МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА И ИССЛЕДОВАНИИ ПРИЧИН ПОВРЕЖДЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ ИЗ СТАЛЕЙ 12Х1МФ И 15Х1М1Ф ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

 

РД 34.17.306

(МУ 34-70-161-87)

 

ОКСТУ 3109, 3110

Срок действия с 01.03.88

до 01.03.98

 

 

РАЗРАБОТАНЫ Уральским филиалом Всесоюзного дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнического научно-исследовательского института им. Ф.Э. Дзержинского (УралВТИ)

Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова (НПО ЦКТИ)

 

ИСПОЛНИТЕЛИ Р.З. Шрон, И.Ф. Небесова, Н.И. Никанорова, Л.Э. Кречет (УралВТИ), В.Н. Земзин (НПО ЦКТИ)

 

УТВЕРЖДЕНЫ Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации Минэнерго СССР 12.05.87

Заместитель начальника А.П. Берсенев

Главным техническим управлением Минэнергомаша СССР 14.05.87

Начальник В.И. Головизнин

 

 

Настоящие Методические указания распространяются на сварные соединения элементов паропроводов из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф с толщиной стенки 10 мм и более, выполненные дуговой сваркой с использованием присадочных материалов того же легирования, и устанавливают порядок использования металлографического анализа при оценке качества изготовления, работоспособности и причин повреждений указанных сварных соединений.

С вводом в действие настоящих Методических указаний утрачивают силу "Методические указания по применению шкал структур и твердости для оценки качества и работоспособности металла сварных соединений из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф" (М.: СЦНТИ Энергонот ОРГРЭС, 1972).

 

 

1. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ

 

Вырезку образцов для металлографического анализа, травление шлифов и измерения твердости производят в соответствии с требованиями ОСТ 34-70-690-84 "Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации".

 

2. КОНТРОЛЬ ПОДГОТОВКИ К СВАРКЕ И ЕЕ КАЧЕСТВА

 

Контроль осуществляется по макро- и микроструктуре сварного соединения.

2.1. По макроструктуре сварного соединения после травления в реактивах 1, 2, 7 (см. обязательное приложение 2 ОСТ 34-70-690-84) определяются:

1) форма разделки шва, качество сборки (смещение кромок стыкуемых труб, перекос подкладных колец и т.п.), порядок наложения валиков, их размеры (рис. 1). Полученные результаты сопоставляются с требованиями РТМ-1С-81 "Руководящие технические материалы по сварке при монтаже оборудования тепловых электростанций" и ПК № ОЗЦС-66 "Правила контроля сварных соединений трубных систем котлоагрегатов и трубопроводов тепловых электростанций";

2) наличие технологических макродефектов сварки (трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и т.п.). Допустимость дефектов оценивается путем сопоставления их характера, количества и размеров с требованиями PTM-1С-81 и ПК № ОЗЦС-66;

 

 

Рис.1. Схема определения размеров валика (слоя):

a - ширина валика; b - толщина; h - высота усиления шва

 

3) частичное заполнение разделки при сварке электродами и проволокой из углеродистой или кремнемарганцевой стали вместо хромомолибденованадиевой. Показателем таких отступлений является резкая разница в травимости отдельных слоев шва. Применение электродов марки УОНИ 13/55 для заварки корневого слоя в случае сварки на подкладных кольцах из стали 12Х1МФ согласно требованиям Основных положений ОП № 02ЦС-66 "Трубные системы котлоагрегатов и трубопроводы тепловых электростанций. Сварка и термообработка сварных соединений" допустимо;

4) соответствие размеров ремонтных выборок требованиям PTM-1C-81 (раздел 17), PТM 108.020-05-75 "Исправление дефектов в литых корпусных деталях турбин и паровой арматуры методом заварки без термической обработки", а также И 34-70-020-85 "Инструкция по технологии ремонтной заварки корпусных деталей паровых турбин и арматуры перлитными электродами без термической обработки".

2.2. По микроструктуре сварного соединения оценивается температура подогрева. Для этого:

1) подсчитывается площадь поперечного сечения валика (слоя) F, мм², по формуле

F = 0,8 a b

где a и b - размеры валика по рис.1;

2) определяется структура металла шва после травления в реактивах 1-2 (приложение 4 ОСТ 34-74-690-84) по трехбальной шкале, показывающей степень увеличения количества избыточного феррита с ростом тепловложения при сварке, температуры подогрева и площади поперечного сечения слоя.

Балл структуры оценивается визуальным сравнением видимой под микроскопом при увеличении 100 структуры металла шва с эталонной шкалой (рис. 2) и измерением ширины ферритной оторочки на участках металла шва с крупнозернистой столбчатой структурой с помощью объект-микрометра с точностью ±5% (табл. 1).

 

 

Pис. 2. Шкала для определения балла структуры металла шва. Х100:

а - балл 1; б - балл 2; в - балл 3.

Штриховкой обозначены продукты распада аустенита; белые поля - ферритная оторочка по границам аустенитных зерен

 

Таблица 1

 

Характерный признак	Балл структуры шва
	1	2	3
Средняя ширина ферритной оторочки на участках столбчатой крупнозернистой структуры, мкм	менее 15	15-50	более 50

 

Зависимость температуры подогрева от балла структуры и площади сечения валика (слоя) показана в табл.2.

 

Таблица 2

 

Балл структуры шва	Площадь поперечного сечения F, мм2	Температура подогрева, °С
1	Менее 20	-
	Более 20	Менее 150-200
2	Более 100	Менее или равно 150-200
	100-50	300-350
	Менее 50	450-500
3	Более 150	Менее 150-200
	Менее 150	-

 

Примечания. 1. При структуре 1 балла и площади поперечного слоя менее 20 мм² и при структуре III балла и площади поперечного сечения слоя менее 150 мм² температура подогрева не может быть оценена.

2. Различие балла структуры по сечению шва означает, что тепловложение в процессе многослойной сварки существенно изменялось.

 

3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОТПУСКА ПОСЛЕ СВАРКИ

 

Контроль соответствия фактического режима отпуска требованиям PTM-1C-81 и ОП № 02ЦС-66 производится по макро- и микроструктуре сварного соединения.

3.1. По макроструктуре выявляется перегрев выше критической точки Ac₃, возможный в результате отступлений от установленного режима отпуска. Признаком перегрева является отсутствие на макрошлифах после травления в реактивах 1-4 видимой зоны термического влияния (ЗТВ).

3.2. По микроструктуре выявляются:

1) отсутствие отпуска после сварки и существенное (на 100° и более) занижение температуры отпуска по наличию темнотравящихся микрообъемов структуры на участке неполной перекристаллизации, а иногда и на участке перегрева ЗТВ (рис. 3). Темнотравящиеся микрообъемы структуры, располагающиеся преимущественно по границам зерен, представляют собою продукты распада аустенита, образовавшегося при нагреве выше критической точки Ac₁. В зависимости от скорости охлаждения продукты распада аустенита представляют собой перлит, бейнит или мартенсит;

2) перегрев при отпуске до температур, на 30-50° превышающих точку Ac₁, по наличию описанных выше темнотравящихся микрообъемов по границам зерен на всех участках сварного соединения, включая металл шва и основной металл, примыкающий к ЗТВ.

3.3. Оценка качества термообработки производится по результатам замеров твердости. Значения средней твердости металла шва, выходящие за пределы требований PTM-1C-81 (140-250 НВ), указывают на несоблюдение установленного режима отпуска.

При средних значениях твердости в пределах 200-250 НВ для надежной оценки качества термообработки необходимо провести анализ микроструктуры по 4.2.1, так как при сварке с завышенным подогревом (400-500 °С) твердость может находиться в указанных пределах и при отступлениях от штатного режима отпуска.

 

 

Рис. 3. Структуры в зоне термического влияния (ЗТВ)

при отсутствии отпуска после сварки или заниженной температуры отпуска. Х100:

а - участок неполной перекристаллизации ЗТВ при бейнитной структуре основного металла; б - участок неполной перекристаллизации ЗТВ при феррито-бейнитной структуре основного металла; в - участок перегрева ЗTB. Штриховкой обозначены продукты распада аустенита; белые поля - избыточный феррит

 

4. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ИХ СТРУКТУРЕ

 

Работоспособность определяется по результатам анализа структуры сварных соединений.

4.1. Оптимальная работоспособность обеспечивается в сварных соединениях, у которых:

структура металла шва соответствует 2 баллу шкалы (см. разд.3);

толщина слоев с крупным (2-5 балл шкалы ГОСТ 5639-82) зерном в металле шва не превышает 5 мм;

доля участков с мелкозернистой (6-8 балл той же шкалы) структурой перекристаллизации, образовавшейся в металле шва при многослойной сварке под воздействием тепла последующих слоев, составляет не менее 30%;

величина действительного зерна в металле шва и околошовной зоне не превышает 2 балла шкалы по ГОСТ 5639-82;

отсутствуют структурные признаки некачественной термообработки после сварки.

4.2. Сварные соединения, в которых металл шва имеет структуру 1 балла с преобладанием (более 70%) крупного зерна и в которых имеются признаки некачественной термообработки, могут не обеспечивать необходимой работоспособности из-за склонности к хрупким разрушениям по металлу шва и околошовной зоне (см. разд.5).

4.3. Сварные соединения, у которых в металле шва преобладает структура 3 балла, имеют пониженную работоспособность из-за уменьшения длительной прочности, а также склонности к хрупким разрушениям при низких и умеренных температурах (во время пусков, гидравлических испытаний, ремонтов, при монтаже).

4.4. Сварные соединения, у которых в структуре металла шва, ЗТВ и прилегающем к ним основном металле имеются признаки перегрева выше критических точек Ac₁ и Ac₃, не обеспечивают необходимой работоспособности из-за снижения длительной прочности.

 

5. ОЦЕНКА ПРИЧИН ПОВРЕЖДЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

 

Вид трещин	Металлографический признак	Способ выявления по рекомендуемому приложению 4 ОСТ 34-70-690-84		Причины появления трещин
1	2	3		4
5.1. Повреждения, вызванные отступлениями режимов сварки и термообработки от требований норм
5.1.1. Кристаллизационные трещины при сварке (рис.4)	Трещины имеют переменное раскрытие, зазубренные края, не всегда совпадают с границами аустенитных зерен. Они располагаются в ликвационных участках структуры затвердевания (по границам ячеек и дендритов)	Реактив 13		Отступления от рекомендуемого режима сварки. Несоответствие качества сварочных материалов требованиям, предъявляемым к химическому составу (в частности, повышенное содержание серы или пониженное содержание марганца в наплавленном металле)
5.1.2. Холодные трещины при сварке (рис.5)	Трещины располагаются на участке перегрева ЗТВ или в металле шва. В очаге разрушения они образуются на границах аустенитных зерен, распространяются внутри зерен	Реактивы 1-2		Отсутствие или заниженная температура подогрева во время сварки, недостаточная прокалка электродов. Вероятность появления трещин возрастает в сварных соединениях толстостенных, особенно литых деталей
5.1.3. Трещины, обусловленные некачественным отпуском после сварки (рис.6)	Трещины располагаются на участке перегрева ЗТВ на расстоянии до 1 мм от линии сплавления (1), в ходе развития могут отклоняться в основной металл или металл шва. Они идут по границам зерен в крупнозернистых объемах участка перегрева ЗТВ. Основной магистральной трещине сопутствуют поры и микротрещины на границах зерен. Металл в зонах повреждений, как правило, имеет твердость выше нормативных значений	Реактивы 1, 2, 9		Отсутствие отпуска после сварки или недостаточная высокая температура его, малая скорость нагрева в интервале температур (500-700 °С). Склонность к трещинам такого рода усиливается в случае заниженного тепловложения при сварке, признаком чего является структура металла шва 1 балла
5.2. Повреждения, связанные с действием напряжений, превышающих допускаемые, из-за нарушений режимов эксплуатации и (или) конструктивных недоработок
5.2.1. Трещины, обусловленные длительной статической перегрузкой (рис.6)	Трещины располагаются на участке разупрочнения ЗТВ, а иногда в металле шва. В ЗТВ трещины идут по периметру стыка на расстоянии 2-4 мм от линии сплавления (2). Распространение их происходит по границам зерен феррито-карбидной и феррито-бейнитной структур на участках мелкого зерна и неполной перекристаллизации ЗТВ. В металле шва трещины также развиваются преимущественно по периметру стыка, иногда идут поперек шва по границам аустенитных зерен. Магистральным трещинам сопутствуют зоны микроповреждений в виде пор и надрывов по границам зерен. Твердость металла шва находится в пределах нормативных значений		Реактивы 1, 2, 9	Защемление паропроводов, неудовлетворительное состояние систем креплений, коробление труб из-за забросов воды; чрезмерное ослабление трубы отверстием под штуцер и др. Особенностью таких повреждений является возможность их многократного повторения по одному и тому же участку, если после первого повреждения источник высоких напряжений не был устранен
5.2.2. Трещины, обусловленные действием циклических напряжений (рис.7)	Трещины располагаются преимущественно в зонах конструктивных и технологических концентраторов (в угловых сварных соединениях, у подкладных колец и т.п.). Трещины развиваются с внутренней поверхности труб и отличаются внутризеренным характером распространения и незначительной разветвленностью. В зависимости от уровня действующих напряжений и интенсивности протекания коррозионных процессов трещины в поперечном сечении могут выглядеть, как полости (1), либо иметь нитевидную форму (2). Образование и развитие трещин сопровождается коррозионным воздействием среды, поэтому такие повреждения следует рассматривать как коррозионно-усталостные. Растрескивание может иметь вид сетки или быть ориентированным по рискам и (или) следам механической обработки на внутренней поверхности труб. Развитие трещин может идти от сварочных дефектов.		Реактивы 1, 2	Циклическое действие высоких напряжений при пусках-остановах, изменения нагрузки, в сочетании с коррозионной средой и наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений
	Усталостные трещины, связанные с изменениями внутреннего давления и внешних нагрузок, образуются на наружной поверхности паропроводов в местах расположения концентраторов в виде угловых сварных соединений
5.2.3. Трещины, образующиеся при ударном нагружении (рис.8)	Особенностью этих повреждений является одновременное образование их в нескольких близко расположенных сварных соединениях и основном металле (например, в гибах труб). Трещины развиваются с внутренней поверхности, преимущественно от конструктивных и технологических концентраторов, переходят из шва в основной металл, образуют многочисленные ответвления. Характер распространения трещин - смешанный, петлеобразный на всех участках сварного соединения		Реактивы 1, 2	Нарушение режимов эксплуатации оборудования (гидро- и термоудары)

 

 

Рис. 4. Кристаллизационные трещины в металле шва. Х100

 

 

Рис. 5. Холодные трещины на участке перегрева ЗТВ. Х100

 

 

Рис. 6. Трещины, обусловленные некачественным отпуском после сварки (1) и длительной статической перегрузкой (2). Штриховкой - граница сплавления; двойной штриховкой обозначены зоны термического влияния в основном металле и в многослойном шве

 

 

Рис. 7. Усталостные трещины. Х100:

1 - трещины в виде полости; 2 - нитевидная трещина

 

 

Рис. 8. Трещины, обусловленные действием ударных нагрузок. Х100