1. РАЗРУШЕНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ КАУСТИЧЕСКОЙ ХРУПКОСТЬЮ
Каустической хрупкостью называются межкристаллитные разрушения, появляющиеся в стальных изделиях. Изготовленных из углеродистых сталей. Разрушение по границам зерен происходит в случае общей или местной концентрации щелочи при наличии значительных напряжений и температуры свыше 100 °C. Такие разрушения обычно встречаются:
а) в барабанах котлов, изготовленных клепкой, когда вследствие длительной эксплуатации имеет место нарушение герметичности заклепочного соединения и в его полость попадает котловая вода, содержащая некоторое количество щелочи. В этих условиях создается местная концентрация щелочи, достигающая 10—12%.
Трещины возникают в заклепках и перемычках между заклепочными отверстиями. Подобные разрушения опасны, так как нарушают прочность всего клепаного соединения. Когда количество их достигнет критического, то неизбежна авария котла, в большинстве случаев имеющая характер разрушения всего котельного агрегата. Такие аварии имели место в котельных установках и трубопроводах тепловых электростанций. Каустические разрушения клепаного соединения очень трудно обнаружить; обычно приходится удалять несколько заклепок и проводить ультразвуковой и магнитографический контроль поверхностей заклепок и их отверстий. Каустические трещины совершенно не обнаруживаются просвечиванием рентгеновскими и гамма-лучами;
б) в трубных решетках барабанов котлов среднего и высокого давления, когда основными причинами разрушения является местная концентрация щелочи в неплотностях вальцовочных соединений;
в) в различной химической аппаратуре, где возможна местная или общая концентрация щелочи в клепаных, вальцовочных или фланцевых соединениях.
Разрушения клепаных соединений барабанов паровых котлов. Применение смягченной воды с избытком щелочи полностью устраняет в котле образование накипи, которая наиболее интенсивно откладывается в местах, где движение жидкости замедлено. При отсутствии накипи любое незначительное расстройство клепаных соединений вызывает нарушение их герметичности и проникновение жидкости во вну* треннюю полость клепаного шва. Попавшая в эту полость вода испаряется, а пар по мпкроканалам выходит наружу, и оставшаяся в полости жидкость обогащается щелочью. С течением времени в этом своеобразном «сборнике» концентрация щелочи может достигнуть опасных пределов.
Как показывает практика, первоначальное образование трещин вследствие каустической хрупкости всегда начинается на внутренних поверхностях клепаного соединения (рис. 50). Такое расположение трешин является крайне опасным, так как трещины совершенно недоступны для наблюдения и их можно обнаружить только после вскрытия клепаного соединения.
Трещины от каустической хрупкости чрезвычайно тонки и часто не могут быть обнаружены даже с помощью лупы. Наиболее часто эти трещины выявляются при подмагничивании (рис. 51) с применением магнитной эмульсии (магнитный порошок железной окалины, разведенный в воде). Такие хрупкие разрушения могут привести к разрывам клепаных барабанов и другого котельного оборудования. Единственным (косвенным) способом выявления этих трещин является тщательное наблюдение за плотностью клепаных швов. Самый незначительный пропуск пара в них должен явиться уже предостережением. В этом случае необходимо вскрыть шов на протяжении 200—500 мм и проверить посредством подмагничивания наличие трещин в накладке и в теле котла около заклепочных отверстий.
Клепаные барабаны котлов, поврежденные каустическими трещинами, нельзя допускать к эксплуатации. Заваривать эти трещины невозможно, так как обычно поражен большой участок заклепочных соединений, а трещины распространяются между заклепками и проникают в толщу металла. Наиболее рациональным способом восстановления поврежденных барабанов является замена всех клепаных продольных и поперечных швов сварными, а также вварка в барабаны вставок и поясов из нового металла. Такая реконструкция может осуществляться без демонтажа котельного агрегата и ремонтируемого барабана котла. Реконструкции подвергаются барабаны: а) изготовленные из листовой стали, имеющие продольные и кольцевые клепаные швы и приклепанные днища; б) изготовленные из двух полуобечаек, имеющие два продольных клепаных шва и приклепанные днища; в) изготовленные из цельнокованой цилиндрической части с приклепанными днищами.
Во всех перечисленных случаях работы выполняются примерно по одинаковой технологии, предусматривающей последовательное удаление всех заклепочных соединений и вварку на их место новых вставок, изготовленных из металла, по своим прочностным характеристикам близкого к металлу барабана. Работы производятся в котельном агрегате без демонтажа трубной решетки, а в ряде случаев — и без удаления трубной системы.
Для реконструкции барабанов можно рекомендовать три варианта замены клепаных днищ:
первый — изготовление взамен удаляемых новых днищ, соответствующих по своим размерам барабану котла и с требуемой длиной цилиндрической части и толщиной стенки, обусловленной нормами Госгортехнадзора;
второй — использование старых днищ путем их разбортовки после удаления заклепочного шва под нужный диаметр; Разбортовка выполняется в горячем состоянии с применением последующего отпуска для снятия внутренних напряжений и приваркой днищ к цилиндрической части барабана;
третий — использование старых днищ; сначала приваривают к днищу переходное кольцо (с последующим отпуском днища для снятия внутренних напряжений) и затем приваривают его к цилиндрической части барабана.
Последовательность выполнения работы: сначала удаляют клепаные соединения газовой резкой по предварительной разметке, после чего газовым резаком снимают кромки под сварку. В зависимости от места расположения шва сварочные работы выполняют изнутри или снаружи барабана. Приварка верхней половины днища осуществляется снаружи, а нижней половины —-изнутри барабана.
Порядок удаления заклепочных швов и днищ выбирается таким, чтобы обеспечить сохранение размеров и избежать образования эллипса в сечении барабана. Для этого перед удалением днищ цилиндрическая часть барабана закрепляется двумя диаметрально расположенными распорками. Перед удалением продольных клепаных швов предварительно привариваются специальные скобы. Схема ремонта барабана показана на рис. 52.
Сварка производится многослойными швами электродами УОНИ-13/45 или УОНИ-13/55. Обычно сварку продольных вставок ведут одновременно два сварщика. Разделка заполняется каскадным способом. Если толщина стенки барабана превышает 20 мм, то рекомендуется применять предварительный местный подогрев кромок до 150—200 °C. После заполнения разделки шва с наружной стороны производится выплавка или подрубка корня шва с обратной стороны и его проварка. Приваривают днище одновременно два сварщика, находящиеся все время на диаметрально противоположных сторонах окружности барабана. Верхняя часть разделки заваривается снаружи, а нижняя — изнутри барабана. Особенно тщательно следует заваривать участки смыкания швов по горизонтальному диаметру барабана. где внутренний шов переходит в наружный. Вырубка и подварка корня швов осуществляются: для верхней половины — с внутренней стороны, для нижней — с наружной стороны барабана.
Особенно много было реконструировано барабанов, имеющих цельносварную или цельнокованую цилиндрическую часть и приклепанные днища. Толщина стенок этих барабанов 40—45 мм. они работают на агрегатах среднего давления пара 40—60 кГ/см2. По правилам Госгортехнадзора швы тол-щиной 40—45 мм подлежат местной термообработке (отжигу), которую удобнее всего осуществлять индукционным нагревом токами промышленной частоты. Такой способ обеспечивает равномерный нагрев всего стыка и снятие имеющихся внутренних напряжений. По действующим правилам Госгортехнадзора все сварные соединения на барабанах паровых котлов должны подвергаться 100%-ному просвечиванию рентгеновскими или гамма-лучами. При выполнении сварочных работ следует особое внимание обратить на квалификацию сварщиков. Перед допуском к этим работам сварщики должны выдержать специальные испытания и сварить контрольные пластины в том же положении шва, в котором будут выполняться основные сварочные работы.
Трещины каустической хрупкости в барабанах котлов высокого давления. Барабаны котлов высокого давления изготовляются цельноковаными или цельносварными из легированных теплоустойчивых сталей типа М, ХМ, ХМФ и др. толщиной 100—120 мм. Котлы работают под давлением пара 100—250 кГ/см2 при 500—650 °C. Барабаны таких котлов работают при 350—450 СС. В этих условиях наиболее слабым местом агрегата являются вальцовочные соединения труб с барабаном. Всякое нарушение этих соединений может вызвать пропуск через них воды и пара. т. е. создает условия для концентрации щелочи в пространстве между трубой и стенкой отверстия (рис. 53).
Возникновение значительных внутренних напряжений и нарушение вальцовочных соединений в стенках котла и в трубных перемычках чаще всего происходят при внезапных остановках агрегата и во время форсированных пусков, когда в стенке барабана возникают значительные температурные перепады. В поврежденных каустической хрупкостью барабанах высокого давления трещины чаще всего возникают в теле барабана и в стенке трубы, а затем постепенно начинают распространяться от отверстия на поверхность. Такой процесс возникновения трещин затрудняет их выявление. Трещины могут быть обнаружены только после удаления трубы или когда разрушение будет уже настолько большим, что трещины выйдут на поверхность. Признаком наличия трещин является пропуск пара около мест завальцовки труб. Обычно считают, что трещины каустической хрупкости заварить нельзя и лучше поврежденные барабаны заменять новыми.
По предложению Центральных экспериментальных сварочных мастерских ВНИИавтогенмаша на одном из барабанов котла высокого давления была произведена заварка трех трещин каустической хрупкости.
Барабан изготовлен цельнокованым и установлен на котлоагрегате с рабочим давлением 120 кГ/см2 и температурой перегретого пара 520°C. Химический состав стали: 0,09% С; 0,45% Мп; 0,10% Si; 0,028% S; 0,04% Сг; 4,8% Ni; 0,1% Си. Механические испытания образцов металла дали следующие результаты: предел прочности 53,4—59,5 кГ/мм2-, предел текучести 41,9—42,9 кГ1мм2-, относительное удлинение 9,3—13%; ударная вязкость 2,6—5,2 кГм/см2. Исследования выявили, что металл барабана имеет пониженную вязкость. Металлографическое исследование показало наличие в металле крупнозернистой феррито-перлитной структуры.
Во время очередного осмотра барабана была замечена тонкая внутренняя трещина, идущая от отверстия водомерной колонки к отверстию для непрерывной продувки. После удаления завальцованных труб была обнаружена кольцевая трещина в трубе водомерной колонки. В отверстиях барабана было обнаружено еще несколько трещин, не выходящих на поверхность; наружная трещина была почти сквозной и не доходила до наружного края отверстия на 8—10 мм. Л^агнитографическим исследованием всех завальцованных труб обнаружили еще одну группу трещин, расположенных с противоположной стороны барабана вокруг отверстия для фосфатного питания. Металлографические исследования металла, взятого из места расположения трещин, показывают, что эти трещины имеют межкристаллитный характер с разрушением отдельных кристаллов. От основной трещины отходят в разных направлениях многочисленные ответвления в виде тонкой сетки трещин. Схема расположения трещин показана на рис. 54.
В процессе подготовки к сварке были удалены все поврежденные места посредством вырубки их пневматическим зубилом. Учитывая разветвленный характер и объемное расположение трещин, очень важным было удалить все трещины. Чтобы выявить расположение трещин, применяли многократное подмагничивание поврежденного участка и проверяли поверхность разрубки магнитной суспензией.
Для подмагничивания использовали сварочный трансформатор СТЭ-34, с трансформатора снимали кожух и вокруг сердечника наматывали 10—12 витков провода сечением 3X90 = = 270 мм2. Этот провод подключали к исследуемому участку при помощи двух медных контактов или при помощи медных пробок, вставленных в трубные отверстия. Такая система обеспечивала прохождение тока 2500— 3000 а. Время подмагничивания составляло 30—60 сек. Для выявления трещин исследуемую поверхность обильно смачивали водной магнитной суспензией. Магнитографическое исследование производилось многократно, послойно, после снятия слоя толщиной 10—15 мм.
Следует отметить, что на глубине 25—35 мм количество трещин увеличилось, а часть трещин, расположенных перпендикулярно к основной трещине, имела разветвленный характер и при рубке в этих местах металл выкрашивался кусками объемом в несколько кубических сантиметров. Число трещин достигало нескольких десятков. При рубке выяснилось, что основная трещина — сквозная и сильно разветвлена. По окончании вырубки и удалении всех, даже мельчайших трещин, разделка имела вид, показанный на рис. 55. Для заварки были изготовлены конусные втулки из стали Ст. 3, вставляемые в отверстия; в зазор помещались вставки из листового металла. Выполнение сварочных работ осложнялось:
а) большой толщиной стенки барабана и большой жесткостью свариваемого узла, что могло вызвать внутренние напряжения, превышающие предел прочности и способствующие появлению новых трещин;
б) содержанием в металле меди и никеля, что могло вызвать
появление микротрещин в переходных зонах;
в) малой вязкостью металла, что вызывало опасность трещи-нообразования в переходных зонах и основном металле.
Для сварки использовались электроды УОНИ-13/55. Перед началом сварочных работ была произведена контрольная сварка двух образцов, взятых из барабана. Результаты механических испытаний образцов наплавленного
металла: предел текучести 53,7—
54,4 кГ)мм2, ударная вязкость 19,0 кГм!см2.
Металлографическое исследование сварного соединения образцов показало, что в результате теплового воздействия происходит резкое измельчение зерна в переходной зоне; по-видимому, это и является одной из причин увеличения ударной .вязкости сварного соединения. Выпадения меди и никеля не было обнаружено.
Выполнение сварочных работ производилось в следующем порядке. Перед началом сварки был произведен местный подогрев участков барабана, прилегающих к разделке кромок, и самих кромок до 120—150 °C двумя газовыми горелками. Сварку выполняли одновременно два сварщика (один сваривал внутри барабана, а другой — снаружи) электродами УОНИ-13/55 диаметром 4—5 мм каскадным методом, начиная с заварки отверстия и постепенного заполнения разделки (рис. 56).
Для уменьшения внутренних напряжений применяли послойную проковку швов пневматическим зубилом с радиусом закругления бойка 2,5 мм. Необходимо отметить, что металл, наплавленный электродами УОНИ-13/55, обладает высокой вязкостью и хорошо поддается проковке. Проковка швов большой толщины дает хорошие результаты и сильно уменьшает внутренние напряжения. Проковка проводится легкими частыми ударами молотка (4—6 ударов по одному месту) параллельно осн шва.
По окончании сварочных работ данная часть барабана была подвергнута выравнивающему индукционному нагреву до 250 °C. После этого барабан остывал в течение 10 ч. Просвечивание шва гамма-лучами показало хорошее качество сварки. Восстановленный сваркой барабан работает при полной нагрузке под нормальным рабочим давлением.
Проведенная работа показала, что заварка трещин каустической хрупкости в барабанах котлов высокого давления вполне возможна, но для получения надежных результатов требуется тщательное удаление всех поврежденных мест. В случае большого объема поврежденного металла рекомендуется вваривать вставку из ноеого металла. Сварка должна производиться за один тепловой цикл с послойной проковкой шва.