авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и

Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова

Сибирского отделения Российской академии наук

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 Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук Голиков Николай Иннокентьевич Якутск Содержание Введение…………………………………………………………………... Раздел Анализ причин разрушений сварных соединений 1.

трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера……………........................................................................................ 1.1. Анализ особенностей разрушения магистральных трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных марок сталей …………….…… Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных 1.2.

соединений трубопроводов ……………………………………………. 1.3. Роль остаточных сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений трубопроводов …………….. 1.4. Анализ основных технологических приемов и методов снижения уровня остаточных сварочных напряжений ……………………..…….. 1.5. Цель и задачи исследований …………………………….…….......... Раздел Методики ультразвуковой ударной обработки и 2.

исследований физико-механических характеристик сварных соединений ………………………………………………………………. 2.1. Технологические процессы и оборудование ультразвуковой ударной обработки сварных соединений……………………………….. 2.2. Режимы сварки труб. Химический состав и механические свойства конструкционных сталей и их неразъемных соединений…… 2.3. Определение режимов ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб, изготовленных из низколегированных сталей ……………………………………………. 2.4. Методика определения напряжений в сварных соединениях труб с помощью портативного рентгеновского определителя напряжений. 2.5. Оборудование и методики механических испытаний ……………. 2.6. Выводы по разделу ……………………………………………..…… Раздел 3. Управление остаточными напряжениями в сварных соединениях труб путем ультразвуковой ударной обработки………… 3.1. Исследование распределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей …………..……………………………………. Исследование характера перераспределений остаточных 3.2.



напряжений в сварных соединениях стыков труб подвергнутых ультразвуковой ударной обработке …………………………………….. 3.3. Перераспределение наведенных после ультразвуковой ударной обработки сжимающих остаточных напряжений сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений ……………..… 3.4. Выводы по разделу ………………………………………………….. Раздел 4. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений трубопроводов ……... 4.1. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений труб из низколегированных сталей ……………………………………………………………………. 4.2. Теоретический расчет срока службы газопровода диаметром мм после ультразвуковой ударной обработки ….……………………… 4.3. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений, подвергнутых циклическим нагружениям ……………………………………………… Разработка способа снижения остаточных сварочных 4.4.

напряжений в сварных соединениях труб ультразвуковой ударной обработкой на трубопроводах различного производственно технического назначения………………………………………………… 4.5. Выводы по разделу ………………………………………………….. Заключение ………………………………………………………………. Литература ……………………………………………………………….. Приложение ………………………………………………………………. 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, Л.А. Копельмана, В.П. Ларионова, И.В. Кудрявцева, О.И. Слепцова, Г.И. Макарова, А.В. 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, описаны в трудах различных ведущих 1Х18Н9Т, 20ХГНСНА) 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:

Экспериментально обосновать режим УУО, который 1.

обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционной стали 13Г1С-У.

Исследовать распределение остаточных напряжений в сварных 2.

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

Оценить влияние УУО на изменение характера распределения 3.

и знака остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков труб из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.

Исследовать изменение сжимающих остаточных напряжений, 4.

наведенных после УУО при циклическом механическом нагружении образцов сварных соединений из стали 13Г1С-У.

Оценить влияние УУО на изменение ударной вязкости при 5.

различных температурах образцов сварных соединений труб диаметрами 530 и 720 мм из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.

Разработать способ снятия остаточных сварочных напряжений 6.

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 создает запас остаточных Т… 0,95 Т 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 образцов сварных соединений из (ОШЗ) 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.

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 «Исследование влияния низкочастотной поверхностной ударной обработки на межзеренные границы шва и зоны термического влияния сварных соединений низколегированных сталей».

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.

Особенности перераспределений значений наведенных 3.

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.

Апробация работы. 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 симпозиумах 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.;

XIV международной научно технической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», г. Красноярск, 2012 г.;

научных семинарах отдела технологии сварки и металлургии и 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, 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.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 1.1. Анализ особенностей разрушения магистральных трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных марок сталей В настоящее время трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов занимает одно из ведущих направлений в интенсивно развивающемся топливно-энергетическом комплексе России.

Ежегодно в нашей стране сооружаются десятки тысяч километров различных трубопроводов. Эксплуатация столь протяженных сооружений в чрезвычайно сложных природно-климатических условиях, с возможными серьезными последствиями в случае аварийных ситуаций обуславливает отнесение данных объектов к техногенно опасным системам. Поэтому к трубопроводам предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.

Магистральные трубопроводы в северном исполнении это уникальные металлоемкие конструкции, не имеющие аналогов в практике строительства и эксплуатации в суровых геокриологических условиях Якутии. Большая часть линейных магистральных систем расположена в сложных инженерно-геологических условиях: болота различной мощности, заболоченные и обводненные территории, оползневые участки и площадки. На металл труб воздействуют экстремальные температурно климатические факторы, что создает особые условия эксплуатации трубопровода по сравнению с условиями эксплуатации в других регионах России [70].

Газопроводная система Республики Саха (Якутия) составляет в общей сложности около 1 400 км магистральных газопроводов, в рамках которой функционируют две технологические системы газоснабжения.

Центрально-Якутская система обеспечивает газоснабжение из Средневилюйского газоконденсатного месторождения производительностью 1 550 млн м3 в год. В структуре использования эта система обеспечивает 82-83,5 % всего потребляемого объема газа, при этом 75% использует город Якутск [84].

Вторая трасса газопровода «Средневилюйское месторождение – Таас-ТумусЯкутск» введена в эксплуатацию в 1967 г. Газопровод представляет собой двухниточный трубопровод длиной км, эксплуатирующийся более 40 лет. Весь добываемый газ подается в локальные сети и используется, как котельно-печное топливо [84].

Газопровод «Таас-ТумусЯкутск» протяженностью 292 км является первым газопроводом, построенным в районе распространения многолетнемерзлых грунтов. Строительство его носило производственно экспериментальный характер. Газопроводы в северном исполнении состоят из труб диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 и 9 мм из стали марки 09Г2С поставки Ждановского металлургического завода (ВТУ ЧМТУ УкрНИТИ 537-64) и труб импортного производства из стали марки 09Г2С [33]. Подробная технология сборки и сварки магистрального газопровода Таас-ТумусЯкутск приведена в монографии В.П. Ларионова [61].

На протяжении всего периода эксплуатации накоплена информация о работоспособности и состоянии газопроводов в районах с экстремальными климатическими условиями Севера. Газопровод почти полностью переведен в подземный вариант укладки. Первая нитка имеет участки наземного варианта с обваловкой. Подземная схема составляет около 98 % от общей длины построенных газопроводов. По этой схеме трубы уложены ниже естественной поверхности грунта. Это объясняется рядом положительных факторов, таких как защищенность труб от внешних воздействий, достаточно хорошая стабилизация положения трубопровода, обеспечение оптимальной устойчивости, не создает препятствий для движения транспорта [33].

Первоначально построенный газопровод имел наземный вариант укладки. Считалось, что оттаивание грунтов под воздействием теплового потока от газопровода приведет к потере несущей способности.

Недостаточная информация о взаимодействии газопровода с грунтом сыграли решающую роль при сооружении наземным вариантом на опорах и на грунтовую теплоизолирующую подсыпку. Однако, как показала практика эксплуатации, возник ряд таких факторов, как подверженность резким суточным и сезонным колебаниям температуры, воздействие осадков, превращение трубопровода в труднопреодолимую преграду (например, для животных, транспорта и т.д.), общая незащищенность газопровода от внешнего механического воздействия. Кроме того, в наземных газопроводах в северном исполнении наблюдались протяженные разрушения, присущие большим механическим системам, составленным из отдельных взаимосвязанных звеньев. Здесь разрушение одного или нескольких несущих элементов вызывает спонтанное разрушение других подобных элементов конструкций [33].

Невозможно заранее точно предсказать, что явится причиной возможного разрушения газопровода, а значит, и определить их число и распределение во времени. Разрушение является случайным событием и для оценки вероятности разрушения на том или ином участке необходимо использовать вероятностно-статистический подход. Общая ориентировочная оценка может быть выполнена по результатам статистического анализа аварий, имевших место в предыдущие годы [70].

Путем сбора статических данных о работоспособности и анализа разрушений магистральных газопроводов [1, 16-17, 61, 70, 80] эксплуатирующихся в Республике Саха (Якутия) в период с 1968 по 1993 г.

выявлено, что преимущественное число отказов трубопроводов приходится в зимние месяцы года, но не в самое холодное время сезона (рис. 1.1). Частота разрушений имеет определенную связь с сезонными колебаниями температуры грунта и газа.

Рис. 1.1. Интенсивность отказов МГ в зависимости от времени года [70] Наибольшее количество отказов приходится на осенние месяцы.

Этот факт следует объяснить тем, что в октябре и ноябре происходит резкое увеличение потребления газа, а также геокриологические условия этого времени года приводят к возникновению хрупких разрушений.

Кроме того, анализ наиболее характерных причин отказов газопроводов выявил, что более 50 % отказов приходится на сварные кольцевые швы с образованием сквозной трещины (рис. 1.2) [1, 16, 70].

Рис. 1.2. Характер причины разрушений МГ [70]: 1 – трещины;

2 – газовые пробки;

3 – механические повреждения;

4 – коррозия Следует отметить, что в других регионах России 70 % отказов газопроводов происходит от коррозионного растрескивания [72].

Рассмотрим более подробно некоторые аварии, произошедшие на территории Республики Саха (Якутия).

21 января 1985 г. произошла авария на 33,6 км первой нитки газопровода МастахБерге. Авария представляла собой раскрытие трубопровода на м из-за трещины вдоль трубы, которая 5- инициировалась от краев заплаты отверстия для установки резиновых шаров при проведении огневых работ на теле газопровода [84].

Наличие сквозного дефекта в виде непровара длиной около 20 мм и глубиной от внутренней поверхности трубы на 6 мм в районе приварки заплаты и разноупрочненной области в зоне термического влияния привело к местной концентрации напряжений, что после некоторого периода эксплуатации послужило причиной внезапного образования свища. Наличие дефектов в сварном шве способствовало распространению трещины, что показывает на многоочаговое разрушение полупериметра сварного шва заплаты. Далее произошло статическое разрушение трубы от дефекта длиной, равной диаметру заплаты [84].

20 ноября 1987 г. в процессе эксплуатации под давлением 35,5 атм.

при температуре наружного воздуха -50 °С на участке 171-175 км трассы произошло разрушение температурных компенсаторов первой нитки газопровода Мастах – Берге – Якутск с кратковременным воспламенением газа. Анализ общей картины катастрофического разрушения выявил, что разрушению подвергся участок протяженностью 3,3 км, имеющий помимо прямолинейных участков 6 компенсаторов. Наиболее интенсивное разрушение обнаружено в местах расположения компенсаторов [84].

Изучение остатков труб показало, что нитка трубопровода при аварии разрушилась в поперечном сечении по основному металлу вблизи кольцевых сварных соединений. Общая последовательность разрушения прослеживается следующим образом: в кольцевом сварном соединении, расположенном в основании компенсатора, на 173 км около дефекта в виде поры накопились повреждения, которые послужили зародышем усталостной трещины. При достижении усталостной трещины критических размеров началось хрупкое распространение трещины по металлу кольцевого сварного соединения с последующим выходом в основной металл. В результате мгновенного раскрытия трубы компенсатор подвергся воздействию динамической реактивной силы истечения газа почти ударного характера, что привело к разрушению компенсатора. При этом произошло преобразование накопленной потенциальной энергии в кинетическую энергию перемещения прямолинейных участков газопровода [84].

9 и 17 апреля 2003 г. на 185 и 183 км второй нитки магистрального газопровода произошли аварии с разрушением металла трубопровода [33].

Первая авария газопровода БэргэЯкутск представляет собой раскрытие металла вдоль трубопровода на верхней части с многочисленными ветвлениями трещины на месте монтажного кольцевого шва (рис. 1.3). После аварии собрано 6 разрушившихся фрагментов общей протяженностью разрушения 2 160 мм, кольцевой шов разорван поперек шва на 4 отдельных участка со следующими длинами: 1 010 мм, 235 мм, 315 мм, 127 мм, соответственно. Общая длина шва по периметру составляет – 1 687 мм [33].

Рис. 1.3. Общий вид разрушения магистрального газопровода. Первая авария [33] Разрушение носило взрывной характер без возгорания, распространение трещин происходило путем отрыва на местах остановки трещины, переходящей на механизм сдвига (квазихрупкий вид) с пластическими составляющими [33].

Исследование поверхности излома разрушения труб выявило, что очаг разрушения расположен с внутренней стороны трубы перпендикулярно кольцевому шву в зоне термического влияния на месте соединения основного металла и сварного шва и имеет достаточную протяженность и долговременность роста трещины по основному металлу.

Поверхность излома разрушения свидетельствует о длительном развитии трещины [33].

Трещина имела остановку при переходе к основному металлу, о чем свидетельствует переходная зона, затем трещина начала продвижение вглубь основного материала, где наблюдаются радиальные рубцы, исходящие от этой зоны, впоследствии перешедшие в магистральную трещину, имеющую шевронный узор. Трещина более длительно и равномерно развивалось по основному металлу в направлении перпендикулярном максимальным растягивающим напряжениям напряжения), которая характеризуется усталостными (окружные бороздками и остановилась непосредственно в сварном шве, что свидетельствует о достаточной сопротивляемости распространению трещины сварного шва по сравнению с основным металлом [33].

Схема развития усталостной трещины длиной 30 мм и глубиной 3, мм показана на рис. 1.4. Ей характерны три основные зоны [33]:

первая – непосредственный очаг усталостного разрушения имеет коррозионное растрескивание, покрыт толстым слоем коррозии и отложений органических продуктов, вследствие чего невозможно определить тонкую структуру очага разрушения (рис. 1.4);

вторая – зона усталостного излома, просматриваются бороздчатая структура, также присутствуют продукты коррозии;

третья – зона ускоренного развития трещины, где просматриваются участки хрупкого разрушения с ручьистым узором, что свидетельствует о внутризеренном разрушении, наблюдаются питтинги (язвы) на участках скола, зона покрыта более тонким слоем продуктов коррозии.

Рис. 1.4. Схема развития усталостной трещины [33]:

1 – очаг возникновения трещины;

2 – зона усталостного распространения трещины;

3 – зона ускоренного развития трещины Вторая авария (рис. 1.5) представляет собой разрыв кольцевого сварного шва с последующим выбросом труб от оси укладки радиусом 30-50 м, общая длина разрушения 22 м. Установлено, что значительных следов коррозии и утонения размеров стенки не наблюдается. Диаметр трубы соответствует 530 мм, толщина стенки 7 мм [33].

Спектральным анализом установлено, что материал разрушившихся труб соответствует марке стали 09Г2С. Расчетное значение внутреннего давления на 183 км газопровода БэргэЯкутск в момент разрушения трубопровода составляет 42,61 кг/см2 [33].

Рис. 1.5. Общий вид разрушения магистрального газопровода.

Вторая авария [33] Исследование поверхности излома разрушения трубы выявило, что очагом разрушения послужила сквозная трещина – свищ, расположенный на нижней части трубопровода на месте кольцевого сварного шва и заводского продольного шва. Свищ протяженностью 33 мм образовался от сварного дефекта – канальной поры размером 15х2 мм. Направление истечения газа было обращено в сторону грунта, и в результате поднятия давления образовалась реактивная сила, послужившая началом разрыва кольцевого сварного шва с последующим выбросом труб от оси укладки на расстояние 30-50 м [33].

Ни один из существующих способов сварки не обеспечивает гарантированного бездефектного сварного соединения без последующего исправления. Это объясняется тем, что на качество сварных соединений оказывают влияние факторы не только металлургического, но и технологического, а также организационного характера, задача регулирования и поддержания которых в необходимых пределах полностью не решена [26].

При описании механизма разрушения трубопровода принято выделять три стадии процесса: зарождение трещины от дефекта и ее стабильное состояние, развитие (подрастание) трещины до критических размеров и безостановочное распространение трещины [53].

Наиболее характерными и часто встречающимися дефектами трубопроводов считаются дефекты сварных швов (поры, непровары, шлаковые включения, кристаллизационные и закалочные трещины, дефекты формирования шва) и различного рода механические повреждения труб при транспортировке и сборке (надрезы, задиры, царапины, вмятины, трещины усталости). Реже встречаются металлургические дефекты (расслои) и дефекты, возникающие при прокатке листов (закаты), которые, как правило, представляют собой участки металла с повышенной хрупкостью [1, 11, 51, 53, 56].

Чаще всего распространение разрушения от дефектного участка начинается с большой скоростью ввиду затрудненного протекания пластической деформации в концентраторе, или же за счет малой пластичности на участке металла с повышенной хрупкостью. Дальнейшее поведение «закритической» трещины и ее протяженность определяются механическими свойствами основного металла трубопровода и физикой протекающих при разрушении процессов. Войдя в «здоровый» металл с высокой начальной скоростью, трещина проходит по нему некоторое расстояние. На этой стадии определяющую роль играют свойства основного металла, способного поглощать при разрушении определенное количество энергии в виде работы пластической деформации. Если металл трубы обладает малой величиной работы разрушения при достигнутой скорости движения трещины, то торможения разрушения не происходит, протяженность разрыва увеличивается, и разорванные стенки трубы начинают расходиться под действием давления газа. Разворот стенок трубы в разорванной части газопровода создает высокие уровни напряжений у кончика бегущей трещины, что способствует более интенсивному выводу энергии к вершине трещины [3, 14, 27, 53].

Таким образом, энергия, подводимая к кончику бегущей по газопроводу трещины, складывается из двух составляющих: из энергии упругих деформаций растянутого металла стенок трубы, высвобождаемой при продвижении трещины на единицу длины, и из энергии сжатого газа, разворачивающего разорванные стенки газопровода в разрушенной его части [23, 53].

Процесс зарождения и замедленное распространение трещин по периметру стыка происходят в течение нескольких часов или суток.

Вероятность образования трещин повышается с увеличением толщины свариваемых изделий, при использовании сталей повышенной и высокой прочности, а также при выполнении сварочных работ при низких климатических температурах. При сварке в условиях низких температур в сварных соединениях характерны повышенные остаточные сварочные напряжения и значительное количество газов (кислорода, азота, водорода), растворенных в металле шва. В трубопроводах, корневые швы которых сварены при температуре ниже -30 °С газозащитными электродами, трещины обычно распространяются по всему периметру стыка [61, 119].

Также одним из факторов является падение давления в результате декомпрессии, что имеет решающее значение для предотвращения протяженных разрушений трубопроводов, транспортирующих жидкую среду (например, нефтепроводы). Известно, что в отличие от газа, жидкость практически несжимаема. Следовательно, даже при больших рабочих давлениях в нефтепроводе аккумулирована энергия на несколько порядков меньше, чем при тех же давлениях и размерах в газопроводе.

Поэтому условия декомпрессации в нефтепроводе при разрыве принципиально иные, чем в газопроводе [73, 141].

Механизм протяженного разрушения магистрального нефтепровода определяется только энергией, накопленной в виде энергии упругих деформаций в растянутых за счет внутреннего давления стенках трубы. В разрушенной части нефтепровода в результате декомпрессии давление на стенки трубы отсутствует. Поэтому дополнительного разворота разорванных стенок не происходит. Сам же процесс безостановочного движения трещины по нефтепроводу возможен только при условии, когда фронт волны декомпрессии, распространяющейся в целой части трубопровода со скоростью звука в жидкости, не обгоняет сечение, совпадающее с вершиной движущейся трещины [14, 73].

Происходившие на нефтепроводах аварии связаны исключительно с ограниченными разрывами отдельных труб (протяженностью не более 2-3 м) и чаще всего вызваны дефектами сварных соединений [14].

Таким образом, 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 в основном расположены в корневом шве стыков труб, вследствие чего усталостное разрушение сварного соединения может брать начало с дефектов корневого шва, а также участка ЗТВ, расположенного с внутренней стороны стенки трубы.

1.2. Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных соединений трубопроводов Термодеформационный цикл сварки оказывает интенсивные воздействия на первоначальные размеры и формы металла конструкции – возможно появление технологических и конструкционных концентраторов напряжений (поры, шлаковые включения, усиление шва и т.п.), выявить и устранить которые часто невозможно [86]. Это обуславливает более интенсивное накопление поврежденности в зоне сварного соединения, и как следствие ранее сказанного, около 80 % разрушений сварных оболочных конструкций происходит в зоне сварных соединений [61, 70].

Вместе с тем факторы, связанные с образованием соединений, не могут быть сведены только к концентрации напряжений. Помимо концентрации напряжений, обусловленной формой и технологическими дефектами, сварка вызывает структурные превращения и порождает высокие остаточные сварочные напряжения. Значимость этих факторов (особенно остаточных напряжений) в ряде случаев соизмерима с концентрацией напряжений. В связи с этим рассмотрение вопросов сопротивления усталости сварных соединений целесообразно начать с выяснения роли концентрации напряжений, структурной неоднородности свойств сварного соединения и остаточных сварочных напряжений [126].

Под концентрацией напряжений понимается местное повышение напряжений в зонах резкого изменения сечения деформируемого тела. Ими могут быть в зоне сварного соединения отверстия, острые углы вырезов, различного рода надрезы, переходы сварных швов на основной металл и дефекты сварных соединений [126].

Концентрация напряжений в сварных соединениях определяется общей конфигурацией соединяемых элементов, геометрической формой сопряжением шва с основным металлом и способом передачи силового потока [119]. Для трубопроводов это кольцевые стыковые соединения.

Известно, что наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения – их предел выносливости составляет примерно половину предела выносливости основного металла с прокатной окалины [120].

Однако формирование зон повышенной напряженности в них обусловлено выпуклостью шва. Для качественно выполненного стыкового соединения средние значения коэффициента концентрации напряжений обычно не превышают 1,3-2,0 [126]. Эти значения существенно возрастают для соединений с такими технологическими дефектами, как подрезы, поры, непровар, наплывы, смещение стыкуемых кромок, наличие угловатости и значительно влияют на сопротивление усталости сварных соединений.

Наличие дефектов а также конструктивных (несплошности), концентраторов напряжений, связанных с резкими переходами от основного металла к металлу шва или от одного элемента к другому, может способствовать снижению надежности сварного соединения. Их отрицательное влияние иногда проявляется даже в случае статического приложения нагрузок при неблагоприятном сочетании с собственными напряжениями при действии низких температур или агрессивных сред.

Наиболее сильное влияние наличия несплошностей имеет место при работе конструкции под усталостной нагрузкой. В этом случае даже небольшой дефект или концентратор может стать источником зарождения трещины, что впоследствии приводит к разрушению всей конструкции [26].

Процесс сварки, обусловленный местным сплавлением соединяемых частей изделия, сопровождается изменением структуры и свойств в зоне соединения.

В сварном шве выделяют три основные зоны: металл шва (МШ), зону термического влияния (ЗТВ) и основной металл (ОМ). Свойства МШ предопределяются исходными характеристиками применяемых сварочных материалов и их изменением в процессе термического цикла сварки.

Получение швов с заданными служебными свойствами достигается варьированием состава присадочного материала и режимов сварки.

Вследствие высоких скоростей охлаждения и медленного протекания диффузии состав различных участков МШ в процессе кристаллизации сварочной ванны полностью выравнивается, приводя к зональной ликвации и внутридендритной неоднородности отдельных кристаллитов.

Заметное влияние на механические свойства МШ оказывает также деформационный цикл, сопровождающий процесс его кристаллизации. Все это приводит к тому, что МШ и ОМ различаются между собой как в структурном отношении, так и по механическим, химическим и физическим свойствам. Но сами по себе эти различия не становятся причинами преждевременного усталостного повреждения МШ, если в нем нет трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и других дефектов сварки [126].

Иное положение занимает ЗТВ. По своему строению ЗТВ неоднородна. В зависимости от температур разогрева в процессе сварки в её пределах выделяют несколько участков: участок твердожидкого состояния, перегрева, полной и неполной перекристаллизации и рекристаллизации (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Строение ЗТВ: I - участок твердожидкого состояния;

II - участок перегрева;

III - Участок перекристаллизации;

IV - Участок полной и неполной перекристаллизации;

V - участок рекристаллизации Размеры участков ЗТВ в зависимости от способа и режимов сварки колеблются в довольно широких пределах (таблица 1.1). Эти участки в процессе термодеформационного цикла сварки сопровождаются отдельными структурными и фазовыми превращениями с формированием временных и остаточных напряжений и деформаций [126].

Таблица 1. Ориентированные размеры отдельных участков ЗТВ [126] Длительность Ширина участков, мм Погонная пребывания Способ Неполной энергия, при перекристал сварки перегрева перекристал кДж/см температуре лизации лизации выше 900 °С, с Электрон 1-5 1,5-5 0,0-0,1 0,1-0,3 0,3- но-лучевая Ручная 5-15 6-18 0,01-0,3 0,3-1,0 3- дуговая Под 40-60 14-100 0,1-0,5 0,3-2,0 3- флюсом Электрош- 300-600 220-560 0,5-5 1-10 5- лаковая Неоднородность свойств сварного соединения из низколегированных сталей значительным образом влияет на изменение твердости и на механические свойства вследствие изменения химического состава, структуры и степени наклепа сварного соединения при сварке.

В работе дилатометрическим методом исследованы [131] структурные превращения и свойства сварных соединений из низколегированных сталей 20ХГ, 20НГМФ, St600 при сварке порошковой проволокой ОК Tubrod 14.03 производства ESAB.

Результаты исследований показали, что при уменьшении времени охлаждения образцов в пределах 850… 500 °С повышаются твердость, предел прочности и текучести, соответственно уменьшаются показатели пластичности сталей 20ХГ, 20НГМФ, St600. Сварные швы, полученные наплавкой порошковой проволоки ОК Tubrod 14.03, показали наиболее благоприятные структуры и оптимальные механические свойства при длительности охлаждения в пределах 850… 500 °С более 10 секунд [131].

Приведенные в монографии В.П. Ларионова [62] результаты исследований прочностных показателей различных участков сварных соединений из сталей 10ХСНД, 14Х2ГМР, 14Г2САФ, 09Г2Д и Т-1 путём измерений микротвердости показывают, что увеличение погонной энергии (до 20 кДж/см) сварки немного улучшает структуру ЗТВ, но понижает микротвердость, что говорит о снижении скорости охлаждения.

Наложение каждого последующего валика оказывает повторное тепловое воздействие на нижележавщий валик, и под его влиянием структура нижеследующих слоев значительно улучшается, становиться мелкозернистой. Верхний валик сохраняет литую структуру металла, но его свойства несколько улучшаются.

Одну из основных ролей играет также химический состав сварного соединения: степень влияния легирующих элементов на температуру фазовых переходов, происходящих в твердой фазе. При исследовании влияния состава металла шва на склонность сварных соединений к замедленному разрушению установлено, что сопротивляемость ЗТВ замедленному разрушению во многом определяется разницей в температуре и времени фазовых превращений в ЗТВ и МШ, а также коэффициентом диффузии водорода в МШ [62].

Таким образом, на сопротивление усталостному разрушению сварных соединений существенное влияние оказывает концентрация напряжений, связываемая с изменением форм (геометрии) шва и внутренних дефектов (пор, включений и т.д.), также образование в процессе сварки крупнозернистой околошовной зоны. При этом качественное проведение сварки, правильное оформление шва сводят к минимуму отрицательную роль концентраторов напряжений, вносимых сваркой, в снижении характеристик усталости сварных соединений.

Влияние же остаточных напряжений на механические свойства металлических материалов со сварным швом в этом случае во многом будет определяться механической неоднородностью (неравномерностью распределения механических свойств по длине сварного соединения), а также структурным состоянием участка зоны термического влияния, по которому, как правило, идет локализация пластической деформации и разрушение [41].

Эти и другие многочисленные исследования [49, 53, 57-58, 61] свидетельствуют о том, что главные трудности при сварке низколегированных сталей связаны с необходимостью обеспечения комплекса свойств швов на уровне основного металла и предотвращения образования в металле ЗТВ и МШ холодных трещин, а также структур, резко снижающих сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Это позволяет вполне однозначно определять следующие основные причины появления в них холодных трещин: влияние диффузионного водорода, интенсивное охлаждение ЗТВ, повышенный уровень напряжений сварных соединений и т.д.

В связи с этим необходимо производить обобщенную оценку состояния кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера и проведение дополнительных послесварочных методов обработки с целью повышения прочности и качества сварного соединения после сварки.

1.3. Роль остаточных сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений трубопроводов Одним из сильнейших факторов, влияющих на работоспособность сварных соединений, является остаточное напряженное поле в зоне шва.

Вследствие резкого температурного перепада, структурных изменений и упругопластического деформирования в зонах сварных соединений возникают значительные остаточные напряжения, величина которых может достигать и даже существенно превышать предел текучести основного металла [58].

Характерным для остаточных напряжений вообще является то, что они существуют и уравновешиваются внутри изделия без приложения к нему внешних усилий.

Интерес к исследованию остаточных напряжений в сварных конструкциях обуславливается тем, что они существенно влияют на прочность и долговечность сварного соединения. Как известно, для пластичных материалов остаточные напряжения практически не влияют на величину остаточных напряжений, однако в условиях хрупкого разрушения их влияние может быть значительным [6, 29, 54, 57].

Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных соединений резко увеличивается с ростом концентрации напряжений. В этих случаях остаточные напряжения могут изменять величину пределов выносливости в несколько раз как в сторону повышения (при благоприятных сжимающих напряжениях), так и в сторону понижения (при неблагоприятных остаточных напряжениях). Долговечность сварных соединений может измениться при этом в десятки раз [58].

Неблагоприятными считаются растягивающие остаточные напряжения. Они снижают вибрационную прочность сварных конструкций. Если они действуют в зонах, где есть концентрация напряжений и неоднородность механических свойств, то там в первую очередь возникают разрушения от усталости, когда как сжимающие остаточные напряжения, наоборот, повышают усталостную прочность, поэтому их считают благоприятными.

Проявление остаточных напряжений в швах будет сильнее при сварке толстых сечений и слабее при сварке тонких сечений. Это объясняется величиной и объемностью остаточных напряжений [58]. По объемности остаточные напряжения по существующей классификации делят на три рода. Напряжениями первого рода называют напряжения, уравновешивающиеся в макрообъеме, т.е. соизмеримом с размерами всего изделия;

напряжениями второго рода уравновешивающиеся в – микрообъеме, соизмеримом с объемом одного или нескольких зерен металла, и, наконец, напряжениями третьего рода – всевозможные искажения кристаллической решетки металла [57].

Как правило, остаточные напряжения в зоне сварного шва являются двух- или трехосными с резкими градиентом и сложным характером распределения по отдельным направлениям. Механические свойства металла в зоне шва также неоднородны, поэтому и влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости будет различной для различных участков зоны шва. Эти обстоятельства весьма затрудняют применение расчетных методов для количественного определения влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений [58].

Влияние остаточных напряжений на прочность соединений при статических нагрузках рассматривается обычно в связи со свойствами металла конструкции и тем предельным состоянием, по которым оценивается ее работоспособность [24]. При анализе влияния остаточных напряжений [25] на статическую прочность следует складывать не напряжения, а деформации. Если деформации, вызванные сваркой, невелики по сравнению с исходной пластичностью, то их действие практически не проявляется. При больших концентрациях сварочных пластических деформаций или при низкой пластичности материала они могут в значительной степени снизить запас пластичности и повлиять на прочность соединения. В работах установлено, что [86, 125] применительно к элементам конструкций, изготовленным из пластичного материала, находящегося в пластическом состоянии и работающего при статических нагрузках, ОСН не влияют на прочность элемента конструкции или ее влияние минимально.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют заключить [84, 126], что степень влияния растягивающих остаточных напряжений зависит от вида соединения, асимметрии цикла нагружения, напряженного состояния и характера передачи усилий в элементе или образце. В ряде случаев это влияние может быть соизмеримо с эффектом концентрации напряжений. Отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений на работоспособность сварных соединений усиливается при малом уровне рабочих напряжений.

В работе [89] отмечено, что отрицательное влияние ОСН на работоспособность сварных соединений зависит от характеристики цикла и усиливается при малом уровне рабочих напряжений. В отдельных случаях ОСН снижают усталостную прочность сварного изделия на 35… 50 %, причем между пределом выносливости и величиной ОСН иногда обнаруживается линейная зависимость.

По В.И. Труфякову, эта зависимость может быть представлена в виде 1 = 1 1 В, (1.1) 1 где и - соответственно пределы выносливости при симметричном цикле нагружения образцов с ОН и без них;

0 - величина ОН в зоне разрушения;

В - предел прочности металла. В литературе наряду с зависимостью (2.1) приводятся и другие выражения типа 1 = 1 0, (1.2) где для конструкционных сталей составляет 0,1… 0,4.

Весьма значительна роль остаточных напряжений на стадии развития трещины усталостного разрушения, которая может составлять от до общей долговечности сварных соединений 10 90 % [125].

Экспериментально получено что ОСН растяжения, [127, 128], действующие в районе острого концентратора, оказывают заметное ускоряющее действие на усталостное развитие. В то же время ОСН сжатия при прочих равных условиях приводят к резкому замедлению роста трещины.

В работе [75] предложена зависимость для количественного описания влияния ОСН на скорость роста усталостной трещины:

S m K = C ( K ) 1 + r dl K, dN (2.3) где: l длина трещины;

N число циклов нагружения;

K размах коэффициента интенсивности напряжения;

коэффициент Kr интенсивности остаточных напряжений;

C, m, s характеристики материала.

Хрупкое разрушение происходит под действием комплекса факторов [53]. В числе факторов, способствующих хрупкому разрушению основного металла, можно выделить: низкую температуру, объемное напряженное состояние, масштабный эффект, увеличение скорости деформации, концентрацию напряжений и др., а также ряд факторов, свойственных сварному соединению: трещин подобные дефекты, деформационное старение, остаточные напряжения растяжения и др. [56, 65, 87, 119, 140 и др.].

В работе [29] были проведены специальные эксперименты для определения влияния остаточных напряжений и деформационного старения на хрупкую прочность сварных соединений из малоуглеродистой стали (0,21 % С;

0,45 % Mn;

0,31 % Si;

0,024 % S;

0,037 % P) с т=23, кг/мм2. Эксперименты с образцами без деформационного старения выявили, что остаточные напряжения не влияют на прочность в диапазоне вязких разрушений и уменьшают сопротивляемость стали возникновению хрупких трещин только при температурах, соответствующих переходу от квазихрупкого разрушения и ниже. При исследовании образцов с деформационным старением получено, что деформационное старение перемещает нижний порог номинальной прочности в сторону положительных температур, вследствие чего влияние остаточных напряжений проявляется при более высоких температурах.

Остаточные напряжения алгебраически суммируются с напряжениями, обусловленными внешней нагрузкой [27]. Соответственно, хрупкое разрушение при наличии ОСН может наступить при сравнительно малой нагрузке [24].

В сварных соединениях кольцевых стыков труб основное влияние на образование остаточных сварочных напряжений оказывают окружное сокращение металла в зоне пластических деформаций и изгиб оболочки. В многослойных швах к этим двум факторам добавляются неравномерность усадки поперек шва и порядок выполнения отдельных слоев [21].

В кольцевых стыках труб, выполняемых за один или много проходов, остаточные сварочные напряжения считаются практически асимметричными [25]. Поэтому предполагается, что для отдельного прохода сварочный шов накладывается одновременно по всей окружности трубы [43, 75].

Одной из способностей сварки кольцевых швов цилиндрических оболочек является появление шва т.е.

«проседания» (рис. 1.3), возникающие радиальные перемещения, приводящие к сужению диаметра трубы на участке сварного соединения [25, 75]. Вследствие этого происходит понижение – кольцевых остаточных напряжений, и при некотором сочетании режимов сварки, свойств металла и параметров жесткости оболочки – в шве могут быть даже близкими к нулю. А также появляются осевые напряжения сжимающие снаружи и (z), растягивающие изнутри.

Рис. 1.7. «Проседание» в зонах кольцевых стыков труб [75] Таким образом, наиболее неблагоприятные высокие растягивающие остаточные сварочные напряжения и z имеют место на внутренней поверхности трубы в зоне сварного шва. На наружной поверхности:

кольцевые напряжения в зоне шва ниже уровня внутренней поверхности и в некоторых случаях могут быть отрицательными (при /D0,05 в случае контактной сварки);

осевые напряжения z отрицательны [44, 76]. На рисунке 1.8 представлены распределения остаточных сварочных напряжений для трубы диаметром 102 мм и толщиной стенки 11 мм, изготовленной из стали 08Х18Н10Г, полученные расчетным способом с помощью метода конечных элементов [44].

В работе [74] измерены кольцевые остаточные деформации сварного стыка трубы из аустенитной стали 10Х1810Т с помощью тензорезисторов базой 5 и 10 мм. По полученным данным в зоне 25-30 мм от центра шва на внутренней и наружной поверхностях трубы обнаружены растягивающие остаточные сварочные деформации.

Рис. 1.8. Распределение ОСН в кольцевом сварном соединении трубы 102 мм: а) во внутренней поверхности;

б) изменение кольцевых и осевых напряжений по толщине трубы.

Значения напряжений получены расчетным способом [35] В работе [48] результаты измерения ОСН в кольцевых стыках трубы диаметром 325х34 мм длиной 350 мм из теплоустойчивой стали 12Х1МФ показали, что остаточные напряжения зависят от технологии сварки. Но общая картина распределения ОСН такова, что на наружной поверхности трубы в сварном шве и околошовной зоне имеют место растягивающие кольцевые напряжения (достигающие до 300… 400 МПа) и сжимающие осевые напряжения (достигающие -125 МПа). Определение ОСН проводились методом высверливания отверстий и измерения возникающих при этом перемещений – с помощью голографической интерферометрии. В работе [151] исследовалось влияние толщины стенок трубы на характер распределения остаточных напряжений. Было обнаружено, что остаточные напряжения с утолщенной стенкой трубы становятся в большей степени сжимающими.

Таким образом, остаточные кольцевые и осевые напряжения кольцевых сварных соединений, образующиеся после сварки, распределяются неравномерно по периметру шва и зависят от технологии сварки, последующего остывания сварного соединения, также от геометрических размеров труб (диаметра и толщины стенок труб).

Определение полей остаточных сварочных напряжений в конструкциях является весьма сложной инженерной задачей, требующей отдельного исследования. В настоящее время существует очень много расчетных (теоретических) и экспериментальных методов определения остаточных сварочных деформаций и напряжений. Значительный вклад в развитие расчетных методов определения сварочных деформаций и напряжений внесли Г.А. Николаев, Н.О. Окерблом, И.П. Трочун, В.А.

Винокуров, В.И. Махненко и др. [25-26, 76, 86, 87-89,124]. Но, несмотря на большой прогресс в области расчетных методов определения ОСН, трудно учитывать в них многочисленные конструктивно-технологические и эксплуатационные факторы, влияющие на распределение остаточных напряжений. В связи с этим возникает необходимость в применении экспериментальных методов исследования ОСН и действующих напряжений в строящихся и работающих объектах, в частности в сварных соединениях в условиях Сибири и Крайнего Севера [33].


Одним из таких методов, позволяющих определить остаточные напряжения в реальных конструкциях, является рентгеновский метод, основанный на прецизионном измерении изменений межплоскостных расстояний, определяемых по смещению дифракционной линии. Этот метод обеспечивает достаточно большую точность и позволяет измерять остаточные напряжения в изделиях сложной конфигурации, обладает высокой локальностью на глубине до 1 мм.

1.4. Анализ основных технологических приемов и методов снижения уровня остаточных сварочных напряжений В последние годы огромное внимание во всем мире уделяется послесварочным методам обработки сварных соединений. Практика изготовления сварных конструкций из различных марок сталей и сплавов показывает, что получаемые сварные соединения часто имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл.

В России изысканием и совершенствованием технологических методов повышения прочности сварных конструкций занимается ряд организаций: Институт электросварки им. Е.О. Патона, (ИЭС) Государственный научный центр РФ ОАО «Научно-производственное объединение научно-исследовательский институт «Центральный технологии машиностроения» (ОАО НПО ЦНИИТМАШ), Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Институт металлургии им. А.А. Байкова, Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства Политехнический (ЦНИИС), институт им. М.И. Калинина, Челябинский политехнический институт и др. Также этим вопросом большое внимание уделяется за рубежом.

В принципиальном отношении существующие методы и технологические процессы регулирования и уменьшения напряжений и деформаций, возникающих при сварке, могут быть сведены к трем главным способам [24]:

уменьшению объема металла, участвующего в пластической деформации в процессе сварки, и величины пластической деформации, возникающей на стадии нагрева металла;

созданию пластической деформации противоположного знака в трех зонах, которые оказались вовлеченными в пластическую деформацию на стадии нагрева;

это может быть обеспечено как процессе сварки, так и после её завершения;

использованию принципа компенсации возникших пластических деформаций, например симметричному расположению швов, возможности свободной усадки, созданию пластических деформаций в других зонах, чтобы получить равномерную усадку всего элемента и т.п.

Ниже рассмотрен ряд известных технологических методов, позволяющих повысить прочность сварных конструкций и снизить уровень остаточных сварочных напряжений.

Одной из известных в настоящее время и наиболее радикальной с точки зрения снижения остаточных напряжений и стабилизации структуры является термическая обработка. Главным назначением термической обработки сварных конструкций является повышение их работоспособности и эксплуатационной надежности. Этот вид обработки считается одним из надежных средств, предотвращающим как технологические трещины, так и преждевременные разрушения от эксплуатационных нагрузок. В связи с имеющейся тенденцией непрерывного повышения использования легированных сталей в изделиях различного назначения, объем и области применения термической обработки непрерывно увеличиваются [46].

Одним из распространенных операций термической обработки является отпуск. Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла, а также для снижения остаточных напряжений. Основное достоинство общего отпуска как средства снижения остаточных напряжений по сравнению с другими методами заключается в том, что напряжения снижаются во всех точках сварной конструкции независимо от сложности её формы [24].

В зависимости от температуры отпуск сталей может быть высоким (500-750 °С), средним (300-450 °С) и низким (90-300 °С). Высокий отпуск позволяет снимать остаточные сварочные напряжения, улучшить структуру и свойства шва и зоны термического влияния, снимать наклеп, вызванный пластическим деформированием при сварке и формообразовании заготовок, а также устранять эффект деформационного старения [24].

Низкий и средний отпуск обычно применяют для сварных узлов из среднелегированных сталей для частичного восстановления свойств сварных соединений при невозможности полной термической обработки.

Наибольшее снижение напряжений происходит на стадии нагрева и первые 1-2 ч выдержки, затем процесс замедляется. При остывании, вследствие роста модуля упругости, напряжение несколько возрастает [24].

В работе [46] показаны результаты исследований влияния режимов термообработки на прочность сварного соединения трубы из стали марки 14Х2ГМР.

Показано, что отпуск, восстанавливая свойства шва и закаленного участка, оставляет, однако, при всех его режимах прочность мягкой прослойки ниже прочности основного металла (рис. 1.9) и не обеспечивает равнопрочность сварного соединения при обычно применяемых режимах отпуска (заштрихованный участок) [46].

Рис. 1.9. Изменение твердости при отпуске разных зон сварного соединения стали 14Х2ГМР [46] В одних случаях отпуск может повысить сопротивление усталости, а в других является бесполезным или даже приводит к его снижению [88].

Поэтому стоит учитывать отрицательное влияние термической обработки (рис. 1.10), и отпуск не всегда применяется. Все сварные конструкции разделяют на две группы: А – сварные конструкции, подлежащие нормализации или закалке;

Б – сварные конструкции, не требующие нормализации или закалки. Вопрос об отпуске деталей группы А решается однозначно в связи с тем, что после закалки и нормализации сварные конструкции обычно подвергают к отпуску. Отпуск для сварных конструкций группы Б может быть назначен либо на основании признаков прочности, либо на основании признаков точности [24, 46].

Рис. 1.10. Возможные отрицательные последствия проведения термической обработки [46] Для конструкций с соединениями, выполненными электрошлаковой сваркой, необходимость применения отпуска зависит от толщины листа и длины шва (рис. 1.11).

Рис. 1.11. График, позволяющий разделить сварные конструкции с прямолинейными электрошлаковыми соединениями на две группы в зависимости от объемности напряженного состояния [24] В работе [55] более подробно описаны технология и проведение термической обработки сварных соединений трубопроводов. Для выбора рациональной технологии термической обработки конкретного сварного соединения следует учитывать режим термической обработки, предписанный нормативно-технической документацией, размеры сварного соединения (диаметр и толщину стенки трубы, его конструкцию, а также марку стали труб), наличие материальных средств (нагревательных устройств, источников питания и т.п.), квалификацию термистов, принятую форму организаций работ по термической обработке и т.п.

Существует несколько методов нагрева для проведения термической обработки. Наиболее экономичный газопламенный нагрев. Однако область его применения ограничена в связи с недостаточно высоким качеством термической обработки. Электрические методы нагрева по степени экономичности можно расположить в порядке (в сторону снижения экономичности): индукционный нагрев средней частоты 2 500-8 000 Гц, комбинированный нагрев методом сопротивления, индукционный нагрев токами частотой 50 Гц. Индукционный нагрев токами средней частоты 2500-8000 Гц требует применения сложного оборудования, которое в нашей стране в настоящее время серийно не выпускают [54].

Местная термическая обработка различными источниками тепла (постоянным и переменным током, лазерами и др.) более эффективно, но имеет характерные для каждого способа недостатки. К примеру, для снятия остаточных сварочных напряжений в сталях необходима о температура обработки свыше 600 С в течении 1 ч, что является достаточно энергозатратным [55].

Применение таких технологий связано с рядом технологических ограничений (требует больших энергетических ресурсов, предполагаются затраты на транспорт и погрузочно-разгрузочные работы, аренду или выделение территории для окончательного остывания обработанных изделий) и крупными капиталовложениями, и как было показано, не всегда оправдано.

В последнее время часто применяют метод использования энергии вибрационных колебаний, он по сравнению с термической обработкой, не требует большой энергетической затраты.

Метод низкочастотной виброобработки предназначен для снятия остаточных механических напряжений в металлоконструкциях больших габаритов с высокими требованиями к прочностным характеристикам.

Вибрационную обработку осуществляют посредством возбуждения в сварной конструкции низкочастотных механических колебаний. При вибронагружении суммируют переменные нагружения с остаточными напряжениями в металлоконструкции Под действием (рис. 1.12).

суммарных напряжений может происходить пластическая деформация, способствующая стабилизации геометрических размеров, перераспределению и снижению остаточных напряжений [20, 66].

Наиболее распространенная схема виброобработки предусматривает установку сварной конструкции на виброизолирующих опорах и крепление к ней вибровозбудителя с регулирующей частотой и амплитудой колебаний. Плавным изменением частоты колебаний от минимальной до максимальной регистрируют резонансные частоты системы «сварная конструкция – оснастка – вибровозбудитель». Затем производят виброобработку на выбранных резонансных частотах [20, 66].

Рис. 1.12. Схема суммирования остаточных и вибрационных напряжений в металлоконструкции [66] Современные виброустановки являются мобильными системами, позволяющими выполнять виброобработку сварных конструкций массой до 10 т и более. Энергические затраты при виброобработке примерно в 50 раз ниже, чем при общем отпуске, а производительность более чем в 20 раз выше [20, 66].

Вибрационной обработке подвергают сварные конструкции не только из углеродистых сталей, но из алюминиевых и титановых сплавов [45].

Результаты микроструктурных исследований сварного соединения из стали 12Х18Н10Т в работе [45] показывают, что при применении вибрационной обработки с частотой 100 Гц и амплитудой от 0,6 до 0,8 мм величина зерна аустенита уменьшается на 15,4 %;

при частоте 50 Гц и амплитудой от 0,6 до 0,8 мм величина зерна аустенита уменьшается на Вследствие таких изменений повышает сопротивление 23,1%.

усталостному разрушению при нагружении в области упругопластических деформаций сварных соединений из стали 12Х18Н10Т на 18-22 %.

Однако же такой подход не позволяет оценить эффективность проведенной виброобработки для каждой конкретной сварной конструкции и, следовательно, не может гарантировать сохранение размеров этой конструкции в процессе ее хранения и эксплуатации.

Одним из перспективных и ресурсосберегающих в арсенале существующих методов повышения эксплуатационных свойств машин и конструкций является применение энергии взрыва в таких технологических процессах, как упрочнение и послесварочная обработка.

Известно, что в основе упрочнения металлов и сплавов методами предварительной деформационной обработки лежит идея о возможности управления физико-механическими свойствами путем направленного и контролируемого изменения дислокационной структуры. Вместе с тем возможности традиционных методов пластической деформации весьма ограничены [121, 143-154].

Взрывное упрочнение происходит при распространении через металл ударных волн, основным источником которых являются взрывчатые вещества, т.е. химические соединения или механические смеси различных элементов, способные при внешнем воздействии к чрезвычайно быстрому самораспространяющемуся превращению с образованием газообразных продуктов и выделением большого количества тепла – взрыву. В современной теории взрывных процессов различают две стадии:

собственно взрыв и детонацию. Взрыв рассматривается как нестационарная форма реакции, протекающая вблизи точки инициирования. Если взрыв не затухает, он переходит в стационарную форму – детонацию [7, 121, 143].

Современные взрывчатые вещества позволяют получать давления на фронте ударной волны от 5 до 50 ГПа. Специфика взрывного упрочнения, связанная с волнообразным распространением нагрузки, высокими значениями амплитуды и кратковременностью процесса, приводит к резкому возрастанию плотности дефектов и обогащению структуры дефектами новых типов, т.е. взрывная обработка может быть хорошим инструментом управления дефектной структурой металлических материалов. Особенность взрывной обработки состоит в возможности получения значительного уровня упрочнения при небольшой остаточной деформации, что является существенным фактором при обработке готовых изделий [121].

В работе получены результаты металлографических [65] исследований сварных соединений из конструкционных сталей 13ХГМР и Ст3 до и после взрывной обработки. Показано, что в результате взрывной обработки повышается сопротивление хрупкому разрушению, в частности, сменно базового микромеханизма разрушения от сколообразования на квазискол и изменением кинетики развития трещин. Экспериментально подтверждена возможность нейтрализации субструктурной повреждаемости в материале и восстановление его прочности после взрывной обработки. Установлено, что характер совместной деформации микрообъемов феррита после обработки взрывом способствует такой реорганизации тонкой структуры, которая обеспечивает интенсивное формирование прочностного каркаса в виде стенок мелкоячеистой, более однородной по сравнению с исходным состоянием субструктуры.

Для труб наибольшее распространение получила схема взрывной обработки, разработанная ИЭС им. Е.О. Патона, согласно которой осесимметричное взрывное нагружение обеспечивается подрывом кольцевых зарядов взрывчатого вещества (детонирующих шнуров), располагающихся на прилегающих к сварному шву наружных участках поверхности труб.

К недостаткам взрывной обработки можно отнести необходимость применения специального оборудования и соблюдения повышенных требований к технике безопасности.

Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов послесварочной обработки является ультразвуковая ударная обработка (УУО).

Впервые результаты исследований влияния ультразвука на пластичность и прочность сталей и сплавов были опубликованы в конце 50-х годов прошлого столетия. В это же время была предпринята попытка регулирования напряженно-деформированного состояния сварного соединения по средствам его деформационной обработки с использованием ультразвука. Эти работы имели продолжение в машиностроении при механической обработке. Попытки применения ультразвука в сварочном производстве в этот период положительных результатов не дали. По мнению современных экспертов, основная причина неудач заключалась в конструкции инструмента, жесткой связи его волновода с рабочим деформирующим элементом (индентором). Это техническое решение ограничивало возможность эффективной деформационной обработки неровной поверхности сварного шва. Кроме того, энергетические характеристики ультразвукового оборудования, его низкая удельная мощность и большая масса инструмента также не позволяли создавать мобильные технологические устройства, удовлетворяющие специфическим требованиям сварочного производства [4].

УУО была разработана на судостроительном предприятии в Северодвинске в 1970-1975 гг. Принципиально новые условия для широкого использования УУО при производстве и эксплуатации сварных конструкций общего назначения сформировались после 1979 г. в результате работ в области повышения сопротивления усталости при переменном нагружении совместно с ИЭС им. Патона [122].

В 1986 г. в МНТЛ «Квант», а затем в СНТК продолжились работы по совершенствованию технологии и оборудования УУО. В содружестве с отечественными и зарубежными ведущими научными центрами выполнен цикл исследований эффективности применения этого метода упрочняющей обработки на мостовых сталях, высокопрочных коррозионно-стойких и конструкционных сталях. В результате проведенных исследований подтвердилась высокая эффективность метода и технологии УУО для повышения сопротивления усталости, создания благоприятных сжимающих напряжений, перераспределения и уменьшения остаточных напряжений и деформаций, повышения механической прочности материала сварного соединения в зоне обработки.

Установлено, что метод УУО обеспечивает комплексное воздействие на обрабатываемое изделие, вызывает в нем неблагоприятную активацию деформационных процессов релаксации [122].

Таким образом, были созданы предпосылки для системного продвижения технологии УУО в практику производства, эксплуатации и ремонта сварных металлоконструкций [122].

Эффективность применения УУО отражены во многих научных работах [2, 13, 21, 47, 71, 82, 91-102]. Экспериментально показано [13, 45, 52] значительное влияние УУО на структуру сварных соединений из стали 12Х18Н10Т, 15Г2ФБ и 12Х1МФ. Установлено, что в результате УУО величина зерна аустенита уменьшается на 3,8 %, что повышает усталостное сопротивление сварных соединений из сталей 12Х18Н10Т на 24-26 %. Повышает пределы выносливости стыковых соединений из стали 15Г2ФБ в воздушной и коррозионной среде на 20-25 %, в основном за счет сжимающих напряжений, образующихся в поверхностных слоях металла.

Выявлено, что глубина структурных изменений, измельчение основных структурных составляющих низкоуглеродистой ферритно-перлитной стали 12Х1МФ происходит для основного металла до 150 мкм, в металле шва до 60-70 мкм и в зоне термического влияния до 240 мкм, что в целом повышает твердость сварного соединения на 25-30 %.

В результате УУО так же, как и термической обработки, в обработанной (околошовной) зоне образуются сжимающие напряжения, где ранее имели место растягивающие напряжения, что является положительным фактором с позиции эксплуатационной надежности сварной конструкции. При этом УУО оказывает более эффективное воздействие на перераспределение остаточных сварочных напряжений (ОСН) по сравнению с термообработкой [66, 85].

Каждый из известных методов снижения остаточных напряжений имеет более или менее ограниченную область рационального применения.

Существует большой класс практических задач, которые не могут быть решены путем использования имеющегося арсенала средств снятия ОН в сварных соединениях конструкций, в особенности при необходимости выполнения большого объема работ в производственных условиях.

Отсюда следует необходимость как усовершенствования существующих, так и поиска принципиально новых способов послесварочной обработки сварных соединений в целях снятия ОН, а также упрочнения, стабилизации геометрии, изменения структурного состояния и т.п. [82].

Существующие способы поверхностного пластического деформирования деталей машиностроения, в том числе УУО, не содержат каких-либо специальных методов контроля упрочнения. Поэтому при их использовании нельзя точно и однозначно установить в ходе обработки, насколько обработанный с их помощью объект будет сильнее сопротивляться эксплуатационным нагрузкам [142]. Таким образом, для применения способа ударной обработки сварных соединений трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур необходимо проведение дополнительных (до -60 °С) исследований.

1.5. Цель и задачи исследований Исходя из вышеизложенного 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 были сформулированы следующие задачи:

Экспериментально обосновать режим УУО, который 1.

обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционной стали 13Г1С-У.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.