Анализ причин хрупкого разрушения труб поверхностей нагрева котлов после длительной эксплуатации

Исследование причин разрушения энергетического оборудования необходимо для их устранения или ограничения, а также для разработки и совершенствования методов технической диагностики. Последняя особенно важна, так как аварии или незапланированная остановка энергетического оборудования наносят большой экономический ущерб. Стандартные методы технической диагностики при оценке остаточного ресурса оборудования включают: механические испытания вырезанных из деталей оборудования образцов, определение их химического состава, структурные исследования и фрактографию металла. Изучают как изломы специально вырезанных для механических испытаний образцов, так и поверхности разрушения, произошедшего в процессе эксплуатации. Общеизвестна опасность развития водородной хрупкости в металлах. Наличие площадок или фасеток хрупкого разрушения обычно связывают с индуцированным водородом разрушением или с водородным охрупчиванием. Прямые измерения концентрации растворенного в металлических образцах водорода стандартами не предусмотрены, поэтому диагностика развития водородной хрупкости носит лишь качественный характер. Проведенные нами исследования показывают, что стандартных подходов недостаточно для технической диагностики труб поверхностей нагрева котельного оборудования. Накопление водорода в процессе эксплуатации может не иметь видимых признаков коррозии или структурных изменений. Обнаружено, что водород и внешняя термомеханическая нагрузка индуцируют анизотропию механических и структурных свойств сталей труб поверхностей нагрева. В результате характер разрушения вырезанных из стенок труб образцов зависит от ориентации испытательных нагрузок относительно главных осей тензора напряжений эксплуатационных (рабочих) нагрузок. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что при установлении причин аварий и обследовании рабочих теплообменников в целях оценки их остаточного ресурса необходимо дополнительно проводить измерения распределения концентрации растворенного водорода в металле и механические испытания кольцевых образцов.

1. Kolachev B. A. Hydrogen embrittlement of metals. — Moscow: Metallurgiya, 1985. — 216 p. [in Russian].

2. Djukic M. B., Zeravcic V. S., Bakic G. M., et al. Hydrogen damage of steels: a case study and hydrogen embrittlement model / Engineering Failure Analysis. 2015. N 58. P. 485 – 498. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.05.017

3. Bahr D. F., Overman N. R., San Marchi C. W., et al. Orientation specific mechanical assessment of hydrogen precharged stainless steels using nanoindentation. Effects of hydrogen on materials / Proceedings of the 2008 international hydrogen conference, September 7 – 10 2008, Jackson Lake Lodge, Grand Teton National Park, Wyoming, USA. — Ohio: ASM International. 2009. P. 85 – 179.

4. Zhao J., Ding H., Zhao W., et al. Influence of hydrogenation on microstructures and microhardness of Ti6Al4V alloy / Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2008. Vol. 18. N 3. P. 506 – 511. DOI: 10.1016/S1003-6326(08)60089-8

5. Godoia W., Kuromotoa N. K., Guimarãesb A. S., et al. Effect of the hydrogen outgassing time on the hardness of austenitic stainless steels welds / Material Science and Engineering: A. 2023. Vol. 354. N 1 – 2. P. 251 – 256.

6. Kim Y. S., Kim D. W., Kim S. S., et al. Effects of hydrogen diffusion on the mechanical properties of austenite 316L steel at ambient temperature / Materials Transactions. 2011. Vol. 52. N 3. P. 507 – 513. DOI: 10.2320/matertrans.M2010273

7. Matvienko Yu. G. Models and criteria of fracture mechanics. — Moscow: Fizmatlit, 2006. — 328 p. [in Russian].

8. Merson D. L., Polyanskii A. M., Polyanskii V. A., et al. Correlation of the mechanic parameters of steel 35G2 with hydrogen content and parameters of acoustic emission / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2008. Vol. 74. N 2. P. 57 – 60 [in Russian].

9. Polyanskiy V. A., Belyaev A. K., Polyanskiy A. M., et al. Hydrogen embrittlement as a surface phenomenon in deformed metals / Physical Mesomechanics. 2022. Vol. 25. N 3. P. 27 – 37 [in Russian].

10. Miroshnichenko B. I. The role of a stressed state in the formation of stress-corrosion flaws in pipelines / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2008. Vol. 44. N 6. P. 42 – 51 [in Russian].

11. Gumerov K. M., Silyvestrov S. A., Bagmanov R. R. Physical model of pipeline stress corrosion / Probl. Sbora Podgotovki Transp. Nefti Nefteprod. 2015. N 4. P. 82 – 95 [in Russian].

12. Albakasov A. I., Klimov M. I. On the issue of standardization of slot-like discontinuities in structures with hydrogen-containing media / Vestn. Orenburg. Gos. Univ. 2006. N 9. P. 328 – 334 [in Russian].

13. Pronin A. N., Okrepilov M. V., Ginyak E. B., et al. Modern metrology of physical and chemical measurements. — Moscow: OOO «Izdatel’stvo TRIUMF», 2022. — 561 p. [in Russian]. DOI: 10.32986/978-5-94472-103-7-25-07-2022

14. Yoon S. H., Kim C. G., Cho W. M. Measurement of tensile properties using filament wound ring specimens / Journal of reinforced plastics and composites. 1997. Vol. 16. N 9. P. 810 – 824. DOI: 10.1177/073168449701600903

15. Nindiyasari F., Pierick P. T., Boomstra D., et al. Ring tensile test of reference zircaloy cladding tube as a proof of principle for hotcell setup / TopFuel-2018 Conf., Prague, Czech Republic. 2018. — 9 p.

16. Khalfallah A., Ktari Z., Leitao C., et al. New mandrel design for ring hoop tensile testing / Experimental Techniques. 2021. Vol. 45. N 3. P. 1 – 19. DOI: 10.1007/s40799-021-00462-4

17. Samal M. K., Balakrishnan K. S., Parashar J., et al. Investigation of deformation behavior of ring-tensile specimens machined from pressure tubes of Indian PHWR / Transactions of the Indian Institute of Metals. 2014. Vol. 67. N 2. P. 167 – 176. DOI: 10.1007/s12666-013-0314-2

18. Kim S. K., Bang J. G., Kim D. H., et al. Mechanical property evaluation of high burn-up nuclear fuel cladding using the ring tensile test / Metals and Materials International. 2009. Vol. 15. N 4. P. 547 – 553. DOI: 10.1007/s12540-009-0547-0

19. Nagase F., Sugiyama T., Fuketa T. Optimized ring tensile test method and hydrogen effect on mechanical properties of zircaloy cladding in hoop direction / Journal of nuclear science and technology. 2009. Vol. 46. N 6. P. 545 – 552. DOI: 10.3327/jnst.46.545

20. Travica M., Mitrovic N. Petrovic A., et al. Experimental evaluation of hoop stress-strain state of 3D-printed pipe ring tensile specimens / Metals. 2022. Vol. 12. N 10. P. 1 – 11. DOI: 10.3390/met12101560

21. Saikaly W. E., Bailey W. D., Collins L. E. Comparison of ring expansion vs flat tensile testing for determining linepipe yield strength / International Pipeline Conference. American Society of Mechanical Engineers. 1996. Vol. 1. P. 209 – 213.

22. Mosin A. M., Evseev M. V., Portnykh I. A., et al. Changes in the physical and mechanical properties of fuel rod claddings made of EK164 and ChS68 steels after operation in the BN-600 reactor for four micro-companies / Izv. Vuzov. Yader. Énerget. 2011. N 1. P. 224 – 230 [in Russian].

23. Travica M., Mitrovic N., Petrovic A., et al. Experimental strain measurements on ring tensile specimens made of S235JRH steel pipe / Procedia Structural Integrity. 2023. Vol. 48. N 7. P. 280 – 287. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.07.131

24. Laterreur V., Ruel J., Auger F. A., et al. Comparison of the direct burst pressure and the ring tensile test methods for mechanical characterization of tissue-engineered vascular substitutes / Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2014. Vol. 34. P. 253 – 263. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2014.02.017

25. Frolov A. S., Fedotov I. V., Gurovich B. A. Evaluation of the true-strength characteristics for isotropic materials using ring tensile test / Nuclear Engineering and Technology. 2021. Vol. 53. N 7. P. 2323 – 2333. DOI: 10.1016/j.net.2021.01.033

26. Gurovich B. A., Frolov A. S., Fedotov I. V. Improved evaluation of ring tensile test ductility applied to neutron irradiated 42XNM tubes in the temperature range of 500 – 1100°C / Nuclear Engineering and Technology. 2020. Vol. 52. N 6. P. 1213 – 1221. DOI: 10.1016/j.net.2019.11.019

27. Kostyukhina A. V. Mechanical properties and deformation behavior of fuel cladding materials of power reactors based on the results of tensile tests of ring samples. Candidate’s thesis. — Moscow, 2020. — 145 p. [in Russian].

28. Kwon D. I., Asaro R. J. Hydrogen-assisted ductile fracture in spheroidized 1518 steel / Acta Metallurgica Et Materialia. 1990. Vol. 38(8). P. 1595 – 1606. DOI: 10.1016/0956-7151(90)90127-3

29. Depraetere R., Waele W. D, Cauwels M., et al. Single edge notched tension testing for assessing hydrogen embrittlement: a numerical study of test parameter influences / The 8th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS Congress 2022, 5 – 9 June 2022, Oslo, Norway. P. 1 – 12. DOI: 10.23967/eccomas.2022.255

30. Asadipoor M., Kadkhodapour J., Pourkamali A., et al. Experimental and numerical investigation of hydrogen embrittlement effect on microdamage evolution of advanced high-strenght dual-phase steel / Metals and Materials International, 2021. Vol. 27. P. 2276 – 2291. DOI: 10.1007/s12540-020-00681-1

31. Wasim M., Djukic M. B., Ngo T. D. Influence of hydrogen-enhanced plasticity and decohesion machanisma of hydrogen embrittlement on the fracture resistance of steel / Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 123. P. 105 – 312. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105312

32. Merson E. D. Study of the mechanism of destruction and the nature of acoustic emission during hydrogen embrittlement of low-carbon steel. Candidate’s thesis. — Tolyatti, 2016. — 161 p. [in Russian].

33. Sinyuk V. S., Pokhodnya I. K., Paltsevich A. P., et al. Experimental study of the mechanism of hydrogen embrittlement of metals with a bcc lattice / Automatic Welding. 2012. N 5. P. 12 – 16 [in Russian].

34. Duportal M., Oudriss A., Savall C., et al. On the implication of mobile hydrogen content on the surface reactivity of an austenitic stainless steel / Electrochimica Acta. 2022. Vol. 403. N 26. P. 139684: 1 – 13. DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139684

35. Cauwels M., Claeys L., Depover T., et al. The hydrogen embrittlement sensitivity of duplex stainless steel with different phase fractions evaluated by in-situ mechanical testing / Frattura ed Integrità Strutturale. 2020. Vol. 14. N 51. P. 449 – 458. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.51.33

36. Polyanskiy V. A., Alekseeva E., Belyaev A. K., et al. Phenomenon of skin effect in metals due to hydrogen absorption / Continuum mechanics and thermodynamics. 2019. Vol. 31. N 1 – 2. P. 1961 – 1975. DOI: 10.1007/s00161-019-00839-2

37. Ktari Z., Leitao C., Prates P. A., et al. Mechanical design of ring tensile specimen via surrogate modelling for inverse material parameter identification / Mechanics of Materials. 2021. Vol. 153. P. 103673: 1 – 16. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103673

38. Polyanskiy V. A., Belyaev A. K., Sedova Yu. S., et al. Mesoeffect of the dual mechanism of hydrogen-induced cracking / Physical Mesomechanics. 2022. Vol. 25. N 3. P. 98 – 112 [in Russian].