Целостность сварного шва в экстремальных условиях

Для конструкций, работающих в условиях ползучести при низких (ниже -46 °C) и высоких (более 500 °C) температурах, требования к сварочным материалам существенно различаются, но оба варианта чрезвычайно строгие.Целостность сварного шва в экстремальных условиях

Далее будут подробно описаны наиболее важные эксплуатационные показатели и соответствующие стандарты испытаний для этих двух областей.

一. Низкотемпературные условия (≤ -46 °C)

Такие конструкции обычно встречаются в резервуарах для хранения сжиженного природного газа (СПГ), криогенных трубопроводах, полярных судах и научно-исследовательских центрах. Основная угроза — хрупкое разрушение.

Наиболее строгий эксплуатационный показатель: ударная вязкость

●Требование: металл сварного шва должен обладать чрезвычайно высокой поглощающей энергией удара по Шарпи с V-образным надрезом при минимальной расчетной температуре (MDMT) для предотвращения возникновения и распространения хрупкого разрушения.

●Почему требования настолько строгие:

▶ Переход вязкости: Сталь и металл сварного шва переходят из пластичного состояния в хрупкое при понижении температуры. При низких температурах, таких как -46 °C, крайне важно обеспечить сохранение сварного шва в области плато вязкости.

▶ Концентрация напряжений: Геометрические нарушения сплошности и микроскопические дефекты в сварных соединениях легко приводят к концентрации напряжений. Высокопрочные сварные швы могут затуплять вершины трещин и предотвращать их распространение посредством пластической деформации.

▶ Чувствительность к микроструктуре: Вязкость металла сварного шва чрезвычайно чувствительна к его микроструктуре (например, размеру зерна, наличию включений и вторичных фаз). Любой незначительный металлургический дефект может привести к резкому снижению вязкости.

Основные стандарты и методы контроля

❶ Испытание на удар по Шарпи с V-образным надрезом

● Стандарты: ASTM A370 / ASTM E23 (американский стандарт), ISO 148-1 (международный стандарт), GB/T 229 (китайский национальный стандарт).

● Показатели:

⑴ Поглощённая энергия удара: При заданной температуре (например, -50°C, -60°C или даже -101°C) минимальная энергия удара одного образца и средняя энергия удара группы из трёх образцов должны соответствовать требованиям стандарта или проектной спецификации. Например, в сфере производства СПГ высокая энергия удара обычно требуется даже при -196°C.

(2) Боковое расширение: величина пластической деформации на обратной стороне образца после разрушения. Это ещё один важный показатель вязкости, обычно требующий ≥ 0,38 мм.

(3) Процент разрушения волокон: процент площади, занимаемой кромкой сдвига, также напрямую отражает ударную вязкость.

❷ Испытание на раскрытие вершины трещины

● Стандарты: ASTM E1820, BS 7448.

● Применение: Для особо ответственных или толстостенных конструкций испытание на разрыв до разрушения (CTOD) точнее, чем испытание на удар по Шарпи, измеряет сопротивление материала распространению трещины, предоставляя расчетные параметры механики разрушения. Оно измеряет критическое раскрытие вершины трещины.

Ключевые моменты выбора и контроля сварочных материалов

● Используйте сварочные материалы из сплавов с высоким содержанием никеля (Ni) (например, сварочные материалы для сталей 3,5Ni, 5Ni и 9Ni). Никель значительно снижает температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое.

● Убедитесь, что сварочный материал обеспечивает чистую, мелкозернистую микроструктуру шва (например, мелкозернистый феррит и нижний бейнит).

● Строго контролируйте погонную энергию сварки и межпроходную температуру, чтобы избежать укрупнения зерна и обеспечить ударную вязкость.

二. Условия высокотемпературной ползучести (> 500 °C)

Такие структуры обычно встречаются в котлах электростанций, паропроводах, газовых турбинах и химических реакторах. Основная угроза — прогрессирующая деформация и разрушение под действием постоянного напряжения и высокой температуры.

Наиболее требовательные эксплуатационные показатели: предел ползучести и вязкость разрушения при ползучести

❶ Прочность на излом при ползучести

● Требование: Наплавленный металл должен быть устойчив к разрушению в течение всего своего проектного срока службы (например, 100 000 часов/200 000 часов) при проектной температуре и рабочем напряжении.

● Почему это так важно: При высоких температурах увеличивается диффузионная способность атомов металла. Даже если напряжение ниже предела текучести, будет происходить медленная, непрерывная пластическая деформация (ползучесть), что в конечном итоге приведет к разрушению под напряжением, значительно ниже предела прочности на разрыв. Сварной шов является самым слабым звеном при разрушении при ползучести.

❷ Пластичность при ползучести

● Требование: Металл шва должен обладать достаточным удлинением и сужением площади сечения при разрушении при ползучести.

● Причины строгости: Низкопластичное сварное соединение склонно к образованию трещин IV типа при ползучести, которые приводят к раннему разрушению в мелкозернистой области зоны термического влияния (ЗТВ) основного металла. Этот тип трещин трудно обнаружить, и он чрезвычайно опасен. Высокая пластичность при ползучести допускает определенную степень перераспределения деформации и напряжений, предотвращая хрупкое разрушение при ползучести.

❸ Стабильность микроструктуры

● Требования: Микроструктура сварного шва должна оставаться стабильной при длительном воздействии высоких температур, без чрезмерного фазового превращения, укрупнения выделений или образования вредных фаз (таких как σ-фаза или фаза Лавеса).

● Причины строгости: Эти изменения микроструктуры значительно ускоряют процесс ползучести, приводя к преждевременной потере прочности и пластичности.

Основные стандарты и методы контроля

❶ Испытание на разрушение при ползучести

● Стандарт: ASTM E139 (Стандартный метод испытаний на ползучесть, разрушение при ползучести и разрушение под напряжением).

● Показатели:

▶ Прочность на разрушение при ползучести: Значение напряжения, вызывающее разрушение материала при заданной температуре через заданное время (например, 10^5 часов, 10^6 часов). Это основные данные для оценки сварочных материалов.

▶ Долговечность при ползучести: время до разрушения при заданном напряжении и температуре.

▶ Удлинение/сужение площади разрушения при ползучести: ключевой показатель пластичности при ползучести.

❷ Испытание на кратковременное растяжение при высокой температуре

● Стандарт: ASTM E21.

● Применение: хотя этот метод не может заменить испытание на длительную ползучесть, он позволяет определить предел текучести и прочность материала на растяжение при высоких температурах, что является основой для проектирования и отбора.

❸ Анализ микроструктуры

● Методы: металлургическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, энергодисперсионная спектроскопия.

● Применение: для исследования сварных образцов после длительного старения или эксплуатации, оценки образования карбидов, выделения вредных фаз и т. д., а также для проверки стабильности их микроструктуры.

Ключевые моменты выбора и контроля сварочных материалов

● Состав сварочных материалов должен соответствовать основному металлу и обладать хорошей стойкостью к размягчению при отпуске и стабильностью микроструктуры (обычно содержать элементы, стабилизирующие карбиды, такие как Mo, V и Nb).

● При сварке разнородных сталей необходимо уделять особое внимание выбору сварочных материалов (например, сплавов на основе никеля) с учетом различных коэффициентов теплового расширения и ползучести.

● Процесс сварки должен обеспечивать отсутствие дефектов в сварном шве и зоне термического влияния, а также получение стабильной микроструктуры путем соответствующей термической обработки.

三：Сводка и сравнение