МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ РУЛОНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 12ХГНМ

Применение высокопрочной теплоустойчивой рулонной стали 12ХГНМ для изготовления рулонированных сосудов высокого дав­ления (РСВД) ставит ряд проблем перед изготовителями и эксплуата­ционниками, связанных с установлением безопасных температур гидроиспытаний и разработкой регламента пуска РСВД в холодное время года. Наличие сварных швов в РСВД, материал которых бо­лее склонен к хрупкому разрушению, чем основной металл, а также влияние термического цикла сварки на охрупчивание околошовной зоны основного металла, т. е. зоны термического влияния (ЗТВ), ставит задачи оценки охрупчивания металла различных зон сварных соединений и оценки сопротивления хрупкому разрушению сосуда в целом. Если вторая задача может быть решена лишь с применением методов линейной или нелинейной механики разрушения и инженер­ных методов расчета, то первая задача часто решается удовлетвори­тельно с применением более простых испытаний на ударный изгиб стандартных образцов. В данной работе использовались сварной блок толщиной 100 мм из рулонной стали 12ХГНМ толщиной 4 мм, изго­товленной с применением действующей технологии сварки кольцевых швов из обечаек из стали 12ХГНМ. Сварка производилась сварочной проволокой Св-10ХГСН2МТ под слоем флюса АН-17М с последующим отпуском для снятия напряжений. Металлографическое исследова­ние показало, что микроструктура полученного сварного соединения удовлетворительная; твердость металла шва и наплавки практически не отличается от твердости основного металла. Наиболее высокая
твердость отмечена в ЗТВ ру­лонной стали. Микроструктура основного металла — мелкозер­нистая ферритно-перлитная по­лосчатая, ЗТВ — грубая фер­ритно-перлитная структура, ме­талл шва имеет в основном структуру мелкодисперсного перлита, а наплавка состоит из перлита с характерными круп­ными выделениями феррита; аналогичные участки имеются в металле шва.

Из сварного блока были изготовлены и испытаны і а ударный изгиб стандартные по­перечные образцы с U - и У-образными надрезами (тип I и II по ГОСТ 9454-78) по основному металлу, ЗТВ, наплавке и ме­таллу шва (рис. 1). Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре ПСВО-ЗО с регистрацией диаграммы изгиба в координатах усилие — прогиб на фотопленку при температу­рах от — 40 до 40 °С. После испытаний с помощью бинокулярного микроскопа МПБ-2 определялась доля вязкой составляющей в изло­ме образцов. По результатам испытаний строили графики темпера­турных зависимостей ударной вязкости и доли волокна в изломе образцов металла различных зон сварного соединения (рис. 2) и оп­ределяли критические температуры хрупкости по трем критериям: ударной вязкости на образцах с U-oбразным надрезом (тип I по ГОСТ 9454-60) КCU ^ 60 Дж/см2, ударной вязкости на образцах с У-об - разным надрезом (тип II по ГОСТ 9454-60) KCV 35 Дж/см2 и доле вязкой составляющей в изломе тех и других образцов

50 %, Вц ^ 50 %. Все эти критерии находят применение в раз­личной нормативно-технической документации. Этим и определяется вш'юр данных критериев для сравнительной оценки качества метал­ла различных зон сварного соединения стали 12ХГНМ.

Критерий КСU 60 Дж/см2 был выбран, исходя из того, что,

во-первых, этот уровень ударной вязкости при комнатной температу­ре установлен для многих материалов, применяемых для изготовле­ния сосудов и их элементов, а во-вторых, в соответствии с требова­ниями котлонадзора [1]. Значения ударной вязкости при комнат­ной температуре металла шва для всех сталей, кроме сталей аустенитного класса, должны быть не ниже 50 Дж/см2. Этот крите­рий использован для определения критической температуры хруп­кости.

Второй критерий KCV ^ 35 Дж/см2 применяется в Британских стандартах. Кроме того, из анализов многочисленных случаев ава­рий сосудов д вления известно [2], что, если ударная вязкость ме­талла не ниже 35 Дж/см2, то хрупкое разрушение не имеет Mec aj т. е. оно происходит при напряжениях не ниже предела текучести.

Следовательно, критерий KCV ^ 35 Дж/ома является гарантом ка­тастрофических хрупких разрушений.

Критическая температура хрупкости, определяемая по виду из­лома и соответствующая 50 % вязкой составляющей в изломе, разде­ляет области вязкого и квазихрупкого разрушения материала и мо­жет быть использована для расчета сопротивления разрушению 19 4—303 289

элементов конструкций при различных температурах нагружения

[3] . Этот критерий (Вц^ 50 %) используется для определения крити­ческой температуры хрупкости материалов, применяемых для изго­товления ответственного оборудования в ядерной энергетике [4].

В результате выполненного исследования установлено, что наи­большее охрупчивание присуще металлу зоны термического влия­ния (рис. 2). Далее следуют в порядке возрастания величины ударной вязкости КСU наплавка, основной металл и металл шва. Оказалось, что металл шва имеет наиболее высокую вязкость при испытании образцов с С/-образным надрезом во всем исследованном интервале температур. При испытании образцов с F-образным надрезом графики температурной зависимости ударной вязкости различных зон пере­секаются и поэтому их взаимное расположение зависит от температу­ры испытания. По виду излома сварного соединения располагаются следующим образом в порядке возрастания доли вязкой составляю­щей: ЗТВ, шов, наплавка, основной металл, причем кривые темпе­ратурной зависимости доли вязкой составляющей в изломе образцов с F-образным надрезом сдвинуты в сторону более высоких температур по сравнению с образцами с fZ-образным надрезом. В некоторых слу­чаях этот сдвиг составляет до 30 °С.

Для оценки влияния рабочих условий РСВД на степень охрупчи­вания сварных соединений производилась тепловая выдержка ме­талла сварного блока, из которого после выдержки изготавливались ударные образцы. Тепловая выдержка происходила при температу­ре 350 °С в течение 1000 ч. После тепловой выдержки ударная вяз­кость основного металла почти не изменилась, а свойства металла различных зон сварного соединения в основном заметно повысились и кривые температурной зависимости ударной вязкости и доли во­локна в изломе сдвинулись влево, т. е. в направлении более низких температур. Вследствие этого критические температуры хрупкости ЗТВ в основном металле и шва существенно понижаются (таблица).

После тепловой выдержки ударная вязкость KCU ^ 60 Дж/см2 для всех зон при температуре —40 °С, т. е. критическая температу­ра хрупкости по этому критерию не выше —40 °С. По критерию /sTCF^35 Дж/см2 наихудшим является металл шва, у которого кри­тическая температура хрупкости по этому критерию составляет 0 °С; более высокие значения критической температуры хрупкости по виду излома соответствуют 20—25 °С для ЗТВ.

В результате исследования сопротивления хрупкому разрушению металла сварного соединения рулонной стали 12ХГНМ в исходном состоянии и после тепловой выдержки при 350 °С в течение 1000 ч установлено, что в исходном состоянии наиболее низкие значения ударной вязкости присущи металлу зоны термического влияния. Длительная тепловая выдержка при 350 °С приводит к некоторому повышению сопротивления хрупкому разрушению металла всех зон сварного соединения стали 12ХГНМ. Наиболее низкие критические температуры хрупкости соответствуют критерию KCU ^ 60 Дж/см2, промежуточные — KCV ^ 35 Дж/см2 и наиболее высокие — В ^ > 50 %.