Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА
Описана взаимосвязь между скоростью роста коррозионных трещин и коэффициентом интенсивности напряжений на основе диаграммы статической коррозионной трещиностойкости. Подтверждена основная рабочая гипотеза о дискретности роста трещины конструкционной стали. The paper describes the interrelation betwe...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101257 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА / В.И. Махненко, Л.И. Маркашова, О.В. Махненко, Е.Н. Бердникова, В.М. Шекера, А.С. Зубченко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 3-6. — Бібліогр.: 7 назв. — рос |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859720980943863808 |
|---|---|
| author | Махненко, В.И. Маркашова, Л.И. Махненко, О.В. Бердникова, Е.Н. Шекера, В.М. Зубченко, А.С. |
| author_facet | Махненко, В.И. Маркашова, Л.И. Махненко, О.В. Бердникова, Е.Н. Шекера, В.М. Зубченко, А.С. |
| citation_txt | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА / В.И. Махненко, Л.И. Маркашова, О.В. Махненко, Е.Н. Бердникова, В.М. Шекера, А.С. Зубченко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 3-6. — Бібліогр.: 7 назв. — рос |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Описана взаимосвязь между скоростью роста коррозионных трещин и коэффициентом интенсивности напряжений на основе диаграммы статической коррозионной трещиностойкости. Подтверждена основная рабочая гипотеза о дискретности роста трещины конструкционной стали.
The paper describes the interrelation between corrosion crack growth rate and stress intensity factor based on the diagram of static corrosion crack resistance. The main working hypothesis on the discrete nature of crack growth in structural steel is confirmed.
|
| first_indexed | 2025-12-01T09:19:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:669.14/.15
РОСТ КОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН
В КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ 10ГН2МФА
Академик НАН Украины В. И. МАХНЕНКО, Л. И. МАРКАШОВА, О. В. МАХНЕНКО, доктора техн. наук,
Е. Н. БЕРДНИКОВА, В. М. ШЕКЕРА, кандидаты техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины),
А. С. ЗУБЧЕНКО, д-р техн. наук («Гидропресс», г. Подольск, РФ)
Описана взаимосвязь между скоростью роста коррозионных трещин и коэффициентом интенсивности напряжений
на основе диаграммы статической коррозионной трещиностойкости. Подтверждена основная рабочая гипотеза о
дискретности роста трещины конструкционной стали.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные конструкции, парогенера-
тор АЭС, диаграмма статической коррозионной трещинос-
тойкости, конструкционная сталь, коррозионные трещины,
электронная микроскопия, коэффициент интенсивности
напряжений, водородное охрупчивание
Коррозионные трещины являются одними из
наиболее опасных дефектов, которые образуются
в современных стальных конструкциях длитель-
ного срока эксплуатации. В целом ряде случаев
процесс зарождения и формирования таких де-
фектов трудно поддается определению, поэтому
в зависимости от достаточно малых изменений
конкретных факторов длительность этого процес-
са формирования коррозионных трещин может
существенно меняться во времени.
В этих условиях имеет большое значение сво-
евременное обнаружение сформированной корро-
зионной трещины и кинетика ее роста во времени
при эксплуатации соответствующей конструкции.
Последнее очень часто является определяющим
и требует соответствующего накопления и обоб-
щения экспериментальных данных. Отмеченному
и посвящена настоящая работа.
Рассматриваемое в данной работе сварное со-
единение № 111 (рис. 1) в парогенераторах ПГ-
1000 современных атомных энергетических бло-
ков ВВЭР-1000 является в этом отношении проб-
лемным, поскольку каждый блок имеет в составе
четыре парогенератора. В настоящее время в Ук-
раине эксплуатируется 13 таких блоков на четы-
рех АЭС с длительностью эксплуатации в пре-
делах от 8 до 28 лет.
Первые дефекты в сварных соединениях № 111
на украинских АЭС были обнаружены в 2003 г.
на Южно-Украинской АЭС. До этого такие тре-
щины в соединении № 111 были обнаружены на
Нововоронежской и Калининской АЭС в России
примерно после 20-летней эксплуатации. Первые
обнаруженные трещины в основном были про-
дольные, т. е. вдоль сварного шва и достаточно
больших размеров как по окружности, так и по
глубине [1], что связано с трудностями их обна-
ружения методами неразрушающего контроля.
Для этих целей была разработана специальная ме-
тодика ультразвукового контроля [2], позволив-
шая обнаруживать такие дефекты на ранних ста-
диях их формирования. Поскольку процедура ре-
монта обнаруженных на ранней стадии форми-
рования рассматриваемых дефектов достаточно
длительная и связана с остановкой всего блока,
возникла необходимость в прогнозных оценках
ресурса безопасной эксплуатации парогенератора
с обнаруженными трещинообразными дефектами
в сварном соединении № 111, как «горячего» кол-
лектора (соединение № 111-1), так и «холодного»
© В. И. Махненко, Л. И. Маркашова, О. В. Махненко, Е. Н. Бердникова, В. М. Шекера, А. С. Зубченко, 2012
Рис. 1. Схема узла соединения коллектора с корпусом паро-
генератора с помощью патрубка: 1 — корпус парогенератора;
2 — коллектор; 3 — патрубок; 4 — главный циркуляционный
трубопровод; 5 — карман
8/2012 3
(соединение № 111-2) с патрубками корпуса па-
рогенератора (рис. 1).
В основу таких прогнозов положено знание
диаграммы статической коррозионной трещинос-
тойкости (ДСКТ) (рис. 2). Такие диаграммы раз-
рабатываются для конкретных материалов (ста-
лей) и агрессивных сред в зависимости от сило-
вого фактора KI — коэффициента интенсивности
напряжений для трещин нормального отрыва.
ДСКТ (рис. 2) содержит три зоны [3]. В I зоне
(0 < KI < KISCC), где механизмом коррозионного
роста является анодное растворение, роль сило-
вого фактора невелика. Во II зоне (KISCC < KI <
< KIC) — зоне водородного охрупчивания — ско-
рость роста коррозионной трещины значительно
выше. Верхняя граница этой зоны KI = KIC со-
ответствует III зоне, где трещина растет спон-
танно.
Применительно к сварным соединениям № 111
из высокопрочной низколегированной стали
10ГН2МФА достаточно надежных ДСКТ, связы-
вающих скорость роста v = f(KI), пока нет, поскольку
состав агрессивной среды в кармане 5 на соеди-
нения № 111 зависит от многих обстоятельств и
меняется в зависимости от длительности эксплу-
атации парогенератора. В начальной стадии эк-
сплуатации это питательная вода второго контура
при температуре около 300 °С и давлении
6,4 МПа. В такой среде сталь 10ГН2МФА, из ко-
торой изготовлен (см. рис. 1) корпус парогене-
ратора 1, «холодный» и «горячий» коллекторы
2, патрубок 3, практически не склонна к обра-
зованию коррозионных трещин. Однако при дли-
тельной эксплуатации, благодаря застойным яв-
лениям в кармане 5, меняется состав среды, кон-
тактирующей с поверхностью односторонних
сварных соединений. Создаются условия для яз-
венной многоочаговой поверхностной коррозии
вдоль окружного сварного шва, которая затем пе-
реходит в I стадию коррозионной трещины
(рис. 2). Очевидно, что неконтролируемое состо-
яние поверхности в кармане в зоне односторон-
него сварного шва оказывает немаловажное
влияние на время перехода от язвенной коррозии
к формированию коррозионной трещины. При
этом вполне возможно, что промежуточным сос-
тоянием является образование канавочного кор-
розионного дефекта вдоль сварного шва, из ко-
торого затем образуется окружная трещина.
Повышение тщательности контроля зоны свар-
ных соединений № 111 на АЭС в период еже-
годных планово-предупредительных работ (ППР)
способствует раннему обнаружению рассматри-
ваемых дефектов. Однако прогнозные оценки их
поведения оказываются слишком консервативны-
ми, что связано с консерватизмом используемых
Рис. 2. Диаграмма статической коррозионной трещиностой-
кости (обозначения см. в тексте)
Рис. 3. Внешний вид установки для определения параметров
ДСКТ
Рис. 4. Панорама излома образца № 1 (обозначения см. в тексте)
4 8/2012
приближенных данных относительно скорости
роста размеров трещины v = f(KI).
В отсутствие соответствующих ДСКТ в прог-
нозах использовали литературные данные для
близких корпусных сталей и аналогичных эксплу-
атационных условий [4], хорошо согласующихся
с расчетными скоростями v = f(KI), полученными
при решении обратной задачи по результатам из-
мерений на Южно-Украинской АЭС в 2003 г.,
согласно которым [1]
v = 0 при KI < KISCC,
v ≅ 44 мм/год при KI > KISCC,
KISCC ≈ 10…20 МПа⋅м1/2.
Такое приближение для ДСКТ достаточно хо-
рошо описывает II стадию (см. рис. 2) при глу-
бинах дефекта более 30…40 мм и весьма кон-
сервативно при глубине менее 25 мм.
Существенные расхождения прогнозных дан-
ных с результатами контрольных измерений при
последующих ППР, как, например, для резуль-
татов роста, обнаруженных в 2009 г. на пароге-
нераторах третьего блока Ривненской АЭС в свар-
ных швах соединений № 111-2 трещинообразных
дефектах, габаритные размеры которых a и 2c
практически не менялись при контроле во время
последующих ППР в 2010 и 2011 гг., поставили
под сомнение применимость механизма роста та-
ких дефектов (см. рис. 2, II стадия) для стали
10ГН2МФА.
В этой связи было проведено экспериментальное
исследование на образцах из стали 10ГН2МФА сле-
дующего химического состава, мас. %: 0,11C; 0,28
Si; 0,89 Mn; 0,19 Cr; 2,1 Ni; 0,44 Mo; 0,04 V;
0,11 Cu.
Образцы типа Шарпи сечением 10×10 мм с
острым надрезом и предварительно выращенной ус-
талостной трещиной нагружали трехточечным из-
гибом на установке (см. рис. 3), описанной в работах
[5–7]. Испытание проводили в 3%-м растворе NaCl
при температуре 35 °С и нагрузке, соответствую-
щей KI = 25 МПа⋅м1/2. Нагрузка фиксировалась ди-
намометром ДОСМ3-3. Установка снабжена дат-
чиком акустической эмиссии для фиксирования
скачков роста трещины с помощью прибора AEC-
USB-1.
Испытывали два образца в течение 778 ч (№ 1)
и 601 ч (№ 2). После окончания испытания образцы
доламывали, поверхность очищали от коррозион-
ного налета, после чего с помощью сканирующего
электронного микроскопа марки СЭМ-515 фирмы
Рис. 5. Фрагменты фрактографии и зона A (см. рис. 4): а —
×203; б — ×503
Рис. 6. Фрагменты фрактографии и зона Б (см. рис. 4): а–б —
то же, что и на рис. 5
8/2012 5
«Philips», оснащенного энергодисперсионными
спектрометрами системы «Link», получали пано-
рамное изображение поверхности излома (см.
рис. 4).
На рис. 4 четко различают четыре зоны. Зона
1 соответствует надрезу образца Шарпи глубиной
2 мм, зона 2 — предварительно вырощенная ус-
талостная трещина, зона 3 — коррозионная тре-
щина между линиями C–C–C и D–D–D, зона 4
— зона долома.
Ширина зоны коррозионного роста трещины,
величина Δl между линиями C–C–C и D–D–D,
полученная с помощью сканирующего электрон-
ного микроскопа в 16-ти участках с шагом
500…600 мкм, составила 200…350 мкм. Для об-
разца № 1 в участках 1 Δl = 229 мкм; 2 — 260;
3 — 250; 4 — 240; 5, 6 — 250; 7 — 280; 8 —
300; 9 — 270; 10 — 230; 11 — 240; 12 — 260;
13 — 300; 14 — 350; 15, 16 — 200.
Кроме того, измерения проводили на боковых
поверхностях образца с помощью измерительного
микроскопа УИМ-21 с точностью не ниже ± 2 мкм
и ширина роста трещины составили 284 и
207 мкм, что соответствует скорости роста 3,2 и
3,01 мм/год.
Дальнейшие детальные исследования фрактог-
рафии разрушения проводили на участках А и
Б (см. рис. 4) вблизи боковых поверхностей об-
разца. Соответствующие данные при различном
увеличении для участка A приведены на рис. 5,
а для участка Б — на рис. 6.
Фрактографическое исследование показывает,
что коррозионная трещина во II зоне ДСКТ во-
дородного охрупчивания растет скачками, частота
которых соответствует фиксируемым сигналам
акустической эмиссии, но не одновременно по
всему фронту трещины, а отдельными пятнами,
перемещающимися вдоль фронта достаточно ха-
отично, но все же образуя слои роста толщиной
около 30…40 мкм. Сигнал акустической эмиссии
сопровождает скачок образования указанного пят-
на трещины, что можно рассматривать как приз-
нак II стадии водородного охрупчивания на рис. 2.
Выводы
1. Сталь 10ГН2МФА, из которой изготавливают
парогенератор, коллектор и трубопровод, имеет
достаточно высокую коррозионную стойкость в
контакте со средой второго контура, о чем сви-
детельствует незащищенная поверхность корпуса
парогенератора. Однако в условиях высокой тем-
пературы и давления, которые имеют место внут-
ри коллектора и трубопровода, стенки последних
защищают коррозионностойкой наплавкой из аус-
тенитной стали.
2. В карманах, где находится соединение кол-
лектора с патрубком Ду1200, в связи с застойными
явлениями образуется достаточно агрессивная
среда (по крайней мере, по сравнению с пита-
тельной водой внутри парогенератора), что обус-
ловливает проявление коррозионного процесса в
области сварного шва № 111.
3. В зависимости от агрессивности среды в
карманах и состояния поверхности контакта об-
разованию коррозионной трещины предшествует
процесс язвенной коррозии различной длитель-
ности и возможность образования коррозионного
канавочного дефекта.
4. Консервативность прогнозных оценок роста
обнаруженного трещинообразного дефекта на
ранней стадии связана с многоочаговостью про-
цесса, когда по длине дефекта формирование тре-
щины происходит неодновременно.
1. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации свар-
ных соединений и узлов современных конструкций. —
Киев: Наук. думка, 2006. — 618 с.
2. МЦУ-11-98п. Методика ультразвукового контроля узла
приварки коллектора к парогенератору ВВЭР-1000. —
М.: ЦНИИТМАШ, 2000.
3. Механіка руйнування та міцності матеріалів: Довід.
посібник / Під заг. ред. акад. НАН України В. В. Пана-
сюка. В 7 т. — Т. 7: Надійність та довговічність еле-
ментів конструкцій теплоенергетичного устаткування /
За ред. І. М. Дмитраха. — К.: Академперіодика, 2005. —
376 с.
4. Magdovski R., Kraus A., Speidel O. Environmental degrada-
tion assessment and life prediction of nuclear pressure ves-
sels and piping steels // Proc. of Intern. Symp. on plant aging
and life prediction of corrodable structures, 1995. —
P. 895–902.
5. Механіка руйнування та міцність матеріалів: Довід.
посібник / За ред. проф. З. Т. Назарчука. В 6 т. — Т. 5:
Неруйнівний контроль і технічна діагностика. — Львів:
ФМІ ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2001. — 1132 с.
6. Махненко В. И., Шекера В. М., Оноприенко Е. М. Опре-
деление параметров упрощенной диаграммы статичес-
кой коррозионной трещиностойкости трубных сталей
при почвенной коррозии // Автомат. сварка. — 2008. —
№ 10. — С. 31–35.
7. Кинетика роста коррозионных трещин в трубной стали
17Г1С / В. И. Махненко, Л. И. Маркашова, Е. Н. Бердни-
кова и др. // Там же. — 2010. — № 6. — С. 11–15.
The paper describes the interrelation between corrosion crack growth rate and stress intensity factor based on the diagram
of static corrosion crack resistance. The main working hypothesis on the discrete nature of crack growth in structural
steel is confirmed.
Поступила в редакцию 18.04.2012
6 8/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101257 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T09:19:36Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махненко, В.И. Маркашова, Л.И. Махненко, О.В. Бердникова, Е.Н. Шекера, В.М. Зубченко, А.С. 2016-06-01T17:30:05Z 2016-06-01T17:30:05Z 2012 Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА / В.И. Махненко, Л.И. Маркашова, О.В. Махненко, Е.Н. Бердникова, В.М. Шекера, А.С. Зубченко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 3-6. — Бібліогр.: 7 назв. — рос 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101257 621.791:669.14/.15 Описана взаимосвязь между скоростью роста коррозионных трещин и коэффициентом интенсивности напряжений на основе диаграммы статической коррозионной трещиностойкости. Подтверждена основная рабочая гипотеза о дискретности роста трещины конструкционной стали. The paper describes the interrelation between corrosion crack growth rate and stress intensity factor based on the diagram of static corrosion crack resistance. The main working hypothesis on the discrete nature of crack growth in structural steel is confirmed. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА Growth of corrosion cracks in structural steel 10GN2MFA Article published earlier |
| spellingShingle | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА Махненко, В.И. Маркашова, Л.И. Махненко, О.В. Бердникова, Е.Н. Шекера, В.М. Зубченко, А.С. Научно-технический раздел |
| title | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА |
| title_alt | Growth of corrosion cracks in structural steel 10GN2MFA |
| title_full | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА |
| title_fullStr | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА |
| title_full_unstemmed | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА |
| title_short | Рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10ГН2МФА |
| title_sort | рост коррозионных трещин в конструкционной стали 10гн2мфа |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101257 |
| work_keys_str_mv | AT mahnenkovi rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT markašovali rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT mahnenkoov rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT berdnikovaen rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT šekeravm rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT zubčenkoas rostkorrozionnyhtreŝinvkonstrukcionnoistali10gn2mfa AT mahnenkovi growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa AT markašovali growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa AT mahnenkoov growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa AT berdnikovaen growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa AT šekeravm growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa AT zubčenkoas growthofcorrosioncracksinstructuralsteel10gn2mfa |