Разупрочнение

Как правило, это явление происходит при повышенных температурах эксплуатации конструкций и особенно интенсивно в условиях ползучести. Практическое значение разупрочнения на безопасность конструкции более всего заметно в теплоэнергетике.

Типичная картина изменения механических свойств стали в условиях ползучести приведена в табл. 4.1 [65].

Таблица 4.1. Изменение механических свойств стали 12Х1МФ с увеличением длительности эксплуатации паропроводных труб при 20°С (числитель) и 540°С (знаменатель)

*Наработка.

Испытывали образцы, вырезанные в поперечном направлении из прямых участков однотипных паропроводных труб (диаметр 275 мм, толщина стенки 25 мм) [65]. Как видно из табл. 4.1, стандартные прочностные характеристики (о0 2, ов) стали 12Х1МФ заметно изменяются как при комнатной, так и при повышенной температурах. Пластические характеристики (65, Ф) при этом практически не изменяются.

По данным В.Ф. Резинских явление разупрочнения наблюдается в роторных сталях 20ХЗМВФ и 25Х1М1Ф, эксплуатируемых длительное время при повышенных (520-565 °С) температурах эксплуатации. Прочность при кратковременном разрыве и твердость сталей в первый период работы 120-30 тыс.

Рис. 4.2. Изменение условного предела текучести роторных сталей в процессе длительной эксплуатации и искусственного старения

Наиболее интенсивное разупрочнение сталей 25Х1М1Ф и 20ХЗМВФ выявляется при параметре Р = 19,6-20,5 (см. рис. 4.2) вследствие роста размеров субзерен полигональной структуры и уменьшения плотности свободных дислокаций на порядок. Развивается также рекристаллизация, приводящая к аномальному росту зерен до ^0,5 мм [66]. Выражение для параметра Р:

Р=103Т (\gx-2\gT + a),

где Т - абсолютная температура испытания, К; т - длительность выдержки при температуре Т, ч; а - постоянная, принимаемая для низ- ко- и среднелегированных сталей равной 25.

К моменту, характеризуемому Р = 20,5, значения твердости и прочности при кратковременном разрыве составляют менее 50% от исходных. При этом долговечность образцов, испытанных на длительную прочность, снижается на несколько порядков (рис. 4.3). Следствия недо-

Рис. 4.3. Долговечность образцов (тр) из стали Р2МА, испытанных при 550 °С и напряжениях 100, 160 и 200 МПа, в зависимости от длительности (тэ) эксплуатации (1) и изотермических выдержек (2)

пустимого снижения прочности роторной стали в результате структурных и фазовых превращений - ослабление мест крепления лопаток на ободе, искривление ротора, выбор зазоров в проточной части турбины.

Диагностируется недопустимое разупрочнение металла с помощью неразрушающих методов исследования микроструктуры и измерения твердости стали. Твердость металла измеряется с помощью переносных твердомеров на скобе.

Обсуждая возможность диагностирования технического состояния по данным о разупрочнении металла ротора, следует проявлять

осторожность при интерпретации результатов твердометрии. Использовать этот метод особенно трудно на ранних этапах эксплуатации ротора, поскольку максимальное изменение твердости происходит в конце срока его службы. Например, при исследовании высокотемпературного ротора из хроммолибденванадиевой стали, снятого с эксплуатации после наработки 114000 ч, не было заметно значительных изменений в твердости в зонах, наиболее подверженных воздействию ползучести [67].

Таблица 4.2. Допустимые значения твердости основного металла, сварных швов и зон термического влияния

Примечания: 1. По заключению специализированной организации в отдельных случаях сосуд (аппарат) может быть допущен к эксплуатации при твердости металла, отличающейся от приведенных значений;

2. Твердость коррозионного и переходного слоев в швах сварных соединений из Двухслойной стали должна быть НВ lt; 220.

* Отклонения указанных пределов не должны превышать +20 и -10 ед.НВ.

При диагностировании технического состояния оборудования и аппаратов иногда приводятся допустимые значения твердости металла, сварных швов и зон термического влияния по маркам сталей. Например, такие сведения представлены в ИТНЭ-93 [68] для сосудов,

работающих под давлением, на которые не распространяются правила Госгортехнадзора [68] (табл. 4.2). Элементы сосудов и аппаратов, определяющие их прочность, должны отбраковываться, если твердость основного металла и сварных швов выходит за нормативные значения.

Поскольку по замерам твердости определяются пределы прочности (ГОСТ 22761) и текучести (ГОСТ 22762), то ограничение значений твердости имеет вполне определенный смысл. Ограничение твердости основного металла снизу гарантирует для каждой марки стали расчетное значение прочностных характеристик стали и соответственно прочность силовых элементов конструкции. Ограничение твердости основного металла и сварного шва сверху снижает вероятность трещи- нообразования и хрупкого разрушения. Для сварного шва ограничение его уровня твердости имеет целью снижение склонности металла к образованию трещин и уровня остаточных сварочных напряжений.

В нормативно-технической литературе не всегда четко прописаны условия, при которых назначаются работы по определению твердости металла. Так, в упомянутом выше ИТНЭ-93 замеры твердости металла с наружной или внутренней поверхности назначаются при обнаружении на корпусе сосуда (аппарата) выпучин, вмятин или гофр. Следует расширить область применения твердометрии. Ее обязательно следует назначать во всех случаях появления микротрещин и трещин, возможности азотирования, науглероживания и обезуглероживания слоев металла, а также после случайного и/или стационарного перегрева отдельных зон элементов конструкции.

Разупрочнение низколегированных сталей, используемых в футерованных конструкциях, - достаточно широко распространенное явление. Разгар и износ футеровки вызывает повышение температуры кожуха доменных печей, воздухонагревателей, корпусов кислородных конвертеров и т.д. Следует иметь в виду общее правило: чем выше предел текучести стали, тем большая степень разупрочнения возможна при ее перегреве в процессе эксплуатации.

Явление разупрочнения представляет большую опасность для дисперсионно-упрочняемых сплавов в условиях усталости (см. п. 5.2).