The Investigation of Structure Heterogeneous Joint Welds in Pipelines

Welding joints of dissimilar steels don’t withstand design life. One of the important causes of premature destructions can be the acceleration of steel structural degradation due to cyclic mechanical and thermal gradients. Two zones of tube from steel 12H18N9T, exhibiting the structural instability at early stages of the decomposition of a supersaturated solid austenite solution, were subjected to investigation. Methods of x-ray spectral and structure analysis, micro hardnessmetry were applied for the research. Made the following conclusions, inside and outside tube wall surfaces of hazardous zones in welding joint have different technological and resource characteristics. The microhardness very sensitive to changes of metal structure and can be regarded as integral characteristic of strength and ductility. The welding processes are responsible for the further fibering of tube wall structure, they impact to the characteristics of hot-resistance and long-term strength due to development of ring cracks in the welding joint of pipeline. The monitoring of microhardness and structural phase conversions can be used for control by changes of mechanical properties in result of post welding and reductive heat treatment of welding joints

Structural aspects of cyclical strength of a superheater weldment

Актуальность исследования сварных узлов теплогенераторов связана с необходимостью увеличения надежности работы часто повреждаемых и наиболее ответственных узлов конструкций теплоэнергетического оборудования. Одним из факторов увеличения ресурса работоспособности является учет внутренних структурных напряжений, механизм формирования которых связан с развивающейся в процессе эксплуатации структурной неоднородностью и ресурсной структурной деградацией, приводящей к разрушению. Цель исследования: установление связей между накоплением структурной поврежденности, внутренними напряжениями и трещинообразованием под влиянием механических циклических нагрузок. Объект: сварной узел пароперегревателя, выполненный из низколегированной жаропрочной стали 12Х1МФ. Методы: физическое моделирование условий эксплуатации путем внешнего механического циклического деформирования, микроскопическое исследование морфологии поверхности, рентгенометрия деформированных образцов, оценка внутренних структурных напряжений, среднеквадратичных смещений атомов при деформировании и характеристической температуры. Результаты. Показана роль и влияние циклической нагрузки на разрушение, заключающиеся в волновом периодическом деформационном «упрочнении-разупрочнении» и в циклическом изменении внутренних структурных напряжений. Установлено, что в условиях переменного циклического нагружения характерным процессом является периодическая релаксация внутренних напряжений, соответствующая разрыву межатомных связей и образованию микроструктурно короткой трещины. По условиям релаксации, в соответствии с представлениями А. Гриффитса, установлено критическое напряжение раскрытия трещины. Значения среднеквадратичных смещений атомов и характеристическая температура при циклическом деформировании отражают структурные признаки пластичности, пористости и хрупкого состояния. Выводы. Предложена новая методология оценки предельных состояний околошовной зоны сварных соединений на основе использования установленных связей между внутренними напряжениями и накоплением структурной повреждаемости. Показано, что внутренние напряжения, колебательная амплитуда атомов U -2 и характеристическая температура могут служить диагностическим признаком структурных превращений: признаком хрупкого разрушения является глубокая (до нуля) релаксация внутренних напряжений I рода; структурный признак пластичности проявляется повышенной амплитудой атомных смещений U -2 ; а структурным признаком пористости является аномальное повышение колебательной амплитуды атомов U -2 и уменьшение характеристической температуры.The relevance of researching power generator weldments is associated with the necessity of increasing the operational reliability of the heat-power equipment frequently damaged and most critical units. One of the working efficiency increasing factors is the consideration of internal structural stresses, formation mechanism of which is associated with the structural heterogeneity developing in exploitation and resource structural degradation leading to destruction. The aim of the researchis to establish interrelationships between the structural damage accumulation, internal stresses and cracking under the mechanical cyclic loads influence. Subject: welded superheater unit made of low-alloy heat-resistant steel 12Cr1MoV. Methods: physical modeling of operating conditions by external mechanical cyclic deformation, microscopic surface morphology research, x-ray diffraction of deformed samples, evaluation of internal structural stresses, mean square atoms displacement during deformation and characteristic temperature. Results. The paper demonstrates the role and the influence of the cyclic load on fracture. It means that wave periodic deformation «hardening-softening» and the cyclic variation of internal structural stresses are the most important. It was established that under variable cyclic load conditions the periodic internal stresses relaxation is typical. This process corresponds to the rupture of interatomic bonds and formation of a microstructural short crack. According to relaxation conditions, based on Griffith ideas, the authors have determined the critical crack opening stress. The values of mean square displacement of atoms and the characteristic temperature during cyclic deformation reflect the structural features of plasticity, porosity and brittle state. Conclusions. The paper introduces a new methodology for estimating critical states of the weld-affected zone based on the use of relations between internal stresses and the structural damage accumulation. It is shown that internal stresses, vibrational amplitude of U -2 atoms and characteristic temperature can be a sign of structural transformation diagnostic: the brittle fracture sign is a deep (to zero) relaxation of the first kind internal stresses; the structural plasticity sign is an increased amplitude of atomic U -2 displacements; and the structural porosity feature is an abnormal increase in the vibrational atoms amplitude and characteristic temperature decrease

Aspects of evolution of metal nanoscale characteristics during thermal cycling

Актуальность исследования обусловлена отсутствием экспериментальных данных, устанавливающих связь между субмикроскопическими свойствами (свойствами III рода) и макроскопическими свойствами I рода. Такая взаимосвязанность, являющаяся фактором влияния на отношение "микроструктура-прочность", может способствовать дальнейшим успехам в решении вопросов ресурса. Цель исследования заключается в установлении влияния циклических термических нагрузок на среднеквадратичные смещения атомов как показатель прочности межатомных связей и микроповрежденности металла пароперегревательных труб. Объектом исследования являются образцы из околошовных зон однородного сварного шва, выполненного из жаропрочной перлитной стали 12Х1МФ. Методы: физическое моделирование условий эксплуатации путем воздействия на образцы циклами термической нагрузки в электропечи МИМП-10УЭ, рентгенометрия образцов, оценка внутренних структурных напряжений на рентгеновских дифрактометрах ДРОН, морфология поверхности с помощью портативного электронного микроскопа типа PENSCKOPE. Результаты. Установлено влияние циклических термических нагрузок на среднеквадратичные смещения атомов. Показано, что в результате термического влияния прочность межатомных связей увеличивается. Проиллюстрирована корреляция между субмикро- и макроскопическими характеристиками прочности, и показано, что амплитуда тепловых колебаний атомов, являясь характеристикой прочности межатомных связей, может быть диагностическим признаком накопления и развития повреждаемости металла. Уменьшение амплитуды среднеквадратичных смещений атомов при термоциклировании объяснено на основе гипотезы о возникновении твердых растворов замещения в результате процесса азотирования поверхности молекулярным азотом атмосферного воздуха. В рамках этой гипотезы показано, что одним из механизмов осцилляции внутренних напряжений I рода при термоциклировании может быть процесс азотирования поверхности, приводящий к организации в многокомпонентных легированных сталях сложных связей "металл-неметалл", направленных на поддержание устойчивости системы твердых растворов.Relevance of the study is caused by the absence of experimental data, establishing a relation between submicroscopic (the third-order properties) and macroscopic properties of the first-order. Such interrelatedness, being a factor affecting the microstructure-strength ratio, can considerably facilitate a further success in solving the issues of life extension. The aim of the study is to establish the effect of cyclic thermal loads on the root-mean-square displacements of atoms as a sign of interatomic bond strength and microdamage of metal of superheater tubes. Object of study are specimens of heat-resistant pearlitic 12Cr1MoV steel from the weld-affected zone. Methods include physical simulation of operation conditions by thermal cycling of specimens in the MIMP-10UE furnace, X-ray dosimetry of specimens, evaluation of internal structural stresses using X-ray diffractometer DRON, and surface morphology by means of PENSCKOPE microscope. Results of the study established that thermal cyclic loads have effect on the root-mean-square displacements of atoms. It was shown that thermal effect results in increase of the strength of interatomic bonds. The paper demonstrates the correlation between submicro- and macroscopic characteristics of strength, as well as the fact that the amplitude of atomic thermal vibrations, being a characteristic of interatomic bonds strength, can be a diagnostic indicator of accumulation and development of metal damaging. Decrease of root-meansquare displacements amplitude during thermal cycling is explained by the hypothesis about occurrence of substitution solid solutions as a result of surface nitriding by molecular nitrogen of the atmospheric air. Under this hypothesis it was proved that one of oscillation mechanisms for internal stresses of the first-kind can be the process of surface nitriding during thermal cycling, which results in complex bonds between metal and nonmetal in the multicomponent alloyed steels, aimed at maintaining the stability of solid solution system

Corrosion problems and physical-mechanical models of structural materials faib lure for power plant engineering

Актуальность исследования обусловлена необходимостью увеличения ресурса тепломеханического оборудования вследствие снижения потерь металла от коррозионных повреждений. Продление ресурса и диагностирование состояния конструкционных материалов энергетического оборудования обусловлено нарастанием степени его износа на действующих электростанциях. В связи с этим требуется тщательный анализ существующих механизмов образования и разрушения оксидных пленок, образования микротрещин, эволюции микротрещин с последующим развитием макротрещин и структурных факторов, влияющих на эти механизмы. Это будет способствовать подготовки к переходу на качественно более информативный масштабный уровень исследований – наноразмерный и даже атомный, без чего невозможно кардинально решать задачи сбережения материалов, используемых для изготовления элементов энергетического оборудования, эксплуатируемых в условиях высоких температур и давления среды. Цель: анализ состояния проблемы в направлении надежного выявления признаков предкоррозионного разрушения, а также установления механизмов последующей коррозии поверхностей нагрева парогенераторов и других теплообменных установок для получения объективных сведений о коррозионной стойкости и жаропрочности сталей для изделий энергетического машиностроения, а также с целью создания информационной базы для обоснования задач и методологии исследований в этом направлении. Результаты исследования состояния проблемы. Установлены определяющие механизмы коррозионного разрушения под действием эксплуатационных факторов. Углубление понимания закономерностей действия этих факторов требует получения результатов наблюдения не только в статичном стоянии объекта исследований, но и в динамике их изменения.Relevance of the research is caused by the need for increase of thermal and mechanical equipment life by reducing the metal losses caused by corrosion damage. Life extension and diagnostics of the structural materials state in power equipment are induced by the growing wear rate at operating electric power plants. In this relation, a thorough analysis of current mechanisms of oxide film formation and destruction, microcracking, evolution of microcracks with their further development and structural factors, affecting these mechanisms, is required. It will promote the preparation for a transition to a qualitatively more informative and extensive level of research - nanoscale and even atomic, without which it is impossible to find dramatic solutions to the efficiency problems for materials used in manufacture of power equipment components and operated under high temperatures and pressure. The aim of the research is to analyze the problem to find reliable indicators of pre-corrosion failure, as well as to investigate the mechanisms of further corrosion of heating surfaces in steam generators and other heat exchange systems and obtain objective data about corrosion and heat resistance of steels for power plant engineering products, and also to develop the information basis for justification of objectives and methodology of studies in this area. Results of researching the problem. The authors have defined the mechanisms of corrosion failure affected by operational factors. Deeper insight of these factors pattern requires obtaining of observation results not only in the static state of the object, but the dynamic history as well

Root-mean-square deviations of atomic positions - nanoscale indicator of surface condition

Актуальность исследования связана с повышением надежности сварных соединений паросиловых установок и тем самым с рациональным использованием материалов изделий за счет совершенствования и развития методов изучения их ресурсных физических характеристик. Цель: тестирование новых наномасштабных структурных характеристик III рода для оценок состояния поверхности. Объект: образцы жаропрочной стали трубных поверхностей нагрева паровых котлов. Методы: физическое моделирование условий эксплуатации путем термоциклирования в электропечи МИМП-10УЭ, холодного циклического деформирования с применением гидравлического пресса, рентгенометрия образцов с оценкой среднеквадратичных отклонений атомов и внутренних структурных напряжений на рентгеновских дифрактометрах типа ДРОН, анализ морфологии поверхности с помощью портативного электронного микроскопа типа PENSCKOPE с увеличением 20. Результаты. Проведены экспериментальные исследования, связанные с количественной оценкой колебательной амплитуды атомов и ее эволюцией при циклических термических и механических нагрузках. В результате исследований предложен новый диагностический параметр в виде колебательной амплитуды атомов U2, отражающий фундаментальную природу сил межатомных связей. Продемонстрирована корреляция между среднеквадратичными отклонениями атомов (микромасштабный уровень свойств), представляющими микроструктурные характеристики III рода, с макромеханическими характеристиками [sigma]0,2 и [sigma]B (макромасштабный уровень свойств). Так как условный предел текучести и временное сопротивление разрушению связаны с прочностью и разрушением, то и среднеквадратичные отклонения атомов могут быть использованы в качестве индикатора поврежденности и признака достижения предельных состояний. Параметр U2 может служить также характеристикой текущего индивидуального физического состояния металла. Предложена новая методология оценки текущего и наступления предельных состояний. Показано, что восстановление структуры контролируется на атомном микромасштабном уровне по колебательной амплитуде и напряжениям I рода.The study relevance is associated with the need of increasing the reliability of welded joints in steam power plants, hence with a rational use of product materials due to improvement and development of methods for studying the physical characteristics. Purpose of the study is to introduce the new nanoscale structural criteria of the third kind to assess the surface condition. Object of the study is specimens of heat-resistant steel tubular heating surfaces of steam boilers. Methods include physical modeling of operating conditions by thermal cycling in the MIMP-10UE electric furnace, cyclic cold deformation by means of a hydraulic press, roentgenometry of specimens with evaluation of the root-mean-square deviations and internal structural stresses using the DRON X-ray diffractometers, analysis of surface morphology with the portable electron microscope PENSCKOPE with 20x magnification. Results. Experimental studies, related to quantitative evaluation of the amplitude of atomic vibration and its evolution during cyclic thermal and mechanical loads, resulted in introduction of a new diagnostic parameter - the amplitude of atomic vibration U2, reflecting the fundamental nature of interatomic bonds. Correlation between the root-mean-square deviations of atoms (the microscale level of properties), which are the microstructural characteristics of the third kind, and the macromechanical characteristics [sigma]0.2 and [sigma]B (the macroscale level of properties) was demonstrated. As the offset yield point and ultimate strength point are related to strength and breaking, then the rootmean-square deviations of atoms can be used as an indicator for damage and an indicator of limit states. The parameter U2 can also be a characteristic of the current physical state of metal. The new method for assessment of current and limit states was suggested. It was shown that structure restoration is monitored at the atomic microscale level, using the vibration amplitude and the stresses of the first kind

Influence of residual stresses on resistance to brittle fracture in weldment zones

Актуальность исследования в области прочности и разрушения сварных узлов связана с необходимостью обеспечения высокой надежности и безопасности эксплуатации опасных производственных объектов. В настоящее время признана роль внутренних напряжений и их релаксации как самостоятельной причины разрушения. Конечной формой предельного состояния является появление трещин, однако признаки наступления предельного состояния узла или конструкции не сформулированы. Цель исследования: установление признаков предразрушения и разрушения зон сварного шва по условиям перераспределения внутренних напряжений при термической релаксации. Объект: сварные узлы пароперегревателя, выполненные из разнородных сталей. Методы: физическое моделирование условий эксплуатации путем термоциклирования образцов в электропечи МИМП-10УЭ, рентгенометрия образцов, оценка внутренних структурных напряжений на рентгеновских дифрактометрах типа ДРОН, морфологический анализ с применением металлографического анализатора «Ресурс С7», включающего инвертированный микроскоп Olympus GF41 с программным обеспечением SIAMS Photolab, морфология трещин с помощью микроанализатора типа PEN SCKOPE, анализ микротвердости при использовании микротвердомера ПМТ-3. Результаты. На основании гипотезы о корреляции трещинообразования с процессами релаксации внутренних напряжений показано, что появление и рост трещины и релаксация напряжений являются взаимосвязанными процессами. В результате термо-флуктуационных релаксаций обнаружены одни и те же качественные закономерности для однофазной и двухфазной системы фаз, приводящие к разрушению. Для образца с начальной трещиной в условиях отсутствия внешних нагрузок и деформаций протекающие в образце процессы естественного старения контролируются только внутренними напряжениями, которые приводят в действие все механизмы разрушения, в том числе и фазовый распад. По условиям термофлуктуационной релаксации внутренних напряжений устанавливается температурная граница области напряженных состояний, определяющая надежную эксплуатационную температуру.The relevance of the researchinthe field of welded joints strength and failure is associated with the necessity of ensuring high operational reliability and safety running hazardous production facilities. Internal stresses and their relaxation as an independent cause of destruction are widely recognized nowadays. The final form of the maximum permissible state is cracks appearance, however the signs of the appeared maximum permissible state of the node or structure are not clearly defined. The aim of the researchis to establish the signs of weld zone prefracture and fracture under redistribution conditions of internal stresses during thermal relaxation. The subject of the research iswelded superheater units made of dissimilar steels. Research methods: physical modeling of operating conditions by thermal cycling of samples in the MIMP-10UE electric furnace, X-ray dosimetry of the samples, internal structural stresses evaluation on DRON- type X-ray diffractometers, morphological analysis using the «Resource S7» metallographic analyzer, including an inverted Olympus GF41 microscope with the SIAMS Photolab software, cracks morphology with a PEN SCKOPE microanalyzer, microhardness analysis using a PMT-3 microhardness tester. Results. According to the hypothesis of crack formation correlation with internal stress relaxation, crack appearance and growth and stress relaxation are interrelated processes. As a result of thermal fluctuation relaxation, the same qualitative regularities (which lead to destruction) for a single-phase and two-phase system are found. Natural aging processes occurring in the sample with an initial crack in the absence of external loads and deformations are controlled only by internal stresses that activate all mechanisms of destruction, including phase decay. Under the conditions of internal stresses thermofluctuation relaxation, the temperature limit of the stress state region is set, which determines the reliable operating temperature