Главная > Разное > Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2.6. Экспериментальные исследования тоещиностойкости при циклическом нагружении в воде высоких параметров

Для повышения достоверности результатов расчета было проведено дополнительное экспериментальное обоснование в следующих направлениях: определение характеристик скорости роста усталостных трещин в среде теплоносителя при рабочих параметрах давления и температуры (настоящий раздел); исследование влияния старения после 100 тыс. ч эксплуатации на характеристики трещиностойкости (разд. 2.7); комплексная проверка методики испытанием на трещи ностой кость полномасштабных труб ГЦТ (разд. 2.8).

Проведены исследования трещи ностой кости материалов трубопровода Ду 500 - сталей 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и сварного соединения, выполненного РДС электродом ЭА400/10Т по штатной технологии. Механические свойства материалов приведены в табл.31.

В связи с необходимостью определения характеристик циклической трещиностойкости разных зон сварного соединения были разработаны мероприятия, обеспечивающие стабильность свойств наплавленного металла по всему сечению сварного шва и возможность изготовления плоских образцов и образцов типа СТ-1 с исходным надрезом в металле шва, в зоне сплавления или в зоне термовлияния. Разделку под сварку выполняли асимметричной, прямоугольной. Трубы из стали 08Х18Н10Т сваривали на подкладных кольцах для исключения непроваров в корне шва. Сварку проводили на ЗИО, г. Подольск, по штатной технологии. После сварки усиление шва и подкладное кольцо срезали, протачивая заготовки на токарном станке. Качество соединения контролировали визуально и с использованием метода рентгеноскопии.

Исходные надрезы располагали в различных зонах сварного соединения (рис. 62, 63). Ориентация надрезов — тангенциальная, осевая и радиальная.

Испытания на циклическую трещи ностой кость сварного соединения материала трубопровода Ду 500 на воздухе проводили на плоских образцах сечением 10x60 мм и 10x30 мм и рабочей длиной 220 мм.

Таблица 31. Механические свойства материалов

Таблица 32. Характеристики циклической трещнностойкости различных зон сварного соединения стали 08X18H10T

На образцах сечением 10x60 мм оценивали скорость распространения трещины в тангенциальном направлении, а сечением 10x30 мм — в радиальном. Инициирующий надрез выполняли электроэрозионным способом (см. рис. 63) в требуемой зоне сварного соединения; глубина надреза 3 мм, радиус при вершине 0,13 мм.

Рис. 61. Схема сварки трубы и разрезки на заготовки

Образцы испытывали на универсальной электрогидравлической машине PC-400S фирмы «Schenck» (ФРГ) при осевом растяжении, частоте нагружения 20 Гц, температуре испытания 20 °С, коэффициентах асимметрии цикла R = 0 и 0,7. При проведении испытаний выполнялись методические указания нормативного документа [71].

В результате исследований были получены экспериментальные данные по скорости роста трещин в различных зонах сварного соединения в диапазоне изменения скоростей от до (рис. 64—69). На построенных кинетических диаграммах усталостного разрушения можно выделить два основных участка: нижний — припороговый и среднеамплитудный, с линейной зависимостью между и Для среднеамплитудного участка рассчитывали коэффициенты Сия уравнения.

Рис. 62. Схема расположения надрезов в образце СТ-1: 1 — в зоне металла шва; 2 — в зоне сплавления; 3 — в зоне термовлияния

Рис. 63. Схема расположения надрезов в плоском образце: 1 — в зоне металла шва; 2 — в зоне сплавления; 3 — в зоне термовлияния; 4 — в основном металле

Сопоставление результатов исследований показывает, что для стали 08Х18Н10Т, металла шва и зоны сплавления скорости роста трещин в тангенциальном и радиальном направлениях довольно близки. Для стали 08Х18Н12Т и металла зоны термовлияния можно отметить несколько более высокое сопротивление распространению трещины в радиальном направлении по сравнению с тангенциальным.

Результаты оценки циклической трещиностойкости основного металла стали 08Х18Н10Т и 08Х18Н12Т (см. рис. 64-66) показали, что скорости роста трещин в исследуемых сталях близки к скоростям роста трещин для отечественных и зарубежных нержавеющих сталей типа 18-8.

Рис. 64. Скорость роста трещин в стали 08Х18Н10Т на воздухе при R=0 и t=20 °С для тангенциального (1) и радиального (2) направлений

Рис. 65. Скорость роста трещин в стали 08Х18Н12Т на воздухе при R = 0 и t = 20 °С для тангенциального и радиального направлений

Рис. 66. Скорость роста трещин в сталях 08Х18Н10Т (1, 2) и 08Х18Н12Т (3, 4) для тангенциального (1,3) и радиального (2, 4) направлений

Рис. 67. Скорость роста трещин в металле сварного шва на воздухе при R = 0 и t = 20 °С для тангенциального (l) и радиального (2) направлений

Рис. 68. Скорость роста трещин в зоне сплавления сварного соединения при R = 0 и t = 20 °С для тангенциального (1) и радиального (2) направлений

Рис. 69. Скорость роста трещин в зоне термовлияния сварного соединения при R = 0 и t = 20°С для тангенциального (7) и радиального (2) направлений

Небольшие различия в уровнях циклической трещиностойкости объясняются отклонениями в химическом составе, варьированием режимов термообработки, изменением механических свойств сталей.

Анализ циклической трещиностойкости различных зон сварного соединения показал, что во всем исследуемом диапазоне изменения наиболее высокая скорость роста трещин была отмечена для металла сварного шва. В данном случае не было установлено максимального повышения скоростей роста трещин в зонах сплавления или термовлияния, что нередко имеет место для сварных соединений аустенитных нержавеющих сталей и сталей других классов. Максимальное увеличение скорости роста трещин в металле шва по сравнению с основным металлом не превышало 1,5—2 раз. Циклическая трещиностойкость зон сплавления и термовлияния была не ниже циклической трещиностойкости основного металла.

Экспериментальные данные и расчетные зависимости скорости роста трещин в различных зонах сварного соединения показаны на рис. 70. В табл. 32 приведены коэффициенты С и n для исследуемого сварного соединения.

Результаты исследования влияния коэффициента асимметрии цикла R на циклическую трешиностойкость основного металла и металла шва (рис. 71—72) показали, что повышение скорости роста трещины при изменении R с 0 до 0,7 наблюдалось не только на первом участке диаграммы при малых , но и на среднеамплитудном, где скорость роста трещины возрастала до двух (для стали 08Х1812Т), трех (для металла сварного шва) раз по сравнению с испытаниями при R = 0.

Влияние температуры на кинетику развития усталостных трещин в основном металле и сварном соединении оценивали при испытании образцов типа СТ-1 толщиной 25 мм. Ориентация трещины в основном металле — осевая и тангенциальная, в различных зонах соединения — тангенциальная, см. рис. 62.

Исследования проводили на электрогидравлической машине EDYZ 3—4 фирмы «Inova» (Чехия), снабженной индукционным нагревателем. Температура испытаний 20 и 300 °С. Частота нагружения f= 10 Гц, коэффициент асимметрии цикла R = 0,1 и 0,7. Методика проведения эксперимента описана в работе [72]. Результаты исследований показаны на рис. 73—76.

Скорость развития усталостных трещин при t = 20 °С и R = = 0,1 в диапазоне (см. рис. 73) практически не зависит от их ориентации в основном металле — осевая или тангенциальная.

Рис. 70. Циклическая трещиностойкость различных зон сварного соединения на среднеамплитудном участке диаграммы при R = 0 и t = 20 °С

Рис. 71. Влияние коэффициента для тангенциального цикла на скорость роста трещин в стали 08Х18Н12Т на воздухе при t = 20 °С асимметрии

Рис. 72. Влияние R на циклическую трещиносгойкость металла шва на воздухе

Рис. 73. Скорость развития усталостных трещин в материале трубопровода Ду 500 на воздухе при 20 °С: О — основной металл, осевое направление; — основной металл, тангенциальное направление; О — зона сплавления;

Рис. 74. Скорость развития усталостных трещин в образцах разной толщины на воздухе при — образцы типа СТ-1; — плоские образцы 1060 мм; — R = 0,1;

Рис. 75. Влияние темпетаруры на кинетику распространения усталоствных трещин в материалечтрубопровода Ду 500 при R = 0,1: — основной металл, осевое направление; — основной металл, тангенциальное направление; — зона термического влияния; — зона сплавления; - металл

В то же время, как было показано выше, при радиальном распространении трещины для стали 08Х18Н12Т и металла зоны термовлияния были получены более низкие значения скорости роста трещин.

Рис. 76. Влияние температуры и коэффициента асимметрии цикла на скорость развития усталостных трешин в стали 08Х18Н10Т и в сварных соединениях

Как правило, наибольшие скорости развития трещин наблюдаются в тех случаях, когда направление распространения трещины совпадает с направлением проката, так как возникающая при этом текстура, а также соответствующая ориентация неметаллических включений будут способствовать ускоренному продвижению трещины. В направлении толщины скорость обычно меньше, что подтверждается приведенными выше результатами испытаний плоских образцов с ориентацией фронта распространения трещины в радиальном направлении.

Переход к R = 0,7 приводит к увеличению скорости развития трещин как осевой, так и тангенцильной ориентации в 2—4 раза (см. рис. 73, 76).

Влияние коэффициента асимметрии цикла на кинетику развития трещин в большей степени проявляется при относительно низких уровнях Эти данные хорошо согласуются с результатами исследований, выполненных на плоских образцах (см. рис. 74). Совместное рассмотрение кинетических диаграмм для плоских образцов толщиной 10 мм и образцов СТ-1 толщиной 25 мм показывает, что форма и толщина испытываемых образцов практически не влияют на скорость развития усталостных трещин.

Влияние температуры на циклическую трещиностойкость материалов трубопровода показано на рис. 75, 76.

Рис. 77. Циклическая трещиностойкость стали 08Х18Н12Т

Для стали 08Х18Н10Т при R = 0,1 имеет место 2—4-кратное увеличение скорости развития трещины с повышением температуры до 300 °С. В то же время при 300 °С коэффициент асимметрии цикла незначительно влияет на кинетику развития трещин в основном металле и металле сварного шва.

На рис. 77 показаны обобщенные данные по скорости роста усталостных трещин в стали 08Х18Н12Т. Скорость развития усталостных трещин для этого материала в меньшей степени зависит от температуры и коэффициента асимметрии цикла, чем в стали 08Х18Н10Т, что по-видимому, связано с несколько более высоким пределом текучести стали 08Х18Н12Т и более высокими скоростями роста трещины при t = 20 °С и R = 0. При 300 °С оба материала являются равнопрочными по критериям циклической трещиностойкости (рис. 78).

Рис. 78. Циклическая трещиностойкость основного металла и сварного соединения трубопровода

Скорость развития усталостных трещин в различных зонах сварного соединения при 300 °С находится примерно на том же уровне, что и для сталей 08Х18Н10Т и 08Х18Н12Т.

Весь массив данных по циклической трещиностойкости сталей трубопроводов Ду 500 - 08Х18Н10Т и 08X18H12T и разных зон сварных соединений, полученных на воздухе при R = 0 — 0,1 и R = 0,7, t = 20 и 300 °С, может быть ограничен верхней огибающей:

Исследование скорости развития усталостных трещин в сталях 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и в различных зонах сварного соединения трубопровода Ду 500 в воде высоких параметров выполняли на автоклавном комплексе ГНЦ ЦНИИТМАШ.

Рис. 79. Влияние водной среды высоких параметров на циклическую трещи ностой кость стали 08Х18Н12Т

Испытания проводили на образцах типа СТ-1 в водной среде следующего состава: . Температура испытаний t = 300 °С, давление среды равновесное, Р = 6,5 МПа, коэффициент асимметрии цикла R= 0,7, частота нагружения f = 1 цикл/мин.

Экспериментальные данные приведены на рис. 79 и 80. При испытании в воде высоких параметров отмечен больший разброс экспериментальных данных по скоростям развития трещин в основном металле и в различных зонах сварного соединения, чем при испытании на воздухе, что характерно для воздействия коррозинно-активных сред на стали разного класса. Сопротивление развитию усталостных трещин сталей 08Х18Н10Т и 08Х18Н12Т и различных зон сварного соединения, выполненного по штатной технологии, в этих условиях находится примерно на одном уровне. Варьирование состава среды — увеличение до 10 г/кг при рН = 8 — не влияло на кинетику развития трещин (см. рис. 79). Весь массив экспериментальных данных может быть ограничен верхней огибающей:

Рис. 80. Влияние водной среды высоких параметров на циклическую трешиностойкость стали 08Х18Н10Т и сварного соединения

Обобщенные данные по циклической трещиностойкости исследуемых сталей и сварного соединения трубопровода Ду 500 показаны на рис. 81. Анализ экспериментальных результатов показывает, что скорость развития усталостных трещин в воде высоких параметров в 5—10 раз выше, чем на воздухе. Наибольшее влияние среды проявляется при относительно низких значениях

Таким образом, совместное рассмотрение кинетических диаграмм усталостного разрушения сталей 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и разных зон сварного соединения материала трубопровода Ду 500 позволяет сделать следующие выводы:

На воздухе наиболее значимыми факторами, влияющими на циклическую трещиностойкость материалов трубопроводов, являются коэффициент асимметрии цикла и температура.

Рис. 81. Влияние водной среды высоких параметров на циклическую трешиностойкость материалов трубопровода Ду 500

Сталь 08Х18Н10Т имеет некоторое преимущество по циклической трещиностойкости перед сталью 08Х18Н12Т при R = 0 и t=20 °С, однако, коэффициент асимметрии цикла и повышенная температура (t = 300 °С) в меньшей степени увеличивают скорость роста трещин в стали 08Х18Н12Т, поэтому циклическая трешиностойкость сталей 08Х18Н10Т и 08Х18Н12Т при t = 300 °С и R = 0,7 находится практически на одном уровне. Металл шва сварного соединения трубопровода Ду 500 имеет несколько более высокие значения скорости роста трещины, чем сталь 08X18Н ЮТ; циклическая трешиностойкость зон сплавления и термовлияния находится на уровне основного металла. Оценка влияния направления развития трещины на скорость ее распространения показала, что в осевом и тангенциальном направлениях скорость роста трещин примерно одинакова, в радиальном направлении — скорость в разных зонах сварного соединения оказалась ниже или близкой к скорости в тангенциальном направлении.

В воде высоких параметров, по составу соответствующей воде первого контура, установлено существенное (в 5-10 раз) повышение скорости развития усталостных трещин в исследуемых сталях и разных зонах сварного соединения по сравнению с воздухом.

Наибольшее влияние среды проявляется при относительно низких значениях . При больших значениях этот эффект также существенен (5-кратное увеличение). Предложены аналитические зависимости для расчета скорости развития усталостных трещин в материалах трубопроводов в условиях, моделирующих эксплуатационные. Полученные результаты исследования будут использованы для оценки долговечности трубопроводов АЭС в рамках анализа условий выполнения концепции ТПР (см. разд. 2.9 и 2.13).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление