Диссертация (Разработка комплексной технологии термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий из хромомолибденованадиевой стали), страница 7

Трещины любого размера недопустимы в37готовом изделии, так как разрушение реактора, работающего в условияхагрессивной среды под давлением и при высокой температуре, может привести ксерьезнымпоследствиям,вплотьдотехнологическойкатастрофы.Длянедопущения трещин в готовом изделии, качество каждого сварного соединения впроцессе изготовления проверяется с помощью неразрушающих методов контроля(ультразвуковая, рентгеновская, магнитопорошковая дефектоскопия и т.д).

Вслучае обнаружения трещины или иных дефектов, производится ремонтдефектного места. Каждый ремонт сопряжен с затратами, поэтому необходимопредотвращать появление трещин и других дефектов за счет введениякорректировок в технологию изготовления сварных соединений.Учитывая, что трещины являются наиболее опасным дефектом сварныхсоединений, в настоящей работе анализируется возможность образования именнотрещин различного типа, иные дефекты сварных соединений (поры, шлаковыевключения и так далее) не рассматриваются.Из-за особенностей легирования для сварных соединений 2,25Cr-1Mo-Vстали характерны холодные трещины и трещины повторного нагрева.

Возможнопоявление и горячих трещин типа кристаллизационных. В данной работе этот видтрещин также не рассматривается, так как причины их образования не связаны сособенностями легирования 2,25Cr-1Mo-V стали, а образуются они, в основном,при использовании «грязных» по примесям сварочных материалов [5].1.6.1 Холодные трещиныОдин из самых опасных видов трещин – холодные трещины, так как онизачастую имеют большую протяженность и способны приводить к полномуразрушению сварного соединения.

Холодной трещиной можно назвать локальноемеж- или транскристаллическое разрушение металла, которое чаще всего можнообнаружить визуально и которое имеет блестящий излом. В сварных соединенияхтрещины образуются либо непосредственно после сварки при охлаждении ниже250…200°С, либо с течением времени [5]. Иногда растрескивание происходит38через несколько минут, часов, суток после сварки и охлаждения. Начальноеразрушение происходит по границам действительного аустенитного зерна инаблюдается как практически хрупкое. Место начала разрушения обычнопредставляет собой поверхность раздела с высокой концентрацией дефектовкристаллической решетки, на которых скапливаются атомы примесей, углерода иводорода [58].Основными факторами, обуславливающими возникновение холодныхтрещин,являются:высоконапряженноесостояниесварногосоединения,структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличиемсоставляющих мартенситного и бейнитного типа и присутствие (содержание,распределение) в металле диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) [5, 59 - 63].Для снижения вероятности образования холодных трещин иногда достаточноисключить влияние одного из трех факторов, вызывающих их образование.Особенно велико влияние ДПВ на склонность металла сварного соединения кобразованию холодных трещин.

Даже небольшое количество ДПВ при наличиибольших напряжений увеличивает в разы вероятность образования холодныхтрещин в сварном соединении [64].Уровень напряжений в сварном соединении можно понизить, изменяягеометрию соединения, применяя сварку с подогревом, используя немедленныйвысокий отпуск после сварки. Использование подогрева во время сварки ипослесварочного отпуска позволяет к тому же снизить закалённость структурыметалла сварного соединения и уменьшить содержание в нём ДПВ [5, 65].Альтернативой послесварочного высокого отпуска сварных соединенийявляется низкотемпературная дегидрогенизационная термическая обработка(НДТО), которая способствует удалению ДПВ, но не оказывает значительноговлияния ни на уровень напряжений, ни на структуру сварного соединенияхромомолибденованадиевой стали.

Температура НДТО, обычно, не превышает300-400°С [5].391.6.1.1 Влияние водорода на технологические и механические свойствасварных соединений хромомолибденовой сталиВодород обладает высокой диффузионной подвижностью и способен взначительной степени влиять на свойства конструкционных сталей, снижаяуровень их механических свойств и повышая склонность к хрупкому разрушению[66÷69]. Учитывая, что склонность к хрупкому разрушению при одинаковойконцентрации водорода возрастает с увеличением прочности стали, исследованиявлияния водорода на сварные соединения 2,25Cr-1Mo-V стали являются оченьактуальными. Распределение водорода по сечению сварного соединения послесварки происходит очень быстро, т.к.

в стали водород обладает повышеннойподвижностью, которая значительно превышает подвижность остальных примесейдаже при комнатной температуре [70].Водород в стали может находиться в нескольких состояниях, разделяемых постепени активности [71 - 73]:1) ДПВ, представленный атомарно-протонным водородом, растворенным вкристаллической решетке;2) Остаточный водород, представленный:- атомарным водородом, связанным с дефектами кристаллического строения;- молекулярным водородом, связанном с микро- и макропустотами;- водородом, химически связанным с металлами и неметаллами ирастворенным в карбидной фазе.ДПВ оказывает наибольшее влияние на охрупчивание стали [59], однако иостаточный водород может оказывать влияние на свойства стали, переходя принагреве в атомарную и протонную - более подвижные формы [74].Считается, что для проявления охрупчивающего действия ДПВ на металлсварного соединения, его концентрация должна превышать 0,5 мл на 100 г(наплавленного металла) [75].

Но даже если распределить равномерно водород свдвое большей концентрацией, то на один атом (или протон) водорода будетприходиться несколько десятков тысяч атомов железа [60], в то время как, дляохрупчивающего действия водорода необходимо приблизительное соотношение401:1 [76, 77].

Так как в сварном соединении водород распределяется неравномернов зависимости от структуры и напряжений, то в некоторых зонах содержаниеводорода может превышать необходимое для охрупчивания металла.При электродуговой сварке плавлением создаются очень благоприятныеусловия для проникновения водорода в металл шва и ЗТВ, вследствие спецификитермического цикла сварки и наличия внешних источников водорода (атмосфера,защитная среда, сварочные материалы и свариваемый металл) [78, 79]. Самуюбольшую растворимость водород приобретает в капле электрода, разогретой дугой,40...45 см3/100 г и в жидком металле сварочной ванны 25…28 см3/100 г [80].Поэтому, когда металл находится в этих формах, желательно защищать его отводородсодержащих сред.

Поступая в зону шва и постепенно остывая, металлтеряет водород, но скоротечность процессов охлаждения сварного соединения недает возможности в полной мере удалить водород. Оставшийся после сваркиводород начинает перераспределяться между всеми зонами сварного соединения взависимости от структуры этих зон. При этом зоны закалки (подкалки) металласварного соединения в большей мере способны накапливать водород из-запониженной проницаемости водорода в мартенсите и бейните [81].

Надиффузионную подвижность водорода могут также влиять легирующие элементыв стали. По степени влияния можно составить такую последовательность:Mn - Ni - Mo - Cr - Si – V (в порядке возрастания степени влияния) [82]. Повышениеобщего уровня легирования стали, по данным работы Р.А. Козлова [59], снижаетдиффузионную подвижность водорода, а значит и интенсивность выделения егоизбыточных количеств с поверхности шва. Особенностью легирования сварочныхматериалов 2,25Cr-1Mo-V типа, используемых для изготовления корпусовнефтехимических реакторов, является то, что металл шва более легирован Cr (~ на0,1%) и V (~ на 0,5-0,7%) по сравнению с основным металлом. Это может снижатьподвижность водорода в металле шва и увеличивать его склонность к образованиюхолодных трещин по сравнению с основным металлом.Растворимость водорода в металле увеличивается при повышениитемпературы в процессе сварочного нагрева.

Изменение растворимости вызывает41диффузионное перемещение водорода из металла шва в зону термического влиянияглавным образом во время γ→α превращения металла сварного шва. Из схемы,показанной на рис.1.8 [61], видно, что в металле сварного шва уже произошлопревращение γ→α, а зона термического влияния продолжает оставатьсяаустенитной. Так как в аустенитной области растворимость водорода выше, товодород начинает стекать в нее. Эти процессы протекают более интенсивно привысоких температурах и определяют распределение водорода в макрообъёмахсварного соединения. Следует отметить, что при температурах ниже 600ºСдиффузия водорода находится в большой зависимости от фазовых превращений иот термодеформационных процессов при сварке.Рисунок 1.8 – Схема последовательности превращений γ→α в металле сварногошва и в зоне термического влияния: 1 – шлак; 2 – сварной шов; 3 – ЗТВ [61].1.6.1.2 Обзор моделей водородного охрупчивания металлаСуществует несколько моделей, описывающих влияние водорода на процессохрупчивания стали.

Самой распространенной из них является модель,объясняющая появление водородного охрупчивания возникновением избыточногодавления молекулярного водорода во внутренних микропустотах стали (рис.1.9 а)[61, 83, 84]. Очень часто при описании водородного охрупчивания используютименно ее, но данная модель не способна объяснить все явления, происходящие встали, насыщенной водородом. Например, когда возникает эффект охрупчивания42при низких концентрациях водорода, неспособных привести к возникновениюповышенного давления в микропустотах [76, 77, 85].К другим группам относятся модели, основанные на следующих гипотезах:[70, 77, 86]:- на представлении о снижении под действием растворенного водородамежатомных связей в металле, то есть на падении когезионной прочности;- на предположении о снижении поверхностной энергии внутри трещины приадсорбции водорода, что должно приводить к резкому уменьшению разрушающегонапряжения;- на предположении о транспортировке атомов водорода движущимисядислокациями в процессе пластической деформации, в результате которой упрепятствий, где происходит накопление дислокаций, уровень концентрацииводорода становится достаточным для ускорения разрушения (рис.1.9 б);- на представлении о том, что при небольших температурах большая частьводорода сосредоточена в зоне ядра дислокаций, что способствует проявлениюлокального декогезионного эффекта и приводит к смещению равновесия скоплениядислокаций.а)б)Рисунок 1.9 - Механизмы водородного давления (а) и перенесения ДПВдислокацией с «оседанием» вокруг частиц второй фазы (б) [70, 77].На основе результатов экспериментов и обобщения литературных данныхгруппой авторов [70] была выдвинута еще одна модель водородного охрупчивания.В соответствии с ней процесс охрупчивания выглядит следующим образом.