автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера

На правах рукописи

Сидоров Михаил Михайлович

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 НАР 2014

Томск-2014 005545771

005545771

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении наук Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук Голиков Николай Иннокентьевич

Официальные оппоненты:

Ремнев Геннадий Ефимович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры водородной энергетики и плазменных технологий

Буров Владимир Григорьевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», профессор кафедры инженерной графики

Ведущая организация - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»

Защита диссертации состоится «2Ь маша 2014 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу 634055 г. Томск, пр. Академический, 2/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН

Автореферат разослан « ¿О» Февраля 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

I

доктор физико-математических наук, профессор • В.И. Данилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из наиболее актуальных проблем для районов Севера является обеспечение надежности и безопасности магистральных и технологических трубопроводных систем. Изготовление сварных конструкций из различных марок сталей и сплавов показывает, что получаемые сварные соединения часто имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл. Вызвано это прежде всего наличием остаточных сварочных напряжений и деформаций, структурной неоднородностью материала в зоне сварного шва, а также образованием технологических дефектов в процессе сварки.

Результаты анализа фактических случаев разрушений металлоконструкций, эксплуатируемых при низких температурах, отраженные в трудах В.И. Труфякова, JI.A. Копельмана, В.П. Ларионова, И.В. Кудрявцева, О.И. Слепцова, Г.И. Макарова, A.B. Лыглаева и др., показывают, что хрупкие и усталостные трещины преимущественно берут начало в зоне сварных соединений. Таким образом, разработка способов повышения усталостной долговечности сварных соединений металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях Севера, позволяющих повысить их механические свойства и формировать благоприятное распределение остаточных сварочных напряжений, является актуальной научно-технической задачей.

Степень разработанности темы. Основными методами послесварочной обработки с целью повышения прочности и надежности сварных конструкций являются термообработка, методы пластической деформации, низкочастотная виброобработка, взрывная обработка, а также ультразвуковая ударная обработка (У У О).

Технология УУО сварных швов и околошовной зоны для снятия механических сварочных напряжений, а также виброударный инструмент для ее реализации достаточно широко описаны в научно-технической и патентной литературе, начиная с 70-х годов прошлого столетия. Однако с позиции теории механического ударного воздействия и упругоппастической деформации они наиболее глубоко были исследованы впервые только к 1997 г. при ремонте магистрального газопровода Грязовец - Ленинград в Вологодской области. Эффективность применения УУО для повышения сопротивления усталости, предела выносливости, увеличение циклической долговечности сварных соединений наведением остаточных напряжений сжатия, измельчением структуры в приповерхностном слое, повышением микротвердости и механических свойств для высокопрочных мостовых и теплоустойчивых марок сталей (ВКС-12, 15Г2Ф, 12Х1МФ, 12Х18Н10Т, 1Х18Н9Т, 20ХГНСНА) описаны в трудах различных ведущих исследовательских центров России и СНГ (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, г.Киев, Украина; ИФПМ СО РАН, г.Томск, Россия; РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва, Россия и др.). Вместе с тем недостаточно глубоко проведены исследования в области УУО сварных соединений техники и металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур (до -60 °С), что существенно ограничивает применения метода при их строительстве, монтаже и ремонте.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей влияния УУО на остаточные сварочные напряжения и механические свойства сварных соединений трубопроводов, работающих в условиях низких климатических температур. В качестве инструмента дня обработки был применен технологический комплекс, состоящий из ультразвукового генератора УЗГТ 0.5/27 с технологической оснасткой типа «Шмель», разработанный в ИФПМ СО РАН.

Цель работы: исследовать влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений в кольцевых сварных соединениях трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных сталей, для эксплуатации в условиях низких климатических температур.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Экспериментально обосновать режим УУО, который обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционной стали 13Г1С-У.

2. Исследовать распределение остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У при ручной дуговой сварке и автоматической сварке под флюсом, не подвергнутых последующей механической обработке.

3. Оценить влияние УУО на изменение характера распределения и знака остаточных сварочных напряжений в кольцевых стыках труб из стали 09Г2С и 13Г1С-У.

4. Исследовать изменение сжимающих остаточных напряжений, наведенных после УУО при циклическом механическом нагружении образцов сварных соединений из стали 13Г1С-У.

5. Оценить влияние УУО на изменение ударной вязкости при различных температурах образцов сварных соединений труб диаметрами 530 и 720 мм из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.

6. Разработать способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб.

Научная новизна работы

- Экспериментально установлено, что ультразвуковая ударная обработка реализованного с помощью технологического комплекса при мощности 420 Вт обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварного соединения из низколегированной стали 13Г1С-У.

- Выявлено, что УУО сварного соединения с внутренней стороны стенки трубы способствует изменению характера распределения остаточных сварочных напряжений, а их средние значения меняются от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений, что обеспечивает формирование напряжений сжатия на внутренней поверхности трубы.

- Показано, что после УУО значения сжимающих остаточных напряжений увеличиваются и достигают уровня значений в пределах -337... -360 МПа, что при воздействии циклических растягивающих нагрузок в диапазоне 0,8567-... 0,95б/-создает запас остаточных сжимающих напряжений и способствует сохранению отрицательного знака во всех зонах сварного шва.

- Показано, что проведение УУО с внутренней стороны стенки трубы позволяет повысить ударную вязкость металла шва (МШ) и околошовной зоны (ОШЗ) образцов сварных соединений из низколегированных сталей в диапазоне температур -40... -60 °С, для образца из стали 09Г2С в МШ на 30 %, а в ОШЗ - на 24 %; для образцов из стали 13Г1С-У ударная вязкость МШ повышается на 12 %, а ОШЗ практически не меняется, что связано формированием остаточных сжимающих напряжений.

Практическая ценность и реализация результатов исследования

Разработан способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных сое-

динениях стыков труб, который является основанием для внедрения УУО при строительстве и ремонте трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера. Новизна технических решений реализованных при разработке методики, подтверждена патентом.

Результаты исследований:

- Использованы при проведении ремонтных работ в ОАО «Саханефтегазсбыт».

- Рекомендованы кафедрой сварки, диагностики и мониторинга конструкций (СДиМК) Технологического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова для разработки методического пособия по методам обработки сварных соединений для студентов технического профиля.

- Использованы при выполнении НИР ИФТПС СО РАН по проекту: «Развитие теории структурно-деградиционных процессов разрушения и деформирования материалов и их неразъемных соединений и разработка технологических основ повышения промышленной безопасности и ресурса машин и конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях Севера», реализованному в 2010-2012 гг., и НИОКР по программе ФНИ государственных академий наук на 2012-2014 гг. -проект №2.16.3 «Исследование влияния низкочастотной поверхностной ударной обработки на межзеренные границы шва и зоны термического влияния сварных соединений низколегированных сталей».

Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются рентгеновский метод определения напряжений, спектральный анализ химического состава, оптическая металлография, измерение микротвердости, механические испытания на статическое растяжение, ударный изгиб и малоцикловую усталость образцов сварных соединений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установленное оптимальное значение мощности генератора технологического комплекса ультразвуковой ударной обработки, при котором выравнивается распределение микротвердости по всем зонам сварного соединения.

2. Выявленный характер перераспределений остаточных напряжений при проведении ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб из низколегированных сталей.

3. Особенности перераспределений значений наведенных сжимающих остаточных напряжений после ультразвуковой ударной обработки сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений.

4. Результаты исследования влияния ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений труб из низколегированных сталей применяемых при строительстве магистральных газопроводов в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Степень достоверности и апробации результатов. Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации определяется комплексным характером работы, системным подходом к исследованиям с использованием современных, преимущественно стандартных и взаимно дополняющих друг друга экспериментально-аналитических методов и испытаний.

Основные положения диссертационной работы представлены к обсуждению на научно-практических конференциях и симпозиумах: Международной молодежной конференции с элементами научной школы «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях», г. Якутск, 2009 г.; V, VI Евразийских симпозиу-

мах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата, г. Якутск; XIV Лаврентьевских чтениях, посвященных 110-летию академика М.А. Лаврентьева, г. Якутск 2010 г.; Всероссийской конференции научной молодежи «Эрэл-2011», г. Якутск; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2009 г.; VII Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», г. Екатеринбург,- 2012 г.; 14-й международной научно-технической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», г. Красноярск, 2012 г.; на научных семинарах отдела «Технологии сварки и металлургии» и на технологическом семинаре ИФТПС СО РАН.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 24-х публикациях: 3-х статьях в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 1 патенте на изобретение, остальные - в трудах конференций различного уровня.

Личный вклад автора заключается в выполнении задач, поставленных для данной диссертации, написании статей в соавторстве, выступлении с докладами на научных конференциях.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий», пункту 3 «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки», пункту 6 «Новые технологические процессы механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации» паспорта специальности 05.02.07 -Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 146 наименования. Всего 131 страница, включая 55 рисунков и 10 таблиц. В приложении приведен акт использования результатов научно-технической работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, изложены краткое содержание глав диссертации, научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе выполнен обзор литературы по теме исследования и анализ причин разрушений магистральных и технологических трубопроводных систем, эксплуатирующихся в условиях Севера. Отмечено, что магистральные трубопроводы в северном исполнении - это уникальные металлоемкие конструкции, не имеющие аналогов в практике строительства и эксплуатации в суровых геокриологических условиях Якутии. Из анализа отказов магистральных трубопроводов установлено,

что зарождение разрушений чаще всего возникает в зонах сварных соединений кольцевых швов. Причины отказов сварных соединений металлоконструкций, эксплуатируемых в Республике Саха (Якутия), происходит из-за недостаточной их технологической прочности и хладостойкости. Описаны основные факторы, ускоряющие разрушение сварных соединений трубопроводов: концентрация напряжений и деформация, остаточные сварочные напряжения, неоднородность структуры сварного соединения, технологические дефекты сварки. Показана роль остаточных сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений.

Установлено, что условия работы металла и сварного соединения газопровода специфичны и определяются следующими факторами, влияющими на их сопротивление разрушению:

- газопроводы Севера эксплуатируются в суровых природно-климатических условиях, что обуславливает работу металла труб в широком интервале температур от +40 °С в летний до -60 °С в зимний периоды;

- газопроводы аккумулируют большое количество энергии перекачиваемого продукта, что может вызвать протяженные квазихрупкие или хрупкие разрушения, которые происходят в условиях высоких динамических нагрузок, кроме того, в трубопроводах аккумулируется энергия упругой деформации металла, что также усложняет условия работы металла;

- в трубопроводах сварочные дефекты расположены в основном в корневом шве стыков труб, вследствие чего усталостное разрушение сварного соединения может брать начало с дефектов корневого шва, либо от участка ЗТВ расположенного с внутренней стороны стенки трубы, под влиянием высоких растягивающих остаточных напряжений.

Проведен обзор существующих технологических методов обработки сварных конструкций и ультразвуковой ударной обработки, в частности. Отмечено, что технология упрочнения ударным поверхностным пластическим деформированием может эффективно использоваться для снижения остаточных сварочных напряжений, улучшения механических и структурных свойств сварных соединений различных видов на изделиях из конструкционных сталей.

На основании обзора в заключительной части главы поставлена цель и определены задачи диссертационной работы.

Во втором разделе приведена методика проведения ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб с указанием зоны и размеров обрабатываемого участка, мощности генератора и длительности обработки. Даны технические характеристики технологического комплекса, использованного в работе, состоящего из ультразвукового генератора УЗГТ 0.5/27 и оснастки типа «Шмель», разработанный в ИФПМ СО РАН.

Подробно описана и отработана методика измерения остаточных напряжений (ОН) сварных соединений стыков труб с применением аппаратуры портативного рентгеновского определителя напряжений (ПРОН). Данная аппаратура использовалась при определении остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб, а также их перераспределения после УУО и циклического нагружения.

Методами спектрального анализа уточнены химический состав сталей при испытаниях на статическое растяжение - механические свойства исследованных конструкционных сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У.

Описана технология подготовки сварных проб из труб вышеуказанных марок сталей с измерением параметров в процессе сборки и сварки. Сварные пробы выполнены ручной дуговой сваркой с применением электродов типа Э50А и Э55А и автоматической сваркой под флюсом с применением сварочной проволоки ОК аутрод 12.24 под флюсом ОК Флакс 10.71.

Проведен подбор режима УУО на основании данных анализа распределения микротвердости обработанных образцов, изготовленных из кольцевого стыкового сварного соединения трубы диаметром 720 мм, с толщиной стенки 8 мм (стали 13Г1С-У класса прочности К55). УУО проводили при разной мощности генератора от 350 до 500 Вт. Показано, что в исходном состоянии наблюдается неравномерное распределение микротвердости, при этом минимальные средние значения до 1 714±41 МПа обнаружены в зоне термического влияния (ЗТВ). После проведения УУО происходит повышение значений микротвердости в ЗТВ. Максимальные средние значения микротвердости до 2 122±46 МПа обнаружены в ЗТВ при мощности обработки 500 Вт. В зоне металла шва (МШ) и основного металла (ОМ) разброс средних значений микротвердости находится в диапазоне 88 ... 131 МПа. При обработке с мощностью 420 Вт наблюдается равномерное распределение значений микротвердости по зонам сварного соединения (рис. 1).

На рис. 2, а, б представлены микроструктуры образцов, изготовленных из стали 13Г1С-У, до и после УУО. Структура ОМ представляет собой мелкозернистую ферритно-перлитную смесь с величиной зерна 8 баллов по шкале по ГОСТ 5639-82. Металл шва имеет дендритную структуру. В переходной зоне наблюдается обезуглероживание на границе между МШ и ОМ вследствие сильного нагрева в процессе сварки (рис. 2, а), что приводит к снижению микротвердости в ЗТВ (рис. 1). После УУО в переходной зоне наблюдается из-зонам шва: 1 - исходная; 2 - при УУО 350 Вт; мельчение зерен (рис. 2, б) в резуль-3 - при УУО 420 Вт; 4 - при УУО 500 Вт тате, которого повышается микротвердость в ЗТВ (рис. 1).

На рис. 3 представлены микроструктура основного металла для трубы диаметром 530 мм (стали 09Г2С) в исходном состоянии и после УУО при разной мощности генератора от 400 до 450 Вт. Исходная структура имеет мелкозернистую ферритно-перлнтную структуру, перлит пластинчатый. Балл зерна равен 10 (рис. 3, а). После УУО при мощности 400 Вт на поверхности наблюдается измельчение зерен феррита (рис. 3, б).

Рис. 1. Распределение усредненных значений

микротвердости исходной и подвергнутой УУО обоазнов при различных мощностях по

•' ми зтв (

Ш&

мш

•• л-

■

ш ж ш^ш.

¡н

а) б)

Рис. 2. Микроструктура переходной зоны корневого шва сварного соединения из стали 13Г1С-У (х200): а) без обработки; б) после УУО

Дальнейшее увеличение мощности генератора при обработке до 420-450 Вт в структуре металла приводит к значительному измельчению размера зерен (рис. 3, в, г). Соответственно, увеличивается микротвердость и создается слой наклепа на глубину до 0,3 мм. Показано, что при каждом увеличении мощности УУО измельчение зерен в структуре становится больше, тем самым происходит повышение микротвердости на поверхности обрабатываемого участка как показано на рис. 1. Так как при мощности обработки 420 Вт наблюдается равномерное распределение микротвердости по всем зонам шва, предпочтительно производить УУО с мощностью 420 Вт.

_________МйЩЩШ. 1

____________________________сг^тЯ&Щ!

а) б) в) г)

Рис. 3. Микроструктура основного металла трубы из стали 09Г2С после УУО при различной мощности (х500): а) исходная; б) УУО при 400 Вт; в) УУО при 420 Вт;

г) УУО при 450 Вт

Таким образом, показано, что при каждом шаге увеличения мощности УУО измельчение зерен в структуре проявляется в большей степени, тем самым увеличивается микротвердость на поверхности обрабатываемого участка, как показано на рис. 1. Так как при мощности обработки 420 Вт наблюдается равномерное распределение микротвердости по всем зонам шва, предпочтительно производить УУО именно с этой мощностью.

В третьем разделе описаны результаты экспериментальных исследований распределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметром 219, 530 и 720 мм, изготовленных из сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У.

Анализ полей ОН в кольцевых стыках труб диаметром 219, 530 и 720 мм показал, что после формирования сварного шва наибольшие растягивающие напряжения возникают во внутренних приповерхностных слоях стенок труб, в зоне корневого шва, уровень которых достигает предела текучести основного металла. При этом ширина зоны шва, испытывающей растягивающие ОСН с внутренней стороны труб с толщиной стенки 8 мм находится в пределах 30 мм, а толщиной стенки 14 мм - до 80 мм. Для примера представлен сравнительный анализ профилей остаточных

напряжений в сварных соединениях труб диаметром 720 мм, выполненных ручной дуговой сваркой и автоматической сваркой под флюсом (рис. 4). Остаточные напряжения измерены в трех различных участках по периметру труб. В зависимости от определяемого вида напряжения: кольцевого (ое) или осевого (о2), напряжения измерены в продольном и поперечном относительно оси трубы направлениях, в точках, расположенных на различном расстоянии от центра шва.

Рис. 4. Распределение значений ОСН в сварных соединениях стыков труб диаметром

720 мм, из стали 13Г1С-У в точках, расположенных на различном расстоянии г от центра шва (г=0 мм): а - наружная и б - внутренняя поверхность; 1 - автоматическая сварка под флюсом и 2 - ручная дуговая сварка

Результаты исследований (рис. 4) показывают, что высокие растягивающие напряжения формируются во внутренней поверхности сварного соединения труб и достигают 350 МПа. Причем уровень растягивающих остаточных напряжений выше у стыка труб выполненного автоматической сваркой под флюсом. Это можно объяснить тем, что погонная энергия при автоматической сварке выше (уровень погонной энергии в пределах 2 400-3 700 кДж/м), чем при РДС (1 500-2 500 кДж/м). В целом при сварке кольцевых стыков труб диаметром 720 мм толщиной стенки 8 мм происходит сильное обжатие в зоне сварного соединения, что приводит к образованию в околошовной зоне высоких растягивающих напряжений во внутренней поверхности стенки трубы и напряжений сжатия на наружной поверхности.

Обнаруженные высокие растягивающие остаточные напряжения могут значительно снизить ресурс сварных соединений и стать одной из причин возникновения хрупких трещин в кольцевых стыках труб.

Выявлены особенности перераспределения ОН в сварных соединениях стыков труб после УУО. Обработку проводили при мощности генератора 420 Вт, с рабочей частотой 26 кГц, как с наружной, так и с внутренней стороны стенки труб. На рис. 5 и

6 представлены результаты исследований характера распределения полей остаточных напряжений после УУО кольцевого стыка трубы диаметром 720 мм.

СТ, МПа

500 450 400 350 300 250 200 150 100

СГ, МП а

400 350

а) б)

Рис. 5. Перераспределение значений осевых (а) и кольцевых (б) напряжений во внутренней поверхности сварного соединения стыка трубы после УУО с внешней стороны в точках, расположенных на различном расстоянии г от центра шва (^0 мм): 1) до УУО; 2) после УУО

400 300 200 100 о -100 -200 -300 -400

600 500 400 300 200 100 О -100 -200 -300 -400 -500

10

10

15

а) б)

Рис. 6. Перераспределение значений осевых (а) и кольцевых (б) напряжений во внутренней поверхности сварного соединения стыка трубы после УУО с внутренней стороны в точках, расположенных на различном расстоянии г от центра шва (^=0 мм):

1) до УУО; 2) после УУО

Показано, что УУО с внешней стороны качественно не меняет поле ОСН и даже может повысить уровень остаточных напряжений с внутренней стороны (рис. 5, а, б), в то время как проведение УУО сварного соединения с внутренней стороны стенки трубы способствует перераспределению остаточных напряжений с растягивающих на сжимающие и их средние значения от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений (рис. 6, а, б).

Результаты исследований остаточных напряжений кольцевых стыков труб показывают, что УУО целесообразнее проводить с внутренней стороны стенки труб, в зоне корневого шва.

Рассмотрено перераспределение наведенных после УУО сжимающих остаточных напряжений при воздействии циклических растягивающих нагрузок. Испытаны образцы, вырезанные из сварных соединений стыков труб в исходном со-

стоянии и подвергнутые УУО. Нагружение образцов проводили с помощью серво-гидравлической испытательной машины «ГпвЦгоп 8802» одноосным растяжением с количеством циклов в серии 5000. Уровень максимальных напряжений в серии -0,7 бт; 0,85 бт; 0,95 бт.

Показано, что в зоне МШ необработанных образцов при воздействии циклических растягивающих нагрузок 0,7 бт происходит увеличение средних значений ОСН от -182 до ОМПа. Дальнейшее увеличение нагрузки 0,85бт... 0,95бт приводит к смене знака ОСН на растягивающие, которые достигают до 100 МПа. В целом максимальный размах значения ОСН в зоне МШ от исходного составил 280 МПа (рис. 7).

После УУО значения сжимающих остаточных напряжений увеличиваются и достигают -337... -360 МПа, что при воздействии циклических растягивающих нагрузок в диапазоне 0,85бт... 0,95&т создает запас остаточных сжимающих напряжений и способствует сохранению отрицательных знаков во всех зонах шва (рис. 8), что в целом может положительно влиять на усталостную прочность сварного соединения.

а, МПа

МШ 3' в 1 ом 1

к _ 1

! Б"

г~Г /

1 1 ^.....2 ~......

—г 1

о I 5 I 10 г>мм

Рис. 7. Распределение значений ОН в сварном соединении без обработки в точках, расположенных на различном расстоянии г от центра шва при следующих нагрузках испытания (^0 мм): 1) исходная; 2) 0,7бт; 3) 0,85 бт; 4) 0,85 бт (повторное); 5) 0,95 бТ

а, МПа

-400

О 15 Ю г,мм

Рис. 8. Распределение значений ОН в сварном соединении с УУО в точках, расположенных на различном расстоянии г от центра шва при следующих нагрузках испытания (^=0 мм): 1) Исходная; 2) После УУО; 3) 0,85бт; 4) 0,95бт; 5) 0,95бт (повторное нагружение)

Четвертый раздел. Для сварных конструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одной из определяющих характеристик материала является ударная вязкость. В разделе приведены результаты исследований влияния УУО на ударную вязкость сварных соединений труб диаметрами 530 и 720 мм из низколегированных сталей 09Г2С и 13Г1С-У при снижении температуры испытаний до -60 °С. Полученные результаты сравнивали с данными ударной вязкости сварных соединений из тех же труб, но после их термообработки. Режим термического отжига образцов: нагрев до температуры 650 °С с последующей выдержкой 1 час и медленным остыванием в печи.

Для испытаний на ударный изгиб в диапазоне температур -60... +20 °С были изготовлены образцы с исходного, подвергнутого УУО и термическому отжигу фрагментов сварных соединений труб по ГОСТ 6996-66 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств» с И-образными надрезами в зоне металла шва (МШ) и в околошовной зонах (ОШЗ).

Результаты испытаний показывают, что положительный эффект УУО кольцевых сварных стыков труб из низколегированных сталей сохраняется в диапазоне отрицательных температур: по сравнению с необработанным материалом ударная вязкость МШ сварной пробы из стали 09Г2С в среднем выше на 30 %, металла ОШЗ - на 24 %; в сварной пробе из стали 13Г1С-У ударная вязкость МШ выше на 12 %, в ОШЗ практически не изменилась (рис. 9 и 10). Из графиков видно, что наиболее высокие значения ударной вязкости в ОШЗ сварного соединения получены после термической обработки (рис. 9, а). Но в зоне МШ наибольшее увеличение ударной вязкости сварного соединения достигнуто после УУО (рис. 9, б и 10, б).

а н Дж/см2

400 350 300 250 200 150 100 50 0

3

\_2_

09г2с

а„ Дж/см2

300 250 200 150 100 50 0

-60 -40

-20 о)

20

т, с

-60

-40

3 /

\ 2

09Г2С

-20 б)

20

г, °с

Рис. 9. Зависимость ударной вязкости от температуры испытаний образцов с надрезом в ОШЗ (а) и в зоне МШ (б), изготовленных из сварного соединения трубы диаметром 530 мм, стали 09Г2С: 1) исходная; 2) после УУО; 3) после ТО

Эц Дж/см2

350 300 250 200 150 100 50 0

_1

^—

1ЭГ1С-У

зоо 250 200 150 100 50 О

, Дж/см2

2

\

13ПС-У

-60

-20 а)

т, °с

-40

-20 б)

Рис. 10. Зависимость ударной вязкости от температуры испытаний образцов с надрезом в ОШЗ (а) и в зоне МШ (б), изготовленных из сварного соединения трубы диаметром 720 мм, стали 13Г1С-У: 1) исходная; 2) После УУО; 3) После ТО

Таким образом, УУО не уступает термической обработке по своему положительному влиянию на значения ударной вязкости сварных стыков труб из низколегированных сталей 09Г2С и 13Г1С-У при различных температурах.

Проведен расчет остаточного срока службы сварного соединения согласно РД 12-411-01 для газопровода диаметром 530 мм, изготовленного из стали 09Г2С. Показано, что повышение ударной вязкости монтажных кольцевых стыков труб после УУО может привести к повышению длительности их эксплуатации на 15 %.

Исследовано влияние наведенного наклепа после УУО с мощностью 420 Вт на изменение механических характеристик сварных соединений при циклическом нагружении. Циклическое деформирование образцов проводили на сервогидрав-лической машине «1п5й:оп 8802» при максимально заданной нагрузке 0,8ст, с количеством циклов - 10 ООО. Количество циклов нагружений выбрано из тех соображений, что трубопроводы в процессе эксплуатации испытывают порядка 0,8-104-^1,4-104 циклов. Из результатов испытаний следует, что УУО с мощностью 420 Вт не приводит к изменению ат, ств и 5 сварных соединений, а наклепанный поверхностный слой не способствует изменению механических характеристик в процессе циклического деформирования (таблица 1).

Таблица 1

Результаты механических испытаний образцов

Образцы Средние значения механических характеристик

Предел текучести, стт, МПа Временное сопротивление, св МПа Относительное удлинение, 5%

Исходная 420±9,3 556± 15,7 18,4+1,9

с УУО 422±3,5 565±2,8 18,5+1,0

Исходная (после циклических испытаний) 411±15,9 553±10,4 18,5+0,9

с УУО (после циклических испытаний) 420±16,6 569±3,0 18,4+2,1

На основании полученных экспериментальных данных и их сравнения с результатами других авторов разработан технологический способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб с помощью УУО. Способ УУО сварных соединений стыков труб с целью трансформации напряжений растяжения на сжимающие отличается тем, что обработку производят с внутренней стороны стенки трубы (с корневого шва) на ширину зоны растягивающих остаточных напряжений от 30 до 80 мм (определяется толщиной стенки, режимом сварки, материалом основного металла) (рис. 11). При этом инструмент, обрабатывающий поверхность сварных соединений, перемещается вдоль шва механизированным способом. Частота колебаний инструмента 26 кГц, мощность, подводимая к преобразователю генератором - 420 Вт. При данном способе УУО происходит инверсия остаточных напряжений с растягивающих на сжимающие во внутренней поверхности стенки трубы, и их средние значения изменяются от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений, что создает определенный запас сжимающих остаточных напряжений.

скрои иоб стало труби

участок уборной обработки широкой 30-80 нп

Рис. 11. Схема проведения ультразвуковой ударной обработки

Кроме того, повышается микротвердость на поверхности обработанного участка и механические свойства сварного соединения, что в целом положительно влияет на усталостную долговечность сварных конструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера.

1. Установлено, что при ультразвуковой ударной обработке сварного соединения стыка трубы из низколегированной стали 13Г1С-У повышается микротвердость в поверхностном слое при каждом шаге увеличения мощности обработки. Равномерное распределение микротвердости по всем зонам шва наблюдается при мощности генератора технологического комплекса 420 Вт.

2. Выявлено, что при сооружении трубопроводов диаметром 219, 530 и 720 мм в зоне корневого шва с внутренней стороны трубы формируются остаточные напряжения в основном растягивающего типа, достигающие значения 350 МПа. При этом ширина зоны с растягивающими ОСН с внутренней стороны труб с толщиной стенки 8 мм находится в пределах 30 мм, а толщиной 14 мм - может достигать 80 мм.

3. Установлено, что УУО кольцевого шва с внешней стороны стенки трубы диаметром 720 мм качественно не меняет поле ОСН и даже может повысить уровень ОСН с внутренней стороны, когда как проведение обработки с внутренней стороны стенки трубы способствует изменению средних значений ОСН от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений, что обеспечивает формирование напряжений сжатия на внутренней поверхности трубы.

4. Показано, что при циклическом воздействии нагрузок у образцов, не подвергнутых УУО, наблюдается повышение ОСН, при этом наибольший размах среднего уровня сжимающих остаточных напряжений происходит в зоне МШ с переходом на растягивающие от -182 до 100 МПа. После УУО в МШ наблюдается увеличение уровней сжимающих остаточных напряжений до -360 МПа, что способствует сохранению отрицательного знака ОСН при циклическом воздействии растягивающих нагрузок в диапазоне 0,85 б^... 0,95 б^ во всех зонах шва.

5. Выявлено, что положительный эффект УУО кольцевых сварных стыков труб из низколегированных сталей 09Г2С и 13Г1С-У сохраняется в диапазоне отрицательных температур: по сравнению с необработанным материалом удар-

выводы

ная вязкость металла шва из стали 09Г2С в среднем выше на 30 %, в околошовной зоне - на 24 %; из стали 13Г1С-У ударная вязкость металла шва выше на 12 %, в околошовной зоне практически не меняется. Показано, что УУО не уступает термической обработке по своему положительному влиянию на значения ударной вязкости сварных стыков труб из низколегированных сталей при различных температурах.

6. На основе полученных результатов разработан способ УУО кольцевых сварных соединений стыков труб с внутренней стороны стенки трубы, обеспечивающий трансформацию остаточных растягивающих напряжений в сжимающие.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В журналах входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий

1. Голиков, Н.И. Сидоров, М.М. Влияние ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений стыков труб, изготовленных из сталей 09Г2С и 13Г1С-У // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - №7. -С. 3-6.

2. Голиков, Н.И. Сидоров, М.М. Перераспределение остаточных сварочных напряжений при ультразвуковой ударной обработке сварных соединений стыков труб // Сварочное производство. - 2011. - №5. - С. 3-6.

3. Голиков, Н. И. Сидоров, М.М. Исследование перераспределений остаточных напряжений при циклическом нагружении сварных соединений // Сварочное производство. - 2013. - № 12. - С. 18-20.

Патент

4. Пат. 244423 РФ. Способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб / Сидоров М.М., Голиков Н.И., Аммосов А.П. Заявл. 26.07.2010 ; опубл. 10.03.2012, бюл. №7.

В других научных изданиях

5. Сидоров, М.М. Ультразвуковая ударная обработка кольцевых стыков труб // Труды IV Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск : ИФТПС СО РАН, 2008. - 1 CD-R, № гос. per. 0320900128.

6. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Влияние ультразвуковой ударной обработки на перераспределение остаточных сварочных напряжений в кольцевых стыках труб // Труды IV Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск : ИФТПС СО РАН, 2008. - 1 CD-R № гос. per. 0320900128.

7. Сидоров, М. М. Голиков, Н. И. Ультразвуковая ударная обработка кольцевых стыков труб диаметром 219 мм // Материалы П1 Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем». - Красноярск, 2009.

8. Сидоров, М. М. Тихонов, Р.П. Перераспределение остаточных напряжений при ультразвуковой ударной обработке сварных соединений стыков труб диаметром 720 мм // Сборник трудов международной конференции с элементами

научн. шк. для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях». - Якутск: Паблиш Групп, 2009. - С.159-161.

9. Сидоров, М. М. Голиков, Н.И. Перераспределение остаточных напряжений при ультразвуковой ударной обработке сварных соединений стыков труб // Труды XV Международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций». - СПб: СПбГУНиПТ, 2009.-С. 91-94.

10. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Влияние ультразвуковой ударной обработки на перераспределение остаточных сварочных напряжений в кольцевых стыках труб: материалы IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика матераилов и конструкций [Электронный ресурс]. - Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2009. Электрон.оптич. диск, вкладка «Публикации».

11. Сидоров, М.М. Технологический способ снижения остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб: материалы конференции научной молодежи «Эрэл - 2009» к 60-летию Якутского научного центра СО РАН и Году молодежи. - Якутск: Изд-во ООО РИО «Феникс», 2009. - С. 94-96.

12. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений труб: материалы VI Российской научно-технической конференции Механика микронеоднородных материалов и разрушение [Электронный ресурс]. - Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2010. Электрон.оптич. диск, вкладка «Публикации».

13. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Влияние ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений стыков труб стали 09Г2С // Труды V Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск: ИФТПС СО РАН, 2010. - CD-R № гос. per. 20336.

14. Сидоров, М.М. Тихонов, Р.П. Распределение остаточных напряжений сварных соединений стыков труб подводного газопровода // Труды V Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск: ИФТПС СО РАН, 2010. - CD-R № гос. per. 20336.

15. Сидоров, М.М. Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру низколегированных сталей марки 09Г2С и 13Г1С-У : материалы Всероссийской конференции научной молодежи «Эрэл-2011». - Якутск: Изд-во ООО «Цу-мори-Пресс», 2011. - Том 1. - С. 150-151.

16. Сидоров, М.М. Исследование полей распределений ОН сварных соединений труб подводного перехода // Современная российская наука глазами молодых исследователей : сб. статей. - Т.З. - Красноярск: Изд. Научно-инновационный центр, 2012. - С.194-196;

17. Сидоров, М.М. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на структуру и механические свойства и разработка способа упрочнения и регулирования остаточными напряжениями в сварных соединениях труб / Результаты исследований получателей грантов Президента PC (Я) и государственных стипендий PC (Я) за 2011 год. - Якутск: Сфера, 2012. - С. 137-139;

18. Сидоров М.М., Голиков Н.И., Аргунова A.A. Влияние низкочастотной поверхностной ударной обработки (НПУО) на структуру сварного соединения трубы из низколегированной стали: материалы VII Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разру-

шение [Электронный ресурс]. - Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2012. Электронный оптический диск, вкладка «Публикации»;

19. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Низкочастотная поверхностная обработка сварных соединений труб из низколегированных сталей / Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика : в 2 ч. - Часть 1 : материалы XIV международной научно-технической конференции: СПб : Изд-во Политехи, ун-та, 2012 г. - С. 167-169.

20. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Аргунова, А.А. Повышение прочности сварных соединений методом поверхностной ударной обработки / Проблемы и перспективы управления энергетическими комплексами и сложньми техническими системами в арктических регионах : трудах Всероссийской конференции молодых ученых: Якутск: Дани Алмас, 2012. - С. 183-184.

21. Сидоров, М.М. Гуляев, Ю.Н. Голиков, Н.И. Влияние обработки на ударную вязкость сварных соединений / VIII Ларионовские чтения : материалы научно-практической конференции студентов и аспирантов. Якутск : Сфера, 2012. - С.53-55.

22. Сидоров, М.М. Махарова, С.Н. Тихонов, Р.П. Исследование микротвердости сварных соединений после поверхностной ударной обработки: материалы Всероссийской конференции «Сварка и безопасность» : в 2 т. - Т. 1. Якутск : Офсет, 2012. - С. 252-254.

23. Сидоров, М.М. Голиков, Н.И. Исследование перераспределений остаточных напряжений, при циклическом нагружении сварных соединений // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Т. 2. - Якутск: Ахсаан, 2013. - С. 70-73.

24. Голиков, Н.И. Сидоров, М.М. Семенов, C.B. Исследование влияние ударной обработки на механические свойства сварных соединений труб // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Т 2. - Якутск: Ахсаан, 2013. - С. 74-75.

Подписано в печать 18.02.14. Формат 60x84/16. Гаршпура «Тайме» Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,56. Тираж 100 эт. Заказ № S5 Издательский дом Северо-Восточного федерального университета. 677891, г. Якутск, ул. Петровского, J.

Отпечатано в типографии ИД СВФУ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук

Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

На правах рукописи

04201456477

Сидоров Михаил Михайлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук Голиков Николай Иннокентьевич

Якутск 2014

Содержание

Введение.............................................................................. 4

Раздел 1. Анализ причин разрушений сварных соединений трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера....................................................................................................... 13

1.1. Анализ особенностей разрушения магистральных трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных марок сталей...................... 13

1.2. Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных соединений трубопроводов.................................................... 25

1.3. Роль остаточных сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений трубопроводов................. 30

1.4. Анализ основных технологических приемов и методов снижения уровня остаточных сварочных напряжений.................................. 39

1.5. Цель и задачи исследований.................................................. 51

Раздел 2. Методики ультразвуковой ударной обработки и исследований физико-механических характеристик сварных соединений......................................................................... 52

2.1. Технологические процессы и оборудование ультразвуковой ударной обработки сварных соединений...................................... 52

2.2. Режимы сварки труб. Химический состав и механические свойства конструкционных сталей и их неразъемных соединений...... 58

2.3. Определение режимов ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб, изготовленных из низколегированных сталей.................................................... 61

2.4. Методика определения напряжений в сварных соединениях труб

с помощью портативного рентгеновского определителя напряжений . 66

2.5. Оборудование и методики механических испытаний................ 73

2.6. Выводы по разделу........................................................... 78

Раздел 3. Управление остаточными напряжениями в сварных соединениях труб путем ультразвуковой ударной обработки............ 79

3.1. Исследование распределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей......................................................... 79

3.2. Исследование характера перераспределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб подвергнутых ультразвуковой ударной обработке............................................ 84

3.3. Перераспределение наведенных после ультразвуковой ударной обработки сжимающих остаточных напряжений сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений.................... 92

3.4. Выводы по разделу........................................................... 97

Раздел 4. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки

на механические свойства сварных соединений трубопроводов......... 98

4.1. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений труб из низколегированных сталей............................................................................... 98

4.2. Теоретический расчет срока службы газопровода диаметром 530

мм после ультразвуковой ударной обработки............................... 101

4.3. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений, подвергнутых циклическим нагружениям...................................................... 105

4.4. Разработка способа снижения остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях труб ультразвуковой ударной обработкой на трубопроводах различного производственно-технического назначения......................................................... 108

4.5. Выводы по разделу........................................................... 112

Заключение......................................................................... 114

Литература.......................................................................... 116

Приложение......................................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленными исследованиями [8, 58, 61-62, 119] особенностей эксплуатации металлоконструкций ответственного назначения в условиях Сибири и Крайнего Севера установлено, что в результате низкочастотного термоциклирования, которые в значительной мере определяются сезонными перепадами температур, существенно снижаются предельные значения их рабочих нагрузок. Немаловажную роль в данном процессе играют напряжения и деформации в сварных соединениях, имеющих место при строительстве и монтаже таких конструкций. Как правило, исходная структура материала, применяемого для её изготовления, изменяется в зоне неразъемного соединения при повторном расплавлении и кристаллизации металла шва из расплава. В результате формируются структурно-неоднородные области: «основной металл (ОМ) - зона термического влияния (ЗТВ) - металл шва (МШ)», в которых начальные свойства материала изделия ухудшаются. Данному обстоятельству в значительной мере способствуют появляющиеся напряжения, вызванные послойной кристаллизацией в многослойных швах [57, 124].

Данные анализа [54, 58, 61-62, 73, 119-120] фактических случаев разрушения конструкций, эксплуатируемых при низких температурах, отраженные в трудах В.И. Труфякова, JI.A. Копельмана, В.П. Ларионова, И.В. Кудрявцева, О.И. Слепцова, Г.И. Макарова, A.B. Лыглаева и др., показывают, что хрупкие и усталостные трещины преимущественно берут начало в сварных соединениях. Как показал анализ наиболее характерных причин отказов газопроводов эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера, более 50 % отказов приходится на сварные кольцевые швы с образованием сквозной трещины [70], которые берут начало с корневого шва, когда как в других регионах России около 50 % отказов газопроводов происходит от коррозионного растрескивания [72].

Повышение усталостной долговечности сварных конструкций может быть достигнуто путем разработки способов, направленных на снижение

уровня высоких растягивающих остаточных напряжений или их полной трансформации на напряжения сжатия, изменением механических и структурных свойств металла стыковых сварных соединений металлоконструкций.

Существует ряд известных способов [4, 10, 20, 24, 66, 143-144] обработки сварных соединений, таких как общая и местная термообработка, поверхностный наклеп, местное пластическое деформирование, вибрационная и взрывная обработка и др. К одному из эффективных способов относится ультразвуковая ударная обработка (УУО).

УУО позволяет существенно повысить сопротивление усталости сварных соединений из низкоуглеродистых и высокопрочных сталей. Технология основана на обработке поверхности сварного шва и зоны термического влияния бойками с низкочастотными ультразвуковыми колебаниями, в результате чего в приповерхностном слое происходят измельчение зерна и перераспределение опасных остаточных напряжений с растягивающих на сжимающие. В результате данной обработки повышается твердость, прочность и циклическая долговечность сварного соединения в 3-4 раза [4].

Метод, технология и образцы оборудования были разработаны впервые в конце 60-х и начале 70-х гг. группой инженеров по идее и под руководством Е.Ш. Статникова на Северном машиностроительном предприятии (СМП) г. Северодвинска [122].

Дальнейшее развитие технологии для открытых отраслей промышленности авторы продолжили в Государственном научно-производственном предприятии (ГНПП) «Квант», а после реорганизации -в Северной научно-технологической компании (СНТК) в г. Северодвинске [122].

УУО получила международное признание. Её развитие и адаптация к условиям международного рынка технологий осуществляется компанией

Applied Ultrasonic's (Birmingham, Alabama) в стратегическом партнерстве с СНТК [117].

Технология ультразвуковой ударной обработки сварных швов и околошовной зоны для снятия механических послесварочных напряжений, а также виброударный ультразвуковой инструмент для ее реализации достаточно широко описаны в научно-технической и патентной литературе, начиная с семидесятых годов прошлого столетия. Однако с позиции теории механического удара и упругопластической деформации, они наиболее глубоко были исследованы впервые только к 1997 г. при ремонте магистрального газопровода Грязовец - Ленинград в Вологодской области [142]. Эффективность применения ультразвуковой ударной обработки для повышения сопротивления усталости, предела выносливости, увеличение циклической долговечности сварных соединений наведением остаточных напряжений сжатия, измельчением структуры в приповерхностном слое, повышением микротвердости и улучшением механических свойств для высокопрочных, мостовых и теплоустойчивых марок сталей (ВКС-12, 15Г2Ф, 12Х1МФ, 12Х18Н10Т, 1Х18Н9Т, 20ХГНСНА) описаны в трудах различных ведущих исследовательских центров России и СНГ (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, г. Киев, Украина, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Россия, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва, Россия). Вместе тем недостаточно проведены исследования в области ультразвуковой ударной обработки (УУО) сварных соединений техники и металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур (до -60 °С), что существенно ограничивает применение метода при их строительстве, монтаже и ремонте.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей влияния УУО на остаточные сварочные напряжения и механические свойства сварных соединений трубопроводов, работающих в условиях низких климатических температур. В качестве инструмента для обработки был

применен технологический комплекс, состоящий из ультразвукового генератора УЗГТ 0.5/27 с технологической оснасткой типа «Шмель», разработанный в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН), г. Томск.

Исходя из вышесказанного поставлена цель диссертационной работы: исследовать влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений в кольцевых сварных соединениях трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных сталей, для эксплуатации в условиях низких климатических температур.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Экспериментально обосновать режим УУО, который обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционной стали 13Г1С-У.

2. Исследовать распределение остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У при ручной дуговой сварке и автоматической сварке под флюсом, не подвергнутых последующей механической обработке.

3. Оценить влияние УУО на изменение характера распределения и знака остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков труб из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.

4. Исследовать изменение сжимающих остаточных напряжений, наведенных после УУО при циклическом механическом нагружении образцов сварных соединений из стали 13Г1С-У.

5. Оценить влияние УУО на изменение ударной вязкости при различных температурах образцов сварных соединений труб диаметрами 530 и 720 мм из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.

6. Разработать способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб.

В первом разделе диссертации рассмотрены и проанализированы особенности разрушения магистральных и технологических трубопроводных систем, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера. Анализированы основные факторы, ускоряющие разрушения сварных соединений трубопроводов, рассмотрены роль остаточных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений, а также существующие технологические способы и методы снижения уровня остаточных сварочных напряжений. На этой основе поставлены цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе предложена методика проведения ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб, с указанием зоны и размеров обрабатываемого участка и мощности генератора. Даны технические характеристики технологического комплекса, использованного в работе состоящего из ультразвукового генератора УЗГТ 0.5/27 и оснастки типа «Шмель», разработанного в ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН), г. Томск. Описаны использованные методики исследования, состав и свойства испытанных сталей, а также технологии подготовки сварных проб. Измерением микротвердости и структурными исследованиями установлены режимы УУО сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционных сталей.

В третьем разделе приведены экспериментальные результаты исследований распределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм, из сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У. Установлены уровень и области распределения

растягивающих и сжимающих остаточных напряжений кольцевых стыков труб. Выявлены особенности перераспределения ОСН сварных соединений стыков труб после УУО с помощью технологического комплекса. Исследованы перераспределения ОСН и наведенных остаточных напряжений после УУО сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений.

Четвертый раздел. Описаны результаты исследований влияния УУО и термообработки на ударную вязкость сварных соединений труб из сталей 09Г2С и 13Г1С-У при различных температурах (+20 °С, -40 °С, -60 °С). Исследовано, возможное влияние наведенного наклепа после УУО на изменение механических характеристик сварных соединений при циклических нагрузках. Проведен расчет остаточного срока службы сварных соединений согласно РД 12-411-01 для газопровода диаметром 530 мм, изготовленного из стали 09Г2С. Разработан технологический способ снятия растягивающих остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб с помощью УУО.

В процессе проведения исследования получены новые научные результаты:

— Экспериментально установлено, что ультразвуковая ударная обработка реализованного с помощью технологического комплекса при мощности 420 Вт обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварного соединения из низколегированной стали 13Г1С-У.

— Выявлено, что УУО сварного соединения с внутренней стороны стенки трубы способствует изменению характера распределения остаточных сварочных напряжений, а их средние значения меняются от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений, что обеспечивает формирование напряжений сжатия на внутренней поверхности трубы.

— Показано, что после УУО значения сжимающих остаточных напряжений увеличиваются и достигают уровня значений в пределах -337... -360 МПа, что при воздействии циклических растягивающих нагрузок в диапазоне 0,85^... 0,95 бг создает запас остаточных сжимающих напряжений и способствует сохранению отрицательного знака во всех зонах сварного шва.

— Показано, что проведение УУО с внутренней стороны стенки трубы позволяет повысить ударную вязкость металла шва (МШ) и околошовной зоны (ОШЗ) образцов сварных соединений из низколегированных сталей в диапазоне температур -40... -60 °С, для образца из стали 09Г2С в МШ на 30 %, а в ОШЗ - на 24 %; для образцов из стали 13Г1С-У ударная вязкость МШ повышается на 12%, а ОШЗ практически не меняется, что связано формированием остаточных сжимающих напряжений.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработан способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб, который является основанием для внедрения ультразвуковой ударной обработки при строительстве и ремонте трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера. Новизна технических решений реализованных при разработке методики, подтверждена патентом.

Результаты исследований:

— Использовано при проведении ремонтных работ в ОАО «Саханефтегазсбыт».

— Рекомендованы кафедрой сварки, диагностики и мониторинга конструкций (СДиМК) Технологического института Северо-восточного федерального университета им. М.К. Аммосова для разработки методического пособия по методам обработки сварных соединений для студентов технического профиля.

и

- Использованы при выполнении НИР ИФТПС СО РАН по проекту: «Развитие теории структурно-деградационных процессов разрушения и деформирования материалов и их неразъемных соединений и разработка технологических основ повышения промышленной безопасности и ресурса машин и конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях Севера», в 2010-2012 гг. и НИОКР по программе ФНИ государственных академий наук на 2012-2014 гг., проект № 2.16.3 «