автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Прогнозирование остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов в условиях ползучести по структурному фактору

На правах рукописи

КАЛУГИН Роман Николаевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ ПО СТРУКТУРНОМУ ФАКТОРУ

Специальность

05 14 14 Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нау|

□ОЗ1ВЭОЭО

Москва 2008

003169090

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ВТИ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Хромченко Феликс Афанасьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Антикайн Петр Андреевич

доктор технических наук, профессор Рыженков Вячеслав Алексеевич

Ведущая организация -

Центральный ремонтно-механический завод, филиал ОАО «Мосэнерго»

Защита состоится «

Г » ШУМ

2008 г в

асов на заседании

диссертационного совета Д 222 001 01 при ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ВТИ) по адресу 115280, г Москва, ул Автозаводская, 14/23

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского института (ВТИ)

Автореферат разослан «.

¿9 » ОН^ЛЯ

2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 222 001 01,

кандидат технических наук ^ А Березине!/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современной отечественной теплоэнергетике в качестве основного материала паропроводов широкое применение получили теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали Паропроводы эксплуатируются в условиях ползучести металла при температуре выше 510°С с давлением пара до 26 МПа Их срок эксплуатации превысил проектный срок службы 100-200 тыс ч , а во многих случаях и парковый ресурс Сварные соединения являются одним из наиболее слабых элементов в системе паропровода Это обусловлено их структурной, механической, химической и геометрической неоднородностью Наличие хрупких и малопрочных прослоек металла зон сварного соединения, вызванных технологической и металлургической наследственностью, существенно сокращает срок их службы

При длительной эксплуатации повреждения сварных соединений в условиях ползучести преимущественно развиваются по разупрочненной прослойке зоны термического влияния (ЗТВрп), в отдельных случаях - по разупрочненному металлу шва Проблема надежности сварных соединений остается актуальной в связи с дальнейшей эксплуатацией паропроводов сверх паркового ресурса на стареющих ТЭС

Применяемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, магнито-порошковый, радиографический, вихретоковый) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения) Металлографический анализ с помощью реплик не применялся для сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей, поскольку не были установлены критерии оценки микроповрежден-ности зон сварных соединений и отсутствовала методика оценки остаточного ресурса Не изучены были особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности в процессе длительной эксплуатации Отсутствовала совершенная методика прогнозирования остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору, интегрированная в систему технического диагностирования паропроводов

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов и предупреждения их разрушений

Целью работы является разработка метода оценки остаточного ресурса сварных соединений теплоустойчивых хромомолибденованадие-

вых сталей по структурному фактору Для достижения поставленной цели в процессе выполнения работы решались следующие задачи

- установление влияния структурного состояния и свойств сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей на ресурсные характеристики, анализ причин повреждений в условиях длительной эксплуатации при ползучести,

- разработка методики исследования сварных соединений для условий испытаний образцов при ползучести, включая

• определение температурно-силовых условий проведения испытаний образцов на термодеформационное старение, которые моделируют механизмы разрушения аналогично эксплуатирующимся сварным соединениям паропроводов,

• установление критериев деградации микроструктуры в процессе длительной эксплуатации сварных соединений в условиях ползучести,

• разработка методики металлографического исследования для установления зависимости степени исчерпания ресурса от изменения микроструктуры и накопления микроповрежденности металла зон сварных соединений,

- исследование и установление закономерностей структурных изменений и микроповреждаемости зон сварного соединения (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) в зависимости от исчерпания ресурса,

- разработка критериев для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса сварных соединений по структурным изменениям и микроповрежденности металла,

- промышленное опробование и применение метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений в рамках технического диагностирования паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести

Методы исследования

При выполнении исследований были проведены эксперименты и обработка их результатов расчетными методами В качестве материала исследования использованы сварные соединения паропроводов сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в исходном состоянии и после различных сроков наработки Сварные образцы испытывались на термодеформационное старение (суммарной продолжительностью испытаний 1,6 млн ч) с периодическим исследованием микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности в металле зон соединения Обоснованы размеры образцов и условия термодеформационного старения для моделирования развития процессов повреждаемости аналогично повреждениям реальных эксплуатирующихся сварных соединений Периодическая регистрация структурной картины металла зон по каждому образцу осуществлялась

металлографическим методом исследования с помощью реплик (MAP) при использовании оптической микроскопии В анализе результатов экспериментов, для построения закономерностей исчерпания ресурса от деградации микроструктуры зон сварных соединений, применена математическая обработка данных, включая методы теории вероятностей и численного интерполирования Установленная закономерность развития микроповрежденности и изменения микроструктуры металла зон от исчерпания ресурса сварных соединений позволила установить критерии деградации микроструктуры и разработать структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений

Научная новизна

• Показано влияние механической неоднородности сварных соединений, характеризующейся особенностью разупрочнения по зоне термического влияния и металлу шва (¡;рп, умш), на развитие микроповрежденности металла

• Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более энергично по сравнению с металлом шва и основным металлом Фактическое состояние металла ЗТВРП служит основным критерием при оценке работоспособности и остаточного ресурса сварного соединения

• Установлена взаимосвязь стадии исчерпания ресурса (т/тр) от изменения структуры (микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности) металла зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс ч.) при ползучести, при этом

- деградация микроструктуры классифицирована на три стадии по критериям размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (цепочки и слияния карбидов), размер зерна микроструктуры,

- процесс развития микроповрежденности классифицирован на пять стадий и оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор и далее вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен

Практическая ценность

• Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и микроструктурных изменений металла

• Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в усло-

виях ползучести в рамках их технического диагностирования. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф Методика оформлена в установленном порядке и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34 1-17 467-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору" Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34 17 470-2003, СО 153-34 17 455-2003 и РД 10-57703

• По результатам диагностирования с применением разработанного метода металлографического анализа установлены сроки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ряда ТЭС России (в том числе Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ - 3, Новогорьковской ТЭЦ, Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др)

• Определен методический подход по диагностированию сварных соединений и прогнозированию их ресурса, сочетающий комплексное применение расчетных и разработанных в рамках данной работы структурных методов, дополняющих друг друга, что должно найти'применение при разработке производственных инструкций по контролю металла паропроводов

• Создан алгоритм по оценке технического состояния и определению индивидуального ресурса сварных соединений, оптимизации регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций), основанный на комплексном использовании расчетных и структурных методик определения ресурса Алгоритм успешно используется в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС для анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов по результатам их эксплуатационного контроля

Достоверность полученных результатов обеспечивается системностью подхода при проведении испытаний, большим объемом экспериментальных исследований (исследовано более 200 образцов сварных соединений исходного состояния и после различных сроков наработки), практической проверкой разработанной методики оценки остаточного ресурса на реальных сварных соединениях паропроводов ТЭС и ее промышленным внедрением

Личный вклад автора

Постановка и реализация задач данной работы, проведение экспериментов и математической обработки результатов выполнено лично автором или при его непосредственном участии, что подтверждено, пуб-

ликациями Во всех необходимых случаях заимствования других научных результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-практическом семинаре «Повышение надежности паропроводов и арматуры ТЭС» (Москва, ВВЦ, 1998 г), Всероссийском научно-практическом семинаре «Современная сварочно-термическая технология восстановления работоспособности элементов энергетического оборудования ТЭС Сварочные материалы» (Санкт-Петербург, 1998 г), первой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла» (Москва, 1999г), международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 2000 г), научно-технической конференции «Металл оборудования ТЭС. Проблемы и перспективы» (Москва, 2006 г)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 статей и 5 докладов научно-технических конференций и семинаров

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из. пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений Работа содержит 244 страниц машинописного текста, 69 рисунков, 26 таблиц Список литературы включает 70 наименования

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, определены задачи исследования, раскрыта научная новизна и показана практическая ценность работы

Глава 1. Обзор литературы. Анализ методов диагностирования сварных соединений с учетом их химической, структурной и механической неоднородности.

В первой главе на основе литературных источников выполнен анализ современного состояния проблемы Рассмотрены особенности структуры и свойств сварных соединений паропроводов, причины их повреждений в условиях длительной эксплуатации при ползучести

Обзор литературы свидетельствует, что сварные соединения паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, эксплуатируемые в условиях высокотемператур-

ной ползучести, относятся к категории относительно слабых элементов в системе паропроводов Обеспечение безаварийной эксплуатации сварных соединений вызывает постоянную необходимость совершенствования методов технического диагностирования и прогнозирования сроков службы с целью их возможного продления при накоплении наработки

Сварные соединения по сравнению с основным металлом - свариваемой сталью, отличаются неоднородностью металла по зонам соединения (химической, структурной, механической) и пониженными свойствами

Проведенный анализ повреждений свидетельствует о комплексном влиянии эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на повреждения сварных соединений паропроводов в процессе длительной эксплуатации при ползучести Природа повреждений связана с протеканием процессов изменения структуры и накопления микропо-врежденности в металле зон сварных соединений до образования трещин

Для основного металла прямых участков и гибов паропроводов (стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) с однородной структурой кинетика изменения микроповрежденности порами ползучести и структурного состояния металла изучена достаточно подробно в работах Т Г Березиной, П А Ан-тикайна, Т А Швецовой, В Ф Злепко, М М Меламед, Н М Минц, В И Куманина, Ю В Балашова, Ю М Гофмана, Ю Ю Штромберга и др Ими предложен набор критериев с достаточной степенью надежности позволяющий фиксировать предельное состояние металла, разработаны и применяются шкалы структур и повреждаемости при ползучести, что позволяет с применением различных методов исследования устанавливать степень исчерпания его ресурса. Эффективным инструментом в оценке структурного состояния и повреждаемости металла является метод металлографического анализа с помощью реплик

Для сварных соединений повреждения отмечаются преимущественно в разупрочненной прослойке металла ЗТВрп, реже - в металле шва Трещины в ЗТВрп развиваются с наружной поверхности трубных элемен-\ тов вглубь металла и ориентированы вдоль сварного шва на расстоянии 3-5 мм от линии сплавления с металлом шва Значительный вклад в исследования причин повреждений сварных соединений и решении проблем диагностирования и прогнозирования ресурса внесен российскими и зарубежными учеными В Н Земзиным, Р 3 Шроном, Ф А Хромченко, Р Е Мазель, А А Паниным, Н R Kautz, Н Е Zum, Т Caga, С F Etinne, W Schoch, Р Averkazi и др Однако, для сварных соединений хромомо-либденованадиевых сталей при длительном воздействии температуры и напряжений особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности оставались неизученными Владение способом опре-

деления фактического структурного состояния зон сварного соединения и знание закономерностей изменений структуры и микроповрежденности открывает возможности оценивать остаточный ресурс сварных соединений по уровню накопленных микроструктурных изменений Широко используемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, магнитопорошко-вый, рентгеновский, вихретоковый контроль) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения) Однако, интегрированной в систему технического диагностирования, методики оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору создано не было Поэтому, для корректной оценки остаточного ресурса сварных соединений по структурному фактору назрела необходимость в разработке методики металлографического анализа с учетом структурной и механической неоднородности металла зон

На основании вышеизложенного поставлена цель и определены основные задачи работы

Глава 2. Методика исследований сварных соединений. Во второй главе разработана методика металлографического исследования для установления взаимосвязи исчерпания ресурса и изменения структуры с накоплением микроповрежденности сварных соединений Выбран материал и способ исследования сварных соединений, установлены критерии микроструктурного состояния для последующего анализа результатов и решения задач настоящей работы

В качестве материала исследования выбраны сварные соединения паропроводов сталей 12Х1МФ и 15X1М1Ф в исходном термически обработанном состоянии (до эксплуатации) и, кроме того, сварные соединения после наработки 50-300 тыс часов в условиях ползучести на паропроводах энергоблоков 250-800 МВт при 1=515-560°С и р=3,7-25,5 МПа

Все исследованные сварные соединения выполнены по штатной технологии как в заводских, так и монтажных условиях согласно требованиям РД 2730 940 102-92 и РД 153-34 17-003-01 (РТМ-1с) Всего было изготовлено, испытано и подвергнуто исследованию 207 образцов (84 исходного состояния и 123 после эксплуатации с различной наработкой)

При выборе формы и размеров образцов было принято решение использовать плоские образцы с поперечным швом, которые позволяют охватить повышенную площадь неоднородных по структуре, свойствам и химическому составу участков МШ и ЗТВ по толщине стенки трубных элементов Оптимальным выбран размер (130-140)х20х5 мм поперечного сечения расчетной части плоского образца

Образцы подвергались термодеформационному старению в усло-

виях необходимых для развития процессов локальной повреждаемости металла аналогично эксплуатационным повреждениям ЗТВрп реальных сварных соединений

При выборе условий испытаний использованы материалы работ ОАО «ВТИ», в которых были определены оптимальные области (температура-напряжение) при испытании образцов сварных соединений, влияющие на зону и механизм разрушения

В данной работе испытания проводились в диапазоне температур 600-615°С и растягивающих напряжений 50-100 МПа с реализацией разрушения преимущественно в ЗТВ по механизму ползучести Испытыва-лись серии по 8-10 образцов при одинаковых температурно-силовых условиях Первый образец из серии доводился до разрушения (для определения предельного времени испытания до разрушения), далее испытания остальных образцов периодически прерывались и на их поверхности фиксировалось структурное состояние металлографическим методом Максимальная расчетная (на эквивалентную температуру 545°С) база испытаний образцов сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф на термодеформационное старение составила 836179 и 791248 ч соответственно

Методический подход при проведении металлографического анализа в условиях испытания образцов заключался в периодической регистрации структурной картины и оценки динамики накопления микроповреждаемости

Результаты металлографического анализа оценивались по критериям деградации микроструктуры, развивающейся в сварных соединениях в условиях ползучести

На основе многочисленных экспериментов автором было установлено, что появление и развитие пор ползучести различной морфологии характерные для микроповреждаемости в основном металле являются идентичными и для повреждаемости сварных соединений, но с более энергичным развитием в ЗТВрп и разупрочненном металле шва Поэтому за основу были приняты критерии деградации структуры и повреждаемости основного металла сталей 12Х1МФ и 15Х1МФ с учетом более энергичного развития деградации микроструктуры и микроповреждаемости металла сварных соединений в ЗТВрп и разупрочненном шве (при умш<1)

В качестве критериев микроповрежденности структуры зон сварных соединений были приняты размер пор ползучести на границах и телу зерна (с!п, мкм), их плотность (р, пор/мм2), морфология пор (скопления пор, цепочки и слившиеся поры по границам зерен), размер длина микро-и макротрещин, "ореол" микротрещин и пор ползучести по берегам трещины

Параллельно с повреждаемостью, за основу критериев микро-

структурных изменений были приняты состав структурных составляющих (феррит, перлит, бейнит, карбиды и т п), размер карбидных частиц, балл сфероидизации, номер зерна, ширина ферритных оторочек металла шва

Исследования микроструктуры в процессе испытания образцов проводилось металлографическим методом с помощью реплик (способом, не нарушающим геометрию и материал образца) и микрошлифов (вырезанных из разрушенных образцов) с охватом всех зон сварного соединения, а именно металла шва, зоны термического влияния и основного металла Дополнительно при исследовании шлифов определялась степень разупрочнения металла способом измерения твердости по зонам сварного соединения (металл шва, ЗТВрп, основной металл)

Подготовка поверхности металла и металлографические исследования проводились с помощью оптической микроскопии в соответствии с рекомендациями ОСТ 34-70-690-96 и ГОСТ 5639-82

С учетом сложности в поиске зоны ЗТВрп сварного соединения при диагностировании микроповрежденности металла был применен способ предварительного металлографического сканирования ЗТВ с увеличением хЮО и последующего анализа ЗТВрп при увеличении х500 (или х800, хЮОО)

По каждому образцу регистрировались параметры испытания температура (1ИСП, °С), напряжение (стисп, МПа), время (тнсп, ч), а также результаты металлографического анализа (микроповрежденность и особенности микроструктуры зон сварного соединения) Для сравнения и анализа все результаты исследований пересчитывались на установленную эквивалентную температуру с оценкой затем эквивалентного времени испытания согласно ОСТ 153-34 17 470-2003 В данной работе в качестве эквивалентной температуры была принята наиболее распространенная температура паропроводов - 545СС

На основе полученных данных проводился анализ динамики развития микроповрежденности и структурных изменений с целью установления взаимосвязи между степенью исчерпания ресурса и деградацией структуры При этом использовались математические методы обработки и анализа опытных данных для установления взаимосвязи между исследуемой величиной изменения микроструктуры и исчерпанием ресурса Дополнительно выявленные закономерности сопоставлялись с результатами металлографического анализа сварных соединений паропроводов Полученная информация по результатам исследований образцов и сварных соединений была обобщена и использована при разработке методики оценки ресурса сварных соединений по структурному фактору

Глава 3. Закономерности изменения микроструктуры зон сварных соединений при ползучести.

В третьей главе приведены результаты анализа металлографических исследований микроструктуры на образцах сварных соединений паропроводов сталей 12Х1МФ и15Х1М1Фв процессе термодеформационного старения с установлением закономерностей микроструктурных изменений зон, развивающихся в условиях ползучести

Из результатов металлографического исследования выявлено, что изменение структуры имело место в металле всех зон сварных соединений Изменения структурного состояния имеют общие закономерности для металла шва и разные для зоны термического влияния и основного металла

Структурное состояние металла шва сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф характеризуется большим диапазоном размера (ширины) ферритной оторочки Ц=10-70 мкм на различных сроках исчерпания ресурса. Неоднородность структуры по этому показателю определяется в первую очередь тепловыми условиями сварки и термической обработки с учетом содержания углерода и легированием шва 09X1МФ С увеличением длительности испытания проявляется тенденция к увеличению ширины Ьф вследствие распада перлита с выделением дополнительных объемов структурно свободного феррита при ползучести

Установлено, что микроструктурное состояние металла шва 09X1 МФ (содержание избыточного феррита в виде оторочек) в сварных соединениях влияет на его разупрочнение по сравнению с основным металлом свариваемой стали Выявлена зависимость ширины ферритных оторочек (Ьф) в микроструктуре металла шва с механической неоднородностью (умш) сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф Обоснована необходимость ограничения максимальной ширины ферритных оторочек Ьф<45 мкм по условию необходимого упрочнения металла швов (Умш>1)(рис 1)

Изменения микроструктуры ЗТВ и основного металла сварных соединений стали 12Х1МФ в условиях ползучести затрагивают перлитную составляющую в виде усиления процесса ее распада и сфероиди-зации Степень сфероидизации перекристаллизованного перлита (исчерпание ресурса ~0,6 т/тр) достигает 2-3 баллов, сопровождающееся увеличением феррито-карбидной структуры и выделением карбидной фазы

Дальнейшая сфероидизация продуктов распада перлитной составляющей по границам зерен способствует постепенному размыванию границ зерен, укрупнению и слипанию карбидов, которые окружают тело зерна в отдельных участках Интенсивность этих процессов в ЗТВрп и основном металле различна Так, при исчерпании ресурса на последующем этапе >(0,6-0,7) т/тр сфероидизация продуктов распада перлитной состав-

1Э- —

12--

11--

10--

09--

08--

О 10 20 30 40 5 0 60 7 0 80

Рис 1 Зависимость степени разупрочнения металла шва от ширины ферритной оторочки а - для сварных соединений стали 12Х1МФ, б-для сварных соединений стали 15Х1М1Ф

ляющей в ЗТВрП происходит более интенсивно, чем в основном металле При исчерпании ресурса более 0,8 т/тр процесс сфероидизации в ЗТВрп может опережать примерно на один балл сфероидизацию в основном металле (рис 2)

Нестабильность микроструктуры при ползучести отражается через появление на границах зерен новых и укрупнение существующих

Балл сфероидизации (Бсф)

Рис 2 Закономерность роста сфероидизации продуктов распада перлитной составляющей в ЗТВрп (а) и основном металле (б) при ползучести сварных соединений стали 12Х1МФ

а .. . /

карбидов Выявлено несколько стадий изменения карбидной составляющей в структуре ЗТВрП сварных соединений стали 12Х1МФ при ползучести При начальной стадии (<0,3 т/тр) сохраняется исходное состояние микроструктуры с дисперсными карбидами по границам и телу зерна На второй стадии (>0,3 т/тр) происходит их рост до 2 мкм с выделением новых карбидов по границам зерен На последующем этапе (>0,6 т/тр) карбидные частицы увеличиваются с образованием цепочек карбидов и их слипанием

Укрупненные карбиды формируются в виде цепочек карбидов (ЦК) типа "ожерелья" по границам зерен в процессе ползучести, начиная с (0,2) т/тр исчерпания ресурса Установлено, что их наличие отмечается всегда в периоды исчерпания ресурса (0,6-0,7) т/тр Вместе с образованием цепочек карбидов наблюдаются их слипания, которые окружают тело зерна на отдельных участках после (0,5 т/тр) исчерпания ресурса Одновременно с укрупнением карбидных частиц по телу зерна появляются и расширяются со временем приграничные участки тела зерна без карбидов (обедненных карбидной фазой)

В ЗТВрп процесс увеличения размера карбидных частиц происходит интенсивнее чем в основном металле Так, при исчерпании ресурса (0,9—1) т/Хр максимальный размер карбидных частиц в ЗТВрп достигает 3-3,5 мкм, в основном металле до 2-2,5 мкм

Результаты проведенных исследований свидетельствуют об опережении структурных изменений металла ЗТВрп по сравнению с основным металлом

Тенденции к существенному изменению размера зерен в ЗТВрп и основном металле при ползучести для сварных соединений стали 12Х1МФ не проявилось Основной металл свариваемой стали имеет размер зерен 4-6 баллов, что на 3-6 баллов больше чем в ЗТВрп Оценка размера зерен по параметру а3=Крп/Ы0М (отношение размера зерна в ЗТВрп к размеру зерна в основном металле) свидетельствует в ЗТВрп дополнительного «дробления» зерна не происходит, стабильность размера зерна основного металла также сохраняется (рис За)

Изменения микроструктуры ЗТВ и основного металла сварных соединений стали 15Х1М1Ф. Выявлены отличия интенсивности процессов выделения и роста карбидных частиц в основном металле и ЗТВрп Рост карбидов в основном металле равномерен в течение всего периода исчерпания ресурса, максимальный размер которых достигает 2,5 мкм Скорость роста карбидов в ЗТВрп опережает рост карбидов в основном металле Скорость роста карбидов в ЗТВрп различна до <0,35 т/тр исчерпания ресурса рост карбидных частиц незначителен, максимальный размер которых достигает 1,5-1,7 мкм (вследствие распада цементитных

a3=Wpn/N,

э о ОС а о

г— о \ [о с, п0 ^ С Г1*Л —

; О 3> JL- 5*1

б

LL и

О 01 02 03 0,4 05 06 07 06 0,8 1

Рис 3 Закономерность изменения размера зерна микроструктуры зон сварного соединения (ЗТВРП и основного металла) сталей 12Х1МФ (а) и 15Х1М1Ф (б) при ползучести, по параметру а^Ырп/Ком (отношение балла зерна в разупрочненной прослойке к баллу зерна в основном металле)

пластинок), в период >0,35 т/тр размер карбидов увеличивается в два раза и достигает 3-3,5 мкм Укрупненные карбидные частицы могут скапливаться группами размером до 50-70 мкм, при этом их плотность возрастает, что приводит к появлению слипшихся (цепочек) карбидов

Выявлено, что отдельные цепочки карбидов появляются в период исчерпания ресурса т/тр>0,2 и их наличие отмечается всегда при т/тр>0,5 Цепочки карбидов располагаются по границам бейнитных блоков, в местах распавшегося перекристаллизованного перлита

Увеличение размеров карбидов и образование карбидных выделений (цепочек) наблюдается на фоне распада бейнитной структурной составляющей при ползучести Процесс распада структуры протекает неравномерно во времени при т/тр<0,35 исчерпания ресурса изменения микроструктуры незначительны, после т/тр>0,35 степень сфероидизации бейнитной (перлитной) структуры усиливается до 3-5 баллов При этом в бейнитном зерне выделяются продукты распада, исчезают старые - исходные границы примыкания бейнитных блоков Очертание появившихся в нем новых субграниц определяет образованные карбидные частицы в теле бейнитного зерна, при т/тр>0,5 увеличивается количество феррито-карбидной структуры по месту бывшего бейнитного зерна Новые фер-ритные участки выявляются через образовавшиеся субграницы в виде

сетки из карбидных цепочек Размер новых зерен составляет 9-10 баллов Сфероидизация достигает 5-6 баллов За период исчерпания ресурса (0,35-1) т/Хр процесс сфероидизации металла ЗТВР„ заметно опережает сфероидизацию в основном металле примерно на два балла (рис 4)

Нестабильность структуры в зависимости от исчерпания ресурса при ползучести отражена через параметр а, (рис 36) В основном металле заметного изменения размера зерна не наблюдается (размер зерна находится в диапазоне 4-6 баллов на всем периоде исчерпания ресурса сварного соединения) В ЗТВрп выявлены три характерные стадии изменения размера зерна На начальных (<0,4 т/тр) сроках исчерпания ресурса изменения не выявляются (при этом, размер зерен микроструктуры ЗТВрп меньше размера зерен в основном металле не более чем на один балл) Начало распада бейнита (исчезновение границ исходных зерен и образованием новых субграниц более мелкого размера в виде сетки из карбидных цепочек) характеризуется уменьшением размера зерен с 5-6 до 8-9 баллов (0,4-0,65 т/тр) и при завершении распада (>0,65 т/тр) достигает 8-10 баллов На этой стадии происходит сближение значений параметра а3 для сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф

Микроструктурные изменения в разупрочненной прослойке ЗТВрП при ползучести протекают более энергично по сравнению с основным металлом как в сварных соединениях стали 12Х1МФ, так и стали 15Х1М1Ф

Рис 4 Закономерность процесса сфероидизации бейнита в ЗТВрП (я) и основном металле (б) при ползучести сварных соединений стали 15Х1М1Ф

Выявленные изменения микроструктуры в ЗТВрп сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15X1М1Ф в процессе ползучести при термодеформационном старении классифицированы тремя стадиями Первая стадия (1м) в период <(0,3-0,35) т/тр характеризуется относительной стабильностью структурного исходного состояния, вторая стадия <(0,6-0,65) т/тр - дополнительным выделением феррито-карбидной структуры, распадом упрочняющих составляющих микроструктуры (бейнита, перлита, сорбита), коагуляцией карбидных частиц, сфероидизацией структуры, третья стадия >(0,6—0,65) т/тр характеризуется мелкозернистой структурой (8-10 баллов) в виде феррито-карбидной смеси

Глава 4. Закономерности микроповреиедаемости зон сварных соединений при ползучести.

В четвертой главе приведен анализ результатов исследования сварных соединений при ползучести с выявлением зон, наиболее подверженных повреждению и установлением закономерностей развития в них микроповрежденности

Основным механизмом повреждения металла сварных соединений при испытании образцов в условиях ползучести, является порообразование При металлографическом анализе с помощью реплик образцов, подвергнутых термодеформационному старению, оценивалась микро- и макроповреждаемость во всех зонах сварного соединения По результатам металлографических исследований выявлено, что поры наблюдались в металле всех зон

Было установлено, что при испытании разрушение сосредотачивается в разупрочненном участке металла зоны термического влияния ЗТВрП Повреждение зарождается и развивается по границам зерен, характер поврежденности - поры и микротрещины ползучести Зародившиеся на границах зерен поры объединяются в цепочки перпендикулярно приложенному растягивающему напряжению Разрушение происходит вследствие разрыва перемычек между порами и слиянием последних в трещину Трещина возникает, как правило, на расстоянии 2-4 мм от линии сплавления с металлом шва и имеет траекторию, преимущественно отражающую линию ЗТВрп Развитию микроповрежденности в ЗТВрп сопутствует образование и развитие поврежденности порами также в металле шва и основном металле

В металле шва микроповреждение во всех случаях начинается в крупнозернистых участках и тормозится в мелкозернистых прослойках, при этом зарождение микроповреждаемости отмечено как с края, так и в серединной части образца Повреждения в виде трещин имеют продольную (относительно шва) ориентацию

В основном металле микроповреждаемость не носит локального характера, а распределяется равномерно по всей исследуемой области Установлено, что на интенсивность повреждения влияет неоднородность свойств по зонам сварного соединения В зависимости от степени сравнительной разупрочненности зон сварного соединения, микроповреждаемость будет развивается в ЗТВрп или в металле шва При допустимом разупрочнении зоны ЗТВрП <£рп>10%) и достаточном упрочнении металла шва (умш^1)> что характерно для большинства сварных соединений, повреждаемость развивается в ЗТВрп соединения (рис 5)

п/мм 1

ИОО 1300 12Ш 1100 1000 9П0 800 700 «00

500 <100 300 200

/

/

* о:

А о

оо /

V п / /

/ 1 /□

/ °£ у

^ О . о »

ришт' рвя

коо 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 <00 300 200 100

О 1 п/мм г

•С/Тр

J

е

V г

п°

,о 6> э

- о А /. ,

п /

СЪ V/}

/} о

сР

У.

О7

т/т.

Рис 5 Сравнение кинетик микроповреждаемости зон сварных соединений сталей 12Х1МФ (а) и 15Х1М1Ф (б) с учетом влияния механической неоднородности для допустимой разупрочненности металла ЗТВрп (Ерп> 10%) и достаточной прочности металла шва (умш>1)

При разупроч>ненном металле шва (умш<1 вплоть до 0,9-0,7) и слабо разупрочненной зоне ЗТВРП (^„„<10%) процесс развития повреждаемости сдвигается в металл шва Интенсивность развития микроповре-жденности в металле шва в этом случае заметно превосходит микроповреждаемость ЗТВрП (рис 6)

р, п/им* рг п/км 2

а б)

Рис 6 Сравнение кинетик микроповреждаемости зон сварных соединений сталей 12Х1МФ (а) и 15Х1М1Ф (б) с учетом влияния механической неоднородности для разупрочненного металла шва (Умш<1) ПРИ слабой разупрочненности ЗТВрп (^„<10%)

Низкая интенсивность накопления микроповрежденности отмечена в основном металле при любом упрочнении металла шва (умш) и разупрочнении ЗТВрп Йрп)

Микроповреждаемость металла ЗТВрп имеет ярко выраженный доминирующий характер по сравнению с повреждаемостью других зон сварного соединения

Количественные характеристики степени поврежденности ЗТВрп сварного соединения порами при ползучести коррелируются с их морфологическими особенностями (качественными характеристиками) Так, повышение плотности (р) и увеличение размеров пор (<1тахп) приводит к объединению единичных пор в цепочки с дальнейшим развитием их до микро- и макротрещин (рис 7 и 8)

сГачп, мкм

р, п/мм2

Рис 7 Кинетика развития поврежденности порами ползучести в ЗТВрг1 сварных соединений сталей 12Х1МФ по критериям плотности (р) и максимального размера (сГахп) пор во взаимосвязи с морфологией пор, где ЕП - единичные поры, ЦП - цепочки пор, мТр - слияние пор (цепочек пор) в микротрещины, Тр - магистральные трещины

р, п/мм

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600

500 400 300 200 100 0

• • •

РЛ < е »

% • •

\\ •

\ — * •

\ V •

\ Тр

\ •• •. / нТр,

\ Е \ п- Ш1

\ ,1 ц гр^- [П

и

|! 1

0 0 1 0 г о 3 0 4 0 5 б 0 7 0 8 0 9

б)

т/т„

Рис 8 Тоже, что и на рис 7, но для сварных соединений сталей 15Х1М1Ф

В зоне ЗТВрП поры ползучести зарождаются и развиваются на более ранних стадиях исчерпания ресурса (наработки) и отличаются более высокой плотностью по сравнению с процессами накопления пор в других зонах Поэтому, за основной критерий работоспособности сварных соединений принята микроповреждаемость в разупрочненной прослойке зоны термического влияния ЗТВрп, поскольку-по этой прослойке отмечается

наибольшая предрасположенность к появлению пор ползучести вплоть до образования трещин, что подтверждается статистикой эксплуатационных повреждений реальных сварных соединений (до 92% случаев отказов)

На основе анализа полученных результатов испытаний установлено поэтапное развитие поврежденности порами ползучести в ЗТВрп в зависимости от исчерпания ресурса по критериям размера, морфологии и плотности пор

Кинетика развития микроповреждаемости в ЗТВрп сварных соединений стали 12Х1МФ состоит в следующем:

- до <0,5 т/тр исчерпания ресурса поры отсутствуют, микроповреждаемость при увеличении х(500 1000) не выявляется,

- появление единичных пор по границам зерен плотностью до 100 мм"2 размером 1-2 мкм наблюдаются на стадии исчерпания ресурса (0,5-0,6) т/тр,

- увеличение размеров единичных пор от 2-3 мкм вплоть до 4-5 мкм по границам зерен регистрируются в период (0,6-0,82) т/тр При этом наблюдаемая плотность пор достигается при исчерпании ресурса

• (0,6-0,7) т/тр с плотностью пор до 250 п/мм2,

• (0,7-0,76) т/тр с плотностью пор до 1000 п/мм2,

• (0,76-0,82) т/тр с плотностью пор более 1000 п/мм2,

- высокая плотность единичных пор более 1000 мм'2 в сочетании с укрупненными единичными порами размером до 4-5 мкм приводит к слиянию и образованию цепочек пор по границам зерен, появлению отдельных микротрещин длиной до 5-15 мкм по границам зерен в интервале (0,82-0,92) т/тр исчерпания ресурса Различаются две области этого периода до появления микротрещин - временная область (0,82-0,87) т/тр и наличие отдельных микротрещин - временная область (0,87-0,92) т/тр,

- трещины в сочетании с цепочками пор и слившимися порами по границам зерен при исчерпании ресурса от 0,92 т/тр приводят к разрушению Просматривается два интервала времени до 0,95 т/тр с увеличением размера макротрещин длиной до 1-5 мм и в период (0,95-1,0) т/тр до разрушения По берегам макротрещин наблюдается высокая плотность пор как по границам, так и по телу зерен

Кинетика развития микроповреждаемости в ЗТВР„ сварных соединений стали 15Х1М1Ф:

- до <0,6 т/тр исчерпания ресурса поры отсутствуют, микропо-врежденность не выявляется при увеличении х(500 . 1000) с помощью оптического микроскопа,

- в интервале (0,6-0,68) т/тр отмечаются единичные поры размером 1-2 мкм по границам зерен, с плотностью пор до 100 п/мм2,

- в период (0,68-0,85) т/тр фиксируются единичные поры разме-

ром 2-3 мкм вплоть до 4-5 мкм по границам зерен Плотность пор увеличивается в зависимости от исчерпания ресурса-

• для (0,68-0,75) т/тр плотность пор составляет до 250 п/мм\

• для (0,75-0,8) т/тр плотность пор развивается до 1000 п/мм2,

• для (0,8-0,85) х/Тр плотностью пор превышает 1000 п/мм2,

- в интервале (0,85-0,93) т/тр микропов реждаем ость характеризуется появлением цепочек пор, слившихся и/или скоплений пор по границам зерен, отдельные микротрещины длиной до 5-15 мкм по границам зерен зарождаются и развиваются при (0,89-0,93) т/тр,

- для >0,93 т/тр возникают макротрещины в сочетании с цепочками пор и слившимися порами по границам зерен До 0,97 т/тр микротрещины составляют длину 500-1000 мкм, более 0,98 т/тр длина макротрещин возрастает до 5 мм вплоть до сквозных Высокая плотность пор наблюдается по берегам макротрещин по всему объему металла ЗТВрп

На основе сопоставления полученных зависимостей исчерпания ресурса вследствие процессов микроповреждаемости выявлено интенсивность развития микроповрежденности металла ЗТВрп сварных соединений стали 15Х1М1Ф выше (и опаснее для реальных соединений паропроводов при эксплуатации) по сравнению со сталью 12Х1МФ (рис 9)

Взаимосвязь между кинетикой развития микроповрежденности с исчерпанием ресурса сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в условиях ползучести классифицирована пятью стадиями с четкими структурными критериями поврежденности, определяемых с помощью оптической металлографии (табл 1 и 2)

р, п/мм2

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 40О 300 200 100 0

— --

7

I !

л //

\

\ /

—

\ -X-

---

—

У-—,

__ —■ —

■■ —'

т/т

Рис 9 Сравнение кинстик микроповреждаемости ЗТВрп сварных соединений сталей (1 - 12Х1МФ, 2 - 15Х1М1Ф)

Таблица 1

Классификация микроповрежденности во взаимосвязи с исчерпанием ресурса для металла ЗТВрп сварных соединений стали 12Х1МФ при ползучести

Стадия Характеристика повреж-денности микроструктуры Этап Плотность (р,п/ммг) и морфология пор Исчерпание ресурса Схематичное отображение микроповрежденности на примере одного зерна

1 2 3 4 5 6

I. Поры отсутствуют, микро-поврежден-ность не выявляется при увеличении до хЮОО - - <0,5 т/т. -

По Единичные поры (П) размером 1-2 мкм по границам зерен - 2100 (0,5-0,6) т/тр

Ш„ Единичные поры размером 2-3 мкм вплоть до 4-5 мкм по границам зерен Ш1„ 100<р<250 (0,6-0,7) т/Хр /

III 2„ 250<р£1000 (0,7-0,76) т/тр

III Зл >1000 (0,76-0,82) т/т.

V. Цепочки пор и слившиеся поры, скопления пор по границам зерен, отдельные микротрещины (мТр) длиной до 5-15 мкм по границам зерен IV 1„ Цепочки мелких пор размером 1-2 мкм (0,82-0,87) т/тр

IV 2„ Цепочки мелких пор размером 2-3 мкм, слившиеся поры и/или скопления пор, микротрещины (0,87-0,92) т/тр

1 2 3 4 5 6

V, Трещины в сочетании с цепочками пор и слившимися У.1„ Микротрещины длиной до 5001000 мкм (0,92+0,95)т/тр

порами по границам зерен У.2„ Макротрещины длиной 1-5 мм и более (0,95н-1)-т/тр

Примечание: Классификация микроповреждаемости развивающейся в металле шва (при разупрочненном шве (у„ш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрп (£,р„<10%)), оценивается аналогично как и для металла ЗТВР„.

Таблица 2

Классификация микроповрежденности во взаимосвязи с исчерпанием ресурса для металла ЗТВрп сварных соединений стали 15Х1М1Ф при ползучести

Стадия Характеристика повреж-денности микроструктуры Этап Плотность (р,п/мм2) и морфология пор Исчерпание ресурса Схематичное отображение микроповрежденности на примере одного зерна

1 2 3 4 5 6

1л Поры отсутствуют, микро-поврежден-ность не выявляется при увеличении до хЮ00 - - <0,6-т/тР -

Единичные поры (П) размером 1-2 мкм по границам зерен

Нп - <100 (0,6+0,68)-т/тр

—^_I

Единичные поры разме- ш.1„ 100<р<250 (0,б8+0,75)-т/тр тЧ^Й

Ш„ ром 2-3 мкм

вплоть до 4-5 мкм по Ш.2„ 250<р<1000 (0,75+0,8)-т/тр

границам зерен ш.з. >1000 (0,8н-0,85)-т/тр

1 2 3 4 5 6

Цепочки

Цепочки пор и слившиеся по- IV. 1„ мелких пор размером (0,85-0,89)т/тр

ры, скопления 1-2 мкм k п ^^-V^-T^-A^v

пор по грани- Цепочки J п \

IV. цам зерен; от- мелких пор (Г г\ Т~\у-

дельные микротрещины размером 2-3 мкм. yCVVk

(мТр) длиной IV.2„ слившиеся (0,89-гО,93)т/тр

до 5-15 мкм поры и/или "

по границам скопления

зерен пор, микротрещины

Микротре-

Трещины в V.l„ щины длиной до 5001000 мкм (0,93-0,97)-т/тр f " А^'гТ^

сочетании с цепочками пор

V„ и слившимися порами по Макротрещины дли-

границам зе- V.2„ ной (0,97+1)-т/тр

рен 1-5 мм и более

Примечание: Классификация микроповреждаемости развивающейся в металле шва (при разупрочненном шве (у>,ш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрп (^рл<10%)), оценивается аналогично как и для металла ЗТВрп.

Глава 5. Оценка срока службы сварных соединений по структурному фактору.

В пятой главе дана оценка эффективности использования метода реплик для металлографического анализа структуры; представлена методика оценки остаточного ресурса эксплуатирующихся сварных соединений по структурному фактору и показан опыт её производственного использования автором. Преимущественное развитие повреждений сварных соединений с наружной поверхности для длительно эксплуатирующихся паропроводов позволяет достаточно уверенно обследовать их с помощью метода металлографического анализа с реплик (MAP).

Метод MAP отличается хорошей технологичностью (практически любое сварное соединение может быть подвергнуто такому контролю), возможностью применения практически на любой ТЭС, высокой достоверностью при фиксации структурной картины металла. Это было подтверждено при использовании метода MAP на образцах в данной работе путем сравнения портретов структуры с реплик и на шлифах.

Кроме того, применение металлографического анализа с использованием метода реплик для исследования сварных соединений теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34 17 470-2003, СО 153-34 17 455-2003 и РД 10-577-03

Из анализа эффективности использования метода реплик (МАР) для сварных соединений следует, что данный метод может рассматриваться как основной при оценке сварных соединений по фактическому состоянию металла (микроповрежденности) и установлению остаточного ресурса

Методика экспрессной оценки остаточного ресурса эксплуатирующихся сварных соединений по структурному фактору разработана на основе результатов комплексных исследований (гл 3 и 4) Настоящая методика устанавливает основные требования и последовательность проведения операций при определении остаточного ресурса стыковых, тройни-ковых и штуцерных сварных соединений равно- и разнотолщинных трубных элементов Ду >100 коллекторов котлов и паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей Методика применяется в процессе обследования сварных соединений при эксплуатационном контроле

В методике отражены требования к персоналу, проводящему контроль, средствам и материалам, подготовке поверхности и технике проведения контроля, порядку оформления результатов

Для повышения достоверности оценки микроповрежденности сварного соединения рекомендовано проводить металлографический анализ с помощью реплик в 3-4 зонах обследования по периметру шва (в зависимости от типа соединения), включая каждый трубный элемент

В методике при металлографическом анализе используются реплики, сколы (срезы) металла (микрообразцы) или проводятся исследования непосредственно по месту сварного соединения с помощью переносного микроскопа Подробно изложена технология получения реплик различных типов (полистироловых, лаковых и ацетатных) с рекомендациями по их выбору при проведении контроля В случае использования сколов (срезов) получают микрошлифы согласно ОСТ 34-70-690-96

Основным участком металлографического анализа в сварном соединении является мелкозернистая разупрочненная прослойка металла зоны термического влияния ЗТВрп, дополнительными участками служат околошовная зона ЗТВ03, металл шва МШ и основной металл ОМ (при необходимости)

Металлографический анализ струх-тлры зон сварного соединения (с реплики или микрошлифа) проводится с помощью оптического микро-

скопа в последовательности при увеличении х100, затем х500 и/или х800 их 1000

При металлографическом анализе устанавливаются особенности микроповрежденности металла (размер и морфология пор ползучести, характер и плотность — количество их распределения на удельной площади, охватываемой полем окуляра микроскопа, размер и количество микротрещин, наличие макротрещин длиной 1 мм и более) и микроструктурного состояния (вид структуры, размер карбидных частиц, балл сфе-роидизации перлитной составляющей, балл зерна)

Результаты металлографического анализа фотографируются при увеличении структуры металла хЮО, затем х500 и/или х800 и хЮОО для подтверждения выявленных особенностей микроповрежденности (или ее отсутствия) и микроструктуры металла зон обследования сварного соединения

Основным показателем для оценки остаточного ресурса по металлографическому признаку служит микроповрежденность металла и вспомогательным (факультативным) — микроструктура Развитие микроповрежденности металла оценивается по 5 стадиям, а изменение микроструктуры — по 3 стадиям

Остаточный ресурс сварных соединений определяется в следующей последовательности на первом этапе, по структурной шкале для сварных соединений данной марки стали с учетом выявленной стадии микроповрежденности (и дополнительно стадии микроструктуры), при этом оценивается степень исчерпания ресурса тн/тр, где т„ - длительность наработки (эксплуатации) и тр - ресурс (предельный) данного соединения, на заключительном этапе - расчетным путем, при этом устанавливается остаточный срок службы (остаточный ресурс тор) данного сварного соединения из выражения т0 р =тр-тн, предельный ресурс определяется из отношения т„/тв (табл 1 и 2)

Проведенные исследования и разработанная автором методика экспрессной оценки остаточного ресурса сварных соединений явилась основанием для создания отраслевого руководящего документа РД 15334 1-17 467-2001 "Экспрессный метод оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору", утвержденного Департаментом научно-технической политики и развития РАО "ЕЭС России" от 03 05 01 г Документ используется при проведении эксплуатационного контроля с помощью метода MAP в соответствии с требованиями РД 10-577-03, СО 153-34 17 470-2003 и СО 15334 17 455-2003

Проведенное автором на отдельных отечественных ТЭС (в том числе на Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ - 3, Новогорьковской ТЭЦ,

Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др ) исследования с помощью разработанной методики позволили оперативно установить остаточный срок службы сварных соединений

Проведенные исследования сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести позволили выявить наиболее слабые элементы и разработать рекомендации по повышению их работоспособности с целью продления сроков службы Общий подход в решении этой задачи с рекомендациями о необходимости ремонта сварных соединений приведены в табл 3

По результатам металлографического анализа с реплик была установлена степень исчерпания ресурса сварных соединений после различных сроков наработки с оценкой их остаточного ресурса Максимальная микроповреждаемость выявлена в ЗТВрп сварных соединений, что характерно для всех типов соединений Полученные результаты обследования эксплуатирующихся сварных соединений были сопоставлены с установленной закономерностью исчерпания ресурса от микроповреждаемости по результатам испытания образцов Отмечается хорошее совпадение данных исчерпания ресурса эксплуатирующихся сварных соединений в пределах разброса значений микроповреждаемости образцов

На основе методики автором был разработан комплексный подход по диагностированию и прогнозированию ресурса сварных соединений, сочетающий применение расчетных и структурных методов, дополняющих друг друга, что позволяет корректировать объемы и периодичность эксплуатационного контроля с учетом особенностей конструкционного оформления, остаточного запаса прочности и микроповрежденности сварных соединений паропроводов

На основе комплексного подхода автором были созданы алгоритмы по определению ресурса сварных соединений и их технического состояния, уточнению регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций)

Накоплен положительный опыт успешного использования алгоритма анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС

u> о

Таблица 4

Меры пошшвния работоспособности сварных соединений паропроводов стали 12Х1МФ и 15Х1МН после выявления иикроповрежденности металла

Характеристика степени микро поврежденное™ Доля максимального исчерпания ресурса \J\ для соединений стали Стадия повреждения Максимальная продолжительность эксплуатации до следугацего контроля для соединений Необходимость ремонта сварного со- Методы контроля (примечание 2)

12Х1МФ 15Х1М1Ф ССС ссс,„, тсс, ШСС, шск

Безопасная ситуация SO, 5 <0,5 In по РД 10-577-03 - а, б, в

Незначительное ухудшение безопасной ситуации 0,5-0,61 0,5-0,68 Un (0.12-0,16) Vi (0,06 0,08 - а, б, в, г, Д

Слабоопасная ситуация 0,61-0,70 0, 68-0,75 III In (0,05-0.06) тД (0,03 0,05)^ может бьггь назначен ремонт б, в

Ситуация повьщенной опасности 0,70-0,76 0,75-0, 80 III 2n (0 03-0,05) (0 025-0,03) xjx, обязателен ремонт б, в

Весьма опасная ситуация 0,76-0,82 0,80-0, 85 III 3n (0,02-0 025) тЛ (0,02-0,025) VU то же б, в

Значительный риск 0,82-0,87 0, 85-0, 89 IV In (0,02-0,025)1 (0,02-0,025) tJT, то же б, в

0, 87-0, 92 0, 89-0, 93 IV 2n (0,01-0,02) (0,01 0.02) V» то же б, s

Возможность катастрофической аварии, разрыв 0,92-0,96 0,93-0,97 V In 3-4 тыс ч 3-4 тыс ч немедленный ремонт, переварка б, в

сварного соединения (разрушение) 0, 96-1, 0 0, 97-1, 0 V 2n 3-4 тыс ч 3-4 тыс « или замена сварной детали б, в

Примечания 1 Методы контроля а - ультразвуковой контроль УЗК, б - магнитопорошковая дефектоскопия МПД (или

вихретоковый контроль ВТК), в - металлографический анализ с реплик (микрообразцов) MAP, г - измерением твердости ТВ, д - ультразвуковая толщинометрия УЗТ 2 ремонт сварных соединений выполняется согласно РД 34 17 310-96

3. ССС - стыковое сварное соединение трубных элементов с одинаковой толщиной стенки, ССС,,, - стыковые сварные соединения разнотолщинных трубньк элементов, ТСС (ШСС) - тройниковое (штуцерное) сварное соединение, ИСК - штампосварное колено

Общие выводы

1 Установлены критерии и параметры оценки структурной и механической неоднородности, которые отражают микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс ч) при ползучести Микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений оцениваются по критериям размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (карбидные цепочки, прослойки из слипшихся карбидов), размер зерна микроструктуры Микроповрежденность оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор ползучести вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен Механическая неоднородность характеризуется степенью разупрочнения в разупрочнечной прослойке зоны термического влияния и металле шва (|рп, уМш)

2 Разработана методика исследования кинетики изменений микроструктуры и микроповреждаемости металла для условий термодеформационного старения образцов сварных соединений в условиях ползучести Обоснованы форма и размеры образцов для испытаний на термодеформационное старение с периодической регистрацией структурного состояния металла зон сварного соединения с помощью реплик и микрошлифов Определен способ металлографического анализа зон сварного соединения путем предварительного сканирования при увеличении хЮО (для выявления мелкозернистых зон) и последующего исследования особенностей микроструктуры при увеличении от х500 до (х800-1000)

3 Установлена взаимосвязь изменения микроструктуры металла зон сварного соединения (металла шва и ЗТВРП) с исчерпанием их ресурса для условий ползучести (т/тр) Деградация микроструктуры классифицирована на три стадии Начальный период <(0,3-0,35) т/тр характеризуется относительной стабильностью структурного исходного состояния, второй период <(0,6-0,65) т/тр - дополнительным выделением феррито-карбидной структуры, распадом упрочняющих составляющих микроструктуры (бейнита, перлита, сорбита), коагуляцией карбидных частиц, сфероидизацией структуры, заключительный период >(0,6-0,65) т/тр характеризуется мелкозернистой структурой (8-10 баллов) в виде феррито-карбидной смеси

4 Установлена закономерность развития микроповреждаемости металла зон во взаимосвязи с исчерпанием ресурса сварных соединений в условиях ползучести (т/тр) Процесс развития микроповреждаемости классифицирован на пять стадий Начальный период <(0,5-0,6) т/тр характеризуется отсутствием (не выявляются при увеличении до хЮОО) пор

ползучести размером до 1 мкм, второй период (0,5-0,7) т/тр - появлением единичных пор размером 1-2 мкм плотностью р<100 пор/мм2, третий период (0,6-0,85)-т/тр - увеличением размера пор до размера 2-3 мкм и их плотности до 250<р<1000 п/мм2 и более, четвертый период (0,7-0,9) т/тр -появлением цепочек пор (и/или слившихся пор) и микротрещин длиной до 5-15 мкм по границам зерен, пятый период (0,9-1) т/тр - развитием микро- и макротрещин

5. Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и структурных изменений металла Единственным и основным критерием при оценке остаточного ресурса служит фактическое состояние металла ЗТВрп, которое выявляется при диагностировании методом металлографического анализа с помощью реплик, поврежденность этой зоны свидетельствует об остаточном ресурсе сварного соединения

6. Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более интенсивно по сравнению с металлом шва и основным металлом. Однако, сильное влияние на место развития микроповреждаемости оказывает степень неоднородности свойств металла зон сварных соединений При разупрочненном шве (умш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрН (^рп<10%) микроповрежденность преимущественно развивается в металле шва На разупрочнение металла шва 09Х1МФ влияет его микроструктурное состояние (содержание избыточного феррита в виде оторочек) Показана необходимость ограничения максимальной ширины ферритных оторочек Ьф<45 мкм по условию необходимого упрочнения металла швов (унш>1)

7. Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса реальных сварных соединений в рамках неразрушающего контроля паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф Основным структурным фактором для оценки ресурса сварных соединений принята микроповрежденность металла зон и вспомогательным фактором — изменение их микроструктуры при ползучести

8 Эффективность использования разработанного метода оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждена положительным промышленным опытом на отечественных ТЭС

9 Методика оформлена и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34 1-17.467-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору" Применение методики метал-

лографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 15334 17 470-2003, СО 153-34 17 455-2003 и РД 10-577-03

Перечень работ по теме диссертации

1 Хромченко ФА, Лаппа В А, Федина ИВ, Калугин Р Н Влияние технологической и металлургической наследственности на повреждение зон сварных соединений стали 15Х1М1Ф в условиях ползуче-сти//Сварочное производство - 1998 - №4 - С 14-16

2 Структурный метод оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ТЭС!Калугин РН, Хромченко ФА, Лаппа В А //Повышение надежности паропроводов и арматуры ТЭС Научно-практический семинар Сб докладов - Москва ВВЦ, 1998

3 Зависимости структурных изменений и микроповрежденности металла при ползучести от исчерпания ресурса сварных соединений стали 15Х1М1Ф/Калугин РН, Хромченко Ф А , Лаппа В А , Федина ИВ // Современная сварочно-термическая технология восстановления работоспособности элементов энергетического оборудования ТЭС Сварочные материалы Всероссийский научно-практический семинар Сб докладов -Санкт-Петербург ВТИ-АО «Электродный завод», 1998

4 Оценка остаточного ресурса сварных соединений по микроповрежденности металла в условиях ползучести/Хромченко Ф А , Лаппа В А , Калугин Р Н //Диагностика оборудования с использованием магнит-" ной памяти металла Международная научно-техническая конференция Сб докладов- Москва РНТСО, РОНКТД, ИПК Госслужбы, фирма «Энергодиагостика», 1999

5 Хромченко ФА, Калугин Р Н, Лаппа В А, Федина ИВ Особенности структурных изменений в сварных соединениях стали 15Х1М1Ф при ползучести//Сварочное производство - 1999 - №10 - С 1012

6 Ресурс и диагностика сварных соединений паропрово-дов/Хромченко Ф А, Лаппа В А, Калугин Р ////Сварные конструкции Международная конференция Сб докладов - Киев ИУПК, 2000

7 Хромченко Ф А, Лаппа В А, Калугин Р Н Диагностика и ресурс сварных соединений паропроводов ТЭС Ч 1 Анализ эксплуатационных повреждений сварных соединений и задачи технического диагно-стирования//Сварочное производство - 2001 - №7 - С 8-9

8 Хромченко ФА, Лаппа В А, Калугин РН Диагностика и ресурс сварных соединений паропроводов ТЭС Ч. 2 Расчетная оценкаре-сурса сварных соединений//Сварочное производство - 2001 - №8 -С 14-16

9 Хромченко Ф А, Лаппа В А, Калугин Р Н Диагностика и ресурс сварных соединений паропроводов ТЭС Ч 3. Оценка сварных соединений по структурному фактору//Сварочное производство- 2001 -№9-С 18-21.

10. Перевезенцева ТВ, Злепко ВФ, Калугин РН Структурные особенности и жаропрочность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1 Ф//Электрические станции - 2002 - №6 - С 5-7.

11 Хромченко Ф А, Калугин Р Н Регламент эксплуатационного контроля сварных соединений паропроводов//Технология машиностроения-2004.-№5 -С 3-7

12 Компьютерная информационная система по анализу техниче-. ских характеристик, условий эксплуатации и результатов регламентного

контроля с оценкой состояния трубопроводов электростанций/ Калугин Р Н //Металл оборудования ТЭС Проблемы и перспективы Научно-техническая конференция Сб докладов - Москва ОАО «ВТИ», 2006

Тираж 100 экз Заказ № £7 ПМБВТИ 115280, Москва, ул Автозаводская, 14/23

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Анализ методов диагностирования сварных соединений с учетом их химической, структурной и механической неоднородности.

1.1. Особенности структуры и свойств сварных соединений.

1.2. Особенности и причины повреждений сварных соединений.

1.3. Методы контроля для оценки эксплуатационных повреждений сварных соединений.

1.4. Задачи исследования.

Глава 2. Методика исследований сварных соединений.

2.1. Предпосылки к разработке методики исследования.

2.2. Материал и методика исследования.

2.3. Критерии деградации микроструктуры.

2.4. Техника проведения металлографического анализа.

2.5. Выводы.

Глава 3. Закономерности изменения микроструктуры зон сварных соединений при ползучести.

3.1. Структурное состояние металла шва сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.

3.2. Эволюция микроструктуры ЗТВ и основного металла сварного соединения стали 12Х1МФ.

3.3. Эволюция микроструктуры ЗТВ и основного металла сварного соединения стали 15Х1М1Ф.

3.4. Выводы.

Глава 4. Закономерности микроповреждаемости зон сварных соединений при ползучести.

4.1. Особенности развития микроповреждаемости зон сварных соединений при ползучести.

4.2. Кинетика развития микроповреждаемости зон сварных соединений стали 12Х1МФ.

4.3. Кинетика развития микроповреждаемости зон сварных соединений стали 15Х1М1Ф.

4.4. Выводы.

Глава 5. Оценка срока службы сварных соединений по структурному фактору.

5.1. Эффективность применения метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений эксплуатирующихся паропроводов.

5.2. Методика оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору.

5.3. Производственный опыт использования методики оценки остаточного ресурса сварных соединений по структурному фактору.

5.4. Выводы.

Актуальность работы.

В современной отечественной теплоэнергетике в качестве основного материала паропроводов широкое применение получили теплоустойчивые хромомолибденованадиевые стали. Паропроводы эксплуатируются в условиях ползучести металла при температуре выше 510°С с давлением пара до 26 МПа. Их срок эксплуатации превысил проектный срок службы 100-^-200 тыс. ч., а во многих случаях и парковый ресурс. Сварные соединения являются одним из наиболее слабых элементов в системе паропровода. Это обусловлено их структурной, механической, химической и геометрической неоднородностью. Наличие хрупких и малопрочных прослоек металла зон сварного соединения, вызванных технологической и металлургической наследственностью, существенно сокращает срок их службы.

При длительной эксплуатации повреждения сварных соединений в условиях ползучести преимущественно развиваются по разупрочненной прослойке зоны термического влияния (ЗТВрп) , в отдельных случаях - по разупрочненному металлу шва. Проблема надежности сварных соединений остается актуальной в связи с дальнейшей эксплуатацией паропроводов сверх паркового ресурса на стареющих ТЭС.

Применяемые методы дефектоскопии (ультразвуковой, маг-нитопорошковый, радиографический, вихретоковый) не позволяют выявлять дефектные сварные соединения на ранней стадии развития повреждения (на стадии повреждения микроструктуры металла зон сварного соединения). Металлографический анализ с помощью реплик не применялся для сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей, поскольку не были установлены критерии оценки микроповрежденности зон сварных соединений и отсутствовала методика оценки остаточного ресурса. Не изучены были особенности изменения структуры и кинетики развития микроповрежденности в процессе длительной эксплуатации. Отсутствовала совершенная методика прогнозирования остаточного ресурса сварных соединений паропроводов по структурному фактору, интегрированная в систему технического диагностирования паропроводов.

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов и предупреждения их разрушений.

Целью работы является разработка метода оценки остаточного ресурса сварных соединений теплоустойчивых хромомолиб-денованадиевых сталей по структурному фактору.

Задачи диссертационной работы:

- установление влияния структурного состояния и свойств сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей на ресурсные характеристики, анализ причин повреждений в условиях длительной эксплуатации.при ползучести;

- разработка методики исследования сварных соединений для условий испытаний образцов при ползучести, включая:

• определение температурно-силовых условий проведения испытаний образцов на термодеформационное старение, которые моделируют механизмы разрушения аналогично эксплуатирующимся сварным соединениям паропроводов;

• установление критериев деградации микроструктуры в процессе длительной эксплуатации сварных соединений в условиях ползучести;

• разработка методики металлографического исследования для установления зависимости степени исчерпания ресурса от изменения микроструктуры и накопления микроповрежденности металла зон сварных соединений;

- исследование и установление закономерностей структурных изменений и микроповреждаемости зон сварного соединения (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф) в зависимости от исчерпания ресурса;

- разработка критериев для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса сварных соединений по структурным изменениям и микроповрежденности металла;

- промышленное опробование и применение метода металлографического анализа с помощью реплик для оценки остаточного ресурса сварных соединений в рамках технического диагностирования паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести.

Материал и предмет исследования.

В качестве материала -исследования выбраны сварные соединения паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф исходного состояния и с различной наработкой. Всего было испытано и подвергнуто исследованию 207 образцов, из них 84 из сварных соединений исходного состояния и 123 после эксплуатации с различной наработкой. Форма и размер образцов для проведения испытаний на термодеформационное старение выбраны с учетом особенностей структуры и свойств сварных соединений.

Методологический алгоритм проведения исследования заключается в поэтапном проведении следующих экспериментально-расчетных операций. На первом этапе испытываются сварные образцы на термодеформационное старение с периодическим исследованием микроструктурных изменений и накопления микроповреждаемости в металле зон. Результаты исследований обрабатываются с построением закономерностей исчерпания ресурса от деградации микроструктуры различных зон сварного соединения. Устанавливается наиболее чувствительное место к инициированию и развитию микроповреждаемости металла в зависимости от механической неоднородности зон сварного соединения.

На втором этапе устанавливается взаимосвязь микроповреждаемости металла зон от исчерпания ресурса сварных соединений, которая ранжируется на стадии развития (с четкими критериями микроповрежденности и микроструктуры для каждой стадии) . Это позволяет разработать структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений. Определяется главенствующая роль критериев микроповрежденности и/или микроструктуры .

На третьем этапе формулируется методика металлографического анализа с помощью реплик (MAP), определяются зоны обследования сварных соединений (сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф), основные и вспомогательные структурные критерии для оценки ресурса сварных соединений. В том числе, регламентируются требования и последовательность проведения операций при фиксации структурной картины металла зон сварных соединений на эксплуатирующихся паропроводах с помощью лаковых или ацетатных реплик и последующим металлографическим исследованием на оптических микроскопах. Эффективность использования разработанного металлографического метода (MAP) оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждается положительным промышленным опытом при использовании его на отечественных ТЭС.

Научная новизна.

• Показано влияние механической неоднородности сварных соединений, характеризующейся особенностью разупрочнения по зоне термического влияния и металлу шва (£рп, уьш) , на развитие микроповрежденности металла.

• Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более энергично по сравнению с металлом шва и основным металлом. Фактическое состояние металла ЗТВрп служит основным критерием при оценке работоспособности и остаточного ресурса сварного соединения.

• Установлена взаимосвязь стадии исчерпания ресурса (т/тр) от изменения структуры (микроструктурных изменений и накопления микроповрежденности) металла зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс. ч.) при ползучести, при этом: деградация микроструктуры классифицирована на три стадии по критериям: размер карбидных частиц, морфология выделения карбидной фазы (цепочки и слияния карбидов), размер зерна микроструктуры;

- процесс развития микроповрежденности классифицирован на пять стадий и оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор и далее вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен.

Практическая ценность.

• Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и микроструктурных изменений металла.

• Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести в рамках их технического диагностирования. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Методика оформлена в установленном порядке и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34.1-17.4 67-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору". Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34.17.470-2003, СО 15334.17.455-2003 и РД 10-577-03.

• По результатам диагностирования с применением разработанного метода металлографического анализа установлены сроки остаточного ресурса сварных соединений паропроводов ряда ТЭС России (в том числе Костромской ГРЭС, Тверской ТЭЦ - 3, Новогорьковской ТЭЦ, Новочеркасской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Нижневартовской ГРЭС и др.).

• Определен методический подход по диагностированию сварных соединений и прогнозированию их ресурса, сочетающий комплексное применение расчетных и разработанных в рамках данной работы структурных методов, дополняющих друг друга, что должно найти применение при разработке производственных инструкций по контролю металла паропроводов.

• Создан алгоритм по оценке технического состояния и определению индивидуального ресурса сварных соединений, оптимизации регламента эксплуатационного контроля (объем и периодичность диагностических операций), основанный на комплексном использовании расчетных и структурных методик определения ресурса. Алгоритм^ успешно используется в компьютерных информационно-аналитических системах на Рязанской и Костромской ГРЭС для анализа и оценки состояния сварных соединений трубопроводов по результатам их эксплуатационного контроля .

Общие выводы

1. Установлены критерии и параметры оценки структурной и механической неоднородности, которые отражают микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) в процессе длительной эксплуатации (до 300-350 тыс. ч.) при ползучести. Микроструктурные изменения в металле зон сварных соединений оцениваются по критериям: размер карбидных частиц,^морфология выделения карбидной фазы (карбидные цепочки, прослойки из слипшихся карбидов) , размер зерна микроструктуры. Микроповрежденность оценивается по плотности и морфологии пор ползучести от единичных пор до цепочек и слившихся пор ползучести вплоть до микро- и макротрещин по границам зерен. Механическая неоднородность характеризуется степенью разупрочнения в разупрочненной прослойке зоны термического влияния и металле шва (£рП/ Умш) •

2. Разработана методика исследования кинетики изменений микроструктуры и микроповреждаемости металла для условий термодеформационного старения образцов сварных соединений в условиях ползучести. Обоснованы форма и размеры образцов для испытаний на термодеформационное старение с периодической регистрацией структурного состояния металла зон сварного соединения с помощью реплик и микрошлифов. Определён способ металлографического анализа зон сварного соединения путём предварительного сканирования при увеличении хЮО (для выявления мелкозернистых зон) и последующего исследования особенностей микроструктуры при увеличении от х500 до (х800-1000).

3. Установлена взаимосвязь изменения микроструктуры металла зон сварного соединения (металла шва и ЗТВрп) с исчерпанием их ресурса для условий ползучести (х/хр) . Деградация микроструктуры классифицирована на три стадии. Начальный период <(0, 3-гО, 35) -i/ip характеризуется относительной стабильностью структурного исходного состояния; второй период <(0,6-гО, 65)-х/хр - дополнительным выделением феррито-карбидной структуры, распадом упрочняющих составляющих микроструктуры (бейнита, перлита, сорбита), коагуляцией карбидных частиц, сфероидизацией структуры; заключительный период > (0, 6-гО, 65) -х/хр характеризуется мелкозернистой структурой (8-10 баллов) в виде феррито-карбидной смеси.

4. Установлена закономерность развития микроповреждаемости металла зон во взаимосвязи с исчерпанием ресурса сварных соединений в условиях ползучести (х/хр) . Процесс развития микроповреждаемости классифицирован на пять стадий. Начальный период < (0, 5-ь0, 6)-х/хр характеризуется отсутствием (не выявляются при увеличении до хЮОО) пор ползучести размером до 1 мкм; второй период (0,5-^-0,7) -х/хр - появлением единичных пор размером 1-2 мкм плотностью р<100 пор/мм2; третий период (0, 6^0,85) -х/хр - увеличением размера пор до размера 2-3 мкм и их плотности 250<р<1000 пор/мм2 и более; четвёртый период (0,7-^-0,9)-х/хр - появлением цепочек пор (и/или слившихся пор) и микротрещин длиной до 5-15 мкм по границам зёрен; пятый период (0, 9-т-1) -х/хр - развитием микро- и макротрещин.

5. Разработаны структурные шкалы для оценки остаточного ресурса сварных соединений по критериям микроповрежденности и структурных изменений металла. Единственным и основным критерием при оценке остаточного ресурса служит фактическое состояние металла ЗТВрп, которое выявляется при диагностировании методом металлографического анализа с помощью реплик; поврежденность этой зоны свидетельствует об остаточном ресурсе сварного соединения.

6. Выявлено, что микроструктурные изменения и накопление микроповрежденности в разупрочненной прослойке ЗТВрп при ползучести протекают более интенсивно по сравнению с металлом шва и основным металлом. Однако, сильное влияние на место развития микроповреждаемости оказывает степень неоднородности свойств металла зон сварных соединений. При разу-прочненном шве (Умш<1) и слабо разупрочненной ЗТВрп (£,рп<10%) микроповрежденность преимущественно развивается в металле шва. На разупрочнение металла шва 09Х1МФ влияет его микроструктурное состояние (содержание избыточного феррита в виде оторочек). Показана необходимость ограничения максимальной ширины ферритных оторочек Ьф<45 мкм по условию необходимого упрочнения металла швов (Умщ>1) .

7. Разработана методика металлографического анализа с помощью реплик (и/или срезов - микрообразцов металла) для оценки остаточного ресурса реальных сварных соединений в рамках неразрушающего контроля паропроводов, эксплуатирующихся в условиях ползучести. Определены зоны обследования сварных соединений сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Основным структурным фактором для оценки ресурса сварных соединений принята микроповрежденность металла зон и вспомогательным фактором — изменение их микроструктуры при ползучести.

8. Эффективность использования разработанного метода оценки остаточного ресурса сварных соединений подтверждена положительным промышленным опытом на отечественных ТЭС.

9. Методика оформлена и введена в действие в виде отраслевого руководящего документа РД 153-34.1-17.467-2001 "Экспрессный метод для оценки остаточного ресурса сварных соединений коллекторов котлов и паропроводов по структурному фактору". Применение методики металлографического анализа с помощью реплик для оценки ресурса сварных соединений регламентировано в отраслевых инструкциях СО 153-34.17.470-2003, СО 153-34.17.455-2003 и РД 10-577-03.

1. Адамович В. К. Влияние содержания молибдена на свойства перлитных жаропрочных сталей//МиТОМ.- 1977.- №11.- С.30-32.

2. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и паропроводов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 424с.

3. Березина Т.Г. Об оценке надежности металла длительно работающих паропроводов//Теплоэнергетика. -1983. -№4.- С.56-60.

4. Блантер М.Е., Исламов А.А., Сименькович В.Н., Дзюба И.Р. Изменение трещиностойкости паропроводных труб из стали 12Х1МФ в результате длительной эксплуатации//Наука производству. 1984.-№3.-С.15-18.

5. Бугай Н.В., Березина Т.Г., Трунин И.И. Работоспособность и долговечность металла энергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 272с.

6. Ю.Гофман Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС М.: Энергоатомиздат, 1990.- 136с.

7. Гофман Ю.М., Лосев Ю.Я., Казанцева Н.С. Оценка повреждаемости металла паропроводов. Сб. докладов "Диагностика узлов и деталей энергооборудования для определения надежности и безопасности его работы" - М.: СПО Союзтехэнерго, 1985, С.5-7.

8. Дитяшев Б.Д., Попов А.Б. Расчетно-аналитические и методические подхода к продлению срока службы паропроводов ТЭС// Теплоэнергетика.- 2001.- №4.- С.2-8.

9. Кеннеди А.Д. Ползучесть и усталость в металлах. М.: Металлургия, 1965.- 196с.19 . Крянин И.Р., Миркин И.Л., Трусов JI.П. Кинетика структурных превращений и разрушение жаропрочных сплавов при длительных испытаниях//МиТОМ. -1967.-№5. -С.8-19.

10. Куманин В.И., Ковалева J1.A., Алексеев С.В. Долговечность металла в условиях ползучести. М.: Металлургия, 1988.224с.

11. Ланская К.А. Жаропрочные стали. М.: Металлургия, 1969. -246с.

12. Минц И.И., Березина Т.Г., Ненашева З.И., Ланская К.А. Влияние температуры изотермического превращения на тонкую структуру стали 12Х1МФ//МиТОМ. -1976.- №1.- С.4-7.

13. Минц И.И., Ходыкина Л.Е., Шульгина Н.Г., Ашмарина Н.В. Исследование особенностей разрушения при ползучести теплостойких Cr-Mo-V сталей//Металловедение и термическая обработка металлов.- 1989.- №7.- С.33-36.

14. Минц И.И., Шульгина Н.Г., Смирнова А.П. Зависимость служебных свойств паропроводных труб из стали 15Х1М1Ф от структурного состояния//МиТОМ. -1982.- №2,- С.56-58.

15. Минц Н.М., Березина Т.Г., Ходыкина JI.E. Накопление повреждаемости в материале при длительной высокотемпературной ползучести//Проблемы прочности.- 1978.- №6.- С.35-37.

16. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - С.57-93.

17. Смирнова А.П., Минц И.И., Штейнберг М.М. Кинетика распада переохлажденного аустенита стали 15Х1М1Ф//МиТОМ.- 1982.- № 8.- С.52-53.

18. Саркисян В.А., Хромченко Ф.А., Лапа В.А. Статистический анализ состояния надежности стыковых и тройниковых соединений паропроводов с температурой эксплуатации 540560°С//Энергетик.- 1990.- №4.- С.4-6.

19. Т.Г. Березина, М.И. Шкляров, Ю.Ю. Штромберг. Оценка ресурса деталей энергооборудования, работающих в условиях ползучести с учетом структурного фактора//Теплоэнергети-ка.1992.- № 2.- С.2-5.

20. Хромченко Ф.А. Повышение работоспособности сварных соединений трубопроводов энергетических блоков на основе оптимизации тепловых условий сварки и термической обработки. Ав-тореф. дис. докт. техн. наук. - М., 1988. - 35с.

21. Хромченко Ф.А., Бродская Г.Л., Лаппа В.А. Совершенствование технологии сварки паропроводов//Серия: Сварочные работы в энергетике. Обзорная информация.- М.: Информэнерго, 1990.-48с.

22. Шрон Р.З., Небесова И.Ф., Бараз Р.Е., Корман А.И. О повреждениях сварных соединений трубопроводов//Теплоэнергетика.-1988.- №4.- С.33-37.

23. Шрон Р.З., Небесова И.Ф., Мазель Р.Е. и др. О работоспособности сварных соединений паропроводов//Теплоэнергетика.-1981.- №11.- С.5-9.

24. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. М.: ГИ Технико-теоретической литературы, 1950. -С.207-375.

25. Annual report SC IX-H 1989/90. I.I.W. Doc.IX-1612-90.57 . Averkazi P. NDT for high temperature installations. -I.I.W. Doc.IX-1826-95.

26. Caga T. and al. Development of non-destructive damage detection and life evaluation technology for long-term used boiler pressure parts. Technical Review- Mitsubishi heavy industries. Vol.26.- 1989.- №3.- P.158-165.

27. Canale G. Comparison between calculations and experimental results in lifetime evaluations//Welding International.-1996.- №10(8). P.639-646.

28. Etinne C.F. Residual life time of Greep Loaded Structures. Results of a Project of the Netherlands Institute of Welding. - I.I.W. Doc.IX-1465-87; XI-486-87.

29. IIW Commission IX-(Working Group Creep). W.G.-meeting on 17 and 18th. May 1990, at ENEL-CRTN-Venice (Italy) Doc. IX creep 91-01.

30. Kautz H.R., Schoch H.W., Zurn H.E. Material problems in power plant engineering. Thermally impaired components and their repair by welding. - I.I.W. Doc. IX-501-88.

31. Kautz H.R., Zurn H.E. Maintenance of creep loaded components and power plant life. I.I.W. Doc.XI-534-90.64 . Kautz H.R., Zurn H.E. Termaly Damaged Power Plant Components and their Repair: Task for welding Engineering. -I.I.W. Doc. XI-551-91.

32. Kautz H.R., Zurn H.E. Materials-Performance of Welded Structures in the Creep Range. I.I.W. Doc.XI-533-90.

33. Matallkundliche Untersuchung der Versagensmechanismen zeit-standbeanspructer Schweibverbindungen: Projeckt 172.

34. Tiedje N. ТЕМ. Investigations of a service eposed weld in 14MoV63 steel/Department of metallurgy Technical University of Denmark.- June 1988.

35. Vaessen G. Annual report 1985 of the working group "Creep". I.I.W. Doc.IX-1365-85.