Деградация гарантированных свойств металла в конструкции и пути ее ослабления

полигонизации и рекристаллизации, что и обусловливает повышение твердости и прочности технического железа. Предложенная приближенная концептуальная модель влияния АТАО на свойства металлов и полученные численные оценки позволяют рекомендовать ее к использованию на других материалах.

Литература

1. Пат. 2100456 Российская Федерация. МПК7 С21Б9/22, С21Б6/04. Способ упрочнения изделий из углеродистых, легированных, высоколегированных, быстрорежущих сталей и твердых сплавов [Текст] / Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Григорьев В. В.; заявитель и патентообладатель Балт. гос. техн. ун-т им. Ф. Д. Устинова. № 96114291/02; заявл. 17.07.96; опубл. 27.12.97. Бюл. № 36.

2. Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Генкин П. Г. Аэротермоакустическая обработка металлов и сплавов // Металлообработка. 2001. № 6. С. 18-22.

3. Панин В. Е., Панин А. В. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // Металловедение и термическая обработка. 2006. № 12. С. 5-10.

4. Кабалдин Ю. Г., Муравьев С. Н. Информационные модели структурообразования и усталостного разрушения металлических материалов // Вестник машиностроения. 2007. № 8. С. 46-50.

5. Палатник Л. С., Равицкая Т. М., Островская Е. Л. Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения. Челябинск: Металлургия, 1978. С. 160.

6. Бернштейн М. Л., Рахштадт А. Г. Металловедение и термическая обработка: Справочник: В 3 т. М.: Металлургия, 1983. Т. 2. С. 365.

7. Бернштейн М. Л., Пустовойт В. Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. М.: Машиностроение, 1987. С. 219.

8. Тяпунина Н. А., Силис М. И., Подсобля-ев Д. С. и др. Поперечное скольжение винтовой дислокации в поле неподвижной дислокации и в ультразвуковом поле // Материаловедение. 2003. № 11. С. 2-8.

УДК 669.15

Деградация гарантированных свойств металла в конструкции и пути ее ослабления

А. М. Паршин, В. Б. Звягин

Ключевые слова: сталь, сплав, свойства, работоспособность, надежность, разрушение, коррозия.

О пригодности конструкционных материалов к конкретным условиям работы различного оборудования и машин судят по комплексу свойств, полученных при исследовании образцов, а теперь уже и по результатам дополнительных полунатурных и натурных испытаний. Например, возможность применения сталей и сплавов для изготовления изделий, работающих в составе тепловых энергетических установок оценивается по комплексу характеристик, полученных при исследовании ползучести, длительной прочности и пластичности, релаксации напряжений в интервале возможных рабочих температур, коррозионной стойкости и жаростойкости в рабочих средах, усталости в условиях циклических нагрузок, теплосмен и контакта с рабочими средами.

Опыт эксплуатации показывает, что, несмотря на увеличение объема экспериментальных работ, принятый комплекс исследований недостаточно полно оценивает сопротивляемость

изделий разрушению в процессе их службы. Известно много случаев преждевременных разрушений изделий несмотря на то, что использованные материалы удовлетворяли всем требованиям.

Исследования разрушенных изделий показали, что в тепловой и ядерной энергетике большинство повреждений не сопровождались пластической деформацией и их появление связывается либо с преждевременным исчерпанием пластичности в условиях ползучести при высоких температурах, либо с развитием процессов межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.

В качестве примера разрушения изделий вследствие исчерпания пластичности можно назвать хрупкие разрушения пароперегрева-тельных и паропроводных труб, литых деталей, дисков и лопаток газовых турбин, шпилек и болтовых соединений, изготовленных из аус-тенитных хромоникелевых сталей и сплавов различных композиций [1]. Эти разрушения

обнаруживались после относительно продолжительного периода эксплуатации.

Однако при определенных условиях хрупкое разрушение аустенитных сталей может произойти даже за промежуток времени, исчисляемый часами. Например, наблюдались случаи хрупких разрушений изделий из сталей марок 08Х18Н9Т и 10Х18Н11Б при их термической обработке в напряженном (или занево-ленном) состоянии в целях снятия напряжений от неравномерной пластической деформации и сварки [1].

Наличие преждевременных разрушений трубопроводов и трубных систем из аустенитных хромоникелевых сталей вследствие процесса коррозии, протекающего в условиях их пребывания под напряжением и в контакте с хлорсодержащими средами, нужно связывать с недостаточным знанием этого явления в первый период создания ядерной энергетики. При этом следует учитывать возможности накопления хлоридов из-за неоптимальной конструкции теплообменных аппаратов и нарушений режима водоподготовки в процессе эксплуатации [2].

В ряде случаев на работоспособности конструкций и машин весьма отрицательно сказываются отступления от технологических процессов в производстве полуфабрикатов при металлургическом переделе, в процессе сварки, при гибке и раздаче труб и других операциях. Серьезную опасность представляют случаи хрупкого разрушения перлитных сталей вследствие хладноломкости.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что наличие преждевременных разрушений во многом обусловлено тем, что уже в процессе конструирования и изготовления произошла «деградация» гарантированных свойств металла в конструкции (неоптимальная конструкция, нерациональное оформление узлов, допускание перерезания волокна, чрезмерные монтажные натяги и т. д.). Следует указать и на допускаемые иногда просчеты в выборе конструкционного материала для конкретных условий эксплуатации. В таком случае работоспособность конкретного материала в конструкции и его долговечность будут определяться не только его механическими свойствами, заложенными в расчете, но и особенностями конструкции, качеством изготовления и надлежащими условиями эксплуатации. Далее будут рассмотрены характерные случаи влияния основных факторов, обусловливающих деградацию гарантированных свойств металла в конструкциях трубопроводов и трубных систем, используемых в судостроении и атомной энергетике.

Отступления от требований технических условий и стандарта

1. Поставка холоднотянутых и холоднокатаных аустенитных хромоникелевых труб из стали 08Х18Н10Т с поверхностным науг-лероженным слоем, склонным к межкристал-литной коррозии.

2. Отсутствие должного контроля и регламентации процесса холодной правки аусте-нитных коррозионно-стойких труб после термической обработки вследствие их поводки становится причиной их резкого упрочнения в местах правки при одновременном снижении пластических свойств. Неравномерность правки обусловливает и появление значительных полей напряжений разноименного знака. Это понижает и сопротивляемость трубных систем коррозионному растрескиванию при контакте их с хлорсодержащими средами.

3. Скопление карбидов неблагоприятно влияет и на комплекс свойств аустенитных хромо-никелевых сталей и сплавов, стабилизированных титаном или ниобием. В местах скопления первичных карбидов титана и ниобия (ТС, №0) или их карбонитридов (Т (С, К), КЬ (С, К)), как правило, имеются микротрещины.

4. Неоднородность в размере зерна и наличие мелкозернистых, обогащенных легкоплавкими примесями областей, расположенных вдоль прокатки (рис. 1), снижает как кратковременную и длительную пластичность, так и сопротивление ударным нагрузкам.

5. Вытянутые вдоль направления проката колонии 5-феррита в аустенитных сталях типа 18-8 (рис. 2, а, б) вызывают анизотропию свойств металла. Известны случаи появления горячих трещин при металлургическом переделе на границе раздела «аусте-нит — 5-феррит». При нагреве в напряженном

Рис. 1. Разнозернистость сплава 05Х20Н45Б (1200 °С, 1 ч, вода), х100

марки

Рис. 2. Параллельно ориентированные вдоль направления проката колонии 5-феррита в стали 08Х18Н9Т: а — х100; б — х1000. Трещины в теле зерна и на границе раздела «5-феррит (белый) — аустенит (серый)»

состоянии для стабилизации размеров изделия возможны случаи преимущественного растрескивания по границе раздела аустенита и вытянутых пластин 5-феррита (рис. 2, б). При резко выраженной полосчатости 5-феррита возможно и резкое снижение сопротивляемости разрушению по толщине листа.

6. Неоднородность распределения первичных карбидов, наличие строчечности карбидов и 5-феррита, направленное распределение неметаллических включений и легкоплавких двойных и тройных эвтектик в различных сталях и сплавах приводят к тому, что эти материалы перестают быть «вакуумно-плотны-ми» вдоль проката.

7. Некачественное проведение технологического процесса сварки аустенитных хромонике-левых сталей (появление на основном металле сварочных брызг, прижогов, мест законтачива-ния и других концентраторов растягивающих напряжений) способствует ускоренному развитию коррозионного растрескивания различного теплопередающего оборудования тепловых и ядерных энергетических установок в условиях контакта с агрессивной хлорсодержащей средой.

8. Преждевременное появление язв и сквозных повреждений (свищей) в результате развития локализованных коррозионных процессов обуславливает деградацию свойств судовых трубопроводов из углеродистых сталей, меди и медно-никелевых сплавов. Основные причины преждевременного разрушения трубопроводов весьма разнообразны и часто обусловлены грубейшими отступлениями от требований чертежей. Перечислим те, что имеют наибольшее значение:

• сквозное прорезание стенок трубы при изготовлении резьбы;

• нарушение целостности цинкового слоя на внутренней поверхности трубы;

• уменьшение действительной толщины стенки трубы на участке резьбы;

• изготовление несоосных сопряжений;

• изготовление сопряжений без учета направления потока воды;

• перекрытие сечения трубы или отростка выступающими кромками;

• наличие высоких местных скоростей среды вследствие некачественного изготовления погибов;

• контакт разнородных металлов;

• наличие застойных зон.

Таким образом, при изучении наиболее слабых мест судовых трубопроводов, имеющих наименьшую долговечность, установлено, что причинами значительной части разрушений являются несоблюдение технологии их изготовления и несовершенство конструкций отдельных узлов. Выполнение мер по устранению недостатков проектирования, конструктивно-технологического исполнения слабых узлов трубопроводов и систем, улучшение качества изготовления и монтажа (ослабление деградации свойств металла в конструкции) и правильная эксплуатация судовых систем неизбежно увеличат срок безотказной работы трубопроводов и трубных систем, а также их долговечность.

Недостатки проектирования и конструирования

После того как рассмотрены некоторые недостатки в конструировании судовых трубопроводов и систем, стоит привести примеры конструкторских неудач и в других отраслях общего и энергетического машиностроения.

1. Несовершенства трубной системы парогенераторов, конструкций и узлов другого теплообменного оборудования, трубопроводов первого контура, деталей внутриреакторного насыщения и приводов регулирующих органов атомных энергетических установок создают благоприятные условия для накопления хлоридов и повышения агрессивности среды и, как следствие, приводят к развитию процессов коррозионного растрескивания и щелевой коррозии [2-4].

2. При замене кованых деталей механически вырезанными из листового материала последние часто используются в конструкции без учета направления волокна в них. Вследствие анизотропии свойств и резкого снижения вязкопластических характеристик в поперечном направлении («расщепление» волокна) возможно преждевременное разрушение изделия.

3. Нередко возникают разрушения сварных тонкостенных соединений, выполняемых в труднодоступных местах (например, сварка

труб 15 х 1,5 из стали 08Х18Н10Т). Применение более технологичных труб со значительной толщиной стенки (2,5 мм) обеспечивает лучшее качество сварного соединения.

4. К числу конструкционных недостатков следует отнести и наличие случаев разрушений конструкций (особенно сварных) по причине хладноломкости. Разрушения из-за низкой хладностойкости связаны не только с применением стали, имеющей повышенную склонность к хрупким разрушениям, но и с конструктор-ско-технологическими факторами, повышающими критическую температуру хрупко-вязкого перехода. Таковыми принято считать укрупнение размера зерна, наводороживание металла сварного соединения, высокие сварочное и монтажное напряжения, повышенное содержание вредных примесей и т. д.

Отступление от расчетных условий эксплуатации

Представляется целесообразным более детально рассмотреть проблемы надежности и долговечности работы узлов и конструкций ядерных энергетических установок. Специфика работы основных узлов ядерных энергетических установок характеризуется не только неблагоприятным воздействием нейтронного облучения и у-излучения на механические свойства и сопротивляемость коррозии конструкционных материалов, но и труднодоступностью узлов для обслуживания в сочетании с практической неремонтопригодностью.

Специфичность условий работы конструкционных материалов в составе основных узлов и конструкций атомных энергетических установок и отмеченные особенности их конструирования, технологии изготовления и обслуживания в процессе эксплуатации обеспечили выработку иного, специального подхода к созданию новых конструкционных материалов и оценке их работоспособности. Учитывая отмеченные особенности условий работы конструкционных материалов в составе ядерных и других специальных энергетических установок и последствия их аварий и разрушений, можно сказать, что рассматриваемый комплекс неполноценности в создании машин и оборудования и само понятие «деградация свойств металла в конструкции» должны быть исключены.

О некоторых недостатках в конструктор-ско-технологическом оформлении узлов ядерных энергетических установок уже было сказано выше. Теперь рассмотрим и неблагоприятные последствия, связанные с отступлением от требуемых условий эксплуатации.

Вследствие протечек теплоноситель (вода) может попадать на наружные (нерабочие) поверхности трубопроводов из аустенитных хро-моникелевых сталей и испаряться в местах контакта с ними. Даже в случае протечек химически обессоленной воды на поверхности трубопроводов происходит накопление хлоридов. Особенно интенсивное концентрирование хлоридов наблюдается в теплоизоляционной защите (асбесте, совелите и др.). В местах скопления хлоридов создаются условия для протекания процесса коррозионного растрескивания трубопроводов и трубных систем из аустенитных хромоникелевых сталей.

При перегрузках активной зоны и во время остановки реактора может изменяться состав и снижаться показатель рН воды (в среднем до рН = 7) из-за повышения концентрации борной кислоты, в связи с чем выход в контур продуктов коррозии оборудования из перлитных сталей способен резко увеличиться [3]. Отметим, что скорость общей коррозии перлитных сталей в реакторной воде почти на порядок выше по сравнению с аус-тенитными сталями типа 18-8. При переносе потоком теплоносителя продукты коррозии вызывают следующие неблагоприятные последствия:

• ухудшение радиационной обстановки всего контура, которое осложняет обслуживание и ремонт оборудования;

• ухудшение теплоотдачи тепловыделяющих элементов при отложении продуктов коррозии на теплопередающей поверхности.

Скорость движения воды является основным фактором, влияющим на коррозию трубопроводов и трубных систем, выполненных из медных сплавов. Если скорость движения воды превышает допустимые значения, то защитная окисная пленка смывается, и коррозия развивается с большей (равной начальной) скоростью.

Разрывы и повреждения труб поверхностей нагрева котлов высоких и сверхвысоких параметров [5] происходят в основном из-за их длительных перегревов до высоких температур.

Неполное соответствие металла условиям эксплуатации

Одной из причин возникновения данного недостатка стал просчет разработчиков, не сумевших предвидеть возможность развития в конструкциях первого и второго контуров АЭУ из аустенитных хромоникелевых сталей типа 18-8, 15-15 и других композиций коррозионного растрескивания в условиях потенциального накопления хлоридов.

Недостаточно было и информации о возможности усиления локализованных коррозионных процессов (щелевой коррозии, усиления коррозии под напряжением при наличии проявления склонности металла к межкристал-литной коррозии и т. д.) в специфических условиях эксплуатации ядерных энергетических установок.

В условиях накопления хлоридов, например при подаче капельным методом морской воды на горячие трубчатые образцы, аустенитные хромоникелевые стали типа 18-8, 15-15 и подобные им композиции при наличии растягивающих напряжений весьма интенсивно растрескиваются при температурах выше 70-100 °С. Позднее было установлено, что для обеспечения стойкости к коррозионному растрескиванию элементов реакторного оборудования, работающих в условиях накопления хлоридов, необходимо применять высоконикелевые сплавы, содержащие 45-50 % N1 [2-4].

Пара «бронза — коррозионно-стойкая хромистая сталь 20X13» оказалась неработоспособной в условиях контакта с морской водой. Так, после 2-3 лет эксплуатации шпильки из стали 20X13 клапана-воздушника на фильтре морской воды с бронзовым корпусом стали практически непригодными: из шести ниток резьбы четыре полностью прокорродиро-вали.

Как оказалось, в данных условиях эксплуатации бронза имела более благородный (электроположительный) потенциал, а сталь 20X13 являлась анодом. Следует отметить, что проблемы коррозионной повреждаемости в контакте разнородных металлических материалов пока еще не решены полностью.

Структурно-избирательная коррозия показана на рис. 3, где представлен штуцер мед-но-никелевого трубопровода, отломившийся при отворачивании. Как было установлено позднее, штуцеры оказались изготовленными из латуни марки Л62 (вместо рекомендованной бронзы марки БрАМц9-2). Это привело к обесцинкованию латуни в морской воде и, как следствие, к преждевременному разрушению детали в процессе эксплуатации. На рисунке ясно видна зона обесцинкования, распространившаяся на все сечение штуцера. Позже в результате исследований было выявлено, что бронза марки БрАМц9-2 также весьма часто разрушается под действием морской воды вследствие обезалюминивания Р-фазы.

Не предсказание физиками возможности вакансионного порообразования и радиационного распухания аустенитных хромо-никелевых сталей типа 18-18, 15-15, 15-20 и других композиций с умеренным содержанием

Рис. 3. Латунный штуцер, разрушившийся в результате структурночувствительной коррозии

никеля (основных конструкционных материалов активных зон реакторов на быстрых нейтронах) в условиях облучения нейтронами и другими частицами, а обнаружение этого явления только после длительной эксплуатации (сначала в 1967 г. в Англии, а позже и в других странах, эксплуатирующих реакторы на быстрых нейтронах, в том числе и в России) выдвинуло на первый план проблемы создания экономически надежных высокотемпературных ядерных энергетических установок. Дальнейшие исследования показали, что аустенитные хромоникелевые стали с твердорастворным упрочнением и относительно небольшим содержанием никеля (8-30 %) подвергаются значительному распуханию (до 15-25 %) после облучения в интервале температур 360-650 °С дозами, большими чем 1 • 10 нейтр./см [6].

В настоящее время известны принципы легирования аустенитных сталей для подавления или значительного ослабления в них радиационного распухания: высокое содержание никеля, высокое содержание титана или алюминия при низком (обычном) содержании никеля, микролегирование некоторыми элементами с большими атомными размерами при повышенном содержании титана или алюминия и др. Однако многие из этих конструкционных материалов нетехнологичны при металлургическом переделе и сварке.

5. Хрупкие межзеренные разрушения крупногабаритных с большой запасенной энергией изделий из сталей 08Х18Н9Т и 10Х18Н11В при их термической обработке в напряженном состоянии в целях снятия напряжений от неравномерной пластической деформации (термофиксацией размеров) и от сварки также следует

новые материалы и технологии производства

МЕТ^^БРД^к)!

связать с неизученностью и недостаточным пониманием особенностей процессов релаксации напряжений в условиях непрерывно снижающейся прочности и длительной пластичности при переменной постоянно возрастающей температуре [1].

плавкие примеси), способствующие проявлению гелиевого и водородного охрупчивания, газового распухания и др.

Литература

Выводы

Для оценки работоспособности конструкционных материалов основных узлов активной зоны атомных реакторов и конструкций первой стенки и бланкета термоядерных установок нужно проводить более масштабные эксперименты и стендовые испытания. Это обусловлено не только тем, что нейтронное облучение ускоряет процессы ползучести, усиливает временную зависимость длительной прочности, резко снижает кратковременную и длительную пластичность в широком интервале температур, повышает критическую температуру вязко-хрупкого перехода, снижает коррозионную стойкость, вызывает распухание и вакансионное порообразование, но и тем, что в результате протекания (п, а)-и (п, р)-реакций возникают трансмутантные элементы (например, газообразные и легко-

1. Паршин А. М. Структура, прочность и пластичность нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, применяемых в судостроении. Л.: Судостроение, 1972 . 288 с.

2. Азбукин В. Г., Баландин Ю. Ф., Павлов В. Н. Коррозионностойкие стали и сплавы для оборудования трубопроводов АЭС. Киев: Наукова думка,

1983. 142 с.

3. Баландин Ю. Ф., Горынин И. В., Звез-дин Ю. И. Конструкционные материалы АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1984. 280 с.

4. Богоявленский В. Л. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. М.: Энергоатомиздат,

1984. 168 с.

5. Капырин Г. И., Паршин А. М. Причины разрывов и повреждений труб поверхностей нагрева котлов высоких и сверхвысоких параметров // Металловедение. 1956. № 9. С. 51—61.

6. Паршин А. М., Звягин В. Б. Структурно-принудительная рекомбинация и особенности радиационного распухания аустенитных сталей и сплавов // РАН. Металлы. 2003. № 2. С. 44-49.