Зварюваність теплостійких хромистих сталей для котлоагрегатів високих параметрів

Встановлено, що зварні з'єднання хромистих сталей типу 10Х9МФБ з однорідною мартенситною структурою схильності до утворення відпускних тріщин не виявляють. Однак утворення тріщин стає можливим у разі формування у з'єднань гетерофазної структури, що було виявлено на прикладі неоднорідних мартенситних швів з ділянками д-фериту (рис. 11, а). Така структура одержана при зварюванні під флюсом на режимі з завищеною погонною енергією.

Мікрорентгенспектральним аналізом встановлено, що метал у зоні утворення тріщини містить підвищену кількість феритизаторів (Сr, Mo, Si), що є характерним для д-фериту. Тріщини утворювались при відпуску при 450…550 °С, при більш високих температурах тріщин не виникало.

Вивчення особливостей розвитку тріщин дозволило встановити, що при відпуску тріщини формуються в результаті сконцентрованої деформації в м'яких і вузьких прошарках д-фериту й розташовуються, головним чином, на міжфазних границях - між твердою мартенситною матрицею й прошарками д-фериту, а також уздовж границь первинних аустенітних зерен, які збігаються з міжфазними границями і продовжують їх. Ймовірно, що різка зміна фізичних властивостей металу в зоні міжфазного розділу приводить до появи високої щільності фізичних недосконалостей і зародженню мікротріщин. Додатковим окрихчуючим фактором, як відомо, є домішки, що сегрегують або переносяться дислокаціями, і до яких відносяться, насамперед P, As, Sb, Sn а також S, Mn, С. У деяких ділянках у зоні утворення тріщин виявлено (якісно) підвищений вміст S, а також в області біля д-фериту - підвищення концентрації Mn. Останнє характерно для неоднорідного розподілу аустенітизаторів і феритизаторів при утворенні д-фериту. Біля д-фериту також можливе формування мікроділянок з підвищеною концентрацією вуглецю. Про це свідчать більш щільні виділення карбідних фаз уздовж феритних прошарків після відпуску, що спостерігалось. Можна припустити, що у швах типу 0.1С-9Сr-MoVNb сегрегація S, а також підвищення концентрації Mn і С можуть знижувати пластичність металу в зоні міжфазних границь, сприяючи зародженню тріщин.

Крім структури, як відомо, важливим фактором в утворенні відпускних тріщин є тимчасове зміцнення твердого розчину (твердіння) при нагріванні, що виникає на стадіях передвиділення і виділення дисперсних фаз. Релаксація напружень при зміцненні матриці веде до розвитку локальних деформацій у менш міцних мікроділянках і окрихченню, пов'язаному з деформацією й сегрегацією домішок. За допомогою виміру твердості швів із системою легування 0.1С-9Сr-MoVNb після різних режимів відпуску встановлено, що в такому хромистому металі має місце розвиток дисперсійного твердіння при температурах 400…550 °С. Саме при відпуску в цьому діапазоні виявлено утворення тріщин у неоднорідних швах. На підставі обробки даних про кінетику й типи фазових виділень у хромистих сталях показано, що ймовірною причиною спостережуваного твердіння є виділення карбіду M7C3 на основі хрому (типу (Сr, Fe)7C3).

Отримані результати дозволяють зробити наступні практичні рекомендації. Принциповим рішенням з запобігання можливій проблемі утворення тріщин при відпуску в умовах виявленого дисперсійного твердіння є забезпечення однорідної мартенситної структури зварних з'єднань хромистих сталей з 9 % Cr за рахунок вибору раціональної технології зварювання, а також уникнення тривалого прогріву невідпущених з'єднань в інтервалі небезпечних температур (~400...550 °С). Слід виключати утворення концентраторів напружень у зварних з'єднаннях, що можуть викликати щільну релаксаційну деформацію при відпуску і, як наслідок, зародження мікротріщин. При розробці зварювальних метріалів слід використовувати компоненти з мінімальним вмістом шкідливих домішок для зменшення вірогідності їх окрихчуючого ефекту у швах.

У п'ятому розділі представлені результати розробки принципових підходів до технологічних процесів одержання зварних з'єднань мартенситних сталей з 9 % Cr на основі виявлених закономірностей у формуванні структури, механічних властивостей і результатів вивчення тріщиностійкості.

Результати виконаних досліджень показують, що технологія зварювання складнозварюваних хромистих сталей повинна грунтуватись на наступних принципах. Для забезпечення однорідних фізико-механічних властивостей зварних з'єднань і основного металу шви повинні мати легування аналогічне (або близьке) до зварюваної сталі. Враховуючи негативний вплив на тріщиностійкість і механічні властивості д-фериту, зварні з'єднання повинні мати однорідну мартенситну структуру. Для забезпечення високої стійкості зварних з'єднань проти утворення тріщин (при зварюванні і під час відпуску) при зварюванні необхідно застосовувати підходи з максимального зменшення рівня напружено-деформованого стану загартованого металу.

Загальною вимогою до зварювальних матеріалів (флюсів, покритих електродів) є забезпечення мінімального переходу водню і кисню в наплавлений метал при виключенні вигоряння легуючих елементів і вуглецю. Цій вимозі задовольняють зварювальні матеріали з основним типом шлакової системи. На основі експериментальних досліджень для автоматичного зварювання під флюсом рекомендовано використовувати високоосновний флюс СФТ-6 (ТУ ИЭС 839-93), створений для зварювання енергомашинобудівних сталей, що гартуються, у сполученні з розробленим порошковим дротом. Флюс має основність В ? 2,4 (розрахунок за формулою Міжнародного інституту зварювання IIW), при зварюванні порошковим дротом забезпечує низький перехід у шов сірки й фосфору (не більше 0,02 % кожного), водню (вміст у металі ~0,00035 мас. %, концентрація дифузійного водню (спиртовий метод) ~0,22 см3/100 г Ме), кисню (до ~0,042 мас. %) і низьку кількість неметалевих включень (0,138 об. %). Це дозволяє одержувати задовільну в'язкість швів і стійкість проти холодних і відпускних тріщин.

Через значний вплив вуглецю на фазовий склад хромистих композицій проведено дослідження з метою визначення його мінімальної кількості в металі мартенситних швів типу С-9Cr-MoVNb, нижче якої починає утворюватись д-ферит. Для цього застосовано підхід, заснований на виявленому явищі вигоряння вуглецю при зварюванні TIG з присадкою типу 10Х9МФБ. Виявлено характер впливу режимів зварювання TIG на зменшення вмісту вуглецю і частку д-фериту у швах. Встановлено, що однофазна мартенситна структура швів з 9 % Cr забезпечується при вмісті вуглецю не менше ~0,085 % (рис. 15). Також проведено оцінку припустимого максимального вмісту аустенітизаторів - Mn і Ni - у швах, оскільки, як відомо з літературних джерел, їх концентрація впливає на рівень температури Ас1 (у випадку зменшення Ас1 нижче температури високого відпуску є ризик часткового загартування швів і падіння їхньої в'язкості). З застосуванням методу дилатометрії встановлено, що при збільшенні в металі з системою легування ~0,1С-9Cr-MoVNb сумарного змісту Mn і Ni точка Ас1 суттєво знижується (рис. 16) - з ~840 до ~710 °С при зростанні Mn+Ni від ~0,9 до ~2,9 %. Для виключення зниження температури Ас1 нижче максимальної температури відпуску (~775 °С) вміст Mn+Ni у металі швів не повинен перевищувати ~1,4...1,5 %. Отримані в роботі результати й відомі дані щодо легування теплостійких сталей і металу швів узагальнені й використані при визначені меж легування швів при зварюванні сталей типу 10Х9МФБ, що склало основу для розробки зварювальних електродів і порошкового дроту для зварювання під флюсом.

Обґрунтовано принципові підходи до процесів ручного й автоматичного зварювання під флюсом теплостійких мартенситних хромистих сталей. Задача полягала в одержанні однорідної мартенситної структури металу зварних з'єднань (без д-фериту), а також забезпеченні часткового відпуску загартованих шарів під впливом повторного зварювального нагріву. Із існуючих двох технологічних варіантів зниження напруженого стану і підвищення пластичності загартованих ділянок, заснованих на значному перегріві металу у зоні з'єднання при використанні високих погонних енергій та послідовному накладенні повторних термічних циклів при багатопрохідному зварюванні тонкими валиками на знижених режимах, обрано останній. Перший варіант веде до утворення грубозернинної структури зварних швів, що не забезпечує стабільно високих значень ударної в'язкості. Другий дає можливість одержувати більш однорідну дрібнокристалічну структуру і високі значення KCV. Стосовно до ручного зварювання покритими електродами показано, що ефективні умови для часткового відпуску загартованих шарів багатопрохідного шва можуть досягатись при зварюванні валиками товщиною ~1,5...2,5 мм. Такі шви мають однорідну структуру, знижену твердість в перерізі (~214...340 HV в зоні кореня; 330...420 HV у заповнюючих проходах; до ~460...500 HV у лицювальному шарі) і кращий опір утворенню тріщин у порівнянні з металом невідпущених проходів (останні проходи лицювального шару рекомендовано видаляти). Автоматичне зварювання під флюсом відрізняється від ручного використанням режимів з більшою тепловою енергією й більш повільним охолодженням металу під шлаковою кіркою. В результаті можуть створюватись умови для більшого ступеня відпуску загартованих шарів при накладенні нових валиків (твердість знижується до ~250...290 HV) і самовідпуску (розпаду) мартенситу в завершальних шарах. Так, наприклад, останні проходи швів при зварюванні під флюсом з q/v 13,95, 16,23, 20,8 мали твердість, відповідно, 423, 409 та 382 HV. З урахуванням умови запобігання утворенню д-фериту у швах і навколошовній зоні зварювання під флюсом рекомендовано вести на режимах зі зниженою погонною енергією (з q/v до 20 кДж/см) вузькими валиками з еліптичною формою перерізу без центрального глибокого провару. Експериментально встановлено, що для зведення до мінімуму ефекту вигоряння вуглецю і ймовірності утворення д-фериту у швах зварювання TIG слід виконувати на режимах з q/v до 14 кДж/см, що забезпечується при зварюванні на струмах до 140 А при можливому збільшенні швидкості процесу.

Стійкість зварних з'єднань проти уповільненого руйнування досягається за рахунок створення умов для виходу дифузійного водню із загартованої зони й самовідпуску мартенситу. Це забезпечується уповільненням охолодження при відповідному виборі параметрів режиму зварювання й температури попереднього підігріву. Встановлено, що висока стійкість зварних з'єднань мартенситних сталей з 9 % Cr проти уповільненого руйнування досягається при швидкості охолодження металу ЗТВ w6/5 ? 8...10 °C/c (для порівняння оцінені критичні умови охолодження з'єднань сталей з бейнітним перетворенням, які мають більш високу стійкість проти утворення тріщин: при зварюванні бейнітних сталей (типу 10ГН2МФА, 20ХН4ФА) допускається w6/5 ? 14 °С/с). При перервах у зварювальних роботах або неможливості виконання відпуску після завершення зварювання слід проводити відпочинок - ізотермічну витримку з'єднань при температурах вище 140 єС, при яких, як встановлено, не проявляється схильність до тріщиноутворення. Виходячи з умов досягнення максимальної швидкості первинного розпаду мартенситу (при ~170 єС (за даними Гуляєва А. П., Курдюмова Г. В. та ін.) і швидкого виходу дифузійного водню з металу (в результаті зниження енергії зв'язку з дислокаціями при температурах, близьких до ~200 єС (за даними Карпенка Г. В., Крипякевича Р. І. та ін.) та результатів виконаних експериментальних досліджень рекомендовано виконувати термічний відпочинок при ~160…200 °С (не менш 3 год. при 160 °С, 1 год. при 180 °С, 30 хв. при 200 °С).

З урахуванням отриманих даних про вплив температури на ступінь зняття напружень у зварних з'єднаннях, а також відомостей про обмеження максимальної температури нагріву для виключення неприпустимого зниження міцнісних властивостей показано, що відпуск після зварювання слід виконувати в інтервалі 750…775 °С. Встановлено, що для забезпечення необхідної ударної в'язкості металу швів (КСV ? 50 кДж/cм) тривалість відпуску при температурах 750…760 °С (що найчастіше застосовуються і ефективність яких підтверджено експериментально) повинна становити не менш 2 год. Як правило, після однакового режиму відпуску метал швів, виконаних автоматичним зварюванням під флюсом, має більш високі значення KCV, ніж одержаних ручним зварюванням. Це, імовірно, пов'язане з більшим ступенем початкового відпуску (розпаду) мартенситу у структурі швів в умовах зварювання під флюсом. Тому, відпуск зварних з'єднань, отриманих автоматичним зварюванням під флюсом, достатньо виконувати при 750 °С, ручним зварюванням - при 760 °С.

На підставі аналізу існуючих підходів до зварювання різнорідних сталей запропоновані принципові варіанти зварювання й термічної обробки з'єднань сталі з 9 % Cr з низьколегованими й аустенітними сталями, стосовно до можливого їхнього сполучення в енергоблоках.

На основі вихідних положень та висновків, отриманих при проведенні досліджень, розроблено інструкції (WPS) на принципові технологічні процеси ручного й автоматичного зварювання з'єднань труб зі складнолегованих мартенситних 9 %-них хромистих сталей відповідно до вимог ДСТУ 3951.1-2000. З урахуванням узагальнення щодо легування наплавленого металу для зварювання сталей 10Х9МФБ, Х10СrMoVNb91 (P91) за участю автора розроблено електроди АНЛ-8 (ТУ 28.7-05416923-091:2008), що забезпечують високі механічні властивості швів: уВ ? 803 МПа, у0.2 ? 630 МПа, д ? 18 %, ? 66 %, КСV ? 65 кДж/см2, кут загину б = 180°, межу тривалої міцності (при 600 °С за 105 год.) ? 90 МПа. Технологія ручного зварювання електродами АНЛ-8 сталі Х10СrMoVNb91 пройшла дослідно-промислову перевірку з залученням ПТЕМ-Інжиніринг і рекомендована для використання в умовах монтажу і ремонту трубопроводів гострої пари й гарячого промперегріву котлоагрегатів зі спалюванням вугілля з циркулюючим киплячим шаром (ЦКШ) в енергоблоках теплових електростанцій (ТЕС).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Представлена робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що має важливе народногосподарське значення, і полягає у створенні наукових засад для розробки технологічних процесів зварювання і термічної обробки зварних з'єднань із перспективних складнолегованих хромистих сталей з підвищеним рівнем тривалої міцності, призначених для виготовлення високотемпературних компонентів та трубних систем котло- і турбоагрегатів, що працюють при надкритичних параметрах пари (Т до 600...610 °С, Р до 31 МПа). Результати і розроблені принципові рішення передбачені для застосування при реконструкції діючих та будівництві нових енергоблоків ТЕС, сприяють створенню наукового і технологічного підґрунтя для розвитку вітчизняного енергомашинобудування, а також можуть бути поширені на виробництво деталей та вузлів відповідальних конструкцій важкого та хімічного машинобудування.

2. Показано, що проблема створення енергетичних котлоагрегатів із надкритичними параметрами пари повинна вирішуватись на основі використання складнолегованих мартенситних сталей з підвищеним вмістом хрому. Встановлено, що однофазна мартенситна структура й високі технологічні властивості хромистих сталей досягаються за умови CrЭКВ ? 10 %. При комплексному легуванні однофазність мартенситних сталей забезпечується при вмісті хрому в межах ~8,15...9,75 %. Цій умові легування відповідають сталі типу Х10СrMoVNb91 (P91), 10Х9МФБ (Ди 82) та ін., які доцільно використовувати для створення трубних систем котлоагрегатів високих параметрів.

3. Встановлено, що при зменшенні вмісту вуглецю в залізовуглецевих системах з ~10...12 % Cr, у порівнянні із системами без хрому, в ~2 рази інтенсивніше знижується температура д>г-перетворення й, відповідно, підвищується стабільність д-фериту. Це підтверджує високу чутливість фазового складу хромистих складнолегованих сталей і металу швів до зміни концентрації вуглецю.

4. Виявлено наступні умови, при яких можливе утворення д-фериту у зварних з'єднаннях сталей з 9 % Cr:

- у металі швів і зоні сплавлення (ЗС) при автоматичному зварюванні під флюсом на режимах з q/v > 20 кДж/см. У швах утворення д-фериту пов'язане з укрупненням дендритної структури й кристалізаційних прошарків зі скупченням феритизаторів (Cr, Mo, Nb, V) при неоднорідному розподілі вуглецю. У ЗС д-ферит утворюється за механізмом, що включає такі стадії - перегрів основного металу до розвитку зернограничного оплавлення, утворення зародків феритної фази на оплавлених границях внаслідок лікваційного перерозподілу феритизаторів і вуглецю, подальше укрупнення зародків за рахунок дифузії вуглецю у високотемпературну зону в напрямку зварювальної ванни;

- у ЗС при зварюванні з'єднань різнорідних сталей із використанням аустенітних хромонікелевих зварювальних матеріалів внаслідок дифузії вуглецю з мартенситної сталі в більше легований хромом аустенітний метал шва. Зміна характеру перерозподілу вуглецю й виключення утворення д-фериту в ЗС досягається при зварюванні присадковими матеріалами на основі Ni;

- у швах внаслідок зменшення загального вмісту вуглецю, наприклад, при його вигорянні в умовах зварювання TIG.

5. На підставі аналізу закономірностей термокінетичного перетворення аустеніту встановлено, що збільшення вмісту хрому в теплостійких сталях від ~2,5 до 12...13 % знижує температуру мартенситного перетворення Ms від ~450 до ~270 °С и підвищує ступінь їхнього загартування. Відповідно до ступеня зміцнення при зварюванні сталі з 9 % Cr (Ms = 380 °C і твердість ~450 HV) належать до категорії складнозварюваних матеріалів і займають проміжне положення між мартенситними сталями з ~12 % Сr (Ms = 280 °C, ~550 HV) і бейнітними сталями з Cr до ~2,5 % (Ms ? 450 °C, ~350 HV).

6. Встановлено, що зварні з'єднання мартенситних сталей з 9 % Сr схильні до уповільненого руйнування при температурах нижче 140 єС із мінімумом тріщиностійкості при ~80…100 єС. При більш високій і більш низькій температурах тривалість процесу тріщиноутворення збільшується. У загальному виді залежність схильності до уповільненого руйнування від температури в координатах температура - час руйнування описується С-кривою.

7. Показано, що на розвиток уповільненого руйнування зварних з'єднань мартенситних сталей впливає структурна неоднорідність, що виникає в результаті різного ступеня низькотемпературного розпаду мартенситу. Зроблено припущення, що ступінь розвитку розпаду визначає піддатливість мартенситу проходженню пружно-пластичної деформації під дією напружень, характер її розподілу в об'ємі металу і можливість швидкого зростання локальної щільності дислокацій і концентрації водню до критичного рівня, достатнього для тріщиноутворення.

Досягнення високої стійкості зварних з'єднань проти утворення холодних тріщин повинне ґрунтуватися на регулюванні теплових режимів зварювання, що забезпечують умови для розпаду мартенситу й евакуації дифузійного водню.

8. Встановлено, що у зварних з'єднаннях сталей з 9 % Cr при відпуску в інтервалі ~400…550 °С має розвиток вторинне твердіння, причиною якого може бути виділення карбіду хрому М7С3 (типу (Fe, Cr)7C3). В цих умовах у випадку утворення в мартенситі д-фериту можлива поява відпускних тріщин. Тріщини зароджуються на міжфазных границях д-ферит/мартенсит в результаті локалізації в м'яких прошарках д-фериту пластичної деформації при релаксації напружень. Додатковим окрихчуючим фактором може бути вплив сегрегацій зернограничних домішок. Висока стійкість проти відпускних тріщин забезпечується при формуванні з'єднань з однорідною мартенситною структурою.

9. Створено науково обґрунтовані принципові положення для розробки технологічних процесів зварювання й термічної обробки, спрямовані на забезпечення високої тріщиностійкості і необхідних службових властивостей зварних з'єднань теплостійких 9 %-них хромистих сталей:

- для виключення утворення д-фериту у швах із системою легування С-9Cr-MoVNb зварювальні матеріали повинні забезпечувати в них вміст С не менш 0,085 %;

- на підставі встановленого впливу Mn і Ni на положення точки Ас1 (збільшення Mn і Ni веде до зниження Ас1) показано, що для запобігання зниженню температури Ас1 у металі швів нижче рекомендованої температури відпуску зварних з'єднань, слід застосовувати обмеження в легуванні швів цими елементами - (Mn + Ni) ? 1,4...1,5 %;

- для забезпечення однорідної мартенситної структури зварних з'єднань, часткового відпуску загартованих шарів швів під впливом повторного зварювального нагріву, а також стабільно високих значень ударної в'язкості металу швів (KCV 50 Дж/см2) зварювання слід виконувати валиками малого перерізу на режимах з малою погонною енергією. При ручному зварюванні покритими електродами оптимальними є валики товщиною ~1,5...2,5 мм, при зварюванні під флюсом - вузькі валики еліптичної форми без центрального глибокого провару, що одержуються при зварюванні з q/v ? 20 кДж/см. Для виключення вигоряння вуглецю з наплавленого металу й утворення д-фериту зварювання TIG слід виконувати з q/v ? 14 кДж/см на струмах не вище 140 А;

- умовами досягнення високої стійкості проти утворення холодних тріщин, заснованими на зниженні негативного впливу структурного й водневого факторів, є забезпечення швидкості охолодження металу ЗТВ w6/5 не більше 8...10 °С/с і ізотермічна витримка (відпочинок) при температурах 170…180 °С (остання рекомендується при перервах у процесі зварювання або після зварювання перед наступним відпуском);

- для забезпечення максимального зниження рівня внутрішніх напружень, одержання необхідних міцнісних властивостей і ударної в'язкості металу швів високий відпуск зварних з'єднань повинен проводитись при 750…760 °С із тривалістю не менше 2 год.

10. Робота являє собою завершений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень з вирішення поставленої проблеми. В результаті розширено уявлення про закономірності формування структури й властивостей зварних з'єднань хромистих мартенситних сталей нового покоління, про природу тріщиноутворення при зварюванні й термічній обробці. На підставі розроблених металургійних і технологічних підходів створено принципові технологічні процеси зварювання типових з'єднань труб із хромистих мартенситних сталей. З урахуванням сформульованих вимог до легування наплавленого металу розроблено нові зварювальні електроди (АНЛ-8 (ТУ 28.7-05416923-091:2008)). Технологія ручного зварювання сталі Х10СrMoVNb91 покритими електродами пройшла дослідно-виробничу перевірку в ПТЕМ-Інжиніринг і рекомендована для використання при монтажі й ремонті систем трубопроводів котлів із циркулюючим киплячим шаром енергоблоків ТЕС.

Список опублікованих праць

1. Строение и свойства зоны сплавления сварных соединений стали 02Х8Н22С6 (ЭП 794) / В. Ю. Скульский, К. А. Ющенко, И. Я. Дзыкович, В. Н. Липодаев, Л. А. Скульская, Т. В. Кайда // Автоматическая сварка. - 1997. - № 11. - С. 14-17.

2. Структурные превращения и свариваемость закаливающейся высокопрочной стали 20ХН4ФА / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк, В. Г. Васильев, Г. Н. Стрижиус. // Автомат. сварка. - 2003. - № 2. - С. 19-23.

3. Скульский В. Ю Проблемы выбора свариваемой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков ТЭС (Обзор) / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк // Автомат. сварка. - 2004. - № 3. - С. 3-7.

4. Скульский В. Ю. Новые теплоустойчивые стали для изготовления сварных узлов тепловых энергоблоков (Обзор) / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк // Автомат. сварка. - 2004. - № 4. - С. 35-40.

5. Скульский В. Ю. Структура металла в зоне сплавления и ЗТВ сварных соединений высокохромистых теплоустойчивых сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2005. - № 5. - С. 15-23.

6. Скульский В. Ю. Присадочные материалы для автоматической сварки под флюсом теплоустойчивых сталей с 9 % хрома / В. Ю. Скульский, С. И. Моравецкий // Автомат. сварка. - 2005. - № 6. - С. 49-50.

7. К вопросу выбора технологии сварки элементов ГЦТ Ду850 при замене парогенераторов ПГВ 1000М на АЭС / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, В. В. Волков, Бывалькевич А. И., В. В. Подъячев, Н. А. Иванов, Н. В. Немлей, А. П. Мирошниченко, А. В. Бажукова // Автомат. сварка. - 2005. - № 10. - С. 41-47.

8. Герметизация горячезакатных днищ баллонов из стали 20ХН4ФА с помощью сварки / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий, Г. Н. Стрижиус // Автомат. сварка. - 2005. - № 11. - С. 31-35.

9. Царюк А. К. Применение теплоустойчивой стали с 9 % хрома при реконструкции тепловых электростанций / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, С. И. Моравецкий // Проблеми загальної енергетики. - 2005. - № 12. - С. 69-73.

10. Скульский В. Ю. Влияние легирования присадочного материала и свариваемой стали на структуру в зоне сплавления / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 1. - С. 10-16.

11. Разработка и аттестация технологии ААрДС в узкую разделку элементов ГЦТ Ду850 на АЭС / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, И. Л. Касперович, А. И. Бывалькевич, Т. В. Осташко, В. В. Жуков, С. Н. Дудкин, Н. А. Иванов, А. П. Мирошниченко, Н. В. Немлей, А. В. Бажуков // Автомат. сварка. - 2006. - № 5. - С. 24 - 31.

12. Скульский В. Ю. Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 9. - С. 22-25.

13. Скульский В. Ю. Особенности образования дельта-феррита на границе сплавления при сварке теплоустойчивой хромистой мартенситной стали / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - № 11. - С. 17-21.

14. Способ повышения сопротивляемости локальным повреждениям сварных соединений трубопроводов АЭС / О. Г. Касаткин, А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий, И. Д. Клещевников, Ю. М. Копылов, А. Г. Медведев // Автомат. сварка. - 2007. - № 3. - С. 32-35.

15. Скульский В. Ю. Оценка склонности сварных соединений теплоустойчивой хромистой мартенситной стали к образованию трещин при термической обработке / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк, С. И. Моравецкий // Автомат. сварка. - 2009. - № 1. - С. 5-9.

16. Скульский В. Ю. К вопросу о легировании теплоустойчивой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков тепловых электростанций нового поколения / В. Ю. Скульский // Современная электрометаллургия. - 2009. - 94 № 1. - С. 52-56.

17. Скульский В. Ю. Влияние углерода на фазовый состав металла швов сварных соединений мартенситной стали с 9 % Cr / В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик // Автомат. сварка. - 2009. - № 2. - С. 38-40.

18. Скульский В. Ю. Термокинетические особенности образования холодных трещин в сварных соединениях закаливающихся теплоустойчивых сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 3. - С. 14-18.

19. Скульский В. Ю. Особенности кинетики замедленного разрушения сварных соединений закаливающихся сталей / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 7. - С. 14-20.

20. Скульский В. Ю. Выбор теплового режима сварки закаливающихся сталей разных структурных классов / В. Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2009. - № 6. - С. 7-12.

21. Пластичность зоны сплавления сварных соединений стали 02Х8Н22С6 при сварке сварочными материалами, отличающимися по легированию от свариваемой стали : материалы VI международной научно-технической конференции [«Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах»], (Мариуполь, 7-9 сентября 2000 г.) / Министерство образования и науки Украины, Приазовский государственный технический университет [и др.]. - Мариуполь: Приазовский государственный технический университет, 2000. - С. 295-299.

22. Оценка склонности сварных соединений теплоустойчивой стали с 9 % хрома к замедленному разрушению : материалы международной конференции [«Современные технологии машиностроения, качество, реструктуризация»], (Кишинев, 24-26 мая 2001 г.) / Universitatea Tahnica a Moldovei, Universitatea Tahnica “GH. Asachi” IASI [и др.]. - Chiєinгu: Universitatea Tahnica a Moldovei, 2001. - Т. 2. - С. 501-503.

23. Имитация термодеформационного цикла сварки (ТДЦС) на теплоустойчивой стали с 9 % хрома (X10CrMoVNb910) : материалы международной конференции [«Современные технологии машиностроения, качество, реструктуризация»], (Кишинев, 24-26 мая 2001 г.) / Universitatea Tahnica a Moldovei, Universitatea Tahnica “GH. Asachi” IASI [и др.]. - Chiєinгu: Universitatea Tahnica a Moldovei, 2001. - Т. 2. - С. 527-530.

24. Назначение и свойства новой теплоустойчивой стали с 9 % : Сб. тезисов стендовых докладов международной конференции [«Современные проблемы сварки и ресурса конструкций»], (Киев, 24 - 27 ноября 2003 г.) / НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины [и др.]. - К.: ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2003. - С. 73-74.

25. Сварочные материалы для механизированной сварки под флюсом теплоустойчивых сталей с 9 % хрома применительно к изготовлению поворотных блоков паропроводов ТЭС : труды ІІІ международн. конф. по свар. материалам стран СНГ [„Сварочные материалы. Разработка. Технология. Производство. Качество”], (Днепропетровск, 01-04 июня 2004 г.) Ассоциация «Электрод» предприятий стран СНГ, ОАО «Днепропетровское метизное производство». - Днепропетровск: Ассоциация „Электрод”, 2004. - С. 150-156.

26. Разработка и аттестация технологии ААРДС в узкую разделу элементов ГЦТ ДУ850 применительно к замене парогенераторов ПГВ-1000 М на АЭС : труды 2-го науч.-практ. семинара [«Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике»], ( Киев, 6 - 8 декабря 2005 г.) / НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, ОАО “Южтеплоэнергомонтаж” [и др.]. - К.: НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, 2005. - С. 15-20.

27. К вопросу о технологичности теплоустойчивых сталей с повышенным содержанием хрома, предназначенных для строительства энергоблоков тепловых электростанций нового поколения : труды 2-го науч.-практ. семинара [«Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике»], ( Киев, 6 - 8 декабря 2005 г.) / НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, ОАО “Южтеплоэнергомонтаж” [и др.]. - К.: НТК “Институт электросварки им. Е. О. Патона”, 2005. - С. 121-125.

28. Причины локальных повреждений сварных соединений трубопроводов АЭС / О. Г. Касаткин, А. К. Царюк, В. Ю. Скульский, А. Р. Гаврик, С. И. Моравецкий // Цільова прогр. НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин": (зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2004 - 2006 р.р.). - К.: ІЕЗ ім. Є. О. Патона, 2006. - С. 192-195.

29. Сварка при ремонте трубопроводов энергетических блоков ТЭС и АЭС : сб. тезисов стендовых докладов международной конференции [«Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие»], (Киев, 24 - 26 ноября 2008 г.) / НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, Международная ассоциация «Сварка». - К. : ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2008. - С. 114-115.

30. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки марки АНЛ-8. Технические условия : ТУ 28.7 - 05416923-091:2008. - Действительны с 22.04.2008 19 с.

АНОТАЦІЯ

Скульський В.Ю. Зварюваність теплостійких хромистих сталей для котлоагрегатів високих параметрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології». Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню закономірностей формування структури і властивостей зварних з'єднань хромистих теплостійких сталей, природи утворення холодних і відпускних тріщин у з'єднаннях таких сталей і створенню науково обґрунтованих засад щодо технології одержання якісних зварних з'єднань трубних систем котлоагрегатів нового покоління з надкритичними параметрами пари для теплових електростанцій. Встановлено залежність фазового складу хромистих сталей від вмісту легуючих елементів і доведено доцільність застосування у котлобудівництві складнолегованих сталей з обмеженням хрому на рівні 9 %, що забезпечує їх однофазну мартенситну структуру, задовільні технологічні властивості та високу тривалу міцність. Вивчено особливості формування структури зварних з'єднань мартенситних теплостійких сталей з 9 % Cr та виявлено умови і можливий механізм утворення в них геретофазної (мартенсит + д-ферит) структури, що веде до погіршання властивостей. Встановлено закономірності впливу температури і структурного фактору на термокінетичні особливості уповільненого руйнування зварних з'єднань мартенситних хромистих сталей та визначено принципові напрями забезпечення їх високої тріщиностійкості. Розвинено уявлення про механізм розвитку теплової крихкості та утворення тріщин в умовах релаксації напружень при відпуску зварних з'єднань. Розроблено теоретично і експериментально обґрунтовані положення щодо легування наплавленого металу, вибору теплових режимів зварювання і термічної обробки, що забезпечують високу стійкість проти утворення холодних і відпускних тріщин та високий комплекс службових властивостей зварних з'єднань хромистих мартенситних теплостійких сталей.

Ключові слова: сталі теплостійкі хромисті, мартенсит, д-ферит, з'єднання зварні, гартування, структура, механічні властивості, уповільнене руйнування, відпускні тріщини, технологія зварювання, термічна обробка.

ABSTRACT

Skulsky V. Yu. Weldability of creep-resistant chromium steels for boiler aggregates of high vapor parameters. - Manuscript.

Theses for Doctor of Sciences degree on specialty 05.03.06 “Welding and allied processes”. The E. O. Paton Electric Welding Institute for the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

The theses is devoted to researching of peculiarities of formation of structure and properties of creep-resistant chromium steels welded joints, nature of cold and reheat cracks formation in such steels welded joints and developing of scientifically proved approaches to the technology of producing of high-quality welded joints of piping systems of the new generation boiler aggregates with supercritical vapor parameters for heat electric power plants. Dependence of chromium steels phase composition from the alloying elements content is established, and the expediency of utilization in boiler construction of the complex-alloyed steels with chromium restriction on 9 % level is proved, which provides their single-phase martensitic microstructure, acceptable technological properties and high creep resistance. Features of structure formation in welded joints of 9 % Сr martensitic creep-resistant steels are studied, and conditions and assumed mechanism of heterogeneous (martensite + д-ferrite) structure origination, which results in their properties degrading, are revealed. Regularities of temperature and structural factor effect on thermo-kinetic particularities of delayed cracking of martensitic chromium steels welded joints are established, and principal directions for gaining of their high cracking resistance are determined. Ideas as for mechanism of temper brittleness and cracks formation under the stress relaxation conditions during heat treatment are developed. The theoretically and experimentally founded concepts concerning weld metal alloying, adoption of temperature regimes during welding and heat treatment, which ensure high resistance against cold and reheat cracking and high complex of service properties of welded joints of creep-resistant martensitic chromium steels, are elaborated.

Key words: chromium creep-resistant steels, martensite, д-ferrite, welded joints, hardening, structure, mechanical properties, delayed cracking, reheat cracks, technology of welding, heat treatment.

АННОТАЦИЯ

Скульский В. Ю. Свариваемость теплоустойчивых хромистых сталей для котлоагрегатов высоких параметров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 «Сварка и родственные процессы и технологии». Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей формирования структуры, свойств сварных соединений хромистых теплоустойчивых сталей, природы образования холодных и отпускных трещин в сварных соединениях таких сталей и созданию научно обоснованных подходов к технологии получения качественных соединений сварных трубных систем котлоагрегатов нового поколения со сверхкритическими параметрами пара для энергоблоков тепловых электростанций.

Расширены представления о влиянии легирующих элементов на особенности высокотемпературного д>г-превращения и фазовый состав мартенситных хромистых сталей. Показано, что исключение образования д-феррита и получение однофазной мартенситной структуры сложнолегированных хромистых сталей (как условия обеспечения их высоких технологических свойств и длительной прочности) достигается при содержании хрома на уровне 8,15-9,75 %, чем обоснована целесообразность применения в котлостроении сталей с ~9% Сr с системой легирования 0.1С-9Сr-MoVNbNiN (типа 10Х9МФБ). Изучены особенности фазовых превращений и формирования структуры сварных соединений 9 %-ных хромистых сталей в условиях, характерных для дуговой сварки. Установлено, что увеличение содержания хрома в теплоустойчивых сталях (от 2,5 до 12 %) ведет к повышению стабильности аустенита при переохлаждении, снижению температуры мартенситного превращения (от ~450 до ~280…230 °С) и возрастанию степени их закалки. Стали с 9 % Cr склонны к образованию мартенсита (с твердостью ~450 HV) в широком диапазоне скоростей охлаждения, что делает их трудносвариваемыми и склонными к образованию холодных трещин. Установлены условия возможного образования д-феррита при сварке сталей с 9 % C. Показано, что гетерофазное строение металла швов и зоны сплавления может возникать при сварке с повышенной погонной энергией в результате развития неоднородного распределения элементов-ферритизаторов (Сr, Mo, V, Nb) и углерода (при ликвации и высокотемпературной диффузии). К образованию д-феррита приводит снижение содержания углерода в швах (например, при его выгорании при сварке TIG), а также усиление диффузии углерода из основного металла в сторону шва с более высоким содержанием хрома, что характерно для сварки соединений хромистой и аустенитной сталей аустенитным хромоникелевым швом. Последнее явление исключается при использовании никелевых сварочных материалов. Принципиальным подходом к технологии сварки соединений мартенситных сталей с 9 % Cr является использование режимов с пониженной погонной энергией. Изучены е закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и образования холодных трещин в сварных соединениях закаливающихся сталей. Экспериментально показано, что основным фактором, предопределяющим склонность мартенситного металла к образованию холодных трещин, является степень упрочнения при закалке. Сварочные (усадочные) напряжения (которые в результате релаксации в период низкотемпературного мартенситного превращения устанавливаются на низком уровне) вместе с напряжениями от внешнего нагружения являются дополнительным фактором, инициирующим процесс разрушения. С помощью разработанной методики исследованы термокинетические особенности замедленного разрушения сварных соединений. Установлено, у сварных соединений мартенситных сталей склонность к образованию холодных трещин проявляется при температуре ниже ~140 °С; при 80…100 ° С соединения имеют минимальную трещиностойкость, что определяется максимальной скоростью процесса разрушения. На основании результатов дилатометрических исследований образцов закаленных сталей (10/40Х9МФБ, 25Х2НМФА, 38ХН3МФА) и определения энергии активации развития деформации в период испытаний трещиностойкости показано, что выявленные различия в сопротивлении образованию холодных тещин при разных температурах могут быть связаны с различной кинетикой развития низкотемпературного распада (отпуска) мартенсита. Возникающая при этом микроструктурная неоднородность определяет характер распределения упруго-пластических деформаций в объеме закаленного при сварке металла и вероятность формирования микроучастков с высокими локальными напряжениями, плотностью дислокаций и концентрацией водорода, в которых зарождается и развивается разрушение. При низкой скорости распада (в районе 80…100 °С) создаются условия для локальных деформаций в зоне границ зерен и быстрого разрушения. Экспериментально и теоретически доказано, что высокая скорость распространения распада мартенсита в объеме металла при повышенных температурах, а также выход из сварного соединения диффузионного водорода являются условиями возрастания сопротивления замедленному разрушению. Показано, что наличие в исходной жесткой мартенситной структуре более податливых для деформирования микроструктурных составляющих (д-феррита) ведет к снижению трещиностойкости. Углублены представления о механизме отпускной хрупкости и установлены факторы, определяющие возможность образования трещин в условиях высокотемпературной релаксации напряжений в сварных соединениях 9 %-ных хромистых сталей. Выявлен эффект дисперсионного твердения в интервале ~400…550 °С, причиной которого может быть выделение хромистого карбида М7С3. Установлено, что при наличии в структуре д-феррита при отпуске в интервале твердения могут образовываться трещины. Условием высокой стойкости против образования трещин при отпуске является обеспечение однородной мартенситной структуры. На основании изучения кинетики релаксации напряжений в процессе высокотемпературных испытаний установлено, что для более полного снятия уровня внутренних напряжений отпуск сварных соединений следует проводить при температурах ~750…760 °С. Определен уровень легирования металла шва С, Mn, Ni, для обеспечения его однофазной мартенситной структуры и получения требуемых механических свойств после отпуска сварных соединений. Экспериментально и теоретически обоснованы рекомендации к режимам ручной и автоматической сварки под флюсом. Определены условия достижения высокой стойкости сварных соединений против замедленного разрушения посредством теплового воздействия на структурный и водородный факторы (ограничение скорости охлаждения металла в ЗТВ w6/5 ? 8…10 °C/c, термический отдых при температурах 160…200 °С) и обеспечения их требуемых механических свойств при термической обработке (высокий отпуск при Т ? 750…760 °С в течение не мене 2 ч). Созданы новые сварочные электроды АНЛ-8, разработана техническая документация на принципиальные технологии сварки типовых соединений труб. Проведена опытно-промышленная проверка технологии сварки.

Ключевые слова: стали теплоустойчивые хромистые, мартенсит, д-феррит, соединения сварные, закалка, структура, механические свойства, замедленное разрушение, отпускные трещины, технология сварки, термическая обработка.

Размещено на Allbest.ur