Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1. 1. Виды и механизмы разрушения стальных изделий 9
1.2. Состав, структура и свойства низколегированных трубных сталей...29
1.3. Деформационное старение железа и стали 42
1.4 Диагностика дефектов в трубах магистральных трубопроводов 46
1.5. Особенности структуры и механических свойств высокопрочной арматурной проволоки для преднапряженных железобетонных конструкций мостов 53
Глава 2. Постановка задачи 63
Глава 3. Материалы и методики исследования 67
3.1. Материалы исследования 67
3.2. Механические испытания 69
3.3. Измерение внутреннего трения 75
3.4. Структурные исследования 78
3.5. Водородная проницаемость 79
3.6. Рентгеноструктурные исследования 79
3.7. Статистический анализ экспериментальных результатов 80
Глава 4. Экспериментальные результаты и их обсуждние 82
4.1. Исследование механизма деградации механических свойств и пара метров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов 82
4.1.1. Влияние длительной эксплуатации трубопроводов на комплекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов 82
4.1.2. Влияние силовых условий эксплуатации трубопроводов на ком плекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов 98
4.1.3. Исследование механизма деградации механических свойств и сопротивления разрушению металла труб 108
4.1.3.1.Микроструктура 108
4.1.3.2. Склонность к деформационному старению 112
4.1.3.3. Температурная зависимость внутреннего трения 113
4.1.3.4. Рентгеноструктурные исследования 118
4.1.3.5 .Водородопроницаемость 121
4.1.3 .6.Содержание водорода 122
4.1.4. Восстановление свойств нормализацией 124
4.1.5. Способ оценки остаточного ресурса металла труб 125
4.2. Влияние длительной эксплуатации на конструкционную прочность, структурное состояние и склонность к замедленному разрушению высокопрочной стальной арматурной проволоки 129
4.2.1. Оценка коррозионной поврежденности 129
4.2.2. Исследование механических свойств 131
4.2.3. Испытания на замедленное хрупкое разрушение в условиях одновременного воздействия напряжения, коррозионной среды и водорода 135
4.2.4. Механизм деградации механических свойств и сопротивления разрушению высокопрочной стальной арматурной проволоки 136
Выводы 145
Литература 148
Приложение 160
- Особенности структуры и механических свойств высокопрочной арматурной проволоки для преднапряженных железобетонных конструкций мостов
- Статистический анализ экспериментальных результатов
- Влияние силовых условий эксплуатации трубопроводов на ком плекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов
- Влияние длительной эксплуатации на конструкционную прочность, структурное состояние и склонность к замедленному разрушению высокопрочной стальной арматурной проволоки
Введение к работе
Актуальность проблемы. К объектам повышенного экологического риска возникновения техногенных аварий, вызванных недостаточной эксплуатационной надежностью металла, относятся металлоконструкции из сталей феррито-перлитного и перлитного классов, такие как магистральные нефтепроводы, мосты и путепроводы. Длительная эксплуатация приводит к деградации свойств металла, связанной с изменением структурного состояния вследствие воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода. В результате этого разрушение становится возможным даже при напряжениях, не превышающих максимально допустимых.
Известны работы А.Х Коттрелла, Ю.А. Скакова, В. И. Саррака, СО. Суворовой и С.А. Головина и др. по исследованию процессов старения и деформационного старения в железе и сталях. Эти процессы могут протекать при длительной эксплуатации металлоизделий из конструкционных сталей. Однако кроме старения в металле под нагрузкой могут протекать процессы микродеформации, накопления локальных микронапряжений и дефектов типа микротрещин, снижающих сопротивление металла разрушению. В реальных условиях эксплуатации, особенно при контакте с коррозионными средами, возможно насыщение металла водородом в результате развития процессов электрохимической коррозии. Для предотвращения преждевременного хрупкого разрушения стальных изделий, оценки остаточного ресурса при планировании капитального ремонта необходимо исходить из реальных свойств металла. Для установления реального состояния металла после длительной эксплуатации необходимо исследовать комплекс физико-механических характеристик, который позволяет оценить сопротивление разрушению металла в условиях наиболее близких к условиям эксплуатации, в том числе при низких температурах, острых концентраторах напряжений, воздействии коррозионной среды и водорода. Понимание природы процессов, протекающих в металле в ходе длительной эксплуатации, позволит прогнозировать безопасный срок службы металлических конструкций и послу-
жит основой для создания конструкционных материалов, устойчивых к воздействию эксплуатационных факторов.
Настоящая работа направлена на выявление закономерностей и механизмов деградационных процессов и свойств, наиболее чувствительных к ним, при эксплуатации феррито-перлитных и перлитных сталей, что является основой для прогнозирования эксплуатационной надежности стальных конструкций.
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является установление закономерностей и механизмов деградационных процессов изменения механических свойств и параметров сопротивления разрушению феррито-перлитных и перлитных конструкционных сталей в ходе длительной эксплуатации.
В настоящей работе решаются следующие задачи:
выявление характера изменений механических свойств и параметров сопротивления разрушению, в том числе замедленному, конструкционных сталей феррито-перлитного и перлитного классов, возникающих в результате длительной эксплуатации;
оценка изменения структурного состояния, физических свойств и степени дефектности сталей феррито-перлитного и перлитного классов в ходе длительной эксплуатации;
- выявление механизмов деградационных процессов при длительной эксплуатации феррито-перлитных трубных сталей и высокопрочной арматурной проволоки из перлитных сталей.
В качестве объекта исследований были выбраны конструкционные низколегированные горячекатаные феррито-перлитные трубные стали и перлитные стали для арматуры предварительно напряженных железобетонных конструкций после длительной эксплуатации, хранения (аварийный запас), а также текущего производства.
Феррито-перлитные низколегированные трубные стали в горячекатаном из стали типа 17ГС. Срок эксплуатации составлял от 4 до 44 лет. За ис-
ходное состояние принимали металл труб аварийного запаса, а также горячекатаный лист из стали 17Г 1С текущего производства.
Было проведено комплексное исследование химического состава, газонасыщенности, механических свойств, трещиностойкости, параметров сопротивления разрушению, склонности к замедленному разрушению и деформационному старению феррито-перлитных и перлитных конструкционных сталей. Проведены исследования микро- и тонкой структуры, водородопрони-цаемости, фрактографические исследования поверхности разрушения, рент-геноструктурный анализ, анализ температурной зависимости внутреннего трения.
Научная новизна. В результате проведенных исследований выявлены основные закономерности деградационных процессов, протекающих в феррито-перлитных и перлитных сталях при длительной эксплуатации.
Установлено, что:
1) существуют общие и специфические факторы, вызывающие деграда
цию свойств феррито-перлитных и перлитных сталей:
- общими являются - охрупчивание в результате насыщения водоро
дом и накопление локальных напряжений;
- специфические -это деформационное старение для феррито-
перлитных сталей, и разупрочнение в результате релаксации напряже
ний для перлитных сталей с образованием дефектов типа микротре
щин.
длительная эксплуатация феррито-перлитных трубных сталей практически не влияет на стандартные механические свойства, но снижает параметры сопротивления разрушению, чувствительные к локальным структурным изменениям;
существует зависимость степени деградационных процессов в феррито-перлитных трубных сталях от уровня рабочих давлений. С увеличением рабочего давления при эксплуатации степень деградационных
процессов возрастает;
механизм снижения сопротивления разрушению феррито-перлитных сталей заключается в уменьшении подвижности дислокаций в результате их закрепления, увеличении внутренних микронапряжений, а также накоплении дефектов, служащих ловушками для водорода;
снижение конструкционной прочности арматурной проволоки из перлитной стали происходит не только в результате уменьшения сечения, вызванного коррозией, но и по причине разупрочнения в результате релаксации напряжений, образования дефектов типа микротрещин, а также водородного охрупчивания;
6) происходит снижение сопротивления замедленному разрушению в ходе длительной эксплуатации феррито-перлитных и перлитных сталей.
Практическая значимость работы состоит в установлении закономерностей изменения параметров трещиностойкости и склонности к замедленному разрушению металла труб и высокопрочной арматурной проволоки. Эти закономерности необходимы для оценки состояния трубопроводов, мостов и путепроводов из феррито-перлитных и перлитных сталей при планировании капитального ремонта трубопроводов и реконструкции мостов и путепроводов.
Полученные в работе результаты по выявлению основных факторов, приводящих к деградации свойств феррито-перлитных и перлитных сталей, могут быть использованы для анализа случаев преждевременного хрупкого разрушения и диагностики состояния других изделий из сталей данного класса.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) закономерности изменения механических свойств, параметров сопротивления разрушению и склонности к замедленному разрушению феррито-перлитных трубных сталей и перлитных сталей для арматурной проволоки в результате длительной эксплуатации;
2) особенности структурного состояния феррито-перлитных и перлитных
сталей после длительной эксплуатации;
эффект ускорения деградационных процессов в феррито-перлитных трубных сталях при ужесточении силовых условий эксплуатации;
общие и специфические факторы, ответственные за охрупчивание изделий из сталей этих классов;
механизмы деградации свойств феррито-перлитных и перлитных сталей в ходе длительной эксплуатации.
Внедрение результатов работы
Результаты работы послужили основой для оценки остаточного ресурса, прогнозирования эксплуатационной надежности и планирования капитального ремонта участков нефтепроводов следующих действующих трубопроводов: Дружба I, Дружба II, Альметьевск-Куйбышев, НКК-1; НКК- II; Самара-Тихорецк; Самара-Лисичанск; Анжеро-Судженск-Красноярск; Красноярск-Иркутск; Александровское-Анжеро-Судженск; Игольско-Таловое-Парабель; Усть-Балык-Омск; УБКУА; ТОН-1; ТОН- II; Омск-Иркутск; Рязань-Москва; Горький-Рязань.
Результаты работы в части исследований механических свойств и сопротивления замедленному разрушению высокопрочной арматурной проволоки пролетных строений мостов использованы для заключений о целесообразности продолжения эксплуатации пролетных строений моста через р. Десна на 33 км автодороги Москва - Иванцевичи и рамноподвесного моста через реку Волга в г. Кимры.
По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и содержит 162 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 13 таблиц и список литературы, включающий 148 наименований.
Особенности структуры и механических свойств высокопрочной арматурной проволоки для преднапряженных железобетонных конструкций мостов
Особенности структуры и механических свойств высокопрочной арматурной проволоки для прсднапряженных железобетонных конструкций мостов. Достижение высокого упрочнения сталей с исходной перлитной структурой после патентирования в результате холодной пластической деформации является следствием увеличения числа дефектов строения при изменении характера их распределения и измельчения пластинок феррита и цементита [102]. Процесс патентирования заключается в нагреве стали до температур, соответствующих аустенитному состоянию, и охлаждении в расплавленных свинце или соли или в кипящем слое, которые охлаждают сталь до температур, отвечающих превращению переохлажденного аустенита в структуру типа тонкопластинчатого перлита (сорбита). Абсолютная величина упрочнения зависит от исходного структурного состояния, а также от схемы и степени окончательной пластической деформации. Это исходное структурное состояние определяется, в первую очередь, температурой распада переохлажденного аустенита и характеризуется дисперсностью феррито-цементитной смеси — размером (толщиной) пластинок этих фаз, а также их субструктурой. Чем ниже температура превращения, тем меньше размер пластинок этих фаз. В процессе холодной пластической деформации с ростом степени обжатия межфазные границы размываются — плотность дислокаций в фер-ритных пластинках растет, и они постепенно формируют ячеистую субструктуру [102]. Границы ячеек феррита, обычно имеющих вытянутую форму, состоят из сплетений дислокаций; плотность дислокаций в пределах каждой ячейки довольно низкая. Границы этих ячеек блокируют скольжение дислокаций. В процессе деформации изменяется субструктура не только феррит-ных пластинок, но также и цементита, причем характер ее изменения опреде ляется степенью обжатия и ориентацией пластинок цементита в колониях перлита по отношению к направлению волочения. Несмотря на определенную пластичность цементита, высокая способность перлита к пластической деформации связана с тем, что его основная фаза — феррит, а пластинки цементита не являются непрерывными.
Разрушение стали при больших деформациях чаще всего начинается от цементитных пластинок. Также, и по данным В. Н. Гриднева [103], прочность холоднодеформированной стали со структурой пластинчатого перлита линейно зависит от величины, обратной корню квадратному из межпластиночного расстояния. Упрочнение стали с пластинчатой структурой представляет результат измельчения присутствующих фаз и субструктуры в процессе холодной пластической деформации. В результате деформации утоняются пластинки цементита и феррита и таким образом уменьшается путь, который проходят скользящие дислокации от одной цементитной пластинки до другой. Состав, структура и свойства патентированлой стали. Величина упрочнения, достигаемого в результате деформационного наклепа, зависит от состава стали, технологии предварительной термической обработки, условий деформации и, наконец, окончательной термической обработки. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше прочность после патентирования и последующей холодной пластической деформации; пластичность в этом случае снижается лишь в очень слабой степени [102]. Для получения высокого упрочнения в результате последующей холодной пластической деформации необходимо обеспечить достаточно равномерное строение сорбитной структуры, что обусловливает повышенную пластичность и деформируемость стали и, следовательно, возможность применения высоких обжатий. Это осуществимо только в том случае, когда ау-стенит, образующийся при нагреве, достаточно однороден по концентрации углерода. Именно поэтому температура нагрева для патентирования превышает принятую для обычных процессов термической обработки. Кроме того, в ряде случаев до патентирования для получения более однородной структуры выполняют высокотемпературную нормализацию Оптимальная температура изотермического превращения аустенита при патентировании зависит от состава стали, в частности, от содержания углерода и диаметра проволоки. С ростом содержания углерода температура патентирования повышается.
Статистический анализ экспериментальных результатов
Для проведения статистического анализа применяли электронные таблицы Microsoft Excel 7.0 для Windows. Был проведен анализ распределения данных с помощью встроенных статистических функций. С помощыо функции AVERAGE (СРЗНАЧ) вычисляли среднее арифметическое значение исследованного свойства. На гистограммах (раздел 4.1.2 и 4.1.3) представлены средние значения исследованного свойства.
С помощью функции FREQUENCY (ЧАСТОТА) построено процентное частотное распределение значений механических свойств. Поскольку мы имеем дело с распределением, близким к нормальному, то для проведениястатистического анализа достаточно знать два параметра: среднее значение и стандартное отклонение.
Как правило, около 68 % данных генеральной совокупности находятся в пределах одного стандартного отклонения от среднего значения и около 95% - в пределах двух стандартных отклонений. С помощью функций STDEV (СТАНДОТКЛОН) вычисляли стандартное отклонение для генеральной совокупности данных и с помощью аналогичной функции STDEVP (СТАНДОТКЛОНП) для выборки данных. В частности при анализе распределения данных результатов исследований в зависимости от силовых условий эксплуатации (раздел 4.1.2).Конкретное среднее значение и стандартное отклонение представлены в таблице 4.1 и на гистограммах. Кроме того, проводили статистическую оценку аппроксимирующих функций полученных зависимостей.
Регрессия - это статистический метод, который позволяет найти уравнение, наилучшим образом описывающее совокупность данных. В частности, линейная регрессия дает возможность наилучшим образом провести прямую линию через точки одномерного массива данных. Прямая линия задается наклоном и точкой пересечения с осью X. Использовалась стандартная функция LINEST (ЛИНЕИН). Обрабатывался массив данных, состоящий из значений механических свойств, полученных в результате испытаний металла 109 труб. Каждое значение, подлежащее статистическому анализу, является средним по испытаниям трех образцов. Для простоты восприятия на графики нанесены аппроксимирующие прямые, а также одной точкой отмечены средние значения механических свойств для каждого из исследованных сроков эксплуатации.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Исследование механизма деградации механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов. Влияние длительной эксплуатации трубопроводов на комплекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов.
При анализе состояния магистральных трубопроводов, оценке остаточного ресурса и планировании капитального ремонта необходимо исходить из реальных свойств металла труб.
Для оценки комплекса механических свойств были отобраны образцы труб в горячекатаном состоянии из стали типа 17ГС, изъятые из действующих трубопроводов, аварийных катушек и труб аварийного запаса. Срок эксплуатации составлял от 4 до 44 лет. За базу сравнения принимали свойства металла текущего производства Орско-Халиловского металлургического комбината и труб аварийного запаса.Механические свойства
Согласно полученным данным прочность, предел текучести и пластичность практически не изменяются в зависимости от длительности эксплуатации (рис. 4.1).
Усреднение значений проводили по числу исследованных труб для каждого срока эксплуатации. Процентное частотное распределение значений механических свойств, представленное на рис. 4.2. близко к нормальному. Для каждого параметра механических свойств рассчитаны среднее значение, стандартное отклонение и уравнение аппроксимирующей прямой.
Влияние силовых условий эксплуатации трубопроводов на ком плекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов
Влияние длительной эксплуатации трубопроводов на комплекс механических свойств и параметров сопротивления разрушению металла труб действующих трубопроводов. При анализе состояния магистральных трубопроводов, оценке остаточного ресурса и планировании капитального ремонта необходимо исходить из реальных свойств металла труб.
Для оценки комплекса механических свойств были отобраны образцы труб в горячекатаном состоянии из стали типа 17ГС, изъятые из действующих трубопроводов, аварийных катушек и труб аварийного запаса. Срок эксплуатации составлял от 4 до 44 лет. За базу сравнения принимали свойства металла текущего производства Орско-Халиловского металлургического комбината и труб аварийного запаса.Механические свойства Согласно полученным данным прочность, предел текучести и пластичность практически не изменяются в зависимости от длительности эксплуатации (рис. 4.1).
Усреднение значений проводили по числу исследованных труб для каждого срока эксплуатации. Процентное частотное распределение значений механических свойств, представленное на рис. 4.2. близко к нормальному. Для каждого параметра механических свойств рассчитаны среднее значение, стандартное отклонение и уравнение аппроксимирующей прямой. Для металла труб значения временного сопротивления разрыву ав в интервале разброса экспериментальных данных составляют В ГЧастотное распределение значений стандартных механических свойств металла 109 труб, отобранных от 19 магистральных нефтепроводов работающих, в различных климатических условиях со сроком эксплуатации до 44 лет:а) временное сопротивление ств;б) предел текучести Оо,г;в) относительное удлинение 5;г) поперечное сужение \\). что близко к нормам ГОСТ 19282 и ТУ 14-1-1921 для данной марки стали (не менее 520 Н/мм ). Аналогичные результаты наблюдаются и для предела текучести а0,2 который составляет 404+43 Н/мм2. В пределах разброса прочностные характеристики остаются практически постоянными в течение всего срока эксплуатации. Пластичность металла труб - относительное удлинение 8 и поперечное сужение \/ — также почти не изменяется и находится на уровне требований ГОСТа и ТУ (не менее 24% для 5, нормы на \/ отсутствуют). Относительное удлинение изменяется в пределах 26±3%, а поперечное сужение - в пределах Таким образом, стандартные механические свойства металла труб -прочность, предел текучести и пластичность - практически не изменяются в процессе эксплуатации. Для выявления свойств, чувствительных к сроку эксплуатации, необходимо проведение других видов испытаний, в том числе, на образцах с острым концентратором напряжений и с заранее созданной трещиной, а также оценка работы зарождения и распространения трещины.Ударная вязкость.
Испытания при динамическом и статическом изгибе образцов с надрезом из труб после длительной эксплуатации показали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб. Несмотря на значительный разброс значений, наблюдается существенное снижение ударной вязкости при испытании металла труб на образцах, как с круглым, так и с острым надрезами (рис. 4.3). После 20-25 лет эксплуатации величины ударной вязкости снизились приблизительно Хладостойкость.
Испытания на удар в интервале температур от -40оС до +20оС позволили определить критическую температуру перехода металла труб в хрупкое состояние Т50 (рис. 4.4.). На рис. 4.5 представлены типичные кривые температурных зависимостей ударной вязкости KCV и доли вязкого волокна
Влияние длительной эксплуатации на конструкционную прочность, структурное состояние и склонность к замедленному разрушению высокопрочной стальной арматурной проволоки
Высокопрочная арматурная патентированная проволока являетсяодним из важнейших элементов конструкции преднапряженных железобетонных пролетных строений мостов, работа которых происходит в сложных условиях воздействия напряжений и коррозионной среды. Поэтому для оценки несущей способности мостовых сооружений необходимо учитывать влияние длительной эксплуатации на состояние высокопрочной арматурной проволоки — коррозионную повреждаемость ее поверхности, уровень механических свойств и сопротивление разрушению [115, 132].
Были исследованы состав, коррозионная поврежденность, механические свойства и сопротивление замедленному разрушению высокопрочной арматурной проволоки, извлеченной из пролетных строений моста после длительной (35 лет) эксплуатации.
Исследование проводили на образцах, вырезанных из канатов действующих железобетонных мостов. Номинальный диаметр проволочных образцов составлял 3,5 и 5 мм, длина изменялась от 60 до 118 мм. Характеристики размеров и состояния поверхности образцов арматурной проволоки представлены в таблице 4.6. Для сравнения свойств использовали арматурную проволоку в состоянии поставки Харцызского и Орловского сталепрокатных заводов.
Сталь канатов 1 и 2 соответствует стали 75, каната №3 ближе по содержанию углерода к стали 70, а канатов 5,6 и 7 — к стали 85.
Анализ поверхности образцов арматурной проволоки показал, что она имеет коррозионную поврежденность разной степени. Наименее повреждена коррозионными дефектами поверхность проволоки, прилегающая к бетону. Наиболее повреждена периферийная поверхность проволоки, что, по видимому, связано с воздействием на металл атмосферной, возможно влажной, коррозионной среды.
По степени поврежденности поверхности коррозионными дефектами все образцы условно можно разделить на три группы (табл. 4.6):I группа - слабо поврежденные образцы (общая и питтинговаякоррозия с протяженностью коррозионных язв до 2 мм и глубиной до 0,2мм.);II группа - средне поврежденные образцы (помимо общей и питтинговои коррозии, характерной для I группы, имеются протяженные и глубокие коррозионные каверны размером до 15 мм и глубиной до 1 мм);III группа - сильно поврежденные образцы (общая коррозия и питтинговая коррозия характерная для I и II групп, а также сквозное коррозионное повреждение по всему сечению проволоки). Таблица 4.6 Известно, что питтинговая коррозия характерна для сталей в условиях воздействия окислительной среды, например кислорода воздуха, и одновременного присутствия активирующих, особенно галоидных, анионов, например СГ, Г и других [122, 125, 133]. Из этого становится понятно, почему питтинговая коррозия наблюдается, в основном, с периферийной стороны проволоки, где присутствует необходимый элемент питтингообразования - окислительная среда, особенно в присутствии добавок, содержащих хлористые соединения (СаС12, NaCl и др.). Со стороны же бетона на проволоке образуется пассивирующий слой, предотвращающий процесс питтингообразования.
Если предположить, что отбор исследованных образцов проволоки производился случайно, то, исходя из проведенного анализа, можно сделать заключение, что по степени коррозионной повреждаемости только порядка 30% проволоки находится в удовлетворительном состоянии.
