ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТУРБИНЫ НА ССКП

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. 

1. Земзин В. Н. Жаропрочность сварных соединений – Л. : Машиностроение, 1972. – 272 с.

2. Шрон Р. З. О прочности при растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой в условиях ползучести // Сварочное производство. – 1970. – №5. – С. 6 – 8.

3. 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.

4. Бакши О. А., Шрон Р. З. О расчетной оценке прочности сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. – 1971. – №3. – С. 3 – 5.

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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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).

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Esposito L., Bonora N. A primary creep model for Class M materials // Materials Science and Engineering A – 2011. – v. 528. – P. 5496 – 5501.

19. 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).

20. 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.

21. 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.

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.

23. 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.

24. 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.

25. Penny R. K., Mariott D. L. Design for Creep – sec. ed. – London: Chapman&Hall, 1995. – 430 p.

26. Прохорова Т. В. Прогнозирование длительной прочности разнородных сварных соединений хромомолибденованадиевых и 9–12% хромистых сталей: дис. канд. тех. наук. – СПб, 2017. – 185 с.