UDK 669.14.018.44:620.17 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(5)259(2002) B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU ... VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU NA LASTNOSTI MATERIALA 15NiCuMoNb5 INFLUENCE OF THE THERMOMECHANICAL LOAD ON THE PROPERTIES OF 15NiCuMoNb5 Boštjan Godec, Viktor Grdun Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana, Slovenija bostjan.godecŽimk.si Prejem rokopisa - received: 2001-02-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-03-10 Jeklo 15NiCuMoNb5 (Wb36) je namenjeno za obratovanje pri povišanih temperaturah v energetskih objektih. Material ima feritno-bainitno mikrostrukturo z izločenimi karbidi in povečane mehanske lastnosti zaradi legiranja z nikljem, molibdenom, niobijem in bakrom. V različnih termoenergetskih objektih so se pri tem jeklu pojavile poškodbe, v obliki razpok in lomov, ki pa so bile večinoma povezane z neugodnimi obratovalnimi razmerami. Da bi ugotovili v kakšnem stanju je material parovoda po 170.000 urah obratovanja pri 350 °C in 220 bar smo opravili na izrezanem delu cevi mehanske, lomnomehanske in metalografskepreiskaveter preiskavečasovnetrajnetrdnosti. Ključne besede: 15NiCuMoNb5, Wb36, izločevalno utrjevanje, udarna zarezna žilavost, časovna trajna trdnost The 15NiCuMoNb5 (Wb36) steel is used for the elevated temperatures and pressures that are typical of the working conditions in power plants. The microstructure of the steel is ferrite and bainite with carbide precipitate. The enhanced mechanical properties occur due to nickel, molybdenum, niobium and copper alloys. In past years a lot of damage occurred in connection with this material in power plants in theform of cracks and fractures, mainly dueto unfavourableworking conditions. Thepiece of tube was cut to determine the condition of the pipe material after 170.000 operating hours at 350 °C and 220 bar. Mechanical, fracture mechanical, metallographic and short-time creep rupture tests were performed to estimate the material changes. Keywords: 15NiCuMoNb5, Wb36, particle strengthening, notch-bar impact energy, accelerated creep rupture test 1 UVOD Material WB 36 - 5NiCuMoNb5 (št. mat. 1.6368) spada v skupino mikrolegiranih jekel za povišane temperature s sorazmerno nizkim ogljikom. Zaradi legiranja z nikljem, molibdenom, niobijem in bakrom dobimo pri relativno nizkih ohlajevalnih hitrostih mikrostrukturo s povečanimi mehanskimi lastnostmi in z značilno feritno bainitno mikrostrukturo z izločenimi karbidi1,2,4,5. Njegovo široko področjeuporabeomogoča izboljšana napetost tečenja pri povišanih temepraturah1. Uporablja sekot material za cevovodein posodev termoenergetskih objektih in nuklearnih elektrarnah, tako v vrelovodnih (BWR) in tlačno vodnih reaktorjih (PWR). Pri klasičnih termoelektrarnah ga uporabljamo do temperatur 450 °C, pri nuklearnih pa navadno do 300 °C in manj pogosto pri tlačnih posodah do 340 °C. Pri nekaterih objektih, kjer je bilo vgrajeno jeklo WB 36, so po večjem številu obratovalnih ur 90.000-160.000 v zadnjih dveh desetletjih opazili nekatere poškodbe v cevnih sistemih in tlačnih posodah. V vseh opisanih primerih je bila temperatura obratovanja med 320 in 350 °C ali višje. Čeprav avtorji1,3,4,5 navajajo različnevzroke poškodb, pa je pri vseh bilo opaziti utrjevanje materiala, povezano s padcem žilavosti, kar je v glavnem povezano s premikom temperature prehoda v krhko stanje pri udarni zarezni žilavosti k višjim temperaturam. Na to temo je bilo narejenih v zadnjih letih veliko razis-kav1,3,4,5,6. Čeprav še veliko stvari ni popolnoma razjasnjenih pa ugotovitve kažejo, da do tega pride zaradi precipitacijebakra, ki seodvija med dolgotrajnim obratovanjem pri temperaturah nad 320 °C 1,3. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Izvedene so bile preiskave materiala WB36-U, odvzetega iz cevovovda NB 53 (? 191 mm x 11 mm) na bloku 5 TEŠ po 170.000 urah obratovanja pri delovnih razmerah 350 °C in tlaku 220 bar, in primerjalno z materialom WB36-N (? 192 mm x 14 mm), ki ni bil izpostavljen obratovalnim razmeram. Namen raziskave je podati oceno stanja materiala in pri tem upoštevati literaturne podatke glede nenadnih poškodb v svetu, ki so se v nekaterih primerih v preteklosti pojavljale pri teh materialih. Baker, nikelj in niobij, kakor tudi povišane vsebnosti molibdena skupaj z znižanim kromom so značilne za WB36 (tabela 1). Mehanske lastnosti uporabljenega materiala in novega se razlikujejo (tabela 2, slika 2). V celotnem temperaturnem območju do 500 °C velja, da ima uporabljen material višje vrednosti napetosti tečenja in trdnosti ter nižje vrednosti raztezkov v primerjavi z MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 259 B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU Tabela 1: Kemična analiza Table 1: Chemical analysis Material Kemična sestava Š%] C Si Mn P S Cr WB 36 - U 0,12 0,28 1,04 0,008 0,014 0,28 WB 36 - N 0,14 0,34 1,02 0,015 0,003 0,17 WB 36 - proizvajalec <0,17 0,25-0,50 0,80-1,20 <0,035 <0,035 - Mo Ni Cu Nb Al N WB 36 - U 0,35 1,16 0,62 0,035 0,005 0,011 WB 36 - N 0,38 1,32 0,58 0,025 0,042 0,014 WB 36 - proizvajalec 0,25-0,50 1,00-1,30 0,50-0,80 «0,02 0,015-0,050 <0,020 Tabela 2: Natezni preskusi pri različnih temperaturah Table 2: Tensile tests at different temperatures Material Napetost tečenja Rp0,2 (ReH) ŠN/mm2] Natezna trdnost Rm ŠN/mm2] Raztezek A Š%] Kontrakcija Z Š%] Temperatura preskusa Š°C] WB 36 - U 611* 708 17,0 50 20 511 644 16,5 55 350 486 633 20,7 55 448 590 15,0 55 450 456 605 19,3 60 439 516 22,0 70 500 445 580 18,7 60 WB 36 - N 454 677 21,2 67 20 450 644 24,0 58 350 442 603 21,0 64 474 578 19,0 66 450 441 533 19,3 72 401 507 17,3 73 500 439 519 20,7 70 WB 36 - proizvajalec >430 610-760 >16,0 20 15Mo3 - proizvajalec >175 430-520 >19,0 - 350 13CrMo44 - proizvajalec >215 430-550 >18,0 - 350 Če primerjamo dobljene rezultate z navadnimi materiali, ki se uporabljajo v teh razmerah ugotovimo, da je napetost tečenja pri materialu WB36 pri 350 °C skoraj dvakrat višja, kar daje jeklu široko uporabo v tem srednjem temperaturnem območju. Meritve trdot po Brinelu (trdota HBS 2,5/187,5) so bile narejene na preseku cevi v X in Y smeri in so pokazale, da ima material WB36-U v povprečju 228 HB in WB36-N v povprečju 212 HB. Udarni žilavostni preskusi so bili narejeni po Charpy-ju z V zarezo v območju temperatur od -80 do + 450 °C (slika 2). Material, ki je bil izpostavljen obratovanju WB-36-U ima prehod v krhko stanje pri nižji temperaturi (Tpr = - 60 °C) v primerjavi z novim WB36-N (Tpr = - 20 °C). Pri 50 °C sekrivulji križata in v temperaturnem območju 350 °C, kjer material obratuje, je žilavost za oba materiala visoka, vendar ima material WB36-N nekoliko višje vrednosti. Metalografska preiskava nam je potrdila domnevo, da je material WB36-N popuščan na višji temperaturi. V drobnozrnati mikrostrukturi jeferit in bainit (slika 4, 6). novim. Z višanjem temperature nateznega preskusa se ta razlika zmanjšujein pri 500 °C imata žezelo podobne lastnosti. Četerezultateprimerjamo s podatki proizvajalca jekla Manessmanna, ugotovimo, da ima material, ki jebil v uporabi ševedno ustreznemehanskelastnosti (tabela 2, slika 1). 800 CM 700 O O. oc 600 m KT 500 o F F 400 S & 300 i 200 IS z 100 ? WB36-U DWB36-N 20 350 450 500 Temperatura Š°C] Slika 1: Primerjava napetosti tečenja Rp0,2 v odvisnosti od temperature Figure 1: Comparison of yield point Rp0,2 and dependence on temperature 260 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU 200 180 3 160 o » 140 ¦u o 120 S 100 0 S" 1 60 l3 "0 20 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Temperatura Š°C] Slika 2: Krivulji žilavosti za WB36-U in WB36-N Figure 2: Toughness curves for WB36-U and WB36-N Izločeni karbidi po mejah zrn in v feritnih zrnih so drobni, vendar v primerjavi z WB36-U nekoliko večji. Slednji ima drobnozrnato mikrostrukturo iz ferita in bainita (slika 3, 5). Pri odvzetih vzorcih cevovoda iz materiala WB36-U in WB36-N smo izvedli preiskavo časovne trajne trdnosti (slika 7). Narejene so bile serije epruvet ? 3,0 mm in merilnedolžine15 mm, ki so bilena koncih odebeljene in opremeljene z navoji za vpetje v vpenjalne glave. Preskušanci so bili izpostavljeni temperaturam 400, 450, 500 in 550 in statičnim obremenitvam, ki so bileizbranetako, dajedo preloma prišlo v času od 50 do Slika 3: WB 36 - U Figure 3: WB 36 - U 3.000 ur. Pri teh preiskusih uporabimo temperature, ki so višje kot pri dejanskem obratovanju, s čimer pospešimo čas do preloma. Prostorsko odvisnost med napetostjo ?, temperaturo preizkušanja T in časom do porušitve tB izpeljemo s parametrom P v dvodimenzijsko odvisnost (?-P). Parameter P, ki je odvisen od temperature T in časa do porušitvetB, smo prevzeli po Mansonu in Haferdu in ima naslednjo obliko12: logtB - A P T -B kjer sta A in B konstanti materiala, T temperatura preskušanja v K in tB čas do porušitvev urah. Konstanti A in B smo ugotovili iz podatkov o najmanjši časovni trdnosti materiala, tako da parameter P ustreza za časovnetrdnosti pri 100.000 urah in pri 10.000 urah obremenitve parovoda (podatki proizvajalca cevi Mannesmann2). Za izpolnitev navedenega pogoja dobimo parameter P v obliki: P = 1000 logtB- 39,28 T+14,42 -*3wČ__ WhfHČZVTZ '"-ȦtiČv sšr- jČ Ž3 Slika 5: WB 36 - U Figure 5: WB 36 - U Slika 4: WB36 - N Figure 4: WB36 - N Slika 6: WB36 - N Figure 6: WB36 - N MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 261 B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU 700 600 n 500 Ž 400 o 300 a> I" 200 100 0 A Č5.Č ¦ « WB36-U A WB36-N • WB 36-proizvajalec --------------WB 36 - proizvajalec povpr. .......WB 36-U-povpr. -------------WB 36-N-povpr. i« ¦ -60 -55 -50 P Č5 -40 Slika 7: Odvisnost med napetostjo ? in parametrom P (čas do porušitvetB, temperatura preskusa T) za cevovod iz materiala WB36-U po 170.000 urah obratovanja in neuoporabljenega materiala WB36-N Figure 7: Correlation between stress ? and parameter P (time to rupturetB, test temperature T) for tube from materials WB36-U after 170.000 hours of working, and new material WB36-N Krivulja časovnetrajnetrdnosti za dejansko stanje materiala leži vsepovsod nad vrednostjo, zahtevano za material WB362. 3DISKUSIJA Direktna primerjava rezultatov raziskave cevi, ki je bila v uporabi in novi ni možna, saj so preskusi pokazali, da imata jekli različno izhodno stanje zaradi različne toplotne obdelave. Glede na opravljene preiskave ugotavljamo, da pri materialu stare cevi ni prišlo zaradi obratovanja do sprememb v mikrostrukturi v takšnem obsegu, ki bi lahko znatno vplivale na poslabšanje njegovih lastnosti. Vse preiskave kažejo na to, da je material kljub relativno dolgemu času obratovanja zadržal večji del lastnosti izhodnega stanja. V preteklih letih so bile na teh materialih po nekaterih spektakularnih poškodbah izvedene obsežne preiskave. Pojavljajo se dve vrsti poškodb: tvorba razpok in krhki prelomi pri tlačnih preskusih. Poškodbe v obliki razpok naj bi bilepovezanes pojavom deformacijsko induciranenapetostnekorozijein jev povezavi z vsebnostjo kisika v vodi. Krhki prelomi pa naj bi bili v povezavi z znižanjem žilavosti materiala pri dolgotrajnem obratovanju. Premaknitev prehodnega področja žilavosti k višjim temperaturam kažejo podobno tudi nekatera druga toplotno obstojna jekla, vendar pa pri njih ne prihaja do poviševanja napetosti tečenja. Razlago za spremembe, ki nastanejo pri materialu WB36 pri obratovanju so avtorji1 izpeljali iz faznega diagrama železo - baker, prikazanega na sliki 8. Topnost bakra v jeklu pri temperaturah pod približno 650 °C ni bila poznana do leta 1980. Privzeto je bilo, da jeklo, ki ga toplotno obdelamo pri temperaturah med 650 in 550 °C, ne bo vsebovalo raztopljenega bakra. Danes pa je znano, da jekloWB36, žarjeno v tem temperaturnem področju, še vedno vsebuje delež bakra (40 %) v trdni raztopini1. Zaželen porast trdnosti pri tem materialu Slika 8: Fazni diagram železo - baker1 Figure 8: Phasediagram iron-copper1 povzroči le en del legiranega bakra, drugi del, ki je v trdni raztopini, pa počasi precipitira med dolgotrajno izpostavitvijo temperaturi nad 320 °C in lahko vodi do porasta trdotein padca žilavosti. Material lahko utrdimo z oviranjem gibanja dislokacij z geometrijskimi ovirami, kot so izločki. Takšno izločevalno utrjevanje povečuje napetost tečenja. V nasprotju z navadnimi ovirami v jeklu, kot so karbidi, so bakrovi izločki mehkejši od železovega matriksa. Dislokacija ni popolnoma blokirana, kot jeto v Orowanovem modelu, temveč disociira v izločke in iz bjega. Gibanje dislokacij je ovirano ni pa onemogočeno. Ta odpor skupaj z razdaljami izločkov tvori osnovo za enačbo, podano po Russelu in Brownu8, ki razloži povečanje napetosti tečenja zaradi rezanja izločkov, ki so mehkejši od osnove. Al Gb D 1- P 2 I Slika 9: Bakrovi precipitati narejeni s transmisijsko elektronsko mikroskpijo1 Figure 9: Copper precipitates detected by transmission electron microscopy1 E 262 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU Slika 10: Dva načina začetka interkristalnega loma pri jeklih za povišane temperature Figure 10: Two modes of start for theintercrystallinefractureof steels at elevated temperature kjer je G strižni modul matriksa, b je Burgersov vektor dislokacije, D razdalja med izločki; E8, P8 energija na dolžino dislokacije v neskončnem matriksu in enegija izločka. Povečanje napetosti tečenja po staranju, ki so ga izračunali iz te enačbe, da vrednost približno 220 N/mm2. Pri navadnih jeklih za povišane temperature s časom obratovanja prihaja pri večini jekel do zniževanja trdnostnih lastnosti in slabšanja žilavostnih lastnosti7. Pri jeklu WB36 pa prihaja do utrjevanja jekla in istočasno do zniževanja žilavostnih lastnosti. S povečevanjem temperature izpostavitve postajajo pri jeklih za povišane temperature meje zrn manj trdne. Prihaja do pojava odpiranja po tromejah zrn in nastanka ovalnih por po mejah zrn (slika 10), ki nastajajo zaradi drsenja mej zrn, ki ga povzročajo strižnesile. S časom prihaja do povečevanja teh napak in združevanja, kar vodi do interkristalnih lomov12. Primerjava metalografskih posnetkov na vzorcih, ki so bili izpostavljeni približno enakim razmeram pri preskusu časovnetrajnetrdnosti nam pokaže, da v bližini preloma izkazuje material WB36-U (slika 11, 13) nekoliko drugačnepoškodbekot WB36-N (slika 12, 14). Pri prvem opažamo manj deformirano zrno in večino mikrorazpok med feritnimi zrni, pri WB36-N pa deformirano zrno in poškodbev obliki jamic. Pri jeklu WB36-U je samo zrno pri teh temperaturah trdnejše in ne pride do deformacije, zaradi strižnih sil na mejah zrn Slika 13: WB 36 - U po izpostavi 500 °C 390 N/mm2, čas 270 ur Figure 13: WB 36 - U after exposed to 500 °C 390 N/mm2, time270 hours Slika 11: WB 36 - U po izpostavi 500 °C 390 N/mm2, čas 270 ur Figure 11: WB 36 - U after exposed to 500 °C 390 N/mm2, time270 hours Slika 12: WB36 - N po izpostavi 500 °C 390 N/mm2, čas 220 ur Figure 12: WB36 - N after exposed to 500 °C 390 N/mm2, time220 hours Slika 14: WB36 - N po izpostavi 500 °C 390 N/mm2, čas 220 ur Figure 14: WB36 - N after exposed to 500 °C 390 N/mm2, time220 hours MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 263 B. GODEC, V. GRDUN: VPLIV TERMOMEHANSKIH OBREMENITEV PRI DOLGOTRAJNEM OBRATOVANJU pa pride do odpiranja mej zrn. Pri združevanju teh poškodb pridedo preloma. 4 SKLEP Na osnovi opravljenih preiskav ugotavljamo, da po 170.000 urah obratovanja pri temperaturi 350 °C in tlaku 220 bar pri materialu parovoda ni prišlo do sprememb lastnosti materiala WB36 v takšni meri, da bi to negativno vplivalo na mehanske lastnosti. Material je zadržal trdnostnein duktilnelastnosti, predpisaneza izhodno stanje. Razlika med materialom, ki je bil izpostavljen termomehanskim obremenitvam WB36-U in tistem v izhodnem stanju WB36-N, obstaja, vendar z izvedenimi preiskavami ne moremo trditi, da te razlike nastopajo zaradi precipitacije bakra med obratovanjem parovoda, saj se materiala razlikujeta v izhodni mikro-strukturi, ki je pri slednjem tudi močneje popuščena. Ševedno obstaja vprašanjegledevzroka pojavljanja poškodb pri tem materialu pri različnih objektih, vendar vse kaže, da so poškodbe skoraj vedno povezane z zunanjimi vplivi, ki pospešijo nekatere procese v materialu. Na ta material negativno vplivajo mediji, ki lahko pospešijo pojav napetostne korozije, prav tako pa tudi termošoki, ki skupaj z zmanjšanimi duktilnimi lastnostmi lahko prispevajo k poškodbam. 5 LITERATURA 1 I. Alpteter et al., Copper precipitates in 15NiCuMoNb5 (Wb36) steel: material properties and microstructure, atomistic simulation, and micromagnetic NDE techniques, Nuclear Engineering and Design 206 (2001) 337-350 2 Warmfeste und hochwarmfeste und hochwarmfeste Stähle, Mannes-mannröhren-werke, Düsseldorf, 1975 3 F. J. Adamsky, H. Teichmann, E. Tolksdorf, Betriebserfahrungen mit dem warmfesten Werkstoff 15NiCuMoNb5 in konventionellen Kraftwerksanlagen, VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997) 8, 667-675 4 G. Kalwa, Entwicklungstendzen der warmfesten Stähle für nahtlose Rohre im Kraftwerksbau, VGB Kraftwerkstechnik 63 (1983) 4, 356-365 5 M. Shick et al., Beitrag zur Beurteilung der Zähigkeit und schweißtechnischen Verarbeitungssicherheit des Stahles 15NiCuMoNb5, VGB Kraftwerkstechnik 67 (1987) 9, 901-916 6 P. Kizler, D. Uhlmann, S. Dchmauder, Linking nanoscale and macroscale: calculation of thechangein crack growth resistanceof steels with different states of Cu precipitation using a modification of stress-strain curves owing to dislocation theory, Nuclear Engineering and Design 196 (2000), 175-183 7 F. Vodopivec, Železarski zbornik 24 (1990) 3, 145-162 8 Particle strengthening of metalls and alloys, John Willey & Sonns, Inc., 1997 9 C. H. A. Townley, High temperature design procedures - developments in Europesince1986, CREP: Characterization, Damageand Life Assessment, 1992, 7 10 ASTM Mechanical Testing, vol. 8, 1985, 333-335 11 K. Sonoya et al., The use of miniature specimen forassessment of residual life by temperature-accelerated creep test, CREP: Characterization, Damage and Life Assessment, 1992, 75 12 R. E. Reed-Hill, Physical metallurgy principles, 1973, 827-887 264 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5