Способ восстановления механических свойств стальных конструкций

 

Изобретение относится к способам термической обработки стальных изделий типа сосудов давления, химических реакторов, подводящих трубопроводов, эксплуатируемых при высоком внутреннем давлении и повышенных температурах ниже области активной ползучести, и может быть использовано для повышения их надежности и долговечности. Цель - повышение надежности за счет стабилизации скрытых дефектов при повышении механических свойств эксплуатированного металла и расширение номенклатуры обрабатываемых конструкций. Изделие нагревают до 400-500°С за счет подачи нагретой рабочей среды. Рабочая среда подается под рабочим давлением. 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 21 D 1/78, 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 4358078/31-02 (22) 04.01.88 (46) 15.09.89. Бюл. № 34 (i1) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР (72) Ю.П,Сурков, В.Г.Рыбалко, О.М.Соколова, Т,С.Сычева и С.Ф.Бахтеев (53) 621.785(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1270174, кл. С 21 D 9/08, 1986. (54) СПОСОБ BOCCTAHOBJIEHHH NEXAHHЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (57) Изобретение относится к способам термической обработки стальных

Изобретение относится к способам термической обработки стальных изделий типа сосудов давления, химических реакторов, подводящих трубопроводов, эксплуатируемых при высоком внутреннем давлении и повышенных температурах ниже области активной ползучести, и может быть использовано для повьппения их надежности и долговечности.

Цель изобретения — повышение надежности за счет стабилизации скрытых дефектов при повышении механических свойств эксплуатированного металла и расширение номенклатуры обрабатываемых конструкций.

Цель достигается тем, что в способе восстановления работающих стальных конструкций, при котором осуществляют нагрев конструкции до температур, превьппающих рабочую, с использованием рабочей среды, выдержку и охлаждение, „„SU„„1507816 А 1

2 изделий типа сосудов давления, химических реакторов, подводящих трубо— проводов, эксплуатируемых при высоком внутреннем давлении и повышенных температурах ниже области активной ползучес и, и может быть использовано для повьш)ения их надежности и долговечности. Цель — повышение надежности за счет стабилизации скрытых дефектов при повышении механических свойств эксплуатированного металла и расширение номенклатуры обрабатывае— мых конструкций. Изделие нагревают о до 400-500 С за счет подачи нагретой рабочей среды. Рабочая среда подается. под рабочим давлением. 5 табл ° нагрев проводят при 400-500 С, при этом рабочую среду подают под рабочим .— . давлением.

Изобретение иллюстрируется следуlaesk ющими конкретными примерамн.

Примеры осуществления предлагаемого способа относятся к термической обработке материалов химической аппа- 3 ратуры (трубопроводов и корпусов QQ теплообменных аппаратов), IeawL

Пример 1. Проводили термическую обработку образцов стали

ЗОХ2Н2М, вырезанных из колена реакторного трубопровода установки "Полимир-50" после 50 тыс. ч эксплуатации при рабочем давлении 26 МПа о и рабочей температуре 250 С в среде этилена (с продуктами полимеризации).

Образцы для механических испытаний на статический и циклический изгиб

816

3 l 507 (ГОСТ 9454-76) изготавливали путем механической резки; при этом плоскость надреза была ориентирована так, чтобы обеспечить совпадение направления роста трещины при испытании образца с направлением возможного развития разрушения в стенке трубопровода в процессе эксплуатации.

Восстановительную обрасотку образцов проводят путем их нагрева до

300, 400, 500 и 550 С под напряжением, соответствующим напряжениям в трубопроводе при рабочем давлении, и под давлением, соответствующим 15

0,65 от рабочего по способу-прототипу (путем "заневоливания" образцов в струбцинах). Время выдержки при восстановительном отпуске образцов составляло 8 ч, после чего образцы 20 охлаждали со средней скоростью

1 град/мин, При испытании образцов на статический изгиб определяли напряжение разрушения и характеристики плас- 25 тичности — величина прогиба на стадиях до зарождения и развития трещины.

Циклические испытания были выполнены путем знакопеременного нагружения образцов с постоянной скоростью при 30 частоте 5 циклов/мин, максимальном растягивающем напряжении 1050 МПа (около 0,7 от условного предела текучести) и коэффициенте асимметрии цикла 1,56. При этом, учитывая наличие охлаждающей воды и возможность ее влияния на повреждаемость реакторного трубопровода, испытания были выполнены в присутствии промышленной воды. 40

Результаты испытаний приведены в табл. 1, Как видно из данных табл. 1, проведение восстановительного отпуска при 400 и 500 С существенно повышает (на 20-503) характеристики пластичности эксплуатировайного материала, приближая их к характеристикам неэксплуатированного материала. Снижение температуры отпуска до

300 С не приводит к улучшению механических свойств. Повышение темперао туры отпуска более 500 С приводит к снижению предела текучести (.на 107 о после отпуска при 550 С, соответствующего режиму прототипа) и по этой причине является неприемлемым. Кроме о того, нагрев выше 500 С рабочей среды (реакционной смеси на основе этилен .) создает снасность е . ния и является по этой при 1fi:.iå . :„:а:— тически непpHeìëeìüïi Псскслье,. ма I p риал трубопровода в процессе эксплуатации может подвергаться корр. .-.ионному действию воды, в первую очередь, определяющему развитие повреждаемости, были выполнены оценки влияния отпуска на электрсхимические характеристики стали в воде путем определения потенциала питтингообразования (соответствующего плотности тока

0,01 мЛ/см ). Результаты испытания

21 (табл, 1) показывают, что отпуск в предлагаемом интервале температур улучшает коррозиснную стойкость материала„Отпуск образцов при темперао турах выше 500 С приводит к смещению потенциала питтингообразования в область отрицательных значений, т.е. усиливает коррозионное действие среды, и по этой причине также является неприемлемым.

Испытания образцов в условиях циклического нагружения показали благоприятное влияние предлагаемого спо-соба восстановления на сопротивление материала усталостному разрушению: о после отпуска при 500 С число циклов до зарождения трещины возросло сс

150 до 1200; при повышении числа циклов дс разрушения с 500 до 2300. При этом средняя скорость развития трещин в образцах снизилась с 5,4 дс

3,2 мкм/цикл . Таким образом, отпуск по предлагаемому режиму улучшает ме— ханические свойства. эксплуатированного металла при статическом и циклическом характере нагружения °

Пример 2, Из стенки демонтированного теплообменника (сталь

20 К) линии синтеза аммиака, эксплуатировавшегося в течение 8 тыс. ч при рабочей температуре стенки 240 С и рабочем давлении синтез-газа 32 МПа, были изготовлены образцы (ГОСТ 945476) для испытаний на статический изгиб, Образцы подвергали восстановительному отпуску по предлагаемому режиму, а также по режиму прототипа, Как и в примере 1, напряжение в процессе отпуска, имитировавшее давление рабочей среды, создавалось "заневоливанием" образцов. Отпуск проводили в течение 8 ч, после чего образ-. цы охлаждали со скоростью 1 град/мин, Результаты испытаний приведены в табл. 2

1507816

Иэ данных табл. 2 видно, что отпуск при температуре 300 C (ниже заявляемого интервала) не вызывает изменения механических свойств эксплуатированного металла. Отпуск по рекомендованному режиму (400500 С) приводит к улучшению характеристик прочности на 5-10 ., пластичности до зарождения трещины на 4060%, пластичности на стадии развития трещины на 30-45, работы развития трещины более, чем на 23%. Повышение температуры отпуска выше предлагаемого интервала, т.е. нагрев рабочей о среды синтез-газа) выше 500 С, вызывает ее разложение с образованием атомарноro водорода, охрупчивающего сталь, т.е, является недопустимым с учетом конкретной используемой рабочей среды.

Пример 3. Проводили восстановительную обработку образцов из стали 20, вырезанных из демонтированного гнутого участка "горячего" трубопровода газа линии синтеза аммиака, зксплуатировавшегося 160 тыс.ч. о при рабочей температуре 245 С и рабочем давлении 15 MTIa. Образцы для

:механических испытаний на сосредоточенный изгиб при статическом и циклическом нагружении имели сечение

8 10 мм, при этом на части образцов был нанесен концентратор — надрез

2 2 мм, а часть образцов испытывали в состоянии с сохраненной рабочей поверхностью.

Термическую обработку "заневоленных" образцов (для создания в образцах напряжений, соответствующих напряжениям в трубопроводе при рабочем давлении) проводили путем их нагрева до температур 300,400,500, 520 С в атмосфере печи, выдержки в течение 8 ч и последующего охлаждения со скоростью 1 град/мин. По результатам статических испытаний определяли характеристики прочности, пластичности и сопротивления разрушению материала (работа зарождения и распространения трещины). Циклические испытания проводили при уровне максимальных напряжений, равном 0,9 от напряжения начала течения, с частотой 1 Гц и коэффициентом асимметрии 0,05.

Данные по проведенным статическим и циклическим испытаниям сведены в табл. 3.

5

Кяк видно из данны>: тя л..3, термическая oF>рябо тк я в интервале 400о

500 С существенно улучшает свойства материала, величина работы до зярож дения трещины увеличивается í=l 2535, работы развития трещины ня

5-40, циклическая долговелпость ня

200 ..

Понижение темперятурь восстановительного отпуска до 300 С, т.е. ниже заявленного интервала темпераTvp резко снижает эффективность восстановительной обработки. Повьяцение темпео ратуры восгтановления до 520 С, т.е. выше заявленного интервала (по способу-прототипу), недопустимо вследствие разложения рабочей среды (синтез-газ), используемой в качестве источника нагрева.

Обоснованность использования при восстановительной обработке н качестве источника нагрева среды под рабочим давле ;ем проверяли при циклическом испытании обрязпов с предварительно выращенной устялостной трещиной длиной 1 мм. Восстановительную обработку таких образцов производили о при 500 С и ненапряженном состоянии, а также при напряжениях, соответст— вующих рабочей на грузке трубопровода, и 0,7 от уровня рабочей нагрузки (по способу прототипа), Затем в циклических испытаниях оценивали скорость развития трещины ня величине ее прироста 0,2 мм.

Результаты оценки приведены в табл. 4.

Данные табл. 4 показали, что приложение рабочей нагрузки в процессе восстановительного отпуска стабилизирует имеющиеся дефекты (в данном случае трещины), снижая скорость развития трещины по сравнению с прототипом в 7 раз.

Пример 4. Проводили термическую обработку образцов стали 22 К, вырезанных из стенки демонтированного коллектора пароперегревателя после 112 тыс. ч. эксплуатации при рао бочей температуре 230 С и рабочем давлении 20 ИПа. Образцы, изготовленные согласно ГОСТУ 9454-76, подвергали термической обработке в "заневоленном состоянии под напряжением, соответствующем рабочему давлению (аналогично приведенным вьш е прил.ео рам), при температуре 400 и 500 С

1507816 выдерживали 8 ч, затем охлаждали со скоростью 1 град/мин. Для получения

I сравнительных данных часть образцов была отпущена при 350 С (при рабочем давлении 20 MIIa) и при 510 С (при давлении 0,65 от рабочего), т,е. ниже и вьшге заявляемого интервала (при давления 0,65 от рабочего,. После испытаний н» статический изгиб были оп10 ределены напряжения начала течения, напряжение разрушения, характеристики пластичности при зарождении и развитии трещины, а также величина работы разpymeния, 15

Результаты испытаний приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 видно, что проведение восстановительной обработки при 400-500 С повышает предел прочности эксплуатированногo материала на 8-20Х, характеристики пластичности на 35-50Х, величину работы разру— шения на 30-357.

Проведение отпуска при пониженной 25 температуре (350 С) не дает положи— о тельного эффекта вследствие недостаточной интенсивности развития релаксационных процессов (близость температуры отпуска и температуры эксплу- 30 атации). Повышение температуры отпуска вьппе 500 С недопустимо из-за снижения коррозионной стойкости стали (см. смещение потенциала питтингообразования, пример. 1).

35 Ъ

Пример 5. Проводили термическую обработку образцов стали 22 К вырезанных из стенки барабана после

102 тыс.ч. эксплуатации при близких температурах, восстановительной об- 40 работки (500 С по предлагаемому и

510 С по прототипу). При этом уровень напряжений образцов, обрабатываемых по предлагаемому способу, соответствовал рабочему давлению

20 МПа, а для образцов по способупрототипу — 0,75 от рабочего давления.

После обработки по предлагаемому способу: 6 „, = 650 МПа; 5> = 2000 МПа;

f 6 мм; KCV = 11,7 мДж/м

После обработки по способу-прототипу: 6„, =- 650 МПа; бв = 2000 МПа; 6 мм; KCV = 11,9 мДж/м

Полученные результаты показывают, 55 что для объектов типа паровых котлов и сравниваемых режимов обрабо гки г .rJl нота восстановления механических свойств по предлагаемому способу и способу-прототипу практически совпадают.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру обрабатываемых конструкций: от сосудов давления до подводящих трубопроводов, включая конструкции с рабочей .средой, отличной от водяного пара, температура нагрева ко;орых в процессе восстановительных обработок о находится в пределах 400-500 С; повысить надежность за счет стабилизации скрытых дефектов при повышении механических свойств эксплуатированного металла; направленно воздействовать на наиболее напряженные места конструкции, а также стабилизировать имеющиеся дефекты, поскольку

"восстановление механических свойств эксплуатированного металла происходит, прежде всего, для участков металла, обладающих наиболее низкими характеристиками пластичности, а также в местах концентрации напряжений.

Предложенный способ по сравнению с базовым объектом обеспечивает "восстановление механических свойств работающей конструкции простым и экономичным способом, что позволяет проводить предлагаемую термическую обработку конструкции без дополнительного монтажа нагревательных устройств и в.периоды плановых ревизий.

Ф о р м у л а изобретения

Способ восстановления механических свойств стальных конструкций, преимущественно полых, работающих под давлением, включающий нагрев с использованием рабочей среды, выдержку и охлаждение, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьппения надежности эа счет стабилизации скрытых дефектов при повышения механических свойств эксплуатированного металла и расширения номенклатуры обрабатываемых конструкций, нагрев осуществляют при 400-500 С, при этом рабочую среду подают под рабочим давлением.

1507816 аблица!!!икличеcкая долговечность

Термическая обработка

Срок эксплуМеханические свойства

f ПотенР1

Средняь скорост,: роста трея!ии, ики/и .

Температура, С

Gïð у

МПа

Число пикиов

Давление, МПа

Число

i:ëêëîâ

:-,о ра зрук1ения атации, тыс.ч, ии циал до по явления питтингообра-. зоваиия, ь трещины

1700 2500 2,7 3,7

-0,26

-0,25

-0,24

-О, 24

-0„.24

-О, 29

2,! 2

2,0 2

2,5 3

2,7 3

3,0 3

2,8 3

150

500

5,4

26 (рабочее) 50

1200 2400. 3,2

Прототип

17 (0,65 рабоч,) о нагрев вьле 500 С неосуществим, вследствие разлоьеиия среды (зтилен+полиэтилен), используеыой в к".÷åñòz.å источник а H". ãðåí z

510-8 ч

Таблииа2

Механические свойства

Термическая обработка

NIa

1 а

ИПа

Температура, Давление, MIIa

1 .Я5

;,!,I!z;/; !

Р z мм

Без обработки

350-8 ч

400-8 ч

О,. 65

0,70

0 84

620 1250 38 4,3

620 1260 4,0 4, 8

620 13i0 5 4 6 (не

610 1350 5„8 )6 (не о10 .360 6,1 >о

/,не

32 (рабочее) разр !

0,90

440-8 ч.

500-8 ч разр,) 0.94 р-" з -Р * ) Про то тип

510-8 ч

21 (0,65 рабочего) Нагрев допустим вследствие разло!кения среды (синтез-rasa), используемой в качестве источника нагрева

lа.".лица3

Механические свойства

Термическая обработка

Число циклов до появления

Вид образцов

Давление МПа

1 кс, к., z иДк/и «1L+/ы

Gsз

NIIa

Температура, С трещин, тыс. циклов

1040 3,9

1050 3,8

1100 4,9

1090 5,0 !

080 5,2

1080 5,3

С надрезои

15 (рабочее) 58

5о

Беэ обработки

Без обработки

300-8 ч

400-8 ч

450-8 ч

500-8 ч

550-8 ч

Без обработки

300 — 8 ч

400 — 8 ч

450 — 8 ч

500 — 8 ч

520 — 8 ч

1650 2210

1650 2250

1660 2300

1670 ?350

1690 2450

1520 2350

460,3 ,3 ,О ,3 ,5 ,4

0,6

0 5

0,4

0,6

0,8

0,9

0,57

0,62

0 75 (не разр.!

0,70 (не разп,)

)0,70 (не р-.çð, ) 0,38 0,07

0,39 0,06

0,47 0,05

0,49 0,07

0,50 0,10

0,51 0,10

1507816

Йродолжение таб- ..

Механические свойства

Термическая обработка

Число циклов

Вид образцов ()s

МПа

МПа г мм

Давление, МПа

Гр, мм

КС, мДж/м

Кср, мДж/м

Температура, ОС до появления трещин,, тыс. циклов

Без надреза

15 (рабочее) 10 (0,65 рабочего) Таблица 4

Термическая обработка

Скорость роста усталостной

Температура, Давление, С МПа трещины, мм/циклы

Без обработки

500

2,1 10

2 0 10

0,2 ° 10

Прототип

510

1,5 10

Та блица 5

Термическая обработка

Механические свойства

Давление, МПа 6,„, МПа Е fbi р, МПа мм мм

Температура, С

КС,, мДж/м

630 1400 2,8 0,2 0,75

630 1400 2,7 0,3 0,75

630 1500 3,2 1,0 0,87

630 1600 4,0 ),4 0.,92

640 1700 4,4 l 8 l 00

Недопустим вследствие снижения коррозионной стойкости стали

20 (рабочее) )3 (0,65 рабочего) Составитель А, Стадников

Техред М.)(оданич КоРРектоР C°, .)JlezMaD

Редактор И. Киштулинец

Заказ 5520/31 Тираж 530 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

lI il

Производственно-издательский комбинат Патент, г.ужгород, ул. Гагарина, 101

Без обработки

300 — 8 ч

400 — 8 ч

450 — 8 ч

500 — 8 ч

520 — 8 ч

Прототип

510 — 8 ч

Без обработки

350 — 8 ч

400 — 8 ч

440 — 8 ч

500 — 8 ч

Прототип

5I0 — 8 ч

490 1200

490 1200

480 )240

490 1240.

490 1230

490 1230

Нагрев вьппе

Атмосферное

15 (рабочее)

l0 (0,65 рабочего) 5,9

7,0

8,3

8,5

8,8

8,9

500 С

1,3 0,97

0,9 0,99

1,0 1 32

l,0 1,33

1,0 1,33

1,1 1,34 недопустим

0,16

0 16

0,15

0,)6

0,17

О, 18 (см.пример 2)