Влияние степени деформации сварных соединений аустенитных сталей на параметры субструктуры и поля внутренних напряжений в зоне линии сплавления

В настоящее время на технических устройствах опасных производственных объектов первичную оценку качества сварки выполняют испытанием оборудования повышенными нагрузками (повышенным давлением). Требования к испытаниям регламентированы нормативными документами Ростехнадзора. В последнее время, наряду с традиционными испытаниями, применяют «стресс­тест», сущность которого заключается в нагружении участка трубопровода до предела текучести с последующей проверкой на герметичность. Но в научных публикациях практически отсутствует информация о физических процессах, протекающих в основном металле и в металле сварных соединений при выполнении таких испытаний. Также не оценено влияние предварительной нагрузки (деформации) на параметры субструктуры и поля внутренних напряжений в сварных соединениях аустенитных сталей. Как следствие, не оценено влияние предварительной нагрузки (деформации) на дальнейшую безаварийную эксплуатацию испытанного оборудования. В работе проведен анализ изменения структурного состояния и значений амплитуд внутренних напряжений в образцах из стали 12Х18Н10Т под действием нагрузок. Обосновывается применение сварки модулированным током с автоматическим регулированием процесса тепловложения в сварочную ванну. Аргументируются предельно допустимые значения пластической деформации при испытаниях технических устройств повышенным давлением для данного типа стали. Показано, что для снижения риска повреждений сварных соединений аустенитных сталей (12Х18Н10Т) технических устройств опасных производственных объектов, выполненных импульсной сваркой с мелкокапельным переносом, для исключения образования в них микродефектов испытания повышенным давлением (стресс­тест) можно проводить при нагрузках, создающих в металле деформации, не превышающие 5 %; для соединений, заваренных ручной дуговой сваркой, деформации должны быть менее 5 %. Сварные соединения, выполненные импульсной сваркой с крупнокапельным переносом (с дефектами и без), не рекомендуется испытывать повышенным давлением.

1. Алешин Н.П., Гладков Э.А., Кузнецов П.С., Бродягин В.Н., Копотева Е.Н., Шолохов М.А. Импульсные технологии управления каплепереносом при MIG/MAG сварке // Сварка и диагностика. 2014. № 3. С. 43–47.

2. Смирнов А., Ожиганов Е., Бакланов Д., Субботин А., Ощепков Н. Испытания оборудования, работающего под давлением на опасных производственных объектах // ТехНадзор. 2015. № 10 (107). С. 72–75.

3. Князьков В.Л., Князьков А.Ф. Повышение эффективности ручной дуговой сварки трубопроводов. Кемерово: КузГТУ, 2008. 104 с.

4. Чепрасов Д.П. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. Барнаул: изд. АлтГТУ, 2011. 108 с.

5. Физическая природа формирования и эволюции градиентных структурно­фазовых состояний в сталях и сплавах / В.В. Коваленко, Э.В. Козлов, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. Новокузнецк: ООО «Полиграфист», 2009. 557 с.

6. Конева Н.А., Козлов Э.В. Дислокационная структура и физические механизмы упрочнения металлических материалов // Перспективные материалы / Под ред. Д.Л. Мерсона. Тула: изд. ТГУ, МИСиС, 2006. С. 267–320.

7. Конева Н.А., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Физика субструктурного и зернограничного упрочнения // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 1. С. 40–49.

8. Смирнов А.Н., Козлов Э.В. Субструктура, внутренние поля напряжений и проблема разрушения паропроводов из стали 12Х1МФ. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. 163 с.

9. Смирнов А.Н., Данилов В.И., Ожиганов Е.А., Горбатенко В.В., Муравьев В.В. Зависимость локальных деформаций и полей внутренних напряжений от способа сварки конструкционной стали ВСт3сп. 1. Влияние способа сварки на механические характеристики и параметры акустической эмиссии стали ВСт3сп // Дефектоскопия. 2015. № 11. С. 59–67.

10. Okayasu M., Tomida S. Phase transformation system of austenitic stainless steels obtained by permanent compressive strain // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 684. Р. 712–725. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.12.101

11. Ullrich C., Eckner R., Krüger L., Martin S., Klemm V., Rafaja D. Interplay of microstructure defects in austenitic steel with medium stacking fault energy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 649. P. 390–399. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.021

12. Eskandari М., Zarei­Hanzaki A., Mohtadi­Bonab M.A., Onuki Y., Basu R., Asghari A., Szpunar J.A. Grain­orientation­dependent of γ–ε–α′ transformation and twinning in a super­high­strength, high ductility austenitic Mn­steel // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 674. Р. 514–528. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.024

13. Cai Z.H., Ding H., Tang Z.Y., Misra R.D.K. Signifcance of control of austenite stability and transformation mechanisms in mediummanganese transformation­induced plasticity steel // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 676. Р. 289–293. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.124

14. Rafaja D., Krbetschek C., Ullrich C., Martin S. Stacking fault energy in austenitic steels determined by using in situ X­ray diffraction during bending // Journal of Applied Crystallography. 2014. Vol. 47. Р. 936–947. https://doi.org/10.1107/S1600576714007109

15. Moallemi M., Kermanpur A., Najafzadeh A., Rezaee A., Baghbadorani H.S., Nezhadfar P.D. Deformation­induced martensitic transformation in a 201 austenitic steel: The synergy of stacking fault energy and chemical driving force // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 653. Р. 147–152. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.006

16. Park M.C., Kim K.N., Yun J.Y., Shin G.S., Kim S.J. Strain­induced ε/α′ martensitic transformation behavior and solid particle erosion resistance of austenitic Fe –Cr–C–Mn/Ni alloys // Tribology Letters. 2014. Vol. 54. No. 1. P. 51–58. https://doi.org/10.1007/s11249-014-0306-3

17. Krüger L., Wolf S., Martin S., Martin U., Jahn A., Weiß A., Scheller P.R. Strain rate dependent flow stress and energy absorption behaviour of cast CrMnNi TRIP/TWIP steels // Steel Research International. 2011. Vol. 82. No. 9. P. 1087–1093. https://doi.org/10.1002/srin.201100067

18. Sudha C., Prasanthi T.N., Paul V.T., Saroja S., Vijayalakshmi M. Metastable phase transformation in Ti­5Ta­2Nb alloy and 304L austenitic stainless steel under explosive cladding conditions // Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. Vol. 43. No. 10. P. 3596–3607. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1198-1

19. Chen A.Y., Ruan H.H., Wang J., Chan H.L., Wang Q., Li Q., Lu J. The influence of strain rate on the microstructure transition of 304 stainless steel // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No. 9. P. 3697–3709. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.03.005

20. Martin S., Wolf S., Martin U., Krüger L., Rafaja D. Deformation mechanisms in austenitic TRIP/TWIP steel as a function of temperature // Metallurgical and Materials Transactions A. 2016. Vol. 47. No. 1. P. 49–58. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2684-4