрупченного в лабораторных условиях: 85% - для стали 10ХСНД с 0,043%Р (мартенсит отпуска) на базе 1000 ч выдержки при 450°С при Т5о=210°С (АТ50=215оС); 31% - для стали 10ХСНД (ферритно-перлитная структура) при Т5о=50°С (ДТ5о=30°С) на базе 5000 ч выдержки при 450°С.

Изменения структуры были выявлены также в подкрановых конструкциях конвертерных цехов на участках тепловыделяющих производств. При замере температур дистанционным инфракрасным термометром было установлено, что температура металла в подкрановых конструкциях рядов Е й Ж в осях 27-35 на отметке 21000 мм во время нахождения сталеразливочных ковшей достигает 200+400°С, а рядов Ж и И на отметке 28000 мм в осях 17-45 во время слива стали из ковшей в машины непрерывной разливки стали -300+.600°С. Результаты измерения температур металла подкрановых конструкций в зонах тепловых выделений, сопровождающих технологический процесс, подтверждены данными металлографического анализа. В структуре металла проб из ПБ (ряд Ж, оси 23-25, отметка 21000 мм), из ППФ (ряд Ж, оси 33-35, отметка 28000 мм), из ПБ (ряд И, оси 29-31, отметка 28000 мм), из ППФ (ряд И, оси 33-35, отметка 28000 мм) выявлена сфероидизация цементита в перлите и его "рассасывание" но границам зерен феррита, что характерно для структурных изменений, протекающих при температурах 500+650°С.

В нижних поясах ППФ ряда Г, подвергающихся тепловому воздействию, отмечены повреждения в виде коробления стенок, вызванных нагревом конструкций до температуры

выше 700°С, что могло произойти при неэффективности защитных экранов, изготовленных с конструктивными недостатками или поврежденными в процессе эксплуатации. Аналогичные деформации отмечены в нижних поясах 11! 1Ф по ряду И (в зонах, расположенных над УНРС), где теплозащита этих элементов на момент обследования отсутствовала.

Анализ металла исследованных конструкций и условий их работы показал, что в большинстве случаев снижение сопротивлений металла хрупкому разрушению обусловлено его эксплуатацией при повышенных температурах, о чем свидетельствовали либо непосредственные результаты замеров температур, выполненные при обследовании конструкций, либо данные мониторинга температурного режима, проводимого службами эксплуатации оборудования, либо структурные изменения, выявленные в процессе исследований металла конструкций!

Одной из причин межзеренного охрупчиваниа является сегрегация фосфора по границам зерен. 11а рис,3 представлены данные по концентрации фосфора на границах зерен

Видно, что в металле из кожуха ДП К» 10 Магнитогорского металлургического комбината после длительной эксплуатации зерногранич-нан концентрация фосфора достигает 3 аг% при концентрации фосфора к стали не более 0.035% (по массе) Превышение к приграничных объемах концентрации фосфора почти в 100 раз приводит к ослаблению границ зерен и, как следствие, к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению.

I la рис 3 представлены также данные лабораторных (^следований стали с феррито-псрлизЕЮй структурой до и после 10{Ю ч. выдержки при 4504' Зернеграничная концентрация фосфора достигает 5 ат.%. Представленные данные подтверждают факт протекания Процессов теплового охрупчивания S низколегированных сталях с ферритно-перлнтной структурой ггрп температурах 300-5004'

Таким образом, экспериментально установлено, что н металле кожухов Д11, Bl I и др. футерованных конструкций в процессе эксплуатации под воздействием повышенных температур происходит существенное зерпограничное охрупчивание, обусловленное сегрегацией фосфора по границам зерен.

Глава 3. Закономерности развития тепловой хрупкости в сварных соединениях низ коугле род истых и низколегированных сталей.

H данной главе приведены результаты исследований влияния повышенной температуры (300-550sQ) па характеристики сопротивления хрупкому разрушению свариваемых сталей различного состава и термообработки, применяемых в строительных металлических конструкциях

Исследованы механические свойства при статическом растяжс...... и склонность к ГХ

горячекатаных свариваемых строительных сталей СтЗсп, 1411 и 15ХСНД производства мс-■галлур! ического комбината «Азбвсталь», выплавленных на основе керченских руд с повышенным содержанием мышьяка (0.134-Ю. 145%). I¡оказано, что длительная (до 1000 ч) выдержка при 380°С горячекатаных сталей СтЗсп, 1412 и Ï5XCI1Д не изменяет их ферритно-перлитную структуру и оказывает слабое влияние па механические свойства при растяжении и на Tiil (ÂTjo =5-H5°C). В закален im-om у i цен ном состоянии (бейнитно-мартенситная

s ^ ï i 1 li . ïi I

Ml D'

□

Рнс.З. Величина тернограннчнои сефегации I* в стали 10ХСНД с феррит но- перлитной структурой (I - иех. сост.: 2- 450Т. 5000 ч); У- сталь 09Г2С из ДП N10 M M К после длительном

структура отпуска) наибольшую склонность к тепловому охрупчиванию проявляет сталь 15ХСНД с повышенным содержанием мышьяка. Если 100-часовая выдержка повышает Т50 образцов плавки с 0,016% Р и 0,057% А5 на 10°С, то плавки с 0,028% Р и 0,138% Аэ - на 35°С. Таким образом, в результате термического улучшения стали 15ХСНД Т50 снижается на 50+55°С, но при наличии в ней повышенного содержания Р и Ав ее склонность к ТХ увеличивается, что обусловливает повышенную склонность к хрупкому разрушению сварных соединений из стали 15ХСНД с повышенным содержанием мышьяка (0,134-Ю, 145%) и фосфора (>0,020%).

Влияние различных режимов термообработки на склонность к ТХ исследовано на примере низколегированной стали 12Г2МФТ (0,15% С; 1,50% Мп; 0,29% 81; 0,010% й; 0,017% Р; 0,04% Сг; 0,20% N1; 0,28% Мо; 0,04% Си; 0,013% ТЦ 0,012% Аэ; 0,006% А1). Заготовки из листов толщиной 45 мм в горячекатаном состоянии, после нормализации от 930°С и после закалки в воде от 930°С и отпуска при 680°С подвергли выдержке в течение 100+10000 ч при 450°С.

Установлено, что склонность стали 12Г2МФТ к ТХ существенным образом зависит от ее структуры. После выдержки 1000ч при 450°С наибольший прирост Т50 (45°С) наблюдается для металла в улучшенном состоянии со структурой сорбита отпуска и для поверхностных слоев горячекатаной стали (ЛТ50 =25°С), имеющей видманштгетову структуру с прослойками верхнего бейнита. Для стали со структурой феррит + бейнит + перлит, формирующейся при нормализации, повышение Т50 не превышает 5°С. Образование в структуре стали 12Г2МФТ продуктов сдвигового превращения вызывает существенное повышение ее склонности к ТХ. Развитие ТХ в стали 12Г2МФТ сопровождается ростом доли межкристал-литного разрушения. Если в улучшенном состоянии в изломе наблюдается 2% межкристал-литного разрушения, то после 3700 ч выдержки при 450°С - 23%. В нормализованной стали заметного ослабления границ кристаллитов не обнаружено.

Сравнительное изучение склонности к ТХ низколегированной стали с мартенситной, ферритно-перлитно-бейнитной и ферритно-перлитной структурами проведено на листовой стали 10ХСНД (толщиной 10мм) промышленной плавки (0,10% С; 0,90% 81; 0,57% Мп ; 0,58% №; 0,77% Сг; 0,30% Си; 0,020% 8; 0,030 %Р). Пластины размером 70x120x10 мм подвергли аустенитизации при температурах 920, 1050 и 1175°С в течение 1,5 ч. Закалку пластин проводили в воду с последующим отпуском при 680°С. Для получения ферритно-перлитной и ферритно-перлитно-бейнитной структур часть пластин охлаждали в печи и на возлухе. Выдержку пластин длительностью от 500 до 5000 ч проводили при 300+550°С.

Сталь 10ХСНД с исходной ферритно-перлитно-бейнитной структурой и структурой сорбита отпуска в большей степени подвержена охрупчиванию, чем сталь с ферритно-перлитной структурой (рис.4). После 5000 ч выдержки при 450°С Т50 стали с исходной структурой сорбита отпуска повышается на 70+80°С, а с ферритно-перлитной - на 30+35°С. Изменение температуры аустенитизации, вызывая изменение уровня Т50, практически не влияет на склонность стали 10ХСНД к ТХ, что, вероятно, обусловлено слабым влиянием температуры аустенитиза-Рис.4 Зависимость т50 стали юхснд от темпе- ции (в рассмотренном интервале температур) ратуры 1000 ч. выдержки, а - ферртно-перлитная На размер аустенитного зерна, структура; б - структура сорбита отпуска.

Максимальное охрупчивание стали 10ХСНД с исходной ферритно-перлитной структурой вызывает длительная выдержка при 400°С (АТ50=35), а стали со структурой сорбита отпуска - выдержка при 450°С (ДТ5о=5СИ-550С) (рис.4). Степень охрупчивания стали 1ОХСНД со структурой сорбита примерно в 2 раза выше, чем с ферритно-перлитной.

Исследовано влияние фосфора и молибдена, а также ванадия, применяемого в последнее время в качестве эффективного упрочнителя, на механические свойства и склонность к тепловому охрупчиванию термоулучшенной стали 1 ОХСНД. Химический состав исследованных плавок стали 1 ОХСНД, полученных фракционной разливкой, приведён в табл.2. Показано, что 1000 ч выдержка при 450°С слабо влияет на механические свойства исследованных плавок (см. табл. 3). Для стали базового состава (плавка 1) повышение (Год и ств составляло соответственно ~53 и ~15 МПа. Наиболее заметно изменение сто,2 и а, для плавки 2 - 53 и 48 МПа и плавки 4 - 68 и 60 МПа соответственно. Практически не изменяется уровень сто.2 и ств для плавки 3.

На пластические свойства стали (8 и тепловая выдержка оказывает меньшее влияние.

_ __Таблица 2.

Номер плавки Соде эжание элементов,%

С Мп Сг N1 Си Мо V N Б Р

1 0.073 0,6 0,66 0,84 0,73 0,40 - - 0,008 0,015 0,020

2 0,077 0,6 0,73 0,87 0,73 0,40 0,45 - - 0,015 0,020

3 0,088 0,6 0,88 0,90 0,80 0,43 - 0,13 0,022 0,015 0,020

4 0,085 0,6 0,73 0,85 0,74 0,40 - - 0,008 0,015 0,043

Установлено, что охрупчивание стали 1 ОХСНД в результате 1000 ч выдержки при 450°С существенно зависит от состава стали. Для плавок 1,2, 3 и 4 Т50 повышается соответственно на 160, 30, 260 и 215°С. Методом фрактографического анализа показано, что повышение Т50 сопровождается увеличением в хрупкой зоне изломов ударных образцов межкри-сталлитной составляющей }м- Для плавки 3, содержащей (У+М), повышение Т50 на 260°С сопровождается увеличением/м в изломе с 3 до 78%, ав плавке 4 (с повышенным содержанием фосфора) составляет 85% (Д/= 6% до выдержки). Легирование стали 0,45% Мо заметно тормозит развитие процессов теплового охрупчивания. Умеренное повышение Т50 на 30°С корелирует с незначительным увеличением/м в изломе (с 5 до18%).

_Таблица 3.

Номер "О 2 а. 5 т5„

плавки МПа % °с

1 453 613 23.3 65.3 -45

506 627 25,7 62,4 + 115

2 575 681 23.2 65.0 -60

628 729 26,1 58,9 -30

3 725 780 22.1 57.9 0

721 776 18,7 52,8 +260

4 506 635 25.4 64.6 -5

574 695 25,2 55,8 +210

По данным электронно-микроскопических исследований объемная плотность распределения частиц, расположенных по границам зерен, Ыгу, для плавок 1 и 4 возрастает вдвое. Аналогичным образом изменяется и доля границ, занятых карбидами. Наличие по границам зерен и субзерен повышенной плотности распределения карбидных выделений является одной из причин ослабления границ зерен при ТХ. Сегрегационное обогащение границ зерен и субзерен фосфором, ослабляя связь карбидной частицы с металлической матрицей, способствует дальнейшему развитию ТХ. При условии создания критической плотности распределения частиц выделений по границам зерен и субзерен легирование стали Мо снижает ее склонность к ТХ, но не в состоянии предотвратить ее полностью. По данным Оже-электронной спектроскопии границы кристаллитов стали плавки 4 после 1000

ч выдержки при 450°С обогащены фосфором до 16,4 ат.%. Зона обогащения фосфором -8+12 атомных слоев. Обогащения границ кристаллитов фосфором не удается обнаружить в стали плавки 3 (0,13%V). Сохранение пика углерода, связанного с карбидами, после «снятия» 5 атомных слоев согласуется с данными исследования тонких фольг о предпочтительном расположением карбидов по границам кристаллитов.

Исследована склонность к ТХ сварных соединений из стали 09Г2С (0,08% С; 1,6% Мп; 0,66% Si; 0,019% Р;. 0,012% S; 0,007% As), подвергнутой нормализации по стандартному режиму. Сварку пластин размером 20x220x550 мм с К-образной разделкой кромок проводили проволокой Св-08Г2С (ГОСТ 2246-70) встык полуавтоматом по двум режимам с те-пловложением 3400+3760 (режим 1) и 4050+4350 кДж/м (режим 2). Для определения склонности к ТХ ЗТВ и металла шва сварные заготовки выдерживали в течение 1000 ч в муфельной печи при температурах 340,480 и 540°С.

Установлено, что основной металл стали 09Г2С с ферритно-перлитной структурой не склонен к ТХ после выдержки 1000 ч в интервале температур 340+540°С. Выдержка практически не влияет на его ударную вязкость и Т50. Выдержка 1000 ч при 480°С приводит к повышению Т50 металла сварного шва до 75°С (режиму 1) и 55°С (режим 2). Т50 металла ЗТВ сварного соединения, выполненного по режиму 2, после 1000 ч выдержки при 480°С достигала +45°С. Значения Т50 металла ЗТВ сварного соединения, изготовленного по режиму 1, после 1000ч выдержки при 340, 480 и 540°С составляли 5+20°С.

Применение различных способов сварки при сооружении ответственных конструкций в еще большей степени расширяет спектр структур в околошовной зоне. Подробно влияние скорости охлаждения (Уохл) и, соответственно, структуры изучено на 2-х плавках стали 09Г2МФБ (с 0,06 и 0,12%С). Для моделирования структуры околошовной зоны сварных соединений использовали имитационный нагрев с помощью ТВЧ до 1300°С заготовок размера 6x11x55 мм. При этом Уохл. изменяли от 0,1 до 290°С/с, что позволило воспроизвести режим электрошлаковой (Уохл=0,5+3,0°С/с), автоматической и ручной дуговой сварки (Уохл=10+100°С/с). Установлено, что степень прироста Т50 стали 09Г2МФБ в ЗТВ сварки, имитируемой нагревом ТВЧ до 1300°С и охлаждением в различных средах, после выдержки при 450°С существенным образом зависит от Vmi (рис.5), формирующей ту или иную структуру металла ЗТВ.

Показано, что наибольшим сопротивлением ТХ обладает ферритно-перлитная структура (ДТ5о=10+20°С), образующаяся в околошовной зоне при электрошлаковой сварке (Уохл=0,5+3°С/с). Повышение VOM до 10°С/с, приводя к появлению в структуре бейнита и мартенсита, обуславливает рост склонности стали к ТХ (ЛТ5о=10-20°С). Таким образом, металл со структурой околошовной зоны, формирующейся при автоматической и ручной дуговой сварке без подогрева (У„хп=10-100"С/с), в наибольшей степени склонен к ТХ в условиях перегрева футерованной конструкции.

240

17-П11"/.,Г

Проведение ручной дуговой сварки в несколько проходов обуславливает многократное термическое воздействие на металл в околошовной зоне, что позволяет получить в ней ферритно-перлитную структуру с существенно большим сопротивлением развитию ТХ. Структура реечного (пакетного) мартенсита по сравнению с пластинчатым показывает наибольшую степень охрупчивания стали.

ою-1 ю° кг1 ю2 ю'

Уохл.> °С/С

Рис.5. Прирост критической температуры хрупкости ЛТ$0 в зависимости от скорости охлаждения Уахг стали 09Г2МФБ

Глава 4. Диагностические признаки развития ТХ в сварных соединениях конструкций.

В данной главе исследована связь ТХ со строением изломов сварных соединений и возможность диагностирования по результатам фрактографического анализа.

Из сопоставления размеров фасеток межзеренного (межсубзеренного) разрушения, фасеток хрупкого транскристаллитного скола, ферритного и бывшего аустенитного зерен установлено, что межкристаллитное разрушение может проходить по границам ферритных зерен, по границам раздела «феррит-колония перлита», по границам субзерен и пакетов мартенсита (бейнита), по границам бывших зерен аустенита.

Сравнительный анализа гистограмм распределения по размерам фасеток межсубзе-ренно-межзеренного разрушения и граней аустенитного зерна в исходном состоянии и после тепловой выдержки показал, что разрушение стали 10ХСНД (0,020% Р) в исходном состоянии происходит как по границам субзерен, так и по границам бывших аустенитных зерен, а после 1000 ч. выдержки при 450°С - преимущественно по границам бывших аустенитных зерен. Указанная закономерность увеличения размера фасетки межкристаллитного разрушения в процессе длительной выдержки при 450°С подтверждена также для плавок стали 10ХСНД с 0,045%Р и 0,13% V.

Установлено, что приведенная доля межзеренного разрушения (доля межзеренного разрушения только в хрупком изломе без учета участков пластической деформации) ДИ,, в широком диапазоне (100+150°С) не зависит от температуры испытания, является достаточно стабильной характеристикой и может быть принята в качестве критерия состояния границ зерен. Выявлена тесная связь прироста критической температуры хрупкости ЛТК с величиной ДРМ

По данным корреляционно-регрессионного анализа для стали 10ХСНД (С 0,081; $1 0,96; Мп 0,60; Сг 0,78; № 0,65; Си 0,52; в 0,035; Р 0,018; Ав 0,08%) при охрупчивании при температурах 340-550°С длительностью от 500 до 15000 ч получена связь между ДТ50 и ЛРМ в виде ЛТ5о=(18,4±3,6) + (1,24±0,14)ЛРМ (коэффициент линейной корреляции Я = 0,964, значение критерия Стьюдента I =14,56; табулированное значение 1=4,015 при уровне значимости я=0,001 и о =16). Величина ДТ500 =18,4°С отражает вклад в охрупчивание стали деформационного старения и не связана с ослаблением границ зерен и субзерен.

Для случаев реализации межсубзеренного разрушения аналогичная связь АТкр-ДТкдС и ЛРМ выявлена для термоулучшенных сталей 10ХСНД, 10ХН1М и 12ГН2МФАЮ -ДТКд с=(20,4 ±7,8) + (1,00± 0,27) ДРМ (И = 0,948, I = 11,18; табулированное значение I = 4,14 при ц = 0,001 и и = 14). Таким образом, и для этой группы термоулучшенных сталей с вероятностью более 99,9% наблюдается линейная связь между ДТКр=ДТкдс и ДРМ. Сравнительный анализ полученных прямых регрессий показал, что эти прямые являются экспериментальными приближениями одной и той же зависимости: соответствующие свободные члены и угловые коэффициенты двух сравниваемых прямых регрессии отличаются один от другого статистически незначимо.

Показано, что при распространении хрупких трещин по границам бывших аустенитных зерен интенсивность повышения Ткр с ростом Р„ существенно возрастает. Достоверность полученной зависимости проверена также на других низкоуглеродистых и низколегированных сталях.

В рамках экспериментального подтверждения разработанного В.М. Горицким обобщенного критерия вязко-хрупкого перехода для случая реализации межкристаллитного разрушения на сталях 10ХСНД со структурой сорбита отпуска и ферритно-перлитной структу-

т т \-Fjh Д/7/я(£ + 1) рои проанализирована связь Тк=Т5о от-и ДТ50 ---——, где ДРМ - разни-

ца в доле межкристаллитного разрушения до и после теплового охрупчивания; (1ф - размер фасетки транскристаллитного скола; ¡;= отношение размеров фасеток межкристал-

литного скола. Для расчета значении- использованы экспериментально наиден-

¿фО + ^Км)

ные значения dф, \ и Им по данным количественной фрактографии.

Получены зависимости для стали со структурой сорбита отпуска:

Т5о= 360,2-1038,8 —1~Гм и ДТ50 = 18,7 + 1866,8 ЛГ>"

и для стали с ферритно-перлитной структурой:

Тм = 382,9 - 986,8 Х~Гм— и ДТ50 = 8,05 + 1050 АРт

с1ф(\ + - ¿ф(\ + £Гтг)

Полученные уравнения дают возможность по данным фрактографического анализа определять непосредственно критическую температуру хрупкости и степень охрупчивания.

Глава 5. Влияние тепловой хрупкости на трещиностойкость сварных соединений.

В данной главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния теплового охрупчивания на характеристики трешиностойкости Кс (К1С) и 6С (б;с) сталей 10ХСНД, ЮХСНД-Ш, 10Х2ГНМ, 09Г2С и 16Г2АФ-Ш и их сварных соединений, их связи с фрактографическими параметрами излома, а также изложены некоторые положения учета изменений характеристик трешиностойкости при оценке остаточного ресурса конструкций.

Показано, что выдержка при 450°С толстолистовой (5=40 мм) стали ЮХСНД-Ш приводит к смещению кривых 6С - Тисп и Ки( Кс* ) - Тисп в область положительных температур примерно на 70-80°С за 1000 ч. и на 100-120 "С - за 4000 ч. Установлено существенное снижение характеристик трешиностойкости б^и 1мс в области хрупких и квазихрупких разрушений. Для стали ЮХСНД-Ш нижний шельф значений К|с снижается с 50,3 Мпа т/м в исходном состоянии до 31,4+37,1 МПа 4м после 1000 и 4000 ч. выдержки при 450°С.

Экспериментально установлено, что развитие в материале ослабления границ кристаллитов в результате длительного пребывания металла при повышенной температуре приводит к снижению трешиностойкости как стали 09Г2С с ферритно-перлитной структурой и ее сварных соединений, так и стали ЮХСНД со структурой мартенсита (бейнита) отпуска.

Методом корреляционно-регрессионного анализа установлены следующие зависимости между величиной снижения характеристик статической трещиностойкости (ДКстш и Д8стш) на нижнем шельфе температурной зависимости и изменением доли межзеренного разрушения (ДР„) в результате теплового охрупчивания:

ДКст'"= 37,389(1 - - ) (МПа^м) и Д5Г"=0,016ДРмх 10"2, мм

На стали 09Г2С толщиной 40 мм, изготовленной по СТП ММК 101-50-85 для кожухов ДП комбината, показано, что 1000 ч выдержка при 450°С снижает на 20% по сравнению с исходным состоянием значения критического коэффициента интенсивности напряжений Кс. При этом, в интервале зимних температур эксплуатации от -40 до 0°С существенно снижаются значения критического раскрытия трещины: в 2 раза при 0°С, в 3 раза при -20°С и в 4,6 раза при -40°С соответственно.

Тепловое охрупчивание ферритно-перлитной стали 15ХСНД сопровождается смещением кривых температурной зависимости трещиностойкости Кс = Г(Т„СП) и 5с = Г(ТИСП) в область более положительных температур (рис.6).

Установлена линейная корреляция

между к (температура, при которой в изломе компактных образцов наблюдается 50% волокна) и выражением

Рис.6 Влияние длительности выдержки при 450°С на К<. (заштрихованные символы) и 5С (полые символы) стали 15ХСНД (1 -исх. сост.; 2-1000 ч.; 3 - 5000 ч.)

("" ' " ), где <1 - размер зерна феррита, Рм - доля межзеренного разрушения. Коэффициент корреляции - 0,84.

Показано, что смещение кривых 5с - Тисп. и Кс( Кс* ) - Тисп после 1000 ч выдержки при 450°С в интервале вязко-хрупкого перехода на 20+40°С в область положительных температур для стали 16Г2АФ-Ш обусловлено повышением Им с 7,5% до 25,9%.

Глава 6. Разработка свариваемой стали для кожухов ДП, ВН и корпусов кислородных конвертеров с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию.

Одним из эффективных способов повышения надежности сварных футерованных конструкций является применение стали с более высокой хладостойкостью, не склонной к ТХ. Во-первых, это снижает вероятность трещинообразования в кожухе при низких температурах осенне-зимнего периода, во-вторых, обусловливает повышение работы распространения трещины, что уменьшает возможность развития особо опасных протяженных хрупких трещин; в-третьих, уменьшит степень влияния перегрева кожуха на эксплуатационные свойства стали.

В рамках реализации этого способа нами совместно с НТМК и ЦНИИчерметом разработана толстолистовая сталь 09Г2МФБ (ТУ 14-1-4473-88) с повышенным сопротивлением ТХ. В условиях НТМК проведено исследование влияния химического состава, способов выплавки (мартеновский, конвертерный), режимов прокатки и термообработки низколегированной стали 09Г2МФБ, обеспечивающей в готовом прокате толщиной до 50 мм включительно следующие механические свойства: ств > 480 МПа; от > 333 МПа, б5 >21%, КСУ"20 > 0,4 МДж/м2 и В"40 > 40%. На основании полученных результатов разработаны и введены в действие технические условия ТУ 14-1-4473-88 на листовую сталь 09Г2МФБ, предназначенную для кожухов ДП НТМК. Для использования стали 09Г2МФБ в корпусах кислородных конвертеров изучены свойства стали в прокате толщиной 100 мм. По результатам исследований внесены соответствующие изменения в ТУ 14-1-4473-88. Установлено, что по физико-механическим характеристикам сталь 09Г2МФБ производства НТМК превосходит сталь 09Г2С, применяемую для кожухов ДП. Сталь 09Г2МФБ в нормализованном состоянии обладает по сравнению со сталью 09Г2С при одинаковых толщинах повышенным сопротивлением хрупкому разрушению.

Совместно с ВНИИМОНТАЖСПЕЦСТРОЙ разработаны режимы электрошлаковой с ППМ, дуговой автоматической под флюсом и ручной сварок стали 09Г2МФБ применительно к кожуху ДП. Проведено исследование механических свойств и сопротивления хрупкому

разрушению сварных соединений стали 09Г2МФБ. Сталь обладает удовлетворительной свариваемостью, не склонна к образованию холодных трещин.

Установлено, что в нормализованном состоянии сталь 09Г2МФБ не склонна к тепловому охрупчиванию и с этой точки зрения обладает преимуществом перед широко используемой сталью 09Г2С. Имитационный нагрев до температур 450 и 550°С (интервал максимального охрупчивания) в течение 2000 ч не выявил склонности стали 09Г2МФБ к тепловому охрупчиванию, что указывает на высокое сопротивление металла трещинообразова-нию в условиях перегрева кожуха ДП. Металл сварных соединений стали 09Г2МФБ, выполненных по разработанным режимам, также характеризуется повышенным сопротивлением ТХ. Для металла шва и ЗТВ максимальное повышение Т50 после выдержки при 450°С в течение 500 ч, имитирующей длительный перегрев, не превышало 15°С, в то время как после 1000 ч выдержки при 480°С уровень Т50 металла шва и ЗТВ сварного соединения стали 09Г2С, выполненного автоматической сваркой, достигает 40 и 30°С соответственно.

Исследованы характеристики статической трещиностойкости сварных соединений стали 09Г2МФБ. Показано, что 1000 ч выдержка при 450°С не оказывает существенного влияния на положение температурных зависимостей характеристик трещиностойкости Кс (К,с) и 8С (61С) стали 09Г2МФБ с содержанием углерода 0,06 - 0,12%. Полученные данные указывают на повышенное сопротивление сварных соединений трещинообразованию в условиях локального перегрева металла кожуха. Установлено, что по характеристикам деформирования и разрушения при статическом и малоцикловом нагружении при повышенных температурах сталь 09Г2МФБ превосходит сталь 09Г2С.

На основании разработанной технологии получения металла выплавлены, прокатаны и термообработаны листы стали 09Г2МФБ пяти плавок для кожуха ДП № 6. В дальнейшем сталь 09Г2МФБ по ТУ 14-1-4473-88 была использована и на других доменных печах НТМК.

Глава 7. Разработка методов оценки степени повреждаемости металла, диагностики технического состояния конструкций, восстановления эксплуатационных свойств.

Обеспечение надежности, безопасности и долговечности строительных конструкций, эксплуатируемых в условиях стационарного или периодического нагрева, настоятельно требует решения проблемы количественной оценки степени охрупчивания металла сварных конструкций в процессе эксплуатации, а также разработки инженерных методов повышения сопротивления стали хрупкому разрушению и восстановления эксплуатационных свойств. Развитие межзеренного охрупчивания сталей, обусловливая снижение характеристик трещиностойкости, резко уменьшает критический размер трещины, вызывающей хрупкое разрушение металлоконструкций. При существенном охрупчивания стали возможно достижение такого состояния, когда размер опасного дефекта становится меньше размера, определяемого чувствительностью приборов дефектоскопического контроля, т.е. утрачивается возможность диагностирования технического состояния конструкций.

На основе установленной в главе 5 связи между Тк и фрактографическими параметрами излома разработан способ определения температуры хрупкости стали, защищенный патентом № 2060489, позволяющий определять степень зернограничного охрупчивания стали на основе фрактографических исследований хрупких зон изломов образцов и микропроб по доле межзеренного разрушения по соотношению:

ЛТК= Ткэ - Тки = ЛТК° + к(Рмэ- Рми), где Тки и Ткэ - критические температуры хрупкости стали до и после эксплуатации конструкции соответственно; ЛТК° - постоянная материала, зависящая от типа структуры: ДТК° = 10 °С для стали со структурой феррита и феррита + перлита, ДТ„° =20 °С для стали со струк-

турой мартенсита и бейнита, в том числе мартенсита и бейнита отпуска, и смешанной структурой, в которой присутствуют продукты сдвигового (бездиффузионного) превращения; к — коэффициент пропорциональности, зависящий от вида межкристаллитного разрушения: к=3,0°С/% для межзеренного разрушения по границам бывших зерен аустенита в сталях, структура которых образовалась по сдвиговому механизму превращения, и к=1,04°С/% для межсубзеренного разрушения в сталях, структура которых образовалась по сдвиговому механизму превращения, и межзеренного разрушения в сталях, испытавших диффузионное превращение; Р\,э и ГмИ - приведенные доли межкристаллитной составляющей в хрупких зонах изломов металла после эксплуатации и в исходном состоянии соответственно. При отсутствии данных о Км11 принимают (в запас) РмИ = 0.

В основу метода положен экспериментально установленный для сталей различного состава факт отсутствия в широком температурном интервале (100-150°С) зависимости доли межкристаллитного разрушения в хрупком изломе от температуры испытания, что позволило использовать долю межзеренного разрушения в качестве критерия состояния границ зерен, определяющего сопротивление стали хрупкому разрушению при ТХ. Разработанная методика определение степени зернограничного охрупчивания предусматривает отбор микропробы, получение хрупкого излома, проведение количественого фрактографиче-ского анализа и определения степени охрупчивания ЛТ„ по указанной зависимости. Микропробы размером 1,2-1,5x2-5x10-20 мм отбирают от конструкции механическим или физическим способом, не нарушая ее целостности. Основанием для применения метода микропроб является совпадение условий хрупкого разрушения в макрообразцах и микрообразцах. С целью достижения условий хрупкого разрушения микропробу подвергают охлаждению до хрупкого состояния. Результаты определения степени охрупчивания стали за счет ослабления границ зерен под воздействием эксплуатационных факторов использованы при определении технического состояния и остаточного ресурса сосудов давления, резервуаров, трубопроводов, кожухов ДП и ВН. Разработанная методика вошла составной частью в РД 03380-00 «Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением», в РД 03-410-01 «Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов», в РД 03-421-01 «Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов».

Одним из эффективных способов повышения долговечности и надежности конструкций, эксплуатируемых при 150-550°С, является восстановительная термообработка. Изучены режимы термообработки, обеспечивающие восстановление эксплуатационных свойств металла до уровня исходного состояния путем устранения эффекта теплового охрупчивания и не требующие осуществления в стали фазовых превращений. Установлено, что наиболее полное восстановление сопротивления охрупченных сталей СтЗ и 09Г2С хрупкому разрушению происходит в результате нагрева до 610-680°С длительностью 10-20 мин за счет устранения зернограничной хрупкости. Применение указанного способа восстановления свойств стали для фрагмента корпуса кислородного конвертера (после 7 лет эксплуатации) с толщиной листа 70 мм позволило снизить Т50 на 65°С. Технически проведение восстановительной термообработки обеспечивается путем газопламенного нагрева или нагрева гибкими пальцевыми нагревателями. Принцип восстановления свойств стали заложен в разработанный способ ремонта кожуха ДП (патент №92002260/02), заключающийся в том, что стальную конструкцию (из стали ВСтЗсп или 09Г2С), эксплуатирующуюся при повышенных температурах, ремонтируют путем предварительного подогрева и термообработки с последующей заваркой трещин.

Расчет остаточного ресурса сварных футерованных конструкций проводили на основе учета как скорости общей коррозии стенок, так и скорости снижения характеристик

трещиностойкости Кс, вызванной охрупчнванием металла кожуха под воздействием эксплуатационных факторов. Эта методика учитывает реальную дефектность сварных конструкций, находящуюся за пределами чувствительности применяемых средств дефектоскопического контроля. Пределы чувствительности для стыковых и угловых сварных соединений сосудов при использовании методики УЗК приведены в ОСТ 26-2044-83 "Швы стыковых и угловых сварных соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Методика УЗК". Максимальная глубина невыявляемого методами УЗК дефекта, соответствующего его площади по ОСТ 26-2044-83, принимается равной диаметру круга с площадью невыявляемого дефекта.

Расчет остаточного ресурса кожухов ДП и ВН проводили из условия равенства максимальных действующих напряжений в местах наибольшей концентрации напряжений, зависящих от утонения стенки в результате общей коррозии, и предельных напряжений, зависящих от степени охрупчивания металла (основного металла, зоны термического влияния, сварного шва) под воздействием эксплуатационных факторов (среды, теплового охрупчивания, деформационного старения и др.). Предельные напряжения выше первой критической температуры хрупкости принимали в соответствии с ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Предельные напряжения ниже первой критической температуры хрупкости металла кожуха определяли критическим значением коэффициента интенсивности напряжений, концентрацией напряжений и размерами трещиноподобных дефектов, пропускаемых дефектоскопическим контролем.

По результатам расчета остаточного ресурса кожухов воздухонагревателей СП АК «ТУЛАЧЕРМЕТ» и в случае его отсутствия или определенных ограничений назначали компенсирующие мероприятия, обеспечивающие их безопасную эксплуатацию. Так для ВН №2 СП АК «ТУЛАЧЕРМЕТ» в связи с исчерпанием ресурса были рекомендованы установка страховочных бандажей и замена всех участков с толщиной кожуха менее 8,5 мм. Для ВН №7 ОАО «Косогорский металлургический завод». С целью предупреждения образования трещин вследствие возможного перенапряжения кожуха от кольцевых напряжений на уровне 17-19 поясов в зимнее время эксплуатации рекомендовано не допускать температуру кожуха ниже 30°С, что может быть обеспечено за счет создания режима естественной конвекции путем защиты от ветрового потока, или созданием системы обдува горячим воздухом.

Для кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» была проведена оценка остаточного ресурса на следующую кампанию с учетом прогноза изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов. В результате расчета определено распределение температур по толщине стенки для 24 расчетных сечений печи при различных режимах работы и определены напряжения в кожухе и футеровке. Согласно результатам расчета прочность всех рассчитанных участков с учетом принятой скорости коррозии 0,1 мм/год обеспечена на период следующей кампании (до 2018 г.). Наиболее опасным сечением, по расчету, является сечение в нижней части заплечиков, где кольцевые напряжения при наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации (в зимний период при 90-процентном износе рабочего слоя футеровки) достигают величины <т0 =126 МПа. Запас по прочности в опасном сечении составил величину 2,7.

Расчет трещиностойкости кожуха выполняли в предположении, что на опасном участке имеется меридиональная трещина большой протяженности. Глубину трещины принимали равной допустимой глубине подреза в сварном шве / = 1 мм . Коэффициент интенсивности напряжений для длинной краевой трещины вычисляли по формуле К = 1.

Консервативную оценку характеристик трещиностойкости стали 16Г2АФ-Ш на период до 2018 г. с учетом возможного охрупчивания под воздействием эксплуатационных факторов осуществляли с учетом скорости межзеренного охрупчивания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе выполненного комплекса обследований и исследований повреждаемости металла сварных кожухов ДП, ВН, миксеров, конвертеров, рамных строительных конструкций и т.п., изготовленных из ферритно-перлитных сталей (СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 10ХСНД, 09Г2С, 12Г2МФТ, 16Г2АФ) и эксплуатируемых в условиях стационарного и нестационарного воздействия повышенных (250-550°С) температур, сделан вывод о том, что причиной хрупкого трещинообразования указанных конструкций является тепловая хрупкость.

2. Установлено, что снижение сопротивления хрупкому разрушению ферритно-перлитных сталей в процессе эксплуатации при повышенных (250-550"С) температурах в кожухах ДП , ВН, корпусах кислородных конвертеров, миксерах и других объектах металлургического комплекса связано с характерными для развития процессов ТХ зерногранич-ной сегрегацией вредных примесей типа фосфора и образованием по границам зерен повышенной плотности распределения карбидов, обусловливающих ослабление когезивной прочности границ зерен.

3. Впервые в металле кожуха доменной печи после длительной эксплуатации и в фер-ритно-перлитной стали после длительной тепловой выдержки при повышенной температуре обнаружена повышенная зернограничная сегрегация фосфора.

4. На основе выполненных экспериментальных исследований и анализа причин трещинообразования разработан комплекс мероприятий по повышению надежности сварных футерованных конструкций, включающий разработку и внедрение

• ферритно-перлитной стали 09Г2МФБ для кожухов ДП с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию;

• метода оценки степени теплового охрупчивания конструкций с использованием микропроб,

• введение в практику оценки технического состояния конструкций определения степени охрупчивания и учет при оценке остаточного ресурса изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов;

• метода восстановительного отпуска сварных конструкций, испытавших тепловое охрупчивание.

5. Установлены закономерности развития тепловой хрупкости в ферритно-перлитных сталях сварных футерованных конструкций, эксплуатируемых при температурах 250-550°С.

6. Для свариваемых сталей с различным типом структуры выявлен диапазон температур (Т50 + -150°С), в котором доля межзеренного разрушения не зависит от температуры испытания. Доля межзеренного разрушения является свойством материала, отражающим состояние границ зерен и может быть использована в качестве критерия повреждаемости металла конструкций в результате длительного воздействия повышенных (250-550°С) запро-ектных температур.

7. Выявлена линейная зависимость между приростом критической температуры хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупких изломах сварных соединений конструкций.

8. Разработан фрактографический метод определения степени охрупчивания металла сварных конструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах, на малых пробах, не требующий последующего ремонта. Метод защищен патентом РФ (№1249388). Методика фрактографического определения степени охрупчивания сталей за счет ослабления границ зерен вошла составной частью в нормативные документы РД 03-421-01, РД 03-380-00 и РД 03-401-00.

9. Разработан способ ремонта кожухов ДП и ВН с использованием восстановительной термообработки мест разделки трещин до проведения сварки (патент №92002260/02). Показано, что в сварных соединениях сталей 09Г2С и 10ХСНД устранение ТХ достигается кратковременной выдержкой длительностью 10-20 мин в интервале температур 600-680°С.

10. Разработана (совместно с ЦНИИЧМ) низколегированная толстолистовая сталь 09Г2МФБ для кожухов ДП большого объема с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию, обеспечивающая их продолжительную кампанию и отличающуюся от стали 09Г2С более высокими характеристиками прочности и хладостойкости. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 14-1-4473-88 "Сталь листовая для кожухов ДП марки 09Г2МФБ. Опытная партия". В условиях НТМК проведена выплавка, прокатка и термообработка стали в толщинах 50 и 100 мм. Сталь 09Г2МФБ применена в кожухах трех ДП НТМК.

11. Обоснован порядок продления срока службы кожухов ДП и ВН, включающий визуальный и инструментальный контроль объектов, исследование фактических свойств металла и степени охрупчивания по результатам исследования малых проб и расчетную оценку остаточного ресурса с учетом выявленных дефектов и деградации свойств металла в результате длительной эксплуатации. Разработан РД 11-288-99, регламентирующий последовательность и объем работ, выполняемых при обследовании кожухов ДП и ВН. Показано, что для надежного определения технического состояния кожухов ДП и ВН при их диагностировании необходима оценка степени снижения характеристик трещиностойкости металла под воздействием эксплуатационных факторов.

12. Результаты исследований внедрены в РД 26.260.16-2002 в части расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению при выявлении трещиноподобных дефектов и оценки склонности металла конструктивных элементов к хрупкому разрушению.

13 Результаты обследования кожухов ДП № 5 ОАО «Северсталь» и ДП № 5 ОАО «НЛМК» с определением степени теплового охрупчивания сварных соединений позволили уточнить участки кожухов, подлежащих замене при проведении капитальных ремонтов.

14. На основе экспериментального моделирования влияния состояния теплового охрупчивания на характеристики трещиностойкости ферритно-перлитной стали 16Г2АФ выполнен расчет срока возможной эксплуатации кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» после ремонта с заменой части кожуха.

15. Материалы и результаты исследований использованы при оценке технического состояния и определении остаточного ресурса кожухов воздухонагревателей СП АК «ТУЛАЧЕРМЕТ» и ОАО «Косогорский металлургический завод», корпусов миксеров и дуговых сталеплавильных печей, кожухов воздухонагревателей ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" (г. Череповец), при определении степени теплового охрупчивания металла в кожухах доменных печей ММК (г. Магнитогорск) и НТМК (г. Нижний Тагил), при выборе режимов сварки стали 10Х2ГНМ для реакторов гидрокрекинга нефти.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шнейдеров Г.Р. Изучение механических свойств и структуры низколегированных сталей, применяемых в ответственных металлоконструкциях, эксплуатируемых в условиях длительного воздействия повышенных температур // Проектирование металлических конструкций: сб. научн.тр. ЦНИИпроектстальконструкция. М. 1977, серия 17, вып.9 (99). С.17-20.

2. Богданов В.И., Гладштейн Л.И., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Влияние фосфора, ванадия и молибдена на склонность к тепловому охрупчиванию термоулучшенной стали 10ХСНД // Металловедение и термическая обработка металлов,-1979, №9. С. 16-18.

3. Горицкий В.М., Гладштейн Л.И., Шнейдеров Г.Р. Исследование тепловой хрупкости низколегированных термоулучшенных сталей // Известия АН СССР. Металлы. - 1982, №2. С. 150-156.

4. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Применение метода электронной фрактографии для определения смещения критической температуры хрупкости низкоуглеродистых термоулучшенных сталей в результате длительного воздействия повышенных температур/ Сб. тезисов докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов". УНЦ АН СССР, Ижевск -1984. С. 79-81.

5. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Склонность к тепловой хрупкости сталей СтЗсп, 14Г2 и 15ХСНД с повышенным содержанием мышьяка // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. №11. С.29-32.

6. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Баско Е.М. Склонность к тепловой хрупкости сварных соединений стали 09Г2С // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. №4. С.24-27.

7. Горицкий В.М, Ульянова Т.Н., Зайцева Т.Г., Шнейдеров Г.Р. О причинах трещино-образования в корпусах кислородных конвертеров // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1987. № 1.С.57-60.

8. Горицкий В.М, Ульянова Т.Н., Шнейдеров Г.Р., Зайцева Т.Г. Восстановление эксплуатационных свойств ферритно-перлитных сталей, применяемых в сварных футерованных конструкциях//Металлургическая и горнорудная промышленность. 1987. № 1. С.57-60.

9. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Софронов K.M., Марсуверский Б.А., Червяков Б.Д., Маслюк В.М. Толстолистовая сталь 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением ТХ для кожухов доменных печей и воздухонагревателей //Металлургическая и горнорудная промышленность. 1990. №2. С.12-14.

10. Горицкий В.М, Баско Е.М., Ханухов Х.М., Шнейдеров Г.Р., Марсуверский Б.А. Влияние повышенных температур эксплуатации на малоцикловую прочность и трещино-стойкость стали 09Г2МФБ для сварных футерованных конструкций // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1992. № 2. С.30-32.

11. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Заварыкин Л.Г. Способы повышения сопротивления трещинообразованию сварных футерованных конструкций //Металлургическая и горнорудная промышленность. 1991. № 1. С.38-40.

12. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Новые подходы к оценке остаточного ресурса металлургического оборудования // Промышленное и гражданское строительство. 1996. №5. С.31-32.

13. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Метод восстановительной термообработки футерованных конструкций и сосудов давления с повышенной температурой эксплуатации // Промышленное и гражданское строительство. 1997. №6. С.20-22.

14. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Особенности диагностирования технического состояния кожухов доменных печей и воздухонагревателей // Промышленное и гражданское строительство. 1998. N5. С.11-13.

15. Арпохов В.Н., Щербаков Е.А., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. О состоянии подкрановых конструкций корпуса конвертерного производства ОАО «Северсталь» // Промышленное и гражданское строительство. 2001. №6. С.31-34.

16. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Склонность к тепловой хрупкости стали 10ХСНД. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. №2. С.15-17.

17. Байшев Ю.П., Корольков П.М., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Сварка и термообработка при ремонте листовых конструкций // Монтажные и специальные работы в строительстве. 1995. №10. С.30-32.

18. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Маслюк В.М. Склонность к хрупкому разрушению сварных соединений стали 09Г2МФБ, подверженных длительному тепловому воздействию II Проблемы прочности. 1990. №9. С. 33-40.

19. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Влияние теплового охрупчивания на трещино-стойкость низколегированных сталей // Трещиностойкость строительных металлоконструкций: сб. научн. труд. ЦНИИпроектстапьконструкция. М. 1986. С.51-60.

20. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Влияние структурных факторов на сопротивление хрупкому разрушению строительных сталей, подвергнутых стационарному или случайному нагреву // Трещиностойкость строительных металлоконструкций: сб. научн. труд. ЦНИИ-проектстальконструкция. М. 1986.С.61-68.

21. Патент №92002260/02. РФ. Способ ремонта кожуха ДП. Байшев Ю.П., Горицкий

B.М., Шнейдеров Г.Р., Зайцева Т.Г., Иванов Г.П., Корольков П.М., ВНИИГПЭ. М., 1992 г.

22. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Влияние структуры на склонность к тепловой хрупкости стали 12Г2МФТ // Металловедение и термическая обработка металлов. 1988. №7.

C.5-8.

23. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Методика фрактографического определения теплового охрупчивания сталей для металлоконструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах // Металловедение и термическая обработка металлов. 1988. №9. С.66.

24. Патент 1249388 РФ. Способ определения температуры хрупкости стали / Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. // Б.И., 1988, № 29.

25. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Кулемин A.M., Еремин К.И., Матвеюшкин С.А. Повышенное сопротивление стали хрупкому разрушению - гарантия надежности сварных футерованных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2004. №5. С.31-32.

Обеспечение надежности и долговечности сварных футерованных металлических конструкций, таких как кожуха доменных печей (ДП) и воздухонагревателей (ВН), корпуса кислородных конвертеров и миксеров и др. является важной задачей в техническом, экономическом и экологическом аспектах.

Аварийное разрушение таких конструкций может привести к человеческим жертвам и многомиллионным затратам на ремонт. Сооружение же новых конструкций является дорогостоящей и не всегда необходимой операцией. В связи с этим представляется целесообразным выполнение комплекса работ по продлению срока их службы.

При этом следует учитывать, что указанные объекты связаны между собой в рамках металлургического производства, и авария или остановка по каким-то причинам одного из них неизбежно приводит к нарушению ритма планомерной работы других объектов, что влечет за собой непредусмотренные простои и экономические потери.

Особенностью эксплуатации сварных футерованных конструкций является тот факт, что футеровка оказывает существенное дополнительное воздействие на металлический кожух и в случае ее разрушения или износа может привести к перегреву кожуха и неравномерным деформациям. В этих условиях могут оказаться также зоны металлических конструкций цехов металлургических предприятий, в которых нагрев металла происходит от открытого зеркала расплавленного металла или складируемой «горячей» продукции.

Анализ результатов исследований действительной работы ДП и ВН [13], конвертеров[ 4 ] показал, что в процессе эксплуатации кожухи ДП и ВН и корпуса конвертеров подвергаются «нештатным», непредусмотренными проектными решениями, температурным воздействиям. Перегревы оказывают существенное влияние на изменение напряженнодеформированного состояния и приводят к короблению, выпучиванию, а также к трещинообразованию. В этих условиях конструкции длительное время работают при повышенных запроектных температурах. При этом температурные воздействия могут быть как длительными постоянными (сотни и тысячи часов), так и кратковременными повторяющимися (десятки минут), что обусловлено особенностями технологического процесса, временем обнаружения дефекта или замены износившейся футеровки или вышедших из строя холодильников. Имеются отдельные данные [5, 6], свидетельствующие об эксплуатации указанных конструкций при температурах 300-600°С. Под воздействием этих температур в материале сварных конструкций развиваются процессы охрупчивания, которые при определенных условиях и при наличии в сварных соединениях всевозможных дефектов, являющихся концентраторами местных напряжений, повышают риск хрупкого разрушения. Практика эксплуатации футерованных конструкций указывает на образование и распространение в них протяженных хрупких трещин, иногда приводящих к их аварийному разрушению. Очаги зарождения трещин расположены, как правило, в сварных швах или околошовных участках, а также в зонах концентраций напряжений.

Анализ причин трещинообразования указывает на недостаточную хладостойкость сталей, используемых в кожухах ДП и ВН. Кроме того, при эксплуатации конструкций при температурах 300-550°С в стали могут развиваться процессы тепловой хрупкости, обусловливающие снижение служебных характеристик металла, особенно сопротивление хрупкому разрушению.

Известно, что химический состав стали оказывает существенное влияние на ее сопротивление хрупкому разрушению. Повышенное сопротивление стали и ее сварных соединений тепловой хрупкости наряду с высокой хладостойкостью и трещиностойкостью относятся к числу важнейших требований, сформулированных в последние годы к металлу сварных соединений для кожухов ДП и ВН [7-9].

Разработка и внедрение стали для кожухов ДП, отвечающей этим требованиям, позволит предотвратить развитие в металле конструкций процессов тепловой хрупкости и сохранить на необходимом уровне служебные свойства стали и ее сварных соединений, в том числе, характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения).

Длительная и надежная эксплуатация сварных футерованных конструкций требует решения ряда вопросов, связанных с изучением природы и закономерностей процессов, протекающих в материале под воздействием эксплуатационных факторов, разработкой и совершенствованием методов диагностики и достоверной оценки их технического состояния и внедрением мероприятий по продлению ресурса их безопасной эксплуатации.

Особую актуальность этой проблеме придает известный факт, что основные производственные фонды России устарели, однако продолжают эксплуатироваться.

В процессе эксплуатации сварные металлоконструкции испытывают длительное воздействие нагрузок, температуры и среды, в результате чего происходит деградация их служебных свойств. Снижение свойств металла под воздействием эксплуатационных факторов может привести к достижению предельного состояния и, как следствие, к трещинообразованию или разрушению конструкций. Все это делает необходимым наряду с традиционными методами оценки прочности конструкций, основанными на коэффициентах запаса, разрабатывать и применять новые подходы для оценки предельного состояния конструкций, в том числе по критериям трещиностойкости.

В инженерной практике исходными данными для определения допустимых размеров дефектов служат значения критических коэффициентов интенсивности напряжений К^, Кс, 8С, 1-ингеграл и другие параметры, характеризующие величину разрушающих напряжений (деформаций) при известной длине трещины. Охрупчивание металла в процессе эксплуатации приводит к изменению характеристик его трещиностойкости и, соответственно, к уменьшению размеров допускаемых трещиноподобных дефектов, что может сказаться на безопасности конструкции.

Известно, что одним из наиболее опасных видов повреждений термоулучшенных сталей в условиях их длительной эксплуатации при повышенных температурах является тепловая хрупкость. Однако насколько механизм развития тепловой хрупкости действует в сталях с ферригно-перлитной структурой, используемых для изготовления сварных футерованных конструкций, остается до сих пор неясным. Отсутствует также достоверная информация о влиянии деградации металла сварных соединении в процессе эксплуатации на характеристики трещиностойкости (вязкость разрушения и величину критического раскрытия трещины).

Обеспечение длительной и надежной эксплуатация сварных футерованных конструкций возможно только на базе научно-обоснованного подхода к проблеме определения остаточного ресурса, основанного на достоверной оценке их технического состояния. Важнейшими составляющими такого подхода являются задачи определения изменений свойств металла сварных соединений конструкций (в том числе сопротивления хрупкому разрушению) под воздействием эксплуатационных факторов и надежного прогноза изменения характеристик трещиностойкости металла во времени. При этом необходим индивидуальный подход к каждому элементу кожуха с целью вскрытия резервов прочности и трещиностойкости металла.

Следовательно, расчет ресурса должен включать в себя оценку степени охрупчивания металла сварных соединений под воздействием эксплуатационных факторов. Это дает возможность более точно подойти к оценке остаточного ресурса конструкции, уточнить зоны конструкций, подлежащие замене и обосновать периодичность проведения обследования.

В связи с тем, что различные элементы конструкций испытывают разное воздействие силовых и температурных нагрузок, и имеют, соответственно, различный уровень повреждения, методика расчета остаточного ресурса конструкции с учетом изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов должна предусматривать возможность оценки уровня повреждаемости, характеристик трещиностойкости, механических свойств и критических температур хрупкости металла в различных зонах конструкции, а также возможность их прогнозирования.

Однако производить вырезку крупноразмерных фрагментов, необходимых для определения механических свойств и характеристик трещиностойкости на стандартных образцах из различных зон футерованных конструкций практически не представляется возможным.

В связи с этим остро стоит вопрос о создании и внедрении в практику освидетельствования сварных футерованных конструкций неразрушающих методов диагностики технического состояния конструкций, позволяющих быстро и надежно получать достоверные характеристики механических свойств и трещиностойкости и на их основе оценивать степень эксплуатационного повреждения металла конструкций. Такая оценка является важным фактором, определяющим безопасность работы сварных футерованных конструкций на протяжении длительных сроков эксплуатации, особенно в тех случаях, когда нет возможности определения механических свойств и характеристик вязкости разрушения непосредственно на стандартных образцах. Разработка и использование такой методики является актуальной задачей при решении проблемы определения остаточного ресурса сварных футерованных конструкций и обоснованного принятия решения о продлении сроков их службы. Наличие такой методики особенно ценно тем, что позволяет быстро и надежно получать достоверные характеристики металла из различных зон конструкций, не нарушая их целостности.

В связи с этим необходимо разрабатывать и развивать неразрушающие методы диагностирования конструкций, позволяющие оценивать степень деградации служебных свойств металла под воздействием эксплуатационных факторов. Имеющиеся в настоящее время методики базируются на определении твердости и оценке механических свойств по существующим корреляционным зависимостям. Широкое развитие нашла безобразцовая технология определения механических свойств, основанная на методе кинетической твердости, получившая широкое применение в атомной энергетике [10]. Однако эта методика не позволяет оценивать критическую температуру хрупкости и характеристики трещиностойкости металла сварных соединений конструкций.

Разработка и внедрение метода диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений металлоконструкций на малых пробах, основанного на установленных металлофизических закономерностях и не требующего проведения последующего ремонта, позволит быстро и надежно, без нарушения целостности конструкции, получать достоверные характеристики механических свойств и трещиностойкости различных участков кожуха, оценивать степень и скорость эксплуатационного повреждения металла сварных футерованных конструкций и на их основе осуществлять прогноз уровня указанных характеристик на срок следующей кампании.

Поэтому разработка методики оценки степени повреждения (охрупчивания) и фактических свойств металла конструкций, в том числе характеристик трещиностойкости (К1С, Кс, 8С, 1С) по результатам исследования микропроб является актуальной задачей при решении проблемы определения остаточного ресурса металлоконструкций и обоснованного принятия решения о продлении сроков их службы.

Все это подтверждает актуальность темы работы и определяет ее цель и задачи.

Цель работы: повышение надежности сварных листовых футерованных конструкций.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- провести систематические обследования сварных соединений кожухов ДП, ВН, конвертеров, миксеров, рамных строительных конструкций и т.п., эксплуатируемых в условиях стационарного и нестационарного воздействия повышенных (250-550оС) температур с целью установления причин хрупкого трещинообразования;

- исследовать влияние теплового охрупчивания на характеристики статической трещиностойкости Кс (Kic) и 8С (Sic) сварных соединений ферритно-перлитных сталей;

- разработать и внедрить методы диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений металлоконструкций на малых пробах, не требующих проведения последующего ремонта;

- разработать и внедрить сталь для кожухов ДП с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию;

- разработать методологические основы оценки технического состояния и на этой основе остаточного ресурса конструкций и оборудования с учетом изменения характеристик трещиностойкости при повышенных температурах (250-550°С) эксплуатации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Впервые установлено, что причиной хрупкого трещинообразования кожухов ДП и ВН, корпусов кислородных конвертеров и других футерованных конструкций, выполненных из ферритно-перлитных сталей, является развитие в них процессов тепловой хрупкости, приводящих к снижению характеристик трещиностойкости.

2. Предложен механизм развития тепловой хрупкости в ферритно-перлитных сталях при эксплуатации их в сварных футерованных конструкциях при повышенных температурах, заключающийся в одновременном протекании двух процессов: сегрегации вредных примесей типа фосфора по границам зерен и изменении размера и выделением по этим границам критической плотности карбидов.

3. На основе систематических исследований влияния длительности и температуры выдержки на характеристики сопротивления хрупкому разрушению и фрактографические особенности разрушения сварных соединений СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 10ХСНД, 09Г2С, 12Г2МФТ разработан метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций, учитывающий развитие в них повреждаемости по механизму тепловой хрупкости. Основные положения этого метода включены в РД 11288-99.

4. На основе установленных закономерностей изменения характеристик трещиностойкости Кс (К 1с) и 5с (81с) при тепловой хрупкости предложен метод расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций, учитывающий деградацию механических свойств сварных соединений под воздействием эксплуатационных факторов.

5. В металле кожуха ДП после длительной эксплуатации выявлено наличие зернограничной сегрегации фосфора, обусловливающей охрупчивание стали.

6. Для кожухов ДП разработана и внедрена свариваемая сталь 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию.

7. Установлена линейная зависимость между изменениями критической температуры хрупкости и доли межзеренного разрушения в хрупких изломах образцов, которая легла в основу метода определения повреждаемости (охрупчиваиия) металла сварных соединений конструкций на малых пробах, не требующего последующего ремонта (патент РФ № 1249388.

Основные положения, выносимые на защиту.

Результаты систематических обследований сварных футерованных конструкций и исследований металла их сварных соединений в условиях длительного воздействия повышенных температур, позволившие установить причину их хрупкого трещинообразования.

Разработка научных положений и на их основе комплекса мероприятий по повышению надежности сварных футерованных конструкций, включающего разработку и внедрение ферригно-перлитной стали 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию для кожухов ДП, метода оценки степени теплового охрупчиваиия с использованием микропроб, введение в практику оценки технического состояния конструкций определения степени охрупчиваиия и учет при оценке остаточного ресурса изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов.

Метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций, основанный на установленной линейной связи между увеличением в хрупких зонах изломов доли межзеренного разрушения и степени охрупчиваиия ферритно-перлитных сталей в условиях длительного воздействия повышенных (250 + 500°С) температур.

Методика оценки на малых пробах степени повреждаемости металла и технического состояния металлоконструкций, подвергаемых длительному воздействию повышенных температур и агрессивных сред.

Закономерности влияния зернограничного охрупчиваиия на характеристики трещиностойкости конструкционных сталей, подвергнутых длительному воздействию повышенных температур (250 * 500°С) температур эксплуатации, учет которых обеспечивает надежную основу расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1. На базе выявленной линейной зависимости между приростом критической температуры хрупкости и увеличением дож межзеренного разрушения в хрупком изломе разработан фрактографический метод диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений конструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах, на малых пробах, не требующий проведения последующего ремонта (патент № 1249388). Указанный метод использован при оценке технического состояния и определении остаточного ресурса кожухов ВН СП АК "ТУЛАЧЕРМЕТ" и ОАО «Косогорский металлургический завод», корпусов миксеров, конвертеров, кожухов ВН и ДП и дуговых сталеплавильных печей ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" (г. Череповец), при определении степени теплового охрупчивания металла в кожухах ДП ММК (г. Магнитогорск) и НТМК (г. Нижний Тагил), а также сосудов и аппаратов ОАО "НОРСИ" (г. Кстово, более 500 ед.), ПО "НАФТАН" (г. Новополоцк, более 200 ед.).

2. Метод фрактографического определения степени охрупчивания сталей за счет ослабления границ зерен вошел составной частью в нормативные документы РД 03-421-01, РД 03-380-00 и РД 03-401-00.

3. Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технического документа РД-11-288-99, регламентирующего последовательность и объем работ, выполняемых при обследовании кожухов ДПиВН.

4. Разработан способ ремонта кожухов ДП и ВН, испытавших охрупчивание, с использованием восстановительной термообработки мест разделки трещин до проведения сварки (патент по заявке №92002260/02).

5. Разработана (совместно с ЦНИИЧМ и НТМК) низколегированная толстолистовая сталь 09Г2МФБ для кожухов ДП большого объема с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию, обеспечивающая их продолжительную кампанию. В условиях НТМК проведена выплавка, прокатка и термообработка стали в толщинах 60 и 100 мм. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 14-1-4473-88 "Сталь листовая для кожухов ДП марки 09Г2МФБ. Опытная партия". Сталь 09Г2МФБ применена в кожухах 5 ДП НТМК.

6. Результаты исследования склонности к тепловой хрупкости сварных соединений использованы при выборе режимов сварки стали 10Х2ГНМ для реакторов гидрокрекинга нефти.

7. Результаты исследований внедрены в РД 26.260.16-2002 в части расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению при выявлении трещиноподобных дефектов и оценки склонности металла конструктивных элементов к хрупкому разрушению.

9. Результаты обследования по определению степени охрупчивания металла сварных кожухов ДП №5 ОАО «Северсталь» и ДП №5 ОАО «НЛМК» использованы при уточнении участков кожухов, подлежащих замене при проведении капитальных ремонтов.

10. На основе моделирования влияния состояния теплового охрупчивания на характеристики трещиностойкости ферритно-перлитной стали 16Г2АФ выполнен расчет срока возможной эксплуатации кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» после ремонта с заменой части кожуха.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе выполненного комплекса обследований и исследований повреждаемости металла сварных кожухов ДП, ВН, миксеров, конвертеров, рамных строительных конструкций и т.п., изготовленных из ферритно-перлигных сталей (СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 10ХСНД, 09Г2С, 12Г2МФТ, 16Г2АФ) и эксплуатируемых в условиях стационарного и нестационарного воздействия повышенных (250-550оС) температур, сделан вывод о том, что причиной хрупкого трещинообразования указанных конструкций является тепловая хрупкость.

2. Установлено, что снижение сопротивления хрупкому разрушению ферритно-перлитных сталей в процессе эксплуатации при повышенных (250-550оС) температурах в кожухах ДП , ВН, корпусах кислородных конвертеров, миксерах и других объектах металлургического комплекса связано с характерными для развития процессов ТХ зернограничной сегрегацией вредных примесей типа фосфора и образованием по границам зерен повышенной плотности распределения карбидов, обусловливающих ослабление когезивной прочности границ зерен.

3. Впервые в металле кожуха доменной печи после длительной эксплуатации и в ферритно-перлитной стали после длительной тепловой выдержки при повышенной температуре обнаружена повышенная зернограничная сегрегация фосфора.

4. На основе выполненных экспериментальных исследований и анализа причин трещинообразования разработан комплекс мероприятий по повышению надежности сварных футерованных конструкций, включающий разработку и внедрение

• ферритно-перлитной стали 09Г2МФБ для кожухов ДП с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию;

• метода оценки степени теплового охрупчивания конструкций с использованием микропроб,

• введение в практику оценки технического состояния конструкций определения степени охрупчивания и учет при оценке остаточного ресурса изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов;

• метода восстановительного отпуска сварных конструкций, испытавших тепловое охрупчивание.

5. Установлены закономерности развития тепловой хрупкости в ферритно-перлитных сталях сварных футерованных конструкций, эксплуатируемых при температурах 250-550оС.

6. Для свариваемых сталей с различным типом структуры выявлен диапазон температур (Т50 + -150оС), в котором доля межзеренного разрушения не зависит от температуры испытания. Доля межзеренного разрушения является свойством материала, отражающим состояние границ зерен и может быть использована в качестве критерия повреждаемости металла конструкций в результате длительного воздействия повышенных (250-550оС) запроектных температур.

7. Выявлена линейная зависимость между приростом критической температуры хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупких изломах сварных соединений конструкций.

8. Разработан фрактографический метод определения степени охрупчивания металла сварных конструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах, на малых пробах, не требующий последующего ремонта. Метод защищен патентом РФ (№1249388). Методика фрактографического определения степени охрупчивания сталей за счет ослабления границ зерен вошла составной частью в нормативные документы РД 03-421-01, РД 03-380-00 и РД 03-401-00.

9. Разработан способ ремонта кожухов ДП и ВН с использованием восстановительной термообработки мест разделки трещин до проведения сварки (патент №92002260/02). Показано, что в сварных соединениях сталей 09Г2С и ЮХСНД устранение ТХ достигается кратковременной выдержкой длительностью 10-20 мин в интервале температур 600-680оС.

10. Разработана (совместно с ЦНИИЧМ) низколегированная толстолистовая сталь 09Г2МФБ для кожухов ДП большого объема с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию, обеспечивающая их продолжительную кампанию и отличающуюся от стали 09Г2С более высокими характеристиками прочности и хладостойкости. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 14-1-4473-88 "Сталь листовая для кожухов ДП марки 09Г2МФБ. Опытная партия". В условиях НТМК проведена выплавка, прокатка и термообработка стали в толщинах 50 и 100 мм. Сталь 09Г2МФБ применена в кожухах трех ДП НТМК.

11. Обоснован порядок продления срока службы кожухов ДП и ВН, включающий визуальный и инструментальный контроль объектов, исследование фактических свойств металла и степени охрупчивания по результатам исследования малых проб и расчетную оценку остаточного ресурса с учетом выявленных дефектов и деградации свойств металла в результате длительной эксплуатации. Разработан РД 11-288-99, регламентирующий последовательность и объем работ, выполняемых при обследовании кожухов ДП и ВН. Показано, что для надежного определения технического состояния кожухов ДП и ВН при их диагностировании необходима оценка степени снижения характеристик трещиностойкости металла под воздействием эксплуатационных факторов.

12. Результаты исследований внедрены в РД 26.260.16-2002 в части расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению при выявлении трещиноподобных дефектов и оценки склонности металла конструктивных элементов к хрупкому разрушению.

13 Результаты обследования кожухов ДП № 5 ОАО «Северсталь» и ДП № 5 ОАО «НЛМК» с определением степени теплового охрупчивания сварных соединений позволили уточнить участки кожухов, подлежащих замене при проведении капитальных ремонтов.

14. На основе экспериментального моделирования влияния состояния теплового охрупчивания на характеристики трещиностойкости ферритно-перлитной стали 16Г2АФ выполнен расчет срока возможной эксплуатации кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» после ремонта с заменой части кожуха.

15. Материалы и результаты исследований использованы при оценке технического состояния и определении остаточного ресурса кожухов воздухонагревателей СП АК «ТУЛАЧЕРМЕТ» и ОАО «Косогорский металлургический завод», корпусов миксеров и дуговых сталеплавильных печей, кожухов воздухонагревателей ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" (г. Череповец), при определении степени теплового охрупчивания металла в кожухах доменных печей ММК (г. Магнитогорск) и НТМК (г. Нижний Тагил), при выборе режимов сварки стали 10Х2ГНМ для реакторов гидрокрекинга нефти.

1. Сорокин JI.A. Работа конструкций доменных печей. М. Металлургия, 1976.-352 с.

2. Грацилев В.М. Люблин А.Е., Миллер В.Я. Реконструкция, ремонт и техническая эксплуатация стальных конструкций доменной печи. -М.Металлургия, 1984.-128 с.

3. Байшев Ю.П. Доменные печи и воздухонагреватели. Екатеринбург: УрО РАН, 1995. 993 с.

4. Майоров А.И., Победоносцев А.Н., Ахвердян A.C. Температурный режим корпуса и опорного кольца конвертера / Труды ВНИИметмаш, М., 1979. № 57. - с.50-57

5. Бабарыкин H.H., Горбунов Г.В. Причины изменения стойкости шахты доменных печей ММК. Сталь №6,1981.-С.7-12.

6. Millet L.W. High temperature friend and enemy of steel. Iron and Steel Engineer, 1980, No. 2, p. 46-51.

7. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Заварыкин Л.Г. Способы повышения сопротивления трещинообразованию сварных футерованных конструкций //Металлургическая и горнорудная промышленность. 1991. № 1. С.38-40.

8. Потемкина Е.К., Харчевников В.П., Летвиненко Д.А., Гладштейн Л.И., Лактюшин B.C., Силкин В.Н., Бабицкий М.С., Иващенко Г.А. Сталь для кожухов доменных печей. Сталь, 1990, №6. С.76-80.

9. Бакиров М.Б., Потапов В.В. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграммевдавливания шарового индентора., Заводская лаборатория. Диагностика материалов., №12.,2000., Том 66., с.35-44.

10. Стрелецкий Н.С., Беленя Е.И., Ведеников B.C. и др. Металлические конструкции. Специальный курс. М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. С. 367.

11. Лессиг E.H., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1970. - 487 с.

12. Металлические конструкции. Справочник проектировщика под ред. Н.П. Мельникова. М.: Стройиздат, 1980. 776 с.

13. Миллер В.Я., Корчагин A.B., Толоконников В.Г. Стальные конструкции комплекса доменной печи и газоочистки. М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. 275 с.

14. Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983. С. 544.

15. Мельник В.И., Шейнкин Б.Л., Шнейдеров Р.Г. Сборка и сварка листовых строительных конструкций. М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. С. 176.

16. Эксплуатация современной доменной печи / Ю.П. Волков, Л.Я. Шпарбер, А.К. Гусаров, В.М. Федченко М.: Металлургия, 1991. - 240 с.

17. Жеребин Б.Н. Практика ведения доменной печи. М.: Металлургия, 1980.-248 с.

18. Остроухое М.Я., Шпарбер Л.Я. Эксплуатация доменных печей. М.: Металлургия, 1975.- 168 с.

19. Поведение конструкций доменных печей в процессе их эксплуатации. 4.1. Разрывы кожухов доменных печей. М.: ЦНИИПСК, 1961.

20. Бабарыкин H.H., Горбунов Г.В. Причины изменения стойкости шахты доменных печей ММК. Сталь №6,1981. С. 7-12.

21. Бабарыкин H.H., Горбунов Г.В., Манаенко И.П., Полушкин М.Е. Исследование износа шахты доменной печи. Сталь №1,1982. С. 18-21.

22. Бабарыкин H.H., Горбунов Г.В. Влияние бокового давления потокашихты на износ огнеупорной кладки доменной печи. Сталь №2, 1986. С. 1522.

23. Волков Ю.П., Бабушкин Н.М., Носенко В.И. и др. Анализ простоев доменных печей по отрасли. М.: Черметинформация,-1981.- С. 47.

24. Жило Н.Л., Першина Р.Ф., Белова A.A. U причинах ускоренного износа кладки и холодильников доменных печей ММК. Сталь №4, 1977. С. 300-304.

25. Кудинов Г.А. Охлаждение современных доменных печей. М: Металлургия, 1988. 256 с.

26. Половченко И.Г. Движение шихтовых материалов и газов в доменной печи. М.: Металлургиздат, 1958. 164 с.

27. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. Свердловск: Металлургиздат, 1960. 286 с.

28. Стойкость кладки шахт доменных печей и пути ее повышения. Толстая В.Я., Старшинов Б.Н., Пигак Н.В., Сафронова В.П., Карякин Л.И. Сталь№1,1980.-С. 11-14.

29. Леонидов Н.К. Сооружения и оборудование доменных цехов. М.: ГОНТИ, 1955.-400 с.

30. Материалы по эксплуатации доменных печей и мероприятия по продлению срока их службы. Отчет о НИР. М.: ЦНИИПСК, 1958. 299 с.

31. Evans J.L. Workmann G.M. Journal of the Iron and Steel Institute, 1973, v. 211, №4, p. 264-273.

32. Evans J.L. Refractories; Journal, 1971, v. 46, April, p. 6-8; 11-14; 1722.

33. В.Ф. Новиков, B.M. Федченко. Повышение качества экспертизы технических устройств, расчет продолжительности кампании, степени старения и остаточного ресурса доменной печи. Сталь 2004. №4. С. 11-12.

34. РД-11-288-99. Методика определения технического состояния кожухов доменных печей и воздухонагревателей. М.: ЦНИИПСК, 1999.

35. Исследование трещинообразования в листовыхметаллоконструкциях, подверженных неравномерному нагреву. Рекомендации по повышению надежности кожухов доменных печей и воздухонагревателей. Отчет о НИР. М: ЦНИИПСК, 1983г.-135с.

36. Шкляр Ф.Р. , Малкин В.М., Каштанов С.П. и др. Доменные воздухонагреватели. М.: Металлургия, 1982., 176 с.

37. Майоров А.И. Создание и исследование основных агрегатовконвертерных цехов: Дисс. докт. техн. наук. -М., 1980.-557 с.

38. Майоров А.И., Победоносцев А.Н., Ахвердян A.C. Температурный режим корпуса и опорного кольца конвертера / Труды ВНИИметмаш, М., 1979. № 57. - с.50-57.

39. Millet L.W. High temperature friend and enemy of steel. Iron and Steel Engineer, 1980, No.2, p. 46-51.

40. Майоров А.И., Решетов В.И., Грушин Н.В. Передвижной миксер емкостью 159 т. Труды ВНИИметмаш.-М.: 1976. №45, с.67-72.

41. Майоров А.И., Решетов В.И., Победоносцев А.Н. Грушин Н.В. Передвижной миксер емкостью 420 т. Труды ВНИИметмаш.-М.: 1976. №45, с.72-88.

42. Майоров А.И., Решетов В.И., Заков Л.П. Передвижные миксеры большой емкости. Создание и исследование сталеплавильных агрегатов машин непрерывного литья высокой производительности. Сб. научн. трудов ВНИИметмаш. М.: 1981. с.3-9.

43. Заков Л.П., Колбина М.А. Исследование и внедрение передвижного миксера емкостью 600 т. Создание и исследование сталеплавильных агрегатов машин непрерывного литья высокой производительности. Сб. научн. трудов ВНИИметмаш. М.: 1981. с. 10-19.

44. Анализ аварийных отказов доменного оборудования и металлоконструкций за 1984 г. Отчет о НИР, № г.р. 03850011891, Днепропетровск, ВНИИМЧМ, 1985.

45. Гавриленко Н.Г., Носенко В.И., Довгань Л.В. О корреляционной связи между состоянием системы охлаждения и отказами кожуха доменной печи. В кн. Металлургическое машиностроение и ремонт оборудования, вып. 4. М.: Металлургия, 1975, с. 114-117.

46. Исследование причин разрушения кожухов доменных печей, воздухонагревателей и газопроводов. Разработка рекомендаций по увеличению их долговечности и ремонтопригодности. Отчет о НИР. М.: ЦНИИПСК, 1981,100с.

47. Рекомендации по устранению дефектов в кожухах существующих ВН доменных печей СССР. М.: ЦНИИПСК, 1973.

48. Исследование трещинообразования в листовых металлоконструкциях, подверженных неравномерному нагреву. Рекомендации по повышению надежности кожухов доменных печей и воздухонагревателей. Отчет о НИР. М: ЦНИИПСК, 1983г.-135с.

49. Исследование влияния остаточных сварочных напряжений на малоцикловую прочность стали 09Г2С в местах перегревов. Отчет о НИР. М.: МИСИ им. В.В.Куйбышева, 1985. 107 с.

50. Хеллан К. Введение в механику разрушения: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-364 с.

51. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, Гл. ред. физико-математической литературы, 1985. - 504 с.

52. Грудев И.Д., Востров В.К., Голыбин А.Н. Трещинообразование в кожухах доменных печей и воздухонагревателей от локального нагрева. Строительная механика и расчет сооружений. 1982, №1, с.

53. Гладштейн Л.И., Калашников Г.В., Гродзенский А.И. О повреждении конструкций кислородно-конвертерного цеха // Промышленноеи гражданское строительство. 1996. - № 7. - с. 33-34.

54. Артюхов В.Н., Щербаков Е.А., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. О состоянии подкрановых конструкций корпуса конвертерного производства ОАО «Северсталь» // Промышленное и гражданское строительство. 2001. №6. С.31-34.

55. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Новые подходы к оценке остаточного ресурса металлургического оборудования. Промышленное и гражданское строительство. -1996. N5. - с.31-32

56. Гейченко В.Н., Чалый И.И., Смольянинова H.A., Ильюшонок В.В. исследование свойств и структуры стали после эксплуатации на кожухах доменных печей. Металлургическая и горнорудная промышленность, 1986, №1, с. 16-17.

57. Программа расчета футерованных конструкций доменных комплексов РАФК-ПК. М.: ЦНИИПСК, 1990г. 251 с.

58. Руководство по расчету стальных конструкций доменных печей большого объема. М.: ЦНИИПСК, 1975.

59. Руководство по проектированию стальных конструкций объектов комплексов доменных печей большого объема. М.: ЦНИИПСК, 1998.

60. СНиП II 23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1995.

61. Востров В.К., Баско Е.М., Горицкий В.М., Кандаков Г.П. Трещинообразование в кожухах доменных печей.- Строит, механика и расчет сооружений. -1987.-N2. -с. 16-19.

62. Мельников Н.П., Баско Е.М., Беляев Б.Ф. Инженерный метод расчета строительных металлических конструкций на хрупкую прочность // Исследование хрупкой прочности строительных металлических конструкций.

63. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. - М.: Машиностроение. 1973. - 200 с.

64. СНиП Ш 18-75. Правила производства и приемки работ. Металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1976. - 160 с.

65. Богданов В.И., Владимиров С.А., Гладштейн Л.И., Горицкий В.М. Тепловое охрупчивание низколегированной стали 10ХСНД в условиях длительных выдержек при 340-450 оС // Проблемы прочности. 1976. - № 7. с. 65-73.

66. Богданов В.И., Гладштейн Л.И., Горицкий В.М. Структура и сопротивление тепловому охрупчиванию низколегированной термоулучшенной стали 10ХН1М // Проблемы прочности. 1978. - № 2. - с. 93-99.

67. Горицкий В.М., Гладштейн Л.И., Орлова В.Н., Пичий Э.И. Склонность к тепловому охрупчиванию низколегированной термоулучшенной стали 12ГН2МФАЮ // Проблемы прочности. 1982. - № 1. -с. 103-108.

68. Гладштейн Л.И. Влияние толщины проката на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей. Металловедение и термическая обработка металлов. 1975. №2 С. 16-22.

69. Мельников Н.П., Гладштейн Л.И., Гавриленко Л.Г. и др.Толстолистовая сталь 16Г2АФ после электрошлакового переплава. Сталь. 1982. №12. С.65-69.

70. ОСТ 34-70-690-96. Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации. М.: ВТИ, 1997.

71. РД 153-34.1-17.467-2001. Методика экспрессной оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору.

72. Штромберг Ю.Ю. Контроль металла на тепловых электростанциях

73. Теплоэнергетика. 1996. № 12. с. 17-20.

74. ASTM Е 1351-90. Production and Evaluation of Field metallographic Replicas.

75. ASTM E 512-87. Standard practice for production and evaluation of field metallographic replicas. Philadelphia. American Society for Testing of Materials. 8 p.

76. NORDTEST NT NDT 010. Remanent lifetime assessment of high temperature components in power plants by means of replica inspections. 1991. 6 P

77. Rogers D.G. CEN Standards in non-destructure testing // 3 Progress Report. The British Journal of Non-Destructive Testing. 35 (12). 1993. P.718-720.

78. Горицкий B.M., Хромов Д.П. Оценка сопротивления распространению трещины по результатам испытаний на ударную вязкость. Завод, лаб. - 1984. - №7. - С.70-72.

79. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Склонность к тепловой хрупкости сталей СтЗсп, 14Г2 и 15ХСНД с повышенным содержанием мышьяка // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. №11. С.29-32.

80. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. -408 с.

81. Горицкий В.М. Хромов Д.П. Заводская лаборатория, 1984. №7. С.70-72.

82. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Маслюк В.М., Софронов К.М. Склонность к хрупкому разрушению сварных соединений стали 09Г2МФБ, подверженных длительному воздействию повышенных температур. Проблемы прочности № 9,1990. С. 35-40.

83. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Влияние теплового охрупчивания на трещиностойкость низколегированных сталей // Трещиностойкость строительных металлоконструкций: сб. научн. труд. ЦНИИпроектстальконструкция. М. 1986. С.51-60.

84. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.

85. РД 03-380-00. Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением.

86. РД 03-410-01. Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов.

87. РД 22-01-97. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследование строительных конструкций специализированными организациями).

88. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Особенности диагностирования технического состояния кожухов доменных печей и воздухонагревателей // Промышленное и гражданское строительство. 1998. N5. С. 11-13.

89. Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. Новые подходы к оценке остаточного ресурса металлургического оборудования // Промышленное и гражданское строительство. 1996. №5. С.31-32.

90. Патент 1249388 РФ. Способ определения температуры хрупкости стали / Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. // Б.И., 1988, № 29.

91. Патент №92002260/02. РФ. Способ ремонта кожуха ДП. Байшев Ю.П., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Зайцева Т.Г., Иванов Г.П., Корольков П.М., ВНИИГПЭ. М., 1992 г.

92. РД 14-121-18-80. Кожухи доменных печей, воздухонагревателей и воздухопроводов горячего дутья. Эксплуатация и ремонт. —М.: Минчермет, 1981.

93. Винокуров В.А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений.— М.: Машиностроение, 1973.

94. Аснис А.Е., Иващенко ГА. Повышение прочности сварных конструкций.— Киев: Наукова думка, 1985.

95. Корольков П.М. Термическая обработка сварных соединений трубопроводов и аппаратов работающих под давлением. — М.: Стройиздат, 1987.

96. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. — М.: «Наука», 1985.