состояния легированных сталей

Когда говорят про состояния легированных сталей, многие сразу лезут в учебники с диаграммами ?железо-углерод?, но на практике, особенно с роторами турбин, всё часто упирается не в идеальную структуру, а в то, что получилось после термообработки на реальном, не всегда идеальном, оборудовании и как это поведёт себя под нагрузкой через десять лет. Вот это и есть та самая ?практическая металлургия?, где теория отступает перед дефектом, обнаруженным при ультразвуковом контроле.

Что мы на самом деле ищем под ?состоянием??

В теории всё просто: отжиг, закалка, отпуск. Но возьмём, к примеру, сталь 25Х1М1Ф для дисков ЦНД. Номинально — улучшенное состояние. А на деле? Всё решает скорость охлаждения после закалки и точность выдержки при высоком отпуске. Малейший сбой в печи — и вместо требуемой мелкодисперсной сорбитной структуры получаешь участки с трооститом или даже бейнитом. Прочность вроде бы по паспорту выходит, но ударная вязкость и сопротивление ползучести — уже не те.

Однажды на состояния легированных сталей для ремонта ротора мы заказали поковку у стороннего поставщика. Химия в норме, механические свойства при приемке — тоже. Но после наших механических работ и последующего динамического балансирования пошли микротрещины. Разбирались долго. Оказалось, перегрев при ковке, недокал. Структура — крупное зерно, по границам — выделения карбидов. Состояние материала было неоднородным по сечению, что и дало скрытые внутренние напряжения. Паспорт был, а реальное ?состояние? — брак.

Отсюда вывод: состояние — это не только фаза по диаграмме. Это интегральная характеристика: структура (и её однородность), уровень остаточных напряжений, дисперсность карбидной фазы, чистота стали по неметаллическим включениям. Последнее, кстати, для ответственных деталей турбин — святое. Класс по ГОСТу — одно, а реальная картина под микроскопом после глубокого травления — может неприятно удивить.

Ремонт вместо замены: когда состояние можно исправить

Часто встаёт вопрос на капитальном ремонте: ротор имеет деградировавшее состояние металла (скажем, развитие ползучести в зоне перехода лопаточных канавок) — менять целиком или пытаться восстановить? Полная замена — это новые поковки, долго, дорого. Мы в ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование часто идём по пути ремонта, но здесь нужен жёсткий анализ.

Был случай с ротором турбины мощностью 60 МВт. После длительной эксплуатации обнаружили сетку трещин в зоне посадки дисков. Материал — сталь 30ХН3МФА. Первая мысль — списание. Но сделали полный анализ: химия, механика, металлография, фрактография излома. Выяснилось, что причина не в исчерпании ресурса основного металла, а в усталости из-за вибрации от неоптимального профиля лопаток. Состояние легированной стали самого тела ротора было удовлетворительным.

Приняли решение: механически удалить повреждённый слой, наплавить методом автоматической сварки под флюсом специальной ремонтной проволокой, затем — полный цикл термообработки (нормализация, закалка, высокий отпуск) для восстановления структуры и снятия напряжений. Ключевым был именно режим отпуска: нужно было добиться нужной твёрдости, не затронув свойства основного металла. Получилось. Ротор успешно работает уже более 5 лет после ремонта. Информацию о подобных подходах к восстановлению мы иногда выкладываем в кейсах на https://www.chinaturbine.ru, чтобы показать, что капитальный ремонт — это часто инжиниринг материаловедения, а не просто замена.

Нюансы контроля: приборы не всегда правы

Твердомеры, ультразвук, магнитная дефектоскопия — всё это даёт цифры. Но цифру нужно интерпретировать через призму реального состояния материала. Классический пример — измерение твёрдости по Бринеллю на поковке после улучшения. Получили значение на верхнем пределе допуска — вроде хорошо. Но если структура неравномерная, то это значение — среднее по больнице. Локально могут быть и мягкие, и пережжённые участки.

Поэтому мы всегда дублируем контроль. За твёрдомером идёт микрошлиф и травление. Иногда достаточно посмотреть макроструктуру на серном отпечатке (метод Баумана), чтобы увидеть зональную ликвацию серы, которая резко снижает сопротивление хрупкому разрушению. Это состояние стали, которое не выявишь стандартным химическим анализом пробы.

Особенно критично это для крупногабаритных деталей, которые мы производим для паровых турбин — валы, корпуса цилиндров. Здесь сердцевина и поверхность охлаждаются с разной скоростью, и состояние по сечению может отличаться. Приходится закладывать дополнительные технологические операции, типа ступенчатой закалки или изотермической выдержки, чтобы выровнять структуру. Это удорожает процесс, но гарантирует отсутствие скрытых пороков.

Влияние эксплуатации: как состояние меняется в работе

Исходное состояние, которое мы создали или проверили при ремонте, — это только начало. В работе под высокими температурами и нагрузками идёт необратимая эволюция. Для жаропрочных сталей типа 15Х12ВНМФ (ЭИ802) или 20Х13 — это процессы старения, коагуляции карбидов, превращение остаточного аустенита.

На моей памяти был анализ лопатки из стали 15Х11МФ после 100 тыс. часов работы. Исходно — закалка+отпуск. После — структура стала более раздробленной, карбиды из мелких дисперсных превратились в более крупные, собранные по границам. Фактически, материал ?расслабился?. Его жаропрочные свойства упали. Это новое эксплуатационное состояние, которое уже не соответствует паспорту нового изделия. При модернизации или ремонте такой детали это нужно учитывать: иногда проще и надёжнее заменить, чем пытаться вернуть исходные свойства повторной термообработкой — может не выдержать.

Вот почему в услуги ООО Сычуань Чуаньли Электромеханическое Оборудование по техническому обслуживанию электростанций всегда входит мониторинг металла ключевых компонентов. Берём пробу стружки (или, в идеале, образец-свидетель), смотрим структуру, меряем твёрдость. Это позволяет прогнозировать остаточный ресурс и планировать ремонты не по календарю, а по фактическому состоянию. Подробнее о философии ремонта по состоянию можно прочесть в разделе о нашей деятельности на нашем сайте.

Ошибки как опыт: чему учат неудачи

Было и такое. Пытались ускорить процесс высокого отпуска крупной поковки из стали 34ХН1М, подняли температуру на 20 градусов выше рекомендованной, сократили выдержку. Рассчитывали, что за счёт более высокой температуры диффузионные процессы пойдут быстрее и мы сэкономим время печи. Получили красивый твёрдый паспорт, но при механической обработке резец начал ?прыгать? на определённых участках.

После вскрытия — неоднородность структуры, участки с повышенной твёрдостью и пониженной вязкостью. Отпуск прошёл неравномерно, не успели выровняться напряжения и стабилизироваться структура. Пришлось отправлять заготовку на повторный полный цикл термообработки, с нормализацией. Потеряли и время, и деньги. Этот случай теперь у нас как хрестоматийный пример: с состояниями легированных сталей нельзя торопиться. Технологическая карта написана, часто, кровью предыдущих ошибок.

Или ещё момент — сварка. Наплавка бандажей на ротор. Казалось бы, подобрали близкий по химии присадочный материал, предварительный и сопутствующий подогрев сделали. Но забыли в полной мере учесть разницу в коэффициентах линейного расширения основного металла и наплавленного. После сварки — всё хорошо. После отпуска — тоже. Но при первом же пробном пуске под нагрузкой пошли радиальные трещины. Сварной шов ?отжало?. Состояние металла шва и зоны термического влияния оказалось несовместимым с условиями работы. Пришлось переделывать, уже с другим, более пластичным и термоустойчивым наплавочным материалом.

Заключительные мысли: состояние — это история изделия

В итоге, когда я думаю о состояниях легированных сталей в турбостроении, я вижу не статичную картинку из атласа микроструктур, а динамичный процесс. Это история, которая начинается в сталеплавильном цеху (где закладывается чистота), продолжается в кузнечно-прессовом (где формируется макро- и микроструктура), затем в термическом (где задаются финальные свойства) и, наконец, в машинном зале электростанции (где свойства медленно, но верно меняются).

Наша задача как предприятия, занимающегося и производством, и ремонтом, — понимать эту историю на каждом этапе. При производстве — максимально контролировать и предопределять нужное состояние. При ремонте — детективистски восстанавливать прошлое состояние, анализировать настоящее и прогнозировать, можно ли вернуть деталь в строй, и на какой срок. Это и есть наша ежедневная работа, будь то поставка нового парового турбинного оборудования или капитальный ремонт старого. Всё упирается в металл. В его скрытую, не всегда послушную теориям, жизнь.