Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1 Надежность технологического оборудования НПЗ 9
1.1.1 Теория надежности 9
1.1.2 Методы обеспечения надежности
1.2 Анализ случаев разрушения корпусов сосудов 12
1.3 Анализ методов оценки долговечности
1.3.1 Метод, основанный на проведении повторных усталостных испытаний 20
1.3.2 Использование статических испытаний для долговечности 23
1.3.3 Методы оценки вязкости разрушения 25
1.3.4 Расчетные методы оценки долговечности 26
1.4 Акустические измерения физико-механических свойств материалов 29
1.4.1 Измерение скорости ультразвука 30
1.4.2 Затухание ультразвуковых продольных волн
1.5 Измерение физико-механических свойств магнитными методами неразрушающего контроля (коэрцитиметрия в неразрушающем контроле) 35
1.6 Цель и постановка задач 39
2 Материал и методика исследований
2.1 Материал и его основные характеристики 41
2.2 Подготовка образцов к исследованию 42
2.3 Механические свойства
2.3.1 Испытание на растяжение 46
2.3.2 Измерение твердости
2.4 Металлографические исследования 48
2.5 Исследование физических свойств
2.5.1 Методика измерения скорости продольных ультразвуковых волн 51
2.5.2 Методика измерения коэрцитивной силы 52
2.6 Электронно-микроскопические исследование
2.7 Рентгенографические исследования 53
3 Механические свойства 55
3.1 Влияние уровня накопленных повреждений на изменение твердости в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 55
3.2 Влияние малоцикловой усталости на механические свойства при растяжении в области сварного соединения для сталей 09Г2С и ВСтЗсп 58
4 Физические свойства 66
4.1 Влияние уровня накопленных повреждений на скорость распространения ультразвуковых продольных волн в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 66
4.2 Влияние уровня накопленных повреждений на изменение величины коэрцитивной силы в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 71
4.3 Влияние уровня накопленных повреждений на изменение микроструктуры сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 в области сварного шва 77
5 Методика оценка долговечности аппаратов, подверженных действию циклических нагрузок по изменению акустических и магнитных свойств стали 87
Общие результаты и выводы 90
Литература
- Анализ случаев разрушения корпусов сосудов
- Подготовка образцов к исследованию
- Влияние малоцикловой усталости на механические свойства при растяжении в области сварного соединения для сталей 09Г2С и ВСтЗсп
- Влияние уровня накопленных повреждений на изменение величины коэрцитивной силы в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5
Анализ случаев разрушения корпусов сосудов
Усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упругопластическом деформировании, получило название малоцикловой усталости ПІ. В отличие от обычной, достаточно хорошо изученной усталости, при которой имеет место микропластическая деформация, локализованная в малых объемах вблизи зоны усталостного разрушения, малоцикловая усталость характеризуется наличием макроскопических пластических деформаций, охватывающих значительную часть сечения детали. Характер разрушения при малоцикловой усталости имеет много общего с характером разрушения под действием однократно приложенной статической нагрузки.
При циклическом нагружении поликристаллических металлов с увеличением амплитуды напряжений все большее количество зерен переходит из зоны упругих в зону упругопластических и пластических деформаций. В упругой зоне наблюдается деформационное упрочнение, которое в моменты прекращения деформирования релаксирует тем быстрее, чем выше температура.
Малоцикловая усталость обычно сопровождает многоцикловую (обычную) усталость. Малоцикловая усталость наблюдается, например, в момент посадки самолета, при наезде на препятствия автомашины и т.п., когда к обычным переменным напряжениям, меньшим предела текучести, прибавляются переменные кратковременные напряжения, близкие к пределу текучести или превышающие его. В чистом виде малоцикловая усталость наблюдается, когда металл находится только под действием переменных напряжений, близкий к пределу текучести, в частности при лабораторных испытаниях, необходимых для оценки работы металла, например, в конструкциях корпусов судов, летательных аппаратов, котлов, реакторов, сосудов глубокого погружения и высокого давления, в строительных конструкциях, вакуумных и аналогичных устройствах.
В отличие от обычной (многоцикловой) усталости малоцикловая усталость имеет три специфические особенности: уровень высоких напряжений (деформаций), обуславливающий долговечность материала не более 10 циклов; низкую частоту циклических нагрузок (не более 50 цикл/мин, чаще всего 0,1-10 цикл/мин), наличие контролируемого параметра - вида нагружения (по предельной нагрузке или «условному» напряжению - мягкое нагружение, а по предельной деформации - жесткое нагружение).
Испытания материалов на малоцикловую усталость проводятся на специальных машинах, которые наряду с выполнением общих требований, предъявляемых к таким машинам, по возможности имитируют различные эксплуатационные условия (температуру, давление, среду, программную нагрузку и т.п.) /8/. Результаты испытаний обрабатываются методами математической статистики согласно ГОСТ 2860-65, при этом долговечность подсчитывается для определенного доверительного интервала, т.е. для различной вероятности разрушения.
Разрушение на воздухе при малоцикловой усталости занимает как бы промежуточное положение между разрушением статическим и чисто усталостным (т.е. при многоцикловой усталости), причем если условные напряжения перешли предел упругости для всего металла, то первое нагружение является решающим, и при последующих нагружениях происходит только накопление циклической пластической деформации. При циклической упруго-пластической деформации, так же как и при статической, образуются резкие полосы скольжения, число которых в процессе циклического деформирования увеличивается. Большие амплитуды вызывают возникновение глубокого сдвига и его распространение на расстояние, равное сотням периодов решетки, - отсюда немедленное появление видимых полос. При малоцикловой усталости зерна сразу же превращаются в разориентированные блоки, в то время как при обычной усталости ориентация внутри зерен не изменяется, что легко обнаруживается рентгеноструктурным анализом. Циклическая упругопластическая деформация обычно рассматривается как трехстадийный процесс. На первой стадии происходят структурные изменения, и накопление дефектов решетки - эта стадия занимает около 1% общей долговечности. В течение второй стадии на структурные изменения накладывается деструкция - зарождение и распространение первичных усталостных трещин. На третьей стадии мелкие трещины сливаются в магистральную трещину, которая распространяется вглубь, и являются непосредственно причиной разрушения.
Если рассматривать долговечность периодов зарождения и распространения трещины аналогично обычной усталости, то при малоцикловой усталости длительность второго периода, по данным различных исследователей, занимает 75 - 95% всей долговечности. Закономерности процесса распространения трещины при малоцикловой усталости зависят, прежде всего, от характера разрушения металла - межзеренного (интеркристаллитного) или внутризерен-ного (транскристаллитного).
Как правило, при напряжениях ниже предела текучести металла, происходит транскристаллитное разрушение, а выше предела текучести - интеркри-сталлитное. При напряжении, приближающемся к пределу текучести, существует переходная зона, где наблюдаются одновременно оба вида разрушения.
Проблемы малоцикловой усталости явились следствием интенсивного увеличения в последние десятилетия рабочих параметров современных машин и конструкций: эксплуатационных нагрузок, скоростей, мощностей, температур, воздействий окружающей среды, применения структурно - неоднородных и композиционных материалов. Недостаточная изученность проблемы малоцикловой усталости и отсутствие в связи с этим методов расчетно-экспериментального определения прочности и ресурса конструкций, обоснованных рекомендаций по выбору материалов, конструктивных форм несущих конструкций и режимов эксплуатационного нагружения привели к тому, что в ряде отраслей промышленности и техники были отмечены эксплуатационные повреждения, связанные с малоцикловой усталостью. Так, например, такое поведение наблюдалось в конструкциях энергетических установок (корпуса мощных паровых котлов, теплообменников, атомных реакторов, узлы основных разъемов корпусов и трубопроводов), химических аппаратов (сосуды и трубопроводы высокого давления, трубные системы доски теплообменников), технологических установках (сварные корпуса, колонны и цилиндры гидравлических прессов и молотов, контейнеры и пресс-формы, валки прокатных станов) и др. 191. Методика расчета малоцикловой прочности базируется на анализе распределения локализованных пластических деформаций и использовании характеристик сопротивления материала циклическому деформированию и разрушению.
Подготовка образцов к исследованию
Заготовки для образцов изготавливались из листового проката толщиной 10 мм из сталей марки 09Г2С и ВСтЗсп5, соответственно, путем вырезки двух полос шириной 150 мм и длиной 1000 мм. Листы для изготовления образцов отбирались и сваривались на АО "Нефтехимремстрой" г. Уфы. Причем, направление вырезки образцов, поперек проката, выбиралось из условий нагружения изделий и технологии получения материала. Сварной шов двух пластин без разделки кромок и зазором между пластинами 3 мм был получен автоматической сваркой под слоем флюса.
Режимы сварки заготовок сталей марки 09Г2С и ВСтЗсп Материал Силат ока, А Напряжение, В Скорость сварки, м/ч Количество проходов Марка сварочного материала 09Г2С 650-700 34-36 25-35 2 Св08ГА ВСтЗсп5 700-750 23-25 17-18 2 Св08А После этого из заготовок со сварным швом изготавливались образцы. Для получения образцов сваренная заготовка разрезалась поперек шва на полосы шириной по 70 мм, после чего изготавливались плоские образцы согласно ГОСТ 25502-79, рабочая часть которых была толщиной 8 мм, шириной 24 мм. Далее на изготовленных образцах в рабочей зоне была нанесена сетка с размером ячейки равной 5x24 мм. Схема раскроя и геометрические размеры плоских образцов представлены на рисунке 2.2.
Для выявления зон сварного шва, термического влияния и основного металла на каждом образце было произведено макротравление (рисунок 2.3).
Для получения различной степени повреждения в образцах, образцы подвергались циклическому нагружению в области малоцикловой усталости, по схеме чистого симметричного изгиба при температуре воздуха t=20C на лабораторной установке. Частота нагружения образца составляла 25 циклов в минуту (0,417 Гц), что исключало возможность саморазогрева образца, влияющего на результаты исследования. Схема установки представлена на рисунке 2.4.
Образец 1 жестко закреплен в пассивном 2 и активном 3 захватах. За счет возможности горизонтального смещения в пассивном захвате 2, компенсируются осевые нагрузки, возникающие при больших прогибах образца. Захваты соединены с подвижными опорными роликами 4, которые при искривлении образца, совершают возвратно-поступательные движения по направляющим 5. Усилие (изгибающий момент) на образец передается через коромысла 6, которые вместе с захватами 3 и 2 образуют жесткие П-образные элементы. Передаточный механизм состоит из кривошипа 9, шатуна 8 и рычага 7, Т-образной формы, соединенного с коромыслами 6 сдвоенным шарниром 10. При этом серединная поверхность образца и ось шарнирного соединения коромысла с захватами в исходном положении, а также направление перемещения опорных роликов находятся в одной плоскости. Благодаря этому обеспечивается создание деформации чистого изгиба плоского образца при значительных величинах изгибающего момента.
Система нагружения образца скомпонована и смонтирована на раме, сваренной из швеллеров №10 и №16 . Силовая часть лабораторной установки состоит из асинхронного электродвигателя типа 4АП2МА6УЗ мощностью 3 кВт, двухступенчатого редуктора Ц2У-125-40-УІ (і=38), на выходном валу которого установлен маховик и счетчик для фиксирования количества циклов нагружения. На маховике имеются отверстия расположенные на различном расстоянии от центра для установки оси тяги шатуна и изменения радиуса кривошипа, что позволяет изменять величину прогиба (амплитуды деформации) образца за счет изменения угла поворота рычага.. Изменением длины тяги шатуна 1 ш, обеспечивается изменение асимметрии цикла напряжений (деформаций).
Такая схема испытания образцов позволяет нагружать их чистым изгибом, в промежуточном между жестким (контролируемая деформация) и мягким (контролируемое напряжение) режимами. Условия промежуточного режима нагружения наиболее приближены к реальным условиям работы корпуса аппарата, когда возникающие напряжения и деформации не являются контролируемыми, т.е. постоянными /82/.
Описанная выше лабораторная установка с комплексом различных приборов и приспособлений полностью отвечает требованиям ГОСТ 24217- 80 как машина для испытания на усталость.
Первую партию образцов довели до разрушения, среднее число циклов для сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 составило, соответственно, 2300 и 2500 циклов. После этого определили рабочий диапазон последующих чисел циклов нагружения, который составлял 0,5;0,7;0,9 от среднего числа циклов до разрушения, т.е. каждое последующее значение определялось по формуле: Ni = I Np, (2.1) где Np - среднеарифметическое число циклов до разрушения, I - степень накопленных повреждений. Всего было проведено четыре серии нагружения, численное значение которых показано в таблице 2.3.
Влияние малоцикловой усталости на механические свойства при растяжении в области сварного соединения для сталей 09Г2С и ВСтЗсп
Испытания на растяжение проводили на универсальном динамометре фирмы "Инстрон" со скоростью нагружения є = 1 10" с" и температуре Т = 293 К. Геометрические размеры образцов и их вырезка для испытаний приведены в п. 2.3.2. Испытания проводились для образцов с накопленным уровнем повреждений равным 0; 0,7 Np; Np.
Результаты испытаний на растяжение основного металла в зависимости от уровня накопленных повреждений для сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 представлены на рисунке 3.3, 3.4.
Из этих рисунков видно, что после циклического нагружения, максимальные напряжения течения основного металла наблюдаются в исходном состоянии. С увеличением степени накопленных повреждений напряжения течения снижаются. При этом наибольшая разница в прочностных свойствах основного металла наблюдается для стали 09Г2С, и составляет 23% от максимального значения. Для стали ВСтЗсп5 эта разница составила около 14%.
При сравнении прочностных свойств основного металла между сталями 09Г2С и ВСтЗсп5 в исходном состоянии, можно отметить, что наибольшие истинные напряжения в момент разрыва соответствуют, стали 09Г2С и составляют 833 МПа, а для стали ВСтЗсп5 они равны 680 МПа.
Также из этих зависимостей видно, что условный предел текучести основного металла в исходном состоянии для обеих сталей максимален, а при разрушении отмечаются минимальные значения условного предела текучести. Для стали ВСтЗсп5 разница условного предела текучести между исходным состоянием и разрушением составила около 4%, что входит в погрешность измерения. В стали 09Г2С эта разница достигает 12%.
Из этих рисунков видно, что максимальные прочностные свойства ЗТВ наблюдаются в исходном состоянии, как для стали 09Г2С, так и для стали ВСтЗсп5. Циклическое нагружение приводит к снижению прочностных свойств, при этом самые низкие значения отмечаются при разрушении образцов. При этом наибольшая разница в прочностных свойствах в ЗТВ наблюдается для стали 09Г2С, и составляет 10% от максимального значения. В стали ВСтЗсп5 эта разница составила около 8%.
Также из этих зависимостей видно, что условный предел текучести ЗТВ в исходном состоянии для обеих сталей максимален, а при разрушении отмечаются минимальные значения условного предела текучести. Для сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 разница условного предела текучести между исходным состоянием и разрушением составила около 8%.
Результаты испытаний на растяжение образцов из сварного шва в зависимости от уровня накопленных повреждений для сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 представлены на рисунке 3.7, 3.8.
Из этих зависимостей видно, что циклическое нагружение также ведет к снижению прочностных свойств как в стали 09Г2С, так и в стали ВСтЗсп5.
Однако в отличие зон основного металла и ЗТВ, в зоне сварного шва это снижение происходит более интенсивно.
Таким образом, рассмотрение зависимостей прочностных свойств полученных при растяжении образцов из различных зон сварного соединения (основной металл, зона термического влияния и сварного шва) от уровня накопленных повреждений показало, что прочностные свойства во всех зонах сварного соединения с увеличением степени накопленных повреждений при чистом симметричном изгибе снижаются. При этом максимальное снижение напряжения течения и предела текучести наблюдается в сварном шве.
Кривые напряжение течения - деформация при растяжении образцов из сварного шва от уровня накопленных повреждений N/Np =0(1), N/Np =0,7 (2), N/Np =1 (3) (ВСтЗсп5) 4. Физические свойства 4.1 Влияние уровня накопленных повреждений на скорость распространения ультразвуковых продольных волн в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5
Для измерения скорости распространения ультразвуковых продольных волн использовался толщиномер 36 DL Plus фирмы "Panametrics". Частота колебания ультразвуковых продольных волн составляла f= 5 МГц (см. п. 2.5.1).
Результаты измерений скорости распространения ультразвуковых продольных волн в каждой ячейке рабочей зоны образца при различных числах циклов нагружения для сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 показаны на рисунках 4.1 и 4.2.
Из представленных рисунков видно, что скорость распространения продольных ультразвуковых продольных волн в сварном шве стали 09Г2С и ВСтЗсп5 ниже, чем в основном металле, а после циклического нагружения наблюдается снижение скорости ультразвука во всех зонах сварного соединения.
Поскольку распределение ультразвука от уровня накопленных повреждений носит симметричный характер относительно центра сварного шва, полученные результаты можно представить как зависимости скорости ультразвука от уровня накопленных усталостных повреждений (рисунок 4.3, 4.4).
Из рисунка 4.3 видно, что с увеличением уровня накопленных повреждений скорость ультразвуковых продольных волн в сварном соединении снижается. При этом величина снижения скорости ультразвука в основном металле для стали 09Г2С на 24% меньше чем для зон термического влияния и сварного шва.
Влияние уровня накопленных повреждений на изменение величины коэрцитивной силы в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5
Для определения причин изменения скорости ультразвука и коэрцитивной силы после накопления усталостных повреждений были произведены микроструктурные исследования поверхности образцов на металлографическом микроскопе "Неофот", (см. п.2.4.). Исследование и фотосъемку проводили в зонах основного металла, термического влияния и центральной части сварного шва на образцах, которые должны были подвергаться испытаниям на растяжение (см. п.2.3.1).
На рисунках 5.1, 5.2 и 5.3 представлена микроструктура основного металла, зоны термического влияния и сварного шва для стали 09Г2С со степенью накопленных повреждений равной N/Np=0; 0,7; 1.
Из рисунка 5.1,а видно, что в исходном состоянии в зоне основного металла наблюдается строчечность зерен перлита, средний размер зерен феррита составляет 9 мкм. Увеличение степени накопленных повреждений, вплоть до разрушения, к изменению размера зерен и ориентации зерен перлита не приводит.
На рисунке 5.2 представлена микроструктура зоны термического влияния для стали 09Г2С. Из него видно, что средний размер зерна феррита в зоне термического влияния превышает размер зерна в основном металле и составляет 17 мкм. Также как в основном металле, в зоне термического влияния существенных изменений размера зерен с увеличением степени накопленных повреждений не происходит.
На рисунке 5.3 представлена микроструктура сварного шва для стали 09Г2С. На этом рисунке наблюдается микроструктура характерная для сварного шва - дендритная структура зерен ориентированная вдоль отвода тепла из зоны плавления металла при охлаждении. /- ..«. jpe te (а) исходное состояние, б) уровень 0,7N, в) разрушение) На рисунках 5.4, 5.5 и 5.6 представлена микроструктура основного металла, зоны термического влияния и сварного шва для стали ВСтЗсп5 со степенью накопленных повреждений равной N/Np=0; 0,7; 1. Для микроструктуры основного металла (рисунок 5.4) характерна разнозернистость, при этом средний размер зерна равен 11 мкм. В отличие от стали 09Г2С, в зонах основного металла и ЗТВ строчечности зерен перлита не наблюдается. Увеличение степени накопленных повреждений также не приводит к видимым изменениям микроструктуры.
На рисунке 5.5 представлена микроструктура зоны термического влияния. Видно, что средний размер зерен в данной зоне заметно превышает средний размер зерна в основном металле, и он равен 35 мкм.
На рисунке 5.6 представлена микроструктура сварного шва для стали ВСтЗсп5 для различных уровней накопленных повреждений. Средний размер зерна в сварном шве равен 35 мкм. С увеличением степени накопленных повреждений средний размер зерен не изменяется.
Таким образом, сопоставление микроструктур сварных соединений в исходном состоянии и после циклического нагружения сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 показывает, что такая деформация к видимым изменениям структуры не приводит.
Для определения причин изменения свойств стали в ходе циклической деформации, были произведены исследование эволюции дислокационной структуры основного металла стали ВСтЗсп5.
Рентгеноструктурными исследованиями было установлено, что в исходном состоянии в ферритных зернах стали ВСтЗсп5 наблюдается достаточно высокая плотность решеточных дислокаций (р=2 1010-8 1010 см2). При этом изучение тонкой структуры на просвечивающем электронном
Сварной шов (ВСтЗсп5) (а) исходное состояние, б) уровень 0,7N, в) разрушение) микроскопе выявило крайне неоднородное распределение дислокаций - наряду с зернами, содержащими отдельные дислокации, было обнаружено наличие участков с очень высокой плотностью дислокаций, в которых отдельные дислокации неразрешимы (рисунок 5.7 а). Следует отметить, что упругие искажения, создаваемые участками с высокой плотностью дислокаций, как правило, проходят через все зерно феррита, что приводит к сильному торможению доменных границ и, тем самым, обуславливают высокие значения коэрцитивной силы.
Увеличение уровня накопленных повреждений приводит к существенным изменениям в дислокационной структуре стали. Так, после уровня накопленных повреждений, равного N/Np = 0,5, в ферритных зернах формируется практически однородная ячеистая структура с плотными границами, состоящими из сложных переплетений решеточных дислокаций (см. рисунок 5.7 б). Средний размер ячеек составил около 1 мкм. Образование ячеистой структуры приводит к снижению плотности дислокаций, которое, по -видимому, и приводит к незначительному снижению прочностных свойств и величины коэрцитивной силы.
Дальнейшее увеличение количества циклов до уровня накопленных повреждений N/Np=0,7 приводит к разрушению ячеистой структуры, формированию фрагментированной структуры с плавно изогнутыми, очень тонкими и совершенными границами. Достижение уровня накопленных повреждений равного N/Np «0,8 (предразрушение), сопровождается полным разрушением ячеистой структуры внутри фрагментов, зарождением и ростом микропор, развитием микротрещин - показано стрелкой (рисунок 5.7 в, г). Следует отметить следующие структурные особенности, наблюдающиеся при образовании микротрещин. Часто микротрещины располагаются вдоль границ зерен в локальных участках не способных к дальнейшей эволюции. В таких локальных участках наблюдается очень высокая плотность дислокаций (см. рис. 5.7 в). Из рисунка 5.7 г видно, что зарождение микротрещины сопровождается образованием оборванных субграниц.
