ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1011-1018
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 620.179.14
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА В РАЗЛИЧНЫХ ЗОНАХ СВАРНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
© 2014 г. Э. С. Горкунов, С. М. Задворкин, Е. А. Путилова, Р. А. Саврай
Институт машиноведения УрО РАН, 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34
e-mail: tuevaevgenya@mail.ru Поступила в редакцию 23.10.2013 г.; в окончательном варианте — 20.05.2014 г.
Наличие обширной сети существующих и строящихся магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, обуславливает необходимость развития методов не-разрушающего контроля для диагностики текущего состояния самой трубы, а также сварных соединений в процессе изготовления и последующей эксплуатации. В данной работе приведены результаты микроструктурных исследований, механические и магнитные свойства различных зон сварных соединений (основного металла, материала околошовной зоны и материала шва) трубных сталей, изготовленных по технологии контролируемой прокатки, классов прочности Х70 и Х80. Исследовано влияние различных схем нагружения на магнитных характеристики металла из всех трех зон сварных соединений. Установлены магнитные параметры, однозначно характеризующие изменение напряженно-деформированного состояния отдельных зон сварного соединения (шва, околошовной зоны, основного металла) в определенном диапазоне приложенных напряжений.
Ключевые слова: трубные стали, сварное соединение, нормальные напряжения, касательные напряжения, магнитный контроль, коэрцитивная сила, остаточная индукция, максимальная магнитная проницаемость.
DOI: 10.7868/S0015323014100064
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время прокладываются все новые ветки нефте- и газопроводов на дальние расстояния, эксплуатация которых будет проводиться при пониженных температурах, в суровых климатических условиях Ямала, Восточной Сибири, морских месторождений в северных широтах. Большую долю в общем объеме составляют трубопроводы из уже широко распространенной трубной стали класса прочности Х70, при производстве которой используется технология контролируемой прокатки. Современная практика предъявляет к магистральным трубопроводам требования, связанные с повышением их пропускной способности при снижении металлоемкости, для чего необходимо увеличение рабочего давления в трубопроводе (для газопроводов с 75 до 100—200 атм. и для нефтепроводов с 55 до 75—100 атм.) [1], а также уменьшения толщины стенок труб. Кроме того, для листового проката, используемого для изготовления труб, меньшей толщины проще обеспечить более высокий уровень свойств [2, 3]. В связи с этим перспективным является переход на производство труб из сталей классов прочности Х80 и выше [1]. Применение сталей повышенных кате-
горий прочности позволяет добиться снижения металлоемкости трубной продукции, уменьшить трудоемкость строительно-монтажных работ (особенно сварочных) и затраты на транспортировку металла [4]. Увеличение прочностных характеристик низкоуглеродистых экономнолегиро-ванных трубных сталей, подвергаемых контролируемой прокатке, может быть достигнуто за счет перехода от сталей с феррито-перлитной структурой к сталям со структурой бейнита [1, 5—8].
Хорошо известно, что чаще всего очагами разрушения металлоконструкций, в том числе магистральных трубопроводов, являются именно сварные соединения, в частности околошовная зона. Нарушение прочности сварных соединений трубопроводов происходит, во-первых, из-за дефектов, которые могут возникнуть в процессе сварки вследствие различных отклонений от установленных норм и технических требований, и, во-вторых, из-за действия напряжений как остаточных, так и эксплуатационных [9—11].
Как правило, в сварных конструкциях выделяют несколько зон: основной металл, шов и околошовную зону (ОШЗ). Отличия в структуре различных зон, физико-механических свойствах и
Таблица 1. Химический состав исследованных материалов (мас. %)
Класс прочности Зона соединения С Si Mn P S Сг Ni Mo Nb V Ti
Х70 Основной металл 0.14 0.48 1.61 0.012 0.004 0.071 0.150 0.222 0.023 0.030 0.008
Х80 и металл ОШЗ 0.083 0.21 1.77 0.009 0.001 0.101 0.243 0.144 0.040 0.002 0.009
Х70 Металл шва 0.12 0.35 1.92 0.017 0.004 0.091 0.031 0.018 0.043 0.041 0.004
Х80 0.077 0.35 1.66 0.011 0.002 0.079 0.286 0.338 0.02 0.003 0.011
уровне остаточных напряжений определяют тот факт, что в процессе изготовления и эксплуатации материал различных участков сварных конструкций будет по-разному реагировать на действие приложенных нагрузок. В связи с этим разработка методов оценки изменений напряженно-деформированного состояния в различных зонах сварных стальных конструкций на стадиях их изготовления и эксплуатации является актуальной задачей неразрушающего контроля. Первый этап при решении этой проблемы заключается в определении физических параметров, однозначно характеризующих изменение структурного и напряженно-деформированного состояния отдельных зон сварного соединения (шва, околошовной зоны, основного металла).
В данной работе исследовали структуру и физико-механические свойства различных зон сварных соединений сталей классов прочности Х70 и Х80 в условиях действия приложенных нагрузок с целью определения возможности использования магнитных методов для оценки изменений, происходящих в материале сварных труб большого диаметра в процессе изготовления и эксплуатации.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводили на образцах, вырезанных вдоль направления прокатки, т.е. вдоль шва, из различных зон (основного металла, материала ОШЗ и шва) сварных прямошовных труб стали контролируемой прокатки классов прочности Х70 (0 1420 х 15.7 мм) и Х80 (0 1420 х 21.6 мм) 1
(по стандарту API) . Предварительное исследование образцов основного металла труб, вырезанных как вдоль, так и поперек направления прокатки, показало отсутствие анизотропии свойств этих материалов.
Образцы из материала ОШЗ вырезали на расстоянии около 10 мм от сварного шва. Химический состав основного металла и ОШЗ, а также материала шва исследованных образцов приведен в табл. 1.
1 Металл был предоставлен ОАО РосНИТИ.
Механические свойства металла различных зон сварных соединений определяли при одноосном растяжении на Сервогидравлической испытательной установке 1п81гоп 8801.
Испытания на одноосное растяжение проводили по ГОСТ 1497-84 на десятикратных цилиндрических образцах с головками с диаметром рабочей части 7 мм. Для испытаний на кручение (ГОСТ 3565-80) и комбинированное нагружение использовали полые цилиндрические образцы, внешний диаметр которых был равен 12 мм, а внутренний — 9 мм. Испытания на растяжение и кручение проводили до разрушения образца, при комбинированном нагружении (растяжение/сжатие— кручение) — только в упругой области деформирования.
Испытания проводили при комнатной температуре на универсальной испытательной машине с максимальным усилием растяжения 50 кН и максимальным крутящим моментом 200 Н м. По достижению определенной степени деформации процесс нагружения приостанавливали без разгрузки образца, и при помощи магнитно-измерительного комплекса Яеша§гарИ С-500 регистрировали петли магнитного гистерезиса. Магнитные измерения проводили в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра. Магнитное поле напряженностью до 500 А/см прикладывали вдоль оси образца. Из петель магнитного гистерезиса определяли значения коэрцитивной силы Нс, остаточной индукции Вг и намагниченности в максимальном приложенном поле Ммакс (примерно равной намагниченности насыщения). Погрешность измерения поля и индукции не превышала 3%. Из основной кривой намагничивания определяли максимальную магнитную проницаемость цмакс. Перед началом каждого измерения магнитных свойств и по его окончании образец размагничивали. При помощи дифференцирования нисходящих ветвей петель магнитного гистерезиса получали полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости цдаф (далее на рисунках приведены только те участки полевых зависимостей цдаф, на которых формируются максимумы проницаемости).
Шлифы для проведения микроструктурных исследований были подготовлены на поперечном се-
Рис. 1. Микроструктура сталей классов прочности Х70 (а, в, д) и Х80 (б, г, е): а, б — основной металл; в, г — материал ОШЗ; д, е — металл шва. Увеличение 1500.
чении образцов. Травление проводили с использованием 4% спиртового раствора HNO3. Микроструктуру исследовали при помощи оптического микроскопа Neophot 21. Микротвердость HV0005 образцов в поперечном сечении определяли на микротвердомере Leica.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты металлографических исследований представлены на рис. 1. Структура основного металла трубы из стали класса прочности Х70 состоит из полигонального феррита и колоний перлита (рис. 1а). Как видно из рис. 1, для этой структуры характерно наличие небольшой строчечно-сти перлитных колоний. Структура ОШЗ трубы из стали Х70 представляет собой смесь феррита, мартенситно-аустенитной составляющей и реечного бейнита (рис. 1в), для которого присуще наличие тонких и длинных реек, объединенных в
крупные пакеты относительно равноосной формы. Подобные структуры ОШЗ с крупным размером зерна были исследованы в работе [7]. Причиной возникновения крупнозернистой структуры, непосредственно прилегающего к линии сплавления, является нагрев до температур, при которых происходит растворение большинства частиц карбидов, являющих эффективными барьерами для торможения роста зерна [7]. Материал шва трубы из стали класса прочности Х70 (рис. 1д) имеет в структуре такие составляющие как игольчатый бейнит, феррит и мартенсито-аустенитную составляющую. Структура основного металла трубы из стали класса прочности Х80 представляет собой смесь мелкого квазиполигонального феррита, игольчатого и глобулярного бейнита (см. рис. 1б). Как показано в работе [13], для создания стали с такой морфологией должно быть сформировано мелкое аустенитное зерно, что достигается микродобавками ниобия, ванадия и титана. Эти эле-
Таблица 2. Механические и магнитные свойства металла
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.