автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка основ прогнозирования работоспособности сварных трубопроводов из феррито-перлитных сталей с учетом условий эксплуатации

Р Г 6 од

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕШЯ К2ВД1 п ГАЗА имени И.М.ГУБКИНА

* * { т ^ [ | . ^ ^ _

На правах рукописи

ЗОРИН Евгений Евгеньевич

УДК 621.791.052:539.4

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ФЕРВГГО-ЖРШНЫХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.03.06 - Технология и ыапшны сварочного

производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993г.

Работ наполнена в Государственной Акадеиш нефти и газа 'имени И.Ы.Губкина

Научный консультант - доктор гехшгческах наук, профессор

СТЕК10В О.И.

0|кщгашыз еппокеиги: доктор технических наук, профессор

■пттаттт тт с

- доктор технических наук, профессор ЩЩРОВ Э.Л.

- доктор технических паук, профессор ШШВ В.Т.

Ведущее предприятие: ОРПЕЭДМГЮСШЙ.

Зацита состойся " 29 " коня " 1993г. в ауд. 202 в 15^ часов на заседают специализированного Совета Д.053.27.13 в ыосеовсел! Государственной Академии иефти и газа им.в.м.Губкгата по одросу: 11791?, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

Вали сгзшл к замечания по автореферату, заворошат почать просим .направлять по указанному адрзеу.

С диссертацией ыогио ознакошгься в библиотеке института.

9Н-

Дата расоши пая Д993г.

Е.о. ученого секретаря специализированного Совета д.т.н., профессор

/у

А.Н.Хакиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Трубопроводный транспорт является одним из самых экономичных опособов передачи жидких и газообразных продуктов на дальние расстояния. Несмотря на кажущуюся простоту, оболочковые конструкции, к которым относятся и трубопроводы, испытывают в процессе эксплуатация всю гамму видов нагружения, воздействие всох типов коррозионноактивных сред в широком диапазоне положительных и отрицательных (до -€0°С) температур.

Газонафтепроводы представляют собой исключительно металлоемкие конструкции,на изготовление н ремонт которых расходуется 2...3 млн. тонн отали в год. Основной объем представлен сварными конструкциями из сталей фэррито-перлитного класса низкой и средней прочности.

Трубопроводные сиотемы относятся к конструкциям, расчетный срок эксплуатации которых определяется десятилетиями, что предъявляет высокие требования к надежности. Каадое аварийное разрушим продуктопрозода, кроме больших материальных затрат,несет за собой экологические катаклизмы.

Актуальности проблемы. Из динамики разрушения трубопроводных систем нефтегазодобывающего комплекса видно, что после 12... ...15 дет эксплуатации начинается устойчивый роот потока отказов. Причем, более чом в 4 раза увеличилось число разрушений в зоне концентраторов напряжений типа сварной шов. Анализ показал отсутствие дефектов технологии изготовления сварных швов и коррозион-но-механичэских разрушений. В таких случаях модно говорить об "усталости" металла в зоне концентраторов напряжений при данных условиях эксплуатации. Разрыхление металла онизило его трищино-стойкость и создало условия для формирования и развития магистральной трещины.

Возможность регистрировать деградацию материала в локальных объемах в процессе эксплуатации конструкции и связывать с параметрами' сопротивляемости разрушению (особенно для сварных узлов введу термодеформационного воздействия процесса сварки на металл), позволила бы обосновать сроки профилактических осмотров, ремонтов и снизить поток аварийных отказов. Исследованию рассеянного усталостного поврездения посвящено большое количество работ. Трудно назвать какой-либо физический метод оценки структуры металлов, который бы на обосновывался на изучении усталостного повреждения на стадии зарождения магистральной трещины. Однако нельзя

утверждать, -что эти методы дали возможность разработать систему инженерной экспресс-диагностики сварных конструкций, позволяющую надежно прогнозировать на оонове измерений характеристик отруктурного состояния металлов степень исчерпания долговечности конструкцией.

Де^ью работы явилось: на основе предложенного механизма формирования и развития повреждаемости (малых трещин) для двухфазных систем в поле напряжений П рода, разработать методы и средства диагностики сварных конструкций из феррито-дерлитных сталей с учетом условий эксплуатации.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- предложить механистическую модель формирования и развития повревденвосги (малых трещин) в поле напряжений П рода на примере двухфазных сталей}

- установить связь кэзду фдзико-ыэханичесними характеристиками элементов структуры и параметрами разрушения фаррито-пер-литных сталей и их сварных соединений;

- установить особенности зарождения и развития разрушения

в плакированных аустенитними сплавами оболочковых сварных конструкциях из феррнто-перлигных сталей;

- предложить метода и средства диагностики состояния металла конструкций с учетом условий эксплуатации на примере сварных трубопроводов.

Методы исследования, применяемые в данной работе, включают в себя измерения остаточных сварочных напряжений и деформаций в натурных сварных узлах и образцах методом тензометрирования; определение порогового коэффициента..интенсивности.,напряжений К-^ на модельных образцах методом теневых фигур по Маноггу; повторно-статические и низкочастотные испытания сварных узлов и крупногабаритных образцов с острыми поверхностными концентраторами напряжений при различных отрицательных температурах климатического диапазона (до -60°С); статические испытания образцов в среде ЖАСЕ; замеры микротвердости при различных температурах; методы математико-статиетичэското моделирования; результаты обрабатывались методами математической статистики.

Научная новизнд работы заключается в установлении ведущего механизма протекания локальных упруго-пластических деформаций в двухфазных объемах, т.е. формирования параметров петли пласти-

чсского гистерезиса и влияния на них разности фиоико-иехолнчес- ' шк характеристик элементов деформируемой системы. Процессы локального пластического деформирования в поле напрязитй II рода для двухфазных сталей определяет инкубационный период формирования каглстрялыюЯ трещины и характер ее дальнейшего развития — модель объешой схеш формирования и развития поврездепности. Разница з фнзшсо-механичэеких характеристиках слоев металла 1Мо) перед фронтом разливающейся полуоллиптической трещины в поле напряжений I рода контролирует ее коэффициент форад ^(где ё -глубина» 2С - ширина трещины) и величину коэффициента интенсивности папрггеиий (КЙН) и концах г,алой оси — модель линейной схема развития магистральной трещины. ГЬеЕыяение показателя твердости воетчапй т 29...32$ над показателями твердости матрицы з образцах т:нта двойной консольной балки (ДНЕ) приводило к сла-псшэ порогового НИН К^ почти в 4 раза. Повышение твердости на-углерогспных слсоз аустенитной наплавки на 70...90% и сварном узле кз платсирогшшой стали 22К + Сб08Х19Н10Г2Б толщиной 25:гл (сталь 22К - ?.С:т), при развитии разрушения от поверхностного концентратора иапрязени/1 в ауаепитпен слое, снизало циклическую долговечность на воздухо почти в 2 раза.

Для феррито-перлитннх сталей и их СЕаршх соединений установлено наличие низкотемпературного интервала хрупкости (Н-ТИХ), характеризуемого резким повышением микротвердости одной из составляющих (перлитной) над другой (ферритиой) обусловленной еа сбъшщи деформированием з этом диапазоне температур из-за ош-реващей низкотемпературной уездки. При прохозденки этого интервала в сторону снижения или товшения температуры яикротр^рдость перлитной составляющей падает и соотношение иезду тзердостяки ферритной и перлитной составляющими сохраняется во всен диапазоне климатических температур (до -60°С).

Показано, что в Н-ГЙХ сопротивляемость разрусеюш сталей данного, структурного класса и их сварных соединений падает. Для стали 09Г2С критический размер трещины уменьшается почти 1 405», скорость подрастания усталостной трещины увеличивается в 2,0... 2,2 раза, для стали Юсп на 7...9 и 27...33Я соответственно. После прохождения Н-ТИХ в сторону погашения или повшекня температур сопротивляемость разрушении востанавливается и дальнейшв изменения характеристик трещшюстойкости от температуры проходят по известным закономерностям.

Установлено, что при эксплуатации сталей феррито-перлитного класса в водородосодержащих средах и возможности периодически проходить через Н-ТИХ в область положительных температур, меняется механизм разрушения от вязкого и квазихрупкого к хрупкому, т.к. при востановлении диффузионной подвижности водорода в элементах структуры, объемно деформированных в Н-ТЙХ, реализуется принцип суперпозиций выраженный в увеличении на порядки гшот-ности дислокаций по сравнению с дислокационной плотностью элементарных объемов сталей данного структурного класса не деформированных в Н-ТИХ. Причем, степень перехода от одного механизма разрушения к другому зависит от количества термоциклов. При разрушении на воздухе образцов из стали 20 посла 720 часов водерж-

в среде /УАСЕ при нагрузке 0,9^ и наложении тершциклировашя в климатическом диапазоне температур l-»I6°Ct5-50oC ) зяачешшСэ^ падали на 30...39^, бт на 27...36J«, С?5 в 2,4..."2,8 раза, Y 53 4,0...4,3 раза по сравнению с образцами, ввдерааншш в среде /VАСЕ без наложения гермоциклировашя.

Для ферриго-перлитных сталей плакированных аустенитншп спла вами и их сварных соединений показано, что развитие диффузионных процессов в зоне сплавления сталей различных структурных классов увеличивает ширину замкнутой петли пластического гистерезиса для данных объемов Us в поле напряжений I рода при переменном на-гружешш, т.е. возрастает пластическая деформация за цикл. Это снижает инкубационный период зарождения разрушения в Me зоны сплавления; падает усилие оцепления слоев; при развитии поверхностной трещины, особенно от концентратора напряжений в плакирующем слое, проявляется эффект "туннелирования", т.е. преимущественного продвижения фронта трещины по Me разделительной зоны.

Практическая ценность работы. Разработаны методики и оборудование, позволяющие оценить работоспособность сварных узлов при различных температурах на воздухе и в коррозионноактивных средах; провести ранжировку материалов и технологий изготовления конструкций, эксплуатируемых в районах с низкими климатическими температурами, ускорить и повысить их достоверность. Методики и оборудование защищены тремя авторскими свидетельствами. В частности, обоснована замена цельнотянутых труб 0 57мм из стали типа 09Г2С импортной поставки на длиномерные прямошовные трубы 0 57ш из стали Юсп. (длина трубы в катушке 800 метров) для метанолоп-роводов в районах Крайнего Севера.

Црадткон ко год оценки гатесгаа биметаллов на осново определения усилия обрыва слоев н стзпзшг развитая диффузионных процес-соз в зоно ошишланяя сгалвй различного отрукгурного класса. Разработана технология снлнеиия остаточных сварочных напряжений в монтажшх стшшх трубопроводов с толщиной отэшш более 36 мм из би-о'хпялов форрито-пергашю-аустенитного класса к.тасто ранее при-копяомото высокого отпуска.

Розультаты работы положены в основу технологии изготовления аппаратоэ о толщиной отошел до 50 км из разработанного высокопрочного биметалла 15Р2С^-08И8Н10Т (12Н8Н10Т), обладавшего баявшей даштаяьной прочностью при температурах эксплуатации до 450°С и позволившего значительно снизить металлоемкость конструкций.

Разработан метод и оборудование экопросо-даагностшш сварных узлоэ нз фэррито-порлитных отелей на базе процооса шшровдавлшза-1шя. Замор мшфотвардооти ведется на поверхности конструкции в зонах конструктивных и технологических концентраторов напряжений рэзработанпнм порэносшш мпкротвордомэром. Регистрируется рэз-нооть иодцу эцачэнпяг.а обработанного иасоива замеров мпкротвор-дооез для кэмлла данного объекта в процессе его эксплуатации и эталонного образца из той ей стали. Для эталона формируется баше дапшх, в который включаются характеристики работоспособности при различные условиях нагрукения п эксплуатации.

ВшэЕэрочксяовша методики, оборудование, технологические роиэнзя, метод и оборудование экспресс-диагностики внедрены па предприятиях аго.-^'аша, судпрома, згалаиа, нефтс-маса, на нофта-гасодойшаюпщх комплексах и дали экономический аффект 3200 тнс. рубдэй в ценах до 1392 года.

Овнотнио .поло^идся...врпостт>юэ »а заттату.

1. Модель процессов локального пластического дефор?я$рова-гп:я р поле напряжений 31 рода для феррято-перяитши сталей и их евзранх соединений с учетом условий эксплуатации - объемная схо-ма формирования и развития поврездеиностн.

Модель развития полуэллиптической поверхностной трег^к и в поле напряжений I рода для сталей имеющих выраженный градиент изменений физико-механических характеристик слоев в направлении толщины - линейная схема развития магистральной трещины.

2. Метод экспресс-диагностики сварных конструкций из двухфазных сталей и теоретическое обоснование использования в качестве инструмента диагностирования процесса микровдавливания.

3. Физическое обоснование низкотемпературного интервала хрупкости для ферриго-перлитншс сталей в климатическом диапазоне температур (до -60°С) и механизма водородной хрупкости сталей данного структурного класса при возможности периодически проходить через Н-ТЙХ в область положительных температур при эксплуатации в водородоеодердащих средах.

4. Методология повышения достоверности оценки коррозионио-механических характеристик материалов и свар1шх соединений при прогнозировании работоспособности конструкций нефтегазодобывающего комплекса.

5. Модель зарождения и развития коррозионно-механического разрушения в феррито-перлигшос сталях плакированных аустенитш-ил коррозионносгойкими с плавки и их сварных соединениях.

6. Методика выбора и ранжировки материалов и технологий изготовления сварных конструкций для районов с низкими кяиыатичвс-К1ши температурами.

Дттробаготя паботн. По теме диссертации опубликовано 62 работы, в том тесло получено 7 авторских свидотелъохв на изобретения. Под руководством автора защищено 4 кандидатские диссертации. Наиболее вааныа аологашя работы докладывались: на научко-тэхшгческга: со-шшарах Минэнергосгроя (Москва, 1979 г.), ЩЖШаш (Москва, 1980г.; научно-тахшчэских ковфэровдщк "Повшешэ качества и эф£окиш-нооти сварочного производства на предприятиях г. Москвы" (1982, 1904, 1988 и 1991 гг.); Всесоюзных научно-технических совещаниях "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" (Сумы, 1982 и 1986 гг.); научно-црак-игаэском семинаре "Проблема коррозии сплавов и их сварннх соединений" (ИЭС, Киев, 1991 г.); УШ региональной научно-технической конференции "Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири" (Новый Уренгой, 1991 г.); на 2-й Международной конференции "Контроль качества трубопроводов" (Москва, 1991 г.); на международной деловой встрече "Турбодиагностика-92" (Ялта, 1992г.); на 1-м конгрессе ВАКОР "Защдта-92" (Москва, сентябрь, 1992 г.); на расширенном семинаре кафодры "Сварка и защита от коррозии" Государственной Академик нефти и газа им. И.М.Губкина" (Москва, 1993 г.).

Структура- и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии, приложения, содержит 227

страниц машинописного текста, 97 рисунков, J2 таблиц, cmr- ■ сок литературы из 274 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Эр введении обоснована актуальность выбранной теш диссертационной работы, сформулированы ее цель и положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы.

Главд I. Состояние вопроса и подход к решению задачи.

На основании анализа условий эксплуатации трубопроводных енотом и конструкций оболочкового типа в нефтегазодобывающем и порэрабатывающегл комплексах, а такае случаев разрушения,показано, что проблема прогнозирования ресурса сварных конструкций из столой орадаой и низкой прочности феррито-перлитного класса встает з ряд первоочередных, от решения которых зависит сохранение я шарощшзашо объемов добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья.

Крупнейшие отраслевые институты ВШМГаз, ВНИИСТ, ЦНЖШаш пцрогсо занимаются повышением надежности трубопроводннх спетом и оболочковых конструкций, но основной объем работ направлен на совершенствование расчетных методов проектирования, повышение качества применяемых материалов, технологий, предупреядониа протяженных разрушений, развитие средств неразрутяаюцего контроля. Значительно меньше работ связано с диагностикой и прогнозированием момента наступления предельного состояния сварной оболочковой конструкции в процессе эксплуатации.

Существующие методы расчета оболочковых конструкций и оценки долговечности при нестационарном нагругении, базирующи ая на критериях линейной шханики разрушений (J3MP), не позволяют, достаточно часто дата с штекерной точностью, прогнозировать момент наступления предельного состояния. К тому имеется целый ряд объективных причин: материал реальной конструкции в процессе технологического цакла подвергается тормомехашгчоско;лу воздействие в широком диапазоне, а учесть и полностью проконтролировать эти воздействие невозможно; сталь в рамках одного марочного состава, молот иметь существенные различия в физико-механических характеристиках; сложно оценить все негативные факторы, возникающие в процессе эксплуатации конструкции, которые влияют на сопротивляемость разрушению; для пластичных материалов часто нельзя найти условия страгиваняя трещин в реальных конструкциях в соответствии

с критериями ЛИР и т.д. В связ1 з этик возникают три направления решения задачи: I) разработка методики косвенного определения характеристик трещиносгойкости по гиду ЛМР; 2) используя характеристики трещиностойкости и подходы ЛМР, определить условия роста трещин в пластичных Ме типа ферриго-лерлитных сталей, минуя критерии ЛМР; 3) разработка адекватных моделей формирования, роста трещин и определение характеристик трещиностойкости пластичных материалов. В настоящей работе развиваются 2-ое и 3-е направления. _

Реальным материалам присуща совокупность характерных линейных масштабов, связанных с различными уровнями их структуры, микро- и манротекстуры. Вопрос о необходимости учета структуры материалов при описании процессов деформирования и разрушения относится к числу основных в механике разрушений. Это подчеркивается в работах Г.И.Баренблатта, В.М.Ентова, В.З.Новодилова, Дя.Р. Ирвина.

Техническая диагностика сварных конструкций из сталой низкой и средней прочности при циклическом нагрукеншх, долшш представлять процесс регистрации степени накошенной поврездешюсти в диагностируемом объеме металла с выходом на текущие характеристики трещиностойкости.

Поврелщешость монет быть представлена в виде любого несовершенства строения Ме, дефекта, инородного включения шш нарушения сплошности в контролируемом объеме.

При любом виде переменного нагрудащщ в материале регистрируется петля пластического гистерезиса в координатах напряжение - деформация и процесс циклической ползучести. Наличие пов-реаденности смодулирует процессы шшстнчзской деформации в локальных объемах Мэ и приводит к росту парааетроз замкнутой даг-ли пластического гистерезиса, площадь которой равна энергии, рассеянной в материале, а ширина - неупругой деформации за цикл. В свою очередь, развитие локальной пластической деформации приводят к увелачониа плотности повреждений в единичном объема Мэ. Суммарную повредденность (П^: ) условно модно разбить на 2 уролт. - наследственную плотность поврааденыости (Пц1), обусловленную качеством Ш и приобретенную плотность повравденности (Пэ^), как функцию от наследственной повреаденности, технологии передела при изготовлении конструкции и дальнейших условий эксплуатации. Алгоритм формирования повреаденности приведен на рио. I.

Естественно, что 1-й уровень повреаденности будет контролировать интенсивность нарастания повреаденности 2-го уровня.

Рио. I. Схема формирования ловревденности

Пг - суммарная псврезденность; П* - наследственная поврезденность Ме; - поврезденность, возникающая в процессе эксплуатации; 11_ - повреаденность, возни-кащая при изготовлении конструкции; Г„,о ,/? , К -рванин нагружения и параметры условий эксплуатации

Разрыхление металла снижает его тревдностойкость,и наступит ие:.:онт, когда наличие К <о для некоторого объема Ме в конструкции окаг.этся эквивалентно превышении для. одной из микротрещин этого объема значения (порогового КИЮ, т.е. начинается ста-

бпяьнов развитие магистральной трещшш. Под магистральной трещи-пой, в этом случав, подразумевается трещина, которая при заданий условиях нагругешя развивается с большей скоростью, чем остальные трещины, и является причиной окончательного разрушения.

Исследованию рассеянного усталостного повреждения посзящэно болзг-'сэ количество работ. Трудно назвать какой-либо физический глэтод исследования структуры металлов, который бы не обосновывался па исследованиях усталостного повревдения на стадии зародда-ппя магистральной трещины. Однако нельзя утверздать, что эти метода дали возможность разработать систему инженерной экспрэсс-дцагкостики, позволяющую надекно прогнозировать на основе измэ-рэшй гэрантэрлстпк структурного состояния Мэ степень псчорпакпя его нзсуцой способности и, как следствие, долговечность конструкции. Зто потребовало для создания основ ииьзшрного метода зкс-прэсс диагностики разработать механистическую модель формцровя-еия дефектов определенной протяженности на стадии зарождения магистральной трещины на примерз двухфазных сталей фэррито-пе^лит-ного класса.

Согласно классификации В.Н.Болотина, наибольший ¡шторас могут представлять дефекты 7...10 классов, т.е. протязенносгьэ КГ5... М-"4 м соизмеримые с размерами элементов структуры.

Несмотря на большие достинегая в области описания развития трещин о использованием критериев механики разрушения, отсутствует возможность описать весь процесс развития магистральной

трещины о единых позиций. Это объясняется тем, что критерии МР применимы при достаточно больших размерах трещины (в поле напря-нвний I рода) - т.е. в десятки раз превышающих размеры структурных составляющих металлов.

Учитывая все вышеизложенное и были сформулированы цоль и задачи работы.

Глава 2. Основные теоретические положения для разработки

методов и средств прогнозирования работоспособности

конструкций из двухфазных сталей

В основу механистической модели накопления повредденности в материале,была полокена гипотеза о том, что параметры пластической петли гистерезиса, т.е. интенсивность протекания процессов локального пластического деформирования, контролируются разностьа физико-механических характеристик элементов деформируемой системы и определяют инкубационный период формирования магистральной трещины.

Исходя из схемы хрупкого разрушения, предложенной А.Ф.Иоффз ж развитой для квазихрункого и вязкого разрушения Н.Н.Давидэнко и Я.Б.Фридыаком, условия нагрукения материала могут быть описаны коэффициентом жесткости напряженного состояния ^ = , где б" и нормальные и касательные спряжения соответственно. Значения О, тем больше, чем вшдэ степень объемности напряженного состояния.

Свойства Ма могут быть описаны отношениями 2. I

$ "^отр^срез' где ^отр ~ сопротивляемость материала отрыву; Гг = 6"г/2. Комбинации неравенств коэффициентов ^ , 3 и $ определяют ведущий шханизм разрушения в деформируемом объема.

Разрушения отрывом при & £ 0Тр предшествует пластическая деформация металла, приводящая к возникновению субглшротпофш в зернах металла. Рассматривая £0Тр как напрякзшш, приводящее к объединению зтах трещин, условие возшпшоззшш хрупкого разрушения в элементарном объеме металла мокно определить в виде двух неравенств:

При вязком разрушении материала более удобно и физически более правильно использовать деформационный критерий разрушения.

Как показ.ано в работах Я.А.Копельмана, для сталей ферритно-го и феррито-перлитного классов В отр не зависит от температуры испытания, а является функцией размера зерна.

Следовательно, процосс формирования и развития микратревдн ' з поло напряжений П рода, является стадией развития магистральной трещины в поле напряжений I рода для реальной конструкция.

Для подтверждения полоконлй предложенной модели были проведены следующие модельные эксперименты.

Порвый постулат-о влиянии разницы физико-механических хпрак-тэристик элементов деформируемой системы на параметры патли пластического гистерезиса.

В образец, подвергаемый упруго-пластическому деформированию (рис. 2), методом высокотемпературной печной пайки, внедрялись конусные вставки из шднохо сплава МЗ, стали ВСтЗсп, Ст45 и СтбО. Образец - матрица изготавливается из стали ВСтЗсп а в нем создавали напрягояяя растяжения равше 1,12 6г • По нанесенной сетка рзпорных линий,с помощью инструментального микроскопа,определяй величину деформаций по осям X и У в зависимости от материала вставки.

Используя соотношение Рамберга-Ссгуда при обработке цолной диаграммы растяншшя образцов из стали ВСтЗсп [£ = + + 3/7 (во^171 ] 11 рэивния Кейбара для нелинейного закона, связывающего напряжения п деформации, были получаны эгтары б" по осям ОС и у для всех 4 видов вставок (рис.2).

Наличие впаянной вставки уг.о определяет уровень коэффициентов концентрации и /(& , но снижение ее прочностных характеристик приводит к уменьшение коэффициентов концентрации /Гб" и К & (медный сплав МЗ), а увеличение бV металла вставки к росту коэффициентов концентрации Л6 и /Те (сталь 60).

Второй постулат гипотезы-о контроле разности фязико-г'ехапи-чэских характеристик элементов деформируемой систем за параметрами трещиностойкости проверялся на полимерных образцах типа ДКБ из эпоксидной смолы аралдин В с введением в массу крошки полимеров различной твердости в объеме 27...28$. Изготавливались образца с фракцией на 12, 17, 24 и 32$ более твердой, чем у матрицы.

Для определения КШ, при котором произойдет остановка трещины, использовали метод теневых фигур по Маноггу. По диаметру каустик на экране определяли значения КИН (/(/^ ) при котором произошла остановка трещины. Диаметр каустики фиксировали с помощью масштабной сетки на экране и скоростной киносъемки. Значения подсчитывали по выражении: __

О, с

14

А - А

£\М/7а

I

п

0?, №

2 4 6 8

Р ¡/материал вставки б>, МПа 6<?, МПа

I ИЗ 70 -

2 ВСт.Зсп 270 400

3 Ст. 45 370 610

4 Ст. 60 420 690

Рис, 2, Распределение деформаций я напряжений в районе

цилиндрической вставки пз материала различной прочности:

индексы 1,2,3,4 соответственно медной сплав МЗ, сталь

БСт.Зсп, сталь 45, сталь 60, материал образца сталь ВСт.Зсп. вагружение образца создает напряжения I,12 £

гдо /(гф - ИШ для трещал тала I; Х> - дяамэтр каустики; /-0)¿ - чисдоншй коэффициент для кауотпк; С - конотакта фото-упрутоотц; ¿/ - толщена образца ДКВ; В0 - расстояние нэзду образцом п ¡экраном.

Значения л,г д. , при которых произошла остановка трецтши в образцах ДКБ с фракциями различной твердости, могено иначе ип-хараротпрозать для кощрэгного образца с хрощшюй как зиачэшга порогового кооф&ящопта /Г //, . Результата приведены па рнс»3.

Как видно из графика, уволичешо твордости фракция па 32$, з сравнении о твердости матрицы, привело к сшшшга ИИ почти в 4 раза.

Результаты ояспоримзитов подтвордали оба постулата моханло-тачзокой модели: разница в фпзтсо-кэханзпоокюс характеристиках элементов деформируемой система определяет паракэтры по тли шшс-тчоокого_гисгэр9знса и характеристики треиотосгой-сосги.

О 5 10 1 5 20 25 - 30 Л,/о Рис.3. Значения Кг® для образцов ДКБ в зависимости от твердости фракции; <Р - объем крупнодисперсной фракции в Д - разница в твердости мелду включениями и матрицей в %.

Глава 3. Коррозиокно-мехашиэскиэ характеристики феррито-перлитиых сталей и их сварных соединений при отрицательных тешературах климатического диапазона.

Подтверждение основных постулатов механистической модели за-рогздения и развития разрушения в поле напряжений П рода' для двухфазных сталей, позволило по гноаду посмотреть на целый ряд разрушений сварных оболочковых конструкций, особенно из стали 09Г2С отечественной и импортной поставок, в районах Сибири и Крайнего

Исследования широкой группы трубных сталей феррито-порлит-ного класса (сталь 20, сталь Юсп, 09Г2С, ЮГ2С1 и др.) по определению микротвердости элементов структуры при различных отрицательных температурах климатического диапазона (до -50°С), позволили установить наличие для всех исследуемых сталей узкого диапазона температур (до Ю°С), в котором перлитная составляющая резко увеличивает твердость (рис. 4)к.

После прохождения этого диапазона в сторону повышения или пошввдшя температуры твердость перлитной составляицой падает и соотношение между твордостяыи фэрригной и перлитной состовлящимл сохраняете^ во всем исследованном диапазоне отрицательных температур.

Этог интервал отрицательных температур был нами назван низко, температурным интервалом хрупкости (Н-ИК) феррито-перлитшх сталей. Как видно из рис. 4, для исследованной грушш сталой,температура Н-ТИХ и степень расхождения в значениях микротвердости фер-ритной и перлитной составляющих различат. Самая высокая разность у стали 0ЭГ2С, самая низкая у стали Юсп.

Учитывая, что в процессе строзиелыю-монталшых работ и эксплуатации (при сезонной подвхшй грунтов) трубопровода могут получать значительный уровень пластических деформаций (например, на технологических трубопроводах при укладке их в трассу, появлении "арок", фиксировалась пластическая деформация стенки трубы в до 12%), сталь 09Г2С, как основную для районов с низкими климатическими температурами, проверяли на трециностойкость после различного уровня пластических деформаций.

й Замер микротвердости при отрицательных температурах проводился совместно с В.А.Косивчекко.

+20

-40 £'/>+20 0

-40 £

Рис. 4. МикротЕердость элементов структуры при различных температурах»* -о— феррит; -о- - перлит.

Испытывались полномасштабные сварные образцы, выполненные ручной электродуговой .сваркой (ЭДС), контактной сваркой и высокотемпературной пайкой. Циклическое нагружение растяжением вели в режиме: бшх = 0,95б"т, H = 0,5, частота 120 цикл/мин. Образец при испытании доводился до разрушения. Сварные образцы получали предварительную пластическую деформацию 2,0 и 6,0%, сравнение вели по образцам без пластической деформации. Наличие предварительной пластической деформации на уровне 6,0$ снизило циклическую долговечность всех сварных образцов в 2,0...2,5 раза. Это свидетельствует о высокой чувствительности стали 09Г2С и ее сварных соединений к уровню пластических деформаций, сравнительно низкому для данного класса сталей.

Из рис. 4 видно, что исследованные стали имеют различный Н-ТИХ и для отдельной стали он будет дрейфовать в зависимости от степени легирования и соотношения легирующих элементов, методов раскисления, технологии получения проката и т.д. Так как определение Н-ГИХ для кавдого конкретного случая весьма трудоемко, то была предложена методика термоцшишрования в процессе испытаний, т.е. температура непрерывно меняется в широком диапазоне п материал при нагрукении обязательно проходит через свой Н-ТИХ. Такой вид охлаждения позволяет существенно повысить достоверность испытаний.

Определение параметров циклической трзащностойкости сталей Men и 0912С воли при фиксированных температурах +20; -10; -20] -30 и -40°С на крупногабаритных образцах о поверхностным троцщно-подобным концентратором напряжений. Рокпш нагруженпя: f)n¡ax~ « 0,8 6"т, S в 0,5, частота нагружеиия 120 цикл/мин. Для определения скорости развития усталостной трещины от поверхностного концентратора напряжений использовали метод "мзток". Образец при испытании доводился до разрушения. Бначэшш текущего КШ,в вершине развивающейся поверхностной трещиныi определяли по выражению: к = 6WТ*/У , где б" - напряжение в брутто сечении; ê - глубина трещины; M - поправочный коэффициент, зависящий от формы н глубины поверхностной трещины. Результаты приведет на рио. 5.

Скорости развития поверхностных трещин в сталях 09Г2С и Юсп при температурах +20; -10 и -20°С практически одинаковы; в Н-ТИХ стали Юоп (в районе -30°С) скорость развития усталостной трещины на 30...40? выше, чем у стали 09Г2С в этом температурном интервале; в Н—ТИХ стали 09I2C (в районе -40°С) трещина развивается

со скоростью на порядок более высокой, пом в стали ICcn при тем- 1 порагуре -40°С.

+20 О -10 -20 -30 -40 ГаС

Рис. 5. Скорость развития усталостной трещины от ' поверхностного концентратора напряжений при различных фиксированных температурах в крупногабаритных образцах

ЕЭйЗ - КИН в вершине развивающейся трещины;

О - сталь 09Г2С; о - сталь Юсп

Для проведения натурных испытаний труб был спроектирован и построен стозд, дозволяющий проводить циклическое нагрукэние внутренним гидравлическим давлеш1ем трубы длиной 1500 им, диамат-ром до 320 мм при фиксированных отрицательных температура.- и налагали термоциклирования.

Испытнвались трубы 0 57x4,7 мм из стали типа 09Г2С импортной поставки о кольцевым швом, выполненным РДС и трубы из стали lOort 0 57x3,7 мм с кольцевым швом, выполненным РДС по разработанной технологии. Трубы из стали Юсп 0 57x3,7 мм предложено использовать для метанолопроводов вместо штучных труб из стали 09Г2С 0 57x4,7 мм импортной поставки. Трубы из стали Юсп поставляются з рулонированном виде (длина рулона 850 метров, диаметр барабана намотки 2,2 мэтра). Укладка в трассу идет сразу с размоткой барабана.

В стенках труб создавался внутренним давлением уровень б/»ах = 0,95 б"т, Я= 0,5, частота нагружения 12 цикл/глин. На

труби,фразой толщиной 0,25 ш,н осиди с двух сторон от кольцевого шва поверхностные концентраторы напряжений вдоль оси трубы. Протяженность концентраторов 20 ш, глубина 20...25$ от толщины стенки. В процессе испытания фиксировали число циклов до разрушения, скорость развития усталостной трещины (метод "меток") и критический размер трещины. Исследования вели при фиксированных температурах +20; -20; -30 и -40°С. Результаты приведет на рис.Б.

I

3,5 -3,0 -2,5 -2,0 . 1,5.

1,00,5 -

Рис. Б. Даиамэтры грещиностойкости трубных узлов из стали типа 09Г2СТ и рулонированвых труб из стали Юсп, нагругенных внутренним переменным давлением при различных фиксированных температурах: ¿а - критический размер поверхностной трещины; V - скорость развития поверхностной усталостной трещины; и Д--сталь 09Г2С; -он о- - сталь Юсп

В Н-ТИХ у стали 09Г2С критический размер трзгрш падает более чем в 3 раза, скорость увеличивается в 2,4...2,7 раза, для стали Юсп в Н-ТИХ на 24/о и на 40...50$ соответственно.

Если выдвинутые положения механизма формирования зон микродеформаций в пола напряжений П рода верш и степень локальных деформаций контролируется разностью физико-механических характеристик элементов формируемой системы, го это дольно особенно проявляться при эксплуатации в водородсодераащих средах.

С этой целью бшш разработана методика и коррозионная ячейка для испытаний цилиндрических образцов при статическом вапряьеииц в среде Д^АСЕ с наложением термощаишрования из области положительных температур в область отрицательных и обратно. Охласдеиие

в диапазоне температур от -ч16 до -50°С проводили путем пропускания через змеевик, расположенный внутри коррозионной ячейки, паров жидкого азота. Образец охватывался змеевиком и не имел с ним контакта. При достижении крайней отрицательной температуры (-50°С), охлаждение автоматически отключалось. Температура фиксировалась с помощью термопар, закрепленных на поверхности образца. Нагрев осуществлялся естественным путем до температуры помещения, после чего охлаждение включали снова и цикл повторялся. Разработку оборудования и проведение испытаний вели на базе и совместно с Северо-Кавказским горнометаллургическим институтом и Черниговским филиалом КПИ.

Испытывались трубныэ стали ферриго-перлитного класса и их сварные соединения. Отмечено значительное снижение сопротивляемости разрушению при налояении термоциклирования. Так при испытании образцов из стали 20 наложение 12 термоциклов при 6р = 0,9 6Т привело к разрушению , образцов через 12...14 суток, без наложения термоциклирования образцы простояли 720 часов. Наложение термоциклирования меняет механизм разрушения при растяжении образца на воздухе. После 720 часов выдераки в среде уУАСЕ без наложения термоциклирования разрушение на воздухе характеризуется по-явлешем ярковыраненной шейки текучести и,прекмущеслзэшю,вязким изломом, а разрушение образца после выдераки 720 часов в среде /УАСЕ и наложении 7 термоциклов характеризуется как хрупкое. Результаты приведены в табл. I.

Таблица I

Тип образца 6"в» № МПа 8S* % У» %

Исходное состояние 538х; 365х) 36,0х* 60,6х;

После 720 ч, среда — N АСЕ, ©наГр1 = 0,9 570х) 474х ^ го,ех) 37,7х)

После 720 ч, греда ЖАСЕ,бкагр.= 0,9 с налояеотем 7 термо-щшлоз 407х) 346х) 8,0х) 8,5Х)

' Значения получены после обоаботки результатов испытаний серии образцов.

Изучение дислокационного строения стали 20 после выдершш в среде //АСЕ показало, что наложение термоциклирования привело к увеличению плотности дислокаций на 2 порядка.

Глава 4. Сопротивляемость разрушению феррито-дарлитных

сталей, плакированных аустекитшши сплавами

Особую проблему представляет оценка работоспособности сварных оболочковых конструкций из биметалла, когда основной несущий слой выполнен из феррито-перлигннх сталей, а защитный, составляющий не более 20...1Ь% от всей толщины, из аустенитной.

Сложная схема остаточных напряжений, обусловленная разностью коэффициентов линейного расширения Me слоев, наличие зоны сплавления сталей различного структурного класса и как следствие, чувствительность этой зоны к термическому циклу нагрева. Все это чрезвычайно осложняет прогнозирование ресурса эксплуатации сварных конструкций из биметалла.

Работоспособность оболочкой конструкции должна определяться моментом наступления предельного состояния, как правило, это нарушение герметичности. Продолжительность ресурса работы определяется стадией зарождения трещны(коррознонно-даханичэского поражения) и ее развитием в сквозную. Биметаллы используются для конструкций, эксплуатируемых в высокоагрессивных средах,и предельным состоянием для таких конструкций можно считать момент нарушения сплошности плакирующего коррозионностойкого слоя.

Оценка критических напряжений (6*ПОр) при непрерывном деформировании металлических материалов в коррозионной среде позволяет по разности потенциалов напрятанного и ненапряженного образцов и ее устойчивости во времени, в первом приближении оценить склонность металла к коррозионному растрескиванию в выбранных условиях. Превышение 6" ПОр в процессе эксплуатации может привести к локальному развитию"коррозионных процессов. На примере биметаллов СТ.22К + СВ08319НЮГ2Б (полученного наплавкой), Ст.З + I2XI8HI0T (полученного пакетной прокаткой) и их сварных соединений показано влияние высокого отпуска (650°С-4 часа) на уровень 6" . металла защитного слоя в нейтральной коррозионной среде (3/6 р-р Nad ). Отмечено снижение на Ю - I5& после проведения

высокого отпуска.

Стадия заровдения поверхностной трещины в сварных соедане-;шях, эксплуатируемых в коррозионных средах, в общем случае включает два момента: формирование начального коррозионного повреждения (концентратора) и заровдение в нем трещины. Электрохимическая неоднородность сварного соединения защитной наплавки выражается через распределение безтоковых потенциалов, которые при кон-

такте поверхности сварного соединения о рабочей средой приводят к появлению макро- и мииротоков. Распределение плотности суммарного коррозионного тока будет ответственно за местоположение начального концентратора напряжений.

Для сварных соединений из биметаллов от.22К + Св09Х19Н10Г2Б и Ст.З + 12Х18НЮТ, изготовленных по существующей технологии с использованием рекомендуемых сварочных материалов, экспериментально установили место с максимальной плотностью коррозионного тока. Зтил местом оказалась зона сплавления защитной наплавки ива о металлом плакирующего слоя. Проведение термообработки сварных соединений (650°С~6 часов) повысило плотность коррозионного тока в зоне сплавления на 20...24$ и привело к разблагораживашш потенциала системы, причем сдвиг оказался столь значительным, что стационарный потенциал (¥от) околошовной зоны приблизился к значениям потенциала "пробоя" (Уцр) для данных аустенитных нержавеющих сталей в нейтральных коррозиошшх средах. Это может привести к локальному нарушению пассивного состояния и развитию локальной коррозии (в том число коррозионному растрескиванию) ара наличии коррозиошшх гальванопар на поверхности сварного соедн-пош1я типа шов - околошовная зона, основной .металл - околошовная зона.

При квазистатическом растяжении образцов было отмечено, что разрушение всегда зароядзлось в металле, прилегающем к линии сплавления слоев. Диффузия углерода из феррито-перлитной стали в оустенигяую, при термообработке в диапазоне температур сенсибилизации, повышает твердость наутлэроженных слоев до НУ 420 при этом в феррито-перлитной стали появляются участки с чисто фер-рптной структурой. При повышении температуры нагрева до значений близких к Лсд, отмачана диффузия Ог. и N1 в перлитную сталь и образование в ней нового слоя промежуточного состава толщиной до 0,02 мм. Нагрев при Т>Асз сопровождается сглаживанием неоднородности, но шшюсгыз восстановить свойства и прочность сцепле-1И1Я слоев по удается, т.к. узе появились микроиесплошностп и надрывы.

Оценку качества соединений слоев биметалла следует вести с помощью испытаний на определение б" птг, плакировки, а не ввиду низкой чувствительности последних к изменениям, происходящим в зоне сплавления.

Аналитическим и экспериментальным путем оценено влияние раз-

О

личных режимов термообработки и конструктивных параметров на уровень остаточных напряжений в биметалле и показаны пути управления характером распределения остаточных напряжений в основном металле и сварном соединении.

Начавшееся при термообработке 450°С перераспределение остаточных напряжений в двухслойной стали в соответствии с соотношением толщин и разностью дилатационных свойств* металла основного и плакирующего слоев, полностью заканчивается при 600-650°С, достигая максимальных значений и незначительно меняется при повышении температуры нагрева. Эпюра характеризуется раакии градиентом изменения напрянзяий в зоне сплавления слоев от максимальных растягивающих в металле плакировки до сжимающих в феррйто-пер-литном слое.

Экспериментальное определение остаточных напрякений по толщине металла вели на призматических образцах 250х10хН (Н - толщина биметалла) методом послойной проточки с замером стрелы прогиба образца.

Определение остаточных напрякений в кольцевом сварном стыке труб 0 860 мм с толщиной стенки 38 мм из биметалла ст.22К + CbQSX 13Н10Г2Б вели комбинированным методом послойной расточки и обточки колец, вырезанных из шза, околошовной зоны и зоны термического влияния. Деформации измеряли тензорезисторами с базой 20 мм и сопротивлением 200 Ом. Сварное"соединенно изготавливали по существующей технологии с использованием рекомендуемых сварочных материалов для соединений, изготавливаемых в монтажных условиях.

Проведение отпуска (650°С - 2 часа) позволяет снизить пиковые остаточные сварочные напря&эння растяжения на поверхности феррито-перлитной части ива со 180...210 Мн/м2 до 60...70 Ма/м2, но повышает уровень остаточных растягивающих напряжений в длаки-^ ровке сварного соединения на 50...60$ и достигает 200...220 Ма/м" на поверхности защитного слоя околошовной зоны.

Предложенная замена общего отпуска сварного узла на кратковременный сосредоточенный поверхностный нагрев околошовной зоны перлитной части шва до 700.,.800°С, позволила уменьшить уровень остаточных растягивающих напряжений на поверхности перлитного слоя до 90...100 Мн/м2 и не вызвала негативных диффузионных процессов в зоне сплавления слоев. Остаточные растягивающие напряжения в плакировке сварного соединения остались на уровне 100...110 МцДг.

На крупногабаритных образцах из плакированной стали 22К + СВ08П9НЮГ2Б со швом и из основного металла, имеющих рабочее со-чоние 150 х 25 мм, изучали развитие разрушения от поверхностного концентратора, выполненного фрезой толщиной 0,1 мм на глубину 2,0 мм и шириной не более 1/3 рабочей части образца, в металле основного и плакирующего слоев на воздухе и при воздействии коррозионной среди (3/2 р~р А/а CP ) в условиях отнулевого низкочастотного растяжения при б' tnax = 0,756^.

Для слежения за развитием трещина использовали метод"меток" и общего электродного потенциала (при слежении за трещиной в коррозионной среде). Момент страгивания трещины на воздухе фиксировали малогабаритным датчиком с упругим элементом по перемещению кромок надреза.

При изучении закономерностей докритнческого развития усталостных трещин механика разрушения предполагает определение зависимости dvd N = j (К) для исследуемых материалов.

При подходе фронта разрушения к зоне сплавления слоев, усталостная трещина, зарожденная от ловархностното концентратора напряжений в феррнго-перлитном металле, испытывает торможение, но увеличивает скорость развития в ширину. При этом уменьшается коэффициент формы трещины ^ /2С, что приводит к резкому увеличению КИН. Фрактографлческие исследования изломов подтвердили факт замедления прорастания трещины по утлзньшепию расстояния моиду усталостными фасетками.

Разрушение, инициируемое в металле плакировки, характеризуется "туннельным" развитием магистральной трещины по разделительной зоне в сочетании со стабильным прорастанием в феррито-перлитный металл. Степень ухода фронта разрушения по зоне сплавления слоев зависит, главным образом, ог уровня аауглероженности аустенитной кергавеющей стали. Фрактография излома этого участка показывает, что с повышением диффузионного углерода разрушение из стадии ускоренного переходит в стадию циклического проскальзывания или предлавинного развития разрушения.

Присутствие коррозионной среда резко усиливает "туннельный" эффект из-за высокой электрохимической гетерогенности разделительной зоны и одновременного протекания нескольких видов корро-зйонно-механического разрушения. С развитием эффекта "туннелирэ-вания" значительно увеличивается скорость прорастания трецины в феррито-перлитный металл при одних и тех же условиях нагруженкя.

Проведенные исследования выявили особенности форглцровашш н развития разрушения в плакированных сталях данного структурного класса и их сварных соединениях. Разница в физк«с-мохош1чоских характеристиках слоев разделительной зоны контражрует инкубационный период зарождения и 'топографии развития магистральной тро-вршы. Для прогнозирования ресурса сварного узла биметалла яспэль-■ зовалк подход разработанной модели формирования и развития разрушения в поло напряжений П рода, трансфер;,niponas его пз объемной с хеш в линейную в пола напряжений I рода.

Снижение усилия отрыва слоев с 520 Мн/ь? до 200 Ihl/ifi п повышение твердости науглероненных слоев аустенитной плакировки о HV2I0 до HV 400, дая сварного узла биметалла 22К +Св09±Е9Н10Г2Б при развитии разрушения от поверхностного концентратора напряжений в планирующем слое,снизило долговечность крупногабаритного образца на воздухе почти в 2 раза, при воздействии 3% р-ра AJaCP в 2,9 раза.

Совместная обработка результатов позволила построить трехмерную вшогращу, устанавливающую связь продолжительности инкубационного периода зарождения магистральной трещины в металле разделительной зоны в зависимости от усилия отрыва слоев (^q^) и максимальной твердости науглерожещого «устенитного Мэ (рис.7 )•

N зар., цикл

Ркс.7. Инкубаданный период зарссаде-ния разрушения в разделительной зоне биметалла - кол-во циклов нагрукения до зарожденйя'разрушения в разделительной зона; НУ - твердость науглерожешюго

,ч¡.р. слоя аустенитной стали;ол__ - усилие

,,кд/м отрыва слоев биметалла.

Глава 5. Разработка метода и средств оценки работоспособности сварных узлов из двухфазных сталей по параметру микротвердости.

Обоснование предлоге иной механистической модели формирования и развития повренденности для двухфазных деформируемых сиотем в поло напряжений П рода и подтверждение основных постулатов модели, дали теоретическую базу для разработки метода экопресо-ддатноотгош сварных конструкций в процессе эксплуатации.

В качестве инструмента выбрали процесс замера микротвэрдос-тя на поверхности диагностируемого объекта в местах конструктивных и технологически*- концентраторов напряжений. Параметр твердости (микротзердостп) достаточно объективно отраяает фнзико-ме-ханпчэскпа характеристики соответствующих объемов металла. Уровень нагрузок на индентор выбирался из диапазона, где не действуют условия подобия отпечатков Кирпичвва-Кика-Давидешсо для стали данного структурного класса.

Поскольку в полевых условиях нельзя вести опти.эскоо наблю-доше за отпечатком, то определен необходимый и достаточный массив и шаг замеров микротвердостн (на менее 100 уколов о шагом 0,02 мм). _____

Для трактовка полученных результатов предложена следующая модель: каадый элемент структуры представляется в вндэ нагруженного образца, а процесс вдавливания индентора в поверхность элемента структуры - фактор дополнительного нагруаоняя. Тогда диапазон полученных значений кикротЕэрдости :с единицы поверхности обрабатывается по алгоритму одной из грех следующих схем:

1-я - индентор попадает в элемент структуры, который не имеет микрогрещин но периметру н прилегающие к нему элементы структуры первого ряда такаэ не имеют повреждений. В этом случае мы имели базовое значение микротвердостн элемента;

2-я - индентор попадает в элемент структуры, который сам не имеот микротрещин, по таковые имеются в прилегающих к нему объемах. Тогда из-за перэраспрэделения напряжений и деформации, вн-званного нарушением сплошности в рассматриваемом единичном объеме

диагностируемый элемент получает контактное упрочнение как результат дополнительного деформирования. В отем случае регистрируется повышенное значение микротвердости элемента.

3-я - индентор попадает в элемент структуры, имеющий микро-трещикы по периметру. В процессе вдавливания, ыикротрещины успевают прорасти, т.к. скорость перемещения индентора значительно нияе скорости развития микротрещин в данном элементе. Сплошность объема нарушается и регистрируется падение значения микротвердости, как результат снижения сопротивляемости элемента структуры деформированию.

Металл стенки конструкции имеет,к моменту начала эксплуатации, определенную плотность повреждений П0, состоящую из П^+П^. В массиве замеров шкротвердооти регистрируется широкий спектр значений, но основной объем приходится на базовые показатели. Повышение плотности повреждений в Ме,в процессе эксплуатации,характеризуется. постадийный изменением пропорций между базовыми значениями и нарастающим объемом показателей по 2-й и 3-й схемам.

Для создания определенного уровня повревдвныости в образцах использовали два способа - предварительное цикличе-ское нагругя-ние и предварительное пластическое деформирование. От предварительного циклического нагружения пришлось отказаться из-за трудоемкости и значительных погрешностей. Банк данных формировался для сталей 09Г2С, 20, 17Г1СФ, ст.Зсп и их сварных соединений, выполненных РДС, Закономерности изменения значений Н/г>, от степени предварительной пластической деформации и последующей выдержки в среде /V АСЕ, приведены на ркс. 8, Для сварных соединений замер микро твердости велся вдоль линии сплавления; перед деформированием усиление шва снималось; уровень пластической деформации фиксировался по реперным точкам на базе 5,0 и 10,0 мм.

Обработку результатов замера Иуп и определения границ корректного применения диагностики состояния Ме по параметру микротвердости,вели методом математико-статистического моделирования по критерию Колмогорова-Смирнова (Драсч ^ Д¡с » где Драсч-расчетное значение критерия; Д^ - критическое значение критерия)

Результаты экспресс-диагностики состояния Ме сопоставлялись с результатами циклической долговечности крупномасштабных Образцов с поверхностным трещиноподобнш концентратором напряжений, со сварным швом после заданной пластической деформации. Испытания проводились по следующей схеме; замер микротвердости в

4030 20

10

09Г2С

£

1

а)

d1 - 6-= о

Е23 - е = 65é rerei - е - 12»

Ь

h

i i

- e =

- e = 12%

30 40 50 60 70 80 100 ПО 120 130 140 150 ' 170

H/Y'-O,Mía

Рис.8, Гистограммы микротвердости сталей 09Г20 и 20 после холодной пластической деформации;

А - на воздухе; Б - после выдержки в среде /АСЕ: сталь 09Г2С - е=0 26 суток, е=4Й 19 суток; сталь 20 - е=0 30 суток, е=Ш 20 суток, е=Ш 9 суток.

рабочей части образца - пластическое деформирование - второй за-ызр иикротвердости - циклическое нагругеше до разрушения. ПоЕер-хностшй концентратор наносился после пластического дефоршрова-ния. Совместная обработка полученных результатов позволила вывести коэффициент, оценивающий степень снижения циклической трещико-стойкости феррито-перлитных сталей по факту изменения наполненности массива замеров микротвердости.

V "Г " 2,22,и?500...600+ °'43^600...700+ °'22^700...800+

0 + °'03^800...900+ °'016^ 900...1000+ 0»°^1000.;Л100+ + 0,04\;/1гоо_л2ос)+ 0,35У1200>> л300+ 0,2УУ1300-<л400+

+ 0,ЗЗУ1400<<л500+ 2,2\'/Г500<#Л600;

где ЕСц— коэффициент снижения циклической долговечности; Щ- показатель в процессе эксплуатации; К0- показатель в исходном состоянии; W - накопленная частость в интервале значешгЛ мпкротвордос-ти 500...600, 600...700, 1500...3600.

Получена ношграша, связывающая значения К§с номзытсм зарождения магистральной трещины от конструктивного или технологического концентратора напряжений С К ) в зависимости от расчетного критерия (Драсд.) Колмогорова-Смирнова и косффициента снижения циклическойдолговечности 1С (рис. 91.

К., - коэффициент сни-4 жения циклической долговечности; Д„„ - расчетное зна-■^ 'чеше критерия Щ I [¡> \ Колногорова-Сшрновгг// .111

2,0 Рис. 9. Значения предельного коэффициента

от результатов заиера Н/,1на диагностируемой поверхности конструк-I,0 ции

Для проведения оперативной диагностики в полевых условиях по критерию микротвердости разработан и изготовлен переносной шкротвордомер. Усилия на пндентор за пределам соблюдения условий подобия отпечатков; время одного замера 7...9 сек; перед замерами на площади 1,0...1,4 см^ удаляется механически.слой Не не менее 0,5 ш с последующей ручной шлифовкой; прибор оснащен автономным питанием, цифровым блоком вывода информации.

Основные выводы и результаты работы

1. Установлен ведущий механизм протекания локальных упруго-пластических деформаций в двухфазных объемах, т.е. формирования параметров петли пластического гистерезиса и влияния на них разности физико-механических характеристик элементов деформируемой системы. Процессы локального пластического деформирования в поле напряжений II рода для двухфазных сталей определяют инкубацион-шй период форадрования магистральной треш^нн и характер ее даль-нейаего развития (модель объемной схемы формирования и развития повреяденности). Разница в физико-механических характеристиках слоев Не перед фронтом развивающейся полуэллиптической трещины

в поле напряжений I рода контролирует ее коэффициент формы (где с7- глубина, ~С - ширина трещины) и величину КИЯ в концах малой оси (модель линейной схемы развития магистральной трещины).

Превышение показателя твердости включений на 29ГГ.325» над показателями твердости матрицы з образцах типа ДКБ приводило к сшшгни» порогового ШН почти в 4 раза. Повышение твердости пзуглерояенных слоев аустенитной наплавки на 70...90% в сварном узле из плакированной стали 22К + Св08Х19Ш0Г2Б толщиной 25км (сталь 22К - 20мм) , при развитии разрушения от поверхностного концентратора напряжений в аустештном слое, снизало циклическую долговечность на. воздухе почти в 2 раза.

2. Для $еррито-перлитных сталей и их сварных соединений установлено наличие Н-ТЙХ, характеризуемого резким повышением илкротвердости перлитной составляющей над ферритной обусловленной процессом объемного деформирования в поле напряжений II рода в этом диапазоне отрицательных температур из-за опережающей усадки. При прохождении этого интервала в сторону понижения или повышения температура минротвердость перлитной составляющей падает и соотношение ыеяду твердостями ферритной и перлитной составляющий! сохраняется во всем диапазоне климатических температур.

3. Сопротивляемость разрушению сталей данного структурного класса и их сварных соединений падает в Н-ТИХ. Степень снижения характеристик трещиностойкости зависит от дисперсности и характера легирования феррито-перлитной стали. Для стали 09Г2С критический размер трещины уменьшается почти на 40%, скорость подрастания усталостной трекршы увеличивается в 2,0...2,2 раза, для стали Юса на 7.,.9 и 21,..33% соответственно. После прохождения Н-ТИХ в сторону повышения или понижения температуры сопротивляемость разрушению востанавливается и дальнейшие изменения характеристик трещиностойкости от температуры проходят по известным закономерностям. Значения Н-ТИХ для феррито-перлитных оталей и их сварных соединений дрейфуют в достаточно широком диапазоне в зависимости от легирования, дисперсности, типа раскисления стали при выплавкй, загрязненности и т.д. С повышением плотности поврездешШ в Не температурный интервал Н-ТИХ сужается и падение сопротивляемости разрушении более значительно.

4. При эксплуатации сталей феррито-перлитного класса в водо-родосодеркащих средах и возможности периодически проходить через Н-ТИХ в область положительных температур, меняет механизм разрушения от вязкого и квазихрупкого к хрупкому, т.к. при вост&новло-нии диффузионной подвижности водорода в элементах структуры, объемно деформированных в Н-ТИХ, реализуется принцип суперпозиций выраженный в увеличении на порядки плотности дислокаций по сравнению с дислокационной плотностью элементарных объемов сталей данного структурного класса не деформированных в Н-ТИХ. Причем, степень перехода от одного механизма разрушения к другому зависит от количества термоциклов. При разрушении на воздухе образцов из стали 20 после 720 часов вццержки в среде Л/АСЕ при нагрузке 0,9

и наложении т ерм о ци кл и р о вали я в климатическом диапазоне температур (+1б°С — -50°С) значения 6"в падали на 30...3955, на 27...36)«, £5 в 2,4...2,8 раза, ^ в 4,0...4,3 раза по сравнении с образцами, выдерганными в среде УУАСЕ без термоциклирования.

5. В ферриго-перлитных сталях и их сварных соединениях,плакированных аусгенитшми сплавами, развитие диффузионных процессоз по линии сплавления сталей различных структурных классов увеличивает разницу в физико-ыеханических характеристиках слоев Ме в направлении толщины и обуславливает рост ширины замкнутой петли пластического гистерезиса для данных объемов Ме в поле напряжений I рода при переменном нагружении, т.е. возрастает пластичес-

кал деформация за цикл. Это сникает ¡"¡нкубаиг-юнкий период зарождения разрушения в Мз зоны сплавления; падает усилие сцепления слоов; при развитии поверхностной трещины, особенно от концентратора напряжений в плакирующей слое, проявляете!! эффект "тунне-лиропашш", т.о. преимущественного продвижения фронта трепгиш по Но разделительной зоны.

6. Разработан метод и оборудовать для экспресс-диагностики сварных конструкций из феррито-перлигних сталей по параметру иик-ротвердости.

7. Разработанным методом продиагностировано 7 объектов; обоснована замена для метанолопроводов в районах Крайнего Севера цельнотянутых труб (557ш из стали типа 09Г2С импортной поставки на длиномершо прямопошше рулокированше трубы й57шл из стали Юсп; предложена технология изготовления монтажных сварных стыков трубопроводов АБС из планированных сталей; разработан биметалл повышенной прочности, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками при температурах до 450 С. Экономический эффект от вне-дрешш результатов работы составил более Зшш.руб в ценах 1991г.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Шубин В.И., Зорин Е.Е., Сорокин В.Н. Влияние технологии сварки и термообработки на коррозионную стойкость соэднно-ний стали Ш6Н4Б //Автоматическая сварка. - 1978. - й 4. -

С. 52 - 55.

2. Зорин Е.Е., Стеклов О,И. Влияние термической обработки сварного соединения плакированного трубопровода на сопротивляемость разрушению. - Информэнерго. Сер. Сварочные работы в энергетическом строительстве. - 1981. -I 9. - С.8-15.

3. Зорин Е.Е., Крекотень Н.П. Повышение надежности сварных соединений из плакированных сталей дарлитно-аустенитиого класса работающих в коррозионных средах высоких параметров при повторно-статическом нагруяэнии Ц Материалы второго всесоюзного научно-технического совещания по проблеме "Надежность машин и агрегатов химического производства". - Суш, 1982 г С. 96-98.

4. Исследование технологии сварки и свойств сварных соединений плакированных трубопроводов АЭС / Е.Е.Зорин, Р.Б.Полякова, И.В.Иванова, О.И.Стэклов //Сборшь. научных трудов института "Оргэнергострой". - М. - 1978. - 0.12-28.

5. Монтажная технология изготовления сварных узлов плакированных трубопроводов АЭС /Б.Е.Зорин, О.И.Стеклов, И.В.Иванова, Р.Б.Полякова //Энергетическое машиностроение. - 1980. - .№ 9. -С. 40-42.

6. Исследование свойства сварных соединений трубопроводов из

плакированных малой с цэльз шбора оптимальной композиции присадочного материала / К.И.Цоопоясв, Е.Е.Зорин, О.И.Стокдоз, Р.Б.Полякова //Сборных научинх трудов института "Оргонергосгрой".

- 1981. - С.22-40.

7. Зоршн Е.Е., Стеилоз О.И. Оценка долговечности сооудоа из двухслойных стелой. работающих при ыадоцпкловом цагрусошш//ÖHOp-rOTOTOCKOQ ШПИНООТрООШЮ. - 1933. - Л 9. - С.14-16.

8. A.c. I0492I2. Устройство для коррозпошю-^охашгтаоглх испытаний материалов / Е.Е.Зорин. О.И.Стеклов. - Б.И. ti 39. -1983

9. Зорин E.S., Сгоклоз О.И. Образование трещин под слоем наплавки в шшкирововньк сталях перяиязо-аусгешшого маооа при цпхтгческом нагруженш //Знэргетичоскоа шашосгроонко. - 1984.

- й 8. - С.16-20.

10. A.c. 1097463. Метод определения оцепления слссгпах саго-риалов / Е.Е.Зорин, О.И.Стеклов, Р.Б.Полякова. - Б.И. Ja 22. - 198

11. Зорин Е.Е., Поликарпов H.H. Сопротпвляэмость раорушзнно сварных соединений корпусных сталей в условиях тарглоциклированкя в область поки'.енншс ташорагур //Судостроение, - 1985.-й 2. -С. 12-18.

12. Зорин Е.Е. Сварные нэфтегазохишчэскао оооруаошя. Раочэт проектирование и изготовление /Дчэбное пособие. - М.: ШНГиГП, 1985. - 92 с.

13. Влияние магодов формообразования на шхано-коррозионнув прочность тонколистовых алшиниевых сплавов /О.И.Стаклсв, Б.Е.Зорин, И. А Лавров, В.И.Галканов //Вопросы судостроения. - IS85, -

» 6, - 0.24-32.

14. Зорин Е.Е., Бодрихин Н.Г. Выбор условий испытаний сварных соединений на сероводородное растрескивание //Химнчаское а нефтяное маввшосгроешэ. — 1985. — й 2. - С. 16-18.

15. Зорин Е.Е. Влияние термоциклирования в область отрицательных темпера тур на трещиностойкосгь стали 20 при цшашчаокогл нагру&еши //Противокоррозионная защита нефтегазопрошолового оборудования и трубопроводов. - Уфа, 1985. - С. 93.

16. Развитие усталостных трещин в трубных узлах /О.И.Стеклсш, Э.Ф.Гарф, Е.Е.Зорин, А Д. Смирнов //Автоматическая сварка. - 1986. а I. - с. 4-6.

17. Зорин Е.Е. Цуги повышения работоспособности двухслойных сварных сосудов //Сборник трудов МШГиИГ им. И.М.1убкина. Сер. "Совершенствование технологических процессов в ашаратостроении

и повышение качества оборудования". - 1986. - С. 34-38. 18. Стоклов О.И., Зорин Е.Е., Смирнов АД. Оценка долговечности сварных узлов блоков (ДСП //Груди I Всо союзной конференция по проблема "Шельф". - М.: МШГ. - 1986. - С.5(3-62.

19. Зорин Е.Е.Прогнозировашш работоспособности сварных соо-дшюшй в хоррозионшактивных средах //Материалы всесоюзной научно-технической конфэрэнцш по проблема "Современные методы борьбы о коррозией в ошаратостроешт и машиностроении". - Ереван,

1986. - С.44-46.

20. Стекпов О.И., Зорин Е.В., Челшн С.П. Оценка водородного рэогрескиванпя сталей //Сборник "Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы". - М.: МШГШ пм.Ф.Э.Дзеряинского. - 1987. - С. 136-140.

21. Зорин Е.Е., Чезшн С.П. Влияние тормоциклированяя в область отрицательных температур на коррозпонно-мэханичэскуто стойкость сталой нефтегазового оборудования //В сб. Защита от коррозии нефтегазового оборудования в процессе строительства предприятий нефтяной и газовой промышленности. - М.: ШНГ им. И.М.Губкина,

1987. - С. 77-79.

22. A.c. Л I3523II. Способ оценки трещиюстойкости металлических материалов / Е.Е.Зорин, О.И.Стеюаов, С.ПЛе; îh. - Б,И. Л 42. - 1987.

23. Зорин Е.Е., Чакин С.П. Учат влияния термоцшшзрованш в область отрицательных температур на работоспособность в серо-водородсодэрнащэй среда стали 20 //В сб. Коррозия и защита скважин, трубопроводов, оборудования и шрских сооружений в газовой промышленности. - М.: ВНШЭгазпром. - 1987. - й 6. - C.I4-I8.

24. A.c. Л I383I60. Образец для определения адгезии покрытия к основному материалу /Е.Е.Зорин, !Л. А.Сычева, Н.П.Кармази-нов. - Б.И. Л II. - 19881

25. Оценка склонности' сварных соединений к сероводородному растрескиванию /О.И'.Стекпов, Н.Г.Бодрзшш, Е.Е.Зорин и др. //Химическое и нефтяное машиностроение. - 1988. - Л 2. -С.22-24.

26. Стеклов О.И., Зорин Е.Е., Чежин С.П. Оценка работоспособности сварных соединений трубных сталей в сероводородсо-деряащих средах.//Там жэ. - 1988. - Л 4. - С.31-32,

• 27. Зорин Е.Е., Чешн С.П. Циклическая долговечность сг&гей феррато-перлитного класса и их сварных соединений при термоцикли-рованш в область отрицательных температур // Там т. - 1988. -Л II. - C.I7-I9.

28. Стеклов О.И., Зорин Е.Е., Чожин С.П. Влияние климатических условий на разрушение трубншс сталей в сероводородсодор-яащих средах // В сб. Прогрессивнее методы и средства защиты металла и изделий от коррозии. ~ М.: ШИК. - 1988. чЛ. - С.49.

29. Коррозионная стойкость сварных обсадных труб /О.К.Сток-лов, Е.Е.Зорин, К.Д.Басиов и др. //Автоматическая сварка. - 1387.

- П 8. - С.48-51.

30. A.c. Л 1370529. Устройство для коррозионно-махапичооких испытаний образцов / Е.В.Зорш, О.И.Стекдов, С.Я.Чешш. - Б.И. £

- 1988.

31. A.c. l'i 1401343. Способ опредалешя механизма коррозионного разрушения /Е.Е.Зорин, О.И.Стекдов, С.П.Чешн. - Б.И. й 5, -1988.

32. с. № I42I2I2. Способ оценки стойкости материалов и узлов конструкций к коррозионное растрескиванию / Е.Е.Зорин, 0.И.Стеклов, С.П.Че&нн. - Б.И. й 2. - 1983.

33. Стеклов О.И., Зорин Е.Е. Элементы мониторинга сварных конструкций на основе диагностики физико-мзхащгчзских параметров стали //Материалы международной конференции "Сварные ■конструкции"

- Киев, 24-28 сенг. 1990. - С. 44.

34. Зорин Е.Е. Оценка работоспособности сварных трубопроводов, транспортирующих сероводородсодергащие продукты в условиях термоциклироаания. //Там же. - С.93.

35. Стеклов О.И., Зорин Е.В., Смирнов Ä.X. Гехнологичвскш методы повышения механо-коррозионной прочности морских сооружений // Там se. - С.124.

36. Стеклов О .И., Зорин Е.Е., Смирнов АД, Основные принципы мониторинга сварных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах // В сб. Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы. - Ы.: ВДНТП. - 1990. -

С.13-17.

37. Зорин Е.Е., Степаненко А.И., Чеяин С.П. Методика испытаний сварных соединений трубопроводов с учетом эксплуатационных условий //Заводская лаборатория. Л 1990. - Л 7. - С.68-71.

38. Зорин Е.Е., Степаненко А.И., Чежин С.П. Влияние дефектов сварного шва на прочность сварных соединений в процессе эксплуатации трубопроводов. //Материалы УП региональной научн.-техн. конф. - г.Новый Уренгой, 1990. - С.8-9.

39. К оценке низкотемпературной прочности рулотровавшхх труб, применяемых для строительства и ремонта метанолопроводов.

//Материалы У111 региональной научн.-техн. конф. "Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири". - г.Новый Уренгой. 1991. - С.12-14.

40. Зорин Е.Е., Маляревокая Е.К. Влияние наследотвешшх дефектов фэррито-перлитиях сталей на коррозионно-мэханичеохую прочность в водородсодержащих средах //Материалы науч.-практ. оемшара "Проблеш коррозии сплавов и их сварных соединений. -Киев, октябрь, 1991. - С.44-45.

41. Зорин Е.Е., Степаненко А.П., Ланчаков Г.А. Коррознонно-шхакичзокая прочность и статистика отказов трубопроводов //Газовая промышленность. - 1991. - & 10. - С.14-16.

42. Зорин Е.Е., Степаненко А.И., Маляровекая Е.К. Диагностика трубопроводных систем по физико-механическим параметрам материала //Материалы 2-й Международной конференции "Контроль качеотва трубопроводов", Москва, октябрь, 1991.

43. Применение труб малого диамечра в бунтах для обустройства газоконденсатннх шотороадений Крайнего Севера /Е.Е.Зорин, Ю.В.Самаринов, И.Н.Альйоа и др. //Строительство трубопроводов. -1991. - й 7. - С.35-37.

44. Зорин Е.Е., Малярэвская Е.К. Диагностика ' сварных конструкций из феррито-перлитных сталей с. учетом условий эксплуатации //Сварочное производство. - 1992. - И 8. - С. 14-16.