Содержание к диссертации
Стр.
Введение 6
1 Аналитический обзор. Влияние распределения структурных изменений и ме- 10
ханических свойств в сварных соединениях из разнородных сталей на долговеч
ность трубопроводных систем
1.1 Анализ сталей, предназначенных для изготовления трубопроводных систем 10
1.1.1 Выбор материала для сварных трубопроводов 10
Эволюция методов упрочнения и составов трубных сталей 11
Особенности применения низколегированных сталей 17
Выбор состава стали повышенной прочности 18
Особенности формирования разнородных сварных соединений 20
Граница контакта и типы связей между разнородными металлами 22
Методы определения механических свойств разнородных сварных 24 соединений и склонности их к хрупкому разрушению
Влияние неоднородностей сварных соединений на их долговечность 25 и эксплуатационную надежность
2 Материалы и методики исследования 26
Исследуемые материалы 26
Изготовление образцов 27
2.2.1 Сварочные материалы 27
2.2.2 Получение сварных соединений из сталей марок Ст. 3 и стали 20 28
2.2.3 Получение сварных соединений из сталей марок 09Г2ФБ и 29
17Г1СУ
2.3 Методы исследований 30
Методика металлографического анализа 30
Количественный фазовый анализ сварных соединений 32
Методика мультифрактальной параметризации структур 32
Методика фрактографического анализа 34
Измерение твердости металла различных участков сварного со- 34 единения и наплавленного металла
Методика определения микротвёрдости 35
Методика определения обобщенных магнитных свойств 36
Методика определения напряженности магнитного поля и его со- 37 ставляющих
2.3.9 Методика испытания образцов на электрохимическую коррозию 38
Ударные испытания образцов на изгиб 39
Методика испытаний сварных соединений на усталость 39 2.4 Статистическая обработка результатов механических и 40
циклических испытаний
3 Анализ образования структурных неоднородностей сварных соеди- 45 нений на основании исследования их структурно-фазового состава
3.1 Результаты изучения структуры сварных образцов с помощью 45 электронной микроскопии
Изучение микроструктуры однородных сварных соединений 45
Изучение микроструктуры разнородных сварных соединений 49
Количественный фазовый анализ сталей в различных зонах сварных 52 соединений
Изучение микротвердости структурно-фазовых составов различных 54 участков сварных соединений и наплавленного металла
3.4 Анализ неметаллических включений в сварных соединениях 60
4 Анализ напряженно-деформированного состояния сварных соедине- 70
ний трубопроводов нефтяной и газовой промышленности
4.1 Определение механических характеристик по сечениям шва в од- 70
нородных и разнородных сварных соединениях, как функций пластической
твердости
4.1.1 Исследование изменений твердости по сечениям сварного шва в 71 однородных и гетерогенных соединениях из сталей
4.1.2 Диагностическое исследование напряженно-деформированного 74 состояния сварных соединений нефтегазового оборудования
4.2 Контроль напряженно-деформированного состояния сварных соеди- 80
нений с помощью электромагнитных приборов неразрушающего контроля
4.2.1 Изменение обобщенных магнитных свойств по участкам сварных 80 соединений
4.3 Изучение коррозионного поведения в различных зонах сварных со- 83
единений в условиях агрессивной среды
Определение коррозионной стойкости сварных соединений 83
Определение глубины проникновения коррозионного разрушения 87 в различные зоны сварных соединений
4.4 Влияние коррозионной среды на изменения ударной вязкости свар- 88
ных соединении, выполненных из сталей повышенной прочности
Изучение влияния агрессивной среды на микроструктурные изме- 90 нения и глубину проникновения коррозионного разрушения в металл сварных соединений
Влияние продолжительности коррозии на изменение механиче- 93 ских свойств сварных соединений
Макрофрактографический анализ изломов ударных образцов (по- 97 еле воздействия на них коррозионной среды)
5 Особенности определения долговечности разнородных сварных со- 101 единений нефтегазового оборудования и трубопроводных систем
Влияние уровня накопления усталостных повреждений на механи- 101 ческое поведение разнородных конструктивных элементов
Изменение ударной вязкости разнородных сварных соединений при 107 малоцикловом нагружении
Определение предела выносливости разнородных конструктивных 109 элементов
Влияние уровня накопленных повреждений на магнитные характе- 111 ристики разнородного сварного соединения
Влияние уровня накопленных повреждений на твердость металла 114 сварных соединений
5.5.1 Связь твердости и внутренней накопленной энергии с усталостной 114 повреждаемостью металлов
5.5.2 Изменения твердости разнородных конструктивных элементов при 121 малоцикловом нагружении
Мультифрактальный анализ поверхностей разрушения в различных 122 зонах разнородного сварного соединения из сталей марок 17Г1СУ и 09Г2ФБ с учетом уровня накопленных повреждений
Расчетное определение долговечности конструктивных элементов 132 трубопроводных систем нефтегазовой отрасли с мягкими прослойками
Заключение 138
Список использованной литературы 140
Приложение А. Деформационно-энергетические условия (прогно- 151
зирование) формирования сварного соединения
Приложение Б. Прогнозирование механических свойств сварных со- 162
единений по их структурно-фазовому составу
Введение к работе
Актуальность работы. Трубопроводные системы и оборудование нефтегазовой отрасли представляют собой сложные, чрезвычайно дорогостоящие и материалоемкие сооружения и, как правило, эксплуатируются в крайне тяжелых условиях. Они подвергаются воздействию высоких и низких температур, статических, динамических и циклических нагрузок, коррозионно-активных сред, а зачастую и сочетанию указанных факторов. Это существенно повышает технологическую и экологическую опасность конструкций и, как следствие, приводит к возрастанию требований по их долговечности. Широкое использование сварочных процессов при изготовлении таких конструкций значительно усложняет задачу обеспечения их конструктивной прочности.
Анализ причин аварийных разрушений трубопроводов показал, что основные повреждения, являющиеся зародышами усталостных трещин, накапливаются в кольцевых сварных соединениях, особенно после ручной дуговой сварки. Такая сварка широко применяется для сооружения и ремонта трубопроводных систем, в процессе которых приходится сваривать стали, принадлежащие хотя и одной структурной группе, но все же различающиеся содержанием углерода и легирующих элементов.
Для решения задач технической диагностики нефтегазового оборудования в настоящее время широко используются методы неразрушающего контроля, которые направлены на выявление и измерение достаточно развитых дефектов. Однако для физически изношенного оборудования наиболее опасным является состояние металла, когда на уровне структуры могут произойти необратимые изменения, которые определяют не только степень накопления повреждений в материале, но и дальнейший механизм разрушения конструкции.
Планируемый и внеплановый ремонт нефтегазового оборудования нередко обусловлен неоднородностью металла конструктивных элементов, которой обладают разнородные сварные соединения из углеродистых и низколегированных сталей, выполненных сваркой плавлением. Особую роль в работоспособности оборудования и трубопроводов, имеющих разнородные сварные соединения, играют мягкие и твердые прослойки сварных соединений. Под «мягкими прослойками» понимаются участки сварного соединения, имеющие пониженные прочностные характеристики по сравнению с таковыми для основного металла. «Твердые прослойки» обладают повышенной прочностной характеристикой, но в большинстве случаев они менее пластичны и более склонны
к хрупкому разрушению. Таким сварным соединениям присуща и электрохимическая неоднородность, порождаемая теми же факторами, что и структурно-механическая неоднородность. Поэтому обеспечение безопасности линейной части трубопроводов нефтегазовой отрасли, продление срока их службы во многом связано с проблемой повышения коррозионно-механической прочности сварных соединений.
Существующие методы и подходы к оценке долговечности трубопроводов и нефтегазового оборудования, как правило, базируются на предположении однородности механических характеристик как в микро-, так и макрообъемах, что в ряде случаев может значительно завышать характеристику безопасности их эксплуатации в лучшем случае, а в худшем - привести к непредвиденным последствиям катастрофических разрушений. В связи с этим при оценке долговечности трубопроводных систем необходимо тщательно подходить к вопросам структурно-механической неоднородности конструктивных элементов, в особенности при их работе в агрессивной среде и циклическом нагружении.
Решению этой сложной, актуальной и практически важной проблеме и посвящена настоящая работа.
В связи с вышеизложенным были определены:
Объект исследования - трубопроводные системы нефтяной и газовой отрасли, работающие с взрывоопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах.
Предмет исследования - сварные соединения из разнородных металлов технологических установок и линейной части газонефтепроводных труб.
Методологической основой исследования является системный поход к изучению, выявлению и описанию влияния степени усталостной повреждаемости материала разнородных сварных соединений на комплекс механических и физических свойств на основании статистических распределений структурных параметров.
Цель работы — обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводных систем на основании оценки долговечности сварных элементов с учетом структурных, механических, физических и электрохимических неоднородностей различных зон разнородных сварных соединений.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:
1 Оценить неоднородность структурно-фазовых изменений одно- и разнородных сварных соединений, выполненных из углеродистых и низколегированных сталей.
2 Установить закономерности изменения механических свойств и
магнитных характеристик однородных и разнородных сварных соединений для
оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем.
Определить коррозионную стойкость зон сварных соединений и влияние коррозии на механические характеристики сварных соединений из сталей повышенной прочности.
Установить влияние уровня накопленных повреждений на параметры: твердость, механические и магнитные характеристики разнородных сварных соединений сталей марок 09Г2ФБ и 17Г1СУ.
Уточнить механизм усталостного разрушения разнородных сварных соединений и оценить смену уровня деградации их структуры в условиях накопления повреждений по результатам фрактографического и мультифрактального анализов.
Для обеспечения безопасной эксплуатации оценить долговечность разнородных сварных соединений трубопроводных систем при циклическом воздействии.
Научная новизна.
1 Установлено, что при сопряжении труб из различных конструкционных
материалов образующиеся сварные соединения, для которых характерно
превышение разности углеродного эквивалента свариваемых сталей на 1%,
следует относить к разнородным и учитывать при оценке долговечности
трубопроводных систем для обеспечения безопасной эксплуатации.
Определено, что циклическая долговечность разнородных сварных соединений в условиях повышения температуры в интервале от 100 до 200 С снижается в 1,5 - 4 раза. При этом существенное влияние на характер изменения технологической прочности конструктивных элементов, имеющих мягкие прослойки, оказывает коэффициент температурного разупрочнения металла.
Для разнородных сварных соединений экспериментально доказана информативность мультифрактальной параметризации при оценке процессов структурных изменений, происходивших при накоплении повреждений в условиях усталостных нагружений.
Установлено, что при сварке материалов с различными физико-механическими свойствами большая степень локализации пластических деформаций проявляется в зоне термического влияния металлов, обладающих более высокими прочностными свойствами. Сосредоточение накопленной энергии в зоне термического влияния менее прочного материала свариваемой пары приводит к охрупчиванию металла соединения.
