Введение к работе
Обеспечение надежности и долговечности ответственных металлических конструкций, таких как кожуха доменных печей (ДП) и воздухонагревателей (ВН), корпуса кислородных конвертеров и миксеров, рамные металлоконструкции промышленных зданий, является важной задачей в техническом, экономическом и экологическом аспектах. Длительная и надежная эксплуатация таких ответственных конструкций и оборудования требует решения ряда вопросов, связанных с изучением природы и закономерностей процессов, протекающих в материале сварных конструкций под воздействием эксплуатационных факторов, разработки и совершенствования методов достоверной оценки технического состояния оборудования и внедрения мероприятий по продлению ресурса его безопасной эксплуатации.
Особую актуальность этой проблеме придает известный факт, что основные производственные фонды России устарели, однако продолжают эксплуатироваться.
В процессе эксплуатации сварные металлоконструкции испытывают длительное воздействие нагрузок, температуры и среды, в результате чего происходит деградация их служебных свойств. Снижение свойств материла под воздействием эксплуатационных факторов может привести к достижению предельного состояния и, как следствие, к трещинообра-зованию или разрушению конструкций. Известно, что одним из наиболее опасных видов повреждений термоулучшенных сталей в условиях их длительной эксплуатации при повышенных температурах является тепловая хрупкость (ТХ). Однако, насколько механизм развития ТХ действует в сталях с ферритно-перлитной структурой, остается до сих пор не ясным. Отсутствует также достоверная информация о влиянии деградации металла сварных соединений в процессе эксплуатации на характеристики трещиностойкости (вязкость разрушения и величину критического раскрытия трещины).
В связи с этим проблема определения остаточного ресурса сварных конструкций и оборудования настоятельно выдвигает задачу уточнения фактических механических свойств металла конструкций и их сварных соединений (в том числе сопротивления хрупкому разрушению) под воздействием эксплуатационных факторов и задачу надежного прогноза изменения характеристик трещиностойкости во времени.
Все это подтверждает актуальность темы работы и определяет ее цель и задачи.
Цель работы: повышение надежности сварных листовых футерованных конструкций. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
провести систематические обследования сварных соединений кожухов ДП, ВН, конвертеров, миксеров, рамных строительных конструкций и т.п., эксплуатируемых в условиях стационарного и нестационарного воздействия повышенных (250-550С) температур с целью установления причин хрупкого трещинообразования;
исследовать влияние теплового охрупчивания на характеристики статической трещиностойкости Кс (Кіс) и 6С (8|С) сварных соединений ферритно-перлитных сталей;
разработать и внедрить методы диагностирования степени повреждения (охрупчивания) металла сварных соединений металлоконструкций на малых пробах, не требующих проведения последующего ремонта;
разработать и внедрить сталь для кожухов ДП с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию;
разработать методологические основы оценки технического состояния и на этой основе остаточного ресурса конструкций и оборудования с учетом изменения характеристик трещиностойкости при повышенных (250-550С) температурах эксплуатации.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые установлено, что причиной хрупкого трещинообразования кожухов доменных печей и воздухонагревателей, корпусов кислородных конвертеров и других футерованных конструкций, выполненных из ферритно-перлитных сталей, является развитие в них процессов тепловой хрупкости, приводящих к снижению характеристик трещиностойкости.
Предложен механизм развития тепловой хрупкости в ферритно-перлитных сталях при эксплуатации их в сварных футерованных конструкциях при повышенных температурах, заключающийся в одновременном протекании двух процессов: сегрегации вредных примесей типа фосфора по границам зерен и изменении размера и выделением по этим границам критической плотности карбидов.
На основе систематических исследований влияния длительности и температуры выдержки на характеристики сопротивления хрупкому разрушению и фрактографические особенности разрушения сварных соединений СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 10ХСНД, 09Г2С, 12Г2МФТ разработан метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций, учитывающий развитие в них повреждаемости по механизму ТХ. Основные положения этого метода включены в РД 11-288-99.
На основе установленных закономерностей изменения характеристик трещиностойкости Кс (Кіс) и 5С (біс) при тепловой хрупкости предложен метод расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций, учитывающий деградацию механических свойств сварных соединений под воздействием эксплуатационных факторов.
В металле кожуха доменной печи после длительной эксплуатации выявлено наличие зернограничной сегрегации фосфора, обусловливающей охрупчивание стали.
Для кожухов доменных печей разработана и внедрена свариваемая сталь 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию.
7. Установлена линейная зависимость между приростом критической температуры
хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупких изломах образцов, ко
торая легла в основу метода определения повреждаемости (охрупчивания) металла сварных
соединений конструкций на малых пробах, не требующего последующего ремонта (патент
РФ №1249388.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты систематических обследований сварных футерованных конструкций и
исследований металла их сварных соединений в условиях длительного воздействия повышенных температур, позволившие установить причину их хрупкого трещинообразования.
2. Разработка научных положений и на их основе комплекса мероприятий по повы
шению надежности сварных футерованных конструкций, включающего разработ
ку и внедрение:
ферритно-перлитной стали 09Г2МФБ с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию для кожухов ДП;
метода оценки степени теплового охрупчивания конструкций с использованием микропроб,
введение в практику оценки технического состояния конструкций определения степени охрупчивания и учет при оценке остаточного ресурса изменения характеристик трещиностойкости под воздействием эксплуатационных факторов.
3. Метод диагностики технического состояния сварных футерованных конструкций,
основанный на установленной линейной связи между увеличением в хрупких зо
нах изломов доли межзеренного разрушения и степени охрупчивания ферритно-
перлитных сталей в условиях длительного воздействия повышенных (250 + 500С) температур.
Методика оценки на малых пробах степени повреждаемости металла и технического состояния металлоконструкций, подвергаемых длительному воздействию повышенных температур и агрессивных сред.
Закономерности влияния зернограничного охрупчивания на характеристики тре-щиностойкости конструкционных сталей, подвергнутых длительному воздействию повышенных (250 -г- 500С) запроектных температур эксплуатации, учет которых обеспечивает надежную основу расчета остаточного ресурса сварных футерованных конструкций.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
1. На базе выявленной линейной зависимости между приростом критической темпера
туры хрупкости и увеличением доли межзеренного разрушения в хрупком изломе разрабо
тан фрактографический метод диагностирования степени повреждения (охрупчивания) ме
талла сварных соединений конструкций, эксплуатируемых при повышенных температурах,
на малых пробах, не требующий проведения последующего ремонта (патент № 1249388).
Указанный метод использован при оценке технического состояния и определении остаточного ресурса кожухов ВЫ СП АК "ТУЛАЧЕРМЕТ" и ОАО «Косогорский металлургический завод», корпусов миксеров, конвертеров, кожухов ВН и ДП и дуговых сталеплавильных печей ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" (г. Череповец), при определении степени теплового охрупчивания металла в кожухах ДП ММК (г. Магнитогорск) и НТМК (г. Нижний Тагил), а также сосудов и аппаратов ОАО "НОРСИ" (г. Кетово, более 500 ед.), ПО "НАФТАН" (г. Новополоцк, более 200 ед.).
Метод фрактографического определения степени охрупчивания сталей за счет ослабления границ зерен вошел составной частью в нормативные документы РД 03-421-01, РД 03-380-00 и РД 03-401-00.
Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технического документа РД-11-288-99, регламентирующего последовательность и объем работ, выполняемых при обследовании кожухов ДП и ВН.
Разработан способ ремонта кожухов ДП и ВН, испытавших охрупчивание, с использованием восстановительной термообработки мест разделки трещин до проведения сварки (патент по заявке №92002260/02).
Разработана (совместно с ЦНИИЧМ и НТМК) низколегированная толстолистовая сталь 09Г2МФБ для кожухов ДП большого объема с повышенным сопротивлением тепловому охрупчиванию, обеспечивающая их продолжительную кампанию. В условиях НТМК проведена выплавка, прокатка и термообработка стали в толщинах 60 и 100 мм. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 14-1-4473-88 "Сталь листовая для кожухов ДП марки 09Г2МФБ. Опытная партия". Сталь 09Г2МФБ применена в кожухах трех ДП НТМК.
Результаты исследования склонности к ТХ сварных соединений использованы при выборе режимов сварки стали 10Х2ГНМ для ректоров гидрокрекинга нефти.
Результаты исследований внедрены в РД 26.260.16-2002 в части расчетной оценки сопротивления хрупкому разрушению при выявлении трешиноподобных дефектов и оценки склонности металла конструктивных элементов к хрупкому разрушению.
Результаты обследования по определению степени охрупчивания металла сварных кожухов ДП№5 ОАО «Северсталь» и ДП№5 ОАО «НЛМК» использованы при уточнении участков кожухов, подлежащих замене при проведении капитальных ремонтов.
На основе моделирования влияния состояния теплового охрупчивания на характеристики трещиностойкости ферритно-перлитной стали 16Г2АФ выполнен расчет срока воз-
можной эксплуатации кожуха ДП №5 ОАО «Северсталь» после ремонта с заменой части кожуха.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на VIII и IX научно-технических совещаниях по тепловой микроскопии "Структура и прочность металлических материалов в широком диапазоне температур" (Москва, 1978 г. и Фрунзе, 1980 г.); на IV Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1980 г.); на VIII Всесоюзной конференции по усталости металлов (Москва, 1982 г.); на совместном заседании Научно-методической комиссии по стандартизации в области фрактографии (секция "Расчеты и испытания на прочность НТС Госстандарта) и секции "Физические методы исследования" научного Совета АН СССР (Москва, 1982 г.); на Всесоюзных научно-технических конференциях "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов", Ижевск, 1984 и 1988 г.г.); на 5-ой Украинской конференции по металлическим конструкциям (Киев, 1992 г.); на II и III Международных конгрессах"Защита-95" и "Защита98" (Москва, 1995 и 1998 г.г).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ, получено 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, библиографического списка из 118 наименований, приложения с результатами внедрения. Работа изложена на 151 страницах, включающих рисунков и Оогаблиц.
Похожие диссертации на Повышение надежности сварных листовых футерованных конструкций
