Малоцикловая усталость стали 15NiCuMoNb5 (WB36) и ее сварного соединения

Отмечены специфические особенности стали WB36, известные из литературных источников. Сведения о результатах исследований стали WB36 и ее сварных соединений российского производства в открытой печати отсутствуют. Цель данной работы — исследование характеристик малоцикловой усталости стали 15NiCuMoNb5 (WB36) и ее сварного соединения. Исследования проводили на опытной сварной заготовке металла, изготовленной по штатной технологии и имитирующей натурный фрагмент барабана высокого давления. Испытания на малоцикловую усталость стали WB36 и ее сварного соединения выполняли в режиме жесткого нагружения по симметричному циклу при комнатной (20 – 25 °C) и рабочей (350 °C) температурах. Использовали образцы на растяжение-сжатие корсетного типа; критерием разрушения образца считали появление макротрещины на поверхности его корсетной части. Установлено, что с увеличением температуры испытаний сопротивление малоцикловой усталости стали и металла сварного шва снижается. При этом основной металл и металл сварного шва демонстрируют идентичные характеристики малоцикловой усталости при каждой из температур испытаний. Выполнен ограниченный объем исследований по влиянию температурного старения на малоцикловую усталость стали. Показано, что малоцикловая прочность исследуемого материала несколько выше, чем стали WB36, результаты испытаний которой представлены в зарубежной технической литературе. Проведен сравнительный анализ экспериментальных кривых малоцикловой усталости и соответствующих нормативных расчетных кривых, полученных путем аналитических выражений по фактическим механическим свойствам стали. Показано, что экспериментальные кривые демонстрируют более высокое сопротивление усталости при комнатной температуре по сравнению с кривыми усталости, полученными с помощью механических свойств металла. В то же время при рабочей температуре (350 °C) экспериментальная и расчетная кривые усталости практически совпадают, т.е. демонстрируют примерно одинаковое сопротивление усталости. Приведен пример расчета на малоцикловую усталость барабана высокого давления котла-утилизатора парогазовой установки. Подтверждено, что для заданных исходных параметров и ресурсных показателей условия прочности барабана по критериям малоцикловой усталости выполняются.

1. Yannan D., Bin R., Longxian L., et al. Analysis of Mechanical Properties of 15NiCuMoNb at Different Temperatures / IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 330(2019). 042046. P. 1 – 5. DOI: 10.1088/1755-1315/330/4/042046

2. Fohl J., Willer D., Katerbau K.-H. Effect of Copper Precipitates on the Toughness of Low Alloy Steels for Pressure Boundary Components / 30th MPA-Seminar in conjunction with the 9th German-Japanese Seminar. Stuttgart. 2004. October 6 and 7. P. 11.1 – 11.15.

3. Ney H., Cawelius R., Hanus F., Richter K. DIWA — the favourized steel for boilers and pressure vessels. Dillinger Hutte GTS, describe the production, materials and working properties of boiler making steel 15NiCuMoNb5 otherwise known as DIWA 373/H / Hydrocarbon engineering. 2002. December. P. 7.

4. Grin E. A., Pchelintsev A. V., Zelenskii A. V., Sarkisyan V. A. Set of drum steel 15NiCuMoNb5 (WB36) metal and welded joint service properties / Power Technol. Eng. 2023. Vol. 57. N 3. P. 431 – 437. DOI: 10.1007/s10749-023-01681-y

5. Mail K., Blind D., Vasoukis G., et al. Determination of cycle dependent material properties for a design concept on the basis of limited plastic strains with regard to environmental effects / International conference on low cycle fatigue and elasto-plastic behavior of materials, 1987, Munich, Germany. P. 512 – 517. DOI: 10.1007/978-94-009-3459-7

6. Altpeter I., Dobmann G., Katerbau K., et al. Copper precipitates in the steel 15 NiCuMoNb 5 (WB 36): Material properties and microstructure, atomistic simulation, NDE by micromagnetic techniques / Proceedings of the 25 MPA Seminar. Stuttgart. 1999. 7 – 8 October.

7. Изотов В. И., Илюхин Д. С., Гетманова М. Е., Филиппов Г. А. Влияние меди на структуру и механические свойства перлитной стали / Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 6. С. 609 – 614. DOI: 10.7868/S0015323016040070

8. Kumar S., Ramesh T., Asokkumar K. Welding Studies on WB36 for Feed Water Piping / International Journal of Computational Engineering Research (IJCER). 2016. Vol. 6. Issue 5. P. 36 – 52.

9. Dobmann G., Boller C., Herrman H.-G., Altpeter I. R&D to lifetime management — ND-characterization of ageing phenomena / E-Journal of Advanced Maintenance. 2013. Vol. 5-1. P. 15 – 24.

10. Schmauder S., Uhlmann D., Zies G. Experimental and numerical investigations of two material states of the material 15 NiCuMoNb5 (WB 36) / Computational Materials Science. 2002. Vol. 25(1). P. 174 – 192.

11. Гринь Е. А., Пчелинцев А. В., Зеленский А. В. и др. Исследование влияния температурного старения на комплекс служебных характеристик стали 15NiCuMoNb5 (WB36). Часть I. Влияние температурных выдержек на структурные параметры и микрораспределение элементного состава стали WB36 / Электрические станции. 2023. № 12. С. 10 – 21. DOI: 10.34831/EP.2023.1109.12.002

12. Grin E. A., Pchelintsev A. V., Zelenskii A. V., Sarkisyan V. A. Basic properties of steel 15NiCuMoNb5 (WB36) workpiece / Power Technol. Eng. 2023. Sept. Vol. 57. N 3. P. 424 – 430. DOI: 10.1007/s10749-023-01680-z

13. Гринь Е. А., Саркисян В. А., Зеленский А. В., Пчелинцев А. В. Исследование влияния температурного старения на комплекс служебных характеристик стали 15NiCuMoNb5 (WB36). Часть III. Влияние термического старения на механические свойства и критическую температуру хрупкости / Электрические станции. 2024. № 2. С. 2 – 10. DOI: 10.34831/EP.2024.1111.2.001

14. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Механические свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 6. С. 52 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

15. Гаденин М. М. Исследование закономерностей сопротивления деформированию и накопления повреждений при нерегулярном малоцикловом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 11. С. 55 – 63. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-11-55-63

16. Серенсен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. — М.: Атомиздат, 1975. — 192 с.

17. Махутов Н. А. Обобщенные закономерности повреждаемости и сплошности при оценках долговечности в условиях переменности режимов нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 9. С. 61 – 65. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-9-61-65

18. Комисарчик И. Н. Температурные поля и напряжения в стенках котельных барабанов при растопках и остановках / Труды ЦКТИ. Вып. 118. — Л, 1972. С. 38 – 54.