Анализ остаточного ресурса сосудов и проблемы хрупкости металла под воздействием высоких температур
Основная часть емкостей, которые эксплуатируются под давлением, а также конструкции футеровки, постоянно или эпизодически находящиеся под высоким температурным режимом, как правило 250-500С, в случае их использования в течение длительного срока, зачастую подвергаются процессу хрупкого трещиноформирования. Так, например, в 1984 году при эксплуатации устройства ЭЛОУ-АВТ-6, что на предприятии «Новополоцкнефтеоргсинтез», при проведении гидроиспытания появилось семнадцатиметровое хрупкое трещинное отверстие, расположенное вертикально.
В нижней части непосредственно самой колонны (сталь16 ГС) температурный режим составляет 360 С. В результате постоянного температурного воздействия на металлический кожух происходит износ футеровки, что и провоцирует образование трещин, например, на воздушных нагревателях, кожухах печей (доменных), конверторных корпусов и миксеров.
Специалисты за последние десятилетия накопили большой опыт в понимании данной проблемы и выработали определенные способы ее решения. В настоящее время уже ни для кого не секрет – каковы истинные причины разрушения конструкций с формированием хрупкого излома кристаллической формы в случае технологического режима, предусматривающего температурный режим в пределах 250-500С. Подобный процесс свойственен стали, которая имеет объёмную и центрированную кристаллическую решетку при хладноломкости.
Хрупкость металла в тепловом состоянии основывается на двух механизмах, которые уменьшают прочность (когезивную) граничных пределов зерен.
«Сегрегационный» – это первый из них, который вызывает фосфорную сегрегацию по предельным уровням границ зерен феррита. Также это относится и к его химическим аналогам, таким как Sn, Sb, As и другие.
Второй механизм, влияющий на прочность химической состава металла имеет уже структурный характер. Он зависит от перераспределительного принципа размещения карбидных частиц в зернах ферритиа. Внутри зерен они подлежат растворению и по границам создается их повышенная плотность.
В профессиональных лабораториях постоянно проводят испытания над совершенствованием тепловой хрупкости металла.
Уже есть стали, имеющие критический уровень температурного режима в сотни градусов, при котором появляется хрупкость Т50. Получается, что температура хрупкости и нагрева металлической поверхности практически сравнивается. Испытания показали, что процесс рафинирования структуры металла посредством переплава электрошлаковым способом, абсолютно не гарантирует устранение подверженности стали к охрупчиванию. Наиболее значительное скоростное развитие этого процесса происходит в начальные 1000 часов, а максимальный уровень, достигается при температурном режиме в пределах 400 – 480С.
Процент составляющей в хрупких областях, находящихся между зерен в местах излома, может достигать 20% и более, тем самым фиксируя процесс охрупчивания металла. Удивительно, но в большей части документации (технической) емкостных устройств нет никакой информации о потенциальной возможности перегрева их стенок.
При диагностировании стенок сосудов, находящихся под давлением и работающих в условиях высоких температур, специалисты, проводящие исследование на предмет охрупчивания металла, могут не увидеть никаких внешних механических повреждений или дефектов. Но, они как правило знают, что при достижении температуры в 450С вероятность возникновения процесса охрупчивания существенно увеличивается. Тем не менее, характеристики прочности стали могут не изменяться. Это может сыграть «злую шутку» со специалистами, осуществляющими диагностику технического состояния емкостей. Это связано с тем, что уровень толщины металла вдоль граничного предела зерен в охрупченном месте составляет не более одного или двух атомов. А при анализе на прочность металла оценивается полное сечение изучаемого образца. Получается, что в процессе проведения диагностических работ, если специалист не видит на гладкой поверхности обследуемых образцов(разрывных) прочностных изменений металла, а также отклонения от нормы его пластических характеристик, то зачастую им делается ошибочный вывод, что охрупчивание стали отсутствует.
Подобные экспертные заключения о состоянии качества исследования металлической конструкции стенок сосудных механизмов, работающих как под давлением, так и в высокотемпературном режиме (250-550С), говорят о том, что все эти факторы могут привести к тяжелым авариям и чрезвычайным происшествиям, в том числе связанных с риском для здоровья и жизнью людей, находящихся вблизи этого опасного производственного объекта.
Существует еще одна проблема, которая влияет на безопасность сосудов. Она заключается в том, что металлы, используемые в емкостях, могут уже иметь дефекты, подобные трещинам. Они образуются в результате непроваров, наплавления, подрезов и т.д. В этом случае проблема с безопасностью этого объекта, а именно появления уже настоящих трещин, может возникнуть даже в результате относительно небольшого температурного воздействия на особо ослабленные места, которые расположены на предельных границах зерен. Для того, чтобы эта проблема металла была эффективно диагностирована необходимо проведение обследования на достаточно больших вырезах в виде образцов. Мелкие детали при испытаниях могут дать некорректный результат, что чревато печальными последствиями в будущем. Эксперты в этой области уверены, что для действенного обследования металла на охрупчивание, посредством метода неразрушающего контроля, лучше всего использовать образец площадью не менее 1,2х1,5х1,5 мм, при площади сечения минимум 3 мм2.
Существует еще одна особенность, с которой достаточно часто сталкиваются специалисты при диагностике металлических стенок сосудов, функционирующих в условиях крайней высоких температур – это взаимозависимость когезивных прочностных характеристик предельных границ зерен и интенсивность теплового напряжения. Она проявляется при исследовании оборудования на устойчивость к трещинам электронно-фактографическим способом. Это позволяет осуществлять расчет хрупкости конструкции на основании фактических данных трещиностойкости.