Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 5
1.1. Этапы исследования усталостных повреждений материалов и конструкций 5
1.2. Вероятностные методы оценки усталостных повреждений материалов и конструкций 7
1.3. Влияние усталостного нагружения на структуру и свойства сталей 11
1.4. Оценка эксплуатационных повреждений низколегированных трубных сталей 16
1.5. Применение низколегированных трубных сталей 24
1.6. Цель работы и задачи исследования 25
2. Материалы и методика исследований 26
2.1. Выбор материалов 26
2.2. Механические испытания 29
2.3. Исследования структуры материала 30
2.4. Измерение внутренних напряжений 32
2.5. Статистическая обработка результатов исследований 33
3. Результаты исследований 34
3.1. Труба из стали Х60 магистрального газопровода 34
3.1.1. Испытания при однократном нагружении 34
3.1.2. Испытания при циклическом нагружении 37
3.2. Труба из стали Х60 межпромыслового нефтепровода 46
3.2.1. Испытания при однократном нагружении 46
3.2.2. Испытания при циклическом нагружении 50
3.3. Труба из стали 09Г2С магистрального нефтепровода 58
3.3.1. Испытания при однократном нагружении 58
3.3.2. Испытания при циклическом нагружении 60
3.4. Влияние пластической деформации на свойства низколегированных трубных сталей в коррозионной среде 70
4 Апробация полученных результатов 77
4.1. Исследования фрагмента трубы из стали 09Г2С магистрального нефтепровода после разрушения 77
4.2. Методика определения величины пластической деформации материала 86
Анализ результатов исследований и основные выводы по работе 88
Библиографический список
- Вероятностные методы оценки усталостных повреждений материалов и конструкций
- Исследования структуры материала
- Испытания при однократном нагружении
- Методика определения величины пластической деформации материала
Введение к работе
Одним из основных факторов, определяющих продолжительность безопасной эксплуатации изделий машиностроения, является сопротивление материалов усталостному разрушению, так как большинство механизмов и конструкций испытывает в процессе эксплуатации воздействие циклических нагрузок. Среди промышленных объектов, подвергающихся усталостному нагружению, особое место занимают трубы для магистральных и промысловых трубопроводов. Ущерб от усталостного разрушения трубы многократно превосходит ее стоимость. Большинство современных работ посвящены исследованиям поведения материалов в многоцикловой области, в тоже время ряд металлоконструкций, в частности трубопроводы, в процессе эксплуатации подвергаются малоцикловым нагрузкам, вызывающим пластическую деформацию, однако эти проблемы мало изучены. Существующие методы оценки эксплуатационных повреждений в трубах требуют больших затрат (например, проведение внутритрубной диагностики) или затруднены, из-за множества сложным образом меняющихся внешних воздействий, и кроме того не позволяют оценить величину начальной стадии пластической деформации материалов и их деградации.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению поведения низколегированных трубных сталей при нагружении в малоцикловой области с использованием современных методов исследования структуры и свойств материалов. В работе содержатся данные по номенклатуре выпускаемых промышленностью и находящихся в эксплуатации труб из низколегированных сталей, определены характеристики малоцикловой усталости исследуемых сталей, установлены основные закономерности влияния малоциклового нагружения на величину пластической деформации, внутренних напряжений, твердость, коэрцитивную силу, структуру, коррозионную стойкость. Выполненные исследования позволяют глубже
понять фундаментальные соотношения между составом, структурой и свойствами сталей, а также повысить точность оценки повреждений металлоконструкций в процессе эксплуатации.
Вероятностные методы оценки усталостных повреждений материалов и конструкций
Расчетные вероятностные методы оценки малоцикловой прочности и долговечности предусматривают использование в качестве исходных данных для расчета характеристики рассеяния основных механических свойств (ОМС) материала и режимов нагружения.
При расчете параметров диаграмм деформирования и долговечности в основном используются характеристики ОМС условный предел текучести 7о,2, предел прочности Оц, относительное сужение i?k, истинное сопротивление разрыву Sk и показатель упрочнения т, приводимые в справочной литературе. Сопоставление экспериментальных данных о распределении механических свойств материалов и справочных характеристик позволяет заключить, что справочные характеристики чаще соответствуют нижним допустимым значениям механических свойств (наиболее «слабому звену»). Например, справочные характеристики условного предела текучести Оо,2 соответствуют нижней границе вероятности: для стали 15Х2МФА - 26%, для стали 45 - 38%, для сплава Д16Т1 - 10%. Для исследуемых в настоящей работе сталей сведения о вероятностных характеристиках ОМС носят разрозненный характер.
Надо отметить, что использование в указанных расчетах характеристик ОМС, взятых из справочников для данного материала без учета рассеяния, может привести к существенным ошибкам. В связи с изложенным очевидно, что для надежного прогнозирования долговечности элементов оборудования необходимо в первую очередь располагать достоверной статистически обработанной информацией по основным механическим характеристикам материалов.
В целом можно отметить, что в большинстве работ основные механические свойства довольно хорошо аппроксимируются теоретическим законом нормального распределения, хотя методические указания [22] предлагают в определенных случаях регламентировать его применение (например, при значении коэффициента вариации v не превосходящем 0,20). Для значений ОМС в работе [22] рекомендуется применять логнормальное распределение.
Для малоцикловой усталости в силу существенной методической сложности имеется относительно небольшое число работ, выполненных в вероятностной постановке [23-34]. Эти работы, в основном касались вопросов экспериментальной оценки рассеяния основных механических и циклических свойств материалов, в первую очередь долговечности по моменту образования трещин и окончательному разрушению для условий однородного напряженного состояния. В них также приводилось обоснование соответствия экспериментальных функций распределения теоретическим законам.
Таким образом, стадию возникновения усталостного повреждения в виде трещины можно определить по экспериментальным усталостным кривым, построенным по параметру вероятности разрушения (появление трещины), или с применением расчетных вероятностных кривых малоцикловой усталости. Расчетные кривые усталости могут быть построены на основе уравнений Коффина, Мэнсона, Лэнджера или их модификаций [35, 5, 24].
Большинство работ, выполненных по малоцикловой усталости в статистическом аспекте, посвящено экспериментальной оценке функций распределения долговечности. Для них в основном получено соответствие логнормальному закону распределения. В работе [33] оценено рассеяние диаграмм циклического деформирования, а в [24] - рассеяние их параметров. В работах [24, 34] проведена расчетная оценка рассеяния долговечности при однородном напряженном состоянии с введением в критериальные уравнения рассеяний ОМС материала.
В качестве статистического описания малоцикловой прочности принимаются деформационные критерии в кинетической постановке. При этом систематические экспериментальные исследования и статистический анализ получаемых результатов подтверждают справедливость использования логнормальных, нормальных и усеченных распределений основных параметров кривых малоциклового деформирования и разрушения. Принципиальное значение имеет факт связи этих распределений и параметров с теми, которые получаются при однократном статическом нагружении стандартных образцов. В то же время при малоцикловом нагружении по сравнению со статическим существенно возрастает роль неоднородности микропластических деформаций в структурно неоднородных материалах.
Основанием для таких вероятностных подходов является тот факт, что процессы накопления усталостных (циклических) повреждений, приводящие к зарождению и последующему развитию усталостных (в том числе малоцикловых) трещин, носят случайный характер.
Исследования структуры материала
При выборе методов исследования учтены описанные в главе 1 закономерности микро- и макроструктуры стали, а также основные положения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред [96], в соответствии с которыми при деформировании возникают устойчивые области (мезообъемы) крупнее отдельных зерен или доменов и размер которых определяется начальными свойствами материала и величиной накопленных повреждений (пластической деформации).
Основные закономерности изменения структуры сталей при статическом и циклическом нагружении описаны в главе 1. В лабораторных условиях для исследования структуры выбран оптический микроскоп МЕТАМ ЛВ-31, позволяющий в реальном масштабе времени осуществлять цифровую запись изображения. Для исследования мезообъемов и структуры отдельных зерен диапазон увеличения оптической микроскопии выбран в пределах от 50 до 500. Для повышения достоверности результатов использованы компьютерные методы обработки изображений. Использована методика статистической обработки измерения размеров зерен.
В работе [97] описано влияние переменных механических напряжений и пластической деформации на трибохимическую активность конструкционных материалов (изменение реакционной способности и электрохимической активности). В соответствии с приведенными результатами следует ожидать изменение рельефа поверхности образцов после травления в зависимости от величины и количества циклов нагружения. Для исследования целесообразно использовать растровую электронную микроскопию образцов или реплик.
Использованы методы измерения скорости коррозии по величине потери массы образца в коррозионной среде, измерения электрохимического потенциала (ЭДС) в коррозионной среде между деформированным и недеформированным образцами одной марки стали. Измерение ЭДС в коррозионной среде между электродом сравнения (в работе недеформированный образец) и стенкой трубы (в работе - образец после деформации) используется в системах контроля скорости коррозии нефтепроводов.
Для сокращения затрат на подготовку образцов для физических исследований и уменьшения искажений структуры материала при вырезке образцов предложено выполнить составной образец для испытаний, т.е. на стандартный образец для механических испытаний (базу) прикрепляется образец - свидетель, по форме и размерам пригодный для структурных исследований без дополнительной механической обработки. Способ крепления обеспечивает деформацию образца - свидетеля для структурных исследований, идентичную с деформацией базы, подвергаемой механическому нагружению. Помимо сокращения трудоемкости, отпадают необходимость испытаний микрообразцов, соответствующих по размерам и форме установкам для физических исследований (рентгеноструктурный анализ и др.) и использования дорогостоящих нестандартных нагружающих устройств. Предложенное техническое решение защищено патентом РФ на полезную модель (патент РФ на полезную модель № 40801, МІЖ7 G 01 N 3/00. Образец для испытаний / В.В. Нассонов, И.М. Ковенский, О.В. Балина, Л.Н. Нассонова // БИ № 27 от 27.09.04г).
Для измерения напряжений I рода предложено использовать существующие методики рентгеноструктурного анализа [98] и установку ДРОН-6 с излучением Соки Также предлагается использовать апробированный в лабораторных и промышленных условиях неразрушающий метод определения напряжений, основанный на измерении магнитных характеристик сталей [101]. Измеряется величина коэрцитивной силы (Нс) материала при помощи накладного датчика. Для уменьшения влияния разброса механических и магнитных свойств, в пределах плавки и марки материала, измерения выполняются в продольном и поперечном направлениях трубы (образца). Абсолютная величина Нс зависит от методики выполнения измерений, химического состава и свойств материала, а также величины напряжения. Безразмерная величина Нс / Нс зависит преимущественно от величины напряжений и, в гораздо меньшей степени, от других факторов. Пластическая деформация вносит дополнительный вклад в изменение коэрцитивной силы за счет искажения структуры. Для измерений используется прибор коэрцитиметр — структуроскоп К — 61 (диапазон измерения, А/м — 200 — 3000; относительная суммарная погрешность измерения - ± 5%; величина зазора между наконечником датчика и изделия до 0,5 мм; время измерения - 3 с; для настройки используется комплект стандартных образцов СОП Нс - 01 05T). При измерении коэрцитивной силы накладным преобразователем возникает методическая погрешность из-за того, что поперечный размер образца меньше размера полюсов преобразователя. В этом случае абсолютное значение Нс может отличаться от справочных данных [105 - 107] в пределах 5-7%. При этом закономерности изменения Не в зависимости от величины внутренних напряжений, пластической деформации, структурных особенностей сталей сохраняются.
Испытания при однократном нагружении
Состав и свойства образцов из трубы выпуска 1970-х годов приведены в таблице 3.1. Труба находилась в составе аварийного запаса в ООО «Сургутгазпром» около 20 лет. Пятикратные образцы типов II и IV по ГОСТ 1497-84 с диаметром рабочей части 5 мм вырезали из трубы 0 1420 х 20 в поперечном направлении.
Статическое растяжение является крайним случаем малоцикловой усталости - 1 цикл нагружения и позволяет исследовать основные закономерности изменения структуры после пластической деформации.
Образцы подвергали испытаниям на растяжение, определяли характеристики прочности и пластичности и проводили металлографические исследования структуры в поперечном и продольном сечениях для учета анизотропии, обусловленной технологией изготовления трубы. Результаты измерения твердости, величины пластической деформации, а также макро- и микроструктура образцов представлены на рисунках 3.1, 3.2. Максимальное изменение твердости фиксируется в области пластических деформаций порядка 10%. Наблюдаются искажения направления полосчатости структуры (рис. 3.16), появление линий скольжения, а при больших деформациях — образование пористой структуры. Образование линий скольжения и изменение направления характерной полосчатости структуры происходит при пластической деформации около 0,5%. При увеличении деформации до 2% линии скольжения видны наиболее отчетливо. Дальнейшее увеличение деформации до 10-15% приводит к разрыхлению материала и образованию пор. Уменьшение твердости при деформации 15% можно объяснить разрыхлением материала, хотя плотность дислокаций увеличивается и следует ожидать таюке повышения твердости. При деформации более 10% на микрофотографиях каких-либо изменений структуры не наблюдается. Полученные данные свидетельствуют о возможности определения величины пластической деформации в пределах 0,5 - 10 % по характерному изменению структуры.
Информативным параметром, свободным от абсолютных размеров зерна трубы до нагружения, является полосчатость структуры. Именно по характерным изменениям структуры возможно определение области пластической деформации. Появление линий скольжения является дополнительным параметром, свидетельствующим о пластической деформации. Изменение твердости можно использовать для определения величины пластической деформации только при наличии данных о твердости материала до деформации, т.к. величина изменений находится в пределах плавочного разброса механических свойств.
Испытания проведены на установке ЦД-20ПУ при частоте нагружения до 10 циклов в минуту на базах до 10 циклов начиная со статического растяжения. Построена кривая малоцикловой усталости (рис. 3.3, табл. 3.2) для вероятности разрушения 50%, определены величины накопленной пластической деформации в зависимости от амплитуды напряжений и количества циклов нагружения и раПри испытании на растяжение образцов изучено изменение коэрцитивной силы от напряжений и величины пластической деформации. При нагружении до предельно допустимых нормами проектирования упругих напряжений (вблизи предела текучести) обнаружено резкое снижение чувствительности метода к упругим напряжениям. Развитие пластической деформации вызывает интенсивное увеличение коэрцитивной силы, превосходящее разброс в пределах марки стали (табл. 3.5, рис. 3.8).
Возрастание коэрцитивной силы происходит в первые циклы нагружения. Величина изменения Нс определяется приложенным напряжением. По-сравнению с твердостью коэрцитивная сила изменяется в большей степени, а характер зависимости от количества циклов нагружения -монотонный. ссчитаны кривые усталости для вероятности разрушения 5 и 10%.
Методика определения величины пластической деформации материала
При исследовании коррозии трубопроводов установлено, что на скорость коррозии влияет состав, структура и напряжения в материале (как внутренние, так и внешние). Поэтому при использовании образцов-свидетелей стремятся обеспечить их подобие по составу, структуре и напряженному состоянию. В работах по термомеханической активации и коррозии металлов под напряжением описано значительное возрастание скорости химических реакций после пластической деформации компонентов [97, 108].
Необходимость собственных исследований обусловлена недостаточностью информации о влиянии пластической деформации трубных сталей на их коррозионную активность. Для исследований взяты образцы трубных сталей (Х60 - межпромыслового нефтепровода, 09Г2С -магистрального нефтепровода и Сталь 20 - технологического трубопровода) до и после пластической деформации, помещены в коррозионную среду (насыщенный раствор NaCl), определена убыль массы в зависимости от времени выдержки. Для сравнения взят образец недеформированной трубы из стали 20. Результаты представлены в таблице 3.23.
Из приведенных в таблице данных следует, что значимые изменения массы появляются после выдержки 200 и более часов, что обусловлено сравнительно небольшой массой исследуемых образцов (порядка 4 грамм).
Для ускорения исследований и повышения их точности в дальнейшем изучено влияние пластической деформации на электрохимический потенциал для образцов из сталей Сталь 20, Х60, 09Г2С (разницу потенциалов между деформированным и недеформированным образцами после помещения их в коррозионный раствор) (табл.3.24 - 3.28, рис. 3.33-3.37). Подобная методика широко применяется для оценки коррозионной активности среды при подборе ингибиторов для защиты промысловых нефтепроводов.
Обнаружено, что до пластической деформации электрохимический потенциал трубных сталей Х60 и 09Г2С значительно меньше, чем у стали 20. Однако после пластической деформации 0,2% и более, электрохимический потенциал для сталей Х60 и 09Г2С увеличивается до 60 - 80 мВ, в то время как у Стали 20 после пластической деформации практически не изменяется (25 мВ).
При подборе ингибиторов коррозии без учета влияния пластической деформации может возникнуть ситуация недостаточной защищенности от коррозии деформированных участков труб из сталей Х60 и 09Г2С.
Эффект возрастания электрохимического потенциала после малой пластической деформации позволяет определять предел текучести при лабораторных исследованиях трубных сталей, а также определять участки пластической деформации при обследовании трубопроводов.
Таким образом, при изучении влияния малоциклового нагружения на коррозионную стойкость сталей установлено, что мелкозернистая, низкоуглеродистая сталь после пластической деформации менее коррозионно стойка, чем стали, имеющие более крупнозернистую структуру и большее содержание углерода, а ЭДС всех сталей в коррозионной среде между нагруженным и ненагруженным образцами увеличивается 2-8 раз при возрастании 8 от 0 до 0,2%. Найдена зависимость ЭДС от величины пластической деформации.
Установлено, что изменение свойств и структуры стали фрагментов трубы магистрального нефтепровода коррелируют с величиной пластической деформации в соответствии с зависимостями, полученными на образцах исследуемых сталей после малоциклового нагружения.
Обнаруженные закономерности изменения структуры и свойств при пластической деформации, образование характерного рельефа поверхности, изменения твердости, коэрцитивной силы и коррозионной стойкости на различных этапах циклического нагружения, позволяют определить величину накопленной пластической деформации для оценки степени деградации материала непосредственно на эксплуатирующемся объекте, без вырезки образцов, при помощи переносных измерительных приборов. На основании полученных результатов разработана методика по определению величины пластической деформации металлоконструкций на основе оценки параметров структуры и физико-механических свойств сталей: - твердости - переносным твердомером; - коэрцитивной силы — переносным прибором с накладным датчиком; - коррозионной активности - локальными коррозионными зондами; - параметров микроструктуры - переносным оптическим микроскопом и использованием реплик с травленой поверхности объекта для последующего исследования РЭМ.
Твердость является чувствительным параметром при определении степени пластической деформации (8) в интервале 5 - 10 % с абсолютной погрешностью 3%.
Коэрцитивная сила является самым чувствительным параметрам и позволяет определять величину пластической деформации (8) в интервале 0,2 - 6 % с абсолютной погрешностью 0,5%.
Коррозионная активность (ЭДС между деформированным и недеформированным участками) позволяет определять величину пластической деформации (5) в интервале 0,2 - 6 % с абсолютной погрешностью 0,5%.
Параметры микроструктуры и анализ размеров зерен позволяют определять области пластической деформации.
