Оценка структурно-механической неоднородности сварных соединений теплоустойчивых сталей

 

Кузеев И.Р. (УГНТУ, г. Уфа, Башкортостан, РФ)

 Трякина Н.Ю. (ОГТИ, г. Орск, РФ)

 

Results of the analysis of mechanical behaviour of welded connections of steels classes for high-temperature pipe ducts in an initial condition and after operational ageing are presented.

 

Часть элементов нефтеперерабатывающего оборудования, работающего при повышенных температурах, составляют конструкции из низколегированной стали перлитного класса 12Х1МФ и аустенитного класса типа 18 – 10. При этом значительная доля разрушений приходится на сварные соединения, причем, металл шва характеризуется высокими механическими характеристиками, а наиболее слабым и подверженным различного рода повреждениям является околошовная зона, испытывающая в процессе сварки сложное температурно-деформационное воздействие. 

Важным фактором, определяющим свойства сварного соединения и его сопротивление хрупкому разрушению, является структура, зависящая от химического состава стали и наплавленного металла, тепловых режимов сварки и термической обработки. Таким образом, необходимой является оценка структурных особенностей и, как следствие, влияние состояния металла однородных и разнородных сварных соединений сталей трубопроводов на механические характеристики.

В настоящей работе проведен  анализ поведения сталей 12Х1МФ и 12Х18Н10Т (в исходном состоянии и после эксплуатации) в сварных соединениях, дана оценка структурно – фазового состава, локального упрочнения (разупрочнения) различных зон сварных соединений и изменения их механического поведения.

Исследовались следующие сочетания однородных и разнородных сварных соединений: сталь 12Х1МФ в исходном состоянии сваривалась с аналогичной сталью в исходном состоянии и после длительной эксплуатации, сталь 12Х18Н10Т в исходном состоянии сваривалась со сталью 12Х1МФ в состаренном состоянии, сталь 12Х18Н10Т в состаренном состоянии – с аналогичной сталью в исходном состоянии и перлитной сталью 12Х1МФ после эксплуатации.

Наибольшие изменения в структуре всех исследованных сварных элементов трубопроводов выявлены в зоне термического влияния различной протяженности, зависящей от исходных условий получения неразъемных соединений и испытывающей значительный нагрев при его формировании.

Во всех случаях основной металл стали 12Х1МФ имел феррито-перлитную структуру 7,0-8,0 балла с равномерно распределенными карбидными частицами внутри зерен феррита. Границы зерен стали после длительной эксплуатации имели извилистое строение, связанное с протеканием процессов зернограничного проскальзывания и образования вследствие этого уступов на границах зерен, а также некоторое утолщение из-за выделения карбидов при нагреве. Строение перлита при этом изменялось от тонкопластинчатого в образцах с исходной структурой до зернистого с различной степенью сфероидизации в зависимости от длительности эксплуатации.

Отличительной особенностью структуры разнородных сварных соединений сталей 12Х1МФ и 12Х18Н10Т является формирование тонкой прослойки структурно свободного феррита вблизи линии сплавления со стороны перлитной стали, образование которого связано  с интенсивной диффузией углерода из менее легированной стали в более легированную при образовании сварного соединения. Кроме того, выявлена широкая ферритная оторочка в закаленном участке ЗТВ стали 12Х1МФ шириной 20-40 мкм.

В сварных соединениях аустенитной стали структура по сечению более однородна. В основном металле соединения стали в исходном состоянии величина зерна составляет 4,0-5,0 баллов, границы зерен тонкие, четкие, без выделений избыточных карбидов. В ЗТВ появляется некоторая неоднородность размеров зерен, величина которых изменяется в пределах 3,0-6,0 баллов.

Сварные соединения теплоустойчивой перлитной стали 12Х1МФ и аустенитной стали 12Х18Н10Т характеризуются значительной неоднородностью механических свойств по сечению, связанной со структурно-фазовыми превращениями в различных зонах, образующихся при сварке. Механическую неоднородность выявляли путем замеров твердости по сечению сварных соединений. Также оценивалась неоднородность отдельных зон, в частности, по величине упрочнения (разупрочнения) металла шва γ_мш и различных участков ЗТВ, рассчитываемых по формуле /1/:

γ_мш = HV_мш / HV_ом,                                            (1)

где HV_мш и HV_ом – твердость металла шва и основного металла, соответственно

ξ_рп = ((HV_ом – HV_зтв)/ HV_ом)*100 %                        (2)

Однородные сварные соединения стали 12Х1МФ имеют практически одинаковый характер распределения твердости по сечению, заключающийся в постепенном ее увеличении от основного металла к металлу шва. Повышение твердости в ЗТВ вблизи линии сплавления связано с образованием бейнитной структуры при сварке.

В однородных сварных соединениях характер распределения твердости симметричный относительно центра шва, в разнородных – асимметричный, связанный с различием их структурно-фазового состава.

Во всех случаях наблюдалось увеличение твердости по сечению сварных соединений от основного метла к металлу шва, причем в однородных соединениях это увеличение составило порядка 27,0 % для соединений аустенитной стали и 39,0-44,5 % - для стали 12Х1МФ. Замечено, что наибольший прирост твердости характерен для стали 12Х1МФ в исходном состоянии.

Изменение твердости в зоне термического влияния однородных  сварных соединений сталей 12Х1МФ и 12Х18Н10Т составило 24,0-27,0 % и 12,0-17,0 %, соответственно. Такой характер изменения этой механической характеристики связан с протекающими при сварке фазовыми превращениями, заключающимися в образовании закалочных структур (бейнит) в стали 12Х1МФ и выделении карбидов и некотором деформационном упрочнении стали 12Х18Н10Т. При этом меньший уровень повышения твердости в стали 12Х1МФ в состоянии эксплуатационного старения мажет быть связан с более интенсивными процессами коагуляции выделившихся при эксплуатации карбидов.

В разнородных сварных соединениях исследуемых сталей изменение твердости несколько иное. Наибольшее увеличение твердости соответствующее направлению от основного металла к металлу шва стали 12Х18Н10Т в состоянии старения (соединение 4) составило порядка 23 %, тогда как в стали 12Х1МФ – 38 %. При сплавлении аустенитной стали в исходном состоянии с перлитной сталью эта характеристика изменилась на 30 %.

Более точный характер изменения прочности по сечению как однородных, так и разнородных сварных соединений дает метод микротвердости, позволяющий выявить микронеоднородность, связанную с наличием мягких и кристаллизационных прослоек. Микротвердость последних во всех случаях возрастает до значений порядка 4380 Н/мм², т.е. практически на 40-60 % относительно основного металла.

Микротвердость по сечению исследованных сварных соединений изменялась аналогично твердости, однако здесь была измерена микротвердость прослойки вблизи линии сплавления со стороны перлитной стали 12Х1МФ как в исходном, так и в состаренном состоянии, со значениями близкими или несколько более низкими по сравнению с микротвердостью основного металла этой стали.

Во всех соединениях, независимо от марки электрода и состава свариваемых сталей, металл шва получил максимальные значения твердости относительно основного металла и ЗТВ, колеблющиеся от 178 до 240 HV. Металл шва однородного соединения стали 12Х1МФ имеет твердость порядка 228 – 240 HV (как в соединении стали в исходном состоянии, так и в соединении нового металла и металла после эксплуатации).

Твердость металла шва однородных соединений аустенитной стали и разнородных соединений аустенитной с перлитной, несколько ниже и составляет 197 – 200 HV и 200 – 228 HV, соответственно.

Во всех исследованных сварных соединениях металл шва играл роль упрочненной прослойки, и коэффициент его упрочнения γ_мш колебался в интервале 1,22-1,4, находящегося в пределах, обеспечивающих работоспособность сварных соединений.

Симметричное изменение степени упрочнения (разупрочнения) металла ЗТВ относительно шва, рассчитанной по формуле (1), характерно только для однородных сварных соединений стали 12Х1МФ в исходном состоянии. При образовании однородных сварных соединений сталей, как аустенитной, так и перлитной в  исходном и состаренном состоянии, а также разнородных соединений симметрия нарушается вследствие различия в структурном  состоянии свариваемых металлов.

Характер изменения прочности металла ЗТВ (ξ_рп) стали Х18Н10Т в исходном состоянии, как в однородном, так и в разнородном соединении, идентичен и заключается в постепенном увеличении ξ_рп от основного металла к центру шва. При образовании соединения аустенитной стали в состаренном состоянии на участке, непосредственно прилегающем к металлу шва, наблюдается уменьшение величины относительного упрочнения, связанное с процессами, протекающими при высокотемпературном нагреве металла при сварке.

Что касается поведения металла ЗТВ стали 12Х1МФ в исходном состоянии, то здесь, во всех случаях получения однородных сварных соединений (№1 и 2), снижение ξ_рп наблюдается вблизи основного металла, т.е. на участке, где при сварке температура нагрева относительно невысокая, образуется структура, характерная для отпуска, приводящая к разупрочнению металла. При этом вблизи линии сплавления с металлом шва выявлена максимальная величина упрочнения относительно основного металла, достигающая 25,0-27,0 %, в то время как в соединении №2 в стали 12Х1МФ в состоянии эксплуатационного старения максимальная величина составляет порядка 21,0 %.

Еще одной особенностью механического поведения перлитной стали в состаренном состоянии является наличие двух характерных зон относительного разупрочнения: вблизи основного металла и вблизи линии сплавления. Такое изменение ξ_рп стали 12Х1МФ в однородных и разнородных соединениях определяют два структурных состояния: феррито-перлитная структура с развитой сфероидизацией перлита (зона отпуска ЗТВ) и область околошовной зоны, характеризующейся наличием структурно свободного феррита. Между этими участками расположена зона со структурой бейнита с выделенными по границам зернами полигонального феррита, степень относительного упрочнения которой достигает 27,0 %.

Наличие в сварных соединениях чередующихся участков с пониженной и повышенной срочностью обусловливает их значительную неоднородность, что в свою очередь приводит к снижению надежности оборудования с неразъемными соединениями. Как было показано выше, на характер распределения твердости по сечению сварных соединений оказывает влияние состояние металла, что необходимо учитывать при плановом ремонте устаревшего оборудования.

 

Литература

1. Хромченко Ф. А. Ресурс сварных соединений паропроводов. – М.: Машиностроение, 2002. – 352 с.