Содержание к диссертации
Введение
1. СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖАРОСТОЙКИХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ В НАУШЕРОЖИВАВДИХ СРЕДАХ 8
1.1. Разрушение сварных соединений аустенитных сталей после длительного высокотемпературного нагрева в углеродосодержащих газовых средах 8
1.2. Жаростойкие аустенитные хромоникелевые стали. Особенности сварки 18
1.3. Процесс насыщения углеродом легированных сталей из газовой фазы 34
1.4. Выводы по р.1 46
2. НОВАЯ МЕТОДИКА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 48
2.1. Подготовка наплавленного металла 48
2.2. Исследование процесса науглероживания 48
2.3. Задачи исследования 58
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТНОГО НАСЫЩЕНИЯ
УГЛЕРОДОМ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ХРОМОНИКЕДЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ 60
3.1. Изменения в структуре и фазовом составе металла при насыщении углеродом 60
3.2. Закономерности процесса насыщения углеродом 74
3.3. Влияние легирующих элементов на процесс науглероживания 82
3.4. Выводы 95
4. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХРШОНИШЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕЗШЕРАТУРНОГО НАГРЕВА В УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ 97
4.1. Влияние науглероживания на механические свойства сталей и металла шва 97
4.2. Исследование структурных напряжений при науглероживании хромоникелевых аустенитных сталей 110
4.3. Исследование влияния науглероживания на образование остаточных напряжений 122
4.4. Выводы по р.4 142
5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АУСТЕНШНЫХ ХРОМОНИКЕШЫХ СМЕСЕЙ, РАБОТАЩИХ В ДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ 145
5.1. Электроды для сварки корневой части шва 145
5.2. Разработка электродов для сварки толстостенных конструкций 151
5.3. Исследование сварочно-технологических свойств электродов 155
5.4. Внедрение разработанных электродов при сварке оборудования для газовой цементации и пиролиза 164
5.5. Выводы по р.5 169
6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 174
ЛИТЕРАТУРА 177
- Разрушение сварных соединений аустенитных сталей после длительного высокотемпературного нагрева в углеродосодержащих газовых средах
- Изменения в структуре и фазовом составе металла при насыщении углеродом
- Влияние науглероживания на механические свойства сталей и металла шва
Введение к работе
В процессе эксплуатации при высоких температурах в углеро-досодержащих газовых средах наблюдается разрушение сварных конструкций электрических печей газовой цементации и трубчатых реакторов печей пиролиза углеводородов из жаростойких хромоникеле-вых аустенитных сталей. Повышение долговечности указанного оборудования возможно путем увеличения трещиноустойчивости сварных швов, наиболее уязвимых в условиях науглероживания вследствие присущих им структурных особенностей.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на базе выявленных закономерностей науглероживания наплавленного металла и его влияния на стойкость сварных соединений жаростойких хромо-никелевых сталей образованию трещин оптимизировать состав металла шва, разработать электроды и технологию сварки конструкций, предназначенных для длительной эксплуатации при высоких температурах в углеродосодержащих газовых средах.
Для достижения поставленной цели исследовано влияние легирующих элементов на процесс насыщения углеродом основного металла и металла шва и выявлены области составов, наиболее устойчивых против науглероживания при высоких температурах. С учетом влияния легирования на механические свойства и уровень напряжений (1-го и 2-го рода) оптимизирован состав наплавленного металла и разработаны электроды, обеспечивающие получение наплавленного металла этого состава.
Методы исследований включали современные методики анализа химического и фазового состава металла сварных соединений,включая рентгеноструктурный и микрорентгеноспектраль-
ный анализы с помощью установок УРС-50ИМ и микроанализатора м 44 "Намека", Ударную вязкость и энергию разрушения науглерожен-ного металла определяли с использованием маятникового копра pswo-SQ с записью диаграммы разрушения. Напряжения второго рода исследовали с помощью дифрактометра УРС-50ИМ. При разработке электродов использован метод математического планирования экспериментов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- закономерности изменения химического и фазового состава
аустенитного хромоникелевого металла в процессе насыщения угле
родом при высоких температурах из газовой фазы. Показано, что по
мере абсорбции вначале происходит насыщение углеродом аустенит-
ной составляющей структуры, а затем рост и образование новых вы
делений карбидов типа Me^Cg» Имеющиеся выделения -фазы при
этом распадаются. С ростом толщины слоя происходит дальнейшее
увеличение содержания углерода, главным образом, за счет увели
чения концентрации карбидов Me^Cg в структуре металла. Вслед
ствие связывания в карбиды, аустенит обедняется хромом, но обо
гащается никелем, кремнием, марганцем и железом. Постепенное
обеднение аустенита хромом приводит к скачкообразной смене ти
па карбидов в глубине слоя.
Карбиды ^23 распадаются; на их месте образуются карбиды типа Ме?С3 с более низкой концентрацией хрома и более высокой концентрацией углерода;
- эффект интенсивного торможения процесса науглероживания
металла на стадии адсорбции при совместном его легировании крем
нием (~2$) и марганцем ( ~6$), что связано с образованием на
поверхности металла защитной окисной пленки;
зависимость структурных напряжений (2-го рода) в аустенит-ном хромоникелевом металле от содержания никеля. При зтом величина этих напряжений существенно возрастает с увеличением скорости охлаждения после нагрева при температуре I223K, Показано,что образование науглероженного слоя приводит к формированию высокого уровня остаточных напряжений;
выявленная возможность - повышения ударной вязкости и энергии развития разрушения при легировании наплавленного металла 30,,.35$ /tf при содержании 20,,,25^ ^ ,
Практическая ценность работы заключается в оптимизации состава наплавленного металла и разработке электродов для выполнения корневого и основного сечений швов и технологии сварки конструкций из жаростойких хромоникелевых сталей, подвергающихся длительным нагревам в углеродосодержащих газовых средах (муфелей электропечей газовой цементации и трубчатых реакторов печей пиролиза установок получения этилена).
Диссертация выполнена на 200 с, и состоит из введения, пяти разделов,общих выводов по работе,включает 34 таблицы и 60 рисунков, В списке использованной литературы указаны 179 источников,
В разделе I обобщены данные о влиянии углеродосодержащих газовых сред на долговечность сварных конструкций из жаростойких хромоникелевых сталей. Обобщены вопросы свариваемости жаростойких хромоникелевых аустенитных сталей в зависимости от характера и уровня легирования; определены условия, обеспечивающие необходимый уровень технологической прочности этих сталей при сварке. Обобщены основные теоретические положения процесса насыщения углеродом низколегированных сталей из газовой фазы,
В разделе 2 изложены методика и задачи исследования.
Разрушение сварных соединений аустенитных сталей после длительного высокотемпературного нагрева в углеродосодержащих газовых средах
Реактор нагревается снаружи горелками, работающими на смеси воздуха с метано-водородной фракцией, возвращаемой после разделения пиро-газа. Температура труб на входе в реактор составляет 873К и ІІ73К - на выходе,
В процессе пиролиза на внутренние стенки реактора откладывается кокс. Удаление кокса производится путем продувки змеевика паровоздушной смесью при температуре стенок труб 773К. Затем печь нагревается до температуры отходящих газов равной 823К. Продувка прекращается при отсутствии окиси углерода в отходящих газах; печь охлаждается и производится контрольная опрессовка воздухом при давлении 5 атм«
Опыт эксплуатации на заводах синтетического спирта и химкомбинатах, где установлены печи пиролиза, свидетельствует о низкой стойкости труб из стали 20Х23НІ8, работающих в условиях науглероживания. После (5-Ю)«10s час, эксплуатации трубы выходят из строя вследствие образования трещин в основном металле и сварных швах, не имеющих определенной ориентации на поверхности труб. Было установлено, что трещины раскрываются внутрь трубы и возникают в имеющемся у внутренней поверхности науглероженном слое (рис,1,2), Содержание углерода в металле науглероженного слоя увеличивается до 2,8$ против исходного 0,15$ в трубах из стали 20X23HI8 /ПЗйЛ. При длительном воздействии углеродосодержащих газовых сред в структуре хромоникелевых сталей и сплавов образуется большое количество карбидов,
В работе /122/ показано, что углеродосодержащие атмосферы не являются защитными для жаростойких хромоникелевых аустенитных сталей 20Х25Н2002, 20X23HI8, 20XI8H35, хромистых сплавов типов I5X25T, 08Х23Ю5А и 08Х27Ю5А и С ЖЖІ Е хромоникелевых сплавов типа Х20Н80, ХІ5Н60ША и ХН70Ю Глубина окисления зависит от углеродного потенциала атмосферы и температуры. Значительное снижение глубины окисления по сравнению с нагревом на воздухе наблвдается при увеличении углеродного потенциала с 0,3...0,4 до 0,8..«О,9$. Дальнейшее повышение углеродного потенциала, например, до If3...1,5$ способствует увеличению глубины газовой коррозии и одновременному интенсивному науглероживанию металла.
При увеличении длительности воздействия углерод осодержащей газовой среды и возрастании углеродного потенциала газовой среды в структуре жаростойких сталей и сплавов увеличивается количество карбидов типа CzS36, г7з, и уменьшается содержание & -фазы. Процесс науглероживания сталей и сплавов сильно тормозится при наличии на поверхности металла окисной пленки, состоящей из окиси алюминия / « Полагают, что причиной выхода из строя деталей малого сечения (нагревателей, чехлов термопар), чаще всего является газовая коррозия, причем главную опасность представляет не общая, а локальная или язвенная коррозия. Например, при длительной работе сплава Х20Н80 в углеродосодержащей газовой среде наблюдается локальное разрушение металла, известное под названием "зеленая ржавчина" /161, 135/. Причиной разрушения в этом случае является интенсивное избирательное окисление хрома, протекающее с образованием окиси хрома С2 &з Окисление происходит преимущественно по границам зерен и распространяется в глубь металла. При окислении происходит перестройка кристаллической решетки металла в окисел, сопровождающаяся увеличением объема, что приводит к возникновению больших по величине напряжений и растрескиванию /31/. Отмечается также, что появление "зеленой ржавчины" предшествует интенсивное науглероживание металла.
class2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТНОГО НАСЫЩЕНИЯ
УГЛЕРОДОМ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ХРОМОНИКЕДЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ class2
Изменения в структуре и фазовом составе металла при насыщении углеродом
Исследования проведены на образцах из наплавленного металла и проката, содержащем 0,06...0,17 ,С, I9..v24# z , 10...36 / / , 0,1.-..6,5% S! , I. .v6$ fifn , В наплавленном металле типа 20X23HI8 дополнительно введен алюминий в количестве 0,04...7% (табл.-З.Т).
Наибольшая стойкость против науглероживания была установлена у наплавленного металла типа І0Х20НІСЕГ6С2. После длительного нагрева в углеродосодержащей газовой среде в образцах из указанного металла не наблюдали образования диффузионного слоя. По всему сечению образца просматривается двухфазная структура /{ + & ; Вблизи поверхностного слоя количество в -фазы несколько меньше, (рис.3.1). В то же время в наплавленном металле такого же типа, но с меньшим содержанием кремния (1,5$), образуется тонкий диффузионный слой в виде отдельных пятен на глубине до 0,18 мм. В структуре науглероженного слоя присутствуют карбиды угловатой формы, в остальном металле обнаружена (э -фаза.
С понижением содержания кремния интенсивность науглероживания увеличивается, о чем свидетельствуют результаты испытаний металла типа ІОХ20НІОГ6С (0,8% S/ ). Глубина науглероженного слоя достигает 1,26 мм. У поверхности структура металла содержит большое количество карбидов, внутри которых видны "островки" аустенита. По мере продвижения в тлубь количество карбидных выделений уменьшается.
Влияние науглероживания на механические свойства сталей и металла шва
Данные испытаний, приведенные в табл.4fI, показывают, что науглероживание приводит к снижению прочности и пластичности хро-моникелевых сталей. Науглероживание можно снизить, если увеличить содержание никеля в стали с 9...13 до 18...32$. Это приводит к заметному повышению пластичности. Свойства металла диффузионного слоя более подробно были изучены на стали 20X23HI8.
В соответствии с рис.4.1 отрицательное влияние углерода на прочность стали 20X23HI8 сказывается практически при всех исследованных температурах. Лишь при ІГ73К значения ( стали в исходном состоянии и после нагрева в цементационной печи сближаются по величине. Относительное удлинение в состоянии поставки с повышением температуры до 973К понижается от 50$ до 20$, а затем резко возрастает. Науглероживание уменьшает пластичность при нормальной температуре до 8$. С повышением температуры до 973К пластичность металла в диффузионном слое незначительно увеличивается, достигая высоких значений лишь при II73K.
При испытаниях на изгиб разрушение науглероженных образцов из сталей I2XI8HI0T и I0XI7HI3M2T происходит в упругой области хрупко без пластической деформации при загибе на угол 30...40. В то же время при испытаниях науглероженных образцов из сталей 20X23HI8 и I0X20H32T их разрушение не наблюдается даже при изгибе на 180, Попытка уменьшить хрупкость металла науглероженных образцов сталей I2XI8HI0T и I0XI7HI3M2T термообработкой не привела
