СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН ПРЕДРАЗРУШЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF DETECTING PRE-DESTRUCTION ZONES IN WELDED JOINTS OF HEAT-RESISTANT STEELS

Изобретение относится к способам изучения и анализа наноструктурного состояния сварных соединений технических устройств опасных производственных объектов (паропроводов) с помощью методов физического металловедения, в частности электронно-микроскопических исследований наноструктуры, а также акустических методов неразрушающего контроля.
В процессе длительной эксплуатации технических устройств опасных производственных объектов при высоких температурах и давлениях в металле сварных соединений происходят сложные физико-химические процессы, вызванные в первую очередь распадом перлитной составляющей микроструктуры, коагуляцией и сфероидизацией карбидов, образованием и накоплением микроповрежденности, снижением жаропрочности.
Большую опасность с точки зрения безопасной эксплуатации представляют околошовные зоны сварных соединений энергооборудования. В процессе длительной работы сварных соединений паропроводов в околошовных зонах развиваются микронесплошности в так называемой «мягкой» прослойке. Микронесплошности этого типа образуются в участках сварного соединения, имеющих пониженное сопротивление ползучести - зонах предразрушения. Такими участками в первую очередь являются участки доотпуска и неполной перекристаллизации в околошовной зоне, характеризующиеся мелкозернистым строением, они не выявляются существующими методами неразрушающего контроля.
В энергетике для контроля качества металла технических устройств опасных производственных объектов применяют способ акустико-эмиссионного контроля (Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.).
Способ акустико-эмиссионного контроля основан на испускании материалом упругих волн, вызванных динамической локальной перестройкой его структуры. Эти волны распространяются от источника к датчику (датчикам), где они преобразуются в электрические сигналы. Оценку работоспособности сварных соединений проводят путем регистрации и анализа возбуждаемых развивающимися дефектами ультразвуковых колебаний. Приборы измеряют эти сигналы и отображают данные, на основе которых оператор оценивает состояние и поведение структуры под напряжением.
К недостаткам этого способа выявления зон предразрушения в сварных соединениях теплоустойчивых сталей можно отнести:
- сложность и большую стоимость аппаратуры;
- низкую помехоустойчивость аппаратуры;
- не явную связь между параметрами микроструктуры в зоне предразрушения и акустико-эмиссионными характеристиками при образовании микроповреждений в сварных соединениях.
Наиболее близким к изобретению следует отнести способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования (патент РФ №2231057, МПК G01N 29/20, опубл. 20.04.2004, бюл. №17), включающий определение времени задержки ультразвуковой поверхностной волны, которая возбуждается на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента, а затем определение критерия степени поврежденности эксплуатируемого элемента из соотношения:
,
п
где К - критерий степени поврежденности металла в относительных единицах;
0
W - среднестатистическое время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности новых элементов, нс;
p
W - среднестатистическое время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности металла в зоне разрушения элемента, нс;
1
W - среднестатистическое время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности эксплуатируемого элемента, нс;
п
причем замену эксплуатируемого элемента производят при условии К=0,7-0,9.
К недостаткам способа неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования следует отнести то обстоятельство, что при определении степени поврежденности металлов не учитывается анизотропия физико-механических характеристик и структурно-фазового состояния теплоустойчивых сталей вдоль и поперек направления деформации.
Технический результат изобретения заключается в предотвращении повреждений сварных соединений за счет выявления зон предразрушения на различных этапах жизненного цикла технических устройств опасных производственных объектов после длительной эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе выявления зон предразрушений в сварных соединениях теплоустойчивых сталей, включающем определение времени задержки поверхностных акустических волн и электронно-микроскопические исследования сварных соединений после различных сроков эксплуатации, согласно изобретению измеряют время задержки поверхностных акустических волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в сварном соединении с исходным состоянием, а также в контролируемом сварном соединении, а именно в металле швов и околошовных зонах, после выбранного срока эксплуатации по графику контроля, далее на основе измерения локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений и времени задержки поверхностных акустических волн выводят акустический критерий оценки ресурса сварных соединений
,
01
где R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t01
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль контролируемого сварного соединения, нс;
02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной поперек сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной поперек контролируемого сварного соединения, нс,
причем при величине акустического критерия оценки ресурса сварного соединения меньшей, либо равной 0,98 производят замену эксплуатируемого элемента.
Заявленный способ осуществляют следующим образом. Для выявления зон предразрушений в сварных соединениях теплоустойчивой стали проводят измерение времени задержки поверхностных акустических волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в сварном соединении с исходным состоянием, а также в контролируемом сварном соединении, а именно в металле швов и околошовных зонах, после выбранного срока эксплуатации по графику контроля. Измерения проводят не менее чем в двенадцати точках (в металле шва и околошовных зонах). Затем образцы, изготовленные из сварных соединений, исследуют электронно-микроскопическими методами в точках измерения времени задержки поверхностных акустических волн, где изучают наноструктуру: измеряют плотность изгибных экстинкционных контуров, определяют величину локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений, плотность дислокации и выявляют наличие микронесплошностей.
Для подтверждения достоверности полученных результатов используют статистические методы. Определяют средние величины и дисперсии соответствующих измеряемых параметров.
Далее определяют критический уровень локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений для теплоустойчивых сталей, приводящий к возникновению микронесплошностей и образованию зон предразрушений.
Строят эталонные кривые зависимостей для сварных соединений теплоустойчивых сталей между величиной локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений и временем задержки поверхностных акустических волн. Из полученных зависимостей получают акустический критерий оценки ресурса сварных соединений
,
01
где R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t01
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной вдоль контролируемого сварного соединения, нс;
02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной поперек сварного соединения в исходном состоянии, нс;
t02
R - среднестатистическое время задержки поверхностной акустической волны, поляризованной поперек контролируемого сварного соединения, нс.
Для сварных соединений теплоустойчивых сталей определяют предельную величину акустического критерия оценки ресурса сварных соединений, которая характеризует образование в сварном соединении зоны предразрушения - появление микронесплошностей.
Исследования наноструктуры проводят с применением электронно-микроскопических методов на микроскопе «ЭМ - 125К» при ускоряющем напряжении 125 кВ с использованием гониометра.
Для акустических исследований используют многофункциональную автоматизированную спектрально-акустическую систему «АСТРОН». В основу работы аппаратной части системы положен способ подробной регистрации всей серии отраженных акустических импульсов для ее последующей обработки средствами программной части системы.
Для сварных соединений паропроводов из теплоустойчивой стали (например, хромомолибденованадиевой) электронно-микроскопическим методом установили, что образование зоны предразрушения возникает при уровне локальных дальнодействующих полей внутренних напряжений, равном 3800 МПа и более. При таких напряжениях акустический критерий оценки ресурса сварных соединений равен или менее 0,98.
Пример конкретного применения заявляемого способа.
01
02
t01
t02
Для исследованного сварного соединения паропровода, изготовленного из стали 12Х1МФ, после 298 тысяч часов эксплуатации при температуре 545°С и давлении 14,0 МПа R, R, R, R равны 5732, 5724, 5802 и 5800 нс соответственно, а вычисленный акустический критерий оценки ресурса сварных соединений К=0,9749, что свидетельствует о том, что в околошовной зоне возникли значительные локальные дальнодействующие поля внутренних напряжений, и образовалась зона предразрушения. Следовательно, дальнейшая эксплуатация сварного соединения может привести к разрушению технического устройства и возникновению аварийной ситуации.
Таким образом, предложенный способ впервые позволяет выявлять зоны предразрушения (зоны с пониженным сопротивлением ползучести -«мягкие прослойки») в сварных соединениях теплоустойчивых сталей по акустическому критерию оценки ресурса сварных соединений и параметрам наноструктуры.