Содержание к диссертации
Введение
1 Механизмы и механика коррозионно-механического разрушения 8
1.1 Влияние напряженно-деформированного состояния, коррозионной среды и металлургических факторов на процессы коррозионно-механического разрушения 8
1.2 Модели коррозионно-механических процессов на базе критериев механики разрушения 17
1.3 Особенности испытаний на трещиностойкость и металлографические исследования в условиях коррозионного растрескивания 29
2 Комплексный анализ коррозионно-механических разрушений элементов технологического оборудования 38
2.1 Разрушение элементов теплообменника технологической линии крекинга на нефтеперерабатывающем заводе 38
2.2. Разрушение гиба паропровода теплоэнергетического оборудования 50
2.3 Разрушение труб технологического газопровода 62
2.4 Исследование коррозионного растрескивания адсорбера на стадии технического освидетельствования 68
2.5 Обобщение результатов анализа коррозионно-механических разрушений 76
3 Оценка стойкости сталей к коррозионно-механическим разрушениям 79
3.1 Сопротивление разрушению коррозионно-стойких сталей 79
3.2 Оценка склонности к коррозионному разрушению под напряжением мартенситно-стареющей стали 90
4 Оценка прочности и ресурса элементов технологического оборудования в условиях коррозионно-механического воздействия 97
4.1 Критерий разрушения и схематизация коррозионных дефектов 97
4.2 Поверочные расчеты на прочность трубопровода острого пара на стадии экспертизы причин аварии 102
4.3 Расчеты на прочность и оценка ресурса рубашки адсорбера с коррозионными повреждениями 112
Выводы 122
Список принятых сокращений 123
Список использованных источников 124
Приложение А 142
- Модели коррозионно-механических процессов на базе критериев механики разрушения
- Исследование коррозионного растрескивания адсорбера на стадии технического освидетельствования
- Оценка склонности к коррозионному разрушению под напряжением мартенситно-стареющей стали
- Поверочные расчеты на прочность трубопровода острого пара на стадии экспертизы причин аварии
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена проблемой безопасной эксплуатации технологического оборудования при значительных коррозионно-механических повреждениях в условиях исчерпания проектного ресурса. Коррозионные процессы сопровождаются существенным снижением характеристик механических свойств, связанным с накоплением повреждений структуры сталей и сплавов. Воздействию коррозионно-механического разрушения и ее опаснейшего вида - коррозионного растрескивания - подвергаются трубопроводы и сосуды давления ТЭЦ, АЭС, ГРЭС, нефтеперерабатывающие агрегаты, аппараты химического производства и т. д.
Конструкционная прочность и безопасность промышленных объектов во многом обеспечивается путем предотвращения или замедления коррозионного разрушения элементов при эксплуатации. Применение специальных сталей, термической обработки и средств антикоррозионной защиты не всегда решает указанные задачи в полном объеме. Существующие расчетные методики оценки коррозионной стойкости элементов эксплуатируемых конструкций и оборудования не полностью учитывают кинетику коррозионных повреждений.
Данные обстоятельства, а также высокий уровень отказов, значительные экономические потери, сложность ремонта и восстановления элементов технологического оборудования (паропроводов, теплообменников, пучков труб, сосудов высокого давления и т. д.), требуют проведения дополнительных научных исследований кинетики повреждений, механизмов коррозионного разрушения, причин отказов. Последующая комплексная оценка параметров предельных состояний и критических размеров дефектов на базе методов механики разрушения дает новые возможности для расчетного обоснования проектного и остаточного ресурсов указанных элементов.
Основанием для выполнения работы послужили:
- Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники
гражданского назначения»; подпрограмма 08.02 «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф (проект 1.5.2 «Создание научных основ безопасности по критериям механики разрушения для проектных, запроектных и гипотетических аварий» 1991-2000 г.г.);
- план НИР Научного совета РАН по комплексной программе «Машиностроение» (1998-2002 г.г.).
Исследования выполнялись при непосредственном участии автора на кафедрах «Диагностика и безопасность технических систем», «Оборудование и технология сварочного производства» Красноярского государственного технического университета, в Институте вычислительного моделирования СО РАН, Научно-производственном предприятии «СибЭРА» и на ФГУП «Красмаш».
Целью работы является развитие методов расчета на прочность и оценки остаточного ресурса элементов технологического оборудования для обеспечения его безаварийной эксплуатации при накопленных коррозионно-механических повреждениях.
Задачи исследования.
Установить закономерности коррозионно-механического разрушения на примерах элементов технологического оборудования.
Установить закономерности коррозионного растрескивания на изделиях, изготавливаемых из мартенситно-стареющей стали, подвергнутых термической обработке разного уровня.
Определить уровни максимальных напряжений в локальных точках элементов технологического оборудования, приводящие к возникновению и критическому развитию коррозионного растрескивания.
Разработать методики оценки остаточного ресурса технологического оборудования при накопленных повреждениях.
Методы исследования: механики разрушения (MP), механических испытаний, ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание,
металлографии, электронной фрактографии, химического, газового и рентгеноструктурного анализа, неразрушающего контроля.
Научная новизна и основные научные результаты, защищаемые автором:
1 Закономерности образования коррозионно-механических дефектов в
микро- и макроструктуре материалов технологического оборудования,
возникающих под воздействием факторов технологических процессов
(температуры, давления, коррозионной среды и т. д.), способствующих
ускоренному развитию коррозионных трещин, установленные методами
дефектоскопии, металлографии и фрактографии разрушенных образцов и
изделий.
2 Обеспечены максимальные уровни характеристик механических
свойств и повышенное сопротивление мартенситно-стареющеи стали типа
03X11 НІ 0М2Т-ВД коррозионному растрескиванию при определенных
технологических режимах термической и термоциклической обработки,
установленных по результатам ускоренных коррозионных испытаний образцов.
Развита методика нормирования размеров дефектов по степени их опасности в локальных точках технологического оборудования в виде оболочечных конструкций, работающих под давлением, при достижении критического уровня интенсивности напряжений.
Уточнены методы поверочных расчетов показателей прочности, трещиностойкости и остаточного ресурса оболочечных конструкций в запроектных сроках эксплуатации на основе анализа данных технической экспертизы, расчетов напряженно-деформированных состояний и оценки уровня разрушающих напряжений в условиях коррозионно-механических воздействий.
Практическая значимость диссертационной работы:
Для ряда конструкционных сталей, используемых при изготовлении оборудования, эксплуатируемого в условиях коррозионного воздействия, проведено обобщение характеристик сопротивления коррозионно-
механическому разрушению, обеспечивающее выполнение расчетов остаточной прочности и ресурса;
Для мартенситно-стареющей стали типа 03X11 HI0М2Т получены характеристики сопротивления коррозионному разрушению при оптимальных режимах термической обработки;
Результаты причинно-следственного анализа отказов использованы при подготовке экспертных заключений о причинах разрушений и при проведении диагностики технического состояния элементов конструкций и оборудования с коррозионными повреждениями;
Полученные результаты использованы при разработке учебных пособий и методических указаний к проведению лабораторных работ по дисциплинам «Теория сварочных процессов», «Методы структурного анализа и контроль качества изделий», «Управление качеством продукции». Указанные курсы входят в учебные планы по направлению 651400 — «Машиностроительные технологии и оборудование» (спец. 1205.00 — «Оборудование и технология сварочного производства» и 1206.00 — «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановление деталей машин и аппаратов») и 030000 «Педагогические специальности» (спец. 030500.07 «Профессиональное обучение (Материаловедение и обработка материалов)»).
Внедрение результатов исследований осуществлено в экспертной организации Ростехнадзора НИИ «СибЭРА», ФГУП «Красмаш» и в КГТУ, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечивается их соответствием экспериментальным данным и результатам поверочных расчетов, сопоставимостью с известными результатами других авторов. Достоверность результатов, полученных неразрушающими методами контроля, достигается использованием высокоточных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов. При проведении экспериментальных работ и экспертиз разрушений элементов промышленного оборудования принимали участие специалисты ФГУП «Красмаш», НИЦТДЭС «Регионтехсервис», НИИ «СибЭРА», которым автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции «Математические модели и методы их исследования» (Красноярск, 1997 г.); научно-практической конференции «Качество продукции машиностроения» (Красноярск, 1998); научных мероприятиях «Природно-техногенная безопасность Сибири» (Красноярск, 2001); VII Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003); II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004); научном семинаре «Проблемы конструкционной прочности» Отдела машиноведения ИВМ СО РАН (Красноярск, 2001, 2004); научно-методическом семинаре кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», научно-техническом семинаре аспирантов и соискателей механико-технологического факультета КГТУ (Красноярск, 2004).
Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 8 статьях, 2 тезисах конференций и отражено в учебно-методических пособиях.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Основное содержание и выводы изложены на 122 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 56 рисунков и 26 таблиц, а также приложения на 26 страницах, включая акты внедрения. Список литературы включает 199 наименований.
Модели коррозионно-механических процессов на базе критериев механики разрушения
Коррозия под напряжением, или коррозионное растрескивание (КР), является одним из видов коррозионно-механического разрушения (КМР). Оно относится к опаснейшим видам повреждений технологического оборудования в химической, газо-нефтедобывающей, металлургической, атомной, судостроительной и других отраслях промышленности /1/. В практике эксплуатации технических систем отмечаются разрушения элементов энергетического оборудования, нефтегазооборудования, декомпозеров алюминиевых заводов, цистерн для перевозки и хранения аммиака и др. 121. Воздействию КМР подвергаются трубы и сосуды давления оборудования АЭС и ТЭЦ, паровые турбины, бандажи роторов электрогенераторов, нефте- и газопроводы, гибы труб и другие объекты. На долю данного вида разрушения приходится около 30% всего материального ущерба от коррозии и большое число людских потерь /3/.
Коррозионное растрескивание представляет собой процесс разрушения под действием растягивающих напряжений в условиях влияния коррозионно-активной среды. На природу этого вида разрушения существуют различные точки зрения: электрохимическая, механоэлектрохимическая, пленочная, адсорбционно-электрохимическая, сорбционная и др. Данные гипотезы различаются, прежде всего, по оценке влияния напряжений и среды на процесс разрушения, а также причин, вызывающих склонность сталей к растрескиванию. Большинство исследователей объясняют механизм КР электрохимической теорией /4-6/, основанной на гальваническом взаимодействии металла в вершине трещины с коррозионной средой (КС). При КР основным фактором являются растягивающие напряжения, а электрохимическая коррозия способствует устранению препятствий на пути развития трещины (неметаллических включений, межзеренных границ и др.) II-8/. Растягивающие усилия ведут к созданию разности потенциалов между отдельными микроучастками металлической поверхности с образованием локальных гальванических пар и - как следствие - к развитию КР 13/.
Скорость распространения трещины определяется двумя кинетическими процессами: 1) скоростью деформирования в ее вершине, зависящей от металлургических и механических факторов; 2) электролитическими процессами репассивации и растворения поверхности металла. Следствием взаимодействия этих процессов является возникновение коррозионного тока в системе «металл - электролит» 191. Скорость коррозии существенно зависит от типа электролита, характер которого определяется активностью водородных ионов ІҐ 161. Последняя характеризуется водородным показателем рН -логарифмом активности ионов водорода с обратным знаком: pH=—lgaH+. Для нейтральных растворов рН=7, для кислых рН 7, для щелочных рН 7. Напряженное состояние существенно влияет на коррозионное поведение металла особенно при действии следующих факторов /41: а) возникновение дополнительной энергии в металле за счет деформации, что понижает термодинамическую устойчивость его металлических ионов; б) нарушение сплошности поверхностных пленок и ухудшение их защитных свойств под влиянием деформации; в) усиление неоднородности, связанное с появлением новых анодных фаз и дефектов кристаллической решетки при воздействии деформации. Напряжения, возникающие в концентраторах, смещают электродный потенциал в отрицательную сторону и увеличивают скорость растворения металла. Деформации способствуют заметному увеличению скорости коррозии, причем более активно в кислых средах, чем в нейтральных и щелочных. В целом, опасность напряженного состояния при коррозии заключается в изменении ее характера: из равномерной она переходит в сосредоточенную. /4/. Сварные соединения характеризуются повышенной, по сравнению с основным металлом, электрохимической неоднородностью двух видов: а) макроэлектрохимической, обусловленной различием потенциалов в разных зонах сварного соединения; б) локальной электрохимической, обусловленной структурной и химической неоднородностью в пределах каждой зоны. Основные типы коррозионных разрушений сварных конструкций — это: а) сплошная или общая коррозия, при которой роль напряженного состояния второстепенна (равномерная и сосредоточенная преимущественно в шве, в ЗТВ или в основном металле); б) местная коррозия (межкристаллитная структурная в ЗТВ и сварном шве, в зоне сплавления и точечная); в) коррозионно-усталостное разрушение хрупкого типа при усиленном влиянии напряженного состояния, характеризующееся развитием магистральной трещины без заметных макропластических деформаций. Сплошная равномерная коррозия охватывает всю поверхность металла или сварного соединения и сравнительно легко поддается оценке и прогнозированию. Наиболее опасной является коррозия, сосредоточенная в зонах конструктивной концентрации напряжений и в ЗТВ. Местные виды коррозии часто приводят к внезапному отказу конструкций, особенно при повышенных уровнях номинальных напряжений. Чрезвычайно опасны и внезапны для металлических конструкций явления КМР при коррозионной усталости (КУ) от совместного воздействия КС и циклических напряжений /4/. В процессе КМР различают три стадии: образование зародышевых дефектов под воздействием КС, завершающееся возникновением макротрещин; субкритический рост трещин; конечный кратковременный долом изделия. Вторая и третья стадии - являются предметом изучения механики коррозионного разрушения. Общей теории влияния КС на субкритический рост трещин в конструкционных сплавах не существует, как нет и единой точки зрения на механизм КМР материалов различных классов. Снижение сопротивления конструкционных сплавов и сварных соединений развитию трещин при воздействии агрессивных сред возможно при совместном и раздельном проявлении трех основных факторов 121: а) адсорбционного воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ), зависящего от их температуры; б) локального анодного растворения металла как фактора продвижения трещины; в) водородного охрупчивания (ВО) материала в кончике трещины.
Исследование коррозионного растрескивания адсорбера на стадии технического освидетельствования
Коррозионные испытания проводят при температурных режимах, рекомендованных в /98/ или в зависимости от условий эксплуатации. Длительность испытаний в эксплуатационных средах при отсутствии аналога устанавливается в 3000 ч. Контроль появления трещин на образцах проводят через 0,5, 1, 2, 4, 8 ч после начала испытаний, далее - один раз в сутки. Размер исходной поверхностной коррозионной трещины в плоских образцах устанавливается в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, а если он не оговаривается, то за него принимается минимальная длина коррозионной трещины акр, которая характеризует ее переход к ускоренному развитию.
Методы механики разрушения в применении к оценке трещиностойкости элементов конструкций, уровня безопасности технических систем, как правило, не затрагивают аспектов, связанных со структурными особенностями материалов. Однако при решении задач по прогнозированию остаточного ресурса оборудования в условиях КМР возникают вопросы, на которые можно ответить лишь по результатам металлографических исследований.
Тесная связь экспериментальных методов механики разрушения и металлографии в исследованиях механизмов КМР показана в целом ряде работ отечественных и зарубежных авторов. Романив О.Н. и Никифорчин Г.Н. /2, 60/, Карпенко Г.В. /11, 34, 42/, указывают на зависимость характера КМР от геометрии коррозионных трещин. Стеклов О.И. /4, 16/ описывает влияние структурных неоднородностей сварных соединений в различных металлах и сплавах на кинетику КМР, а также особенности разрушения их структур в напряженном состоянии при воздействии различных агрессивных сред. Похмурский В.И. с помощью методов электронной фрактографии /6, 54/ выявляет особенности строения коррозионно-усталостных изломов. Механизмы КМР трубопроводов, ребристых труб, гибов исследует Берман А.Ф. с помощью металлографических методов, устанавливая связь структуры металлов и сплавов с характером их коррозионного растрескивания, коррозионной усталости и водородного охрупчивания /32/. Болотин В.В. предлагает модели КР и КУ /45/, используя представления о взаимодействии агрессивных сред со структурой металлических материалов в кончике трещины. Исходя из представлений о состоянии микроструктуры при контакте с коррозионной средой, Ребиндер П.А. /11/ выдвигает гипотезу адсорбционного понижения прочности. Маричев В.А. /20, 21, 61, 66, 76/ рассматривает механизм ветвления трещин при КР. В работах Рябченкова А.В. и Герасимова В.И., /8, 23, 24/, Ажогина Ф.Ф. /31/, Скалли Дж. 19, 64/ и других также затронуты металлографические аспекты при рассмотрении вопросов механики КМР.
Основополагающие исследования этих авторов проводились при широком использовании высокоточных методов и средств изучения состояния конструкционных материалов. Микроструктура металлов и сплавов изучалась с использованием микроскопов (оптических /100-102/ и электронных /103—105/), рентгеновских дифрактометров, спектрометров, микрорентгеноспектральных анализаторов /107-108/, и другой аппаратуры. Металлографические методы исследования используются для фрактографического изучения поверхностей изломов, шлифов с трещинами, структурных изменений материалов при деформациях, продуктов коррозии, образующихся в результате КМР /109, 110/.
Исследования строения тонкой структуры твердого тела в весьма малом объеме или в очень тонких слоях поверхности раздела, а также строения изломов при разрушении твердых материалов, можно проводить на массивных образцах средствами растровой электронной микроскопии. На просвечивающем электронном микроскопе это возможно лишь на тонких объектах: репликах, фольгах, пленках /103-105/. Основным преимуществом растрового электронного микроскопа (РЭМ) является получение изображения поверхности с разрешением и глубиной резкости, значительно лучшими, чем у световых микроскопов /111/. Поэтому РЭМ широко используется при фрактографии изломов материалов, имеющих, как правило, развитый рельеф.
С точки зрения микроструктуры при анализе изломов различают два вида разрушения /109/: внутризеренное и межзеренное. В зависимости от кристаллографической плоскости, по которой произошло внутризеренное разрушение, различают разрушение сколом и разрушение срезом. В первом случае оно происходит по плоскости скола с образованием светлых кристалличных поверхностей. Как правило, разрушению сколом предшествует весьма незначительное пластическое течение, и поэтому такой вид излома называют «хрупкий скол». На поверхности излома при хрупком внутризеренном разрушении по плоскости скола имеются ступеньки, образующие так называемую ручьистую картину или «речной узор», которую можно объяснить с позиции теории дислокаций следующим образом. Распространяющаяся трещина пересекает ряд винтовых дислокаций и образует ступеньки высотой, пропорциональной вектору Бюргерса пересеченной дислокации. Наложение ступенек приводит к образованию высоких ступенек, которые становятся заметными на поверхности излома /109/.
Во втором случае, то есть при срезе, разрушение происходит по плоскости сдвига и сопровождается значительной пластической деформацией. Поэтому такой вид разрушения называют «вязким срезом». Поверхность такого излома при визуальном осмотре серая и волокнистая. На поверхности излома наблюдаются ямки правильной или вытянутой формы. Это микропоры, образовавшиеся в процессе разрушения материала. Характер ямок зависит от скорости деформации. С увеличением последней ямки приобретают вытянутую форму. Поры растут до слияния друг с другом и с растущей трещиной. Размеры ямок определяются структурой материала /109/. Разрушение по границам зерен наблюдается при замедленном разрушении или коррозионном растрескивании под напряжением, при высокой ползучести, при низкотемпературных пластических или динамических испытаниях некоторых сплавов и сталей, при водородном охрупчивании. Поверхность излома межзеренного разрушения блестящая и гладкая.
Под действием циклической переменной нагрузки, приобретающей на свободной поверхности максимальные значения, образуются полосы локального скольжения и обусловленные этим рельефные участки. Вид усталостных бороздок, их протяженность и расстояние между ними зависят от материала (его пластичности), условий испытаний (величины и амплитуды напряжений, числа циклов и т. д.), окружающей среды. Анализ разрушения методом электронной фрактографии применяется при многочисленных случаях усталостного и коррозионно-усталостного разрушения /109, ПО/. Наличие в изломе характерных чередующихся бороздок однозначно свидетельствует об усталостном разрушении.
Приведенная характеристика методов механических испытаний и материаловедческих исследований, применяемых для анализа коррозионно-механических процессов, показывает, что в данной области имеются широкие возможности и разработана соответствующая нормативная база. На этой основе были проведены экспериментальные исследования, результаты которых отражены в разделах 2 и 3 данной работы.
Оценка склонности к коррозионному разрушению под напряжением мартенситно-стареющей стали
Микроструктура материала удаленного от места разрушения прямолинейного концевого участка гиба - ферритокарбидная, соответствующая шестому баллу упомянутой шкалы при значительной сфероидизации. Укрупненные карбидные сфероиды по границам ферритных зерен являются признаком не рекомендованного, браковочного типа структур.
Структурные состояния и повреждаемость стали 12Х1МФ в процессе эксплуатации. Характерной особенностью стали 12Х1МФ является зависимость ее свойств от режимов термической обработки, способов выплавки и технологии производства труб /129/. Вследствие этого на паропроводах может встречаться широкая гамма структур, определяющая кратковременные и жаропрочные свойства материала.
При длительной эксплуатации, в условиях длительной ползучести, когда сроки наработки оборудования исчисляются более 100 тыс. часов, наблюдается изменение фазового состава стали и морфологии вторичных фаз, происходит перераспределение легирующих элементов между различными фазами и непрерывное нарастание повреждаемости (пористость и микротрещины) металла. Структурные изменения и накопление повреждений приводят к снижению жаропрочности и сопротивляемости стали разрушению /130-136/.
Повреждения в виде микропор по границам зерен и микротрещин формируются на начальных стадиях эксплуатации /137, 138/, стимулируемые повышением рабочей температуры и уровнем эффективных напряжений /129/. При этом возрастает скорость зарождения и роста пор, что приводит к повышению скорости накопления повреждаемости и снижению длительной прочности стали. Образование и рост пор на границах зерен ускоряют диффузные процессы, увеличивая скорость ползучести металла. Переход к стадии разрушения представляется как процесс интенсивного слияния пор.
Анализ процессов, протекающих в стали 12Х1МФ /129/ в период незначительной повреждаемости (до 100 тыс. ч эксплуатации), свидетельствует об определяющей роли структуры. При больших уровнях наработки процесс разрушения зависит от степени повреждаемости металла. Поэтому для достоверного определения ресурса материала с длительным сроком службы необходима информация о степени поврежденности металла в наиболее напряженных местах.
Значения характеристик механических свойств, полученные в результате кратковременных испытаний (см. таблицу 2.4), дают важную информацию, отражающую процессы деградации свойств материала. Такие характеристики, как сто,2» сгв, 8, ф, тесно связаны со структурным состоянием материала и, в то же время, слабо реагируют на наличие в металле повреждаемости, образующейся в процессе эксплуатации. Эти показатели можно использовать лишь для косвенной оценки. Так, в данном случае, характеристики механических свойств (о0,2, сгв) удовлетворяют техническим требованиям. Величина критерия снижения жаропрочности в виде отношения кратковременных пределов прочности при рабочей и комнатной температуре должна быть более 0,5. В нашем случае он составляет: на прямом участке гиба 0,59, а в зоне, прилегающей к трещине - 0,63. Понижение жаропрочности и длительной прочности является следствием формирования мелкозернистой ферритокарбидной структуры (с зерном 7-8 баллов)/135/.
Анализ результатов исследования. Вид магистральной трещины и характер ее распространения по наружной поверхности растянутой зоны гиба № 4 трубопровода острого пара позволяет классифицировать разрушение, как многоочаговое, развивавшееся во времени. Макрохрупкий, межзеренный, с крупными фасетками отрыва, излом раскрытой сквозной трещины, большое количество трещин, параллельных магистральной, окисленные поверхности, поры и микротрещины по границам зерен, а также характер микроструктуры в зоне разрушения, свидетельствуют о разрушении стенки гиба по механизму КР с элементами ползучести. Максимальная поврежденность выявлена на растянутых волокнах у наружной поверхности гиба, минимальная — на прямом участке. Концентрация пор на сжатых и нейтральных волокнах существенно ниже, чем в зоне разрушения. Химическим анализом материала исследуемого гиба определено, что содержание молибдена на 0,02% ниже минимально допустимого. Известно, что молибден эффективно повышает прочность стали при высоких температурах и вводится в сталь обычно совместно с хромом, который повышает стойкость карбидов, препятствуя графитизации стали в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах /140/. В стали 12Х1МФ при эксплуатации происходят превращения в карбидной фазе, затрагивающие как количество и размер карбидных частиц, так и их состав. Одновременно легирующие элементы перераспределяются между ферритом и карбидами; протекают рекристаллизационные процессы в феррите, т.е. происходит процесс деградации структуры металла, который завершается во времени тем скорее, чем ниже содержание легирующих элементов, в частности, молибдена. Его пониженное содержание в материале исследуемого гиба (0,23%) привело при достаточно продолжительной наработке (-161 тыс. часов) к практически полному распаду перлита, обеднению феррита молибденом и выделению карбидов хрома и молибдена по границам зерен с последующей их коагуляцией. Это обстоятельство предопределило снижение предела текучести и высокие характеристики пластичности материала гиба (относительное удлинение и сужение, ударную вязкость), что склонило его к ползучести с повышенной скоростью.
Поверочные расчеты на прочность трубопровода острого пара на стадии экспертизы причин аварии
С целью определения марки материала обечайки рубашки был проведен его химический анализ. Было установлено, что химический состав основного материала соответствует стали 10Х17Н13М2Т (08Х17Н13М2Т) /145/.
Для определения прочностных свойств (предел текучести оь.2, предел прочности ств) и пластичности (относительное удлинение S, относительное сужение ц/) этой стали были проведены механические испытания образцов. Испытания проводились на испытательной машине Р10. Результаты представлены в таблице 2.11.
Таким образом, экспертиза технического состояния адсорбера показала следующие результаты. Химический состав основного материала соответствует стали 10Х17Н13М2Т аустенитного класса с предрасположенностью к КР. Как следствие, обнаруженные многочисленные специфические эксплуатационные повреждения, образовались под воздействием механических факторов и коррозионных процессов при контакте с агрессивными средами. Глубина трещин в наплавленном металле, образовавшихся по типу межкристаллитного КР, доходит до 2 мм (15% от толщины). На внутренней поверхности основного и наплавленного металла имеется МКК на глубину до 0,3 мм. Это значительно снизило работоспособность адсорбера. Расчет остаточного ресурса аппарата приведен в разделе 4. Приведенные данные (таблица 2.12, поз. 1) и результаты анализа разрушения элементов теплообменника наглядно демонстрируют зависимость решения проблемы предотвращения КР от целого ряда факторов. Очень важен технологический аспект, заключающийся в неукоснительном соблюдении технологии производства, нарушение которой резко снижает ресурс изделий.
Эксплуатационные нарушения также пагубно отражаются на работоспособности технических систем. Это явилось одной из причин разрушения паропровода из стали 12Х1МФ в процессе эксплуатации при высоких температурах (таблица 2.12, поз. 2). Деградация материала в этих условиях происходит несколькими этапами. Вначале зарождаются отдельные микропоры на межзеренных границах. Затем в результате роста и слияния микропор происходит формирование зернограничных микротрещин, не превышающих по длине диаметра зерна. На третьем этапе микродефекты объединяются в трещины, уже превосходящие диаметр зерна. Финалом является катастрофическое разрушение при их слиянии в магистральную межзеренную трещину. Длительности этапов зависят от исходной структуры стали, условий и режима работы. Безопасная эксплуатация паропровода, очевидно, возможна до третьего этапа, на котором продвижение вершины магистральной трещины ускоряется при ее слиянии с межзеренными дефектами.
Кинетику процесса КР при разрушении газопровода установки получения полиэтилена (таблица 2.12, поз. 3) можно описать следующим образом. Вначале протекает локальная коррозия с образованием отдельных глубоких повреждений. Затем развиваются процессы зарождения и развития трещин в плоскости, перпендикулярной максимальным растягивающим напряжениям. Повышение скорости зарождения трещины инициируется увеличением окружных растягивающих напряжений на дне повреждения по мере его углубления вследствие коррозии. Таким образом, совокупность свойств во взаимодействии с внешними факторами обусловливают механизм и кинетику повреждения элементов при КР. При экспертизе технического состояния адсорбера в обечайке рубашки из аустенитной стали 10Х17Н13М2Т (таблица 2.12, поз. 4), склонной к КР, выявлены множественные эксплуатационные повреждения значительной глубины под воздействием факторов КМР и МКК. Известно, что МКК стали 10Х17Н13М2Т ускоряется при наличии напряжений и пластической деформации, что в данном случае имело место. Деградация материала, очевидно, связана также с длительным сроком эксплуатации. Все это значительно уменьшило остаточный ресурс аппарата (см. раздел 4).
Выполненные исследования закономерностей механизма, кинетики и параметров процесса эксплуатационного повреждения элементов конструкций позволяют обеспечить условия подобия при проведении испытаний лабораторных образцов, и, варьируя полученными параметрами, определить оптимальные пути уменьшения скорости или полного исключения КР. Предотвратить КМР можно, если создать условия, при которых количественные значения составляющих механизма повреждения не будут превышать определенных значений.
Таким образом, в данной главе рассмотрены случаи КМР ряда элементов промышленного оборудования из различных материалов. На основе полученных результатов стало возможным установить причины разрушений и произвести оценку остаточной прочности и ресурса исследованных объектов.
