автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Оценка сопротивляемости разрушению сварных соединения 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 ЮЕДИНЕННЙ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ

Специальность 05.03.06. -Технология и

машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Padora выполнена в Ыоокоэокой Государственной академия нефти и rasa имена И.«.Губкина.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Зорин Е.Е.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Лившиц Л.С.

- кандидат технических наук, старший научный оогрудник Демин S.A.

Ведущее предприятие - ОРГШДИАГЮСГИКА

Защита ооотоитоя n¿£ " Мал*_ 1992 г. в -iO часов

а аудитории на заседании специализированного совета

Д.053.27.13 в МосковЬкоЙ Государственной академии нефти и rasa и». И.М.1У<$кина по едрвоу: II79I7, Mooxsa, 1ХШ-1, Ленинокий проспект, 65.

Ваши отзывы и замечания со автореферату» заверенные печатью, прооии направлять по указанному адресу.

С диооертацией ысишо оэнахсмитьоя в библиотеке института.

Дата реоошпш ШгАлМУ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного оовета канд.техн.наук, доцент

i: общая характыжглка рашш

"14 Й I

Актуальность теш. Ужсточенае эксплуатационных условий . современных сварных трубопроводных систем: увеличение рабочих напряжений, циклическая составляющая яагрукения, перемещение в районы с низкими климатическими температурами, наличие термо-циклическсго воздействия на металл, высокая коррозионная активность транспортируемого продукта к грунтов предъявляют высокие, требования к надежности сварных конструкций, используемых для . обустройства местороздений углеводородного сырья.

выработка объектом ресурса, т.е. переход в предельное состояние (нарушение) герметичности), связана о накоплением в материале поврокдешй различных масштабов, приводящих к формированию и развитию магистральной трещины (МГ).

В предупреждают наступления предельного состояния важную роль играют средства неразрушающаго контроля и технической диагностики.

Существование иикротрещин и трещиноподобных дефектов в материале конструкции я ее сварных узлах к началу эксплуатации -естественно. Я процессе эксплуатации происходит зарождение новых микротрецин и рост уяе имеющихся.

Накопление поврекдаемости на всех стадиях технологических переделов материала и при эксплуатации конструкции связано со значительной стохзсткчностыо и локализацией пластической деформации в объемах, сопоставимых с элементами структуры. Повреждаемость на микроструктурном уровне контролирует сопротивление разрушении. При этом меняется реакция материала на наличие в нем макрсдо(|окга либо макрогрещинн и формулируются следующие задача: взаимодействие макро- и нинродефентности и переход макродефекта в ЫТ.

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

Методы исслякования. В качестве диагностирующего инструментария для оценки накопления повреждаемости на кякрострунтуряом уровне использована шкротвердость. Различные уровни повреждаемости реализовывали поэтапным одноосным растяжением плоских гладких образцов с остаточной деформацией от 4 до 16$, наводора-

живанием гладких цилиндрических образцов по ускоренной штодаке , в среде IVACB, за счет комплексного воздействия перечисленных факторов. Одновременно с за:,'.ераж шкротвердости проводились испытания на ударный изгиб, длительную прочность в коррозиокно-ак-глвной среде, циклическую долговечность крупномасштабных образцов, фрактографкчаскиа, реитгеноспектральшо и металлографические исследования. Результаты исследований представлены после ыатемати-ко-статистической обработки.

Научная новизна, Установлена реакция физико-кеханичвсюис характеристик элементов структуры феррито-горлитных сталей и их сварных соединений на накопление шкроповреадений в процессе эксплуатации конструкции. Дефекты, формирующиеся в поле напряжений П рода, поэтапно меняют реакцию элемента структуры на мякровдав-дивание; на первой стадии накопление микроповрездений фиксируется возрастанием на 10. ..15$ шкротвердости, с дальнейшим увеличением плотности микроповреадений отмечается падение микротвердости на 30...40$ в сравнении с исходным; значением.

Показано, что наиболее информативны и достоверны^ позиции оценки степени поврежденное ги феррпто-пэрлитннх сталей и их сварных соединённа, замеры прй усилии на инденторе 10, 25 грамм.

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

Ацрофтдя работа. Основные положения работы докладывались-в обсуадались на научно-практических семинарах "Проблемы коррозш сплавов и их сварных соединений", в институте электросварки им. Б.О.Патона (Киев, октябрь 1991 г.); "Повышение производительности сварочного производства на предприятиях г. Москвы" проводимом Российским домом научно-технической пропаганды и ГАНГ им. К.14,Губкина (Москва, ноябрь 1991 г.); на 2-й мездународной конференции "Контроль качества трубопроводов".(Москва, октябрь 1991 г.); на научных семинарах кафедры "Сварка и защита от коррозии" им. U.M.Губкина. / *

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 СОДЕЕШМЕ РАБОТЫ

В? введещт обоснована актуальность выполненной работы, 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 постепенное накопление в материале рассеянных " повреждений, приводящих к формированию и развитию МТ.

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

Анализ накопления повреждений л разрушения с позиций обобщенной структурной модели В.В.Болотина позволяет ввделить еле- ' дующие механизмы трещинообразования: для материала с начальной повреждаемостью и>о возможно хрупкое разрушение либо постепенное накопление рассеянных повреждений. Последнее может развиваться в следующих направлениях: I) в момент времени 1-1-* мера поврежден«^ достигает критического значения СО* и материал теряет целостность по толщине; 2) в момент 1 имеет место разрушение нескольких радом 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 завершается хрупким разрушением.

В основе таких типов разрушения как хрупкое лежит концепция "слабейшего звена", т.е. ответственнооть за это разрушение несут слабейшие или наиболее напряженные элементы либо агрегаты структуры. Механизмы хрупкого разрушения «можно рассматривать как варианты предельных состояний по формированию и постепенному перерастанию трещины в нестабильное состояние I за счет повреждаемости в пределах элемента структуры сС . 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 ряд стадий и этапов переходя от макро- к микро- и субмихрообъемам, для которых развитие повреждений, сопоставимых

о рассматриваем® масштабами, мошо считать подчинявдямися законам линейной механики разрушения (ШР) и описываемых достаточно простыми уравнениями Грийфитса-^рвина и Пэрркса-Эндоргана.

В рамках механики сплошной среды подход к ранжировке дефектов ввделяет три основные группы трещин и трещиноподобных дефектов, нижняя размерная граница которых £ ^ Ю-3 - Ю-4 м: большие , ыаше 1а , мнкроструктурше Ьг . С позиций нераэруша»-щего контроля (НК) эти дефекты (большие, малые) в большинстве своем обнаруживаемы и отслеживаемы. Однако вероятность невозможности их обнаружения либо пропуска, особенно при монтажно-строи-телышх, ремонтных работах в полевых условиях существует. При длительных сроках эксплуатации складываются условия для формирования усталостных трещин. 3 такой ситуации становится главной задача выяснения состояния самой матрицы металла. Ваяно 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 позволяют фиксировать этот процесс. Ооновные концепции и положения исследований из области структурной механики разрушения изложены в трудах В.С.Ивановой, А.А.Шанявского, О.Н.Ромаяива, В.М.Горицкого. В работа предложено для практических целей и доступности обработки данных на инженерной уровне применять в качестве диагностируемого - уровень структуры соответствующий размеру верен структуры.

Широкое применение при строительстве трубопроводных систем, находят стали феррито-першганого класса типа СтЗсп, 20, 09Г2С, 17ПСФ и др. Матрица данных сталей отличается склонностью к накапливанию и локализации пластичеокой деформации, стохастичностью процесса, что отражено в работах Я.Б.Фридмана, В.Ы.Сагйлэвича, А.&.1Урьева, Р.Г.Шина, Л.В.Куксы и др.

Процесс трещшюсбразования для этих сталей можно представить по схеме:

исходная наследственно-технологическая дефектность С0о о размерами ¿^ I

формирование "слабейшего звена" и "слабейшего агрегата", дополнительной поврвадаеыости 6~> на уровне ¿ и заро-

дышей макротрещш I ; стабильный рост зародышей;

обеспечение в момент критической повреждаемости

СО* , страгиваете а спонтанное развитие дадирупдей трещины.

Поводешш этих сталей и их сварных соединений уделено внимание в работах кафедры "Сварка и защита от коррозии" ГАНГ им. И.М. Губкина - Стеклова О.И., Хакиглова А.Н., Ефименко Л.А., Зорина Е.Е. проводимых в плане мониторинга сварных конструкций из феррито-перлитных сталей. Показано, что немаловатснуга роль играет наследственная дефектность материала - исходное состояние, наличие частиц вторичной фазы, развитость системы границ раздела зерен и фаз. Комплексный подход к анализу причин снижения долговечности ттериала и сварных соединений отмечает взаимосвязь процессов, протекающих в микро- и макрообъемах.

С учетом изложенного бит сформулированы следугацие задачи работы:

1. Выбрать а обосновать использование неразрушаюцего метода фиксации изменений физико-механических параметров структур*.

2. Исследовать кинетику процесса накопления повреждаемости в микрообъемах.,

3. Установить границы корректного применения выбранного метода для отражения механизма накопления повреждаемости в феррито-пэрлитных 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 5 мм для УЗК и

£ т 10 мм для рентгеновских приборов. Хотя нижний предел их возможностей £ = 0,2 - 0,05 ш. Сведений о состоянии материала, как основы, на которой формируется и развивается дефект, эти методы дать не могут.

Известно, что практически все свойства металлов являются структурно-чувствнтелышми. Большинство методик и оборудования основаны на регистрации изменения физических свойств материалов. Ни один из видов физического контроля за повреждаемостью материала- тензометрирование, рентгенография, оптико-механические, голография и др. не дают достаточной инфортации о состоянии материала 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 (микротвердости) . 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.Фридоака, Г.Д.Деля, В.М.Розенберга, Г.А.Смиркова-Аляева, М.П.Марковца, В.К.Григоровича, В.А.Тимошенко, Е.Е.Ермилова, К.Нитцше и др. Приборная часть отработана и представлена различным! стационарными и переносными вариантами, со статическим и динамическим приложением усилия в широком диапазоне нагрузок от 10 г до 3000 кг. В основу методов положено вдавливание изщенторов различных размеров при различных усилиях, даже если эти комбинации выходят за рамки закона геометрического подобия Кирпичева-Киха-Ддввденкова. Основная задача в выборе оптимальной комбинации этих величин - обеспечение чувствительности метода к накопленной в материале пластической деформации и получение стабильности результатов. Задачи, решаемые при макровдавливатга, а также иикровдавливании при больших нагрузках Р- 200 г предъявляют требования к материалу в макрообъеме как к однородному, а площадь отпечатка должна превдаать размеры элементов структурно-неоднородного материала.

Б работах В.А.Тимошенко и В.Т.Трощенко на достаточно широкой гадае материалов и средств воздействия на аналиризуегдую поверхность показано, что при вдавливании шарового индеятора о различным диаметром показания твердости меняются. Причем разница в показаниях твердости до Бринел» при максимальных размерах юздентора я значениями, когда показали НВ перестают зависеть от величины усилия на индеятор.'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 оцепления на поверхности и отсутствие стеснения деформации при пластическом течении микрообъемов материала. По данным расчетов я согласно существуимх теорий усилие сцепления меаду атомами в монокристалле, при приближении к свободной поверхности, ослабевает в составляет А = 0,33А» , гае А, - силы межагоыно! оцепяения в глубинных слоях.

Задачей предлагаемой методика является контроль за стадией форсирования трещины, который предлагается осуществлять по

изменению сопротивляемости материала разрушению за счет накопления повреждаемости в микрообъемах, сопоставимых о размерами зерна структуры. Дня этих целей бил выбран процесс млкровдавливания. Локальность метода вше, чем при макровдавливании в 106 - 10' раз. Причем, чувствительность этого метода настолько велика, что им можно косвенно фиксировать отклик материала на возмущения кристаллической решетки. Возможности этого метода нашли широкое.приме некие в лабораторно-исоледовательской практике, что изложено в фундаментальных трудах В.К.Григоровича, М.М.Хрущова, Е.С.Бер-ковича, В.П.Алехша, С.И.Булычева, М.Х.Шоршорова, Г.Н.Калей и др.

' Исходными рабочими условиями методики выделены: ведение; контроля за состоянием материала с внешней поверхности конструкций, невозможность оптического контроля за процессом, подготовка поверхности.

В результате совместного анализа литературных данных и эксперимента наиболее оптимальным вариантом предлагается механическая зачистка поверхности о последующей шлифовкой и полировкой ручным способом, с проведением замеров в течение 10 - 15 мин. При этом обеспечивается малая степень наклепа в поверхностных слоях, возможность реализации такой подготовки в полевых условиях.

Процесс микровдавтавания предлагается рассматривать как процесс нагружения элементарного образца - элемента структуры.

При вдавливании зщцектора в элемент структуры процесс нагру-жения можно описать тремя основными состояниями: а) деформирование элемента без микрогрещин и отсутствие таковых в контактирующих объемах; б) деформирование•элемента без собственных микротрещин, но наличие таковых в прилегающих объемах; в) деформирование элемента с мжеротрепдаами.

В первом варианте 'имеем "базовое" значение шкротверцости элемента структуры; во втором - повышение значения микротвердости Из-за контактного упрочнения при разгрузке прилегакщих объемов в момент нарушения ях сплошности; в третьем - падение микротвердости, развитие мякротрещин в транскристаллические в процессе микровдавливания.

Представленная схема упращенно описывает связь параметров микровдавливания с механизмом накопления поврелдеяности в двух фазных сталях при эксплуатации, однако позволяет анализировать и обрабатывать массив данных замера шшротверяоети.

Из ряда работ следует, что усталостное повреждение металла

при эксплуатации начинает развиваться от зерюграшчных объемов. При этом объем зерна можно представить в ввде фронтов развития поверздаемости. Возникает вопрос о выборе нагрузки,

чувствительной к поражениям слоев1-2.С этой целью были проведем замеры Ир на сталях 09Г2С и СтЭэп в диапазоне нагрузок от 5 г до I кг в исходном состоянии и после одноосного растяжения с остаточной пластической деформацией е = 6%. Показано, что при нагрузке Р = 10 г достигается необходимая чувствительность, падапдая с увеличением нагрузок на индентор. При размерах отпечатков га диапазона нагрузок более Р> 50 г в меньией степени учитывается вклад зош ' предразрушения в повреждаемость.

Приведенные предпосылки послужили базой для постановка эксперимента, основой которого стал выбор границ корректного применения параметра ымкротвердости для оценю; состояния материала и поиока наиболее простого и оперативного представления результата

В главе 3 изложены и проанализированы результаты замеров иккротвердости при анализе .процесса накопления повреждаемости углеродистых и низколегированных сталей системы легирования Мп-$1 и их сварных соединений после: холодной пластической деформаций от 4 до 16?; водородсодерзащей среды; комплексного воздействия пластической деформации и водородсодергащей среды.

Исследования проводились на сталях марок СтЗсп, 20, 17ПСФ в нормализованном состоянии с толщиной проката 5 = 10 - 12 мы. Сварше соединения выполнены ручной дуговой сваркой в четыре прохода электродами тмпй Э. -60 и 3' -42 диаметром 3 мм по режимам, рекомендуемым для свайки выбранных тодан.

Измерения микротверцоотн выполнялись при нагрузке Р = 10 на стационарных микротверцомерах типа ШТ-3 и переносным ыикро-твердомером М!с>о1)и^ (Германия) с постоянной нагрузкой Р = 770 г.

Предварительно был проведен микроскопический анализ исходной структуры: загрязненности неметаллическими включениями; размера а ерш; протяженности границ зерен г раздела фаз; топографии залегания фаз. По степени развитости системы границ зерен и фаз яс-оладуешэ стали можно расположить в ред 17ПСФ, 09Г2С, 20, С&сп; загрязненности неметаллическими включениями - 09Г2С, 20, СтЗсп, 17ПСФ. Структура исследуемых сталей представлена феррито-перлит-ной состазлящгми в сочетании: перлита 30 - 35?, феррита 65 - 70? для 09Г2С, 17ПСФ и 35 - 45? и 55 - 65? для марок 20 к. СтЗсп.

Отмечается неравномерное залегание перлитной (¡азы в сталях 09Г2С и 17ПСФ в виде локалышх областей, что усиливает неравномерность развития и накопления пластической деформации. По повышению дисперсности ферритннх зерен стали располагаются в последовательности 20, СтЗсп, 09Г2С, 17ПСФ. При этом размергый диапазон зерен исследуемых сталей составляет от 30 - 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. Нагружекио проводили на разрывной машине РР - '/'00 до получения пластической деформации на рабочем участке образца е = 4, 6, 9, 12, 16$. Фиксацию макродеформаций проводили методом репарных точек с шагом 5 мм для основного металла и 0,2 мм в околошовном участке (01ИУ) зоны термического влияния на инструментальном микроскопе. Перед нагружением образцы шлифовались и полировались в рабочей части.

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

Обоими тенденциями для воех гистограмм являются: отрешение к смещению максимума частостей I в сторону интервалов о меньшей микротверцостью; возникновение микроучастков с разупрочнением относительно среднего уровня на 30 - 35%, а в отдельных случаях до 40 - 45%. фтмечено, что зафиксировать общие моменты упрочнения структуры, предшествующей разрушению, ие удается. За- • регистрировать упрочнение, предшествуйте разрушению микрообъема, можно при большей нагрузке, проникая в слой 3.. При этом

повышается ошибка эксперимента, так как площадь проекции отпечатка фиксирует одновременно состояние нескольких микрообъемов.

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

Для описания стохастических систем, часто с невыясненным законом распределения, в математической статистике применяют двухпараметричзский критерий Ф Смирнова-Колмогорова. С по- . мощью этого критерия решалась математико-статистическая задача о тождественности генеральной совокупности (Н^) (выборка

значений Нр соответствующая начальной стадии накопления повреждаемости материала) и совокупностей соответствующих повреж-денности при каком-либо возмущении материала Р„ (Н^) . Проверка нулевой гапотезн Но о тождественности ^(Н^г (н^)- по критерии Колмогорова-Смирнова должна удовлетворять требованию Яра. где Ъргсч. = - ; ч^есс) -

накопленная частость; а ^ , где рС - уровень

значимости; - двусторонний критерий; п.(} - состав вы-

боре».

Как видно из рис. I обработка результатов замера Н^ по критерию Я) показала, что процесс накопления цикроповреддаемос-ти корректно описывается микротверцостыо при Р = 10 г для стали СтЗсп до уровня пластической деформации = 16$, для стали 0ЭГ2С - до е - 12$, 17ИС(& - до е = 9$. Невыполнение

Но -гипотезы наблвдается Для сталей 17Г1СФ и 09Г2С при уровне пластической деформации 6%, для СтЗсп от е= 8-9$.

Следовательно при этих уровнях повреждаемости следует ожидать качественных изменений состояния материала.

Замера микротверцости проводились также на гладских цилиндрических образцах прошедших предварительную пластическую деформацию и наводораживание по ускоренной методике в среде И АСЕ при с5 = 0,9«^т . По результатам замера микротверцости нарастание повреждаемости повышается при наличии водороде од ержащей 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 транскристаллитным характером разрушения.

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

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

образцы из основного металла и со сварщм соединением о сечением рабочей части ТО х 10 мм. На образцы наносился повврхноотный концентратор напряжений фрезой 0,2 мм, глубиной 2,0 мм, протяженностью 18 мм. Нагружение проводилось в режиме = 0,9<^т , Я = 0,5, /г = 170 цикл./мин. Отмечено (рио. 2) падение цикли-, ческой долговечности с увеличением уровня деформации. Наиболее чувствительна к пластической дефорлации сталь 09Г2С после в = &%. Долговечность образца падает в 1,5 - 2 раза. Для стали СтЗоп снижение долговечности плавное и достигает 1,5 - 2,0 раз только прй е = 16*.

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

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

= 2,+ 0,43^/€00_70 + 0,022\^700_800 + + о,оз\7800..д00 + +. о,02ь/1000_1100 +

+ 0,0^^1100-1200 + °'15и1200-1300 + 2 ^300-1400 + + 0,33\л/1400_1500 2,2\*/1500_1500>

В главе 4 приведены примеры использования предлагаемого циагаостического 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 АВТ-2 на предприятиях ПО "Кирипга-{ефтеоргсинтез" после двух и пяти лег эксплуатации. Сварнне сое-данения труб представлены разнородны« соединением по составу и ; т рук тури ому классу в комбинациях 15Х5М+08Х20Н9Г2Б и 15X3,!+ ■06Х25НШ7Г2.

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

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

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

Применение переносного микротвердомера Miao%)iiv ( Р = = 770 г, с1отп.~ 80 мкм для стали 15Х5Ы) для выявления раз упрочнен] шх прослоек в 0ШУ наиболее объективно при длительных сроках эксплуатации. Образование ранней дефектности в вице прослоек и усиление контроля за ними требуют повышения локальности метода за счет уменьшения нагрузки на индентор.

Циклические испытания натурных образцов (размер 450 х 65 х х. 10) в ввде сегментов сварных труб с кольцевым твои с распрямленными под захват концами проводились при <5^«*.= 0,9cir » асимметрии цикла ' f- = 0,5 и частоте нагружения 180 цикл./мин. Долговечность партии образцов после 5 лет эксплуатации снизилась в 2 - 3 раза (сварное соединение 15Х5М+ОЗХ2Ш9Г2Б) и в 2 раза (сварное соединение 15Х51Д+ОВХ25Н40М7Г2) после 4 лет по сравнению с 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 обменао-диффузионыого 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 тергоадклической микродефектности, фиксируемой с помощью И^ , не допускала.

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

Комплексная работа по оценке работоспособности сварных руло-

гшровашшх конструкций в присутствии аммиака, проводит на

кафедре "Сварка и защита от коррозии" включала в качестве одного из диагностических инструментов штротвердость. Материал обечаек корпуса конструкции сталь 0Э72С 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-дактора, 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 микротвердости 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 мик~ ротвердости для отражения процесса накопления повреждаемости п разработка на кх базе метода экспресс-диагностики.

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

3. Проверка результатов замера микротвердости по критерию (Колмогорова-Смирнова) показала, что процесс накопления микроповреждаемости корректно описывается микротвердостью для СтЗсп до 16? пластической деформации, для стали. 09Г2С - до 12?, для стали 17ПСФ до 9?.

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

5. Показано, что удар!ая вязкость не позволяет достаточно

odbeKTHBHO оценить степень накопления повреждаемости на стадия формирования кикротрещин в поле упруго-пластических деформаций второго рода.

6. Получена аналитическая зависимость снижения циклической долговечности крупномасштабных образцов с концентраторами напряжений в зависимости от изменения показателей мшсротвердости. Частное от деления коэффициента Kl на К„ - показатель снижения. долговечности, где К( - текущее значение коэффициента при эксплуатации, К, - в исходном состоянии.

7. Разработанный метод экспресо-диагностики был использован ° при оценке степени поврезденности зоны сплавления разнородного

сварного соединения из сталей I5X5M, сваренных аустенитными электродами^в печах по переработке нефтепродуктов комбината. Киришшефтеоргоинтез. Это позволило проводить выборочную замену трубншс учаотков, установить обоснованные сроки профилактических ремонтов я дало экономический эффект 240 тыс.рублей в год.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Хакимор А.Н., Ефяменко JI.A., Маляревская Е.К., Пушкина O.A. Влияние структурных составляющих на вязкооть сварных соединений низколегированной стали 16ГС // Автоматическая сварка. -1985. - А 2. - С.

2. Степаненко А.И., Зорин Е.Е., Чежин С.П., Маляревская Б.К. . Влияние дефектов сварного шва на прочность сварного соедине-

• ния в процессе эксплуатации трубопроводов. - Тезисы докладов УП региональной научно-технической конференции. - т. Новый

• Уренгой, 1990, 0. 9 - 10.

3. Зорин Е.Е., Мал^ввская Б.К. Влияние наследственных дефектов феррито-перлитннх сталей на норрозионно-механическую прочность в водородсодэржащих средах. - Тезисы докладов научно-практического семинара "Проблемы коррозии сплавов и их сварных сое-динёний". - Киев, октябрь 1991 г.

4. Зорин Е.Е., Степаненко А.И., Маляревская Е.К. Диагностика трубопроводных систем по применению физико-механических параметров материала. - Тезисы доклада'2-ой Международной конференции. - Москва, октябрь 1991 г.

дости по критерию Колмогорова-Смирнова

с поверхностным треирмоподобнш концентратором напряжений