Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ различных подходов и методов, применяющихся для изучения кинетики процесса накопления повреждений 9
1.1. Пластические зоны в условиях статического и циклического нагружения 9
1.1.1. Локальное напряженное состояние материала у вершины трещины и пластические зоны при статическом нагружении 9
1.1.2. Локальное напряженное состояние и пластические зоны у вершины трещины при циклическом нагружении 11
1.2. Характеристики механики разрушения 14
1.3. Методы изучения пластических зон в вершине трещины 15
1.4. Оценка поврежденности материала внутри пластических зон 18
1.4.1. Модели механики поврежденности 18
1.4.2. Анализ распределения микротрещин в пластической зоне 25
1.5. Влияние поврежденности конструкционных материалов на параметры распространения ультразвуковых волн 28
1.6. Анализ накопления повреждений в конструкционных материалах с помощью метода акустической эмиссии 31
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Материалы, методы исследования и обработки данных 41
2.1. Материалы и методы проведения испытаний 41
2.1.1. Исследуемые материалы 41
2.1.2. Испытания на растяжение 43
2.1.3. Циклические испытания в условиях внецентренного растяжения 45
2.1.4. Испытания при циклическом нагружении в условиях консольного изгиба с вращением 46
2.2. Методика снятия реплик с поверхности образцов и их анализа 49
2.3. Методика обработки кривых распределения дефектов по размеру 50
2.4. Оценка фрактальной размерности 51
2.5. Фрактографические исследования 52
2.6. Регистрация и методы обработки сигналов акустической эмиссии.. 53
2.7. Измерение коэффициента затухания ультразвука 54
Выводы по главе 2 55
Глава 3. Исследование закономерностей накопления повреждений в малоуглеродистой стали при одноосном растяжении 57
3.1. Кинетика пластических зон 57
3.2. Результаты оценки характеристик механики разрушения 60
3.3. Структура пластической зоны 67
3.3.1. Кинетика накопления микротрещин в пластической зоне 68
3.3.2. Критерии множественной поврежденности 72
3.4. Фрактографическое исследование 79
3.5. Стадийность процесса множественного разрушения 80
Выводы по главе 3 82
Глава 4. Закономерности накопления повреждений при циклическом нагружении 84
4.1. Результаты циклических испытаний образцов из стали 20 на внецентренное растяжение 84
4.1.1. Кинетика роста усталостных трещин 84
4.1.2. Кинетика пластических зон 87
4.1.3. Исследование поврежденности в пластической зоне 88
4.2. Результаты исследования образцов с пятью надрезами из стали 08Х14АН4МДБ 91
4.2.1. Кривая усталости и кинетическая диаграмма усталостного разрушения 92
4.2.2. Изучение макрорельефа разрушения 97
4.2.3. Изучение зон пластической деформации 103
Выводы по главе 4 105
Глава 5. Исследование поврежденности материалов при помощи акустических методов неразрушающего контроля 107
5.1. Анализ множественного разрушения образцов из стали 20 методом акустической эмиссии 107
5.2. Оценка коэффициента затухания ультразвука 116
Выводы по главе 5 119
Глава 6. Изучение развития поврежденности конструкционных сталей в процессе эксплуатации на Астраханском газоконденсатном месторождении 121
6.1. Исследование поврежденности материала газопровода 124
6.2. Исследования структуры и степени поврежденности материала задвижки устьевого фонтанного оборудования 129
6.3. Исследование состояния материала образцов обсадной колонны, вырезанных с разной глубины 134
6.4. Исследование состояния материала элементов лубрикатора 137
Выводы по главе 6 140
Общие выводы по диссертации 142
Список использованных источников 144
Приложение 156
- Влияние поврежденности конструкционных материалов на параметры распространения ультразвуковых волн
- Испытания при циклическом нагружении в условиях консольного изгиба с вращением
- Стадийность процесса множественного разрушения
- Исследование состояния материала образцов обсадной колонны, вырезанных с разной глубины
Введение к работе
с параметрами механики разрушения, а также с характеристиками неразрушающего контроля, обеспечивающего надежность и безопасность эксплуатации конструкций. Такая взаимосвязь позволит контролировать развитие разрушения на ранних стадиях его возникновения, однако эта задача значительно усложняет эксперимент, поскольку требует оценки комплекса механических и физических свойств, отражающих накопление реальной поврежденности.
Итак, актуальность данной работы определяется необходимостью решения важной научной и прикладной проблемы, связанной с изучением закономерностей множественного разрушения и установлением взаимосвязи этих закономерностей с характеристиками механики разрушения и параметрами неразрушающего контроля. Цель работы состояла:
в комплексном изучении кинетики процесса накопления повреждений (множественного разрушения) при статическом и циклическом нагружении с использованием методов механики разрушения, количественной металлографии и акустических методов неразрушающего контроля;
в определении критериев, характеризующих стадийность множественного разрушения, и в установлении их взаимосвязи с характеристиками механики разрушения и акустических свойств малоуглеродистой стали.
Основные задачи исследования:
проведение статических и циклических испытаний образцов из стали 20 с боковым надрезом, а также испытаний на консольный изгиб с вращением образцов из стали 08Х14АН4МДБ с пятью надрезами;
комплексное исследование процесса накопления повреждений в условиях одноосного растяжения и циклического нагружения с использованием метода реплик и неразрушающих методов контроля (акустической эмиссии и ультразвукового затухания);
оценка критериев поврежденности исследуемых материалов на основе данных прямого и косвенного исследования кинетики накопления повреждений в условиях усталости и растяжения;
установление взаимосвязи параметров неразрушающего контроля, параметров механики разрушения с критериями поврежденности, оцененными с помощью метода реплик.
Научная новизна
Установлена взаимосвязь J-интеграла, относительной нагрузки (Р/Ртах), размера пластической зоны и акустических свойств малоуглеродистой стали с кинетикой множественного разрушения в условиях растяжения разнотолщинных образцов; выделены и оценены переходные значения Jj, J2, и J& характеризующие стадию I появления и накопления микротрещин (при 0.7<Р/Ртах<0.85, Ji
max<\) и стадию III (J>JC, Р/Рта^^) формирования и развития макротрещины.
Переход от стадии I (накопления микротрещин в пластической зоне) к стадии II (слияния) сопровождается:
сменой экспоненциальной зависимости, связывающей накопленное число микротрещин (27V) с их длиной (L) и сигналов акустической эмиссии (2!/Уаэ) с их амплитудой (А) на степенную зависимость с показателями, снижающимися с увеличением поврежденности;
достижением максимума плотности микротрещин, критических значений концентрационного ^-критерия (&=1.5), доли поврежденной поверхности (5*^9+10%) и фрактальной размерности (D*~1.5).
3. Показано, что критическая поврежденность в пластической зоне
определяется видом напряженного состояния: в условиях
плоскодеформированного состояния максимальная плотность
микротрещин и число сигналов акустической эмиссии, а также скорость
их накопления ниже, чем в условиях плосконапряженного состояния.
Установлено различие эволюции поврежденности в условиях циклического и статического растяжения, связанное с многократным чередованием процессов формирования зоны пластической деформации в вершине усталостной трещины (в отличие от статического нагружения) и ее скачкообразным продвижением.
Усталостное разрушение стали 08Х14АН4МДБ на базе 108 циклов нагружения происходит ниже предела текучести, т.е. в условиях микротекучести или макроупругого поведения материала образца. Достижение предела текучести в вершине надреза образца (с учетом концентрации напряжений) приводит к изменению режима локальной пластической деформации, появлению перелома кривой усталости и отражается на зависимостях от напряжения микротвердости, параметров изломов, ширины пластических зон и механизма разрушения.
Практическая ценность проделанной работы заключается в установлении взаимосвязи критериев накопления повреждений с параметрами механики разрушения, акустической эмиссии и ультразвукового затухания. Предложены новые критерии, соответствующие переходу от стадии накопления повреждений к стадии их слияния перед формированием макротрещины. Для оценки циклической прочности на больших базах нагружения предложено использовать образец с пятью надрезами с последующим проведением металлографического анализа. Выполнен анализ эксплуатационных повреждений в материалах нефтегазодобывающего оборудования после его длительной эксплуатации в условиях контакта с сероводородсодержащей средой.
Исследования, проведенные в рамках данной диссертационной работы, выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 02-05-652310; 03-01-00653; 05-05-64755), гранта Президента по поддержке ведущей научной школы академика Новикова И.И. НШ-1993.2003.8 и международного фонда INTAS (проект № 01-5-748).
Влияние поврежденности конструкционных материалов на параметры распространения ультразвуковых волн
Одним из важных показателей поврежденности конструкционных материалов, влияющих на затухание ультразвуковых волн, является наличие множественных дефектов с раскрытием, сравнимым с длиной волны. Био [78] рассмотрел влияние микроскопических пузырьков газа на распространение УЗ-волн и пришел к выводу, что наличие пузырьков в конструкционных материалах может вызвать явление затухания ультразвуковых волн.
В работах [79, 80] показана возможность исследования пористости в поликристаллических ферритах ультразвуковым методом. Огилви [81] выполнила измерения затухания в аустенитных сталях, подвергавшихся различной термической обработке в диапазоне частот 5-50 МГц и сопоставила результаты с данными микроструктуры сталей. Эти измерения показали, что изменение величины коэффициента затухания связано с изменениями микроструктуры материала.
Альваресом [82] были проведены исследования затухания ультразвука в образце из нержавеющей стали, испытанного на ползучесть. Разрушенный образец был разделен на условные зоны, находящиеся на различном расстоянии от излома (рис. 1.6). В каждой зоне производились измерения затухания ультразвука (рис. 1.8).
Затухание в данных исследованиях определялось по формуле: a=Mf4 + Nf , где/- частота преобразователя, MuN- коэффициенты.
Из графиков следует, что чем ближе зона измерений к поверхности излома, тем выше коэффициент затухания.
Результаты отечественных и зарубежных исследований показали, что проблема оценки поврежденности методами ультразвукового контроля, особенно на ранних стадиях накопления несплошностей, изучена в недостаточной мере.
Полученные частотные зависимости коэффициента затухания [80, 83, 84] позволяют сделать вывод о влиянии структуры и поврежденное материалов на величину затухания, но не дают возможности выполнить количественный и качественный анализ процессов, протекающих в материале.
Кинетические диаграммы, построенные Ботвиной с соавторами [85], в большей степени отражают процессы накопления поврежденности в конструкционных материалах, но эти зависимости получены путем обработки литературных данных и требуют экспериментального подтверждения.
В работе [86] выполнены измерения коэффициента затухания и скорости распространения ультразвука в чугуне при циклическом нагружении. Установлено, что скорость УЗ волн снижается с числом циклов, а затухание растет. Введены критерии поврежденности Д, = 1—=- ё Da=\ —, где v и а скорость и затухание УЗ волн, соответственно. С помощью этих параметров установлено, что коэффициент затухания ультразвука более чувствителен к поврежденности, чем скорость его распространения.
В работе [87] автором предложен параметр позволяющий на основе анализа затухания поверхностных волн, оценить остаточную долговечность материала.
Метод измерения ультразвукового затухания предполагает контакт между датчиком и поверхностью исследуемого образца. При этом на характеристики распространения ультразвука влияют многие факторы: сила прижатия, шероховатость, параллельность поверхностей образца и другие факторы. Поэтому представляют интерес бесконтактные методы исследования. Так, в работе [88] с помощью метода электромагнитного акустического резонанса изучена эволюция микроструктуры при циклическом нагружении образцов из малоуглеродистой стали. Этот метод является бесконтактным методом, что позволяет измерять характеристики распространения ультразвуковой волны во время испытаний. Авторами установлено, что коэффициент затухания является наиболее чувствительным к поврежденности, и максимальное его снижение наблюдается при числе циклов, соответствующем 20 % долговечности.
Метод регистрации акустической эмиссии (АЭ) является важным инструментом для исследования процессов накопления поврежденности в реальном масштабе времени.
В работе [89] на основании совместного использования методов АЭ и растровой электронной микроскопии (РЭМ) изучали характер АЭ и структурные изменения при растяжении с постоянной скоростью плоских образцов поликристаллического цинка. На разных этапах его деформирования прослежена энергетика различных актов пластической деформации (скольжение, двойникование), предшествующих появлению макротрещин и переходу к макроразрушению, что позволило по удельной мощности сигналов АЭ идентифицировать процессы трещинообразования и пластического деформирования. Метод локации сигналов АЭ в материале с большим числом интенсивно работающих источников показывает, что трещина зарождается в тех микрообъемах, где пластическая деформация уже завершена и ее возможности исчерпаны, либо там, где пластическая деформация была изначально затруднена, например, в силу кристаллографической ориентации зерен по отношению к приложенной нагрузке.
В работе [90] предпринята попытка на основании анализа кинетики накопления повреждений при испытании стандартных образцов на трехточечный изгиб определить методом АЭ момент образования магистральной вязкой трещины, другими словами, определить момент потери несущей способности материала. Сопоставление диаграмм АЭ с изломами исследуемых сталей показало соответствие акустической активности определенным фрактографическим признакам. Так, при нагрузках, превышающих РТр (момент зарождения макротрещины), в процессе роста трещины уровень амплитуды АЭ образца из стали 45 имел минимальные значения вплоть до окончания хрупкого долома. При нагрузке выше Pjp аналогичного образца из стали 17ХГ2САФР, как и для стали 45, наблюдаются минимальные значения уровня амплитуды, однако незадолго до разрушения обнаруживается увеличение уровня амплитуды АЭ. Излом этого образца не обнаруживает резкой границы между зоной вязкой трещины и зоной хрупкого долома. Таким образом, металлические материалы, способные задерживать распространение первых трещин скола (в данном случае сталь 17ХГ2САФР), характеризуются серией возрастающих по величине пиков акустических событий с высоким уровнем амплитуды АЭ на стадии предразрушения.
Испытания при циклическом нагружении в условиях консольного изгиба с вращением
Помимо испытаний компактных образцов из стали 20 при циклическом растяжении были проведены (в ТулГУ совместно с Дроновым B.C.) циклические испытания цилиндрических образцов из стали 08Х14АН4МДБ с пятью надрезами одинаковой глубины и радиуса в вершине надреза (не превышающего 0,1 мм) в условиях консольного изгиба с вращением на машине УКИ при частоте нагружения 50 Гц (рис. 2.7) и коэффициенте асимметрии цикла, равном R=-l. Образец с несколькими надрезами был впервые предложен Кудрявцевым [ЮЗ] для оценки длины распространяющейся усталостной трещины и сопротивления усталости на стадии зарождения трещины. Выбор образца с подобной геометрией связан с тем, что наличие нескольких надрезов в одном образце, нагруженном на консольный изгиб, позволяет реализовывать в каждом надрезе различные номинальные напряжения, что значительно ускоряет исследование. Напряжение, реализующееся в надрезе, рассчитывали по формуле: где М - момент силы Р, I - плечо приложения нагрузки, Wx - момент инерции образца, dH - диаметр сечения с надрезом. После разрушения образца в наиболее удаленном от места приложенной нагрузки сечении эксперимент прекращали. Образец разрезали вдоль продольной оси таким образом, чтобы плоскость разреза пересекала поверхность излома образца по линии максимальной длины усталостной трещины, определенной по излому. Продольные шлифы подвергали механической полировке и травлению, и на оптическом микроскопе наблюдали зародившиеся в вершинах надрезов усталостные трещины и с помощью координатной линейки на окуляре микроскопа измеряли их длину и раскрытие. Далее строили зависимости длин трещин (I) от числа циклов нагружения (N) при одинаковой амплитуде напряжения, для построения которых необходимо не менее пяти точек, соответствующих различной длине трещины и числу циклов нагружения.
Поэтому при испытании образцов амплитуды напряжения выбирали таким образом, чтобы обеспечить одинаковые номинальные напряжения не менее чем в пяти надрезах. Скорость роста трещины оценивали по соотношению: где І2, h, N2, N1 - длины трещин и соответствующее им число циклов, измеренные при испытании различных образцов при одинаковом (или близком) уровне амплитуды напряжения. В результате испытаний были построены кривые усталости в простых, полулогарифмических и логарифмических координатах. Расчет значений коэффициентов интенсивности напряжений выполняли по соотношению где М- изгибающий момент; Ъ - диаметр образца брутто; Y- поправочная функция: здесь т]к =DK/b и rj=D/b - относительные размеры надреза и трещины; D =Ь-2 (/0 +/); 10 - глубина надреза, / - размер физической трещины. Коэффициент концентрации напряжений в надрезах был вычислен по формуле Нейбера [102,105]: Для оценки поврежденности материала на различных стадиях статического и циклического нагружения использовали силиконовые реплики Provil Novo двухкомпонентного состава, который при смешивании затвердевает и сохраняет микрорельеф поверхности, на которую был нанесен. Достоинства этих реплик заключаются в том, что они быстро затвердевают (в течение 15-20 мин.), просты в применении, не требуют никаких дополнительных операций. Для использования реплик поверхность образцов в рабочей части была предварительно отполирована. В процессе проведения испытаний производили остановку и, не вынимая образец из захватов испытательной машины, на рабочую часть образца наносили смешанный силиконовый состав, который снимали после завершения процесса его полимеризации. После проведения испытаний реплики были исследованы в лабораторных условиях на стационарном металлографическом микроскопе аналогично исследованию металлографических шлифов.С каждого образца на различных стадиях нагружения последовательно снимали от 4 до 6 реплик. Это позволило наблюдать развитие усталостной трещины, эволюцию пластической зоны в вершине надреза и развитие картины поврежденности в зоне и оценивать размеры пластической зоны, ее ширину (w), длину (LY) и радиус (гу) на разных стадиях нагружения, а также длину (L), число (N) микротрещин в зоне и площадь поврежденной поверхности (S). Радиус зоны измеряли от вершины надреза или вершины магистральной трещины (после ее формирования) под углом 45 к оси нагружения.
Оценку длины и числа микротрещин в области вершины надреза и вдоль траектории макротрещины осуществляли путем обработки с помощью программы Tescan Atlas снимков, полученных с реплик на микроскопе Neophot-32 с цифровой видеокамерой. Максимальное число микротрещин, длиной от 5 до 1000 мкм, измеренных на каждом образце, составляло 1500-10000 и зависело от степени поврежденности материала на данной стадии нагружения. Результаты измерений использовали для построения кривых распределения микротрещин по длине в координатах «число микротрещин N - их длина Z,». Статистическую обработку данных и построение необходимых зависимостей производили с помощью компьютерных программ Excel 2003, Microcal OriginPro 7, MathCad 11.
Стадийность процесса множественного разрушения
На основе анализа изменения оцененных параметров выделены основные стадии накопления повреждений на этапе зарождения макротрещины и ее роста в образцах разной толщины и с разным размером зерна: Стадия I (накопления микротрещин), в пределах которой на поверхности образцов появляется зона пластической деформации (при Р 0,35-Рта ), в ней регистрируются первые микротрещины размером 4-5 мкм (при Р 0,7-Ртах) и достигается их максимальная плотность (при Р 0,85 -Ртах)- Процесс накопления повреждений на этой стадии характеризуется ростом числа и размера отдельных, мало взаимодействующих друг с другом микротрещин. На этой стадии происходит увеличение размеров пластической зоны в вершине надреза и изменение ее структуры; наблюдается слабый рост значений ./-интеграла (J/ J І2), резкий рост плотности и длины микротрещин; кумулятивные кривые распределений микротрещин по длине описываются экспоненциальными соотношениями; значения выделенных критериев составляют: k 3;D 1; S 1%. Стадия II (слияния микротрещин), на которой плотность микротрещин достигает максимальной величины (при Р 0,85-PWflX) и начинает формироваться макротрещина в вершине надреза (при Р Ртах). Процесс накопления поврежденности на этой стадии характеризуется взаимодействием близкорасположенных микротрещин, приводящим к их слиянию. Эта стадия связана с замедлением роста размеров пластической зоны и плотности микротрещин, резким ростом /-интеграла (J2 J Jc), снижением значения -критерия ниже значения 1,5 (при Р = Pmax), увеличением фрактальной размерности D до 1,5, продолжением роста длины микротрещин, увеличением S (до значений 9 - 10%) и скорости ее роста, переходом к степенному распределению кумулятивного числа микротрещин по длине с показателями, снижающимися вследствие слияния микротрещин, началом формирования макротрещины в конце стадии.
Стадия III (локализованное разрушение), в пределах которой в вершине надреза формируется макротрещина (при Р 0,95-И -Ртах), и вторичная пластическая зона в ее вершине; макротрещина развивается и приводит к полному разрушению образца. На этой стадии (при J J& Р = Ртах) происходит: падение плотности микротрещин, вследствие чего значение к - критерия уменьшается и приближается к 1,5; увеличение фрактальной размерности D до 1,8; резкий рост S до 60 - 70% за счет увеличения раскрытия микротрещин. На протяжении всей стадии III кумулятивные кривые распределений микротрещин по длине описываются степенными соотношениями с показателями, снижающимися с деформацией. 1. Оценены размеры пластических зон, характеристики микро- и макромеханики разрушения на различных стадиях растяжения образцов с надрезом из стали 20, включающие плотность микротрещин п, долю поврежденной поверхности S, концентрационный критерий к, фрактальную размерность картины микротрещин D, среднюю длину микротрещин Lcp, ./-интеграл. 2. Определены критические значения указанных параметров, соответствующие стадии появления пластической зоны, зарождению, слиянию микротрещин и формированию макротрещины. 3. Оценено влияние на закономерности накопления микротрещин размера зерна, толщины образца и расстояния от вершины надреза или трещины. Установлено, что: с увеличением толщины образца плотность микротрещин и скорость их накопления снижаются; увеличение среднего размера зерна не приводит к увеличению среднего размера микротрещин, но вызывает снижение их плотности; увеличение расстояния от вершины надреза приводит к резкому падению плотности микротрещин и росту концентрационного к-критерия. 4. Кинетика микротрещин в пластической зоне, так же как и кинетика макротрещин, определяется локальным напряженным состоянием. Переход к плоскодеформированному напряженному состоянию вызывает снижение плотности микротрещин на поверхности образца и скорости их накопления. 5. Оценены критические значения фрактальной размерности Z) 1.5 и доли поврежденной поверхности S 9.5%, соответствующие началу слияния микротрещин. Получена единая кривая D-S для образцов различной толщины, что подтверждает автомодельность процесса множественного разрушения, которая проявляется вне зависимости от локального напряженного состояния. 6. С увеличением площади поврежденной поверхности фрактальная размерность растет в соответствии со степенным соотношением D ASC, а -параметр, характеризующий наклон кумулятивной кривой накопленных микротрещин, снижается. 7. Анализ характеристик трещиностойкости с позиции множественного разрушения показывает, что на стадии I (накопления микротрещин) J-интеграл растет незначительно и находится с интервале Jj J J2 кДж/мм , где J] и J2 - работа зарождения микротрещин и работа начала слияния микротрещин соответственно. При переходе к стадии II (слияния микротрещин) значения J резко возрастают, стадия заканчивается при ty достижении критического значения J(f=320 кДж/м , приводящего к формирования макротрещины. 8. На основе проведенного исследования установлены характерные признаки начала процесса формирования макротрещины, включающие: увеличение значений /-интеграла до значения J=Ji, смену экспоненциальной зависимости накопленного числа микротрещин от их длины {N AecL) на степенную (N BL b); снижение показателей в указанных зависимостях; снижение концентрационного -критерия до значения 1.5; увеличение относительной площади, занятой микротрещинами до значений, превышающих 9.5%;
Исследование состояния материала образцов обсадной колонны, вырезанных с разной глубины
Объектами исследования являлись образцы металла в виде шайб размерами 022x12 мм, вырезанных с разных глубин обсадной колонны. Цель исследования заключалась в оценке состояния наружных и внутренних поверхностей обсадной колонны на различных глубинах, а также степени деградации свойств материала колонны. Были проведены следующие исследования: металлографический анализ образцов с целью выявления признаков поврежденности наружной и внутренней поверхности труб. измерение микротвердости вдоль сечения трубы с целью определения возможного упрочнения с наружной или внутренней стороны трубы. Металлографический анализ показал следующее. (а) (б) 1. Наружная сторона колонны. Наружная поверхность испещрена, в основном, узкими коррозионными язвами, частично заполненными продуктами коррозии. По форме язвы напоминают микротрещины, глубиной порядка 42 мкм (рис. 6.12, а и б). Наряду с узкими трещиноподобными язвами выявлены пологие углубления, заполненные продуктами коррозии. 2. Внутренняя сторона колонны. На внутренней поверхности выявлены дефекты стенки трубы в виде «заката» на глубине до 50 мкм (рис. 6.12, в) и язвы глубиной до 0,5 мм (рис. 6.12, г). Форма коррозионных язв варьируется от округлой до треугольной. На отдельных участках есть признаки отслаивания по структурным составляющим тонких (толщиной до 80 мкм) полос металла. За счет этого отслаивания, вероятно, и формируются коррозионные язвы (рис. 6.12, д). Микротрещин и узких дефектов не обнаружено. 3. Поверхность зубьев резьбы. Поверхность материала во впадинах резьбы в основном ровная, почти не содержит коррозионных дефектов. На боковых поверхностях зубьев выявлены как округлые, так и острые коррозионные язвы глубиной до 80 мкм, заполненные продуктами коррозии (рис. 6.12, е). Методика проведения испытаний. Измерения значений микротвердости проводили на микротвердомере LECO М-400-Н. Измерения проводились на поперечных шлифах вблизи внутренней, наружной поверхностей образцов, а также в середине сечения. Нагрузка составляла 50 г.
Цель проведения измерений состояла в оценке возможных изменений свойств материала после эксплуатации. Результаты измерений микротвердости показали, что как с внутренней, так и с внешней стороны наблюдается снижение микротвердости материала колонны. Это может быть связано с обезуглероживанием поверхностного слоя в процессе эксплуатации. На отдельном участке колонны обнаружено повышение микротвердости поверхностного слоя с наружной стороны, что может быть связано с наводораживанием материала или с механическим упрочнением при эксплуатации объекта. Исследование материала обсадной колонны показало, что: 1. основными видами повреждений поверхностей колонны являются: коррозионные и эрозионные язвы с внутренней стороны; множественные узкие трещиноподобные коррозионные язвы, заполненные плотными продуктами коррозии - с наружной; 2. на момент проведения исследования технического состояния данной обсадной колонны суммарная глубина поврежденных слоев стенок составляет 0,6+4,0 % от их толщины; 3. в приповерхностных слоях материала, как с наружной, так и с внутренней поверхности колонны наблюдается изменение микромеханических свойств, связанное, в основном, с обезуглероживанием материала у поверхности колонны.
Цель исследования заключалась в оценке состояния наружных и внутренних поверхностей элементов лубрикатора (стояка и гайки), а также степени деградации свойств материалов. Материал стояка лубрикатора - сталь 4130 (аналог стали ЗОХМ) материал гайки - сталь 4140 (аналог стали 38ХМА). Стали ЗОХМ и 38ХМА поставляются в соответствии с требованиями ГОСТ 4543-71 «Сталь легированная конструкционная. Технические условия», как в термообработанном состоянии (отожженная, высокоотпущенная, нормализованная или нормализованная с высоким отпуском), так и без термообработки. Температура отпуска стали 30 ХМ составляет 540С, стали 38XMA - 580С, в результате чего после отпуска сталь приобретает структуру сорбита. Механические свойства. Для оценки механических свойств материала стояка лубрикатора были проведены испытания на растяжение, ударную вязкость и определение твердости материала. Механические свойства материала стояка лубрикатора: a-f= 590 МПа, сгв=710 МПа, 8 = 19 %, у/ = 69 %; KCVw = 1.82 МДж, температура вязко-хрупкого перехода составляет -58 С, ударная вязкость, отвечающая критической температуре хрупкости, равна 0.7 МДж. Результаты измерения твердости элементов лубрикатора показали, что твердость материала гайки составляет 28 HRC, а стояка лубрикатора - 17 HRC. Согласно стандарту NACE [134], максимальная твердость гайки при эксплуатации в сероводородсодержащей среде не должна превышать 22 HRC.
Таким образом, значения твердости материала стояка лубрикатора соответствуют нормативным значениям, в то время как значения твердости гайки их превышают [134]. Металлографическое исследование. Состояние поверхностей образцов анализировалось на поперечных шлифах. Для более четкого выявления рельефа поверхности и наличия вблизи нее повреждений в виде пор и микротрещин образцы сначала исследовали в нетравленом виде. Микроструктуру металла и характер взаимного расположения коррозионных повреждений относительно его структурных составляющих определяли путем травления шлифов в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. В результате проведенных исследований установлено следующее: Структура элементов лубрикатора соответствует структуре сорбита (рис. 6.13). Единственным отличием от структуры сорбита является несколько большее количество светлых островков феррита в металле лубрикатора.
