Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Анализ причин разрушений сварных соединений трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях Сибири и Крайнего Севера 13
1.1. Анализ особенностей разрушения магистральных трубопроводов, изготавливаемых из конструкционных марок сталей 13
1.2. Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных соединений трубопроводов 25
1.3. Роль остаточных сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений трубопроводов 30
1.4. Анализ основных технологических приемов и методов снижения уровня остаточных сварочных напряжений 39
1.5. Цель и задачи исследований 51
Раздел 2. Методики ультразвуковой ударной обработки и исследований физико-механических характеристик сварных соединений 52
2.1. Технологические процессы и оборудование ультразвуковой ударной обработки сварных соединений 52
2.2. Режимы сварки труб. Химический состав и механические свойства конструкционных сталей и их неразъемных соединений 58
2.3. Определение режимов ультразвуковой ударной обработки сварных соединений стыков труб, изготовленных из низколегированных сталей 2.4. Методика определения напряжений в сварных соединениях труб с помощью портативного рентгеновского определителя напряжений 66
2.5. Оборудование и методики механических испытаний 73
2.6. Выводы по разделу 78
Раздел 3. Управление остаточными напряжениями в сварных соединениях труб путем ультразвуковой ударной обработки
3.1. Исследование распределений остаточных напряжений в сварных
соединениях стыков труб диаметрами 219, 530 и 720 мм из конструкционных сталей 79
3.2. Исследование характера перераспределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб подвергнутых ультразвуковой ударной обработке 84
3.3. Перераспределение наведенных после ультразвуковой ударной обработки сжимающих остаточных напряжений сварных соединений при воздействии одноосных циклических нагружений 92
3.4. Выводы по разделу 97
Раздел 4. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений трубопроводов 98
4.1. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений труб из низколегированных сталей 98
4.2. Теоретический расчет срока службы газопровода диаметром мм после ультразвуковой ударной обработки 101
4.3. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на механические свойства сварных соединений, подвергнутых циклическим нагружениям 105
4.4. Разработка способа снижения остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях труб ультразвуковой ударной обработкой на трубопроводах различного производственно технического назначения 108
4.5. Выводы по разделу 112
Заключение 114
Литература
- Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных соединений трубопроводов
- Режимы сварки труб. Химический состав и механические свойства конструкционных сталей и их неразъемных соединений
- Исследование характера перераспределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб подвергнутых ультразвуковой ударной обработке
- Теоретический расчет срока службы газопровода диаметром мм после ультразвуковой ударной обработки
Введение к работе
Актуальность исследования. Сохранение здоровья молодежи и обеспечение высокого качества жизни данной категории населения является одной из важнейших задач современной медицины (Приказ Министерства образования и науки РФ от 28 декабря 2010 г. №2106). Раннее выявление и устранение любого заболевания позволяет избежать тяжелых осложнений, а также локализовать и устранить патологический процесс с минимальным вредом для организма. Нарушение нормальной функции или положения органа и его составной части почти всегда вызывает изменение в других структурах, связанных с ним анатомически, онтогенетически или функционально (Лебеденко И.Ю., 2006; Железный П.А., 2007; Черненко С.В., 2012). Именно поэтому во всем мире ведущую роль в медицине отдают профилактике и ранней диагностике (Bernab E., 2006).
Стоматологическое здоровье является неотъемлемой частью общего состояния организма и, так или иначе, визитной карточкой современного человека. Сохранение нормального функционирования зубочелюстной системы, а также обеспечение эстетичного внешнего вида пациента не только позволяет сохранить здоровье многих систем внутренних органов, но и добиться психоэмоционального равновесия (Леонтьев В.К, 2006).
Группой стоматологических заболеваний, наносящих наиболее ощутимый вред состоянию всей зубочелюстной системы и значительнее остальных нарушающих эстетику, являются зубочелюстные аномалии и деформации (ЗЧАД). Полиэтиологичность, быстрое прогрессирование, многочисленные функциональные нарушения снижают качество жизни человека, а при отсутствующем или недостаточном лечении ведут к серьезным осложнениям. По данным литературы, распространенность ЗЧАД в разных регионах России варьируется от 30,90% до 82,54% (Бимбас Е.С., 2005; Максимовская Л.Н., 2006; Проскокова С.В., 2010) и тенденций к снижению этих цифр не наблюдается. Напротив, в России и странах зарубежья данные количественные показатели возросли до 1,5 раз (Анохина А. В., 2004; Onyeaso C.O., 2004).
Большинство авторов, изучавших деформации зубных рядов (ДЗР), отдают главенствующую роль в этиологии преждевременной утрате зубов, связанной с кариозными разрушениями (Гаврилов Е.И., 1984; Гунаева С.А., 2006; Гаязов А.Р., 2007). Исследования, проводимые в Алтайском крае, продемонстрировали крайне высокую распространенность отсутствия зубов среди молодежи. Среднестатистический житель края к 18 годам имеет до четырёх удаленных зубов (Тупикова Л.Н., 2002). Эти цифры дают основание прогнозировать высокие количественные показатели распространенности ДЗР среди молодёжи края. Деформации способны не только стимулировать развитие других стоматологических патологий, но и влиять на их тяжесть (Водолацкий В.М., 2009), нарушать функции жевания, речеобразования, дыхания, вызывать дисфункцию височно-нижнечелюстного сустава, болезненность и напряжение жевательной мускулатуры, влиять на динамику сердечно-дыхательного синхронизма (Гвоздева Ю.В., 2009; Е.Г. Перова, 2010; Лапина Н.В., 2011).
По данным литературы отмечается прямая корреляция развития ЗЧАД с условиями окружающей среды, профессиональной вредности, урбанизацией и индустриализацией общества, сменой диеты и характера пищи (Алимский A.B., 2008; Олесов Е.Е., 2010; Галонский В.Г., 2011). Выявлена также прямо пропорциональная связь возрастной группы с количественными и качественными проявлениями патологии, отмечается необходимость раннего, комплексного и последовательного лечения (Хитров В.Ю., 2005; O'Connor P.J., 2000; de Oliveira C.M., 2003).
Российскими и зарубежными специалистами разработан ряд методов устранения и профилактики развития ЗЧАД (Бимбас Е.С., 2005; Трезубов В.Н., 2009; Черненко С.В., 2010). Однако развитие материально-технического оснащения в стоматологии, соответствие международным принципам биологической целесообразности, соблюдение условия минимальной инвазивности вмешательства заставляет отказываться от многих устаревших методик. Специфика работы с молодежью диктует необходимость сохранения максимально возможной эстетики лица на всем протяжении лечения, а также сокращения длительности его этапов (Жолудев С. Е., 2005; Железный П.А., 2008, Салеев Р.А., 2010).
Таким образом, на сегодняшний день необходимость изучения и коррекции высокой распространенности ЗЧАД крайне велика. Данную патологию можно отнести не только к российским, но и к общемировым, глобальным медицинским проблемам XXI века. Проведение ранней диагностики, комплексного лечения с применением современных высокотехнологичных методов и биологически индифферентных материалов у молодых пациентов является крайне актуальным. Своевременные и последовательные мероприятия по реабилитации таких больных позволяют в полной мере восстановить целостность зубного ряда и анатомическую форму отдельных зубов, а также предупредить развитие тяжелых осложнений и вернуть эстетическую составляющую улыбке.
Цель исследования: повысить эффективность ортопедического лечения пациентов молодого возраста с деформациями зубных рядов методом контролируемого перемещения зубов при восстановлении протетической плоскости. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
-
Провести исследование стоматологического статуса учащейся молодежи города Барнаула. Разработать «Паспорт стоматологического здоровья».
-
Выявить распространенность и особенности лечения деформаций зубных рядов в молодом возрасте.
-
Разработать современную методику контролируемого устранения вертикальных деформаций.
-
Разработать алгоритм ведения молодых пациентов с вертикальными деформациями зубных рядов.
-
Разработать рекомендации по контролю над стоматологическим здоровьем обучающейся молодёжи.
Научная новизна.
Разработан «Способ оценки эффективности перемещений зубов», позволяющий до 40% сокращать временные интервалы нормализации окклюзионной плоскости за счет исключения из процесса коррекции нежелательных движений зубов, а также точечной добазировки применяемого лечебного аппарата (патент РФ на изобретение №2479279).
Разработана методика перемещения зубов при помощи зубодесневой каппы, дополненной искусственными зубами, что позволяет производить коррекцию положения зуба или группы зубов в вертикальной плоскости с сохранением эстетики лица на всех этапах лечения (патент РФ на изобретение №2486877).
Разработана методика изготовления временных протезов, используемых после формирования окклюзионной плоскости перед окончательным протезированием с целью стабилизации зубочелюстной системы (решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2012138875/14(062873)).
Разработана методика 3D-реконструкции процесса перемещения зуба в вертикальной плоскости с возможностью коррекции действий врача на всех этапах лечения (патент РФ на изобретение №2498785).
Разработан и описан график зависимости объема перемещения зуба от времени проводимого лечения, позволяющий определять сроки коррекции еще на этапе диагностики.
Разработан «Паспорт стоматологического здоровья» (ПСЗ), позволяющий отслеживать и корректировать изменения стоматологического статуса, оценивать эффективность реабилитационных мероприятий (свидетельство о депонировании объекта интеллектуальной собственности Российского авторского общества №013-002515 от 2 апреля 2013 г.).
Практическая значимость.
Выявлен высокий уровень стоматологической заболеваемости среди учащейся молодежи (процент санированной молодежи в различных учебных заведениях в диапазоне от 8,16 до 11,53 %), что является предрасполагающим фактором возникновения деформаций зубных рядов. Для этой категории населения выявлена распространенность (59,06%) и особенности коррекции деформаций зубных рядов.
Полученные в результате проведения научно-исследовательской работы данные легли в основу распоряжения Комитета по образованию г. Барнаула (Распоряжение №1243-и от 20.09.2013), рекомендующего образовательным учреждениям своевременно проводить ежегодный осмотр, выявлять стоматологическую патологию среди учащихся, направлять в лечебные учреждения для оказания помощи, в том числе специализированной.
Для практического здравоохранения предложен алгоритм устранения вертикальных деформаций зубных рядов, включающий многоуровневый подход в проведении коррекции и оценке качества лечения при помощи разработанных методик, а также последующим восстановлением целостности зубного ряда и анатомической формы отдельных зубов с целью профилактики рецидивов.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста и состоит из введения; обзора литературы; главы материалов и методов исследований; главы результатов профилактического этапа; главы результатов клинической работы; выводов; практических рекомендаций; списка литературы и приложений. Указатель литературы включает 172 источника, в том числе 126 отечественных и 45 иностранных авторов. Диссертация иллюстрирована 21 таблицей и 38 рисунками.
Анализ факторов, приводящих к разрушению сварных соединений трубопроводов
В настоящее время трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов занимает одно из ведущих направлений в интенсивно развивающемся топливно-энергетическом комплексе России. Ежегодно в нашей стране сооружаются десятки тысяч километров различных трубопроводов. Эксплуатация столь протяженных сооружений в чрезвычайно сложных природно-климатических условиях, с возможными серьезными последствиями в случае аварийных ситуаций обуславливает отнесение данных объектов к техногенно опасным системам. Поэтому к трубопроводам предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.
Магистральные трубопроводы в северном исполнении - это уникальные металлоемкие конструкции, не имеющие аналогов в практике строительства и эксплуатации в суровых геокриологических условиях Якутии. Большая часть линейных магистральных систем расположена в сложных инженерно-геологических условиях: болота различной мощности, заболоченные и обводненные территории, оползневые участки и площадки. На металл труб воздействуют экстремальные температурно-климатические факторы, что создает особые условия эксплуатации трубопровода по сравнению с условиями эксплуатации в других регионах России [70].
Газопроводная система Республики Саха (Якутия) составляет в общей сложности около 1 400 км магистральных газопроводов, в рамках которой функционируют две технологические системы газоснабжения. Центрально-Якутская система обеспечивает газоснабжение из
Средневилюйского газоконденсатного месторождения производительностью 1 550 млн м3 в год. В структуре использования эта система обеспечивает 82-83,5 % всего потребляемого объема газа, при этом 75% использует город Якутск [84].
Вторая трасса газопровода «Средневилюйское месторождение – Таас-Тумус-Якутск» введена в эксплуатацию в 1967 г. Газопровод представляет собой двухниточный трубопровод длиной 500 км, эксплуатирующийся более 40 лет. Весь добываемый газ подается в локальные сети и используется, как котельно-печное топливо [84].
Газопровод «Таас-Тумус-Якутск» протяженностью 292 км является первым газопроводом, построенным в районе распространения многолетнемерзлых грунтов. Строительство его носило производственно-экспериментальный характер. Газопроводы в северном исполнении состоят из труб диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 и 9 мм из стали марки 09Г2С поставки Ждановского металлургического завода (ВТУ ЧМТУ УкрНИТИ 537-64) и труб импортного производства из стали марки 09Г2С [33]. Подробная технология сборки и сварки магистрального газопровода Таас-Тумус-Якутск приведена в монографии В.П. Ларионова [61].
На протяжении всего периода эксплуатации накоплена информация о работоспособности и состоянии газопроводов в районах с экстремальными климатическими условиями Севера. Газопровод почти полностью переведен в подземный вариант укладки. Первая нитка имеет участки наземного варианта с обваловкой. Подземная схема составляет около 98 % от общей длины построенных газопроводов. По этой схеме трубы уложены ниже естественной поверхности грунта. Это объясняется рядом положительных факторов, таких как защищенность труб от внешних воздействий, достаточно хорошая стабилизация положения трубопровода, обеспечение оптимальной устойчивости, не создает препятствий для движения транспорта [33].
Первоначально построенный газопровод имел наземный вариант укладки. Считалось, что оттаивание грунтов под воздействием теплового потока от газопровода приведет к потере несущей способности. Недостаточная информация о взаимодействии газопровода с грунтом сыграли решающую роль при сооружении наземным вариантом на опорах и на грунтовую теплоизолирующую подсыпку. Однако, как показала практика эксплуатации, возник ряд таких факторов, как подверженность резким суточным и сезонным колебаниям температуры, воздействие осадков, превращение трубопровода в труднопреодолимую преграду (например, для животных, транспорта и т.д.), общая незащищенность газопровода от внешнего механического воздействия. Кроме того, в наземных газопроводах в северном исполнении наблюдались протяженные разрушения, присущие большим механическим системам, составленным из отдельных взаимосвязанных звеньев. Здесь разрушение одного или нескольких несущих элементов вызывает спонтанное разрушение других подобных элементов конструкций [33].
Невозможно заранее точно предсказать, что явится причиной возможного разрушения газопровода, а значит, и определить их число и распределение во времени. Разрушение является случайным событием и для оценки вероятности разрушения на том или ином участке необходимо использовать вероятностно-статистический подход. Общая ориентировочная оценка может быть выполнена по результатам статистического анализа аварий, имевших место в предыдущие годы [70].
Путем сбора статических данных о работоспособности и анализа разрушений магистральных газопроводов [1, 16-17, 61, 70, 80] эксплуатирующихся в Республике Саха (Якутия) в период с 1968 по 1993 г. выявлено, что преимущественное число отказов трубопроводов приходится в зимние месяцы года, но не в самое холодное время сезона
Режимы сварки труб. Химический состав и механические свойства конструкционных сталей и их неразъемных соединений
Исследование поверхности излома разрушения трубы выявило, что очагом разрушения послужила сквозная трещина – свищ, расположенный на нижней части трубопровода на месте кольцевого сварного шва и заводского продольного шва. Свищ протяженностью 33 мм образовался от сварного дефекта – канальной поры размером 15х2 мм. Направление истечения газа было обращено в сторону грунта, и в результате поднятия давления образовалась реактивная сила, послужившая началом разрыва кольцевого сварного шва с последующим выбросом труб от оси укладки на расстояние 30-50 м [33].
Ни один из существующих способов сварки не обеспечивает гарантированного бездефектного сварного соединения без последующего исправления. Это объясняется тем, что на качество сварных соединений оказывают влияние факторы не только металлургического, но и технологического, а также организационного характера, задача регулирования и поддержания которых в необходимых пределах полностью не решена [26].
При описании механизма разрушения трубопровода принято выделять три стадии процесса: зарождение трещины от дефекта и ее стабильное состояние, развитие (подрастание) трещины до критических размеров и безостановочное распространение трещины [53].
Наиболее характерными и часто встречающимися дефектами трубопроводов считаются дефекты сварных швов (поры, непровары, шлаковые включения, кристаллизационные и закалочные трещины, дефекты формирования шва) и различного рода механические повреждения труб при транспортировке и сборке (надрезы, задиры, царапины, вмятины, трещины усталости). Реже встречаются металлургические дефекты (расслои) и дефекты, возникающие при прокатке листов (закаты), которые, как правило, представляют собой участки металла с повышенной хрупкостью [1, 11, 51, 53, 56].
Чаще всего распространение разрушения от дефектного участка начинается с большой скоростью ввиду затрудненного протекания пластической деформации в концентраторе, или же за счет малой пластичности на участке металла с повышенной хрупкостью. Дальнейшее поведение «закритической» трещины и ее протяженность определяются механическими свойствами основного металла трубопровода и физикой протекающих при разрушении процессов. Войдя в «здоровый» металл с высокой начальной скоростью, трещина проходит по нему некоторое расстояние. На этой стадии определяющую роль играют свойства основного металла, способного поглощать при разрушении определенное количество энергии в виде работы пластической деформации. Если металл трубы обладает малой величиной работы разрушения при достигнутой скорости движения трещины, то торможения разрушения не происходит, протяженность разрыва увеличивается, и разорванные стенки трубы начинают расходиться под действием давления газа. Разворот стенок трубы в разорванной части газопровода создает высокие уровни напряжений у кончика бегущей трещины, что способствует более интенсивному выводу энергии к вершине трещины [3, 14, 27, 53].
Таким образом, энергия, подводимая к кончику бегущей по газопроводу трещины, складывается из двух составляющих: из энергии упругих деформаций растянутого металла стенок трубы, высвобождаемой при продвижении трещины на единицу длины, и из энергии сжатого газа, разворачивающего разорванные стенки газопровода в разрушенной его части [23, 53].
Процесс зарождения и замедленное распространение трещин по периметру стыка происходят в течение нескольких часов или суток. Вероятность образования трещин повышается с увеличением толщины свариваемых изделий, при использовании сталей повышенной и высокой прочности, а также при выполнении сварочных работ при низких климатических температурах. При сварке в условиях низких температур в сварных соединениях характерны повышенные остаточные сварочные напряжения и значительное количество газов (кислорода, азота, водорода), растворенных в металле шва. В трубопроводах, корневые швы которых сварены при температуре ниже -30 С газозащитными электродами, трещины обычно распространяются по всему периметру стыка [61, 119].
Также одним из факторов является падение давления в результате декомпрессии, что имеет решающее значение для предотвращения протяженных разрушений трубопроводов, транспортирующих жидкую среду (например, нефтепроводы). Известно, что в отличие от газа, жидкость практически несжимаема. Следовательно, даже при больших рабочих давлениях в нефтепроводе аккумулирована энергия на несколько порядков меньше, чем при тех же давлениях и размерах в газопроводе. Поэтому условия декомпрессации в нефтепроводе при разрыве принципиально иные, чем в газопроводе [73, 141].
Механизм протяженного разрушения магистрального нефтепровода определяется только энергией, накопленной в виде энергии упругих деформаций в растянутых за счет внутреннего давления стенках трубы. В разрушенной части нефтепровода в результате декомпрессии давление на стенки трубы отсутствует. Поэтому дополнительного разворота разорванных стенок не происходит. Сам же процесс безостановочного движения трещины по нефтепроводу возможен только при условии, когда фронт волны декомпрессии, распространяющейся в целой части трубопровода со скоростью звука в жидкости, не обгоняет сечение, совпадающее с вершиной движущейся трещины [14, 73].
Происходившие на нефтепроводах аварии связаны исключительно с ограниченными разрывами отдельных труб (протяженностью не более 2-3 м) и чаще всего вызваны дефектами сварных соединений [14].
Таким образом, установлено, что условия работы металла и сварного соединения газопровода специфичны и определяются следующими факторами, влияющими на их сопротивление разрушению: - газопроводы Севера эксплуатируются в суровых природно климатических условиях, что обуславливает работу металла труб в широком интервале температур от +40 С в летний, до -60 С в зимний периоды; - газопроводы аккумулируют большое количество энергии перекачиваемого продукта, что может вызвать протяженные квазихрупкие или хрупкие разрушения, которые происходят в условиях высоких динамических нагрузок, кроме того, в трубопроводах аккумулируется энергия упругой деформации металла, что также усложняет условия работы металла;
Исследование характера перераспределений остаточных напряжений в сварных соединениях стыков труб подвергнутых ультразвуковой ударной обработке
Термодеформационный цикл сварки оказывает интенсивные воздействия на первоначальные размеры и формы металла конструкции – возможно появление технологических и конструкционных концентраторов напряжений (поры, шлаковые включения, усиление шва и т.п.), выявить и устранить которые часто невозможно [86]. Это обуславливает более интенсивное накопление поврежденности в зоне сварного соединения, и как следствие ранее сказанного, около 80 % разрушений сварных оболочных конструкций происходит в зоне сварных соединений [61, 70].
Вместе с тем факторы, связанные с образованием соединений, не могут быть сведены только к концентрации напряжений. Помимо концентрации напряжений, обусловленной формой и технологическими дефектами, сварка вызывает структурные превращения и порождает высокие остаточные сварочные напряжения. Значимость этих факторов (особенно остаточных напряжений) в ряде случаев соизмерима с концентрацией напряжений. В связи с этим рассмотрение вопросов сопротивления усталости сварных соединений целесообразно начать с выяснения роли концентрации напряжений, структурной неоднородности свойств сварного соединения и остаточных сварочных напряжений [126].
Под концентрацией напряжений понимается местное повышение напряжений в зонах резкого изменения сечения деформируемого тела. Ими могут быть в зоне сварного соединения отверстия, острые углы вырезов, различного рода надрезы, переходы сварных швов на основной металл и дефекты сварных соединений [126].
Концентрация напряжений в сварных соединениях определяется общей конфигурацией соединяемых элементов, геометрической формой сопряжением шва с основным металлом и способом передачи силового потока [119]. Для трубопроводов это кольцевые стыковые соединения.
Известно, что наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения – их предел выносливости составляет примерно половину предела выносливости основного металла с прокатной окалины [120].
Однако формирование зон повышенной напряженности в них обусловлено выпуклостью шва. Для качественно выполненного стыкового соединения средние значения коэффициента концентрации напряжений обычно не превышают 1,3-2,0 [126]. Эти значения существенно возрастают для соединений с такими технологическими дефектами, как подрезы, поры, непровар, наплывы, смещение стыкуемых кромок, наличие угловатости и значительно влияют на сопротивление усталости сварных соединений.
Наличие дефектов (несплошности), а также конструктивных концентраторов напряжений, связанных с резкими переходами от основного металла к металлу шва или от одного элемента к другому, может способствовать снижению надежности сварного соединения. Их отрицательное влияние иногда проявляется даже в случае статического приложения нагрузок при неблагоприятном сочетании с собственными напряжениями при действии низких температур или агрессивных сред. Наиболее сильное влияние наличия несплошностей имеет место при работе конструкции под усталостной нагрузкой. В этом случае даже небольшой дефект или концентратор может стать источником зарождения трещины, что впоследствии приводит к разрушению всей конструкции [26].
Процесс сварки, обусловленный местным сплавлением соединяемых частей изделия, сопровождается изменением структуры и свойств в зоне соединения.
В сварном шве выделяют три основные зоны: металл шва (МШ), зону термического влияния (ЗТВ) и основной металл (ОМ). Свойства МШ предопределяются исходными характеристиками применяемых сварочных материалов и их изменением в процессе термического цикла сварки.
Получение швов с заданными служебными свойствами достигается варьированием состава присадочного материала и режимов сварки. Вследствие высоких скоростей охлаждения и медленного протекания диффузии состав различных участков МШ в процессе кристаллизации сварочной ванны полностью выравнивается, приводя к зональной ликвации и внутридендритной неоднородности отдельных кристаллитов. Заметное влияние на механические свойства МШ оказывает также деформационный цикл, сопровождающий процесс его кристаллизации. Все это приводит к тому, что МШ и ОМ различаются между собой как в структурном отношении, так и по механическим, химическим и физическим свойствам. Но сами по себе эти различия не становятся причинами преждевременного усталостного повреждения МШ, если в нем нет трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и других дефектов сварки [126].
Иное положение занимает ЗТВ. По своему строению ЗТВ неоднородна. В зависимости от температур разогрева в процессе сварки в её пределах выделяют несколько участков: участок твердожидкого состояния, перегрева, полной и неполной перекристаллизации и рекристаллизации (рис. 1.6).
Размеры участков ЗТВ в зависимости от способа и режимов сварки колеблются в довольно широких пределах (таблица 1.1). Эти участки в процессе термодеформационного цикла сварки сопровождаются отдельными структурными и фазовыми превращениями с формированием временных и остаточных напряжений и деформаций [126].
Неоднородность свойств сварного соединения из низколегированных сталей значительным образом влияет на изменение твердости и на механические свойства вследствие изменения химического состава, структуры и степени наклепа сварного соединения при сварке.
В работе [131] дилатометрическим методом исследованы структурные превращения и свойства сварных соединений из низколегированных сталей 20ХГ, 20НГМФ, St600 при сварке порошковой проволокой ОК Tubrod 14.03 производства ESAB.
Результаты исследований показали, что при уменьшении времени охлаждения образцов в пределах 850… 500 С повышаются твердость, предел прочности и текучести, соответственно уменьшаются показатели пластичности сталей 20ХГ, 20НГМФ, St600. Сварные швы, полученные наплавкой порошковой проволоки ОК Tubrod 14.03, показали наиболее
Теоретический расчет срока службы газопровода диаметром мм после ультразвуковой ударной обработки
Для определения режимов ударной обработки проведены анализ распределения микротвердости и исследования микроструктуры в зависимости от мощности обработки сварных соединений стыков труб, изготовленных из низколегированных сталей 09Г2С и 13Г1С-У [115-117].
Измерение микротвердости зон сварного соединения в исходном состоянии и после УУО при различных параметрах мощности проведено прибором ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0,5 Н (50 г). Число измерений по 5 отпечатков, нанесенных вертикально по сечению металла шва МШ, с двух сторон зоны термического влияния (ЗТВ) и по основному металлу (ОМ) со стороны корневого шва (рис. 2.6). Расстояние от края до первого отпечатка от 60 до 105 мкм, между отпечатками 90 мкм. Максимальная глубина измерения 550 мкм [117].
Сварные соединения кольцевых стыков труб выполнены ручной дуговой сваркой. Режимы сварки приведены в п. 2.2. Режимы ударной обработки исследованных образцов показаны в таблице 2.6. показаны результаты измерений средних значений микротвердости зон сварного соединения стали 13Г1С-У. Из графика видно, что в исходном состоянии наблюдается неравномерное распределение микротвердости, при этом минимальные средние значения до 1714±41 МПа обнаружены в зоне термического влияния (ЗТВ). После проведения ультразвуковой ударной обработки происходит повышение значений микротвердости в ЗТВ. Наиболее высокие средние значения микротвердости до 2122±46 МПа обнаружены в ЗТВ при мощности обработки 500 Вт. В зоне металла шва (МШ) и основного металла (ОМ) разброс средних значений микротвердости находится в диапазоне 88… 131 МПа. При обработке мощностью 420 Вт наблюдаются наиболее равномерные распределения средних значений микротвердости по зонам сварного соединения: МШ - 1969±43 МПа, ЗТВ - 1976±44 МПа, ОМ -1878±41 МПа (рис. 2.7) [117].
Исследована микроструктура сварных образцов до и после УУО с помощью микроскопа «Axio Observer D1m».
На рисунке 2.8, а, б представлены микроструктуры образцов, изготовленных из стали 13Г1С-У, до и после УУО. Структура ОМ представляет собой мелкозернистую ферритно-перлитную смесь с величиной зерна 8 баллов по шкале по ГОСТ 5639-82. Металл шва имеет дендритную структуру. В переходной зоне наблюдается обезуглероживание на границе между МШ и ОМ вследствие сильного нагрева в процессе сварки (рис. 2.8, а), что приводит к снижению микротвердости в ЗТВ (рис. 2.7). После УУО в переходной зоне наблюдается измельчение зерен (рис. 2, б) в результате которого повышается микротвердость в ЗТВ (рис. 2.7) [116].
На рисунке 2.9 представлена микроструктура основного металла трубы диаметром 530 мм (стали 09Г2С) в исходном состоянии и после УУО при разной мощности генератора от 400 до 450 Вт. Исходная структура имеет мелкозернистую ферритно–перлитную структуру, перлит пластинчатый. Балл зерна равен 10 (рис. 2.9, а). После УУО при мощности 400 Вт на поверхности наблюдается измельчение зерен феррита (рис. 2.9, б). Дальнейшее увеличение мощности генератора при обработке до 420-450 Вт в структуре металла приводит к значительному измельчению размера зерен (рис. 2.9, в, г). Соответственно увеличивается микротвердость, и создается слой наклепа на глубину до 0,3 мм. Показано, что при каждом увеличении мощности УУО измельчение зерен в структуре становится больше, тем самым происходит повышение микротвердости на поверхности обрабатываемого участка, как показано на рисунке 2.7 [115]. Так как при мощности обработки 420 Вт наблюдается равномерное распределение микротвердости по всем зонам шва, предпочтительно производить УУО с мощностью 420 Вт.
Таким образом, показано, что при каждом шаге увеличения мощности УУО измельчение зерен в структуре проявляется в большей степени, тем самым увеличивается микротвердость на поверхности обрабатываемого участка, как показано на рисунке 2.7. Так как при мощности обработки 420 Вт наблюдается равномерное распределение микротвердости по всем зонам шва, предпочтительно производить УУО именно с этой мощностью.
В настоящее время достигнуты значительные успехи в экспериментальных методах определения остаточных напряжений, возникающих при сварке. Существует большой арсенал методик и аппаратуры, имеющих достаточную точность и практически использующихся во многих экспериментальных исследованиях. Методы измерения остаточных напряжений можно разделить на два принципиально различных вида: неразрушающие и разрушающие. Разрушающие (механические) методы являются наиболее простыми, в основном не требующими специальной дорогостоящей аппаратуры. Неразрушающие методы позволяют определять остаточные напряжения без разрушения детали. К этим методам относятся: рентгеновские, ультразвуковые, магнитные и другие.
Для исследований остаточных сварочных напряжений был выбран рентгеновский метод, как метод, определяющий градиенты напряжений и имеющий более большую точность измерений.
В качестве средства определения распределений остаточных напряжений при сварке и перераспределений остаточных напряжений в результате ультразвуковой ударной обработки в зоне сварных соединений труб использовался портативный рентгеновский определитель напряжений, разработанный на кафедре физики металлов Санкт Петербургского технического университета под руководством профессора Иванова С.А.
При определении механических напряжений рентгеновским методом в объектах из конструкционных сталей применяется хромовое излучение -КаСг, имеющее следующие параметры: длина волны А,=2,29-10-4 мкм; угол дифракции 6Fe = 78,04. Измерение средней величины макронапряжений производится с тонкого поверхностного слоя образца, равной около 10 мкм, зависящей от глубины проникновения рентгеновского излучения [35].
Портативный рентгеновский определитель механических напряжений (ПРОН) создан на основе двуханодной рентгеновской трубки БС-12, что позволило создать гониометр, входящий в состав прибора для определения остаточных сварочных напряжений без подвижных элементов (рис. 2.10). Номинальное напряжение 30 кВ, номинальный ток 1,67 мА, мощность 15 Вт, масса излучателя с рентгеновской трубкой 2,3 кг. Время экспозиции около 7-8 минут в зависимости от рентгеновской пленки.
