Введение к работе
Актуальность темы: Одной из наиболее острых проблем стоящих перед отечественной является физическое и моральное старение основных и промышленностью вспомогательных производственных мощностей, исчерпание срока их службы. Отсутствие плановой политики по ренавацни производственных предприятий привело к тому, что большая часть оборудования, низкотемпературного и криогенного назначения уже исчерпало его или находится в состоянии близком к этому. Применяемая ныне практика «паркового» - то есть усредненного ресурса, назначаемого для определенной группы оборудования без учета фактического состояния конкретного аппарата, на сегодняшний день исчерпала свои возможности. В современных условиях, для обеспечения нормальной жизнедеятельности предприятий использующих низкотемпературные технологии, требуется переход от паркового к индиввдуальному ресурсу, определяемому для каждого конкретного сосуда, емкости, трубопровода на основании контроля их фактического состояния. Проблема исчерпания ресурса; низкотемпературного оборудования встала относительно недавно из-за сравнительной молодости отрасли. Поэтому, к настоящему времени, отсутствуют достоверные сведения об изменении структуры и свойств материалов под воздействием длительной низкотемпературной и термоциклической эксплуатации. Отсутствует статистика, ресурсных разрушений той или иной группы оборудования и анализ причин их вызвавших. Не создано единой общепринятой теории обобщающей влияние на фазовый состав, структуру и свойства сталей эксплуатационных, монтажных и технологических факторов, опираясь на которые можно было бы прогнозировать безопасные пределы эксплуатации того или иного оборудования за пределами расчетного - паркового срока их службы. Также в научной литературе не получили достаточного освещения проблемы воздействия на криогенное оборудование внешних коррозионных сред, статических и динамических нагрузок, пластических деформаций, высокотемпературных технологических и ремонтных разогревов и других процессов, оказывающих влияние на надежность и долговечность оборудования криогенной техники.
В связи с высокой стоимостью оборудования низкотемпературной техники, сложностью доступа к ней из-за наличия многослойных теплоизоляционных покрытий требуется разработка новых методик неразрушающего контроля металла оборудования, создания устройств позволяющих вести непрерывный мониторинг изменений протекающих в материалах в процессе эксплуатации.
Цель работы. Исследование структурной стабильности , изменений фазового состава и физико-механических свойств основного материала криогенной техники - стали 12Х18Н12Т под воздействием длительной низкотемпературной эксплуатации и разработка рекомендаций по определению путей продления срока службы материалов оборудования криогенной техники, эксплуатируемой при температурах жидкого
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены следующие задачи:
- исследовать фактическое состояние и металл вырезок из различных гругат криогенного оборудования (сосудов, колонн, трубопроводов, фильтров) и определить свойства стали 12Х18Ш2Т после длительной низкотемпературной Л и термоциклической эксплуатации, установить причины, приведшие к падению запасов пластичности и вязкости материала;
определить эксплуатационные факторы влияющие на снижение надежности и срока службы оборудования криогенной техники;
определить воздействие на структуру и физико-механические свойства металла технологических разогревов в диапазоне температур до 1000 К, провести моделирование этих процессов на опытных плавках стали 12Х18Н12Т;
оценить изменение свойств стали 12Х18Ш2Т в области криогенных температур под воздействием пластических деформаций и коррозионных сред, приводящих в оборудовании - криогенной техники к возникновению трещин по механизмам межкристаллитной (МКК) или стресс-коррозии (КР);
установить влияние никеля в пределах внутримарочного химического состава стали 12Х18Ш2Т на формирование ее физико-механических свойств и коррозионной стойкости против МККи КР;
разработать1 метод и предложить приспособление для неразрушаю-щего контроля металла оборудования криогенной техники на предмет обнаружения зон потенциально склонных или поврежденных МКК или КР.
Научная новизна работы состоит в следующем:
на основании экспериментальных исследований фактического состояния оборудования криогенной техники, отработавшей расчетные ресурс и анализа металла вырезок из оборудования криогенной техники были определены основные факторы, названные в работе эксплуатационными факторами риска, ответственные за снижение надежности и долговечности криоси-стем;
показано, что в случае эксплуатации оборудования в диапазоне 1000 — 4,2 К наиболее вероятно возникновение коррозионных трещин по механизму МКК, в диапазоне 293 — 4,2 К - по механизму КР;
определены температурно-временные параметры технологических разогревов оборудования, не приводящие к возникновению в металле крио-систем склонности к МКК;
учитывая, достаточно широкий интервал внутримарочного легирования стали 12Х18Ш2Т по никелю (11-13 % масс), определена его роль в формировании коррозионной стойкости стали против МКК и КР в условиях эксплуатации криосистем;
уточнена взаимосвязь структуры, параметров эксплуатации, химического и фазового состава стали 12Х18Ш2Т с е магнитной проницаемостью и на основании этих исследований разработан метод неразрушающего магнитометрического контроля, металла криосистем на предмет обнаружения зон потенциально склонных или поврежденных коррозией.
Практическая ценность работы определяется:
созданием методики и приспособления для проведения неразру-шающего контроля металла оборудования криогенного назначения на предмет обнаружения зон потенциально склонных или поврежденных коррозией;
анализом результатов исследований, проведенных на вырезках из металла криогенной техники, отработавшей расчетный ресурс в 100 тыс. часов и модельных плавках, который позволил определить основные факторы риска, снижающие надежность и долговечность оборудования и сформулировать ряд дополнительных требований к оборудованию криогенной техники, изготовленной из стали 12Х18Ш2Т, в частности, по температурно-времепным параметрам технологических разогревов и допустимым значениям локальной пластической деформации;
- рекомендовать ввести разбраковку стали 12Х18Ш2Т в зависимости
от назначения изготовляемого из нее оборудования - сталь с повышенным
содержанием никеля (более 12 % масс), как более устойчивую против КР
использовать в криогенном оборудовании, технологические разогревы кото
рого не превышают 650 - 700 К - то есть в зоне температур ниже интервала
карбидного превращения в стали 12Х18Ш2Т; сталь с пониженным содержа
нием никеля (11 - 11,5 % масс.) использовать в криогенном оборудовании,
которое в ходе межэксплуатационных разогревов нагревается выше 700 К -
так как в этом случае сталь 12Х18Ш2Т оказывается более стойкой против
Апробация работы. Материалы, составляющие основное содержание работы, докладывались на 8 всероссийских и региональных конференциях и семинарах, в частности , на 5-9 семинаре «Актуальные проблемы механики прочности и теплопроводности при низких температурах» , С-Петербург 1999-2003 г.г.; 5,6,8 и 9 семинарах «Прочность материалов и конструкций при низких температурах», С-Петербург, 1999-2003 г.г., П международной конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2003 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.
Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Основное содержание работы и выводы изложены па 148 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 42 рисунка и 26 таблиц. Список литературы включает в себе 144 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, исходя из задач и требований, предъявляемых к материалам криогенной техники, предназначенным для длительной эксплуатации в условиях температур жидкого гелия, показана научная новизна результатов работы и их практическая значимость.
