новости компании о Скрытая ловушка сварного перегрева

01 Определения

Высокопрочные стали и суперсплавы, содержащие элементы, упрочняющие при осаждении (Al, Ti, Nb) – включая низколегированные высокопрочные стали, перлитные жаропрочные стали, упрочненные при осаждении суперсплавы и некоторые аустенитные нержавеющие стали – могут развивать трещины релаксации напряжений (SR-трещины) во время послесварочной термообработки, даже если изначально трещины отсутствовали. Аналогичным образом, некоторые сварные конструкции могут развивать трещины во время длительной высокотемпературной эксплуатации (например, 500–600°C). В инженерной практике эти трещины – возникающие как во время обработки для снятия напряжений, так и во время эксплуатации – собирательно называются трещинами повторного нагрева.

02 Основные характеристики трещин повторного нагрева

(1) Трещины повторного нагрева возникают только в металлических сварных швах, содержащих элементы, упрочняющие при осаждении, а углеродистая сталь и материалы с упрочнением твердым раствором обычно не вызывают трещин повторного нагрева.

(2) Существует чувствительный температурный диапазон, который связан с температурой и временем повторного нагрева. Чувствительный диапазон низколегированной стали составляет около 500～700℃, а аустенитной нержавеющей стали и высокотемпературной легированной стали - 700～900℃.

(3) Граница зерен аустенита крупного зерна в зоне термического влияния проходит вдоль линии сплавления со стороны основного материала, наблюдается межкристаллитное растрескивание.

(4) В зоне сварки должны быть большие остаточные напряжения и концентрация напряжений.

03 Факторы, влияющие на трещины повторного нагрева

(1) Содержание карбидообразующих элементов (Cr, Mo, V, Ti, Nb) оказывает существенное влияние. Например, содержание V в перлитной жаропрочной стали значительно увеличивает чувствительность к SR-трещинам.

(2) Скорость и время нагрева влияют на чувствительный температурный диапазон различных сталей.

(3) Размер зерна оказывает существенное влияние на склонность к трещинам повторного нагрева, чем больше размер зерна, тем выше склонность.

(4) Различия в методах сварки: сварка с большим тепловложением имеет тенденцию вызывать укрупнение зерна, а склонность к трещинам повторного нагрева при сварке под флюсом выше, чем при дуговой сварке электродами в марках стали, чувствительных к росту зерна, в то время как тенденция к упрочнению выше в марках стали с большой тенденцией к упрочнению.

04 Превентивные меры против трещин повторного нагрева

(1) Выбор сварочных материалов с низкой прочностью;

(2) Контроль скорости охлаждения с помощью предварительного или последующего нагрева;

(3) Избегать чувствительного температурного диапазона или сокращать время выдержки;

(4) Снижать остаточные напряжения и избегать концентрации напряжений;

(5) Некоторые сплавы (например, Incoloy 800HT, предназначенный для температур ≥538°C) требуют стабилизирующей термообработки после сварки;

(6) К материалам со склонностью к трещинам повторного нагрева после термообработки следует добавить неразрушающий контроль.

05 Материалы, чувствительные к трещинам повторного нагрева

15MnVR, 15MnNbR, 18MnMoNbR, 13MnMoNbR, 07MnCrMoVR, 07MnNiMoVDR, 17Cr1Mo1V и японская сталь CF-62.

Примечание: Трещины повторного нагрева, которые являются скрытыми и могут легко привести к внезапным авариям, могут возникнуть во время термообработки или эксплуатации. Проектировщики, производители и инспекторы сосудов под давлением должны заранее оценивать риски возникновения трещин повторного нагрева и разрабатывать планы профилактики и контроля.

Трещины повторного нагрева вызваны термообработкой после сварки (например, термообработкой для снятия напряжений), а элементы Cr, Mo, V, Nb, Ti в стали усугубляют склонность к трещинам повторного нагрева.

06 Механизм трещин повторного нагрева

Трещина повторного нагрева возникает из-за зарождения микротрещин, вызванных преимущественным скольжением границ зерен, а граница зерен ослабляется, а зерно упрочняется при термообработке после сварки.

(1) Теория слабой химической связи на границах зерен

Примесные элементы (например, P, S) являются хрупкими из-за сегрегации на границах зерен, в то время как карбиды/нитриды Cr, Mo, V, Nb и других элементов упрочняются при осаждении в зерне во время вторичного нагрева. Деформация релаксации напряжений концентрируется на границах зерен, а трещина вызывается недостаточной пластичностью.

(2) Теория внутрикристаллического упрочнения (теория растрескивания по типу)

Внутрикристаллическое осаждение упрочняющей фазы (карбида хрома, ванадия, титана, ниобия и т. д.) в области дислокаций препятствует внутрикристаллической деформации, релаксация напряжений воспринимается границей зерен, а концентрация напряжений приводит к трещине.

(3) Теория ползучести разрушения

Рост трещин вдоль границ зерен ускоряется накоплением повреждений от ползучести в процессе релаксации напряжений.

07 Формула идентификации чувствительности к трещинам повторного нагрева

Основными факторами, влияющими на трещины повторного нагрева, являются химический состав стали (который напрямую влияет на пластичность зоны крупного зерна) и остаточные напряжения в зоне сварки (особенно в зоне концентрации напряжений).

△G＝Cr＋3.3Mo＋8.1V＋10C－2

Когда△G<1.5, трещина повторного нагрева не чувствительна;

Когда 1.5<△G<2, это обычно;

Когда △G>2, трещина повторного нагрева чувствительна.

08 ЭКСПЕРТНЫЙ АНАЛИЗ

1: Во время послесварочной термообработки или высокотемпературной эксплуатации стесненные сварные соединения могут развивать «трещины повторного нагрева» (также называемые «трещинами релаксации напряжений») в зонах термического влияния. Исторически эти трещины впервые были обнаружены в аустенитных нержавеющих сталях инженерами электростанций. Металлургические исследования подтверждают их тесную связь с внутрикристаллическими осадками. По сути, эти осадки упрочняют внутреннюю часть зерна, заставляя деформацию, необходимую для релаксации напряжений, смещаться к границам зерен, тем самым снижая ползучесть и вызывая разрушение границ. Этот механизм растрескивания остается не до конца понятным, особенно в отношении микроструктурных и композиционных факторов, влияющих на его образование.

2: Упрочнение границ зерен при осаждении объясняет только часть причины. Размер зерна слишком велик, что приведет к ухудшению ползучести и накоплению осаждений на границах зерен. Кроме того, усадка сварного шва, крупное зерно будут препятствовать скольжению границ зерен, увеличение толщины материала и грубый процесс сварки усугубят склонность к трещинам.

Два типа трещин повторного нагрева:

1) Сварной шов изначально не треснул, но трещины появились во время послесварочной термообработки для снятия напряжений. Эти трещины называются склонностью к растрескиванию при снятии напряжений (SR-растрескивание).

2) Трещины не обнаружены после сварки, но они образуются после длительной эксплуатации при определенной температуре.

Характеристики трещин повторного нагрева:

1) Возникает исключительно в металлических сварных швах, содержащих элементы, усиливающие осаждение (Ti, Al).

2) Возникает только в определенном температурном диапазоне, и трещина повторного нагрева связана с температурой и временем повторного нагрева, существует чувствительный температурный диапазон для растрескивания при повторном нагреве. Для обычной низколегированной стали температурный диапазон составляет около 500~700℃; для аустенитной нержавеющей стали и некоторых высокотемпературных легированных сталей температурный диапазон составляет 700~900℃.

3) Трещина распространяется вдоль границы зерен аустенита со стороны сварного шва, а направление трещины - межкристаллитное.

4) Должны быть остаточные напряжения и концентрация напряжений в зоне сварки.

Механизм образования трещин повторного нагрева - это ослабляющее действие осаждения примесей на границе зерен и упрочняющее действие осаждения внутри зерен.