ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Cr-Mo-стали используются при высоких температурах и давлениях, в том числе в критических компонентах современных сверхкритических и ультрасверхкритических тепловых электростанций. Благодаря уникальной способности выдерживать высокие температуры и давления эти стали также используются в критически важных компонентах ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Неоднородность микроструктуры и механических свойств по всему сварному соединению является решающим фактором, приводящим к снижению его работоспособности и преждевременному выходу из строя. Послесварочная термообработка является основным методом улучшения механических свойств. Однако механизм эволюции механических свойств, связанных с неоднородной микроструктурой, после термообработки остается неясным, что затрудняет проектирование процесса термообработки и комплексную оценку его эффекта. Цель работы: провести оценку возможности контактно-стыкового способа сварки труб из стали 15Х5М, подобрать технологические параметры при контактно-стыковой сварке труб с получением высоких показателей механических свойств. Методы исследования. Эксперименты выполнялись на контактно-стыковой машине МСО-201Н. Были проведены механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Технологические параметры контактно-стыковой сварки оплавлением труб, изменяемые в ходе наших исследований, показывают, что давление осадки и припуск на искрение влияют на конечные прочностные свойства сварного стыка. По результатам металлографических исследований можно отметить особенности эволюции микроструктуры. Заметное снижение содержания первичного огрубевшего феррита наблюдается в структуре сварного шва после отпускной термообработки. Применение послесварочной термообработки позволило уменьшить твердость в сварном стыке до уровня нормативных требований. Представленные результаты. Влияние термообработки на механические свойства анализируется на основе сравнения режимов термообработки отпуска для снятия напряжений и нормализации с отпуском с точки зрения повышения механических свойств при испытаниях на растяжение. Результаты показывают, что после отпускной термообработки эволюция механических свойств в каждой подзоне сварного соединения является последовательной, т. е. твердость и прочность на разрыв уменьшаются, а ударная вязкость увеличивается. Примечательно, что наиболее существенное повышение вязкости наблюдается в зоне сварного шва, прежде всего за счет значительного уменьшения присутствия доэвтектоидного феррита.

1. Effect of temperature range on thermal-mechanical fatigue properties of P92 steel and fatigue life prediction with a new cyclic softening model / J.-b. Wen, C.-Y. Zhou, X. Li, X.-M. Pan, L. Chang, G.-D. Zhang, F. Xue, Y.-F. Zhao // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 129. – P. 105226. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105226.

2. Effect of post-weld heat treatment on the microstructure and hardness of P92 steel in IN740H/P92 dissimilar weld joints / W. Seo, J. Suh, J.H. Shim, H.S. Lee, K.B. Yoo, S. Choi // Materials Characterization. – 2020. – Vol. 160. – P. 110083. – DOI: 10.1016/j.matchar.2019.110083.

3. Kumar A., Pandey C. Some studies on dissimilar welds joint P92 steel and Inconel 617 alloy for AUSC power plant application // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2022. – Vol. 198. – P. 104678. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2022.104678.

4. Dak G., Pandey C. A critical review on dissimilar welds joint between martensitic and austenitic steel for power plant application // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 377–406. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.08.019.

5. Masuyama F. Low-alloyed steel grades for boilers in ultra-supercritical power plants // Materials for ultra-supercritical and advanced ultra-supercritical power plants. – Woodhead Publ., 2017. – P. 53–76. – DOI: 10.1016/B978-0-08-100552-1.00002-6.

6. Status of development of VM 12 steel for tubular applications in advanced power plants / J. Gabrel, W. Bendick, B. Vandenberghe, B. Lefebvre // Energy Materials. – 2006. – Vol. 1 (4). – P. 218–222. – DOI: 10.1179/174892406X173657.

7. Creep-fatigue life evaluation for grade 91 steels with various origins and service histories / H. Shigeyama, Y. Takahashi, J. Siefert, J. Parker // Metals. – 2024. – Vol. 14 (2). – P. 148. – DOI: 10.3390/met14020148.

8. Обеспечение технологической прочности сварных соединений из мартенситных хромистых сталей типа 15Х5М / А.А. Халимов, Н.В. Жаринова, А.Г. Халимов, А.М. Файрушин // Нефтегазовое дело. – 2012. – Т. 10, № 3. – С. 102–108.

9. Халимов А.А., Жаpинова Н.В. Оптимизация технологии высокотемпеpатуpной теpмической обpаботки сваpных соединений из хpомистых жаpопpочных сталей // Технология машиностроения. – 2009. – № 10. – С. 19–25.

10. ГОСТ 20072–74. Сталь теплоустойчивая. Технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 1974. – 19 с.

11. РД 153-34.1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (РТМ-1с): утв. Минэнерго России 02.07.2001. – СПб.: ДЕАН, 2002. – 463 с.

12. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа стали типа 15Х5М (временная инструкция) / А.Р. Исхаков, Ю.С. Медведев, Н.М. Королев, Р.С. Зайнуллин, А.Г. Халимов, И.М Кутлуев, Ю.А. Черных, А.Ф. Тишкин. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. – 8 с.

13. Ручная электродуговая сварка с регулированием термических циклов конструктивных элементов нефтехимического оборудования из закаливающихся сталей типа 15Х5М: РТМ 26-17-076-87. – М.: Минхиммаш, 1987. – 26 с.

14. Тукаев Р.Ф., Файрушин А.М., Кучуков Т.М. Совершенствование технологии изготовления узла «труба – трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М применением лазерной сварки // Современное машиностроение. Наука и образование. – 2013. – № 3. – С. 1179–1185.

15. Оценка коррозионной стойкости комбинированных соединений труб с трубной решеткой, полученных с применением различных способов сварки / А.С. Токарев, Д.В. Каретников, Р.Г. Ризванов, С.Е. Черепашкин, Д.Ш. Муликов // Нефтегазовое дело. – 2019. – № 6. – С. 114–133. – DOI: 10.17122/ogbus-2019-6-114-133.

16. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.

17. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.

18. Study of impact strength of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) // A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, Y.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – 24. – P. 67–73. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.02.10.

19. Study of the effect of nanomodifiers from silicon production wastes on morphological form of gray cast iron graphites / A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.D. Kolosov, Y.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 21. – P. 64–69. – DOI: 10.17580/cisisr.2021.01.11.

20. Fabricius A., Jackson P.S. Premature grade 91 failures – worldwide plant operational experiences // Engineering Failure Analysis. – 2016. – Vol. 66. – P. 398–406.

21. Optimization study of post-weld heat treatment for 12Cr1MoV pipe welded joint / Z. Liu, X. Hu, Z. Yang, B. Yang, J. Chen, Y. Luo, M. Song // Metals. – 2021. – Vol. 11 (1). – P. 127. – DOI: 10.3390/met11010127.

22. Effect of post-weld heat treatment on the toughness of heat-affected zone for grade 91 steel / B. Silwal, L. Li, A. Deceuster, B. Griffiths // Welding Journal. – 2013. – Vol. 92 (3). – P. 80s–87s.

23. Critical review on magnetically impelled arc butt welding: challenges, perspectives and industrial applications / M. Chaturvedi, A. Vendan Subbiah, G. Simion, C.C. Rusu, E. Scutelnicu // Materials. – 2023. – Vol. 16. – P. 7054. – DOI: 10.3390/ma16217054.

24. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.

25. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – DOI: 10.3390/app12010005.

26. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.

27. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.

28. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Y. Skeeba, P.Y. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.

29. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – C. 62–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.

30. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.

31. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.

32. Development of rolling procedures for pipes of K55 strength class at the laboratorial mill / R.R. Adigamov, K.A. Baraboshkin, P.A. Mishnev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 60–66. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.02.09.

33. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.