УДК 670.191.33
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
© Марущак Павел Орестович1, д-р техн. наук, e-mail: Maruschak.tu.edu@gmail.com;
Данилюк Ирина Михайловна1, e-mail: laboratory22b@gmail.com; Вухерер Томаш2, канд. техн. наук, e-mail: tomaz.vuherer@uni-mb.si; Бищак Роман Теодорович3, канд. техн. наук, e-mail: snt@tu.edu.te.ua
1 Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя. Украина, г. Тернополь
2 Мариборский университет. Словения, г. Марибор
3 Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. Украина, г. Ивано-Франковск
Статья поступила 19.08.2014 г.
Исследованы основные закономерности зарождения трещин в стали магистрального газопровода после 40 лет эксплуатации при ударном нагружении. Определена энергоемкость разрушения материала газопровода для различных направлений вырезки образцов. Каждая стадия диаграммы ударного нагружения характеризуется самоорганизацией уровней деформирования, а форма диаграммы позволяет описать стадийность разрушения.
Ключевые слова: сталь; рельеф; механизмы разрушения; ударная вязкость; структура.
Магистральные газо- и нефтепроводы Украины практически выработали свой проектный ресурс [1]. Необходимость обеспечения надежной транспортировки газа и поддержания рабочих параметров магистральных газопроводов обусловливает рост требований по прочности и трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений. В последнее время стала актуальной новая проблема - структурно-механическая деградация конструкционных материалов магистральных трубопроводов [2]. В ряде работ доказано негативное влияние длительной эксплуатация магистральных газопроводов не только на механические свойства сталей, но и на их коррозионные и электрохимические характеристики [1, 3].
Известно, что длительная эксплуатация приводит к значительному ухудшению механических свойств металла трубопроводов, при этом возрастает условный предел текучести, снижаются показатели пластичности, а также ухудшаются ударная вязкость, характеристики трещиностойкости и др. [4]. В связи с этим особую актуальность приобретает проблема оценки ударной вязкости материала после длительной наработки.
Цель данной работы - изучение механизмов, энергоемкости деформирования и разрушения стали газопровода после длительной наработки.
Изучали свойства металла магистрального газопровода «Киев-Запад 1». Структуру внешнего и внутреннего слоев трубы анализировали на металлографическом микроскопе Ахюуег1 40 МАТ. Ударную вязкость определяли на образцах Шарпи размерами 10x10x55 мм. Радиус У-образ-ного надреза 0,25±0,025 мм. Схема вырезки и обозначение типов образцов представлены на рис. 1.
Ударную вязкость материала магистрального газопровода после 40 лет наработки определяли на автоматизированном копре ККР-300 с программным обеспечением УиШ-СИАИРУ. Программа позволяет разделить энергию разрушения образца на составляющие путем преобразования зависимости «нагрузка - время» (Р-Ь) в зависимость «нагрузка- перемещение» (Р-я). Для этого учитывали массу ударника (нагрузочного устройства) т и начальную скорость удара и . С учетом зависимости Р(Ь) двойным последовательным интегрированием рассчитывали изменение скорости перемещения ударника и(Ь) при нагружении образцов согласно рекомендациям [7, 8]
v(t)= v0-—]p(t)dt. mto
(1)
Рис. 1. Схемы вырезки образцов и нанесения концентраторов напряжения в исследуемых образцах Шарпи
После этого изменение величины перемещения ударника s во времени нагружения t определяли как
s{t) = \v(t)dt.
(2)
Рассчитав площадь под полученными диаграммами P(s), определяли составляющие энергозатрат на разрушение образцов на отдельных этапах. При этом общую работу разрушения образцов А при ударном нагружении рассматривали как сумму работ зарождения Аз и распространения трещины А [8]
<
с? I
ГГВ. \Ша
МПа
4 6 8 10 Число образцов N
Рис. 2. Исходные механические свойства: а - характеристики прочности стали 17Г1С; б - ударная вязкость стали партии труб газопровода «Киев-Запад 1» (границы диапазона)
согласно сертификату 162/3-69
А = А + А
(3)
Исследовали сталь магистрального газопровода «Киев - Запад Украины - 1» (КЗУ-1) (диам. 1020 мм, толщина стенки 10 мм, резиново-битумное изоляционное покрытие). Для труб диам. 1020 мм толстолистовой прокат поставлялся в нормализованном состоянии [5] (режим нормализации стали 17Г1С: нагрев до температуры 920930 °С, выдержка 1,0-1,2 мм/мин и охлаждение на спокойном воздухе или в потоке воздуха, создаваемом вентилятором). После нормализации сталь 17Г1С имеет ферритно-перлитную микроструктуру.
Необходимо отметить, что механические свойства металла ма-
Рис. 3. Микроструктура внутренней (а) и внешней (б) поверхностей стенок трубы из стали 17Г1С (х100) и ее поперечного сечения (в, х100, г, х200)
гистральных газопроводов имеют определенный разброс (рис. 2). При этом условные предел прочности и предел текучести вследствие микроскопических механизмов упрочнения остаются практически неизменными (см. рис. 2, а). В то же время субструктурная неоднородность металла труб, обусловленная процессом их производства, приводит к значительному рассеянию величин ударной вязкости (см. рис. 2, б).
Обычно [5] нижний порог хладноломкости нормализованной стали 17Г1С находится не выше -90 °С, а верхний на уровне -10 °С. Температура верхнего порога хладноломкости для плавок с содержанием углерода, близким к нижнему марочному пределу (0,15%), понижается до -40 °С. Следует отметить, что сталь 17Г1С чувствительна к деформационному старению, в ре-
зультате которого наблюдается снижение ударной вязкости [5].
Структурные особенности стали магистрального газопровода. Эксплуатационное на-водороживание стенки трубы из стали 17Г1С и строчечность структуры обусловили накопление дефектов и расслоений при технологических нагрузках [6].
Металлографический анализ показал присутствие зерен вытянутой формы, что обусловлено технологическим процессом изготовления трубы. На изображениях структуры видно достаточно однородное распределение феррита и перлита (рис. 3, а, б). При этом наблюдается полосчатость структуры в направлении прокатки материала трубы (рис. 3, в, г).
Такая морфология микроструктурных составляющих предопределяет значительную длину границ, фактически образующих одноориенти-рованную «композитную» структуру. При возникновении напряжений растяжения, перпендикулярных этим границам, или значительных сдвиговых напряжений, вдоль полос зерен может происходить расслоение металла.
Ударная вязкость стали 17Г1С после наработки. Диаграммы динамического деформирования интегрально учитывают субструктурную неоднородность стали 17Г1С (микроуровень), особенности деформирования конгломератов структурных элементов (мезоуровень) и позволяют проанализировать энергоемкость зарождения и распространения трещины (макроуровень) [7].
Характер зарождения и развития трещины в образцах различных типов зависит от макролокализации пластической деформации, а также от соотношения концентрации напряжений и тре-щиностойкости, обусловленных геометрической кривизной поверхности образца и гомогенностью механических свойств металла, для определенного направления вырезки (см. рис. 1)
Тип 1 - для этих образцов (рис. 4, а) заметны значительные осцилляции нагрузки при старте трещины (А), обусловленные упругопластически-ми деформациями конгломератов зерен матери-
Рша, н 16000 -
12000 -
8000 -
4000 -
0 -
5
Al, мм
10
P , H
15000
10000
5000
50
40 -
30 -
< (-4
20 -
10 -
0 -I
1,5 2,0 Al, мм
0,000
Рис. 4. Кривые ударного деформирования образцов Шарпи (а-в - соответственно типа 1-111)
и энергоемкости их разрушения (г)
ала на стадиях устойчивого (восходящая ветвь диаграммы нагружения) и неустойчивого деформирования, когда развивается локализованная пластическая деформация и начинается прогрессирующее разрушение материала на мезоуров-не с переходом на макроуровень. Рост трещины характеризуется скачкообразным изменением направления ее фронта. Это является причиной зарождения пластических сдвигов и формирования на диаграмме нагружения осцилляций небольшой амплитуды [8]. При таком многоуровневом подходе разрушение классифицируется как глобальная потеря сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне [9].
Тип 2 (рис. 4, б) - в нагруженном образце возникает осцилляция нагрузки (А). На микромасштабном уровне при таких осцилляциях напряжений возникают потоки дислокаций: на мезомасштабном уровне - протяженные мезо-полосы деформации, на макромасштабном уровне происходит локализация деформации и старт трещины. На диаграмме нагружения образца регистрируются срывы, сопровождающиеся частичным снижением нагрузки (Б). Такие срывы можно интерпретировать как критические точки, соответствующие участкам притупления и повторного старта трещины. Анализ изломов испытанных образцов, проведенный в предыдущих
работах [7, 8], показал, что эти срывы на диаграммах связаны с образованием расщеплений (расслоений) или сменой направления роста трещины.
Тип 3. Старт трещины в образцах такого типа (рис. 4, в), характерен для «классического» хрупкого разрушения механизма, а распространение трещин - в виде нестабильного разрушения. В условиях достаточно «монотонного» разрушения сложный и многостадийный процесс образования микродефектов при старте трещины практически не влиял на закономерности ее роста.
Pmax, H , А б
12000- 1 f\
8000- fi \
4000- V
0 - J
6
Al, мм
10
III
0,005 t, c
0,010
0
0
0
§ 50-
<
^ 40 -
30
III
35 40 45 50 KCV, Дж/см2
55
Рис. 5. Ударная вязкость (а) и зависимость - КСУ для образцов различных типов
б
а
II
Зависимости энергоемкости разрушения от времени деформирования образца показаны на рис. 4, г. На диаграммах ударного нагружения образцов III после достижения максимума нагрузки происходит ее срыв (Б), связанный с появлением расслоения в образце. Дальнейшее продвижение магистральной трещины приостанавливается, и сопротивление деформированию образца начинает снова возрастать до зарождения трещины в следующем слое материала. Этому моменту
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.