Аналіз руйнування наплавного шару з сталевого сплаву на поверхні клиновидного диску зарухування атомної електростанції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Одеська політехніка»

АНАЛІЗ РУЙНУВАННЯ НАПЛАВНОГО ШАРУ З СТАЛЕВОГО СПЛАВУ НА ПОВЕРХНІ КЛИНОВИДНОГО ДИСКУ ЗАРУХУВАННЯ АТОМНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Лєсніков Артем Михайлович студент

м. Одеса

Анотація

Під час технічного обслуговування атомної електростанції було виявлено, що поверхня ущільнювача наплавочного шару зі сталевого сплаву з обох сторін клиноподібного диска засувки частково відвалилася і подальша експлуатація є небезпечною. Наплавний шар знаходився в середовищі води з високою температурою та високим тиском, що містить в собі хімічні домішки з B та Li під час процесу обслуговування атомної станції. Цей клапан у діаметрі складає приблизно 90 мм і виконаний він з аустенітної сталі, та має наплавку 2-3 мм. Результати дослідження показують, що поверхневий наплавний шар ущільнювача переважно розтріскався, і локально відбувається лише незначне обсипання. При подальшій експлуатації обсипання збільшиться радіально в серединній частині поверхні. У приповерхневій зоні наплавного шару є очевидні дефекти зварювання з кристалізованими отворами усадок великого розміру, що у подальшому може призвести до утворення стручкових отворів, а також невелика кількість зварювальних отворів і включень. Аналіз показує, що через неправильну технологію зварювання, коли наплавний шар твердне і стискається, усередині утворюються усадкові отвори для кристалізації між дендритами, які безперервно розподіляються локально, а напрям товщини наплавного шару приблизно схоже на стрічку. Важливим у процесі зварювання та затвердіння є достатня кількість атомів Хрому (О^-), що запобігає утворення корозійних процесів. Найчастіше під неправильною технологією зварювання розуміють помилковий вибір комбінації параметрів, як наприклад, швидкість процесу зварювання, занадто слабкий струм при зварюванні чи тривалість замикання дуги у кінці процесу. Внутрішні дефекти зварювання з'являються на поверхні шару наплавки, під дією зовнішньої сили відбувається видавлювання ущільнювальної поверхні, в результаті чого вона тріскається.

Ключові слова: атомна електростанція, наплавний шар із сталевого сплаву, клапанний диск засувки атомної електростанції, технології зварювання.

Annotation

Lesnikov Artem Mykhailovych Student, Odesa Polytechnic National University, Odesa

FAULT ANALYSIS OF A STEEL ALLOY SURFACE LAYER ON THE SURFACE OF A VEDGE DISC OF A NUCLEAR POWER PLANT GATE VALVE

During the maintenance of the nuclear power plant, it was discovered that the surface of the sealing layer of the surfacing layer made of steel alloy on both sides of the wedge-shaped valve disc partially fell off and further operation is dangerous. The surfacing layer was in a water environment with high temperature and high pressure containing chemical impurities with B and Li during the maintenance process of the nuclear plant. This valve is approximately 90 mm in diameter and is made of austenitic steel with a 2-3 mm weld. The results of the study show that the surface surfacing layer of the seal is mostly cracked, and only minor spalling occurs locally. During further operation, the spalling will increase radially in the middle part of the surface. In the near-surface zone of the surfacing layer, there are obvious welding defects with crystallized shrinkage holes of large size, which may subsequently lead to the formation of pod holes, as well as a small number of welding holes and inclusions. The analysis shows that due to improper welding technology, when the surfacing layer hardens and shrinks, shrinkage holes for crystallization between dendrites are formed inside, which are continuously distributed locally, and the direction of the surfacing layer thickness is approximately similar to a ribbon. A sufficient amount of Chromium (Cr) atoms is important in the welding and hardening process, which prevents the formation of corrosion processes. Most often, incorrect welding technology is understood as a wrong choice of a combination of parameters, such as the speed of the welding process, too weak a current during welding, or the duration of the arc closing at the end of the process. Internal welding defects appear on the surface of the surfacing layer, under the action of an external force, the sealing surface is squeezed out, as a result of which it cracks.

Keywords: nuclear power plant, steel alloy surfacing layer, nuclear power plant gate valve disc, welding technologies.

Постановка проблеми

Сталевий сплав, зазвичай званий сплавом на основі кобальту, є різновидом цементованого карбіду з Co, Cr і W в якості основних елементів. Він може бути нанесений на поверхню вразливих деталей у різний спосіб зварювання, а також може бути виготовлений у вигляді виливків [1-4]. Оскільки він має такі характеристики, як зносостійкість, корозійна стійкість, стійкість до окислення і висока термостійкість, він широко використовується в різних твердих покриттях або контактних поверхнях ущільнювачів [5].

Під час технічного обслуговування атомної електростанції візуальний огляд виявив, що поверхня поверхні ущільнювача з обох боків диска клиноподібної засувки імовірно відвалилася. Поверхня зворотного клапана піддавалася впливу високої температури та високого тиску водного середовища, що містить B та Li під час процесу обслуговування. Діаметр клапана становить близько 90 мм, підкладка виконана з литої аустенітної нержавіючої сталі Z3 CND 19-10M, а зварювальний матеріал поверхневого наплавного шару - AWS A5.21ERCoCr-A, що приблизно еквівалентно сплаву Стелліт 6. Для наплавки AW., а товщина шару, що наплавляється становить близько 2~3 мм.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Вивченню особливостей і руйнування наплавного шару із сталевого сплаву на поверхні клиноподібного диска засувки атомної електростанції приділяли увагу ряд сучасних вчених: Li Y., Luo Y, Hong J., Zhu K., Que M. F., Zhu Z. Y., Zhong M. L., Liu W. J. та ін.

Мета статті

У цій статті за допомогою спостереження за мікроструктурою поверхневого шару покриття та морфологією поверхні та поперечного перерізу передбачуваної області осипання у поєднанні з визначенням локального хімічного складу аналізується та обговорюється основна причина руйнування поверхневого шару.

Виклад основного матеріалу

На малюнку 1а представлена макрозйомка однієї сторони клиноподібного диска засувки, зроблена на майданчику атомної електростанції. Положення біля зовнішнього краю круглого диска є наплавний шар зі сталевого сплаву. Візуальний огляд показав, що поверхневий шар наплавки, імовірно, відвалився, як показано на положення чорної стрілки на малюнку. Структура іншої сторони диска та характеристики руйнування поверхневого шару в основному такі самі, як і на цій стороні.

Рис. 1 Принципова схема макроскопічної морфології та аналізу вибірки передбачуваної області осипання наплавного шару із сталевого сплаву на поверхні диска [2]

На рисунках 1Ь і 1е показані додаткові топографічні спостереження передбачуваної області осипання поверхневого шару на поверхні двох поверхонь ущільнюючих до і після диска відповідно. Більш чітка передбачувана область часткового осипання спостерігалася в радіальній, майже середній частині поверхні, що ущільнює. Згідно з чорною лінією на малюнку, кілька зразків для спостереження за мікроструктурою поверхневого шару, спостереження за морфологією поверхні області розтріскування та локального хімічного складу були вирізані окремо.

Рис. 2 Макроскопічна морфологія при малому збільшенні зварювального поверхневого шару на клапанному диску: (а) одна сторона, (Ь) інша сторона [2]

Малюнки 2а і 2Ь є макроскопічні морфологічні фотографії випробуваних зразків, вирізані на двох ущільнювальних поверхнях диска при малому збільшенні. У майже середній частині радіального спрямування наплавного шару, тобто в області передбачуваного обсипання при вищезгаданому візуальному огляді, спостерігалися явні тріщини. Після використання зворотного клапана поверхневий наплавний шар в основному тріснув локально, і осипання сталося тільки там, де поверхневе розтріскування було більш серйозним. Попередній огляд показав, що на 2 ущільнювальних поверхнях відбулося 3 області розтріскування, і в кожній області розтріскування було кілька тріщин.

На рисунках 3a і 3Ь показана металографічна структура поперечного перерізу наплавочного шару на поверхні диска далеко від області поверхневої тріщини. Структура поверхневого шару складається здебільшого з товстих дендритів та ізометричних дендритів.

У процесі зварювання та затвердіння наплавного шару для утворення багатих & карбонатів між дендритами потрібна велика кількість атомів & для поширення від дендритів до дендритів, які можуть утворювати області з низьким вмістом Одендритної матриці поблизу дендритів. Утворення областей з низьким вмістом Ог є дуже згубним і впливає корозію поверхневого шару, що може призвести до локальної оптимальної корозії [1].

Щоб з'ясувати причину появи тріщин на поверхні наплавного шару, зразок додатково розрізали відповідно до методу різання на малюнку 4а, і спостерігали характеристики розширення тріщин, показані стрілками на малюнку в напрямку товщини шару наплавлення.

Рис. 3 Металургійна структура поверхневого шару зі стеллітового сплаву на диску клапана: (а) низьке збільшення, (Ь високе збільшення [2]

Рис. 4 Підготовка зразка поперечного перерізу (а, Ь) та СЕМзображення області тріщин у поверхневому зварювальному шарі на диску клапана (с) [2; 7]

Малюнок 4Ь являє собою макроскопічну фотографію поперечного перерізу зразка з низьким збільшенням у лівій частині малюнка 8а після попереднього шліфування та полірування, і можна спостерігати траєкторію поширення тріщини в поперечному перерізі. Дендритні тканини різних дендритів мають більш гладкі краї, а міждендритні тканини не очевидні. Розширення тріщин переважно здійснюється вздовж дендритів, але цього не спостерігалося між дендритами.

Виникнення суміжних тканин дендритів через зовнішні впливи або корозії між дендритами не спостерігалося.

Отже, ґрунтуючись на наведеному вище аналізі, можна визначити, що стрічкові отвори, що спостерігаються в даний час, повинні бути викликані утворенням кристалізованих дефектів зварювання усадкових отворів в локальній області наплавочного шару на поверхні кульового диска [6]. Утворення такого роду дефектів зварювання зазвичай виникає в процесі зварювання через неправильну технологію зварювання або необґрунтований вибір параметрів зварювання, таких як занадто висока швидкість зварювання або занадто малий зварювальний струм, через що відбувається усадка фазового переходу, коли зварювальна ванна переходить з рідкої фази в тверду фазу або швидкість замикання дуги в кінці зварювання висока, що призводить до швидкого охолодження і усадки рідкого високотемпературного металу, що в кінцевому підсумку призводить до утворення напівбезперервних або приблизно безперервних довгих усадкових отворів в локальній області між дендритами. Цей вид отвору для усадки стрічки розташований як перпендикулярно поверхні шару, що наплавляється, так і паралельно поверхні наплавлюваного шару, що в основному пов'язано з процесом зварювання. Серед них серйозніші отвори для усадки стрічки не можуть витримувати більшу напругу стиснення або зсуву через відсутність внутрішньої тканини. Тому, коли клапан закритий і поверхня ущільнювача притиснута похило, усадкові отвори розташовані в шаховому порядку і частково зруйновані з обох сторін, які з'являються на поверхні поверхневого шару, і в кінцевому підсумку утворюються очевидні поверхневі тріщини. Ширина отворів для усадки стрічки неоднакова, що призводить до утворення тріщин різної ширини на поверхні шару наплавлення. Крім того, в місцях, де усадка дуже серйозна, відсутність тканини між дендритами призводить до поганого з'єднання тканин у сусідніх дендритах, і локальне осипання відбуватиметься під дією сили косого стиснення поверхні, що ущільнює. Отже, траєкторія тріщини, що спостерігається в напрямку товщини шару, що наплавляється, насправді являє собою відносно широке стрічковий усадковий отвір, і це не тріщина, що утворилася в істинному сенсі через розтріскування і розширення зварної між дендритної тканини. Отже, на поверхні шару, що наплавляється, не спостерігалося явних характеристик розтріскування. дендритної тканини по дорозі поширення тріщини, і поверхні дендритної тканини спостерігалася лише зона деформаційного ковзання.

Висновки

Металографічне спостереження та локальний аналіз хімічного складу показали, що металографічна структура та хімічний склад наплавочного шару зі стеллітового сплаву на поверхні диска не були аномальними.

Основною причиною розтріскування наплавочного шару із сталевого сплаву на поверхні клиноподібного диска засувки є неправильний процес зварювання під час операції наплавлення, і між дендритами зварної тканини утворюється дефект типу усадки кристалів, що є більш серйозною проблемою. отвір для усадки смуги. Зміщення та руйнування відбуваються під дією сили косого стиснення ущільнювальної поверхні, і на поверхні наплавного шару утворюються очевидні поверхневі тріщини, що є виробничим збоєм.

Рекомендується використовувати методи неруйнівного контролю для систематичної перевірки поверхневого шару диска зі сталевого сплаву того ж виробника або процесу, який використовується на атомних електростанціях, та замінити диск при виявленні несправностей або виконати часткову зварювальну ремонтну обробку для усунення ризиків безпеки, які можуть бути спричинені руйнуванням поверхневого шару. ущільнювальної поверхні більш пізньої стадії.

Література

1. Li Y Y, Luo Y, Hong J, et al. Hardfacing process for stellite cobaltbase alloy with gas tungsten arc welding [J]. Weld. Join., 2013, (4): 62

2. Zhu K, Que M F, Zhu Z Y, et al. Effect of technology parameters on rate of dilution of Stellite coating deposited by plasma arc surfacing [J]. Weld. Technol., 2014, 43(9): 37

3. Zhong M L, Liu W J. Microstructure evolution of Stellite 6 - WCBY high power laser cladding [J]. Acta Metall. Sin., 2002, 38: 495

4. Xu Y R, Zhang H H, Chen D M, et al. Effect of laser scanning speed on phase constitution and wear resistance of laser-cladding Stellite hard facing alloy [J]. Acta Metall. Sin., 1993, 29(3): A126

5. Liu Y Z, Gui Y W. The properties and application of Stellite alloys (I) [J]. Mater. Mech. Eng., 1992, 16(5): 1

6. Li Y J, Wang J. Analysis and Strategy with Welding Defects [M]. 3rd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2018

7. Василенко М.Д., Новіков В.П., Рачук В.О., Слатвінська В.М. Кібербезпека в проявах ризиків у період пандемії: стан та генеза. Вісник Черкаського державного технологічного університету. 2020. Вип. 3. С. 30-39. DOI: 10.24025/2306-4412.3.2020.214774 URL: http://vtn.chdtu.edu.ua/article/view/214774/218625

References

1. Li Y Y, Luo Y, Hong J, et al. Hardfacing process for stellite cobaltbase alloy with gas tungsten arc welding [J]. Weld. Join., 2013, (4): 62

2. Zhu K, Que M F, Zhu Z Y, et al. Effect of technology parameters on rate of dilution of Stellite coating deposited by plasma arc surfacing [J]. Weld. Technol., 2014, 43(9): 37

3. Zhong M L, Liu W J. Microstructure evolution of Stellite 6 - WCBY high power laser cladding [J]. Acta Metall. Sin., 2002, 38: 495

4. Xu Y R, Zhang H H, Chen D M, et al. Effect of laser scanning speed on phase constitution and wear resistance of laser-cladding Stellite hard facing alloy [J]. Acta Metall. Sin., 1993, 29(3): A126

5. Liu Y Z, Gui Y W. The properties and application of Stellite alloys (I) [J]. Mater. Mech. Eng., 1992, 16(5): 1

6. Li Y J, Wang J. Analysis and Strategy with Welding Defects [M]. 3rd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2018

7. Vasilenko M.D., Nov^ov V.P., Rachuk V.O., Slatvms'ka V.M. Ktoerbezpeka v projavah rizikw u period pandemn: stan ta geneza. V^nik Cherkas'kogo derzhavnogo tehnologkhnogo urnversitetu. 2020. Vip. 3. S. 30-39. DOI: 10.24025/2306-4412.3.2020.214774 URL: http://vtn.chdtu.edu.ua/article/view/214774/218625 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru