автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Оценка сопротивляемости разрушению сварных соединений трубопроводов из феррито-перлитных сталей по параметру микротвердости

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи МАЛЯРЕВСКАЯ ЕЛЕНА КОНСТАНТИНОВНА

УДК 621.791.052:539.4

ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ РАЗРУШЕНИЮ СВАРНЫХ .ОЕДИНЕННЙ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ

Специальность 05.03.06. -Технология и

машины сварочного производства

у/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Ыооковокой Гооударотвешой академии нефти и газа шени И.М,:рубкина.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Зорин Е.Е.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Лившиц Л.С.

- кавдвдат технических наук, старший научный сотрудник Деыин S.A.

Ведущее предщиятие - 0Р1ТЕХДИАГШСГИКА

Защита оостоитоя " Л/аЛ^_ 1992 г. в 4Q . чаоов

в аудитории ¿LOB. на заседании специализированного совета Д. 053.27.13 s МосковЬкой Государственной академия нефти и гага им. И.М.Губкина по едреоуг II79I.7, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65. .

Ваши отзывы и замечания по автореферату, ваверенные печатью, просим направлять по указанному адреоу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инотитута.

Дата раооылки ь ZH " СшкмХ' 1992 г.

Ученый секретарь опецнали-8ироаанного совета кавд.техн.наук, доцент

Е.Е.Зорин

ОВЦЬЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. Ужесточение эксплуатационных условий . современных сварных трубопроводных систем: увеличение рабочих напряжений, циклическая составляющая нагрунения, перемещение в районы с низкими климатическими температурами, наличие термоциклического воздействия на металл, высокая коррозионная активность транспортируемого продукта и грунтов предъявляют высокие требования к надежности сварных конструкций, используемых для. обустройства месторождений углеводородного сырья.

Заработка объектом ресурса, т.е. переход в предельное состояние (нарушение герметичности), связана с накоплением в материале повреждений различных масштабов, приводящих к формированию и развитию магистральной трещины (ЫТ).

В предупреждения наступления предельного состояния важную роль играют средства неразруиающето контроля и технической диагностики .

'Существование микротрещин и трэщиноподобных дефектов в материале конструкции и ее сварных узлах к началу эксплуатации -естественно. В процессе эксплуатация происходит зарождение новых шкротрещин и рост уне имеющихся.

Накопление повреждаемости на всех стадиях технологических переделов .материала и при эксплуатации конструкции связано со значительной стохастичность» и локализацией пластической деформации в объемах, сопоставимых с элементами структуры. Повреждаемость на микроструктурном уровне контролирует сопротивление разрушению. При этом меняется реакция материала на наличие в нэп макродефокта либо макротрещины и формулируются следующие задачи: взаимодействие макро- и микродефектности и переход макродефекта в ЫТ.

Цель работы заключается в разработке инженерного метода экспресс-диагностики материала и сварных узлов трубопроводных систем из феррито-перлитных сталей с учетом влияния условий эксплуатации.

Метод» исследования. Б качестве диагностирующего инструментария для оценки накопления повреждаемости на микроструктурном уровне использована микротвердость. Различные уровни повреждаемости реализовывали поэтапным одноосным растяжением плоских гладких образцов с остаточной деформацией от 4 до 16$, наводора-

"живанием гладких цилиндрических образцов по ускоренной методике . в среде А/ДС£, за счет комплексного воздействия перечисленных факторов. Одновременно с замерами г.шкротвердости проводились испытания на ударный изгиб, длительную прочность в коррозионно-ак-тивной среде, циклическую долговечность крупномасштабных образцов, фрактографичэскда, рентгеноспектральныэ и металлографические исследования. Результаты исследований представлены после математи-ко-статистичэской обработки.

Научная новизна. Установлена реакция физико-механических характеристик элементов структуры феррито-перлитных сталей и их сварных соединений на накопление микроповреждеаий в процессе эксплуатации конструкции. Дефекты, формирующиеся в поле напряжений П рода, поэтапно меняют реакции элемента структуры на микровдавливание; на первой стадии накопление микроповрездений фиксируется возрастанием на 10...15% ыикротвердости, с дальнейшим увеличением плотности микроповрездений отмечается падение микротвердости на 30...40$ в сравнении с исходным: значением.

Показано, что наиболее информативны и достоверны^ позиции оценки степени шврекденности феррито-перлитных сталей и их сварных соединений, замеры при усилии на инденторе 10, 25 грамм.

практическая ценность работы заключается в разработке основ метода экспресс-диагностики состояния феррито-перлитных сталей я их сварных соединений по физико-механическим параметрам элементов структуры на основе микровдавливания.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались-и обсуждались на научно-практических Ьеыинарах "Проблемы коррозии сплавов и их сварных соединений", в институте электросварки им. Б.О.Патона (Киев, октябрь 3991 г.); "Повышение производительности сварочного производства на предприятиях г.Москвы" проводимом Российским домом научно-технической пропаганды и ГАНГ им. И.М,1^бкина (Москва, ноябрь 1991 г.); на 2-й международной конференции "Контроль качества трубопроводов".(Москва, октябрь 1991 г.); на научных семинарах кафедры "Сварка и защита от коррозии" им. И.М.Губкшш. / v

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, приложения. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста ,\ содержит 30 рисунков, 5 таблиц и 120 наименований литературный источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЕШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность вылолнешгой работа, сформулирована научная новизна и практический выход.

В главе I дан анализ состояния вопроса. Причиной разрушения конструкций путем зарождения и развития трещин в общем случае принято считать постеленное лаяогогегте в материале рассеягошх ' повреждений, приводят« к форлировашго и развитию МТ.

Существует ряд моделей для описания накоплений микротрещин на основе подхода "повреждаемости", в основу которых положена гипотеза о существовании критической концентрации микротрещин не зависящей от условий погружения, при достижении которой происходит образование нестабильной макротрещины.

Анализ накопления повреждений и разрушения с позиций обобщенной структурной модели В.В.Болотина позволяет выделить еле- ' дувдие механизмы трещинообразования: для материала с начальной повреждаемостью со о возможно хрупкое разрушение либо постепенное накопление рассеянных повреждений. Последнее может развиваться в следующих направлениях: I) в момент времени ^ мер! пов-

раадений ; достигает критического значения и материал теряет целостность по толщине; 2) в момент 1 имеет место разрушение нескольких рядом близлежащих элементов и образование зародыша макроскопической трещины длиной I , который по истечении времени достигает критического значения V , становит-

ся неустойчивым и трещина переходит в МГ; 3) в момент времени накопление повреждений .заверпается хрупким разрушением.

В основе таких типов разруиения как хрупкое лежит концепция "слабейшего звена", т.е. ответственность за это разрушение несут слабейшие или наиболее напряженные элементы либо агрегаты структуры. Механизмы хрупкого раз руления • можно рассматривать как варианты предельных состояний по формированию и постепенному перерастанию трещины в нестабильное оосгояниэ I за счет повреждаемости в пределах элемента структуры Ы. . Развитие макроскопической трещины и переход ее в магистральную, автор предлагает рассматривать как вязкий механизм. При выходе трещины 'за пределы'одного структурного элемента ее ход контролируется усредненными свойствами структурных элементов. Таким образом процесс перехода трещины в МТ о позиций структурной модели мояно разбить на рад стадий и этапов переходя от макро- к микро- и субмикрообьемам, для которых развитие повреждений, сопоставимых

о рассматриваемыми масштабами, можно считать подчиняющимися законам линейной механики разрушения (МР) и описываемых достаточно простыми уравнениями Гриффитса-Ирвина и Пэрриса-Эвдоргана.

В рамках механики сплошной среды подход к ранжировке дефектов ввделяет три основные группы трещин и трещиноподобных дефектов, нижняя размерная граница которых I > Ю-3 - Ю-4 м: большие , малые 10 , микроструктурные 1г . С позиций неразруиаю-щего контроля (НК) эти дефекты (большие, малые) в большинстве своем обнаруживаемы и отслеживаемы. Однако вероятность невозможности их обнаружения либо пропуска, особенно при монтажно-строи-тельншс, ремонтных работах в полевых условиях существует. При длительных сроках эксплуатации складываются условия для формирования усталостных трещин. В такой ситуации становится главной задача выяснения состояния самой матрицы металла. Важно знать степень ее деградации. При этом необходимо фиксировать размеры повреждений сопоставимые с размером элементов структуры ( Ег <<

0,5 мм). Широко используемые в инженерной практике способы НК не позволят фиксировать этот процесс. Основные концепции и положения исследований из области структурной механики разрушения изложены в трудах В.С.Ивановой, А.А.Шанявокого, О.Н.Романива, В.М.Горицкого. В работе предложено для практических целей и доступности обработки данных на инженерном уровне применять в качестве диагностируемого - уровень структуры соответствующий размеру зерен структуры.

Широкое применение при строительстве трубопроводных систем, находят стали феррито-пердитного класса типа СтЗоц, 20, 09Г2С, 17ПСФ и др. Матрица данных сталей отличается склонностью к накапливанию и локализации пластической деформации, стохастичностью процесса, что отражено в работах Я.Б.Фридмана, В.М.СагсЬшвича, А.й.^урьева, Р.Г.Шина, Л.В.Кухсы и др.

Процесс трещинообразования для этих сталей можно представить по схеме:

исходная наследственно-технологическая дефектность С0о о размерами ;

формирование "слабейшего звена" и "слабейшего агрегата", дополнитачьной повреждаемости СО на уровне I 1г и зародышей макротреищн I ~ ; стабильный рост зародышей;

обеспечение в момент критической повреждаемости

СО* , сграгивание н спонтанное развитие двдирущей трещины.

Поведешпо этих сталей и их сварных соединений уделено внимание в работах кафедры "Сварка и защита от коррозии" ГАНГ игл. U.U. Губкина - Стеклова О.И., Хакимова А.Н., Ефименко I.A., Зорина Е.Е. проводимых в плане мониторинга сварных конструкций из феррито-перлитных сталей. Показано, что немаловажную роль играет наследственная дефектность материала - исходное состояние, наличие частиц вторичной фазы, развитость системы границ раздала зерен и фаз. Комплексный подход к анализу причин снижения долговечности штериала и сварных соединения отмечает взаимосвязь процессов, протекающих в микро- и макрообъемах.

С учетом изложенного были сфорлулированн следующие задачи работы:

1. Выбрать и обосновать использование неразрушащего метода фиксации изменений физико-механических параметров структуры.

2. Исследовать кинетику процесса накопления повреждаемости в микрообъемах.

3. Установить границы корректного применения выбранного метода для отражения механизма накопления повреждаемости в феррято-пердитных сталях и их сварных соединениях.

4. Предложить аналитическое выражение инженерной оценки сопротивляемости разрушению исследуемых сталей.

В главе 2 дано обоснование выбора диагностического инструментария и основных теоретических положений экспресс-диагностики.

Дан краткий обзор существующих методов НК, входящих в приборное оснащение практически всех служб НК - ультразвуковой, рентгенографической, магнитной дефектоскопии. Отмечено, что наиболее надежны эти методы при размерах дефектов Z> 5 мм для УЖ и I & 10 т для рентгеновских приборов. Хотя нижний предел их возможностей I =0,2-0,05 т. Сведений о состоянии материала, как основы, на которой формируется и развивается дефект, эти методы дать но могут.

Известно, что практически все свойства металлов являются структурно-чувствительными. Большинство методик и оборудования основаны на регистрации изменения физических свойств материалов. Ни один из ввдов физического контроля за повреждаемостью материала- тензометрирование, рентгенография, оптико-механические, голография и др. не дают достаточной информации о состоянии штериала в микрообъемах при наличии в нем различного рода повреждений. Не все они применимы и удобны в инженерной практике.

Такими способами могут бить методы замера твердости (микро-твеццоети). Твердость позволяет безобразцовым методом контролировать состояние и свойства материала. По этому показателю накоплен достаточно обширный экспериментально-аналитический материал, представленный в работах Е.Г.Герберта, Я.Б.Фрвдмана, Г.Д.Деля, В.М.Розенберга, Г.А.Смирнова-Аляева, М.Д.Марковца, В.К.Григоровича, В.А.Тшоыенко, Е.Е.Ерсщлова, К.Нитцяе и др. Приборная часть отработана и предо тавлена различнши стационарными и переносными вариантами, со статическим и динамическим приложением усилия в широком диапазоне нагрузок от 10 г до 3000 кг. Б основу методов положено вдавливание идценторов различных размеров при различных усилиях, даже если эти комбинации выходят за рамки закона геометрического подобия Кирдичева-Кика-Даввдеккова. Основная задача в выборе оптимальной комбинации этих величин - обеспечение чувствительности метода к накопленной в материале пластической деформации и получение стабильности результатов. Задачи, решаемые при макровдавливания, а также микровдавливаюга при больших нагрузках Р- 200 г предъявляют требования к материалу в макрообьеме как к однородному, а площадь отпечатка должна превышать размеры элементов структурно-неоднородного материала.-

В работах В.А.Тимошенко и В.Т.Трощенко на достаточно широкой гамме материалов и средств воздействия на аналиризуемую поверхность показано, что при вдавливании шарового ивдентора о различным диаметром показания твердости меняются. Причем разница в показаниях твердости по Бринелю при максимальных размерах шщентора и значениями, когда показания НВ перестает? зависеть от величины усилия на лндентор,' и начинает работать закон подобия отпечатков, отличаются почти в 3 раза.

Состояние поверхностного слоя, как показано радом исследований, отличаетсяот глубинных слоев благодаря таким специфическим поверхностным эффектам, как ослабление сил межатомного оцапления на поверхности и отсутствие стеснения деформации при пластическом течении ыикрообьемов штериала. По данным расчетов и согласно существующих теорий усилие сцепления меаду атомами в ионокристалле, при приближении к свободной поверхности, ослабевает н составляет А = 0,33Л» , где А, - силы межатомно: оцепления в глубинных слоях.

Задачей предлагаемой методики является контроль за стадией формирования трещины, который предлагается осуществлять по

?

изменению сопротивляемости материала разрушению за счет накопления повреждаемости в микрообъемах, сопоставимых с размерами зерна структуры. Для этих целей был выбран процесс микроэдавлившгая. Зональность метода вше, чем при макровдавливании в Ю6 - 10^ раз. Причем, чувствительность этого метода настолько велика,, что им ■ложно косвешю фиксировать отклик материала на возмущения кристаллической решетки. Возможности этого метода нашли широкое.при-иенение в лабораторно-исследовательской практике, что изложено э фундаментальных трудах В.К.Григоровича, М.М.Хрущова, Е.С.Бер-совича, В.П.Алехина, С.И.Булычева, М.Х.Шорпорова, Г.Н.Калей и др.

Исходными рабочим условиями методики вцделены: ведение; контроля за состоянием материала с внешней поверхности конструкция, невозможность оптического контроля за процессом, подготовка говерхности.

В результате совместного анализа литературных данных и экс-юрвмента наиболее оптимальным вариантом предлагается механиче-зкая зачистка поверхности о последующей шлифовкой и полировкой ручным способом, с проведением замеров в течение 10 - 15 'мин. 1ря этом обеспечивается малая степень наклепа в поверхностных !лоях, возможность реализации такой подготовки в полевых условиях.

Процесс !шсровдавливашя предлагается рассматривать как провес нагружения элементарного образца - элемента структуры.

При вдавливании индентора в элемент структуры процесс нагру-юния можно описать тремя основными состояниями: а) дефоркирова-ие элемента без мииротрепщн и отсутствие таковых в контактируо-щх объемах; б) деформирование - элемента без собственных микро-•рещин, но наличие таковых в прилегающих объемах; в) деформирова-ше элемента с микротрещинамн.

Б первом варианте 'имеем "базовое" значение мякротвещости лемента структуры; во втором - повышение значения микротвердо-тя иа-за контактного упрочнения при разгрузке прилегающих объе-юв в момент нарушения их сплошности; в третьем - падение микро-■вердости, развитие шкротретан в транскристаллические в процессе икровдавливания.

Представленная схема упрощенно описывает связь параметров икровдавливания с механизмом накопления повревденности в двух азных сталях при эксплуатации, однако позволяет анализировать обрабатывать массив данных замера минротвевдости.

Из ряда работ следует, что усталостное повреждение металла

при эксплуатации начинает развиваться от эернограшчных объемов При этом объем зерна можно представить в виде фронтов развития повервдаемости. Возникает вопрос с выборе нагрузки,

Чувствительной к поражениям слоевI-2.C этой целью были проведен замеры Н^ на сталях 09Г2С и СтЗсп в диапазоне нагрузок от 5 г до I кг в исходном состоянии и поело одноосного растякения с ос таточной пластической деформацией е = Показано, что при нагрузке Р = 10 г достигается необходимая чувствительность падащая с увеличением нагрузок на щцентор. При размерах отпечатков из диапазона нагрузок более Ру 50 г в меньшой степени учитывается вклад зоны предразрушения в повреждаемость.

Приведенные предпосылки послужили базой для постановки эксперимента, основой которого стал выбор границ корректного приме нения параметра микрогверцости для оценки состояния материала ] поиска наиболее простого и оперативного представления результат!

В главе 3 изложены и проанализированы результаты замеров микротвердости при анализе процесса накопления повреждаемости углеродистых, и низколегированных сталей системы легирования Mn-Sl и их сварных соединений после: холодной пластической дефорлащп? от 4 до 16^; водородсодержащей среды; комплексного воздействия пластической дефэрдация и водородсодержащей ореды.

Исследования проводились 1Щ сталях марок СтЗсп, 20, 17ПСФ в нормализованном состоянии с толщиной проката £ = 10 - 12 мм. Сварные соединения выполнены ручной дуговой сваркой в четыре прс хода электродами TOTct Э -60 и Э .-42 диаметром 3 мм по режимам, рекомендуемым для сварки выбранных толдин.

Измерения микротвердости выполнялись при нагрузке Р = 1С на стационарных кшеротвердомерах типа ШТ-Э и переносным микро-тверцомером MlfioDufe (Германия) о постоянной нагрузкой Р = 770 г.

Предварительно был проведен микроскопический анализ исходно структуры: загрязненности неметаллическими включениями; размера septa; протяженности границ зерен и раздела фаз; топографии зале гания фаз. По степени развитости системы границ верен и фаз исследуемые стала можно расположить в ряд 17ПСФ, 09Г2С, 20, СтЗсп загряз нешмеги неметаллическими включениями - 09Г2С, 20, СтЗсп, 17ПСФ. Структура исследуемых сталей представлена феррито-перлкг ной составляпцнми в сочетании: перлита 30 - 35%, феррита 65 - 70 для 09Г2С, 17ПСФ и 35 - 45% и 55 - 65% для марок 20 и. СтЗсп.

Отмечается неравномерное залегание перлитной фазы в сталях 09Г2С и 17ПСФ в виде локальных областей, что усиливает неравномерность развития и накопления пластической деформации. По повышению дисперсности фсрритншс зерен стали располагаются в последовательности 20, СтЗсп, 09Г2С, 17ИСЭ. При этом размерный диапазон зерен исследуемых сталей составляет от 10 - 12 до 20 мкм.

Плоские образцы из основного металла и сварных соединений о рабочей частью 40 х 15 х 3 мм подвергали одноосному поэтапному растяжению. Нагруженио проводили на разрывной машине РР-'/юо до получегая пластической деформации на рабочем участке образца е = 4, 6, 9, 12, 165?. Фиксацию макродеформаций проводили методом репернкх точек с шагом 5 мм для основного металла и 0,2 мм в околошовном участке ((Ж) зоны термического влияния на инструментальном микроскопе. Перед кагружекием образцу шлифовались и полировались в рабочей части.

Количество замеров в выборке для построения гистограммы распределения И,« в основном металле и ШУ сварных соединений составляло 100, что обосновано статистическим подходом к обработке результатов.

Общими тенденциями для всех гистограмм являются: стремление к смещению максимума чаатоотей I в сторону интервалов о меньшей микротвердостью} возникновение микроучастков с разупрочнением относительно среднего уровня Н^ на 30 - 35$, а в отдельных случаях до 40 - 45$. Отмечено, что зафиксировать общие момеитн уп-: рочнения структуры, предшествующей разрушению, не удается. Зарегистрировать упрочнение, предшествующее разрушению ыикрообьема, можно при большей нагютке, проникая в слой .3 . При этом

повышается оиабка эксперимента, так как площадь проекции отпечатка фиксирует одновременно состояние неоколысих микрообъемов.

Эксперимент проводили в двух направлениях: первое связно о обоснованием границы возможного применения предлагаемой нагрузки, второе - со степенью влияния диагностируемой повреддаешоги ка качество материала, т.е. необходимостью и достаточностью контроля за такого уровня повреядаеиостью.

Для описания стохастических систем, часто с невыясненным законом распределения, в математической статистике применяют двухпарвметрический критерий $ Смирнова-Колмогорова. С помощью этого критерия решалась натеиатнко-статистнческая задача о тождественности генеральной совокупности Рр (Н„) (выборка

значений Нд« соответствующая начальной стадии накопления повреждаемости материала) и совокушюстей соответствующих повреж-дешооти при каком-либо возмущении материала Рп (Нр) . Проверка нулевой гипотезы Н« о торжественности (^(Н^г Рп Сн^) по критерию Колмогорова-Смирнова додана удовлетворять требованию 'йросч, . где Ър,сч, = ^д у- № С*) - у/2 ¿г) I ; ^(х.) -

накопленная частость; а » где ~ УР°вень

значимости; Д^ - двусторонний критерий; - состав вы-

борки.

Как ввдно из рис. I обработка результатов замера И^ по критерию Я) показала, что процесо накопления микроповреядаемос-ти корректно описывается микротвердосгъю при Р = 10 г для стали СгЗсп до уровня пластической деформации е = 1&%, для стали 09Г2С - до е = 12%, 17ИСФ - до е = Невыполнение

Н0 -гипотезы наблвдается для сталей 17ИСФ и 09Г2С при уровне пластической деформации е ^ 6%, для СтЗсп от 8-9$. Следовательно при этих уровнях повреждаемости следует ожидать качественных изменений состояния материала.

Замеры микротверцости проводились также на гладских цшгощ-рических образцах прошедших предварительную пластическую деформацию и наводораживание по' ускоренной методике в среде ¡¿АСЕ при <3 = 0,9с?т . По результатам замера микротвердости нарастание повраздаемости повышается при наличии водородсодержащей среды. Сопоставления микротвердости с результатами длительной прочности образцов показывают достаточно точное описание ее изменений. При фрактографическом исследовании обнаружены участки, разрушение которых протекает с явной потерей пластичности, имеются охрупченные микрообъемы с транскристаллитнш характером разрушения.

Проверку достоверности полученных данных пытались подтвердить проведением регламентируемых испытаний на ударный изгиб. Результаты испытаний показали, что ударная вязкость не позволяет объективно оценить степень повреяденнооти на стадии формирования микротрещин. Последнее связано с множественным расолоением вторичного происхождения, усиливаэдимся по мере увеличения уровня предварительной пластической деформации. Происходит мощное расслоение образца по одной из наиболее ослабленных плоскостей.

Это потребовало перехода к циклическому ввду нагружения как наиболее информативное. Испытавались крупномасштабные плоские

образцы из основного металла и со сварным соединением о сечением рабочей части 70 х 10 мм. На образцы наносился поверхностный концентратор напряжений фрезой 0,2 мм, глубиной 2,0 мм, протяженностью 18 мм. Нагружение проводилось в режиме е^х- = 0,9е?т , К = 0,5, а = 170 цикл./мин. Отмечено (рио. 2) падение цикли-, ческой долговечности с увеличением уровня деформации. Наиболее чувствительна к пластической деформации сталь 09Г2С после е = 6%. Долговечность образца падает в 1,5 - 2 раза. Для стали СтЗсп снижение долговечности плавное и достигает 1,5 - 2,0 раз только прй е = 162.

Фрактографическии анализом в стали 09Г2С обнаружено множество микропоаредцений типа расслоев на базе неметаллических включений, для отдельных элементов - межзереннов ослабление. Для стали СтЗсп характер расслоений приглушен. Повреждаемость, обнаруженная на фрактограммах, в 3 - 4 раза меньше, чем в стали 09Г2С (оценка по протяженности вторичного растрескивания к площади всех рассмотренных полей).

Совместная математическая обработка данных расчетных значе- , ний критерия Колмогорова-Смирнова и результатов падения циклической долговечности крупномасштабных образцов с поверхностным концентраторам напряжений и со сварным швом позволили, в первом приближении, получить математическое выражение зависимости в ввде:

|1 = 2,22\Л/500^ю + 0,43\7600_70 + 0,022\л/?00_еоо +

+ 0,03\7800_900 + 0 »016 +. °.°2^1000-1100 +

0,04ипш_1200 + 0,15V»/1200—1300 + °'^1300-1400 + + 0,33^1400_1500 + 2,2и15Ю_1600>

В главе 4 приведены примеры использования предлагаемого диагностического подхода.

С помощью экспресс-диагностики было оценено сопротивление разрушению материала сваршх кольцевых стыков труб (диаметр Я) = 152 мм, толщина стенки 8=8 мм) печных змеевиков входящих в обустройство установок АВГ-2 на предприятиях ПО "Кирилл-нефтеоргсинтаз" посла двух и пяти лет эксплуатации. Сваркые соединения груб представлены разнородным соединением по составу и структурному классу в комбинациях 15Х5М+08Х20Н9Г2Б и 15X3.1+ •+06Х25Н4ДМ7Г2.

Диагностированию подвергались катушки трубных узлов с кольцевыми монтажными швами, удалешше из змеевиков печей, остановленных на профилактический ремонт.

На подготовленной поверхности наносилось не менее 100 наколов в околошовном участке зоны термического влияния вдоль образующей кольцевого шва, а также в основном металле.

Чувствительность макрогверцости при Р = 50 кг к наличию обнаруженных мягких прослоек мала.. Распределение твердости по сварноцу соединению имеет сглаженный характер.

Применение переносного микротвердомера Мicltoftui- ( Р = = 770 г, dam.= 80 мкм для стали I5JXS.I) для выявления разупроч-ненных прослоек в ОШУ наиболее объективно при длительных сроках эксплуатации. Образование ранней дефектности в виде прослоек и усиление контроля за ними требуют повышения локальности метода за счет уменьшения нагрузки на шздентор.

Циклические испытания натурных образцов (размер 450 х 65 х х. 10) в ввде сегментов сварных труб с кольцевым швом с распрямленными под захват концами проводились при «*,*«*.= 0,9clr , асимметрии цикла I = 0,5 и частоте нагружения 180 цикл./мин. Долговечность партии образцов после 5 лет эксплуатации снизилась в 2 - 3 раза (сварное соединение 15ХШ+08Х20Н9Г2Б) и в 2 раза (сварное соединение 15Х5М+06Х25Н4Ш7Г2) после 4 лет по сравнению о долговечностью образцов, отработавших 2 года. Также отмечены . случаи мгновенного хрупкого разрушения. Во всех случаях разрушение проходило по ОШУ.

Трепанация сварных соединений'и их металлографический контроль подтвердили наличие мягкой прослойки обменно-диффузионного характера.

Осмотр почти 50 кольцевых разнородных сварных стыков показал наличие дефектов типа подрезов, задиров на кромках, протеков, неудовлетворительной геометрии шва. С одной стороны незначительные рабочие давления (диапазон 2-6-16 ата) вероятно допускают возможность существования этих дефектов, с другой - подобного рода макродефектность на фоне развивающейся терлоцшишческой шшродефактности, фиксируемой с помощью Н^ , не допустима.

Экономический эффект от использования предлагаемого диагностического подхода на ПО "Киришинефтеоргсинтез" составил около 240 тыс. рублей в год.

Комплексная работа по оценке работоспособности сварных руло-

гшровашшх конструкций в присутствии аммиака, проводимая на

кафедра "Сварка я защита от коррозии" включала в качества одного из диагностических инструментов шкротверцость. Материал обечаек корпуса конструкции сталь 0972С с толщиной проката £ = 8 - 16 мм.

Обработка результатов замеров Нц ( Р = 10 г) в основном металле и ОШУ зоны термического влияния по критерию Колмогорова-Смирнова показала его значительное превышение над расчетными критическими значениями при уровне значимости оС = 0,05, рекомендуемом для практических цолей. При анализе распределения значений микротвердрсти обнаружены ослабленные микроучастки о разупрочнением 40 - 60^, доля которых на каждые 100 наколов составляла 10 - 15%. Отмечены участки, на которых фиксируются "провалы" ин-дентора, образующие отпечаток типа "дырса", что говорит о разрушении материала на макроуровне.

Предварительный расчет - прогноз остаточного ресурса материала конструкции ориентирует на.его снижение в 1,5 - 2 раза.

Объективность данных, полученных о помощью микротвердооти подтвердилась комплексом исследований, включающих ультразвуковую дефектоскопию, металлографический и фактографический анализы, испытания с использованием подходов механики разрушения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. На примере феррито-перлитных сталей и их сварных соединений определены критерии допустимости использования замера мше-ротвердости дои отражения процесса накопления повреждаемости и разработка на их базе метода экспресс-диагностики.

2. Анализ закона "подобия отпечатков" и статистическая обработка гистограмм микротаердооти показали, что наиболее информативны к процессу накопления повреждаемости в феррито-перлитных сталях и их сварных соединениях замеры при усилии на гаоденторе 10, 25 грамм.

3. Проверка результатов замера микротверцости по критерию (Колмогорова-Смирнова) показала, что процесс накопления микро-повреядаемости корректно описывается ганротвердостью для СтЗсп до 16% пластической деформации, дам отали.09Г2С - до 12$, для стали 17ПСФ до

4. Показатели микро твердости о лнаенериой точностью описывают изменения длительней прочности образцов из феррито-перлитных сталей в водородсодержащих средах.

5. Показано, что ударная вязкость не позволяет достаточно

объективно оценить степень накопления повреждаемости на стадии формирования микротрецин в поле упруго-пластических деформаций второго рода.

6. Получена аналитическая зависимость снижения циклической долговечности крупномасштабных образцов с концентраторами напряжений в зависимости от изменения показателей микротвевдооти. Частное от деления коэффициента Kt на К„ - показатель онике ния. долговечности, где Kt - текущее значение коэффициента при эксплуатации, К„ - в исходном состояшш.

7. Разработанный метод экспресс-диагностики бш использован ' при оценке степени поарелдешюоти зоны сплавления разнородного

сварного соединешя из сталей I5X5M, сварешых аустенитниш электродами}в печах по переработке нефтепродуктов комбината Кирлшинефтеоргсшггез. Это позволило проводить выборочную, замену трубных учаотков, установить обоснованные сроки профилактических ремонтов и дало экономический аффект 240 тыс.рублей в год.

Основное оодеркание диссертации отражено в работах:

1. Хакимов А.Н., Ефяменко Л.А., Маляревская Е.К., Пушкина O.A. Влияние структурных составляющих на вязкость сваршх ооедшэ-ний низколегированной стали 16ГС // Автоматическая свара. -IS85. - J» 2. - С.

2. Степаненко А.И., Зорин Е.Е., Чежин С.П., Маляревская Е.К. . Влияние дефектов сварного шва на прочность сварного соединения в процессе эксплуатации трубопроводов. - Тезисы докладов УП региональной научно-технической конференции. - г. Новый

■ Уренгой, 1990, о. 9-10.

3. Зорин Е.Е., Мал^евская Е.К. Влияние наследственных дефектов феррито-перяитннх сталей на коррозионно-механическую прочности в водородоодержащкх средах. - Тезисы докладов научно-практического семинара "Проблемы коррозии сплавов и их сварных соединений" . - Киев, октябрь 1991 г.

4. Зорин Е.Е., Степаненко А.И., Маляревская Е.К. Диагностика трубопроводам, систем по применению фиэико-механпчоских параметров материала. - Тезисы доклада' 2-ой Мездународной конференции. - Москва, октябрь 1991 г.

■ досги по критерию Колмогорова-Смирнова

с поверхностным трещиноподобным концентратором напряжений