Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее актуальных проблем для районов Севера является обеспечение надежности и безопасности магистральных и технологических трубопроводных систем. Изготовление сварных конструкций из различных марок сталей и сплавов показывает, что получаемые сварные соединения часто имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл. Вызвано это прежде всего наличием остаточных сварочных напряжений и деформаций, структурной неоднородностью материала в зоне сварного шва, а также образованием технологических дефектов в процессе сварки.
Результаты анализа фактических случаев разрушений металлоконструкций, эксплуатируемых при низких температурах, отраженные в трудах В.И. Труфякова, 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 зоне сварных соединений. Таким образом, разработка способов повышения усталостной долговечности сварных соединений металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях Севера, позволяющих повысить их механические свойства и формировать благоприятное распределение остаточных сварочных напряжений, является актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности темы. Основными методами послесварочной обработки с целью повышения прочности и надежности сварных конструкций являются термообработка, методы пластической деформации, низкочастотная виброобработка, взрывная обработка, а также ультразвуковая ударная обработка (УУО).
Технология УУО сварных швов и околошовной зоны для снятия механических сварочных напряжений, а также виброударный инструмент для ее реализации достаточно широко описаны в научно-технической и патентной литературе, начиная с 70-х годов прошлого столетия. Однако с позиции теории механического ударного воздействия и упругопластической деформации они наиболее глубоко были исследованы впервые только к 1997 г. при ремонте магистрального газопровода Грязовец - Ленинград в Вологодской области. Эффективность применения УУО для повышения сопротивления усталости, предела выносливости, увеличение циклической долговечности сварных соединений наведением остаточных напряжений сжатия, измельчением структуры в приповерхностном слое, повышением микротвердости и механических свойств для высокопрочных мостовых и теплоустойчивых марок сталей (ВКС-12, 15Г2Ф, 12Х1МФ, 12Х18Н10Т, 1Х18Н9Т, 20ХГНСНА) описаны в трудах различных ведущих исследовательских центров России и СНГ (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, г. Киев, Украина; ИФПМ СО РАН, г. Томск, Россия; РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва, Россия и др.). Вместе с тем недостаточно глубоко проведены исследования в области УУО сварных соединений техники и металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур (до -60 С), что существенно ограничивает применения метода при их строительстве, монтаже и ремонте.
Настоящая работа посвящена исследованию особенностей влияния УУО на остаточные сварочные напряжения и механические свойства сварных соединений трубопроводов, работающих в условиях низких климатических температур. В качестве инструмента для обработки был применен технологический комплекс, состоящий из ультразвукового генератора УЗГТ 0.5/27 с технологической оснасткой типа «Шмель», разработанный в ИФПМ СО РАН.
Цель работы: исследовать влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений в кольцевых сварных соединениях трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных сталей, для эксплуатации в условиях низких климатических температур.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Экспериментально обосновать режим УУО, который обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварных соединений стыков труб, изготовленных из конструкционной стали 13Г1С-У.
-
Исследовать распределение остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей 20, 09Г2С и 13Г1С-У при ручной дуговой сварке и автоматической сварке под флюсом, не подвергнутых последующей механической обработке.
-
Оценить влияние УУО на изменение характера распределения и знака остаточных сварочных напряжений в кольцевых стыках труб из стали 09Г2С и 13Г1С-У.
-
Исследовать изменение сжимающих остаточных напряжений, наведенных после УУО при циклическом механическом нагружении образцов сварных соединений из стали 13Г1С-У.
-
Оценить влияние УУО на изменение ударной вязкости при различных температурах образцов сварных соединений труб диаметрами 530 и 720 мм из сталей 09Г2С и 13Г1С-У.
-
Разработать способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб.
Научная новизна работы
Экспериментально установлено, что ультразвуковая ударная обработка реализованного с помощью технологического комплекса при мощности 420 Вт обеспечивает равномерное распределение микротвердости по зонам сварного соединения из низколегированной стали 13Г1С-У.
Выявлено, что УУО сварного соединения с внутренней стороны стенки трубы способствует изменению характера распределения остаточных сварочных напряжений, а их средние значения меняются от 250 до -220 МПа для осевых напряжений и от 420 до -280 МПа для кольцевых напряжений, что обеспечивает формирование напряжений сжатия на внутренней поверхности трубы.
Показано, что после УУО значения сжимающих остаточных напряжений увеличиваются и достигают уровня значений в пределах -337… -360 МПа, что при воздействии циклических растягивающих нагрузок в диапазоне 0,85Т… 0,95Т создает запас остаточных сжимающих напряжений и способствует сохранению отрицательного знака во всех зонах сварного шва.
Показано, что проведение УУО с внутренней стороны стенки трубы позволяет повысить ударную вязкость металла шва (МШ) и околошовной зоны (ОШЗ) образцов сварных соединений из низколегированных сталей в диапазоне температур -40… -60 С, для образца из стали 09Г2С в МШ на 30 %, а в ОШЗ – на 24 %; для образцов из стали 13Г1С-У ударная вязкость МШ повышается на 12 %, а ОШЗ практически не меняется, что связано формированием остаточных сжимающих напряжений.
Практическая ценность и реализация результатов исследования
Разработан способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных сое-
динениях стыков труб, который является основанием для внедрения УУО при строительстве и ремонте трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера. Новизна технических решений реализованных при разработке методики, подтверждена патентом. Результаты исследований:
Использованы при проведении ремонтных работ в ОАО «Саханефтегазсбыт».
Рекомендованы кафедрой сварки, диагностики и мониторинга конструкций (СДиМК) Технологического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова для разработки методического пособия по методам обработки сварных соединений для студентов технического профиля.
Использованы при выполнении НИР ИФТПС СО РАН по проекту: «Развитие теории структурно-деградиционных процессов разрушения и деформирования материалов и их неразъемных соединений и разработка технологических основ повышения промышленной безопасности и ресурса машин и конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях Севера», реализованному в 2010-2012 гг., и НИОКР по программе ФНИ государственных академий наук на 2012-2014 гг. – проект № 2.16.3 «Исследование влияния низкочастотной поверхностной ударной обработки на межзеренные границы шва и зоны термического влияния сварных соединений низколегированных сталей».
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются рентгеновский метод определения напряжений, спектральный анализ химического состава, оптическая металлография, измерение микротвердости, механические испытания на статическое растяжение, ударный изгиб и малоцикловую усталость образцов сварных соединений.
Положения, выносимые на защиту:
-
Установленное оптимальное значение мощности генератора технологического комплекса ультразвуковой ударной обработки, при котором выравнивается распределение микротвердости по всем зонам сварного соединения.
-
Выявленный характер перераспределений остаточных напряжений при проведении ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб из низколегированных сталей.
-
Особенности перераспределений значений наведенных сжимающих остаточных напряжений после ультразвуковой ударной обработки сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений.
-
Результаты исследования влияния ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений труб из низколегированных сталей применяемых при строительстве магистральных газопроводов в условиях Сибири и Крайнего Севера.
Степень достоверности и апробации результатов. Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации определяется комплексным характером работы, системным подходом к исследованиям с использованием современных, преимущественно стандартных и взаимно дополняющих друг друга экспериментально-аналитических методов и испытаний.
Основные положения диссертационной работы представлены к обсуждению на научно-практических конференциях и симпозиумах: Международной молодежной конференции с элементами научной школы «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях», г. Якутск, 2009 г.; V, VI Евразийских симпозиу-
мах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата, г. Якутск; XIV Лаврентьевских чтениях, посвященных 110-летию академика М.А. Лаврентьева, г. Якутск 2010 г.; Всероссийской конференции научной молодежи «Эрэл-2011», г. Якутск; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2009 г.; VII Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», г. Екатеринбург, 2012 г.; 14-й международной научно-технической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», г. Красноярск, 2012 г.; на научных семинарах отдела «Технологии сварки и металлургии» и на технологическом семинаре ИФТПС СО РАН.
Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 24-х публикациях: 3-х статьях в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 1 патенте на изобретение, остальные – в трудах конференций различного уровня.
Личный вклад автора заключается в выполнении задач, поставленных для данной диссертации, написании статей в соавторстве, выступлении с докладами на научных конференциях.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий», пункту 3 «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки», пункту 6 «Новые технологические процессы механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации» паспорта специальности 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 146 наименования. Всего 131 страница, включая 55 рисунков и 10 таблиц. В приложении приведен акт использования результатов научно-технической работы.
