автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Циклическая трещиностойкость металла и сварных соединений труб в наводороживающих средах с учетом двухосности нагружения в сочетании с конструктивно-технологическими факторами

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.К. ГУБКИНА

РГО ОД

- 5 1ШР 1093

На правах рукописи

ЕСИЕВ Таймураз Сулейманович

УДК 621.791.620.194.2

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЩИНОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ В НАВОДОРОЖИВАЩИХ СРЕДАХ С УЧЕТОМ ДВУХОСНОСТИ НАГЭТЕНИЯ В СОЧЕТАНИИ С КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ

Специальность - 05.03.06 - Технология и машины

сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте и в Государственной академии нефти и газа им. И.М.Губкина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Стеклов О.И. 1

Научный консультант - кандидат технических наук, с.н.с. Ба-сиев К.Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Макаров Г.И., кандидат технических наук, с.н.с. Галканов В.А.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт газа (ВНИИГАЗ).

Защита состоится " 27 " стре-ля 1993 г. в часов в

ауд. 502 на заседании специализированного Совета Д 053.27.13 в Государственной ахадемии нефти и газа им. И.У.Губкина по адресу: П7917, Ыосква, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С дисрертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им. И.М.Губкина.

Автореферат разослан " ^ " 1993 г.

Ученый секретарь / /

специализированного Совета^^У^'^Е.Е.Зорин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

За последнее время достигнут значительный прогресс в разработке и освоении качественных сталей для трубопроводов ответственного назначения; создала и внедрены новые технологические приемы изготовления труб. Несмотря на это» статистика отказов свидетельствует о тон, что проблема предотвращения хрупких, коррозионных, усталостных к прочих разрушений остается исключительно актуальной. Это связано о теп, что существующие корми а правила расчета аа прочность не учитывал? в комплексе всего многообразия конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, в частности, двухосного напряженного состояния в трубе, повторио-сгатичоского характера нагруаения, наличия различного рода дефектов, изменения фязяхо-мэхашческих своЗотв катерзала под влиянием длительно действующих темлературно-си-лоаих полей я коррозионно-активных сред. Очевидно, что о целью повышения'точности и достоверности применяемые расчетные метода должны дополняться результатами экспериментального изучения закономерностей развития разрушения в трубопроводных материалах. В этой связи, одной из важнейших задач в деле обеспечения прочности, долговечности и вкодогической безопасности трубопроводов является задача совершенствования критериев и методов оценки работоспособности металла и сварнызс соединений труб в условиях,', наиболее полно отражающих реальные.

Цель работы - развитие методов и средств оценки циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб, эксплуатирующихся в нЬводороживающих средах, с учетом двухосности нагружения в сочетании с конструктивно-технологическими факторами, а также получение и обобщение достоверной информации о

коррозионло-цшишческой трещиносто&сости трубных сталей i сварных соединений.

В соответствий с целью задаяаыш исследования являются;

1. Критический, анализ состояния исследований по теме работы.

2. Разработка образцов-моделей, обладавших совокупностью конструктивно-технологических признаков трубы к моделирующих при нагружении характерное для трубопроводов двухосное напряженное состояние.

3. Разработка методики оценки коррозионно-циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб в ааводо-рояивающих средах с учетом двухосности нагружения в сочетании с конструктивно-технологическими факторами.

4. Исследование циклической трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений на воздухе н opa иаводорозйивании в зависимости ót вида напряженного состояния и режимов испытаний. Обобщение полученных результатов.

Обь^тц и метппн иг.сшапотнид. Объектом исследования при разработке конструкции образцов-моделей служили отрезки натурных труб различных типоразмеров. В качестве объекта для изучения влияния вида напряженного состояния на трешиностойкость материалов были выбраны сталь 20, используемая для производства газонефтепромысловых труб; сталь 45, применяемая для изготовления обсадных и насосно-компрвссораых труб, а также сварные соединения стали 20. Выбор указанных сталей, существенно различающихся по физико-механическим свойствам, обусловлен стремлением оценки роди материала в изменении треадностойкости при переходе к более жестким схемам нагружения.

В работе использовали: метод многоточечного электротензо-

метрировашя; метод разности электрических потенциалов для измерения скорости роста трещины; фрактографический метод анализа поверхностей разрушения.

В работе был осуществлен комплекс усталостных и корро-аионно-усталостншс испытаний.

Натчная новизна:

1. Разработаны образцы-модели, являющиеся частью реальной трубы и в связи о этим, обладающие ее толщиной .кривизной поверхности, масштабностью, всем комплексом технологической наследственности; конструкция образцов позволяет при нагружении воспроизводить в их центральной части двухосное напряженное состояние, характерное для трубы под давлением.

2. Разработана методика оценки коррозионно-циклической трещдностойкобти металла и сварных соединений труб, предусматривающая проведение испытаний образцов-моделей с поверхностными дефектами, построение кинетических диаграмм усталостного разрушения и на основе сопоставления скоростей роста трещин выбор материалов, обладающих лучшей трешиностойкостью .

3. Впервые дана качественная и количественная оценка циклической трещиностойности трубных сталей и сварных соединений в зависимости от вида напряженного состояния. Показано, что степень влияния двухосности нагружения определяется исходными прочностными свойствами материала, воздействием наво-Дороживаяшей среды, наличием остаточных сварочных напряжений.

4. Экспериментально показано, что одновременное воздействие двухосного нагружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. В рамках существующей модели развития трещины в металлах под воздействием водорода дано феноменологическое обоснование полу-

ченному результату.

5. Обнаружено, что независимо от среды испытания переход от одноосного напряженного состояния к двухосноцу сопровождается качественным изменение!! строения изломов, а именно: они приобретают более хрупкий характер.

ехся создание методики оценки циклической трещиностойкости металла в сварных соединений груб в наводороживавдкх средах. В связи с тем, что методика отражает в комплексе влияние неблагоприятных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов становится возможным более обосновано подходить в выбору сталей, сварных соединений, режимов термообработки для труб ответственного назначения.

Дпробашя -работы. Основные положения диссертационной работы в результаты исследований докладывались: наУШ зональной научло-матодаче'ском совещании-семинаре по теоретической межанике вузов Северо-Кавказского региона / сентябрь 1990 г., г. Владикавказ/; на Всесоюзном совещании "Проблемы зашиты от кор-розии.нефгвгазопромаслового оборудования" / сентябрь 1991 г., • г,Смоленск/; на научно-технической конференции "Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Украины" / май 1992 г., г.Черкассы/; на научно-тахничес-ком семинаре кафедры "Сварка и зашита от коррозии" ГАНГ им. И.Ы.Губкина / ишь 1992 г., г.Москва/; на I Международном конгрессе Всесоюзной ассоциации коррозионистов "Защита - 92" / сентябрь 1992 г. ,< г.Москва/; на I Международной конференции "Экологические проблемы горных территорий" / октябрь 1992 г., г.Владикавказ/.

Практических выходом работы явля-

ОСШБНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

удава!. Условия работы металла в трубах, •резко отличающие их от условий работы металла в других конструкциях, определяют прочность и долговечность трубопровода. Конструктивная прочность последнего в немалой степени зависит от толщины станки, кривизнн поверхности, масштабности трубы, а также от ее технологической наследственности, обусловленной всем комплексом последовательных технологических приемов изготовления трубы и монтажно-сварочных операций сборки самого трубопровода -

- деформационного наклепа и анизотропии физико-механических свойств металла вследствие прокатки, состояния поверхности, наличия сварных соединений и т.д. Роль каждого из этих факторов различна и существенно зависит от конкретных условий эксплуатации, однако, в определенных ситуациях неблагоприятное сочетание конструктивно-технологических факторов может многократно усилить влияние температурных, силовых, физико-химических и других внешних воздействий, и в конечном итоге привести к нарушению нормальной работы трубопровода. Это указывает на то, что реальный вклад в работоспособность оболочковых конструкций, к примеру, двухосности нагружения или воздействия наводороживавщэй среды необходимо оценивать с учетом наиболее значимых конструктивно-технологических факторов трубы.

Влияние двухосного напряженного состояния на прочность металла и сварных соединений труб на протяжении многих лет является объектом пристального изучения, так как большинство реальных оболочковых конструкций в течение срока службы испытывают двухосность нагружения. Вопросам прочности и трещиностой-

- сти конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии значительное внимание уделено в работах Я.Б.Фридмана,

Г.С.Писаренко, А.А.Лебедева, С.А.Куркина, О.И.Стеклова, А.Надаи, К.Миллера, Г.Либовица, К.Танаки, Т.Хотиды, Х.Китагавы и др. ученых. Накопленный к настоящему времени обширный аналитический и экспериментальный материал свидетельствует о том, что двух-осность напряжений существенно повышает склонность большинства металлов и сплавов к различного рода хрупким разрушениям. Тем не менее, известные на сегодня исследования не :дают одаознач- . ный ответ на вопрос о влиянии вида напряженного состояния на параметры циклической трещиностойкости материалов. Результаты экспериментов указывает либо на наличие влияния двухосности на скорость роста усталостной трещины / РУТ / по сравнении со случаем одноосного напряженного состояния, либо иа отсутствие такого влияния, либо на различное влияние при положительных и /отрицательных соотношениях главных напряжений. Такая противо- -речивость объясняется прежде всего несовершенством существующих методах получения и обработки экспериментальных даннцг, отсутствием единой ьзатодологичэской основы проведения испытании, несопоставимостью приывняешх типов образцов по цодоиу раду признаков: по конструкция л размерам, со степеш однородности поля напряжений и т.п., различной чувствительностью испытанных материалов ¡с влиянию десткостд напряденного состояния. Подавляющее большпнетво исследований по цдклпчосзоП трепано-стойкости материалов прл двухосном напряшанноа состоянии било ■ выполнено на .образцах со сквозншл троданаая, хотя известно, . что .наиболее характерных.! и осасним дефектом в трубопроводах являются несквозние поверхностные трещины, Фактически отсутствуют сведения о влшшш напряженного состояния на поведение усталостных трещин в условиях наводороаиванпя. В то ее 'время, акализ, выполненный на основа феноменологии развития тревдны

в металле при наводороживании, позволяет предположить существенное снижение его трещиностойкости в условиях одновременного воздействия двухосного напряженного состояния и водорода.

Обзор и анализ способов испытаний оболочковых материалов при двухосном напряженном состоянии показывает, что существующие типы образцов не в полной мере воспроизводят условия работы металла в трубах, поскольку известные образцы либо не обладает совокупностью конструктивно-технологических факто-. ров трубы, либо создаваемое соотношение напряжений не монет охватить весь встречавшийся в эксплуатационной практике диапазон. Так, широкое распространение получил способ испытания внутренним давлением тонкостенных трубчатых образцов. Такие образцы,' однако, tie учитывают влияние масштабности, анизотро- ,. пии свойств и -состояния поверхности натурной оболочки; при их изготовлении не может быть сохранено поле остаточных сварочных напряжений. Достаточно распространен также метод испытания гидростатическим давлением образцов с криволинейной поверхностью или предварительно сформованных сферических, эллипсовидных а полуцилиндрических сегментов. Техника этих ис-штаний, разработанная проф. С.А.Куркинъш и его учениками, позволяет испытывать как тонколистовые материалы, так и крупногабаритные цилиндрические панели, вырезанные непосредственно я8 трубы. Однако, зависимость требуемой п?личины двухосно-сти напряжений от соотношения радиуса матрицы к толщине образца, от исходных прочностных свойств материала и от максимально допустимого давления под образцом существенно ограничивает не только диапазон реализуе:шх соотношений главных напряжений, но • возможность испытания большого класса реально существующих ■ типоразмеров труб. Разработанный проф. А.Н.Моношковым кольцевой

разрезной образец с плоской односторонней выемкой вдоль о0ра-вующей позволяет при его нагрухении создавать на дне выемки

двухосное растяжение. Несмотря на возможность испытания образ-

?

цов, изготовленных из натурных труб любых типоразмеров, данный способ обладает тем недостатком, что реализуемое соотношение напряжений ограничено величиной 0,5 и достигается только при пластическом деформирования металла выемки. Таким образом, показано, что ни один из существующих типов образцов не сможет обеспечить достоверность результатов испытаний.

На основании материалов, изложенных в первой главе, сформулированы цели и задачи исследования.

Глава 2. Важнейшей задачей при разработке методики оценки циклической трещиностойкостя трубопроводных материалов являлось создание принципиально новых типов образцов, адекватно отражающих убловия работы металла в трубах. В числе требований, сформулированных к образцу 1-го типа, было подчеркнуто, что он должен обладать совокупностью конструктивно-технологических признаков трубы и моделировать двухосность нагружения, характерную для трубы под давлением. Учитывая, что первому требованию в наибольшей степени удовлетворяет оВразец, представляющий собой отрезок натурной труби, решение поставленной задачи, по-сущест-ву, сводилось к отысканию способа создания в этом отрезке трубы двухосности напряжений путем приложения к нему механического усилия. С этих позиций был рассмотрен известный в теории пластин и оболочек случай нагружения длинной цилиндрической оболочки двумя радиальными противоположно-направленными силами, когда в результате такого нагружения некоторая локальная область приобретает форму выпучины и, таким образом, оказывается в состояли двухосного нагружения. Анализ выражения

для радиальных прогибов поверхности оболочки показал, что степень возникающей двухосности целиком определяется геометрическими параметрами оболочки. Однако, непосредственное использование в качестве образца отрезка трубы нецелесообразно, так как степенью двухосности практически невозможно управлять, а , для проявления эффекта локального выпучивания требуется слит -ком протяженная труба. Для практического примэнения наблюдаемого эффекта в качестве образца было предложено вместо целой трубы использовать только ее часть в виде цилиндрической панели крестообразной формы с двумя параш плеч - кольцевыми и продольными; при этом, по аналогии с плоскими крестообразными образцами ширина кольцевых и продольных плеч принималась равной. Экспериментально подтверждено, что такая конструкция образца обеспечивает при нагружении радиальными силами торцов кольцевых плеч образца проявление эффекта локального выпучивания, присущего целой оболочке, и кроме того, позволяет, варьируя шириной плеч, изменять характер выпученной поверхности и связанную с этим степень двухосности. Исследование напряженного состояния в образце из трубы конкретного типоразмера выявило, что подбором ширины кольцевых плеч можно добиться получения в центральной части образца характерной для трубы под давлением степени двухосности А = /(5гв 2. Было показано, что для определения оптимальной ширины плеч в образце из трубы любого другого типоразмера / при условии ее тонкостенности ^<0,05/ необходимо воспользоваться методом подобия. Используя в качестве критерия геометрического подобия отношение высоты сегмента § , который образуется й Течении продольного плеча, к толщине образца К , была получена формула дяя определения оп-тималвной ширины кольцевых плеч ббраэца I =

где Д _ радиус кривизны образца. Минимально необходимая длина продольного плеча 1_ определялась из условия полного проявления эффекта локального выпучивания ободочки при данной оптимальной ширине плеч I . Путем исследования напряженного состояния в полюсе образцов с различной дайной было найдено соотношение > £ . являющееся вторым выражением для нахождения оптимальных размеров образца. Экспериментально, на образцах из труб 3-х различных типоразмеров, подтверждено, что при выборе ширины и длины плеч образца согласно полученным выражениям в нем реализуется двухоскость напряжений Л= 2, характерная для трубы под давлением, а поле однородных напряжений в центральной части достигает 70% от ширины плеч, не уступая таковому в плоском крестообразном образце."

Очевидно, что соблюдение идентичности напряженного состо-*

яния в образце напряженному состоянию в трубе, имеющей сварные швы, возможно только при сохранении в образцах, вырезанных из трубы, остаточных сварочных напряжений. Было показано, что размеры образца могут быть откорректированы так, что в его центральной части наряду с обес. учением требуемой степени двухосности Л = 2 сохраняется высокий уровень остаточных напряжений. Внешний вид образца крестообразной формы с кольцевым и продольным швом показан на Рис.1а. К числу дополнительных- преимуществ разработанного образца, отличающих его от известных типов образцов, следует отнести следующее: а) двухосность напряжений в центральной части образца создается при его одноосном нагружении; б) возможно испытание образцов натурной толвдны на сравнительно маломощном оборудовании за счет использования изгибной схемы нагружения; в) возможно создание двухосного растяжения с соотношением Л = 2 при необходимости либо на внешней, либо на внутренней поверхности

>

образца. Поскольку разработанный образец достаточно точно отражает условия работы металла в трубах, его можно рассматривать как модель трубы.

Эксплуатационная практика свидетельствует о том, что на- ' пряженное состояние, возникающее в трубопроводах, часто бывает более жестким, чем Я= 2, в связи с чем применительно к образцу-модели крестообразной формы была разработана схема расширения диапазона соотношений главных напряжений. Согласно этой схеме /Рис.16/, образец нагружают одновременно по горцам кольцевых и продольных плеч и, варьируя величиной усилий Р и Г регулируют степень двухосности напряжений в диапазоне 1<Л< 2. При этом, передача усилий по торцам продольных плеч осуществляется эксцентрично, для чего на краях этих плеч за пределами минимально необходимого размера I устанавливали кронштейны, свободные концы которых я нагружают. Практическая реализация схемн нагружения стала возможной благодаря разработке расчетно-экспериментального метода установления соответствия между требуемым соотношением напряжений <5'Азг и величиной перемещения точек приложения усилий. Тензометрирование центральной части образца свидетельствует, что и в этом случае однородность поля напряжений достаточно велика и достигает ~70$£ от ширины плеч.

Предлагаемая схема нагружения образца-модели крестообразной формы-обладает тем преимуществом, что позволяет: а) создавать требуемую степень двухосности напряжений прл необходимости либо на внешней, либо на внутренней поверхности образца; б) осуществлять усталостные испытания с синхронным цитированием кольцевых и продольных напряжений на стандартной установке для одноосных испытаний, когда переменное усилие при-

кладывают только по торцам кольцевых плеч, а в продольном направлении образец остается нагруженным постоянным усилием, иа-пример, с помощь» винтовой стяж^,

Зачастую при проведении массовых испытаний наряду с обеспечением идентичности в отношении конструктивно-технологических факторов к образцам предъявляют требование по технологичности и металлоемкости, Поскольку этим требованиям в наибольшей степени соответствует образец, представляющий собой кольцо, отобранное непосредственно из натурной трубы, решение по-» ставленной задачи заключалось в придании образцу такой конфигурации, которая позволила бы пугем приложения механического усилия получать в нем двухосное напряженное, состояние. Поиск путей создания двухосности напряжений в кольцевом образце привел к рассмотрению известного в теории оболочек случая на-гругения внутренним давлением цилиндрической оболочка, торцы которой у синены "ае сткими кольцами. При определенном расстоянии между кольцами взаимное влияние торцов вследствии возникающего краевого эффекта усиливается настолько, что централь- ■ ная часть оболочки оказывается под действием продольного изгибающего момента. Достаточно полную аналогию с известным случаем удалось достичь выполняя в кольцевом образце, вырезанном из трубы, симметрично расположенную кольцевую проточку и нагружая такой образец двумя радиальными противоположно-направленными силами. В этом случае область проточки оказывается в состоянии двухосного изгиба, а возникающая степень двухосности зависит от ширины проточки и отношения жесткостей утолщенных краевых участков образца и проточки. Согласно схеме деформирования кольца максимальные силовые факторы возникают в точках приложения сил, в то время как, для практического исполь- "

эованяя гораздо выгоднее, чтобы максимум напряжений располагался в зоне, свободной от внешшс силовых воздействий. Это было достигнуто применением вместо замкнутого кольца, к призеру, полукольца /Рис.2/. Очевидно, что и в этом случае все • вышеизложенное относительно природы возникновения двухосноо-ти напряжений останется в силе. С целью установления количественных закономерностей изменения степени двухосности в образце от его геометрических параметров, в частности, от глубины и ширина проточки была использована другая аналогия со случаем равномерно загруженной квадратной пластины, два края которой свободно оперты, а два других поддерживаются упругими балками. Решение известной задачи, представленное в виде графика, связывающего отношение изгибающих моментов в центре пластины от отношения жесткостей упругой балки и пластины при изгибе, позволяет легко определить необходимые размеры пластины для получения требуемого соотношения напряжений. Выявление по-дрбной зависимости для разрабатываемого образца потребовало ' исследования напряженного состояния полукольцевых образцов в зависимости от целого рада факторов / глубины и ширины проточки, радиуса кривизны, ширины утолщенные краевых участков /. Результатом обобщения обширного экспериментального материала явилась номограмма, согласно которой для конкретного'типоразмера трубы, задаваясь требуемой степенью двухосности, могут быть определены недостающие размеры образца, к примеру, глубина и ширина проточки, а также общая ширина образца. При нали-1 чии сварных швов окончательные размеры .образца, как и в случае с крестообразным образцом, могут быть откорректированы из условия сохранения поля остаточных сварочных напряжений.

Сравнение предлагаемого образца с известными типами об-

*

разцов для испытания оболочковых материалов позволяет выявить целый ряд существенных преимуществ: а| двухосное напряженное состояние в зоне проточки создается при одноосном нагружении образца; б) изменяя размеры проточки в образце / ее глубину и ширину / можно получать различную степень двухосности в диапазоне 1<Л < 2; в) использование изгибной схемы нагружения позволяет испытывать образцы натурной толщины на сравнительно маломощном оборудовании; г) двухосное растяжение при Необходимости может быть реализовано либо на внешней, либо на внутрен-. ней поверхности проточки. Поскольку разработанный образец достаточно точно воспроизводит условия работы металла в трубе, его можно рассматривать как модель трубы.

Методика оценки циклической трещиностойкости предусматривала проведение усталостных испытаний образцов, отобранных непосредственно из исследуемых труб, построение кинетических диаграмм усталостного разрушения /КДУР/ для сталей и сварных соединений на воздухе и в наводороживающей среде и посредством оценки степени изменения скорости РУТ при переходе от одной среды испытания к другой определение стали или сварного соединения, обладающих лучшей сопротивляемостью развитию трещины в заданных условиях. При этом, во всех экспериментах предполагалось использовать образцы с поверхностными трещинами, яв- * ляющимися наиболее характерным и опасным видом дефекта в трубах. Преимущества такого подхода заключаются в том, что скорость РУТ в отличие от коэффициента интенсивности напряжений /КЙН/ позволяет оценивать фактическую трещиностойкость материала трубы с учетом реальной толщины, вида напряженного состояния и других неблагоприятных факторов, а использование поверхностной трещины вместо сквозной позволяет существенно по-

давить развитие пластической деформации в вершине трещины.

Методические особенности в проведении испытаний заключались в следующем.

Учитывая, что при воздействии изгибных нагрузок скорость роста поверхностной трещины по толщине образца постоянна, а на его поверхности непрерывно возрастает, ВДУР исследованных материалов строили в координатах: скорость РУТ по поверхности - размах КИН на концах большой полуоси трещины.'

Испытания продолжали до достижения трещиной предельно допустимой глубины, которая согласно экспериментально полученным данным составляет 65£ от толщины образца.

Показано, что наиболее оптимальная амплитуда цикла напряжений находится в диапазоне 0,6<3^г< (З^ «г 0,86ог.

В процессе испытаний признано необходимым осуществлять односторонний подвод коррозионного раствора к образцу, так как при этом моделируются реальные условия взаимодействия металла трубы со средой.

На основе анализа принятых условий и режимов испытаний обоснована возможность корректной оценки большого класса пластичных и тонкостенных трубных сталей в том случае, если испытывают на усталость в назодороживающей среде разработанные образцы-модели с поверхностными трещинами, а в качестве критерия оценки используют скорость РУТ.

Глава 3. В соответствии с разработанной методикой осуществляли подготовку и проведение испытаний образцов-моделей при Двухосном напряженном состоянии Л. = 2,0; 1,7; 1,0. Для сравнительной оценки трещиностойкости .испытуемых материалов при одноосном напряженном состоянии параллельно испытывали образцы в виде гладких полуколец, толщина и ширина которых была такой

же, как у полукольцевых образцов-моделей. Испытания были проведены на воздухе и в среде HtS / раствор NACE /.

Количественную оценку влияния вида напряженного состояния на циклическую трещшостойкость исследуемых рталей и сварных соединений получали на основе анализа КНУР, результаты которого представлены в Табл.1 и 2. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что переход от одноосного напряженного состояния к двухосному однозначно снижает трещиностойкость Материалов как на воздухе, так и в навэдороживающей среде. Установлено, что режим испытания, а именно, уровень максимальных напряжений и частота циклирования нагрузки практически не сказываются на различии в трещиностойкости в связи с изменением жесткости напряженного состояния; в то же время, влияние напряженного состояния во многом зависит от исходных прочностных свойств материала, воздействия наводороживающей среды, наличия остаточных сварочных напряжений.

Анализ полученных данных позволяет заключить, что одновременное воздействие на металл двухосного нагружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздель-' ное действие. Так, для стали 20 скорость РУТ при переходе от одноосного напряженного состояния к двухосному на воздухе возрастает в 1,16 раза, а при одноосных испытаниях в среде H¿>по сравнению с испытаниями на воздухе - в 13,7 раза, т.е. суммарное увеличение скорости РУТ от действия каждого из факторов в отдельности составило: 1,16 + 13,7 » 14,8. В то же вре-

мя одновременное воздействие обоих факторов увеличивает ског рость РУТ в 15,1 раза. Для стали 45 аналогичные выкладки дали следующий результат: Кв " 1|36, 8,4, т.е. K¿+ /JlotH =

= 1,36 + 8,4 в 9,7 < |Зго= 10,1. В еще большей степени усилива-

ет эффект совместного воздействия двухосности нагружения и водорода термодеформационный цикл сварки. Причина этого - неблагоприятное суммирование двухосного поля остаточных напряжений с внешним двухосным напряженным состоянием.

Качественная оценка влияния вида налряженного состояния на трещиностойкость исследуемых материалов была получена в ходе изучения эволюции формы поверхностной трещины, а также в результате фрактографического анализа поверхностей разрушений.

Наблюдения за изменением контура поверхностной трещины под влиянием различиях факторов показало,, что коэффициент формы т.е. отношение глубины трещины к полудлине на поверхности уменьшается в результате повышения жесткости схемы напряженного состояния; воздействия наводороживакцей среды; наличия остаточных оварочных напряжений. Было отмечено, что аналогичное изменение формы трещины вызывает и увеличение максимального напряжения цикла, в связи с чем факт уменьшения коэффициента формы трещины был однозначно расценен как результат воздействий, направленных на ускоренное развитие разрушения.

В ходе фрактографического анализа поверхностей разрушения также ; I зафиксировано влияние вида напряженного состояний на строение изломов сталей, а именно, с увеличением жесткости напряженного состояния изломы разрушенных образцов приобретают все более хрупкий характер, при этом, в сталях различных структурных классов проявляются различные охрупчивающие признаки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе впервые полученных экспериментальных результатов дана качественная и количественная оценка циклической тре-пшностойкости трубных сталей и сварных соединений при различных напряженных состояниях в зависимости от среды и режимов испыта-

такий. Установлено, что вид напряженного состояния оказывает существенное влияние на развитие трещины, а именно, при переходе от одноосного напряженного состояиия к двухосному скорость РУТ повышается. Выявлено, что дня пластичных сталей, типа стали 20, влияние двухосности на изменение трешностойкости незначительно, н этим влиянием, в принципе, можно пренебречь. С увеличением

I

прочности чувствительность материала к виду напряженного состо-

>

яния возрастает, что вызывает необходимость учета фактора двухосности на скорость РУТ.

2. Влияние вида напряженного состояния на трещиностойкость трубных сталей и сварных соединений не зависит от режима испытания / уровня напряжений и частоты датирования нагрузки /; оно определяется прочностными свойствами материала, воздействием водорода, наличием-остаточных сварочных наиряжнний.

3. Установлено, что совместное воздействие двухосности наг-ружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. С позиций современных концепций развития трещин в металлах при наводорокивании дано феноменологическое обоснование тому, что ужесточение схемы напряженного состояния приводит к смещению максимума растягивающих напряжений к вершине трещины и одновременно с этим к росту величины гидростатических напряжений, благодаря чему достижение критической комбинации водорода и напряжений, необходимой для очередного скачка трещины, происходит за меньшее время и при меньшей величине рабочих напряжений.

4. Показано, что в еще большей степени эффект совместного воздействия двухосности нагружения и водорода усиливает термодеформационный цикл сварки, поскольку в этом случае происходит неблагоприятная суперпозиция двухосного шля остаточных напря-

жений с внешним двухосным напряженным состоянием.

5. Показано, что с увеличением жёсткости напряженного состояния уменьшается коэффициент формы трещины, т.е. при определенной глубине ее дайна на поверхности становится больше для' случая двухосного напряженного состояния по сравнению с одноосным нагружением.

6. Обнаружено, что независимо от среды испытания переход от одноосного напряженного состояния к двухосному сопровождается качественным изменением строения изломов, а именно, изломы становятся более хрупкими. ' .

7. Показано, что стойкость сталей 20 и 45 сероводородному разрушении, определенная по результатам проведенных испытаний на циклическую трепшостойкость,. не коррелирует с результатами известных исследований оценки стойкости этих же сталей сульфидному коррозионному растрескиванию, причем различие двух видов оценок заметно усиливается при двухосном напряженном состоянии, что подтверждает необходимость учета фактора двухосности нагру-сзния пра определении коррозионно-цикличасжой трешаностойкости трубопроводных материалов.

Материалы диссертационной работы отражены в публикациях:

1. Баспев К.Д., Еси'ев Т.С. Исследование влияния циклических нагрузок на работоспособность оболочковых конструкций // Тез. докл. VIII зонального науч.-метод, совещания-семинара по теорет. механике вузов Соз.-Кав. региона / Владикавказ, 25-29 сент. 1990г./.- Владикавказ, 1990. - С.49-50.

2. Есиев Т.О., Еасиев К.Д. Об оценке работоспособности трубных сталей б яаводороклвашях средах по скорости роста усталостной тратили // Тез. докл. Всесоюз. совещания "Проблемы защиты

от коррозии нефтегазопрокыслбБого оборудования", Смоленск, сент. 1991г. - Москва, 1991.- С.23-24.

3. Есиев Т.С., Басаев К.Д., Авсарагов А.Б. К выбору образца для оценки сопротивляемости металла труб коррозионно-мехалическо-му разрушению Ц Тез. докл. науч.-техн. конф. "Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Укра-инн", Черкассы, 13-15 мая 1992г. - Киев, 1992. - С.57-58.

4. Положительное решение на заявку № 4915829. Образец для испытания металлических труб на усталость при двухосном напряженном состоянии •/ Т.С.Есиэв, К.Д.Басиев, О.И.Стеклов. - Принято 03.01.92.

• 5. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Авсарагов А.Б., Хасиев Ч.М. Новые подходы в оценке сопротивляемости трубных сталей сероводородной коррозии //I Мевдунар. конгресс Всесоюз. ассоциации корро-зионистов "Защита - 92", Москва, 6-11 сент. 1992г.: Расшир. тез. докл. - Москва: 1992. - Т.1, ч.2. - С.213-215.

6. Басиев К.Д., Есиев Т.О., Стеклов О.И. Эксплуатационная надежность оболочковых конструкций, предназначенных для хранения экологически опасных продуктов // Tea. докл. I Междунар. конф. "Экологические проблемы горных территорий", Владикавказ, 20-24 окт. 1992г. - Владикавказ, 1992. - С.204-205.

Диссертация содержит 176 машинописных страниц, 2 таблицы, Ш рисунков и- 156 наименований.литературных источников.

Рис.1. Образец-модель трубы в виде цилиндрической панели крестообразной формы и схемы создания двухосного напряженного состояния: - ,

а) Л = ®'/С>* = 2;

Рис.2. Образец-модель трубы в виде цилиндрической панели с кольцевой проточкой для создания двухосного напряженного состояния:

1«Л = <Ч^2

Таблица 1

Марка стали Размах кин дК, МПа.ы5* Скорость РУТ при испытании )

на воздухе м/цикл в Н»5 м/цикл

1-ОСН. Н.С. 2-0СИ. н.С. {'ОСН. НС 2-ос н н.с.

Ст. 45 10 1,40-10"* 1,90*16' 1,18*10* 1,92*10"

Ст.45" 10 - - 6,70*16* 9,80* 10"*

Ст. 20 10 4,75-Ю"9 5,44«108 6,29»10*л 8,30«Ю"*

Ст.20* Св.С.- 10 . 10 2,78*10"' 3,25«10* 3,93*10* 5,44» 10* 4,85'10м 1,81«1б'

* - . Таблица 2

Марка стали Размах КИН ДК, МПа*ыН Изменение скорости РУТ

К-^Аоси Р'Ун/у

воздух Н,5 f ОСН. НС 2 -осн. не

Ст.45 10 1,36 1,63 8,40 10 до

Ст. 45 10 - 1,50 - -

Ст.20 10 1,15 1,32 13,20 15,30

Ст.20 Св.С. 10 ю . 1,17 1,23 2,80 14,10 14,90

» - амплитуда цикла натружения: сталь 45 - 0,54бч»;

сталь 20 - 0,646чг; / в остальных случаях образны стали 45 и 20 испытывали прибоя 0,?4<Зчг/.