Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения котлов Nalco Chemical Company

Дефекты в сварных швах

Места образования дефектов

Крупный котел может содержать более 50 ООО сварных швов. Каждый из этих швов может стать местом дефекта. В основном благодаря жестким требованиям стандартов ASME, касающихся емкостей пол давлением, по­вреждения сварных швов составляют лишь 2.5% от всех повреждений кот­лов. Из-за относительно суровых условий, существующих в секциях паро­перегревателя и промежуточного пароперегревателя, многие повреждения сварных швов происходят именно в этих секциях.

Важнейшие условия, способствующие образованию дефектов

Все дефекты сварки представляют собой результат невыполнения одного или нескольких требований, приведенных выше. Однако следует иметь в виду.

Что сварные швы не совершенны. С учетом этого факта все основные стан­дарты, относящиеся к сварным швам, допускают наличие дефектов, но уста­навливают ограничения для степени их опасности. Приемлемый сварной шов не тот, который полностью лишен дефектов, а тот, в котором существу­ющие дефекты не исключают удовлетворительной работы сварных деталей.

Пористость

Идентификация пористости. Пористость означает захват газовых пузырь­ков расплавленным металлом в связи с уменьшением растворимости газа в ме­талле, когда он охлаждается, или в связи с химическими реакциями, протека­ющими в металле сварного шва (Рис. 20.1). Обычно пористость при взгляде на поверхность места сварки не видна. Результат распределения пор внутри свар­ного шва можно классифицировать как равномерно рассеянную, кластерную или линейную пористость. Поры, расположенные вблизи поверхности, оказы­вают значительное влияние па механические свойства сварного шва.

Ограничение пористости. Пористость может быть ограничена, если применять чистые и сухие материалы и обеспечивать достаточное электро­питание сварочных работ и требуемую длину сварочной дуги.

Шлаковые включения

Идентификация включений. Термин шлаковые включения относится к не­металлическим твердым веществам, попавшим во внутрь сварного покры­тия или находящимся между металлом сварного шва и металлом основы. Шлак образуется в ходе высокотемпературной химической реакции, кото-

Рая может происходить в процессе сварки. Его включения могут быть пред­ставлены в виде отдельных частиц либо непрерывных или прерывистых по­лос. На Рис. 20.2 показано линейное шлаковое включение, находящееся на границе раздела металла шва и металла основы. Шлаковые включения не

Разрушения, происходящие во время работы, обычно связаны с выходящи­ми на поверхность шлаковыми включениями или с такими включениями, раз­меры которых существенно уменьшают площадь поперечного сечения стенки.

Уменьшение количества шлака. Количество и размер шлаковых вклю­чений может быть сведен к минимуму, если сохраняется низкая вязкость расплавленного металла, предотвращающая быстрое затвердевание, и под­держивается достаточно высокая температура металла сварного шва.

Избыточная глубина проплавления (прожог)

Идентификация прожога. Термин избыточное проплавление относится к прорыву сварного валика за пределы корня сварного шва. Этот прорыв может проявиться в виде избыточного металла на обратной стороне свар­ного шва, похожего на «сосульки» (Рис. 20.3), или в виде вогнутости на об­ратной стороне шва, иногда называемой стоком (Рис. 20.4).

Первый из них нежелателен потому, что избыточный металл может нару­шить поток охладителя, вызвав локальную коррозию дальше места дефекта (водяная труба) или локальный перегрев дальше места дефекта (паровая труба).

Второй из них, если происходит в знчительной степени, может вызвать об­разование трещин в проходе при заварке корня шва. Эти трещины могут ос­таться не обнаруженными при рентгенографическом обследовании. Кроме то­го, вогнутость существенно снижает усталостную долговечность, а чрезмерная ее величина может привести к разрушениям при термической уст алости.

Предупреждение прожога. Поскольку места дефектов данного вида ча­сто недоступны для ремонта, меры борьбы с ними сводятся и основном к мерам их предупреждения. Избыточное проплавлепие часто происходит в результате неправильного выбора метода сварки, плохой подготовки со­единения под сварку и последующей плохой центровки соединения.

Неполное расплавление сварного соединения

Идентификация неполного расплавления. Данный термин, который ci говорит за себя, относится к неполному расплавлению смежных кони сварного соединения. Он может оказаться между отдельными валнк. г сварного шва, между основным металлом и металлом шва или в любой то

Повреждения, вызванные неполным расплавлением внутрс i Deep ностей сварки, происходят нечасто, если этот недостаток не слишком вел] (менее)0% толщины стенки). Однако неполное расплавление на висшн; поверхностях более серьезный дефект, который может привест и кразруп ншо под влиянием механической усталости, термической усталости и ко розионного растрескивания под напряжением.

Преду преждение неполного расплавления. Нспо сет происходить в связи с нсрасплавлснием основного mi Внесенного металла шва. Его можно предотвратить п.

Стн сварочного тока или снижения скорости сварки. Неполное рас - 1— it быть также вызвано прилипанием ' "

Прорезание канавки

Идентификация прорезания канавки. Термин прорезаине относится к со­зданию непрерывной или прерывистой канавки, проплавленной в основ­ном металле на любой из поверхностей (у кромки лицевой поверхности сварного шва. Рис. 20.5, или у корня сварного шва). В зависимости от глу­бины и остроты канавки прорезание может вызвать повреждения иод вли­янием механической или термической усталости.

Неполное проплавление или непровар соединения

Идентификация непровара. Термин неполное проплавление соединения, как показывает само наименование, относится к неполному проникнове­нию сварного шва через толщу соединения (Рис. 20.6). Он обычно применя­ется к начальному проходу шва или к проходу, который выполняют с од­ной или обеих сторон сварного соединения. В соединениях с двойным свар­ным швом дефект может оказаться внутри стенки (Рис. 20.7).

Недостаточное проплавление соединения - один из самых серьезных де­фектов сварных швов. Оно вызывает повреждения и в емкостях высокого давления, и в [ рубах. С ним связаны разрушения в результате механической и термической усталости, а также коррозионного растрескивания под на­пряжением и простой коррозии.

Предупреждение недостаточного проплавления соединения. Недоста­точное проплавление или испровар соединения обычно связывают с непра­вильной формой сварной канавки, сваркой слишком широким электродом, с чрезмерно высокой скоростью сварочных операций или с недостаточной мощностью сварочного тока.

Сопутствующие проблемы. См. раздел данной главы под заголовком «Неполное расплавление».

Идентификация растрескивания. Трещины выглядят как вытянутые отвер­стия на поверхности металла. Они могут быть широкими, но чаще они очень узки. Эти трещины обычно имеют толстые края и несут следы очень незначительной пластической деформации, если она происходила. Трещи­ны в металле сварного шва могут быть опасны, т. к. приводят к частым раз­рушениям при работе котла. Трещины в основном металле (у кромок шва. под валиком шва) также опасны и могут вызвать разрушения. Трещины мо­гут быть поперечными или продольными (Рис. 20.8).

Растрескивание в сварных соединениях может происходить в самой раз­личной форме.

■ Горячее растрескивание в наплавленном валике. Происходит сразу же при затвердевании г с i it ного металла в шве.

■ Холодное растрескивание в наплавленном валике. Происхо­дит после того, как сварной шов остыл. Трещины могут появиться через не­сколько дней после завершения сварочной процедуры.

■ Горячее растрескивание основного металла. Происходит при затвердевании расплавленного металла в шве.

■ Холодное растрескивание основного металла. Происходит по­сле того, как сварной шов остыл.

Предупреждение растрескивания. В целом, трещины являются результа­том неправильного режима сварки, несоответствующей подготовки свари­ваемого соединения, применения непригодных электродов, неправильного предварительного прогрева и слишком высокой скорости охлаждения.

Если трещины образуются в металле шва, предотвратить их могут сле­дующие меры:

1.Снижение скорости сварки.

2. Предварительный прогрев участка сварки, особенно при большой тол­щине сварного сечения.

3. Применение электродов с низким содержанием водорода.

4. Применение сухих электродов.

5. Правильная последовательность проходов сварки с учетом усадочных напряжений.

6. Исключение условий, которые вызывают быстрое охлаждение.

Если трещины образуются в основном металле, предотвратить их могут следующие меры:

1. Предварительный прогрев участка сварки, особенно при большой толщине сварного сечения.

2.Тщательное регулирование подвода тепла.

3. Применение электродов требуемых типоразмеров. 4 Применение сухих электродов.

Меры предосторожности. Окончательное определение серьезности де­фектов сварных швов и их влияния на эксплуатационную пригодность тре­бует заключения опытного инспектора по сварке.

Графитизация

Наиболее вероятные места графитизации. Графитизации могут подвер­гаться нелегированная сталь и сталь с содержанием 0,5% молибдена. Эти стали применяют в секциях пароперегревателей и промежуточных паропе­регревателей. работающих при низких температурах. Повреждения более часты в паровых трубах, чем в котельных трубах.

Общие сведения. Термин графитизация относится к самопроизвольно­му термическому разложению карбида железа, присутствующего в составе стали, на свободный углерод (графит) и чистое железо. Это явление связа­но со временем и температурой, оно происходит в температурном интерва­ле 800-1200°Ф (427-649°С). Время, необходимое для того, чтобы началась графитизация, уменьшается с увеличением температуры металла.

Разрушения, вызванные графитизацией в сварных стальных соединени­ях, связаны с образованием непрерывных графитовых цепочек, которые имеют тенденцию выстраиваться вдоль низкотемпературного края зоны влияния температуры в основном металле. Эти непрерывные цепочки или поверхности графита представляют собой плоскости пониженной прочно­сти, сквозь которые могут легко распространяться трещины. Это может вызвать разрушение нелегированных сталей и сталей с содержанием до 0,5% молибдена. Разрушения, вызванные графитизацией, наносят серьез­ный ущерб.

Важнейшие условия. способствующие графит пиши. Факторы, кото­рые обусловливают возможность разрушений, связанных с графитизацией. влючают применение чувствительного к ней материала, сварку данного ма­териала и влияние на сварное изделие температур в интервале 800-1200Ф (426-649°С) в течение длительного времени.

Чувствительный материал может быть нелегированной или легирован­ной сталью с содержанием до 0,5% молибдена, которая была раскислена в ходе сталелитейного процесса алюминием, взятым в количествах, превы­шающих 0,5 фунт/т (0,226 кг/т).

Идентификация графитизации. Разрушения, связанные с графитизаци­ей, могут происходить в углеродистых и углеродистомолибденовых ста­лях, которые были сварены и за тем подверглись в течение длительного вре­мени действию температур от 800 до 1200°С (427-649°С). Разрушения про­исходят в основном металле после воздействия на него высокой температу­ры на расстоянии около 1/16 дюйма (1.6 мм) от места сварного стыка. Не - разрушающих методов для идентификации графитизации не существует.

Предупреждение графитизации. Исключение воздействия на сваренный металл температур, при которых происходит графитизация, остается наи­лучшим способом предупреждения возможной графитизации в конкретном материале. Для предупреждения аварий, вызываемых графитизацисй. вполне оправдал себя выбор нечувствительных к графитизаиии материалов уже на стадии проектирования.

Дополнительные соображения

Отходы процесса сварки. Такие отходы процесса сварки, как брызги рас­плавленного металла, обрезки, опилки и стружки, остающиеся после шли­фовки концов трубы, и даже сварочный инструмент могут попасть в трубы после их ремонта. Если эти отходы не удалить своевременно, они могут вы­звать частичную забивку прохода для охладителя и привести к разрушени­ям в результате перегрева, в частности к разрушению от перенапряжений. Такие аварии могут произойти через много месяцев после завершения ре-

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 20.1

Местоположение образца: Выходной коллектор пароперегревателя

Программа водообработки: Аммиак, гидразин Давление в барабане: 3800 фунт/кв. дюйм (26,2 МПа) Характеристики труб: Наружный диаметр 2,25 дюйма (57 мм)

SA-213T22

Ления. Подобные пов[

Были обнаружены при осмотре, проведенном после разрушений. Котел, работая н постоянной нагрузкой, был в непрерывной эксплуатации, за исключением оста[

Ш

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 20.3