Хладостойкие стали и сплавы

Солнцев Ю.П.

СПб. : ХИМИЗДАТ, 2017 г.

Явление хладноломкости, т. е. хрупкого разрушения, связанного с действием низких, температур, впервые стало предметом широкого обсуждения в связи с бурным строительством железных дорог во второй половине XIX в. После замены пудлингового способа производства бессемеровским и мартеновским было отмечено, что рельсы, изготовленные из литого металла, внезапно разрушались при понижении температуры. Уже тогда были признаны актуальность проблемы хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и выработки мероприятий по ее устранению.

В первой половине XX в. значительно возросло число крупных аварий железнодорожных мостов, морских судов, резервуаров для хранения нефти, магистральных газопроводов. Аварии обычно происходили в зимнее время года при совместном действии низкой температуры, ветра, штормовой погоды. Анализ разрушений показал, что в большинстве случаев они начинались в дефектных местах сварных швов.

Мост через канал Альберта в Бельгии, построенный в 1936 г., разрушился весной 1938 г. при морозной погоде [1]. Очевидцы услышали звук, подобный выстрелу, а затем, спустя несколько минут, мост разломался на три части, которые упали в канал (рис. 1.1).

Анализ причин аварии показал, что при проектировании моста не были приняты меры к уменьшению значительной концентрации напряжений, особенно в местах сварки, которые, кроме того, были еще дополнительно ослаблены неудовлетворительным качеством сварки.

В конце 1940-х гг. в США было отмечено много случаев полного или частичного разрушения судов сварной конструкции, происходивших, как правило, в зимнее время. Многие суда разрушались полностью, разламываясь на две части (рис. 1.2), причем в местах разрушения отсутствовали признаки заметной деформации, что свидетельствовало о его хрупком характере. Анализ причин разрушений также показал, что они, как правило, начинались в местах концентрации напряжений. Это были участки с различными дефектами сварки, места неудовлетворительной формы элементов судна (например, различные отверстия прямоугольного сечения с острыми углами) и, наконец, места с дефектами материала (включениями, пустотами и т. п.).

Разрушение крупного резервуара вместимостью 5000 м³, полностью загруженного продуктом, произошло при температуре окружающего воздуха —34 °С [2]. Действительная температура корпуса с учетом теплоотдачи продукта в момент аварии была —10 °С. Диаметр резервуара 30 м, высота 12 м. Материал корпуса — низкоуглеродистая сталь марки ВСтЗсп-5.

При осмотре участка сварки установлено, что корпус разорван по образующей по всей высоте (рис. 1.3), оторван от днища и кровли и отброшен в сторону. Динамическое нагружение перед аварией не производилось.

Анализ участка сварки показал, что непосредственной причиной разрушения резервуара явился концентратор напряжения — непровар в шве корпуса люка-лаза, вызванный тем, что при сварке кратер не был выведен на технологическую подкладку. Испытания на ударный изгиб образцов из листов корпуса показали достаточный уровень ударной вязкости металла, по которому распространилась хрупкая трещина.

Таким образом, применение стали с достаточным уровнем вязкости еще не гарантирует конструкцию от опасности хрупкого разрушения.

Катастрофическое разрушение крупного резервуара, построенного из десятков тонн здоровой стали и имеющего сотни метров качественного сварного шва, произошло из-за недопустимой халатности — непровара при изготовлении небольшого участка конструкции.

Трубопроводы также проявляют склонность к хрупким разрушениям при низких температурах. Наиболее характерный вид разрушения сквозные трещины кольцевых швов. Трещины, как правило, начинаются от первичных дефектов типа непроваров, подрезов, скопления пор и шлаковых включений. Вероятность образования трещин возрастает при использовании высокопрочных сталей, а также при выполнении работ при низких температурах.

Наличие мелких трещин и пор может привести к просачиванию находящегося под давлением газа и к расширению его при выходе на поверхность. Специальные опыты, приведенные в [1], показали, что расширение метана при перепаде давления от 50 до 1 ат сопровождается дополнительным снижением температуры в окрестностях отверстий на 30 °С. Это существенно снижает сопротивление металла пластической деформации и способствует хрупкому разрушению. Холодные трещины образуют свищи, приводящие к воспламенению газа.

Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в связи С освоением Сибири и Крайнего Севера. Более половины территории России расположено севернее изотермы января с температурой —20 "С (рис. 1.4) Такие районы, как Сибирь, Заполярье, Якутия, Дальний Восток, шельф Северного Ледовитого океана, характеризуются большими запасами полезных ископаемых и перспективны в промышленном отношении.

Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко снижается. Анализ работы автохозяйств зоны с суровым климатом показал, что Срок службы автомобилей в этой зоне по сравнению с европейской частью России сокращается в 2 раза, а аварии и поломки, связанные С климатическими условиями, выводят из Строя до 25 % парка машин. Поток отказов деталей тракторов и бульдозеров увеличивается в зимнее время в 2-6 раз по сравнению с летним периодом, деталей экскаваторов — в 5—7 раз. Особенно опасным является период пуска машин в работу после остановки. Бульдозер Д-572, эксплуатируемый на горных работах Северо-Востока страны, за год "теряет в массе" до 900 кг, бульдозер 41В - до 2200 кг. В настоящее время в Сибири и на Севере эксплуатируется несколько десятков тысяч машин только этого типа.

При низких температурах происходит разрушение сварных рам железнодорожных вагонов и ответственных литых деталей корпусов автосцепки. На промыслах Сибири частота отказов буровых установок зимой возрастает по сравнению с летним периодом более чем в 2 раза. При температурах ниже —35 °С во избежание крупных поломок приходится останавливать мощные экскаваторы, буровые установки, некоторые строительные машины, хотя регламентом работы северных горнодобывающих предприятий предусмотрена круглогодичная эксплуатация.

Карьерные экскаваторы, выпускаемые производственным объединением "Уралмаш", "Ижорскими заводами" и рядом других предприятий, различаются по мощности, конструктивному и технологическому исполнению. Основными отказами, снижающими их работоспособность, являются отказы механической части машин.

По данным ИФТПС ЯФ СО РАН, при сроке списания 10 лет фактический срок службы узлов экскаватора ЭКГ-8И составляет: для стрелы, растяжки стрелы, траков 2 года; для балки рукояти 7 лет; для ходовой рамы 2,5—3,0 года; для ковша 1,5 года. Замена вышедших из строя деталей — трудоемкий процесс, так как при этом приходится останавливать весь агрегат и демонтировать многие узлы. Например, для замены рукояти экскаватора ЭКГ-8И требуется 2 сут. Рост числа разрушений литых деталей происходит, как правило, в температурном интервале от —25 до —35 "С. Так, число разрушений рукояти экскаватора ЭКГ-8И увеличивается с 4-5 % при 20 "С до 20 % при -35 "С; частота поломок ковша экскаватора ЭКГ-8И возрастает с 8 % при 20 °С до 45 % при -35 "С.

Хрупким разрушениям в зимнее время особенно подвержены сварные детали рабочего оборудования: ковши, рукоять, стрелы — и ходового механизма: нижняя рама, натяжная ось и гусеничные рамы.

По данным В. П. Ларионова [3], Срок службы балок рукояти карьерного экскаватора марки ЭКГ-4,бБС из низколегированной стали 10ХСНД при работе на карьерах Урала в 4 раза превышает срок службы балок из стали СтЗ. Однако работоспособность рукоятей в условиях более холодного климата недостаточно высока. Если на Урале срок службы рукояти из стали 10ХСНД достигает 32 мес, то в зоне более холодного климата Якутии этот срок не превышает 5—10 мес, что составляет не более трети нормативного срока.

Снижение работоспособности обусловлено не только усилением склонности металла рабочих частей к хрупкому разрушению, но и увеличением действующих нагрузок из-за смерзания грунтов.

Из рис 1.5 видно, что у крупных карьерных экскаваторов Норильского горнометаллургического комбината балки рукояти ковша в декабре ломались в 4 раза чаще, чем в июле [4].

Низкая стойкость в зимнее время наблюдается у экскаваторов не только отечественного производства. В производственном объединении "Якутуголь" эксплуатируются гидравлические экскаваторы 204М

"Суперфронт" вместимостью ковша 20 м³, электромеханические экскаваторы 201MSS вместимостью ковша 16 м³. Эти экскаваторы изготовлены фирмой "Сумитомо-Марион" (Япония). В ПО "Кемеровоуголь", наряду с этими экскаваторами, эксплуатируются экскаваторы РН2300 фирмы "Кобе стил" (Япония).

Опыт эксплуатации этих экскаваторов показывает, что число отказов механических систем в зимний период эксплуатации возрастает в 3—4 раза по сравнению с летним, что указывает на значительное влияние климатического фактора на надежность работы оборудования. Значительное время экскаваторы простаивают из-за хрупких разрушений зубьев ковшей. Зуб ковша представляет собой отливку из высокопрочной хромоникельмолибденовой стали массой до 370 кг, длиной 1200 мм, шириной 280 мм и высотой 380 мм. Отказы зубьев составляют до 50 % отказов всех элементов механических систем экскаватора, причем в холодный период эксплуатации число отказов возрастает в 2-3 раза.

По данным ПО "Якутуголь", из-за аварийных отказов экскаваторов ЭКГ-12,5 величина удельного ущерба в зимнее время в 7—8 раз выше по сравнению с летним периодом.

Обследование, проведенное Институтом физико-технических проблем Севера (г. Якутск) под руководством В. П. Ларионова [3], показало, что наиболее часто причинами разрушений сварных конструкций экскаваторов является несоответствие основного конструкционного материала по хладостойкости (около 29 %), а также использование технологии и сварочных материалов, не обеспечивающих хладостойкость соединения (24 %). В среднем по районам Крайнего Севера страны каждый карьерный экскаватор простаивает 70-90 дней в году вследствие неприспособленности к работе при низких температурах.

Скорость и порывистость ветра также могут способствовать хладноломкости. Сильный ветер способен создавать в конструкциях динамические напряжения. Кроме того, при изменении температуры воздуха ветровая нагрузка усиливает теплоотвод, что дополнительно повышает перепад температур между сердцевиной и поверхностью конструкции и вызывает развитие напряжений. В высоких конструкциях типа башенных кранов ветровая нагрузка приводит к развитию явлении усталости, которые дополнительно повышают критическую температуру хрупкости.

Для последних десятилетий характерно бурное развитие криогенной техники. Важным стимулом для ее развития стало осуществление в мире космических и ядерных программ. Сфера применения криогенной техники в народном хозяйстве непрерывно растет. С ней неразрывно связано развитие таких традиционных отраслей промышленности, как металлургия, химия, а также сельского хозяйства. Ростом научно-технической революции и развитием новых отраслей техники (ракетостроение, энергетика, управление термоядерными процессами, освоение космоса, физика высоких энергий) в значительной мере обусловлено активное применение криогенной техники. Появились такие специальные отрасли знания, как криобиология, криомедицина, криоэнергетика и др.

Важнейшим фактором дальнейшего развития криогенной техники является разработка и внедрение материалов, пригодных для работы при низких температурах.

Конструирование и внедрение в серийное производство криогенной техники должны базироваться на глубоких знаниях основ низкотемпературной прочности, надежных методах оценки работоспособности, надежности и долговечности материалов; научно обоснованных рекомендациях по выбору материалов, содержащих основные характеристики их свойств.

К техническим средствам, предназначенным для использования при низких температурах и характеризующимся повышенной металлоемкостью, относятся [5]:

— холодильные установки и аппараты для получения и разделения сжиженных газов (например, ректификационные колонны);

— криогенные резервуары и магистральные трубопроводы для транспортировки сжиженных газов;

— космические аппараты и ракеты;

— сверхпроводящие магниты для энергетики, управляемого термоядерного синтеза, транспорта;

— установки для проведения специальных физических экспериментов (жидководородные пузырьковые камеры, аппаратура для изучения эффектов сверхпроводимости и др.).

В зависимости от места расположения и температуры окружающей среды температура наружных стенок скруббера может колебаться от 320 до 280 К В регенераторах температура изменяется по высоте от 300 (верх) до 100 К (низ), регенератор работает в условиях многократной смены давления (до 2 млн. циклов за период эксплуатации). Как правило, в адсорберах температура периодически повышается с 90 до 530 К для восстановления свойств адсорбента. В баках комплексной очистки температура может изменяться в интервале 270-670 К.

Металл аппаратов типа конденсаторов, колонн и др. соприкасается непосредственно с жидкими продуктами разделения воздуха: азотом, кислородом. В этих условиях температура металла практически постоянна. В других аппаратах, за исключением адсорберов, она может несколько меняться, однако эти колебания (±3 К) незначительны с точки зрения работоспособности металла. Наибольший перепад температур наблюдается в зоне детандера.

С точки зрения температуры металла работа гелиевых ожижителей является аналогичной (рис. 1.7), с той лишь разницей, что, как правило, длительность эксплуатации менее продолжительна, и поэтому чаще производится запуск и наблюдается связанный с ним цикл изменения температур металла.

Часть газообразного гелия (10 %) после компрессора, пройдя ряд теплообменников ожижительного контура и охладившись до температуры, близкой к температуре ожижения, попадает к дросселю 6, где происходит дросселирование потока, после чего жидкость попадает в ванну, а газообразный гелий всасывается компрессором. Основная же масса газообразного гелия (90 %) идет после промежуточных теплообменников к тепловому насосу, где за счет работы расширения температура его в различных зонах понижается с 80 до 14 К.

Температура металла внутренних элементов сосудов для хранения криогенных продуктов (рис. 1.8) практически постоянна, если не считать периодов заполнения сосуда из отогретого состояния. Часто такие сосуды имеют дополнительное оборудование для ожижения испаряющегося за счет теплопритока извне продукта, учитывая необходимость возвращения его в сосуд. Газообразный водород, пройдя по элементам 1, 2,4,5, 6 системы ожижения водорода (рис. 1.9), охлаждается с 283 до 20 К: часть его сжижается, а остальная через теплообменники 6 и 4, отдав холод встречному потоку газообразного водорода, направляется на всос компрессора. Оборудование изолируется от внешней среды вакуумной оболочкой 3.

Металл магистральных трубопроводов для передачи сжиженных газов подвергается, по-видимому, наиболее частому охлаждению и отогреву; при этом металл внутренней трубы (рис 1.10) принимает температуру передаваемого продукта; металл кожуха (наружный) трубы имеет температуру окружающего воздуха (330-220 К в зависимости от климатических условий). Указанные выше температуры характерны и для арматуры (рис. 1.11), устанавливаемой на магистральных трубопроводах. Наибольший температурный перепад по металлу приходится на тепловой мост, в связи с чем детали его изготовляют комбинированными (металлопластик).

На рис 1.12 приведено оборудование, служащее для газификации сжиженных газов. В резервуаре за счет подачи по трубопроводу 1 накапливается сжиженный газ. Подавая жидкость в испаритель, создают избыточное давление в паровом пространстве резервуара, после чего начинается выдача газа потребителю по трубопроводу 4. По окончании производится сброс давления вентилем 3. В случае необходимости жидкость можно удалить через сливной вентиль.

В этой установке неравномерному и достаточно быстрому охлаждению в температурном интервале 290-77 К подвергается металл элементов, где происходит отогрев и испарение криогенных продуктов.