Аустенитными электродами

В связи с наметившимся в США стремлением к некоторому снижению температуры острого пара (в новых мощных блоках эта температура колеблется в пределах 510—566°С при средней температуре около 540° С) при одновременном увеличении единичных мощностей доля новых блоков, при изготовлении которых используют аустенитные стали, остается практически прежней [Л. 46]. Так, в части вновь вводимых в США блоков (около 13%) предусмотрено применение аустенитных паропроводов острого пара. Иногда в США аустенитные трубы используют и при изготовлении паропроводов промежуточного перегрева, а в ряде случаев аустенитные трубы применяют для паропроводов и поверхностей нагрева при температурах более низких, чем это принято в СССР.

В результате применения аустенитной стали 316, содержащей 16% Сг, 13%: NF и 3% Мо, удалось избежать трещинообразования в паропроводах и камерах. В США и Англии в настоящее время для аустенитных паропроводов и камер применяют преимущественно стали типа 316. Сварку производят электродами, дающими металл шва, содержащий 16% Сг, 8% Ni и 2% Мо.

В зарождении и развитии трещин в сварных соединениях аустенитных паропроводов не последняя роль принадлежит остаточным напряжениям.

ления из аустенитных паропроводов

Для ряда сварных конструкций, и в первую очередь сварных стыков аустенитных паропроводов, обычные испытания сварных соединений на длительную прочность при растяжении не позволяют выявить обнаруженную в эксплуатации их склонность к хрупким разрушениям в зоне сплавления [16], [17]. Для ее оценки в лабораторных условиях может быть использована разработанная в ЦКТИ методика испытания образцов сварных соединений на изгиб с постоянной скоростью деформирования [18]. Условия этого испытания приближаются к реальным условиям работы стыков паропроводов, в которых действуют напряжения изгиба, вызванные температурными деформациями трубопровода.

Анализ экспериментальных данных, а также отечественный и зарубежный опыт эксплуатации сварных стыков аустенитных паропроводов показывают, что большинство используемых аустенитных сталей для паропроводов склонно к хрупким разрушениям в зоне сплавления. Эта склонность зависит также от неучитываемых сегодня условий ведения плавки стали. Ряд плавок стали одного и того же химического состава обладает явно выраженной склонностью к локальным разрушениям, в то время как другие к ней не склонны. Более высокой стойкостью против хрупких разрушений обладают аустенитные стали, легированные молибденом (напр., типа Х15Н14МЗБ (ЭИ405) [18]). Это обстоятельство послужило, в частности, одной из основных причин выбора стали типа Х16Н13МЗ (марки AISI316) [16] в качестве материала паропроводов станции Эддистоун на сверхкритические параметры пара 650°, 325 а/па.

На фиг. 59 показан узел паровпуска цилиндра высокого давления паровой турбины фирмы «Эшер-Висс» мощностью 115 мгвт на параметры: 600°, 170 ата [89], в котором предусмотрено соединение аустенитных паропроводов и наружного цилиндра из 12-процентной хромистой жаропрочной стали

Типы разделок, применяемых при использовании указанных методов, показаны на фиг. 111. Сварка на медных разборных удаляемых кольцах нашла основное применение при изготовлении сварных стыков толстостенных аустенитных паропроводов при диаметре трубы больше 80—100 мм. Медное разъемное кольцо, устанавливаемое в месте стыка, после сварки разнимается на части и тросом вынимается из трубы. Внедрение указанной технологии позволяет получить гарантированное проплавление корня шва при хорошем его формировании. Ее недостатком является невозможность использования для сварки замыкающих стыков вследствие трудностей удаления кольца после сварки.

Наличие расточки труб при стыковке ухудшает условия работы трубопроводов, так как является причиной местного ослабления сечения в районе сварного стыка. Подобные ослабления наиболее опасны при воздействии напряжений изгиба, приводящих, как показано рядом работ, к локализации деформаций в районе сварного стыка. При этом чем больше глубина расточки и меньше отношение ее суммарной длины к диаметру трубы, тем величина локальных деформаций больше. Для сварных соединений, обладающих малым запасом деформационной способности в условиях изгиба, и, в первую очередь, для сварных соединений аустенитных сталей наличие локальных деформаций значительной величины может привести к преждевременным разрушениям в районе сварного стыка. Поэтому для аустенитных паропроводов необходимым условием, повышающим их работоспособность, является подбор близких по размеру труб при стыковке с целью уменьшения размеров расточки. Для уменьшения величины локальных деформаций в районе сварного стыка может быть предусмотрена также калибровка концов труб. При проектировании трубопроводов должна быть учтена возможность их изготовления при использовании рационального технологического процесса. Последний должен предусматривать разделение трубопровода на отдельные участки (плети), свариваемые в свободном состоянии, а также минимальное количество замыкающих стыков, свариваемых в условиях «большой жесткости.

щину стенок и могут испытывать большие дополнительные напряжения при недостаточно удовлетворительной компенсации. Так, в паропроводах для блоков мощностью 300 мгвт толщина стенок труб достигает 40—60 мм. Вопросы надежной работы паропроводов приобретают особую актуальность с повышением единичных мощностей и параметров агрегатов и переходом ' к блочной системе работы паросиловых установок. Как показал опыт работы паросиловых станций сверхвысоких параметров [16], [17], сварные стыки толстостенных аустенитных паропроводов могут являться в ряде случаев наиболее аварийным узлом установок, и разрушения их в процессе работы приводят к неоднократным остановкам блока.

Большие трудности, возникающие при проектировании, изготовлении и эксплуатации аустенитных паропроводов установок сверхвысоких параметров, вызывают появление новых конструктивных решений. Одним из них является предложение использования двухстенного паропровода [112]. Это предложение сталкивается с большими трудностями при реализации, так как оно будет иметь практическое значение только в том случае, если между внутренней и внешней трубами удастся разместить изоляционный слой достаточной толщины, чтобы температура наружной трубы существенно упала. Кроме того, материал изоляции должен быть устойчив от разрушения в паровой среде. Трудности создания внутреннего изоляционного слоя особенно велики в местах поворотов, тройников и арматуры. До настоящего времени конструктивно не разработаны также узлы соединения двустенного трубопровода с фасонными частями и арматурой.

Во многих случаях разрушения происходят поперек сварного шва. В качестве примера разрушения труб на рис. 2.4 приведена фотография макрошлифа сварного соединения стали 15Х5М, выполненного аустенитными электродами марки O3JT-8, разрушившегося после 3600 часов работы на установке гидроочистки. Разрушение проходило по сварному шву отвода диаметром 152x6 мм, работавшего при температуре 45 - 50°С и давлении 5-6 МПа в среде газосырьевой смеси дизельного топлива с водородом. Как видно на снимке сечения, вырезанного из неразрушившейся части сварного соединения, ширина околошовных зон подкалки имеет значительные размеры. Твердость зон термического влияния (ЗТВ), снижающая сопротивляемость металла этих зон образованию трещин, относительно высокая и составляет от 350 до 441. MB (заключение № ЗМ-69, ПО "Салаватнефтеоргсинтез") При этом наиболее вероятным местом хрупких разрушений с повышением температуры и длительности эксплуатации становятся околошовные зоны вблизи линии сплавления с мартен-ситной структурой. На рис. 2.5 показан характер развития трещин в зоне термовлияния со стороны приварки отвода к трубе диаметром 219x8 мм линии пирогаза. Твердость металла этих зон была повышенной и составляла 45 - 47 HRC. труба отвод

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые ресурсосберегающие технологические процессы электродуговой сварки с регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принудительного охлаждения малоуглеродистых хромомолибденовых сталей мартенситного класса. Показано, что интенсивный отвод тепла из зоны теплового воздействия дуги значительно влияет на геометрические размеры твердых прослоек в ЗТВ. Это обеспечивает уменьшение объема металла, претерпевающего закалочные превращения, и требуемое высокое качество сварных соединений достигается за счет формирования специфической структуры металла околошовных зон с минимальной чувствительностью к образованию трещин. При сварке аустенитными электродами размеры хрупких прослоек в ЗТВ получаются меньше критических величин, при которых

Обычная сварка стали 15Х5М аустенитными электродами с подогревом до 300-350°С приводит к образованию развитых (до 8-10 мм) твердых прослоек (рис. 2.8, 1-а). Макро- v микроструктура аустенитного шва грубая (дендритная" столбчатая и транскристаллитная, склонная к образовании: горячих трещин. У такого металла более низкий предел текучести ат и низкие показатели пластических свойств по показателям относительного удлинения 6 и сужения у.

Рис. 2.8. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура (в) при сварке стали 15Х5М аустенитными электродами:

Сварка стали 15Х5М аустенитными электродами с сопутствующим охлаждением позволяет обеспечивать равно-прочность сварных соединений и основного металла при одноосном и двухосном растяжениях, а также в условиях мало циклового нагружения сварных сосудов.

Результаты испытаний до разрушения натурных сварных сосудов и дисковых образцов с диаметральным швом методом гидравлического выпучивания показали, что в случае применения предлагаемой технологии сварки аустенитными электродами их прочность и деформативность не ниже таковых, выполненных по существующей технологии сварки перлитными электродами, регламентирующей предварительный подогрев и последующую термическую обработку в стационарной печи.

Как отмечалось ранее (раздел 2.3), сварные соединения жаропрочных сталей типа 15Х5М имеют явно выраженную структурную механо-химическую неоднородность. Наиболее это присуще разнородным сварным соединениям, выполненным аустенитными электродами (рис. 2.7).

На рис. 3.11 показано распределение электродных потенциалов на сварных соединениях стали 15Х5М, выполненных аустенитными электродами. Сопоставлены локальные электродные потенциалы аустенитного шва и околошовных: зон термического влияния при сварке по общепринятой технологии сварки с подогревом и по новой разработанной нами на кафедре "Технология нефтяного аппаратостроения" Уфимского нефтяного университета технологии сварки с сопутствующим охлаждением. Указанные разнородные участки, включающие аустенитный шов и основной металл мартен-ситного класса, обладают различным электрохимическим потенциалом.

Второе условие регламентирует размер зерен и их ориентацию, при которых расстояние УЗ-волны в материале оптимально с точки зрения, образования структурных акустических помех. Крупнозернистая структура с хаотичным расположением зерен, как известно, вызывает интенсивное многократное рассеяние УЗ-волн на произвольно ориентированных границах зерен (структурная реверберация). Это приводит к высокому уровню акустических (реверберациоиных) помех и большому затуханию. По этой причине затруднен контроль литой структуры (литые поковки и изделия из них, швы электрошлаковой сварки и сварки, выполненной аустенитными электродами). Уровень структурных помех и затухание снижаются после термической обработки изделия, которая стабилизирует я размельчает структуру металла. В связи с этим, сдаточный контроль проводят после окончательной термообработки.

Поверхности кромок стыкуемых труб предварительно наплавляют аустенитными электродами. При этом первый слой наплавки с целью получения зоны сплавления перлита и аустенита с минимальными по протяженности переходными хрупкими прослойками выполняют электродами с повышенным содержанием никеля (в настоящей работе ЭА 395/9 — 15 % Сг — 25 % Ш — 6 % Мо).

Трубы с наплавленными поверхностями кромок подвергаются термообработке (обычно отпуску) с целью восстановления свойств зоны термического влияния перлитной стали и смягчения переходных структур зоны сплавления перлита с аустенитом. При сварке аустенитными электродами с повышенным содержанием никеля, шов, как правило, имеет полностью аустенитную структуру с крупнодендритным строением. В результате этого металл шва в процессе кристаллизации, в большей мере чем металл шва с аустенитно-фер-ритной или аустенитно-карбидной структурой, склонен к образованию горячих трещин и надрывов [1].