Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы 8
1.1 Влияние длительной эксплуатации на характеристики материалов 8
1.1.1 Влияние длительной эксплуатации на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению металла труб и сварных соединений 8
1.1.2 Влияние углерода на деформационное старение 17
1.1.3 Влияние водорода на сопротивление разрушению низколегированных сталей 20
1.1.4 Выводы по разделу 1.1 22
1.2 Способы производства труб большого диаметра 22
1.2.1 Аналитический обзор способов производства труб большого диаметра 26
1.2.2 Исследования остаточных напряжений в сварных трубах 28
1.2.3 Схемы отбора образцов труб по экстремальным сечениям профиля трубной заготовки 30
1.2.4 Выводы по разделу 1.2 39
1.3 Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА 2 Материалы и методики исследования 42
2.1 Материалы исследования 42
2.1.1 Схема отбора образцов. UO-образная формовка 44
2.1.2 Схема отбора образцов. Пошаговая формовка 45
2.1.3 Схема отбора образцов. Вальцевая формовка 47
2.2 Методики исследования 48
ГЛАВА 3 Результаты исследования 53
3.1 Исследование влияния пошаговой формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб 53
3.1.1 Микроструктура стали 53
3.1.2 Механические свойства 54
3.1.3 Склонность к деформационному старению 57
3.1.4 Ударная вязкость и трещиностойкость
3.1.5 Уровень остаточных микронапряжений 66
3.1.6 Температурная зависимость внутреннего трения 67
3.1.7 Выводы по разделу 3.1 69
3.2 Исследование влияния UO-образной формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб 70
3.2.1 Микроструктура стали 70
3.2.2 Механические свойства 71
3.2.3 Склонность к деформационному старению 74
3.2.4 Ударная вязкость и трещиностойкость 75
3.2.5 Уровень остаточных микронапряжений 82
3.2.6 Температурная зависимость внутреннего трения 83
3.2.7 Выводы по разделу 3.2 84
3.3 Исследование влияния вальцевой формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб 84
3.3.1 Микроструктура стали 84
3.3.2 Механические свойства 85
3.3.3 Склонность к деформационному старению 89
3.3.4 Ударная вязкость и трещиностойкость 90
3.3.5 Уровень остаточных микронапряжений 98
3.3.6 Температурная зависимость внутреннего трения 99
3.3.7 Выводы по разделу 3.3 100
3.4 Сравнительный анализ влияния различных способов формовки на
комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб 101
3.4.1 Микроструктура стали 101
3.4.2 Механические свойства 101
3.4.3 Ударная вязкость и трещиностойкость 103
3.4.4 Испытания на статический изгиб 106
3.4.5 Склонность к деформационному старению 107
3.4.6 Уровень остаточных микронапряжений 108
3.4.7 Температурная зависимость внутреннего трения 109
3.4.8 Механизм влияния формовки труб на склонность к деформационному
старению ПО
Выводы 114
Список литературы
- Влияние длительной эксплуатации на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению металла труб и сварных соединений
- Схема отбора образцов. Пошаговая формовка
- Исследование влияния UO-образной формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб
- Склонность к деформационному старению
Введение к работе
Актуальность проблемы
Актуальность представленной работы, посвященной установлению закономерности влияния трубного передела на структурное состояние и комплекс механических свойств сталей для труб большого диаметра, изготавливаемых различными способами формовки, состоит в том, что результаты позволяют прогнозировать эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов в ходе длительной эксплуатации.
Газовая промышленность, являясь одной из основных бюджетообразующих отраслей РФ, представляет собой огромную динамично развивающуюся структуру. Постоянно развиваются направления транспортировки и распределения газа. В настоящий момент транспортировка газа от месторождений до конечного потребителя включает в себя около 200 тыс. км магистральных газопроводов. При этом срок эксплуатации многих магистральных трубопроводов превысил проектные 30 лет. В связи с этим проведено множество исследовательских работ по оценке их технического состояния, в результате которых определено, что в ходе длительной эксплуатации происходит деградация свойств металла труб, связанная с деформационным и естественным старением. Все исследованные прямошовные трубы, как импортного, так и отечественного производства, изготавливались по UO-образной схеме формовки.
В связи с постоянным ростом требований по свойствам и сортаменту трубные заводы за последнее десятилетие ввели в эксплуатацию четыре трубоэлектросварочных агрегата для производства труб большого диаметра со станами пошаговой и вальцевой формовки. Существующий опыт поставок труб с новых линий не позволяет делать выводы о влиянии типа формовки на потребительские свойства материала труб после длительной эксплуатации. В то же время известно, что эксплуатационная надежность труб магистральных трубопроводов зависит от однородности свойств металла по сечению трубы, которая в свою очередь определяется технологической схемой формовки, равномерностью приложения усилий при изгибе листа и др. Неоднородность свойств металла является одним из основных факторов, определяющих конструкционную прочность трубы, поскольку от нее зависит вероятность возникновения локальных напряжений и образования дефектов типа микротрещин в ходе длительной эксплуатации. В связи с этим важным является проведение системного сравнительного исследования влияния различных схем формовки на однородность структурного состояния и
свойств по сечению трубы. Кроме того, поскольку одним из основных процессов, приводящих к деградации свойств металла, является деформационное старение, то по склонности к деформационному старению возможно прогнозировать изменение свойств металла труб, изготовленных по новым схемам формовки. Данная работа отвечает на вопрос о влиянии типа формовки на потребительские свойства металла труб после длительной эксплуатации.
Целью диссертационной работы является определение закономерностей влияния трубного передела на изменение комплекса механических характеристик труб большого диаметра при их изготовлении на станах с различными схемами формовки с учетом изменения склонности металла к деформационному старению.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Определить «экстремальные» сечения трубной заготовки, на которые оказывается наименьшее и наибольшее воздействие рабочего инструмента в процессе изготовления труб.
-
Исследовать комплекс механических свойств и характеристик сопротивления разрушению металла листового проката, трубной заготовки и готовой трубы в различных сечениях для формовки каждого типа как в исходном, так и состаренном состояниях.
-
Выявить закономерности изменения механических свойств и тре-щиностойкости в результате трубного передела.
-
Выявить сечения труб с максимальным изменением механических свойств и трещиностойкости металла в зависимости от схемы формовки.
-
Оценить влияние трубного предела на склонность к деформационному старению, уровень остаточных микронапряжений и температурную зависимость внутреннего трения.
Научная новизна
1. Аналитически определены наиболее напряженно-деформированные сечения трубной заготовки и готовой трубы для формовки различных типов (пошаговая, UO-образная и вальцевая). Экспериментально подтверждено наиболее негативное влияние трубного передела на физико-механические свойства и структурное состояние в сечении «кромка» для UO-образной и пошаговой формовок. Установлена максимальная
однородность проанализированных параметров по окружности готовой трубы для вальцевой формовки.
-
Обнаружен эффект повышения в два-три раза склонности к деформационному старению трубной стали в результате малых деформаций при трубном переделе, что является следствием повышения концентрации свободных атомов внедрения, плотности подвижных дислокаций и локальных микронапряжений.
-
Показано, что в результате трубного передела и старения снижаются трещиностойкость (на 5-35% в зависимости от способа формовки) и хладостойкость (на 5-15) металла труб до уровня минимально допустимых величин в результате закрепления дислокаций атмосферами атомов внедрения независимо от первоначального уровня ударной вязкости.
-
Установлен эффект наследования структурного состояния и свойств металла в ходе трубного передела в ранее определенных сечениях, заключающийся в том, что изменение свойств металла листового проката происходит до экспандирования и не существенно корректируется после экспандирования.
-
Выявлена ранее неизвестная обратная зависимость работы зарождения и работы распространения трещины при статических и динамических испытаниях трубных сталей от предела общей текучести, увеличение которых при уменьшении последнего отражает большую степень развития пластической деформации перед надрезом или трещиной.
Практические рекомендации
-
С целью снижения напряжений в прикромочной зоне и повышения однородности свойств по окружности готовой трубы рекомендуется усовершенствовать конструкцию оснастки кромкогибочных прессов и режимы формовки прикромочной зоны.
-
Выявленная неоднородность свойств по окружности готовой трубы вследствие трубного передела свидетельствует о необходимости повысить требования к механическим характеристикам (предел текучести, относительное и равномерное удлинение, ударная вязкость) металла листового проката для снижения риска выхода результатов сдаточных испытаний металла готовых труб за нормативные допуски.
-
Поскольку изменение свойств металла листового проката в процессе трубного передела происходит на стадии формообразования профиля трубы и не существенно корректируется в процессе экспандирования, то при разработке технологических режимов экспандирования для
получения заданных геометрических параметров готовой трубы можно не учитывать влияние величины деформации при экспандировании на уровень нормируемых механических характеристик.
4. Рекомендуется введение дополнительных сдаточных испытаний на склонность к деформационному старению металла готовых труб: испытания на ударную вязкость металла труб, предназначенных для эксплуатации в районах Крайнего Севера; испытания на растяжение по использованной в исследовании методике - для эксплуатации в сейсмоактивных зонах или зонах вечной мерзлоты.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Выявленные наиболее напряженно-деформированные сечения по окружности трубы. Наибольшая однородность свойств по окружности трубы, изготовленной вальцевой формовкой.
-
Эффект повышения склонности к деформационному старению трубной стали в результате трубного передела.
-
Снижение параметров трещиностойкости и хладостойкости металла труб в ходе трубного передела и старения.
-
Эффект наследования особенностей структурного состояния и свойств металла по окружности трубы в ходе трубного передела.
-
Зависимость составляющих работы разрушения при статических и динамических испытаниях трубных сталей от предела общей текучести.
Достоверность результатов исследования
Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается применением современного оборудования, прошедшего сертификацию в установленном порядке, а также использованием апробированных методик исследований и испытаний.
Личный вклад автора. Основные положения результатов диссертационной работы основываются на исследованиях, выполненных лично или с непосредственном участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад состоит в постановке целей и задач исследования, непосредственном участии в получении экспериментальных данных, анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:
III конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (14-15 декабря 2011 года, Москва);
XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные пробле
мы физического металловедения сталей и сплавов» (06-10 февраля 2012
года, Магнитогорск);
III международная конференция «Современные требования и ме
таллургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других
служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (14-15
июня 2012 года, Москва);
Седьмая Международная Конференция ФППК-2012 «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (29 октября - 02 ноября 2012 года, Черноголовка);
53 Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности» (02-05 октября 2012 года, Витебск, Белоруссия);
IV конференция молодых специалистов «Перспективы развития ме
таллургических технологий» (17-18 декабря 2012 года, Москва);
IX конгресс прокатчиков (16-18 апреля 2013 года, Череповец);
XXII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные про
блемы физического металловедения сталей и сплавов» (02-06 февраля
2014, Оренбург);
Международный научно-технический конгресс ОМД 2014 «Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии» (14-17 апреля 2014 года, Москва).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано шесть статей в рецензируемых изданиях, включенных в перечень журналов, рекомендованных ВАК, и восемь работ в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 96 наименований. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 8 таблиц.
Влияние длительной эксплуатации на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению металла труб и сварных соединений
Следовательно, если прочность, предел текучести и пластичность практически не чувствительны к структурным изменениям в металле труб в процессе эксплуатации, то для выявления свойств, которые зависят от структурных изменений, необходимы другие виды испытаний, в том числе на образцах, имеющих острые концентраторы напряжений и заранее созданные трещины.
Динамические и статические испытания на изгиб образцов с надрезом из труб после длительной эксплуатации показали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб (рисунок 1.2) [30, 31]. Кривые зависимости ударной вязкости и доли вязкой составляющей в изломе от температуры испытаний показали, что с увеличением длительности эксплуатации происходит постепенное смещение температуры вязко-хрупкого перехода (Т50) в сторону высоких температур, и после 25-35 лет эксплуатации труб температурный порог хладноломкости переходит из области отрицательных температур в область положительных (рисунок 1.3). Т.е. распространение трещин в трубах после этого срока эксплуатации даже при положительных температурах происходит как при хрупком состоянии металла.
Зависимость критической температуры перехода метала из вязкого в хрупкое состояние (Т50) от длительности эксплуатации труб Статические испытания на изгиб образцов с острым надрезом продемонстрировали уменьшение пластичности примерно в 1,5 раза и двукратное снижение значений суммарной работы разрушения металла труб. Также происходит уменьшение работы зарождения трещины с течением времени эксплуатации, при этом интенсивность изменения значений работы распространения трещины менее заметно. Следовательно, изменение структурного состояния металла труб в процессе длительной эксплуатации в большей степени оказывает влияние на работу зарождения трещины. Значение критического раскрытия трещины, характеризующее предельную деформацию начала ее страгивания, снижается после 20 - 25 лет эксплуатации примерно в 1,5 раза [31].
Изменение характеристик, которые отражают предельную степень локальной пластической деформации перед вершиной трещины или надреза, протекающей до начала разрушения, свидетельствует об увеличении чувствительности стали к концентраторам напряжений [28]. Следовательно, те концентраторы напряжений на поверхности трубы (царапины, задиры, вмятины и др.), которые в начале эксплуатации были не очень опасны, могут стать критическими после длительной эксплуатации из-за изменения структурного состояния металла труб.
Таким образом, в металле труб в процессе длительной эксплуатации происходит изменение структурного состояния, приводящее к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Это является следствием повышения сопротивления микропластической деформации и увеличения локальных микронапряжений под нагрузкой. Чем больше сопротивление стали микропластической деформации, тем при более высокой температуре она переходит в хрупкое состояние. Можно полагать, что одной из основных причин увеличения склонности металла к хладноломкости и понижения сопротивления зарождению трещины является деформационное старение, связанное с процессами взаимодействия атомов внедрения (углерода и азота) с дислокациями [34-36].
При работе трубы испытывают перепады давления, температуры, динамические и статические нагрузки. Это создает условия для протекания в металле деформационного старения, приводящего к повышению сопротивления микропластической деформации и к увеличению вероятности появления в металле локальных «пиков» напряжений. Вследствие этого в ходе эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к повышению склонности стали к хрупкому разрушению.
Склонность к деформационному старению определяли по приросту предела текучести после прекращения активной деформации и нагрева при 200 С. Для исследования были выбраны трубы из стали марки 17ГС с близким содержанием углерода (0,16 - 0,19%) и азота (0,006 - 0,008%). Оказалось, что склонность к деформационному старению металла труб из стали марки 17ГС с увеличением срока и ужесточением силовых условий эксплуатации уменьшается (рисунок 1.4). Так, после 15-30 лет эксплуатации прирост предела текучести снижается с 91 МПа до 77 МПа.
Также эффект деформационного старения наблюдается после нанесения антикоррозионных покрытий на трубу [37-39], вследствие кратковременного разогрева трубы до температуры 220 - 250 С.
Известны исследования [37] влияния искусственного старения стали XI00. В ходе длительной эксплуатации трубопроводов происходит накопление дефектов в результате воздействия механических напряжений, коррозионной среды и водорода [38-46].
Процесс накопления дефектов типа микротрещин и разрушения при статическом или квазистатическом напряжении ниже предельного разрушающего напряжения, в том числе ниже предела текучести стали, принято называть замедленным разрушением.
Испытания на замедленное разрушение материала в условиях одновременного воздействия коррозионной среды, водорода и механических напряжений, имитирующие реальные условия эксплуатации конструкции с концентратором напряжений [30-32], показали, что замедленное разрушение протекает в три стадии, которые могут быть зафиксированы по изменению одного из свойств: электросопротивления, податливости и других. Первая стадия (инкубационный период) - зарождение трещины, вторая стадия - медленный рост стабильной трещины и третья - быстрое разрушение [32].
Длительная эксплуатация трубопровода оказывает влияние на склонность металла труб к замедленному хрупкому разрушению (ЗХР), сдвигая кривую зависимости времени до разрушения от уровня начального коэффициента интенсивности напряжений в область уменьшения времени до разрушения (рисунок 1.5). Скорость распространения стабильной трещины также зависит от длительности эксплуатации труб. Наименьшая скорость распространения стабильной трещины для металла труб в исходном состоянии. С увеличением срока эксплуатации труб эта скорость возрастает.
Схема отбора образцов. Пошаговая формовка
Склонность к деформационному старению Aas листовой стали минимальна (36,4 МПа). Трубный передел повышает эти значения более чем вдвое (рисунок 3.7). Экспандирование немного выравнивает этот показатель по периметру трубы. Наибольший прирост предела текучести получен для участка «кромка» трубной заготовки (103,5 МПа) и участков «пуансон» и «кромка» готовой трубы. После деформационного старения присутствует физический предел текучести.
Деформационное старение практически не сказывается на временном сопротивлении в отличии от предела текучести. В результате повышается соотношение предела текучести к временному старению до 0,88 для листа, 0,97 - 0,99 для трубной заготовки и 0,99 для готовой трубы (рисунок 3.8). Деформационное старение снижает относительное удлинение в среднем на 13% (рисунок 3.9). Снижение равномерного удлинения более заметное и в среднем составляет 25Изменение отношения условного предела текучести к временному сопротивлению после деформационного старения металла листа, трубной заготовки и готовой трубы пошаговой формовки: I - «кромка»; II - «пуансон»; III -«перекрытие» Ібрав
Испытания на ударный изгиб образцов с круглым надрезом показали снижение значения ударной вязкости для металла трубной заготовки при минус 40 С по сравнению с исходным состоянием, минимальное значение KCU=313,5 Дж/см2 достигается на участке «кромка» (рисунок 3.10). В металле готовой трубы наоборот отмечено повышение ударной вязкости по сравнению с исходным состоянием, максимальное значение KCU=362,5 Дж/см2 получено также на участке «кромка».
При температуре испытания минус 80 С в готовой трубе максимальное значение ударной вязкости наблюдается на участке «перекрытие» (300 Дж/см2), а минимальное - для участка «кромка» готовой трубы (289 Дж/см2).
В среднем ударная вязкость металла листа при минус 40 С имеет большее значение по сравнению с трубной заготовкой, но меньшее по сравнению с металлом готовой трубы. 400
При температуре испытания минус 80 С энергоемкость удара трубной заготовки ниже, чем стали в исходном состоянии (кроме участка «кромка»), для металла готовой трубы энергоемкость удара также ниже по сравнению с металлом листа (кроме участка «перекрытие»).
При испытании на ударный изгиб образцов с острым надрезом установлено снижение уровня ударной вязкости при минус 40 С металла трубной заготовки и готовой трубы относительно исходного состояния (рисунок 3.11). Минимальное значение KCV = 283 Дж/см2 отмечено для трубной заготовки на участке «пуансон».
Влияние пошаговой формовки на ударную вязкость на образцах с острым надрезом: а) лист и трубная заготовка; б) лист и готовая труба Снижение температуры испытаний до минус 80 С выявляет различия уровня ударной вязкости в готовой трубе в зависимости от места отбора проб. Максимальное значение отмечено для участков «пуансон» и «перекрытие» (260 Дж/см2), а минимальное - для участка «кромка» готовой трубы (232 Дж/см2).
Изменение микростроения излома при испытании на ударный изгиб при температуре минус 80С в результате трубного передела при пошаговой формовке: а - лист, под надрезом (х20), б - готовая труба, «кромка», под надрезом (хЗО), в - готовая труба, «кромка», под надрезом (хЮОО), г - готовая труба, «кромка», центр излома (хЮОО)
В целом ударная вязкость KCV стали в исходном состоянии при минус 40 С в среднем выше, чем трубной заготовки (за исключением участка «кромка»). Для готовой трубы при минус 80 С энергоемкость удара на участках «кромка», «пуансон» и «перекрытие» ниже, чем стали в исходном состоянии. При температуре минус 196 С ударная вязкость несколько выше, чем в трубной заготовке и готовой трубе, как на образцах с круглым, так и острым надрезом. Фрактографические исследования показали, что трубный передел оказывает не значительное влияние на характер разрушения: вязкий под надрезом и смешанный в области расщеплений (рисунок 3.12). Уменьшается протяженность вязкой области под надрезом по месту зарождения трещины, что объясняет снижение ударной вязкости после трубного передела.
Результаты испытаний образцов с нанесенной трещиной (Т-образным концентратором напряжений) показали, что трубный передел повышает средний уровень ударной вязкости на 7 - 9% при температуре испытаний минус 40 С (рисунок 3.13) и снижает на 8 - 10% при температуре испытаний минус 80 С (рисунок 3.14). На металл после искусственного старения трубный передел оказывает более существенное влияние (рисунок 3.13, 3.14). Так, для трубной заготовки отмечено снижение ударной вязкости (рисунок 3.15) на 18-23% (минус 40 С) и 16-31% (минус 80 С), для готовой трубы - на 28-34% (минус 40 С) и 33-42% (минус 80 С).
Следует отметить, что тип концентратора напряжений при испытаниях на ударный изгиб влияет на механизм разрушения. Непосредственно под усталостной трещиной образцы листовой стали и готовой трубы с усталостной трещиной при минус 80 С разрушаются по смешанному механизму: наряду с ямочным наблюдается хрупкий транскристаллитный излом (рисунок 3.16,а,б). Формовка изменяет характер разрушения в центре образца. На участке «кромка» при температуре испытаний минус 80 С механизм разрушения образцов с усталостной трещиной - хрупкий транскристаллитный (рисунок 3.16,г), в то время как в металле листа смешанный механизм разрушения (рисунок 3.16,в).
Исследование влияния UO-образной формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб
Трубный передел вносит разброс значений по окружности трубной заготовки и готовой трубы, не значительно влияет на временное сопротивление и предел текучести. Экспандирование в определенной степени выравнивает степень деформации. Необходимо отметить, что максимальные значения наблюдались преимущественно в сечении «кромка».
Испытания на ударных образцах с острым и круглым надрезами не выявили явных зависимостей. Испытания на образцах с предварительно созданной трещиной показали, что пошаговая формовка снижает трещиностойкость металла как в исходном, так и в состаренном состоянии на 10-40%. При этом максимальное снижение наблюдается в сечении «кромка» и «пуансон».
Испытания на изгиб выявили незначительный рост показателей в пределах 10%. Выделяются показатели суммарной работы зарождения и распространения трещины для сечений «кромка» и «пуансон».
Склонность к деформационному старению в трубной заготовке и готовой трубе (78 Н/мм2) в двое выше чем металле листа (36 Н/мм2). Максимальные значения были получены в сечениях «кромка» трубной заготовки, «кромка» и «пуансон» готовой трубы. Формовка повышает уровень остаточных микронапряжений II рода в среднем на 30% и еще на 10% после экспандирвоания. Уровень локальных микронапряжений повышается в среднем на 19%, максимальный рост наблюдается в сечении «кромка». Высока пиков Снука и Кестера повышается в результате трубного передала в 1,5-2 раза, в ходе последующего старения пик Кестера снижается, а пик Снука снижается, либо послностью исчезает.
Микроструктура листовой стали представлена перлитом и полигональным ферритом. Их доля составляет 15 - 20% и 85 - 80% соответственно (рисунок 3.22). Размер зерна 17 мм - 8 - 9 балл по ГОСТ 5639. В прокате наблюдается ярко выраженная полосчатость - 3 балл. Методы оптической микроскопии не выявляют изменений микроструктуры металла готовой трубы относительно металла листа.
Временное сопротивление ав в металле листа составляет 670 Н/мм2. (рисунок 3.23). Трубный передел вносит незначительный разброс значений временного сопротивления по периметру трубы, максимальные значения 679 Н/мм2 получены на участке «кромка». При этом усредненные значения (664,5 Н/мм2) по трем сечениям трубы находятся на уровне значений временного сопротивления металла листа.
Влияние UO-образной формовки на распределение значений временного сопротивления по периметру готовой трубы: I - «кромка»; II - «дно»; III - «2 часа»
Более существенно влияние трубный передел оказывает на разброс значений предел текучести (рисунок 3.24) по сечению трубы, максимальные значения наблюдаются для участка «кромка» (565,5 Н/мм2). Усредненные значения (537 Н/мм2) по трем сечениям трубы ниже предела текучести металла листа (549,5 Н/мм2). В листе наблюдается физический предел текучести, который исчезает в готовой трубе. o„ (a0]2), МПа 600
Относительное удлинение по всему сечению несколько повышается (-9,5%) по сравнению с уровнем металла листа, равномерное удлинение повышается несколько меньше, в среднем на 4,5% (рисунок 3.25). Значения относительного сужения незначительно повышается (3%), что находится в пределах естественного разброса данных (рисунок 3.26). Отношение зт/ зв меняется минимально: в исходном состоянии в листе составляет 0,82, в готовой трубе - 0,79 -0,83 (рисунок 3.27).
Склонность к деформационному старению в металле листа оказалась низкой (рисунок 3.28). Трубный передел приводит к росту склонности к деформационному старению, разброс значений по сечению не велик (59 - 68 Н/мм2). Наиболее высокая склонность к деформационному старению в трубной заготовке наблюдается для участка «2 часа» (68,4 Н/мм2). На диаграммах всех испытаний после деформационного старения присутствует физический предел текучести.
Деформационное старение оставляет неизменным соотношение предела текучести к временному сопротивлению для листа (рисунок 3.29), но повышает для готовой трубы (0,88 - 0,91). Относительное и равномерное удлинение снижается на 14,4 и 20,8% соответственно (рисунок 3.30). Это говорит о существенном, но не критическом снижении запаса пластичности труб и как следствие запаса надежности труб при длительной эксплуатации.
При температуре испытаний минус 40 С по сравнению с листом (245,5 Дж/см2) в металле готовой трубы в области «дна» и «2 часа» значения ударной вязкости KCU несколько ниже (рисунок 3.31), а в области «кромки» выше (289,5 Дж/см2). При температуре испытаний минус 80 С минимальное значение ударной вязкости отмечено для металла листа - 167,5 Дж/см2. По всему сечению готовой трубы ударная вязкость выше, чем в листе, а максимум значений приходится на участок «кромка» минус 190 Дж/см2. При температуре испытаний минус 196 С значения KCU резко снижаются до уровня 9,5 - 11,5 Дж/см2 и становятся близкими независимо от места отбора проб.
Склонность к деформационному старению
Во всех случаях в готовой трубе минимальные значения ударной вязкости на образцах с предварительно нанесенной трещиной наблюдаются для участка «кромка», максимальные - на участке «2 часа».
Старение изменяет механизм разрушения в зоне под надрезом. В исходном состоянии характер разрушения смешанный (рисунок 3.35,6) - присутствуют участки вязкого и хрупкого транскристаллического разрушения, а после старения излом хрупкий (рисунок 3.35,в). В центре излома характер разрушения после старения не изменяется - излом хрупкий (рисунок 3.35,г).
Разрушение образцов с круглым и острым надрезом происходит до минус 40С по вязкому механизму (доля вязкой составляющей 90-100%). При температуре испытаний минус 80С разрушение образцов происходит преимущественно по хрупкому механизму, в среднем доля вязкой составляющей находится на уровне 15% (таблица 3.2). На образцах с предварительно нанесенной трещиной доля вязкой составляющей снижается до минимума и не превышает 20% при тепмературе испытаний минус 40С и 5% при температуре испытаний минус 80С. Старение приводит к дальнейшему понижению доли вязкой составляющей в изломе образцов с заранее созданной трещиной при температуре испытаний минус 40С, при температуре испытаний минус 80С разрушение образцов происходит по хрупкому механизму. На рисунке 3.36 представлены переходные кривые усредненных значений доли вязкой составляющей в изломе. в г
Влияние UO-образной формовки на строение излома после испытаний на ударный изгиб при минус 80 С образцов с предварительно нанесенной трещиной: а - готовая труба до старения, «кромка» (хЗО), б - готовая труба до старения, «кромка», в вершине трещины (х500), в - готовая труба после старения, «кромка», в вершине трещины (х500), г - готовая труба до старения, «кромка», центр излома (хЮОО)
Трубный передел незначительно повышает значение разрушающего напряжения, максимальные значения (1851 Н/мм2) зафиксированы на участке «кромка». Предел общей текучести также повышается, но более ощутимо, так рост предела общей текучести для участка «кромка» составляет 12% по сравнению со значениями для листа (рисунок 3.37). Н/мм2
Под влиянием трубного передела возрастает работа распространения трещины на 7 - 15%, при этом работа зарождения трещины либо остается на уровне листа, либо резко снижается на 28% для участка «дно» (рисунок 3.38). Как следствие суммарная работа зарождения и распространения трещины для участка «кромка» и «2 часа» повышается на -5%, а в сечении «дно» снижается на 3%, т.е. усредненные значения суммарной работы зарождения и распространения трещины находится на уровне листа. иО-образная формовка повышает уровень остаточных микронапряжений в среднем на 47,6% (рисунок 3.39,а). По сечению трубы уровень остаточных микронапряжений отличается минимально, для участка «кромка» - 3,04-10"3, для участка 3,01 -10 3. Локальные микронапряжения возрастают в среднем на 10,4% (рисунок 3.39,6). иО-образная формовка практически не оказывает влияния на механические свойства (исключение составляет предел текучести и ударная вязкость в вязком состоянии).
В результате трубного передела возрастает склонность металла к деформационному старению и отношение предела текучести к временному сопротивлению отрыву.
Установлено, что искусственное старение снижает ударную вязкость на образцах с трещиной при испытаниях при температуре минус 40С и минус 80С.
Показано, что увеличение склонности к деформационному старению в результате формовки трубы является следствием повышения концентрации свободных атомов внедрения, о чем свидетельствует возрастание высоты пика Сноека на температурной зависимости внутреннего трения.
Установлено, что в результате трубного передела возрастает уровень микроискажений кристаллической решетки и 200-ый пик внутреннего трения, что, по-видимому, является следствием протекания пластической деформации и возникновения остаточных микронапряжений в структуре стали.
Микроструктура листовой стали представлена перлитом и полигональным с квазиполигональным ферритом. Их доля составляет 25 - 20% и 75 - 80% соот 85 ветственно (рисунок 3.40). Сталь мелкозернистая, размер зерна 12 мкм - соответствует 9-10 баллу по ГОСТ 5639. В прокате наблюдается ярко выраженная полосчатость - 2 - 3 балл. Методы оптической микроскопии не выявляют изменений микроструктуры металла готовой трубы относительно металла листа.
Временное сопротивление ав в металле листа составляет 652 Н/мм2 (рисунок 3.41). Трубный передел не оказывает существенного влияния на временное сопротивление, разброс значений по окружности готовой трубы не наблюдается. В готовой трубе на участке «кромки» временное сопротивление составляет 652 Н/мм2, на участках «дна» и «90» временное сопротивление незначительно снижается до 646 Н/мм2 и 658 Н/мм2 соответственно. оЕ, МПа 800
На предел текучести трубный передел влияет в большей степени, снижая его в среднем на 5% (рисунок 3.42). При испытании образцов из металла листа на диаграммах растяжения наблюдается площадка текучести, которая исчезает в металле готовой трубы в не зависимости от места вырезки образцов. Максимум предела текучести (556 Н/мм2) имеет металл в области «кромки», что, по-видимому, является следствием большей степени суммарной деформации, а минимум - металл в области дна.
Относительное удлинение повышается в среднем на 4% (рисунок 3.43), при этом разброс значений составляет 8,7%, максимальные значения наблюдаются на участке «дно» (5=28,7%), а самые низкие на участке «кромка» (5=26,4%). Равномерное удлинение повышается более существенно, в среднем на 9,4%. Относительное сужение (рисунок 3.44) в металле листа и готовой трубы различаются незначительно. o„ (a0]2), МПа 600
При снижении температуры до минус 196 С место выбора проб не оказывает влияния на уровень значений ударной вязкости (8,5 - 9 Дж/см2).
В листе и в готовой трубе в температурном интервале от плюс 20 до минус 196 С переход от U-образного концентратора напряжений к V-образному оказывает заметное влияние на значения ударной вязкости. Во всех местах вырезки образцов переход к острому концентратору напряжений снижает значение ударной вязкости. При испытании на образцах с предварительно нанесенной трещиной максимальное значение ударной вязкости при температуре минус 40 С (рисунок 3.51,а) достигается на участке «кромка» как в исходном состоянии (88,5 Дж/см2), так и после искусственного старения при 200 С в течение 1 часа (91 Дж/см2). При температуре минус 80 С (рисунок 3.51,6) максимум ударной вязкости наблюдается на участке «дно»: для исходного состояния - 39 Дж/см2 и после старения - 48,5 Дж/см2. Минимальное значение ударной вязкости в исходном состоянии и после искусственного старения имеет металл листа.