energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2017-10-3-223-231energsecurity-515Research ArticleОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭНЕРГЕТИКИGENERAL ISSUES RELATED TO RELIABILITY AND SAFETY OF THE POWER INDUSTRYПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТУРБИНЫ НА ССКПPREDICTION OF STRENGTH REDUCTION FACTOR FOR WELDED JOINTS OF REDICTION OF STRENGTH REDUCTION FACTOR FOR WELDED JOINTS OF TURBINES WITH ULTRA SUPERCRITICAL STEAM PARAMETERS URBINES WITH ULTRA SUPERCRITICAL STEAM PARAMETERSЛанинА. А.LaninA. A.

ул. Атаманская, д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint-Petersburg

ИльинС. А.IlinS. A.

ул. Атаманская, д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint-Petersburg

ПрохороваТ. В.ProkhorovaT. V.

ул. Атаманская, д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint-Petersburg

svarka@ckti.ruРеваВ. В.RevaV. V.

ул. Атаманская, д. 3/6, 191167, Санкт-Петербург

Atamanskaya str., 3/6, 191167, Saint-Petersburg

ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»)РоссияJoint-Stock Company «I. I. Polzunov Scientifi c and Development Association on Research and Design of Power Equipment» («NPO CKTI»)Russian Federation201714112017103223231Copyright © Ланин А.А., Ильин С.А., Прохорова Т.В., Рева В.В., 20172017Ланин А.А., Ильин С.А., Прохорова Т.В., Рева В.В.Lanin A.A., Ilin S.A., Prokhorova T.V., Reva V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/515

При длительной высокотемпературной эксплуатации однородные сварные соединения жаропрочных сталей ферритного и мартенситного классов разрушаются по IV типу — по мягкой прослойке (МП) в зоне термического влияния (ЗТВ), соответствующей участкам мелкого зерна и межкритического интервала, а разнородные сварные соединения — по обезуглероженной МП в зоне сплавления. При этом коэффициент снижения прочности сварных соединений существенно уменьшается с увеличением времени и температуры эксплуатации.

На основании экспериментальных исследований построена расчетная модель ползучести и разрушения сварных соединений жаропрочных сталей, позволяющая прогнозировать коэффициенты снижения прочности сварных узлов с учетом конструктивно-технологических факторов и изменения механизмов разрушения на стадии проектирования. Проведены испытания на длительную прочность образцов из однородных сварных соединений мартенситной стали Р91 и разнородных соединений Р91 и хромомолибденованадиевой стали 15Х1М1Ф при температуре 620°С. Для исследования металла ЗТВ выполнена имитация термического цикла сварки на установках ИМЕТ-ЦКТИ и Gleeble-3800. Также было выполнено численное моделирование на основе уравнений состояния в форме Качанова-Работнова с учетом трех стадий ползучести, влияния трехосности напряженного состояния, изменения показателей степени в уравнениях ползучести и разрушения от напряжений.

По результатам расчетов выявлены и описаны закономерности изменения длительной прочности сварных образцов из стали Р91 от относительной ширины МП и соотношения скоростей ползучести основного металла и МП. Получена количественная оценка длительной прочности разнородного сварного соединения на модели образца с двумя МП с одинаковыми свойствами, соответствующими металлу разупрочненной части ЗТВ однородного сварного соединения. Выявлено перемещение разрушения в зону сплавления при снижении напряжений, что подтверждено экспериментально. Полученные закономерности хорошо согласуются с теоретическими и экспериментальными исследованиями Л. М. Качанова, Д. Р. Хэйхарста, В. Н. Земзина, Р. З. Шрона и др. 

During long-term operation heat-resistant ferrite and martensitic steel welds have type IV cracking in a so-called ‘soft layer’, which contains part of fine grain region and inter-critical region of heat-aff ected zone (HAZ). The rupture of dissimilar welds occurs in the carbonless soft layer near fusion line. Therefore the strength reduction factor of welds decreases significantly with increasing lifetime and operating temperature.

Based on experimental investigations the design model is constructed to predict the welds strength reduction coefficient at the design stage, taking into account different structural and technological factors, also changes creep and fracture mechanisms. Creep strength tests of martensitic steel P91 welds and dissimilar welds P91 + Cr-Mo-V steel were performed at temperature of 620°С. The HAZ metal investigation was performed after the thermal welding cycle simulation at the «IMETCKTI» and «Gleeble-3800» units. In addition, numerical modeling was carried out, using the Kachanov-Rabotnov constitutive equations, taking into account the three stages of creep, the influence of complex stress state, changes creep and fracture mechanisms.

Based on the calculation results, the life time of P91 welds depends from the soft layer relative width and the creep rate ratio the base metal vs. the soft layer metal. A quantitative evaluation of the dissimilar welds creep strength is obtained using a sample model with two soft layers. Both have the same properties corresponding to the weakened region HAZ metal of the similar weld. According to the calculation results, the dissimilar welded samples rupture location moves to carbonless zone at lower stress level. Calculation results have good agreement with the experimental data. The obtained dependences are in good agreement with the theoretical and experimental studies of L. M. Kachanov, D. R. Hayhurst, V. N. Zemzin, R. Z. Schron et al. 

длительная прочностьползучестьповреждаемостьтрещины IV типаосновной металл (ОМ)мягкая прослойка (МП)зона термического влияния (ЗТВ)зона мелкого зерна (МЗ)межкритический интервал (МК)термический цикл сварки (ТЦС)разнородное сварное соединениеобезуглероженная диффузионная прослойкаcreep rupture timecreepdamageIV type crackingbase metal (BM)‘soft’ layer (SL)fi ne grain region of heat aff ected zone (FG HAZ)inter-critical region of heat affected zone (IC HAZ)thermal welding cycle (TWC)fusion line (FL)dissimilar weldcarbonless zoneReferencesЗемзин В. Н. Жаропрочность сварных соединений – Л. : Машиностроение, 1972. – 272 с.Zemzin V. N. The welding joint heat resistance – Leningrad: Mashinostroenie, 1972. – 272 p.Шрон Р. З. О прочности при растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой в условиях ползучести // Сварочное производство. – 1970. – №5. – С. 6 – 8.Schron R. Z. About tensile strength of welding joint with a soft interlayer under creep conditions // Svarochnoe proizvodstvo. – 1970. – №5. – P. 6 – 8.Шрон Р. З., Корман А. И. Влияние неоднородности свойств сварных соединений на их склонность к хрупким разрушениям в условиях ползучести // Сварочное производство. – 1972. – №12. – С. 12 – 14.Schron R. Z., Korman A. I. Infl uence of the welded joints properties inhomogeneity in their tendency to brittle fracture in a creep conditions // Svarochnoe proizvodstvo. – 1972. – №12. – P. 12–14.Бакши О. А., Шрон Р. З. О расчетной оценке прочности сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. – 1971. – №3. – С. 3 – 5.Bakshi O. A., Schron R. Z. About the welded joint with a soft interlayer strength estimation // Svarochnoe proizvodstvo. – 1971. – №3. – P. 3 – 5.Ланин А. А., Ильин С. А, Прохорова Т. В. Исследование разнородных сварных стыковых соединений толстостенных труб системы паровпуска паровых турбин // Тяжелое машиностроение. – 2008. – №6. – С. 21 – 25.Lanin A. A., Ilin S. A., Prokhorova T. V. Investigation of dissimilar welded butt joints of thick-walled steam pipe systems of steam turbines // Tjazhjeloe mashinostroenie. – 2008. – №6. – P. 21 – 25.Прохорова Т. В., Ланин А. А. Длительная прочность однородных и разнородных сварных соединений жаропрочных сталей с мягкой прослойкой // «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования в условиях длительной эксплуатации»: доклады II Международной конф. (Челябинск, 17 – 21 мая 2010 г.). – Челябинск, 2010. – C. 130 – 136.Prokhorova T. V., Lanin A. A. Creep strength dissimilar and similar welded joints of creep resistant steels with a soft interlayer // «Обеспечение надежности теплоэнергетического оборудования в условиях длительной эксплуатации»: materials of II Int. conf. (Cheljabinsk, 17 – 21 May 2010). – Cheljabinsk, 2010. – P. 130 – 136.Hayhurst D. R. CDM mechanisms-based modelling of tertiary creep: ability to predict the life of engineering components // Arch. Mech. – 2005. – v. 57, №2 – 3. – P. 103 – 132.Hayhurst D. R. CDM mechanisms-based modelling of tertiary creep: ability to predict the life of engineering components // Arch. Mech. – 2005. – v. 57, №2 – 3. – P. 103 – 132.Tu S., Wu R., Sandström R. Design against creep failure for weldments in 0.5Cr0.5Mo0.25V pipe // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 1994. – v. 58. – P. 345 – 354.Tu S., Wu R., Sandström R. Design against creep failure for weldments in 0.5Cr0.5Mo0.25V pipe // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 1994. – v. 58. – P. 345 – 354.Hayhurst R. J., Mustata R., Hayharst D. R. Creep constitutive equations for parent, Type IV, R-HAZ, CG-HAZ and weld material in the range 565 – 640°C for Cr-Mo-V weldments // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 2005 – v. 82. – P. 137 – 144.Hayhurst R. J., Mustata R., Hayharst D. R. Creep constitutive equations for parent, Type IV, R-HAZ, CG-HAZ and weld material in the range 565 – 640°C for Cr-Mo-V weldments // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 2005 – v. 82. – P. 137 – 144.Hyde T. H., Williams J. A., Becker A. A., Sun W. A review of the fi nite element analysis of repaired welds under creep conditions // OMMI. – 2003. – v. 2, №2. – URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.515.98&rep=rep1&type=pdf (дата обращения 21.01.2017).Hyde T. H., Williams J. A., Becker A. A., Sun W. A review of the fi nite element analysis of repaired welds under creep conditions // OMMI. – 2003. – v. 2, №2. – URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.515.98&rep=rep1&type=pdf (дата обращения 21.01.2017).Eggeler G., Ramteke A. Analysis of creep in a welded ‘P91’ pressure vessel // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 1994. – v. 60. – P. 237 – 257.Eggeler G., Ramteke A. Analysis of creep in a welded ‘P91’ pressure vessel // Int. J. of Pres. Ves. and Piping. – 1994. – v. 60. – P. 237 – 257.Perrin J. Hayhurst D. R., Ainsworth R. A. Approximate creep rupture lifetimes for butt welded ferritic steel pressured pipes // Eur. J. Mech. A/Solids. – 2000.– v. 19. – Р. 223 – 258.Perrin J. Hayhurst D. R., Ainsworth R. A. Approximate creep rupture lifetimes for butt welded ferritic steel pressured pipes // Eur. J. Mech. A/Solids. – 2000.– v. 19. – Р. 223 – 258.Gaff ard V. Experimental study and modelling of high temperature creep fl ow and damage behaviour of 9Cr1Mo-NbV steel weldments: PhD thesis – France, 2004. – 329 p.Gaff ard V. Experimental study and modelling of high temperature creep fl ow and damage behaviour of 9Cr1Mo-NbV steel weldments: PhD thesis – France, 2004. – 329 p.Gorash Y. Development of a creep-damage model for nonisothermal long-term strength analysis of high-temperature components operating in a wide stress range: PhD thesis. – Halle, 2008. – Р. 108.Gorash Y. Development of a creep-damage model for nonisothermal long-term strength analysis of high-temperature components operating in a wide stress range: PhD thesis. – Halle, 2008. – Р. 108.Stepanova T. R., Prokhorova T. V. Modeling of the High Temperature Creep and Rupture under the Complex Stress State // Materials Science Forum. – 2016. – v. 870. – P. 528 – 534.Stepanova T. R., Prokhorova T. V. Modeling of the High Temperature Creep and Rupture under the Complex Stress State // Materials Science Forum. – 2016. – v. 870. – P. 528 – 534.Dimmler G. P., Weinert G., Cerjak H. Extrapolation of short-term creep rupture data – The potential risk of over-estimation//IJPVP. – 2008. – v. 85. – P. 55 – 62.Dimmler G. P., Weinert G., Cerjak H. Extrapolation of short-term creep rupture data – The potential risk of over-estimation // IJPVP. – 2008. – v. 85. – P. 55 – 62.Kloc L., Fiala J. On Creep Behaviour of Several Metallic Materials at Low Stresses and Elevated Temperatures // Chem. Papers – 1999 – v. 53, №3 – P.155 – 164.Kloc L., Fiala J. On Creep Behaviour of Several Metallic Materials at Low Stresses and Elevated Temperatures // Chem. Papers – 1999 – v. 53, №3 – P. 155 – 164.Esposito L., Bonora N. A primary creep model for Class M materials // Materials Science and Engineering A – 2011. – v. 528. – P. 5496 – 5501.Esposito L., Bonora N. A primary creep model for Class M materials // Materials Science and Engineering A – 2011. – v. 528. – P. 5496 – 5501.Kloc L. Internal stress model for pre-primary stage of low-stress creep//15th International Conference on the Strength of Materials (ICSMA-15) J. Phys.: Conf. Ser. – 2010. – vol. 240, №1. – 012086 – URL: http://iopscience.iop.org/1742-6596/240/1/012086 (дата обращения 21.02.2016).Kloc L. Internal stress model for pre-primary stage of low-stress creep // 15th International Conference on the Strength of Materials (ICSMA-15) J. Phys.: Conf. Ser. – 2010. – vol. 240, №1. – 012086 – URL: http://iopscience.iop.org/1742-6596/240/1/012086 (дата обращения 21.02.2016).Kloc L., Sklenichka V. Influence of the loading history on the creep of the 9% chromium steel at low creep rates // METAL 2004 (13): Int. Conf. (Hradec nad Moravicí (CZ), 04.05.18-04.05.20). – Hradec nad Moravicí (CZ), 2004. – P. 1 – 7.Kloc L., Sklenichka V. Infl uence of the loading history on the creep of the 9% chromium steel at low creep rates // METAL 2004 (13): Int. Conf. (Hradec nad Moravicí (CZ), 04.05.18-04.05.20). – Hradec nad Moravicí (CZ), 2004. – P. 1 – 7.Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. В двух книгах. Кн. 1/ Л. Б. Гецов. – Рыбинск: ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2010. – 611 с.Guetsov L. B. Materials and Strength of the gas turbines details. two books, book 1. – Rybinsk: ООО «Publishing Hous «Gas turbine technology», 2010. – 611 p.Eggeler G., Wiesner C. A numerical study of parameters controlling stress redistribution in circular notched specimens during creep // Journal of strain analysis – 1993. – v. 28. – P. 13 – 22.Eggeler G., Wiesner C. A numerical study of parameters controlling stress redistribution in circular notched specimens during creep // Journal of strain analysis – 1993. – v. 28. – P. 13 – 22.Hancock J. W., Mackenzie A. C. On the mechanisms of ductile failure in high-strength steels subjected to multi-axial stress-states // J. Mech. Phys. Solids, – 1976. – v. 24. – P. 147 – 169.Hancock J. W., Mackenzie A. C. On the mechanisms of ductile failure in high-strength steels subjected to multi-axial stress-states // J. Mech. Phys. Solids, – 1976. – v. 24. – P. 147 – 169.Holmström S., Rantala J. Modeling and verifi cation of creep strain and exhaustion in a welded steam mixer // Journal of Pressure Vessel Technology. – 2009. – v. 131, №6, 061405. – 5 p.Holmström S., Rantala J. Modeling and verification of creep strain and exhaustion in a welded steam mixer // Journal of Pressure Vessel Technology. – 2009. – v. 131, №6, 061405. – 5 p.Penny R. K., Mariott D. L. Design for Creep – sec. ed. – London: Chapman&Hall, 1995. – 430 p.Penny R. K., Mariott D. L. Design for Creep – sec. ed. – London: Chapman&Hall, 1995. – 430 p.Прохорова Т. В. Прогнозирование длительной прочности разнородных сварных соединений хромомолибденованадиевых и 9–12% хромистых сталей: дис. канд. тех. наук. – СПб, 2017. – 185 с.Prokhorova T. V. Creep strength prediction of dissimilar CrMoV and 9 – 12% Cr steels welded joints: PhD thesis. – SPb, 2017. – 185 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.