автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Повышение качества сварных соединений сталей трубного назначения для обеспечения эксплуатационной безопасности магистральных трубопроводов

На правах рукописи

Федосеева Елена Михайловна

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ ТРУБНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ИЮН 2011

Пермь-2011

4849587

Работа выполнена в

Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Игнатов Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Штенников Василий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Панов Виктор Иванович

Ведущее предприятие:

ООО «Газпром трансгаз Чайковский» (г. Чайковский)

Защита состоится « 24 » июня 2011 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.188.02 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29, ауд. 423-6 главного корпуса. Факс:(342)2198021

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан е^СиЛ^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук

Кривоносова Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной задачей трубопроводного транспорта является обеспечение его надежной и безопасной работы путем сокращения риска возникновения аварийных ситуаций.

Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов магистральных трубопроводов (МТ). До 1.5% отказов МТ происходит по причине неметаллических включений (НВ), как первичного очага зарождения трещин, вследствие недоработки проектной и исполнительной документации и других факторов.

Известно, что МТ работают в условиях циклического нагружения от изменения внутреннего давления перекачиваемого продукта. Поэтому неметаллические включения сварных соединений, обладающие повышенной твердостью и хрупкостью и, следовательно, являющиеся концентраторами напряжений, могут стать источниками зарождения усталостных трещин и привести к аварийным разрушениям трубопроводов.

Повышением качества сварных соединений МТ занимаются такие ведущие организации, как ОАО ВНИИСТ, осуществляющая разработку нормативно-технической документации, проектирование и строительство МТ совместно с ОАО «Газпром» и ОАО «АК«Транснефть» и др. Анализом неметаллических включений в сварных соединениях ранее занимались В.В. Подгаецкий, И.Р. Пацкевич и др., на сегодняшний день данной проблеме уделяют внимание М.А. Худяков, В.И. Гладштейн и др., считая неметаллические включения в сварных соединениях первопричиной образования трещин, приводящих в некоторых случаях к разрушению трубопроводов.

Таким образом, повышение качества сварных соединений сталей трубного назначения для обеспечения эксплуатационной безопасности МТ является задачей актуальной и своевременной.

Цель работы. Повышение качества сварных соединений низколегированных сталей трубного назначения класса прочности до К70 путем оптимизации технологий сварки кольцевых стыковых соединений труб диаметром 1220 и 1420 мм для обеспечения эксплуатационной безопасности магистральных трубопроводов.

Задачи исследования:

1. Обобщить и систематизировать сведения о роли неметаллических включений (НВ) в сварных соединениях МТ.

2. Обосновать и использовать современные методы выявления дефектов типа НВ в сварных соединениях трубных сталей, идентифицировать их и выяснить закономерности их образования, морфологии и распределения в металле шва.

3. Провести экспериментально-теоретическое обоснование влияния границы перехода металл-шов и неметаллических включений на изменение напря-

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, профессору В.М. Язовских за формирование направления диссертационного исследования, ценные замечания и предложения.

жений в металле шва и усталостные свойства сварных соединений сталей трубного назначения.

4. Выявить влияние и оптимизировать технологические параметры сварки кольцевых стыковых соединений труб диаметром 1220 и 1420 мм сталей класса прочности до К70 с целью повышения качества и обеспечения эксплуатационной безопасности МТ.

Научная новизна:

1. Впервые установлено влияние термодифузионных процессов на коа-лесценцию неметаллических включений, изменение их химического и минералогического состава, морфологию и распределение в разных зонах сварных соединений при многопроходной сварке плавлением.

2. Выявлено влияние границы перехода металл - шов и неметаллических включений на изменение напряжений в сварных швах кольцевых соединений трубопроводов решением численной задачи методом конечных элементов; проведена корректировка рабочего давления трубопровода для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов.

3. Установлено, что при сварке магистральных трубопроводов из сталей класса прочности до К70 параметром оптимизации технологий сварки является величина погонной энергии, определенная расчетно-экспериментальными методами и определяющая как усталостные свойства, так и разновидность, величину и распределение неметаллических включений в металле шва сварных соединений.

Практическая ценность:

Разработаны рекомендации в рамках нормативно-технической документации по выбору сварочных материалов и параметров режимов сварки, обеспечивающих снижение объемной доли неметаллических включений и получение высококачественных сварных соединений.

Рекомендации использованы при сварке магистрального трубопровода НГКМ «ВАНКОР» организацией ООО «Стройнефтегаз». Применение рекомендаций по выполнению сварочного процесса комбинированным способом БТТ+МПС на оптимальных погонных энергиях обеспечивает получение минимальной доли неметаллических включений в сварных соединениях и повышение характеристик усталостных свойств.

Расчет на циклическую прочность магистральных трубопроводов с учетом величины теоретического коэффициента концентрации напряжений на границе перехода металл - шов в сварных кольцевых соединениях трубопроводов, позволяет скорректировать рабочее давление в трубопроводе с целью безопасной эксплуатации.

Положения выносимые на защиту:

Результаты исследований изменения объемной доли, количества, размера и химического состава неметаллических включений под действием повторного термического цикла при многослойной сварке плавлением.

Закономерности изменения напряжений на границе перехода металл -шов и в неметаллических включениях в сварных швах кольцевых соединений трубопроводов. Расчет допускаемого рабочего давления в трубопроводе.

Достоверность результатов и выводов подтверждается применением аттестованных в соответствии с нормативно-технической документацией технологий сварки, применением точных и современных методов анализа (рентге-носпекгрального (микрозондового) анализа, термического анализа, метода на-ноидентирования), статистической обработки данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

- всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Сварка и контроль - 2004», г. Пермь, 2004 г.;

- научно-техническая конференция «Сварка в машиностроении и металлургии» в рамках 5-й Междунар. специализир. выставки «Сварка. НефтеГаз», г. Екатеринбург, 2005 г.;

- научно-техническая конференция «Инновационные технологии и модернизация в сварочном производстве» в рамках 10-й Междунар. специализир. выставки «Сварка. Контроль и диагностика», г. Екатеринбург, 2010 г.;

- научные семинары кафедры «Сварочное производство и ТКМ» (ПГТУ, г. Пермь) в 2004-2011 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, изложенных на 140 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 32 таблицы. Список литературы включает 142 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, кратко изложено ее содержание, сформулированы цель и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность.

В первой главе систематизированы и обобщены литературные данные по неметаллическим включениям в сварных соединениях. Неметаллические включения классифицируют по химическому, минералогическому составам, происхождению, способу образования, количеству, размерам и морфологии. Включения могут быть гомогенными, гетерогенными, однофазными и многофазными. Количество, величина, форма, характер распределения неметаллических включений в металлах и сплавах зависят от способа производства, методов рафинирования, методов сварки, сварочных материалов, термической обработки и других факторов.

Проведен сравнительный анализ литературных данных и установлены параметры оценки загрязненности НВ металла слитков, поковок, листового проката и стальных труб магистрального назначения. Для производства труб в строительстве МТ используют листовой или рулонный прокат с регламентированными характеристиками структурного состояния. Загрязненность НВ оценивается по ГОСТ 1778-70 (метод Ш6).

НВ влияют на усталостные свойства сталей. Усталостное разрушение стали начинается у микротрещин, которые могут образоваться в результате

разрушения самого включения, отрыва по внутренней границе в многофазных включениях или отрыва по границе раздела между включением и металлической матрицей. Наиболее важные факторы, определяющие, является ли включение критическим для зарождения трещины - это его химический состав, размер, форма, плотность распределения и расположение относительно поверхности. Установлена определяющая роль неметаллических включений, как первичного очага разрушений магистральных трубопроводов.

Причины возникновения зародышевых трещин от неметаллических включений - это различие в термоупругих характеристиках металлической матрицы и включения. При охлаждении стали различие в коэффициентах термического расширения приводит к появлению в окрестности включения значительных по величине остаточных растягивающих напряжений. Внешняя нагрузка из-за различия в модулях упругости также приводит к концентрации напряжений у включения и способствует повышению химической активности как матрицы и включения, так и межфазного слоя. С точки зрения зарождения усталостных трещин наиболее опасными включениями в убывающем порядке являются: алюминаты кальция, корунд, шпинель. Температурные коэффициенты этих включений возрастают в том же порядке. Таким образом, включения с наименьшим температурным коэффициентом и показателем деформируемости оказывают наиболее отрицательное влияние на сопротивление стали усталости.

Во второй главе приведены материалы, оборудование и методы исследования. Анализ и статистика результатов металлографических исследований неметаллических включений проведены по программе ВидеоТест-Металл 1.0 и ВидеоТест-Размер5.0. Рентгеноспектральный (микрозондовый) анализ проведен при использовании электронного сканирующего микроскопа JSM-63090LV, рентгеноспектральный анализ - электронного растрового микроскопа типа РЭМ-100У, рентгенофазовый анализ - дифрактометра рентгеновского типа ДРОН-2, термический анализ - на установке синхронного термического анализа STA-409PC, метод наноидентирования с помощью прибора NanoTest-600. Анализ результатов проведен с использованием прикладных программ Microsoft Excel, MahtCAD; решение численных задач - программного комплекса ANSYS. Механические испытания проведены по стандартным методикам.

Для исследований использованы низколегированные стали трубного назначения, применяемые при изготовлении магистральных трубопроводов, регламентируемые нормативными документами: 17Г1С-У с гарантированным пределом текучести не более 360 МПа, класс прочности до К54, сталь Х70 с гарантированным пределом текучести свыше 360 МПа, класс прочности К60. Рассмотрены четыре технологии сварки труб диаметром 1220 и 1420 мм с толщиной стенки 11, 12.4, 15.7 и 18.7 мм: РД (многослойная ручная дуговая сварка); РД+АФ (корень: ручная дуговая сварка; заполняющие и облицовочный слои: автоматическая сварка под флюсом); STT+МПС (корень: механизированная сварка проволокой в среде углекислого газа; заполнение и облицовка: механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой); РД+МПС (корень: ручная дуговая сварка; заполняющие и облицовочный слои: механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой).

В третьей главе представлены результаты идентификации

неметаллических включений сварных соединений МТ на основе традиционных и современных методов анализа.

Металлографический анализ проведен в сварном шве и основном металле, не подвергшийся термическому влиянию сварки. Выполнен качественный и количественный анализ НВ, их распределение по сечению шва, объемная доля, балл, а также микроструктура сварного соединения. Показатели объемной доли (ср. объемной доли НВ по всем образцам, %) включений в сварных соединениях сталей Х70 и 17Г1С-У представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Объемная доля (%) неметаллических включений в сварных соединениях сталей трубного назначения

Марка стали; размер трубы, мм Сварочные материалы (0, мм) Ср. объемная доля неметаллических включений, %

Корень Заполняющие слои Облицовочный слой Осн. металл

Ручная дуговая сварка (РД)

17Г1С-У; 1220x12.4 ЬВ-52и (2.6) УОНИ 13/55 (4.0) 0.1216 0.0993 0.0704 0,1773

17Г1С-У; 1220x12.4 Рох Се1 (4.0) МТГ-02 (4.0) 0.3404 0.3597 0.0556 0.257

Х70; 1420x18.7 ЬВ-5211 (3.2) Кессель5520 Мо (4.0) 0.1933 0.246 0.1436 0.2036

Корень: механизированная сварка сплошной порошковой проволокой в среде углекислого газа; заполнение и облицовка: механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой (5ТТ+МПС)

Х70; 1420x15.7 Ь-56 (1.14)+С02 N11-2088 (2.0) 0.0803 0.1055 0.1273 0.0288

17Г1С-У; 1220x11.0 Ь-56 (1.14)+С02 N11-207(1.7) 0.1557 0.2732 0.2305 0.0844

Корень: ручная дуговая сварка; заполнение и облицовка: автоматическая под флюсом (РД+АФ)

Х70; 1420x18.7 ЬВ-52и (3.2) Св08ХМ (3.0); АН47 0.2333 0.3624 0.5028 0.014

Х70; 1420x15.7 Рох Се! (4.0) Рох Се1 Мо (4.0) Св08ХМ (3.0); АН47 0.4735 0.5877 0.3275 0.206

Корень: ручная дуговая сварка; заполнение и облицовка: механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой (РД+МПС)

Х70; 1420x15.7 ЬВ-52и (3.2) N11-2085 (2.0) 0.1847 0.2553 0.2699 0.2098

Х70; 1420x15.7 Рох Се1 (4.0) Рох Се! Мо (4.0) N11-2088 (2.0) 0.3128 0.3966 0.3128 0.2697

Основной металл исследуемых сталей имеет феррито-перлитную структуру с выраженной строчечностью расположения феррита и перлита, совпадающей с направлением прокатки. Засоренность в основном металле стали Х70 по объемной доле НВ меньше, чем у стали 17Г1С-У (см. табл. 1). В сталях преобладают оксиды и сульфиды Бе и Мп, сульфидные включения почти полностью состоят из МпБ.

По результатам исследований установлено, что объемное распределение включений по сечению шва, их минералогический и химический состав, соот-

ношение структурных составляющих, структурная и химическая однородность металла, механические и усталостные свойства металла швов изменяются в зависимости от технологий сварки, соответствующих сварочных материалов и режимов сварки.

Закономерность изменения объемного распределение НВ по сечению шва, выполненного для сталей Х70 и 17Г1С-У по одной технологии, примерно идентична. Наблюдается отличие объемного распределения включений по сечению шва для сталей при разных технологиях. Наибольшая объемная доля НВ и их неравномерное распределение по сечению шва получено при сварке швов по технологии РД и РД+АФ. Оптимальные в этом плане результаты получены для швов, выполненных технологией STT+МПС (см. табл. 1), большинство НВ в этих швах имеют эндогенное происхождение.

Согласно рентгенофазовому анализу в сварных швах сталей 17Г1С-У и Х70 присутствуют такие соединения, как FeS, Fe203, Si02, А1203, которые входят в состав более сложных компонентов, таких как сложный оксид Fe0-Fe203, сложные сульфиды марганца, содержащие оксиды (FeO, MnO, Si02) и FeS, же-лезомарганцевые силикаты, поверхность которых обогащена Si02; алюмосили-катная шпинель Si02-Al203.

Особое внимание было уделено распределению, форме и размерам неметаллических включений в корневом шве сварного соединения, который находится в более жестких условиях под действием напряжений в процессе эксплуатации (см. табл. 1).

Статистика полученных данных по объемной доле включений в корневых швах исследуемых сталей показала, что при использовании сварочной проволоки L-56 объемная доля НВ составляет порядка 0.0803-0.1557%, что примерно в 1.5-2 раза ниже, чем при сварке покрытыми электродами (см. табл. 1). Однако при сварке электродами с основным покрытием LB-52U (03.2 мм) объемная доля в 2 раза меньше, чем при сварке электродами с целлюлозным покрытием Fox Cel (0 4 мм) (0.3128%) (рис. 1). Диаграммы характеризуют распределение включений (оксидов и сульфидов) по группам (с учетом размеров включений) и количество НВ (% включений на 100 мм2) в группе. При сварке электродами Fox Cel в швах наблюдается большое скопление как мелких, так и крупных включений и распределение их в виде цепочек по границам аустенитного зерна (как первичной структуры), а, следовательно, приводит к снижению ударной вязкости. Выделение по границам зерна характерно для сульфидных включений MnS и FeS, приводящее к измельчению структуры (балл зерна 7 - 8).

Оценка загрязненности по баллу в соответствии с ГОСТ 1778 показала наличие в корне шва сталей Х70 и 17Г1С-У сульфидов, оксидов и силикатов, соответствующих баллу 2-3, у стали 17Г1С-У при сварке электродами целлюлозного типа до 4 балла. Объемная доля включений в заполняющих слоях выше в сравнении с корнем шва, преобладают оксисульфиды сложного химического состава. При РД сварке электродами с основным покрытием (УОНИ 13/55, Kessel 5520 Mo и МТГ-02) (особенно при сварке способом «на подъем» из-за увеличения тепловложения) объемная доля НВ примерно в 1.2 раза выше, чем

проволокой ХплегвЫеМ при МПС. Размер включений сильно возрастает в направлении от границы сплавления металла шва с осн. металлом к середине

шва. Наиболее крупные включения наблюдаются в заполняющих слоях шва при сварке РД. Высокая объемная доля включений («0.58%) в заполняющих швах получена при сварке АФ (проволока 08ХМ), что в 3 раза выше, чем при МПС. Это связано с использованием проволоки ГппегБЫеЫ при МПС, т.к. в ее состав входят БЮг, Мп и А1. Значительные преимущества качества наплавленного проволоками 1ппегеЫе1с1 металла обусловлены

точно и тщательно контролируемым химическим балансом между тремя элементами - алюминием, кремнием и марганцем.

Неблагоприятные включения, располагающиеся цепочками или в виде прослоек по границам зерен и ослабляющие связь между ними, а также включения остроугольной и неправильной формы, характерной для сульфидов и оксидов, которые являясь концентраторами напряжений, могут способствовать зарождению трещин. Такие НВ встречаются в корневых швах, расположенные ближе к линии сплавления, из сталей 17Г1С-У и Х70, выполненных электродами целлюлозного типа. В корневом шве, выполненном электродами целлюлозного типа на стали 17Г1С-У, от включений сложного химического состава (преимущественно оксисульфиды железа и марганца) размером более 7.5 мкм обнаружены микротрещины (балл 2 по ГОСТ 1778) (рис. 2).

В процессе кристаллизации жидкой сварочной ванны различные типы включений могут реагировать между собой, образуя сложные включения как по происхождению, так и по своему составу. Взаимодействуя между собой, простые оксиды образуют сложные соединения, температура плавления которых ниже температуры плавления стали. Эти соединения могут находиться в расплавленном металле в жидком состоянии и может протекать процесс коалес-ценции (укрупнение в жидком состоянии с образованием сложных включений).

Рис. 1. Содержание неметаллических включений в корневом шве стали Х70,технология РД+МПС

ъпырцд FeO :eS-MnS *

Рис.2. Неметаллическое включение с трещиной в корневом шве из стали 17Г1С-У, выполненном электродами целлюлозного типа по технологии РД

Для исследования изменения фазовых превращений НВ при нагреве проведен термический анализ. Анализ полученных кривых показал два эндо-пика при 1=751.60С и М088.1°С, без изменения массы пробы (рис. 3). Данный факт свидетельствует о возможности протекания процесса плавления (переход из одного состояния в другое).

В данном случае при г=751.6°С начинается процесс размягчения, а при 1=1088.1°С происходит плавление (частичное или полное) неметаллического включения комплексного состава, содержащего оксиды.

При многопроходной сварке плавлением Рис. 3. Кривые дифференциальной сканирующей происходит воздействие

калориметрии ДСК, на которых зафиксированы повторного термичес-

эндо-пики

кого цикла на предыдущий слой сварного шва. Температура плавления НВ, как было выявлено экспериментально, составляет порядка 1088.1°С, поэтому возможно, плавление включения (частичное или полное). Поскольку НВ окружены металлической матрицей, они имеют ограниченность в увеличении объема при расплавлении, вызывая механическое воздействие на матрицу и деформацию. При усадке, протекающей при охлаждении металла сварочной ванны, включение уменьшается в объеме с образованием межграничной прослойки. В межграничной зоне включение-металл присутствует пустота, межфазная граница составляет по результатам замеров 0.5-И.3 мкм (хЮОО). Происходящее изменение объема включения из-за различия характеристик матрицы и НВ как следствие может привести к образованию микротрещин, что и было обнаружено (см. рис. 2). Повторный термический цикл сварки влияет не только на образование трещин, но и на образование включений за счет процессов диффузии.

Важную роль в термодиффузионных процессах при многопроходной сварке плавлением играют режимы сварки. Установлено, что параметром оптимизации технологий сварки является величина погонной энергии, опреде-

ляющая как усталостные свойства, так и разновидность, величину и распределение неметаллических включений в металле шва и ЗТВ сварных соединений. При сварке МПС проволокой 1ппегБЫеЫ 01.7 мм экспериментально-расчетным путем наилучшие результаты получены при погонной энергии 1100+1300 кДж/м; 02.0 мм - 1200+1600 кДж/м. На оптимальной погонной энергии достигаются лучшие усталостные характеристики и качество металла шва.

Различие характеристик включений и матрицы подтверждено анализом результатов наноидентирования, проведенного по поверхности металла. Анализ результатов, позволил установить, что приведенный модуль упругости НВ составляет 525 580 ГПа, а твердость 2.64 + 3 ГПа, что примерно на 20% выше стальной матрицы (по экспериментальным данным сталь обладает приведенным модулем упругости 465 ГПа и твердостью 2.5 + 2 ГПа).

Химический и минералогический состав НВ зависит как от химического состава стали, так и от сварочных материалов. Микрозондовый анализ позволил определить изменение химического состава включений по сечению шва. По результатам анализа сделаны расчёты кристаллохимических формул искусственно образованных соединений (неметаллических включений) в корне шва и заполняющих слоях, позволяющие оценить точный состав и природу образования включения. В швах из стали Х70 преобладают комплексные включения сложного состава на основе оксида кремния БЮг и сульфатов (804). Однако химический состав включений различен. В корне выявлены такие включения, как сепиолит (минерал из класса силикатов), бронзит (магнезиально-железистая разновидность минералов класса силикатов), полиминеральный агрегат, в составе которого можно выделить преобладающую в процентном отношении сульфатную составляющую (возможные минеральные фазы: ангидрит-Са804, мелантерит-Ре8047Н20, acтpaxaнит-Na2Mg[S04]4H20), хлоридную (галит-№С1) и силикатную (кальциевый, железистый и магнезиальный алюмосиликат). В заполняющих слоях шва - родонит с примесью фтористого соединения, искусственное соединение оксида железа с примесью М§, Са, Мп, N1, Сг, А1. По полученным данным установлено, включения имеют эндогенное происхождение.

Изменение концентрации химических элементов в неметаллических включениях в разных областях сварного соединения говорит об образовании включений не только путем перехода их из основного или электродного металла, но и в результате химических реакций, протекающих при сварке. НВ в металле шва имеют часто сложный состав и структуру, потому как продукты реакций (протекающих в сварочной ванне), выделяясь из раствора, взаимодействуют между собой - образуют растворы, химические соединения.

Химическую неоднородность в зоне неметаллических включений в сварных швах оценили по результатам рентгеноспектрального анализа. Анализ проведен в пяти областях сварного соединения (заполняющих слоях сварного шва, корне шва, ЗТВ и основном металле) с шагом электронного луча 4 мкм. В процессе анализа зафиксировано изменение распределения семи элементов: ТС, Сг, Са, Мп, Б, А1, Бь Максимальную концентрацию на участке исследования в ос-

новном металле имеет сера, далее идут 81, Сг и Са. Такие элементы, как Т1, Мп и А1 имеют небольшую концентрацию.

Анализ кривых распределения химических элементов в других областях сварного шва показал, что максимальную концентрацию серы в корне шва. В заполняющих слоях и ЗТВ характер распределения серы примерно одинаковый. Титан, хром и алюминий имеют равномерное распределение по всем исследуемым зонам сварного соединения. Максимальная неоднородность распределения марганца и кремния наблюдается в корне и ЗТВ.

Полученные значения характеристик позволяют идентифицировать включения сложного состава, в которых преобладает сера, марганец и кремний.

В четвертой главе рассмотрено влияние неметаллических включений на усталостные свойства сварных соединений и расчет напряженно-деформированного состояния в сварных кольцевых швах трубопровода.

Надрез в образцах Шарпи (ГОСТ 9668) для испытаний на усталость выполнен по шву и линии сплавления. В процессе проведенных усталостных испытаний фиксировали длину усталостной трещины (Ь, мм) и число циклов на-гружения (14).

Определено, что инкубационный период зарождения усталостной трещины на сварных швах сталей 17Г1С-У и Х70 не зависит от местоположения концентратора (по шву или по линии сплавления) и составляет в среднем 0.9-105-г4'105 циклов, т.е. для этих материалов инкубационный период, можно предположить, является структурно не чувствительным параметром. Скорость роста трещины в швах исследуемых сталей с концентратором по линии сплавления по всем технологиям выше, чем с концентратором по центру шва.

Инкубационный период зарождения усталостной трещины на сварных швах сталей 17Г1С-У составляет 0.9-105-=-2405 циклов, Х70 - 2-105+4-105 циклов. Дополнительными концентраторами напряжений зарождения и распространения трещин в металле стали 17Г1С-У являются сульфиды Ре и Мп, как одиночные, так и скопления, лежащие на границе усталостной трещины.

Скорость роста трещины на сварных швах стали 17Г1С-У в 1.2 раза выше, чем на сварных швах стали Х70, выполненных по одной технологии, и составляет в среднем 2.5-10'5ч-3-10"5мм/цикл (рис. 4).

Ь, мм Ь, мм

Рис. 4. Скорость роста трещины для швов из стали Х70(а) и 17Г1С-У (б), технология РД

Скорость роста трещины на сварных швах сталей Х70 и 17Г1С-У при сварке АФ и МПС меньше, чем при РД (особенно высокая скорость роста трещины при сварке швов электродами с целлюлозным покрытием) и составляет в среднем 2'10'5ч-6-10"5и 5-10"5-И-10"4 мм/цикл соответственно.

Решение численной задачи в ANS YS, позволило оценить напряженно-деформированное состояние в сварном кольцевом шве трубопровода. Расчетная схема задачи показана на рис. 5. Для расчета интенсивности напряжений заданы геометрические характеристики трубы и шва (м): НШ]= 2.4-10"3; Нш2= 2.МО"3; Ьш,=30-10-3; ЬШ2=7-10"3; Нт=15.7-10"3; 1^=200-10"3

\ Y

Рис. 5. Расчетная схема задачи. Нг - толщина трубы; Ьт - длина трубы; -ширина шва; ЬШ2 - ширина корня шва; НШ| -высота шва; Ншг - высота корня шва; Ят - радиус трубы; Р - действующая нагрузка (напряжение); У - ось действия продольных напряжений; К - ось действия радиальных напряжений; цифрами 1,2, 3 и 4 показаны места перехода основного металла в шов, являющиеся концентраторами напряжений

Физические параметры трубы и шва: модуль упругости Е=2-10 Н/м , Е=1.9-10пН/м2 соответственно, Коэффициент Пуассона 0.3, плотность р=7800 кг/м3. Для расчета предположено, что площадь НВ равна примерно 0.46-10"6 мм2, расположенные произвольно в сварном шве. Физические характеристики НВ: модуль упругости Е=1.6-1011 Н/м2, коэффициент Пуассона равен 0.17.

Результаты моделирования показали разнообразие волн, возникающих при действии нагрузки (1-103Па), изменение фронта продольной волны при изменении конфигурации трубы в сварном шве. На границе основного металла и шва в точках 1, 2, 3 и 4 (см. рис. 5) происходит увеличение напряжений. Наибольшее увеличение (до ЬБ-Ю^Па) происходит в корне шва (рис. 6а). Теоретический коэффициент концентрации напряжений Ко, равный как отношение расчетного напряжения к действующему, составил 1.8.

В неметаллических включениях сварного соединения трубы под действием заданной нагрузки происходит увеличение интенсивности напряжений в среднем от 18 до 35%. Вблизи включений, на границе раздела с матрицей, напряжения растут из-за различия физических характеристик стальной матрицы и НВ. Наибольшее увеличение напряжений наблюдается на границе металл - неметаллические включения в корне шва (до 35-38%), что связано с изменением размеров в корне шва. Теоретический коэффициент концентрации напряжений составил 1.3 (рис. 66).

С учетом Ко выполнена оценка работоспособности трубопроводов с кольцевыми швами, используя критерий циклической прочности. Допускаемое рабочее давление в трубопроводе определено по методике, предложенной М.Х. Муфтахо-вым и определяется:

Р = Рра6 'Г",,

где Ррав - рабочее давление; ту - коэффициент изменения рабочего давления.

ЛИ - ЛМ —^

б

Рис. 6. Количественные изменения напряжений в сварном соединении; а - на границе осн. металл - корень шва; б - на границе металл - неметаллические включения

Таким образом, расчет показал, что для обеспечения безопасной эксплуатации трубопровода с учетом кольцевых сварных швов для трубы размером 1220x11 мм допускаемое рабочее давление составляет 6.1 МПа, а для 1420x15.7 мм - 7.9 МПа (при нормативном 9.8 МПа).

В пятой главе предложены рекомендации, уменьшающие негативное влияние неметаллических включений в сварных швах:

1. С целью получения высококачественных сварных соединений МТ рекомендовано полностью переходить на автоматизацию процессов сварки.

2. Для сварки корня шва оптимальной является технология БТТ (механизированная сварка в С02) с применением сварочной проволоки сплошного сечения Ь56 с высоким уровнем легирования Мп и 51, которые увеличивают концентрацию оксидов этих элементов в составе оксидных включений (соответственно уменьшают содержание в них оксидов железа) и увеличивают температуру плавления включений.

3. Для механизированной сварки без использования защитных газов, горячего заполняющего и облицовочного проходов стыков магистральных трубопроводов с нормативным пределом прочности до К70 включительно оптимально использование сварочной защитной проволоки ЪшегзЫеЫ, т.к. в ее состав входят 8Ю2, Мп и А1. Значительные преимущества металлургического качества наплавленного проволоками 1ппег8ЫеЫ металла обусловлены точно и тщательно контролируемым химическим балансом между тремя элементами - алюминием, кремнием и марганцем.

4. В соответствии с нормативно-технической документацией на сварку МТ по технологии, предусматривающей использование электродов с целлюлозным покрытием, при оценке загрязненности металла труб и сварных соединений неметаллическими включениями по шкале НВ в соответствии с ГОСТ 1778 необходимо установить для сульфидов средний балл 2.

5. Параметром оптимизации технологий сварки является величина погонной энергии, определяющая как усталостные свойства, так и разновидность, величину и распределение неметаллических включений в металле шва и ЗТВ сварных соеди-

нений. При МПС проволокой ГппегзЫеЫ 01.7 мм наилучшие результаты получены при погонной энергии 1100+1300 кДж/м; 02.0 мм -1200+1600 кДж/м. На оптимальной погонной энергии достигаются лучшие усталостные характеристики и металлургическое качество металла шва.

6. Для технологии РД при сварке корня шва оптимальны электроды ЬВ-5211, т. к. в их состав входят такие элементы, как (0.49-0.52 %) и Мп (1.0-1.01%), увеличивающие концентрацию оксидов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшающие содержание в них оксидов железа.

7. Ручную дуговую сварку электродами с основным покрытием заполняющих и облицовочных слоев шва следует выполнять «на спуск», потому как в противоположность сварке «на спуск» при сварке «на подъем» уровень тепловложения обычно выше, а скорость охлаждения ниже, и как следствие возрастает вероятность увеличения неметаллических включений.

8. При расчетах на циклическую прочность линейной части магистральных трубопроводов следует учитывать теоретический коэффициент концентрации напряжений на границах перехода основного металла к усилению корня шва.

Основные выводы по диссертации:

1. Определена роль неметаллических включений в безопасной эксплуатации МТ. Установлено, что на усталостные свойства сварных соединений МТ влияют, форма, количество, химический и минералогический состав, физико-механические свойства, химическая неоднородность неметаллических включений и характер их распределения в сварных соединениях сталей трубного назначения.

2. Для сварки корня шва оптимальной является технология 8ТТ (механизированная сварка проволокой в среде углекислого газа) с применением сварочной проволоки Ь-56; для заполняющего и облицовочного проходов стыков магистральных трубопроводов оптимально использование МПС (механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой) с применением сварочной защитной проволоки 1ппегзЫе1(1 207 или ГппегБЫеМ 208Б (в зависимости от толщины стенки), позволяющие получать наиболее чистый сварной шов с минимальным содержанием неметаллических включений.

Большинство неметаллических включений в сварных швах, выполненных технологией 8ТТ+МПС, имеют эндогенное происхождение, т.е. образуются в металле шва из растворенных в них примесей, и являются комплексными включениями сложного состава на основе оксида кремния 8102 и сульфатов (БО^ с твердостью 2.64+3 ГПа и приведенным модулем упругости 525+580 ГПа. Лишь небольшая часть НВ (объемная доля 0.003%) имеет экзогенное происхождение, являясь частицами шлака.

3. Установлено, что при повторном термическом цикле многослойной сварки плавлением на коалесценцию НВ, изменение их химического состава, морфологию и распределение в разных зонах сварных соединений, оказывают влияние термодиффузионные процессы.

4. Установлен инкубационный период зарождения усталостной трещины на сварных швах сталей 17Г1С-У и Х70, выполненных по разным технологиям, который составляет 0.9-105+2'105 циклов для 17Г1С-У, для Х70 - 2-105+4-105 циклов. Дополнительными концентраторами напряжений зарождения и распространения трещин в металле стали 17Г1С-У являются сульфиды Бе и Мп, как одиночные, так

и скопления, лежащие на границе усталостной трещины, что увеличивает скорость роста трещины на сварных швах стали 17Г1С-У в 1.2 раза, чем на сварных швах стали Х70, выполненных по одной технологии, и составляет в среднем 2.5-10"5-i-3-10"5 мм/цикл.

5. Установлено, что для линейной части трубопроводов с кольцевыми швами характерно неравномерное напряженно-деформированное состояние. Максимальные значения напряжений создаются на границе перехода основного металла к усилению корня шва. Теоретический коэффициент концентрации напряжений равен 1.8 (для сварки по технологиям STT и МПС), который необходимо учитывать при расчете на циклическую прочность линейной части трубопроводов. Определено влияние HB на изменение напряжений в металле шва сварных соединений трубопроводов, наибольшее увеличение напряжений создается на границе включение - металл в корне шва, теоретический коэффициент концентрации напряжений равен 1.3.

Основные результаты диссертации достаточно полно опубликованы в работах:

1. Федосеева Е.М., Язовских В.М., Ольшанская Т.В. Исследование структуры и неметаллических включений металла шва соединений низколегированных трубных сталей. //Вестник ПГТУ «Механика и технология материалов и конструкций», №9,2006, с. 3-6.

2. Федосеева Е.М. Ольшанская Т.В., Корноушкин A.B. Низколегированные трубные стали для нефте- и газопроводов, //«Сварка. Контроль. Реновация-2006». Шестая науч.-технич. конф.: сб. докл. / Министерство образования республики Башкортостан, Уфим. гос. авиационный техн. ун-т. - Уфа-2007. С. 83-85.

3. Кривоносова Е.А., Федосеева Е.М. Исследование усталостных свойств сварных швов из низколегированных трубных сталей. // Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин: науч.-технич. конф., посвященная 85-летию проф. М.И. Разикова в рамках 7-ой Междунар. специализир. выставки «Сварка. Контроль и диагностика». ГОУ ВПО Урал. гос. техн. ун-т - УПИ, Екатеринбург, 2007. - С. 32-33,

4. Федосеева Е.М. О роли неметаллических включений в эксплуатационной надежности сварных соединений магистральных трубопроводов. И Современные проблемы машиностроения: труды V Междунар. науч.-технич. конф.; Томский политех. ун-т, Томск, 2010. - С. 401-406.

5. Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Игнатова A.M., Ольшанская, Т.В, Вылежнева Н.В. Минералогия неметаллических включений в сварных соединениях магистральных трубопроводов. // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. Т. 12. №5. 2010, с. 60-68.

6. Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Игнатова А.М. Рентгеноспектральный микрозон-довый анализ минералогического состава неметаллических включений сварных соединений магистральных трубопроводов. // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. Т. 12. №5.2010, с. 69-77.

7. Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Игнатова A.M. Идентификация неметаллических включений в металле сварных соединений стали Х70 электронным сканирующим микроскопом. // Сварка: наука, практика, образование: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 10 Междунар. специализир. выставки "Сварка. Диагностика и контроль", г. Екатеринбург, 2010 г. / УрФУ, Урал, ин-т сварки. - Екатеринбург, 2010 г. - С. 116-122.

8. Федосеева Е.М., Шестаков А.П., Игнатов М.Н. Математическая интерпретация интенсивности напряжений в корне шва сварных соединений. Сварка: Наука, практика, образование: сб. докл. науч.-технич. конф. // Сварка: наука, практика, образование: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 10 Междунар. специализир. выставки "Сварка. Диагностика и контроль", г. Екатеринбург, 2010 г. / УрФУ, Урал, ин-т сварки. - Екатеринбург, 2010 г. С. 111-116.

9. Канина A.C., Федосеева Е.М., Черняев А.И., Игнатова A.M. Современные представления о природе неметаллических включений в стальных сварных соединениях и о способах их выявления и контроля. Сварка: Наука, практика, образование: сб. докл. науч.-технич. конф. II Сварка: наука, практика, образование: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 10 Междунар. специализир. выставки "Сварка. Диагностика и контроль", г. Екатеринбург, 2010 г. / УрФУ, Урал, ин-т сварки. - Екатеринбург, 2010 г. - С. 25-36.

10. Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Казымов К.П., Летягин И.Ю. Современные методы идентификации неметаллических включений в сварных соединениях трубных сталей. // Тяжелое машиностроение. № 1,2011 г. - С. 45-47.

П.Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Летягин И.Ю. Влияние повторного термического цикла сварки на образование неметаллических включений в многослойных сварных швах трубных сталей. // «Сварка и Диагностика». №2, 2011 г. - С. 18-21.

Подписано в печать 17.05.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 894/2011

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, кЛ 13 тел. (342) 219-80-33

ВВЕДЕНИЕ.

1. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И ИХ РОЛЬ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

1.1. Неметаллические включения, определения, классификация.

1.2. Классификация, номенклатура и взаимозаменяемость трубных сталей производства разных предприятий РФ и других стран.

1.3. Сравнение требований технических условий на загрязненность неметаллическими включениями металла слитков, поковок, листового проката, труб и сварных соединений для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов по техническим условиям, соответствующих ГОСТов.

1.4. Методы контроля стали по неметаллическим включениям.

1.5. Общая статистика и доля разрушений от неметаллических включений магистральных нефте- и газопроводов.

1.6. Влияние неметаллических включений на свойства стали и стальных сварных соединений.

1.7. Мероприятия по снижению загрязненности неметаллическими включениями металла углеродистых сталей и сварных соединений.

1.8. Технологии производства магистральных трубопроводов.

1.9. Анализ прочности трубопроводов в ANSYS.

1.10. Выводы по главе 1.

2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Основной металл, сварочные материалы и оборудование.

2.2. Методика металлографического исследования сварных соединений.

2.2.1. Макроструктурный анализ.

2.2.2. Микроструктурный анализ.

2.2.3. Анализ неметаллических включений.

2.3. Рентгеноспектральный (микрозондовый) анализ.

2.4. Измерение микротвердости.

2.5. Методика усталостных испытаний.

2.6. Рентгеноспектральный анализ.

2.7. Термический анализ.

2.8. Рентгенофазовый анализ.

2.9. Метод наноиндентирования.

2.10. Выводы по главе 2.*.

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

3.1. Металлографический анализ неметаллических включений в сварных соединениях магистральных трубопроводов, выполненных по разным технологиям (РД, АФ, МПС и STT).

3.2. Физико-механические свойства неметаллических включений.

3.3. Химический и минералогический состав неметаллических включений.

3.4. Химическая неоднородность включений.

3.5. Влияния термодиффузионных процессов на природу, морфологию и распределение неметаллических включений в многослойных сварных соединениях при сварке плавлением.

3.6. Выводы по главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА И ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ТРУБОПРОВОДОВ

4.1. Моделирование нестационарных процессов в трубопроводе и расчет напряженно-деформированного состояния металла сварного трубного соединения в зоне неметаллического включения методом конечных элементов.

4.2. Влияние неметаллических включений и технологий сварки на усталостные свойства сварных соединений магистральных трубопроводов.

4.3. Выводы по главе 4.

5. РАЗРАБОТКА. РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПАРАМЕТРАМ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

5.1. Рекомендации, позволяющие в рамках нормативно-технической документации снизить содержание неметаллических включений.

5.2. Выводы по главе 5 124 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 125 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127 ПРИЛОЖЕНИЕ

Актуальность работы. В соответствии со стратегией развития энергетического сектора экономики РФ основным направлением научно-технической политики освоения новых нефтяных и газовых месторождений является строительство магистральных трубопроводов (МТ). Одной из наиболее важных задач трубопроводного транспорта углеводородов является обеспечение его надежной и безопасной работы путем сокращения риска возникновения аварийных ситуаций. Решение этой задачи позволит снизить безвозвратные потери транспортируемых продуктов, предотвратить разрушение инженерных сооружений и обеспечить, таким образом, оптимальное функционирование трубопроводных систем.

Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов МТ, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям. Средняя ин-; тенсивность аварий за последние 5 лет составила 0.27 (на 1000 км в год). Более 30% отказов происходит на трубопроводах, построенных в 90-е г.г. прошлого столетия. Анализ происшедших за последнее время аварий показал, что основными причинами по которым произошли разрушения участков МТ, были недоработки проектной и исполнительной документации, человеческий фактор, сварные швы, различные строительные или ремонтные концентраторы напряжений (вмятины, накладки, риски, задиры и др., составляющие до 7% отказов), а также дефекты сварных соединений типа неметаллических включений (НВ) по причине которых произошло до 1.5% отказов.

Известно, что МТ работают в условиях циклического нагружения от изменения внутреннего давления перекачиваемого продукта. Поэтому оставленные «без внимания» неметаллические включения сварных соединений, обладающие повышенной твердостью и хрупкостью и, следовательно, являющиеся концентраторами напряжений, могут стать источниками зарождения усталостных трещин и привести к аварийным разрушениям трубопроводов.

Материаловедческими проблемами сталей трубного назначения занимаются такие ведущие организации, как ОАО ВНИИСТ, осуществляющая разработку нормативно-технической документации, проектирование и строительство МТ совместно с ОАО «Газпром» и ОАО «АК«Транснефть», заводы по изготовлению труб магистрального назначения (Челябинский ТПЗ, Харцызкий ТЗ) и др. Ранее анализом неметаллических включений в сварных соединениях занимались В.В. Подгаецкий, И.Р. Пацкевич и др., на сегодняшний день данной проблеме уделяют внимание М.А. Худяков, М.Х. Муфтахов, В.И. Глад-штейн и др., считающие неметаллические включения в сварных соединениях первопричиной образования трещин, приводящих в некоторых случаях к разрушению трубопроводов.

Таким образом, повышение качества сварных соединений сталей трубного назначения для обеспечения эксплуатационной безопасности МТ является задачей актуальной и своевременной.

Цель работы. Повышение качества сварных соединений низколегированных сталей трубного назначения класса прочности до К70 путем оптимизации технологий сварки кольцевых стыковых соединений труб диаметром 1220 и 1420 мм для обеспечения эксплуатационной безопасности магистральных трубопроводов.

Задачи исследования:

1. Обобщить и систематизировать сведения о роли неметаллических включений (НВ) в сварных соединениях МТ.

2. Обосновать и использовать современные методы выявления дефектов типа НВ в сварных соединениях трубных сталей, идентифицировать их и выяснить закономерности их образования, морфологии и распределения в металле шва.

3. Провести экспериментально-теоретическое обоснование влияния границы перехода металл-шов и неметаллических включений на изменение напряжений в металле шва и усталостные свойства сварных соединений сталей трубного назначения.

4. Выявить влияние и оптимизировать технологические параметры сварки кольцевых стыковых соединений труб диаметром 1220 и 1420 мм сталей класса прочности до К70 с целью повышения качества и обеспечения эксплуатационной безопасности МТ.

Научная новизна:

1. Впервые установлено влияние термодифузионных процессов на коа-лесценцию неметаллических включений, изменение их химического и минералогического состава, морфологию и распределение в разных зонах сварных соединений при многопроходной сварке плавлением.

2. Выявлено влияние границы перехода металл — шов и неметаллических включений на изменение напряжений в сварных швах кольцевых соединений трубопроводов решением численной задачи методом конечных элементов, проведена корректировка рабочего давления трубопровода для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов.

3. Установлено, что при сварке магистральных трубопроводов из сталей класса прочности до К70 параметром оптимизации технологий сварки является величина погонной энергии, определенная расчетно-экспериментальными методами и определяющая как усталостные свойства, так и разновидность, величину и распределение неметаллических включений в металле шва сварных соединений.

Практическая ценность:

Разработаны рекомендации в рамках нормативно-технической документации по выбору сварочных материалов и параметров режимов сварки, обеспечивающих снижение объемной доли неметаллических включений и получение высококачественных сварных соединений.

Рекомендации использованы при сварке магистрального трубопровода НГКМ «ВАНКОР» организацией ООО «Стройнефтегаз». Применение рекомендаций по выполнению сварочного процесса комбинированным способом БТТ+МПС на оптимальных погонных энергиях обеспечивает получение минимальной доли неметаллических включений в сварных соединениях и повышение характеристик усталостных свойств (приложение).

Расчет на циклическую прочность магистральных трубопроводов с учетом величины теоретического коэффициента концентрации напряжений на границах перехода металл — шов в сварных кольцевых соединениях трубопроводов, позволяет скорректировать рабочее давление в трубопроводе с целью безопасной эксплуатации.

Достоверность результатов и выводов подтверждается применением аттестованных в соответствии с нормативно-технической документацией технологий сварки, применением точных и современных методов анализа (рент-геноспектрального (микрозондового) анализа, термического анализа, метода наноидентирования), статистической обработки данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Сварка и контроль - 2004», г. Пермь, 2004 г.;научно-техническая конференция «Сварка в машиностроении и металлургии» в рамках 5-й Меж-дунар. специализир. выставки «Сварка. НефтеГаз», г. Екатеринбург, 2005 г.; научно-техническая конференция «Инновационные технологии и модернизация в сварочном производстве» в рамках 10-й Междунар. специализир. выставки «Сварка. Контроль и диагностика», г. Екатеринбург, 2010 г.; научные семинары кафедры «Сварочное производство и ТКМ» (Ш ТУ, г. Пермь) в 2004-2011 г. г.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определена роль неметаллических включений в безопасной эксплуатации МТ. Установлено, что на усталостные свойства сварных соединений МТ влияют, форма, количество, химический и минералогический состав^ физико-механические свойства, химическая неоднородность неметаллических включений и характер их распределения в сварных соединениях сталей трубного назначения.

2. Для сварки корня шва оптимальной является технология БТТ (механизированная сварка проволокой в среде углекислого газа) с применением сварочной проволоки Ь-5 6; для заполняющего и облицовочного проходов стыков магистральных трубопроводов; оптимально использование МПС (механизированная сварка самозащитной порошковой-проволокой) с применением сварочной защитной проволоки ЬтегсЫеШ 207 илиТппегэЫеШ 2088 (в зависимости от толщины стенки), позволяющие получать: наиболее чистый сварной шов с минимальным содержанием неметаллических включений.

Большинство неметаллических включений в сварных швах, выполненных технологией 8ТТ+МПС, имеют эндогенное происхождение, т.е. образуются в металле шва из растворенных в них примесей- и являются комплексными включениями сложного состава на основе оксида кремния 8Ю2 и сульфатов (804) с твердостью 2.64-КЗ ГПа и приведенным модулем упругости 525^-580 ГПа. Лишь небольшая часть НВ (объемная доля 0.003%) имеет экзогенное происхождение, являясь частицами шлака.

3. Установлено, что при повторном, термическом цикле многослойной сварки плавлением на коалесценцию НВ, изменение их химического состава, морфологию и распределение в фазных зонах сварных соединений, оказывают влияние термодиффузионные процессы.

4. Установлен инкубационный период зарождения усталостной трещины на сварных швах сталей 17Г1С-У и Х70, выполненных по разным технологиям, который составляет 0.9-105-ь2-105 циклов для 17Г1С-У, для Х70 - 2-105-ьФ105 циклов. Дополнительными концентраторами напряжений зарождения и распространения трещин в металле стали 17Г1С-У являются сульфиды Бе и Мп, как одиночные, так и скопления, лежащие границе усталостной трещины, что увеличивает скорость роста трещины на сварных швах стали 17Г1С-У в 1.2 раза, чем на сварных швах стали Х70, выполненных по одной технологии, и составляет в среднем 2.5-10"3-^3-10"5 мм/цикл.

5. Установлено, что для линейной части трубопроводов с кольцевыми швами характерно неравномерное напряженно-деформированное состояние. Максимальные значения напряжений создаются на границе перехода основного металла к усилению корня шва. Теоретический коэффициент концентрации напряжений равен 1.8 (для сварки по технологиям БТТ и МПС), который необходимо учитывать при расчете на циклическую прочность линейной части трубопроводов.

Определено влияние НВ на изменение напряжений в металле шва сварных соединений трубопроводов, наибольшее увеличение напряжений создается на границе включение — металл в корне шва, теоретический коэффициент концентрации напряжений равен 1.3. I

1. Гончаров И.Б. Дефектоскопия оборудования в угольной-промышленности. Справочное пособ. М'.: Недра, 1990. - 150 е.: ил. ISBN 5-247-00524-4.

2. Исаев И.И. и др. Государственная приемка продукции / И.И.Исаев, О.В.Аристов, В.И.Богданов -М.: Издательство стандартов, 1988. -20с.

3. Галдин Н.М. Цветное литье: справочник / Н.М. Галдин, Д.Ф. Чернега, Д.Ф. Иванчук М.: Машиностроение, 1989. - 519 с.

4. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для ВУЗов. 6-е изд., перераб. и до-полн. — М: «Металлургия», 1986 — 544 с.

5. Смирнов H.A. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. 2-е изд., дополн. и перераб. — М: «Металлургия», 1985 — 256 с.

6. Лаборатория металлографии / Под ред. Лившица Б.Г. М: Гос. научно-техн. изд-во лит-ры по чёрной и цветной металлургии, 1957 - 696 с.

7. Шульте Ю. А. Неметаллические включения в электростали; М. .: Издательство стандартов, 1964.*- 319 с.

8. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Издательство стандартов, 1979. -213 с.8: Лаборатория металлографии. Под ред. Б.Г. Лившица. Е.В. Панченко и др. -" Издательство металлургия. Москва, 1965. — 440с.

9. Хан Б.Х., Ящук Н.Я. Раскисление, дегазация легирование стали. Изд. 2-е пе-рараб. и дополн. М: Металлургия, 1965. —'213 с.

10. Нарита К. Кристаллическая-структура неметаллических включений в стали / Пер. с японского. — М: Металлургия, 1969. 193с.

11. Прохоренко К.К. Уменьшение загрязненности электростали волосовинами и неметаллическими включениями. / Сб. «Вопросы производства стали». Изд. АН УССР, вып. 8. 1961. -20 с.

12. Введенский С. И. Распределение неметаллических включений в слитках конструкционных сталей. // Сталь, 1962, № 5, с. 454.

13. Кислинг Р., Ланге Н., Неметаллические включения в стали / Пер. с англ. — М.: Химия, 1968. 120 с.

14. Виноград М. И., Громова Г. П. Включения в легированных сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 65 с.

15. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Вылежнева Н.В. Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов // Тяжелое машиностроение, 2008. - № 12. - С. 2-5.

16. ГОСТ 19281-89. Прокат стальной повышенной прочности. — М.: Изд-во стандартов, 1989. 6 с.

17. Сборник нормативных и методических документов САСв. Аттестация сварочных технологий. Москва, 2008, с. 286.

18. СТО ГАЗПРОМ 2-2.2-136-2007. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть 1. Москва. 2007.

19. Стандарт Американского нефтяного института. API 5L-2004. Технические условия на трубы для трубопроводов (Specificashion for Line Pipe).

20. Российский рынок стальных труб в апреле-мае 2010 г. http://www.metaltorg.ru/analytics/publication.

21. Анучкин М.П., Горицкий В.Н., Мирошниченко Б.И. Трубы для магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1986. 198 с.

22. ОАО «Харцызкий трубный завод». // Металлургический бюллетень. -URL:http://www.metaltorg.ru/catalogue.

23. Соловьев А.Н. Приведение в нормативное состояние нефтепроводов с подкладными кольцами. ОАО «АК «Транснефть». // Трубопроводный транспорт нефти. 2009, - №4. - с. 26.

24. Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб магистральных трубопроводов: Состояние и тенденции развития // Журнал «Металлург». 2006. - №5. с. 11-15.

25. Марченко В.Н., Зинько Б.Ф. Современные тенденции разработки и производства сталей и труб для магистральных нефте- и газопроводов // Журнал «Металлург». — 2008. №3. - с. 5-7.

26. Иваницкая Е.В. Роль трубопроводного транспорта в развитии регионов. // Трубопроводный транспорт, 2009. - № 2(14). - с. 4-5.

27. Хоменко В.И. Пути повышения качества газонефтепроводных труб нового поколения. URL: www.stroytransgaz.ru/potentialarticles/homenko.

28. ГОСТ 1778-70. Металлографические методы определения неметаллических включений. М.: Изд-во стандартов, 1970. 15 с.

29. ASTM Е 1245. Standards covers standards devoted to metallography (and mechanical property testing).

30. Программное обеспечение для анализа металлов Металл 1.2. — URL: http://www.labspb.com/metal.html.

31. Программное обеспечение Видео-Тест-Метал // Руководство по эксплуатации, 2007. 35 с.

32. Лаборатория «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов», г. Санкт-Петербург.

33. Маир О.В. Разработка методов и алгоритмов контроля качества стали в металлографической лаборатории: Выпускная работа. ДонНТУ, 2008. 60 с.

34. Фарбер В.М., Архангельская А.А. Дифракционные методы анализа: Учеб. пособие. — Екатеринбург, 2004. 34 с.

35. СП 34-101-98. Выбор труб для магистральных нефтепроводов при строительстве и капитальном ремонте. Акционерная компания по транспорту нефти «Транснефть». Москва, 1998.

36. Задачу повышения надежности транспорта газа, я уверен, мы обязательно решим. URL: http://www.tgaza.narod.ru/arhiv06/3106/Lhtm.

37. Аварии на нефтепроводах. Немного фактов. URL: http://myecology.wordpress.com/2009/ll/20.

38. Повышение коррозионной стойкости сталей для труб тепловых сетей путем обеспечения чистоты по коррозионно-активным неметаллическим включениям // Тепловые сети. Современные решения: сб. материалов конференции 17-19 мая 2005 г. URL: http://www.ag-t.ru.

39. Семенова Е.С. Проблемы оценки качества металла, методы и объем контроля трубопроводной арматуры опасных производственных объектов. Техническое регулирование. // Actual Conferens. 2(65) 2010. С. 22-25.

40. РД 153-39.2-076-01. Инструкция по тёхническому расследованию причин аварий и повреждений магистральных нефтепродуктопроводов, учету аварий и повреждений и списанию безвозвратных потерь нефтепродуктов.

41. Тухбатуллин Ф.Г., Велиюлин И.И., Решетников А.Д., Тимофеев A.JI. / ООО «ВНИИГАЗ», Анализ эффективности диагностики при оптимизации.ремонта магистральных газопроводов, 23-27 апреля 2001 г, Хаммамет, Тунис.

42. Басиев К.Д., Бигулаев A.A., Кодзаев М.Ю. Механо-коррозионные процессы в грунтах и стресс-коррозия в магистральных газопроводах // «Вестник ВНЦ», 2005, №1.-с. 34

43. Фаизов Р.Б. Актуальность и экономические аспекты проблемы коррозии и защиты металлических сооружений // «Нефть, Газ. Промышленность», 2004, — №3(8). -с. 13-16.

44. Новости, «Бизнес-Новости Коми», 6 февраля 2004 г, Сыктывкар.

45. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2005 году.

46. Авария на газопроводе в Кузбассе произошла из-за производственного дефекта Ростехнадзор. - URL: http://www.tayga.info/news/2009.

47. Черкасов Н:В. Основная проблема поддержания достигнутого уровня безопасности трубопроводов — защита от коррозии линейной части; пути ее решения — в использовании нанотехнологий и новых материалов. —URL: http://www.poisk/poisk novyh resheniy/.

48. Бельченко Г.И., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали. К.: Техника, 1980. - 168 с.

49. Виноград М.И. Включения в стали и ее свойства. — М.: Металлургиздат, 1963.-252 с.

50. Ромашкин А.Н Влияние неметаллических включений на свойства стали. — URL: http://www.steelcast.ru/nonmetallicinclusions.

51. Сокол И. Я., Ульянин Е. А., Фельдгандлер Э. Г. Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас: Справ, изд. — М.: Металлургия, 1989. 400 с.

52. Завьялов В.В. Проблемы эксплуатационной надежности трубопроводов на поздней стадии разработки месторождений. М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2005. -322 с: .

53. Тюрин А. Г., Пышминцев И. Ю., Костицына И. В., Зубкова И. М. Термодинамика химической и электрохимической устойчивости коррозионно-активных неметаллических включений // Защита металлов. — 2007. Т. 43. — № 1. С. 39-49.

54. Brooksbank D., Andrews K.W. Stress fields around inclusions and their relation to mechanical-properties //JISI. 1972. V. 210. April. P. 246.253.

55. Родионова И. Г., Бакланова О. Н., Зайцев А. И. и др. К вопросу о составе и свойствах коррозионно-активных неметаллических включений в трубных сталях, механизмах влияния на коррозию. М.: Металлургиздат, 2005. С. 1536.

56. Дуб А.В. Оптимизация соотношения содержаний О, S и А1 в низкоуглеродистых сталях. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1986. 22 с.

57. Forchammer D. // Western Corrosion, 1969. 19. № 1.

58. Searson P. S., Latanision P. M. // Corrosion, 1967. V.30. -№ 1.

59. Stenward Y., Williams D. E. // Corrosion Science, 1993. V. 33. № 3. P. 457464.

60. Пышминцев И. Ю., Костицына И. В, Мананников Д. А. Влияние неметаллических включений на стойкость нефтепромысловых трубопроводов к локальной коррозии // Черная металлургия. 2010. - № 1. - С. 55-60.

61. Дуб А. В., Гошкодера С. В., Ефимов С. В. Исследование и управление неметаллическими включениями в низколегированной трубной стали // Черные металлы. Цветные металлы. Специальный выпуск. 2005. - №10 С. 30-35.

62. Andrews К. W. Stress fîelds around inclusions and their relation to mechanical properties // Л SI. 1972. V. 210. April. P. 246-253.

63. СТО Газпром 2-2.2-115-2007. Инструкция по сварке магистральных газопроводов с рабочим давлением до 9,8 МПа включительно. Москва. 2007.

64. ВСН 006-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов.

65. РД 153-006-02. Инструкция по технологии сварки при строительстве и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов.

66. РД 558-96. Руководящий документ по технологии сварки труб при производстве ремонтно-восстановительных работ на газопроводах Часть 1 и 2. (ВНИИГАЗ).

67. ПБ 03-273-99. Правила Госгортехнадзора России. Правила аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.10.02 №63).

68. РД* 03-495-02. Руководящий документ Госгортехнадзора России. Технологический регламент проведения аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 25.06.02 №36).

69. Гасик М.И., Игнатьев B.C., Каблуковский А.Ф., Хитрик С.И. Газы и примеси в ферросплавах. Изд-во «Металлургия», 1970. с. 152.

70. ГОСТ 14637-89. Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества.

71. Межгосударственный стандарт ГОСТ 8731-74. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Технические требования (утв. постановлением Госкомстата СССР от 19 ноября 1974 г. N 2560).

72. ГОСТ 10704-91 Межгосударственный стандарт. Трубы стальные электросварные прямошовные.

73. ГОСТ 20295-85. Трубы стальные сварные для магистральных газо- нефтепроводов. Технические условия.

74. Основы металлографии (с атласом микрофотографий). В 3 т. / Пер.с англ. Изд. М: Металлургия, 1972. — Т. 1: Металлография железа. 240 с.

75. Шахпазов Е.Х., Родионова И.Г., Зайцев А.И. Проблемы современного материаловедения стали и сплавов железа. Металлургия. Деловая слава России. AFES 2008. С. 118-121.

76. Савеня, A.A., Савеня С.Н. Пути снижения стресс-коррозионной повреждаемости действующих газопроводов. / Интернет-вестник ВолгГАСУ. Политематическая серия, 2007. Вып 2 (3). - URL: www.vestnik.vgasu.ru.

77. Kiessling R. Non-metallic inclusions in steel. Parts 1.3. London, 181 publication 115. 1968. Part 1-4, London, Metals Society, 1978.

78. Явойский В." И. Включения и газы в сталях / В. И. Явойский, С. А. Близню-ков, А. Ф. Вишкарев. М.: Металлургия, 1979. 272 с.

79. Белиенко Г. И., Губенко С. И. Неметаллические включения и качество стали. Киев: Техника, I960. - 168 с.

80. Кисслинг Р. В. Чистая сталь. // Сб. тр. второго международного симпозиума по чистовой стали. М., Металлургия, 1987. С. 9-18.

81. Штремель H.A. Сталь. // Металловедение и термическая обработка, металлов, 1980. - № 8. - С. 2-6.

82. Kozasu I., Sbimizy T., Kubota H. // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan (ISIJ). 1975. V. 13. -№ 1. P. 20-28.

83. Кодзасу И. Влияние сульфидных включений на-пластичность и вязкость конструкционных сталей // Тэцу то тагаяэ, 1975. Т. 61. - С. 78-101 / Пер: Цт 71529, ВЦП.

84. Баренцева З.В. Изучение влияния неметаллических включений на пластичность и разрушение металла. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1979.-120 с.

85. Fudriaori T., Tamamoto V., Okada T. // JISI of Japan, 1976. Y.62. № 4. - P. 265-280.

86. Spitazg W.A., Sober R.G. // Metallurgical Transactions, 1981. V.12A. № 2. -P. 281-291.

87. Одесский П. Д., Бернштейн M. JI. Применение в металловедении просвечивающей и растровой электронной микроскопии. / Сборник. МДНТП; — 1976. — С.56.

88. Wilson W.O., Heaslip L.J., Sommerville I. D. // Journal of Metals, 1985. V. 9. -P: 36.

89. Paul S.K., Chacrabatry A.X., Basu S. // Metallurgical Transactions, 1982. V. 13B.-P. 185.

90. Andrews K. W., Brooksbank D. // Transactions JISI, 1972. V. 210. - P. 765.

91. Shih T. Y., Arakl T. // Transactions JSIJ, 1973. V. 13. - P. 11.

92. Д. А. Дюдкин, C.E. Гринберг, C.H. Маринцев, А. В. Грабов, С. А. Мотрен-ко. // Труды 7-го конгресса сталеплавильщиков, г. Магнитогорск, 15-17 октября,-2002 г.-С. 490-493.

93. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б.Е. Патона. М., Машиностроение, 1974. - 450 с.

94. Шатило С.П., Емельянов A.B. Влияние сульфидов на механические свойства промысловых трубопроводов. // Сб. докл. всерос. с межд. участием НТК «Сварка и контроль-2004». ТЗ, с. 309.

95. Шатило С.П., Емельянов A.B. Методы снижения содержания водорода и повышение технологической прочности сварных трубопроводов. // Сб. докл. всерос. с межд. участием НТК «Сварка и контроль-2004». ТЗ, с. 312.

96. Худяков М.А., Муфтахов М.Х. и др. Влияние ликвационной полосы на распределение напряжений в стенке трубы. // Нефтегазовое дело, 2006. С. 112. www.ogbus.ru.

97. Корнфельд М. Упругость шпрочность жидкостей. — М.: ГИТТЛ, 1951. -200с. • •

98. Кнэпп В., Дейли Дж., Хэммит Ф.1 Кавитация. М.: Мир, 1974. - 678 с.

99. Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978.-280с. , , „I

100. Ковба Л.М., Трунов В.К. Рентгенофазовый анализ. Изд-ие второе допол. и перераб. Изд-во Московского ун-та, 1976. - 135 с.

101. Износостойкость и структура твердых наплавок / М.М. Хрущов и др.. -М.: Наука, 1971.-350 с.

102. Oliver W.C., Pharr G.M., An improved technique for determining hardness and elastic moduley using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992. - Vol. 7. -№ 6. - P. 12564-1583.

103. Скачков А.П., Пестренин B.M. Применение МДТТ в современном материаловедении (наноматериалы и нанотехнологии). — Пермь: Изд-во Перм. унта, 2007. 60 с.

104. РД 25.160.00-КТН-011-10 Сварка при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов. ОАО «АК «ТРАНСНЕФТЬ». 2009г. 219с.

105. Ольшанская Т.В. Неметаллические включения в околошовной зоне сварных соединений низколегированных сталей. // 6-ая Всероссийскаяначн.технич. конф. «Сварка. Контроль. Реновация»: Сб. докл. Уфа, 2007. с. 32-35.

106. Гольдштейн М.И., Грачев C.B. Специальные стали: Учебник для ВУЗов/ М.: Металлургия, 1985, 408 с.

107. Новожилов Н.М., Соколова A.M. Количество и состав сульфидных включений в металле швов при дуговой сварке. //Сварочное производство, 1963. -№3. - с. 12-15.

108. Дуб A.B. Неметаллические включения в низколегированной трубной стали. // Металлург. 2003. - №4. с. 67-73.

109. Ольшанская Т.В., Язовских В.М., Рудакова O.A., Шарапова Д.А. Изменение морфологии неметаллических включений в сварных соединениях низколегированных сталей. // Наука и производство Урала: Межрегион, сб. науч. тр. — Новотроцк, НФ МИСиС, 2007. с 3-5.

110. Муфтахов М.А. Повышение безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов с дефектом типа ликвационной полосы: Автореферат канд. техн. наук. Уфа, 2006. - 24 с.

111. Головин С.А., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. М., Металлургия , 1980. - 239с.

112. Усталость и вязкость разрушения металлов. Под ред. Ивановой B.C. М.: Наука, 1974. - 260с.

113. Школьник JIM. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978.-213 с.

114. В.Т. Трощенко, Л.А.Сосновский. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987 г. - 43 с.

115. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Кив: Наукова думка, 1975. - 702 с.

116. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976. — 454 с.

117. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. 4.2. — М.: Машиностроение, 1974.-365 с.

118. ГОСТ 25.502-79 «Метод усталостных испытаний металлов».

119. Куркин C.A. Ховов B.M. Аксенов Ю.Н., Касаткин О.Г. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций. // Уч. пособие для вузов. М.: Изд.МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 464 с.

120. Кривоносова Е. А. Модифицирование и формирование структуры металла сварных швов низкоуглеродистых сталей: Диссертация . доктора технических наук: Пермь, 2005. — 266 с.

121. Рост и торможение усталостных трещин в зоне термического влияния сварных соединений стали 4140.Fatigue crack growth and retardation in the welded HAZ of4140 steel / Lim J. K., Stephens R. I. // Weld. J. 1990, -№ 8.-C. 294-304.

122. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиз-дат, 1963.-272 с.

123. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. — М.: Наука, 1985. 504 с.

124. Лариков Л.Н., Рябов В.Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. — М.: Машиностроение, 1975. 192 с.

125. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. М.: Наука, 1970.-544 с.

126. Султанов М.Х. Система обеспечения надежности магистральных нефте-продуктопроводов при снижении несущей способности линейной части.: Диссертация д-ра техн. наук. Уфа, 2005. - 309 с.г