Способ восстановления механических свойств стальных конструкций Советский патент 1989 года по МПК C21D1/78 C21D9/08 

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 изобретения - повышение надежности за счет стабилизации скрытых дефектов при повышении механичес- ких 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, превышающих рабочую, с использованием рабочей среды, выдержку и охлаждение,

нагрев проводят при 400-500°С, при этом рабочую среду подают под рабочим давлением.

Изобретение иллюстрируется следующими конкретными примерами.

Примеры осуществления предлагаемого способа относятся к термической обработке материалов химической аппаратуры tтрубопроводов и корпусов теплообменных аппаратов).

Пример 1 Проводили термическую обработку образцов стали ЗОХ2Н2М, вырезанных из колена реакторного трубопровода установки По- лимир-50 после 50 тыс. ч эксплуатации при рабочем давлении 26 МПа к рабочей температуре 250 С в среде этилена (с продуктами полиь еризации). Образцы для механических испытаний на статический и циклический изгиб

( о

00

««А

о:

1

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

Восстановительную обработку об- разцов проводят путем их нагрева до 300, 400, 500 и 550°С под напряжением, соответствуюр|;им напряжениям в трубопроводе при рабочем давлении, и под давлением, соответствующим 0,65 от рабочего по способу-протот;ипу (путем заневоливания образцов в струбцинах). Время выдержки при вос- ста новительном отпуске образцов составляло 8 ч, после чего образцы охлаждали со средней скоростью 1 град/мин.

При испытании образцов на статический изгиб определяли напряжение

разр тпения и характеристики пластичности - величина прогиба на стадиях до зарождения и развития трещины. Циклические испытания были выполнены путем знакопеременного нагружения образцов с постоянной скоростью при 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 на- личие охлаждающей воды и возможность ее влияния на повреждаемость реакторного трубопровода, испытания были выполнены в присутствии промышленной воды,

Результаты испытаний приведены в табл. 1 с

Как видно из данных табл. 1, проведение восстановительного отпуска при 400 и 500°С существенно повышает (на 20-50%) характеристики пластичности эксплуатированного материала, приближая их к характеристикам неэксплуатированного материала. Снижение температуры отпуска до 300°С не приводит к улучщению механических свойств. Повышение температуры отпуска более 500°С приводит к снижению предела текучести (на 10% после отпуска при 550 С, соответствующего режиму прототипа) и по этой причине является неприемлемым. Кроме того, нагрев выше 500°С рабочей средь: (реакционной смеси на основе эти

д 5 0

5

0 5 0

5

164

.лена) создает опасность е. р;. эл :,.::,ч, ния и является по этой причине ггрлк- тически неприемлемым. Поскольку материал трубопровода в процессе эксплуатации может подвергаться корротион- ному действию воды, в первую очередь, определяющему развитие повреждаемости, были выполнены оценки влияния отпуска на электрохимические характеристики стали в воде путем определения потенциала питтингообразования . ( соответствутоп,его плотности тока 0,01 мЛ/см ). Результаты испытания (табл. 1) показывают, что отпуск в предлагаемом интервале температур улучщает коррозионную стойкость материала. Отпуск образцов при температурах 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 способа восстановления на сопротивление материала усталостному разрушению: после отпуска при 500 С число циклов - до зарождения трещинь возросло со 150 до 1200; при повышении числа циклов до разрушения с 500 до 2. При этом средняя скорость развития трешин в образцах снизилась с 5,4 до 3,2 мкм/цикл. Таким образом, отпуск по предлагаемому режиму улучшает механические свойства, зксплуатирован- ного 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 МПаs были изготовлены образцы (ГОСТ 9454- 76) 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 за- неволиванием образцов. Отпуск проводили в течение В-ч, после чего образцы охлаждали со скоростью 1 град/мин. . Результаты испытаний приведены в табл. 2

5

Из данных табл. 2 видно, что отпуск при температуре (ниже заявляемот о интервала) не вызывает изменения механических свойст эксплуатированного металла. Отпуск по рекомендованному режиму (ДОО- 500°С) приводит к улучшегию характеристик прочности на 5-10%, пластичности до зарождения трещины на 40- 60%, 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 среды (синтез-газа) выше 500°С, вызывает ее разложение с образованием атомарного водорода, охрупчивающего с.таль, т.е. является недопустимым с учетом конкретной используемой рабочей средыо

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

механических испытаний на сосредоточенный изгиб при статическом и циклическом нагружении имели сечение мм, при этом на части образцов был нанесен концентратор - надрез

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

Термическую обработку заневолен- ных 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 асиммет- 0,05.,

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

5()7Н16fКак видно из дшшык т;)бл. 3, термическая обрпбсп ка п интеррс1ле 400- 500 С существенно улучшает CBinicTH.-i материала, величина работы до зарождения трещины упрличипается на 25- 35%, работы развития трещины на 5-40%, циклическая долговечность на 200%.

10 Понижение температуры восстановительного отпуска до , т.е. ниже заявленното интервала температур, резко снижает эффективность восстановительной обработки. Повыгаение темпе15 ратуры восстановления до 520°С, т.е. вьппе заявленного интервала (по способу-прототипу), недопустимо вследствие разложения рабочей среды (синтез-газ), используемой в качестве

20 источника нагрева.

Обоснованность исггользования при восстановительной обработке в качестве источника нагрева среды под рабочим давлением проверяли при цикли25 ческом испытании образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной длиной 1 мм. Восстановительную обработку таких образцов производили при 500 С и ненапряженном состоянии,

30 а также при напряжениях, соответствующих рабочей нагрузке трубопровода, и 0,7 от уровня рабочей нагрузки (по способу прототипа). Затем в циклических испытаниях оце1П1вали скорость развития трещины на величине ее прироста 0,2 мм.

Результаты оценки приведены в табл. 4.

Данные табл. 4 показали, что при35

ложение 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 демонтированно- го коллектора пароперегревателя после 112 тыс. ч. эксплуатации при рабочей температуре 230 С и рабочем давлении 20 МПа. Образцы, изготовленные согласно ГОСТу 9454-76, подвергали термической обработке в за- неволенном состоянии под напряжением, соответствующем рабочему давлению (аналогично приведенным вьш1е приме- :рам), при температуре 400 и 500 С

выдерживали 8 ч, затем охлаждали со скоростью 1 град/мин. Для получения срлвнительных данных часть образцов была отпущена при 350 С (при рабочем давлении 20 Mlla) 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 оп- ределены напряжения начала течения, напряжение разрушения, характеристики пластичности при зарождении и развитии трепщны, а также величина работ разрушения,

Результаты испытаний приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 видно, что проведение восстановительртой обработки при 400-500°С повышает предел проч- ности эксплуатированного материала на 8-20%, характеристики пластичности на 35-50%, величину работы разрушения на 30-35%.

Проведение отпуска при пониженной температуре (350°С) не дает положительного эффекта вследствие недостаточной интенсивности развития релаксационных процессов (близость температуры отпуска и температуры эксплу- атации). Повышение температуры отпуска выше 500°С недопустимо из-за снижения коррозионной стойкости стали (см. смещение потенциала питтинго- образования, ример, 1).

Пример 5. Проводили термическую обработку образцов стали 22 К вырезанных из стенки барабана после 102 тыс.ч. эксплуатации при близких температурах, восстановительной об- 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 способу- прототипу - 0,75 от рабочего давления

После обработки по предлагаемому способу: G rr 650 МПа; (jg 2000 МПа; MM; KCV 11,7 мДж/м

После обработки по способу-прототипу: G rr, -- 650 МПа; б 2000 МПа; f,j- 6 мм; KCV 11,9 мДж/м.

Полученные результаты показьгоают, что для объектов тина паровых котлов

о 5

0

5 0 с

Q с

0

и сравниваемых режимов обрабогки iion- нота восстановления механических свойств по предлагаемому способу и способу-прототипу практически совпадают.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру обра- батьгеаемых конструкций: от сосудов давления до подводящих трубопроводов, включая конструкции с рабочей .средой, отличной от водяного пара, температура нагрева г оторых в процессе восстановительных обработок 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 цластичности, 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. Формула изобретения

Способ восстановления механических свойств стальных конструкций, преимущественно полых, работакщих под давлением, включающий нагрев с использованием рабочей среды, вьдерж- ку и охлаждение, отличающий с я тем, что, с целью повьшения надежности за счет стабилизации скрытых дефектов при повьш1ения механичес - ких свойств эксплуатированного металла и расширения номенклатуры обрабатываемых конструкций, нагрев осуществляют при 400-500°С, при этом рабочую среду подают под рабочим давлением.

а б .4 и и а

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.

Термическая обработка

Без обработки350-8 ч 400-8 ч

440-8 ч. 500-8 ч

Прототип 5JO-8 ч

32 (рабочее)

620 620 620

610

А,3

4,3

6

1250 3,8 1260 4,0 1310 5,4

( не разр Л 1350 5,8 6

(не разр.) .360 6,1 6

(ке разр.)

21 (0,65 рабочего)

Нагрев дсЗпусти 1 вследствие разложения среды (синтез-газа), используемой в качестве источника нагрева

Без обработки 300 - 8 ч 400 - 8 ч 450 - 8 ч 500 - 8 ч 520 - 8 Ч

15 (рабочее)

Таблица 2 Механические свойст1за

А,3

4,3

6

3,8 4,0 5,4

( не разр Л 5,8 6

(не разр.) 6,1 6

(ке разр.)

т а 5 л и ц а 3

11

Без обра1507816

12 Продолжение табл.3

Таблица 4

Таблица 5