РОЗДІЛ 2
МЕТОДИЧНІ АСПЕКТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1 Досліджені матеріали
Для досліджень вибрано ЗЗ двох ощаднолегованих теплостійких сталей, які використовують для виготовлення корпусів реакторів гідрокрекінгу нафти (сталь 15Х2МФА) та головних паропроводів ТЕС (сталь 15Х1М1Ф). Згідно чинного регламенту їх експлуатують за температури 450 оС і 540 оС та тиску технологічного середовища - 16 МПа і 24 МПа, відповідно. Обидва об'єкти є відповідальними (з огляду на економічні і екологічні наслідки їх пошкодження), великогабаритними (циліндрична конструкція реактора з півсферичними днищами має висоту, діаметр і товщину стінки 16...20 м, 1,2...4 м і 0,05...0,255 м відповідно [45], а протяжність розгалуженої системи труб головного паропроводу має сотні метрів, діаметр і товщина стінки труби ~325 мм і ~60 мм, відповідно) і, безумовно, зварними конструкціями [46].
Досліджували властивості металу з різних зон ЗЗ цих сталей у вихідному стані та після високотемпературної водневої деградації.
Щодо паропроводів, то об'єктом досліджень був метал двох ЗЗ сталі 15Х1М1Ф. Перший - з вертикальної ділянки головного паропроводу ТЕС після експлуатації впродовж ~2•105 год. (Рівень деградації металу з паралельної вітки цього ж паропроводу був критичним, оскільки на ньому було виявлено кільцеву тріщину по МШ). Другий з модельного ЗЗ, який використали як метал у вихідному стані. Модельне ЗЗ сталі 15Х1М1Ф отримали ручним багатопрохідним електродуговим зварюванням електродами ТМЛ-3У за прийнятою на ТЕС технологією виконання ремонтних швів. Перед зварюванням півметрові відтинки з експлуатованої впродовж ~2·105 год та неексплуатованої труб діаметром 0,325 м і з товщиною стінки 0,06 м з V-подібним розробленням крайок підігрівали до температури 300 оС. За один прохід накладали валик товщиною 4...6 мм. Після зварювання ділянку зі ЗЗ повільно (протягом 6 год) охолоджували під теплоізоляційними матами, повторно нагрівали до 600 оС зі швидкістю, що не перевищувала 200оС / год, і, знизивши швидкість нагрівання до 100 оС / год, доводили температуру до 735 ? 15 оС з наступним витримуванням впродовж 3 год. При цьому з одного боку модельного ЗЗ сталь 15Х1М1Ф була після експлуатації, з іншого - у вихідному стані, а між ними - МШ, який за хімічним складом відповідав сталі 09Х1МФ (табл. 1). МШ і ЗТВ з боку неексплуатованого ОМ розглядали як метал у вихідному стані.
Для зварювання металу під час виготовлення корпусів реакторів гідрокрекінгу нафти використано прийняту технологію автоматичного багатопрохідного зварювання під флюсом груболистового (до 0,4 м) прокату зі сталі 15Х2МФА дротом Св-10ХМФТУ. Термообробка таких ЗЗ передбачає подвійний відпуск: перший - технологічний за температури 620 оС (для часткового знімання зварних напружень) та остаточний відпуск за 650 оС для глибшого знімання напружень і забезпечення потрібних механічних властивостей. Метал з отриманих таким чином ЗЗ досліджували у вихідному стані та після деградації в лабораторних умовах.
Хімічний склад ОМ та МШ зі ЗЗ сталі 15Х1М1Ф у вихідному стані та після експлуатації наведено в табл. 1. В табл. 2 наведено хімічний склад ОМ та МШ зі ЗЗ сталі 15Х2МФА у вихідному стані.
Таблиця 1
Хімічний склад (% ваг.) металу ЗЗ сталі 15Х1М1Ф
МеталCSiMnSPCrMoVCuNiAlCoОМ (вих.стан)0,1570,2960,910,0170,0211,390,970,290,220,200,0140,017ОМ експл.0,1360,2850,750,0120,0271,331,020,250,020,120,0440,009МШ (вих.стан)0,0900,1840,690,0090,0211,130,570,190,100,070,0110,010МШ експл.0,0500,3441,090,0160,0311,060,680,20,210,180,0120,016
Таблиця 2
Хімічний склад (% ваг.) металу ЗЗ сталі 15Х2МФА у вихідному стані
МеталCSiMnCrMoVNiCuCaPSОМ0,150,30,52,80,70,270,40,10,0250,0120,015МШ0,050,40,81,70,450,2-0,09-0,0140,01
В табл. 3 наведено основні механічні властивості металу ЗЗ сталей 15Х2МФа та 15Х1М1Ф. У вихідному стані міцність і пластичність МШ та ОМ сталі 15Х2МФА практично однакові, а міцність і пластичність МШ сталі 15Х1М1Ф дещо вищі за ОМ (табл. 3), що відповідає вимогам чинного регламенту на виконання ЗЗ.
Таблиця 3
Механічні властивості металу ЗЗ сталей 15Х2МФА та 15Х1М1Ф у вихідному стані
Матеріал15Х2МФА15Х1М1ФsВ, МПаs0,2, МПаy, %d, %sВ, МПаs0,2, МПаy, %d, %ОМ61047079255303406320МШ60047065196224507619
2.2 Визначення механічних характеристик металу
Для оцінки стану металу після деградації використали інтегральні механічні характеристики такі як твердість та ударна в'язкість. Твердість НВ заміряли індентором з діаметром кульки 5 мм за навантаження 750 H на приладі ТК-2 згідно ГОСТ 9012-59. Мікротвердість структурних складових металу заміряли за навантаження 10 г за допомогою приставки mhp 100 до оптичного металографічного мікроскопа Neophot 21. Ударну в'язкість металу ЗЗ визначали на зразках з V- та U-подібними надрізами згідно ГОСТ 9454-78. При цьому зразки розташовували в двох взаємно-перпендикулярних напрямах стосовно осі труби (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Схема вирізання зразків зі ЗЗ для випроб на ударну в'язкість: 1 - радіальна (R-С), 2 - осьова (L-R) орієнтація, I - ОМ, ІІ - МШ.
Механічні характеристики за розтягу металу з різних зон ЗЗ теплостійких сталей визначали на гладких циліндричних зразках діаметром 3 мм і довжиною робочої частини 25 мм (рис. 2.2). Перед випробами зразки полірували з використанням шліфувального паперу і паст різної зернистості, щоб усунути сліди шліфування, які могли би під час випроб стати концентраторами напружень, та витримували протягом 1 год за температури 100 оС, щоб частково зняти залишкові напруження.
Рис. 2.2 Зразок для випроб одновісним розтягом.
Вплив орієнтації зразків стосовно осі труби на чутливість механічних властивостей до деградації металу ЗЗ дослідили, орієнтуючи їх в трьох взаємно-перпендикулярних напрямах: радіально (R) - орієнтація 1, тангенціально (С) - орієнтація 3, або в осьовому напрямі (L) - орієнтація 2