Введение к работе
Актуальность. Воздействие водорода на ' стали, отличающееся многообразием и неоднозначностью трактовок, регламентируется целым комплексом внутренних и внешнік факторов, определяемых в первом случае параметрами материала сталей, в другом - свойствами агрессивной среды, условиями напруження и т.д.
В системе "водород - сталь" факторы, зависящие от характеристик собственно сталей, являются достаточно важными. Учитывая многочисленность данных характеристик, рассматривается задача поиска и обоснования параметров, отличающихся повышенной чувствительностью к данного типа взаимодействию, просто и надежно регистрируемых. Актуальность задачи обосновывается с двух точек зрения. Во-первых, для углубления понимания физики происходящих явлений, формирования целостной системы взглядов на известные гипотезы водородного воздействия на стали. Во-вторых, с позиции разработки новых эффективных и экономичных оценочных методик испытаний сталей и особенно их сварных соединений.
Анализ данного вида коррозионного поражения сталей важен и в связи с применением высокопроизводительных технологий, растущей агрессивностью природных и технологических сред, открытием и разработкой новых месторождений нефти и газа с повышенным содержанием H2S.
Цель. Обоснование характеристики сталей, определяющей их сопротивляемость H2S- содержащим средам и разработка на этой основе методики оценки сопротивляеммости сталей и сварных соединений H2S- содержащим средам.
В соответствии с целью определены основные задачи работы:
-
Обоснование характеристики сталей, определяющей их сопротивляемость воздействию НгЭ-содержащих сред, разработка' метода и критерия ее оценки.
-
Установление зависимости параметров характеристики локально-механической ослабленности (Л МО) и показателей сопротивляемости сталей НгБ-содержащим средам.
Анализ изменения сопротивляемости сталей по деформационным параметрам после воздействия предварительной пластической деформации ОН ПДУ,, структурного моделирования, зон сварных соединений, малоциклового режима нагружения.
-
Оценка сопротивляемости сбарных соединений сталей HjS-содержащим средам с учетом совместного действия остаточных сварочн>|х_ напряжений fOQrfl, релаксационных процессов, структурных превращений с использованием параметров деформирования.
-
Разработка методики оценки сопротивляемости сталей и сварных соединений Н^содержащим средам по деформационным параметрам.
. Объекты и методы исследования. Объектом. исследо. вания были стали ферритного и феррито-перлитного классов следующих марою 10895 (техническое железо), 20 и 20* (разные плавки), 35, Х-46.17Г1С,30ХГСА,45. Большинство сталей близки или соответствует по основным свойствам трубным. Сварные соединения моделировались на сталях: 10895,20* и 30ХГСА.35. Влияние ППД изучалось с использованием сталей:10895, 17Г1С,35. Структурное состояние, соответствующее зонам сварных соединений имитировались на сталях Х-46,35. На стали 20 анализировалось влияние режима малоциклового нагружения.
Среди основных методов испытаний: химический, фрактографический и металлографический анализы, стандартные механические испытания, измерения микротвердости, длительные испытания образцов с поддержанием постоянной нагрузки, испытания hj коррозионное и водородно-индуцируемое растрескивание (СК? и ВР). комплекс прецезионных измерений деформаций образцов во времени и др.
Научнея новизна.
І.Предложена характеристика ЛМО сталей, представляющая собой интегральную величину механического ослабления локальных участков структуры, вызванного несовершенствами кристаллического строения (НКС), внутренними напряжениями
Обоснованы метод и критерий оценки характеристики ЛМО
сталей. Метод оценки состоит в длительной выдержке образцов
сталей при статической нагрузке в пределах упругости с
паралельной регистрацией деформации воереми - Д1. 8 качестве
критерия оценки принята величина W, равная корню квадратному
из отношения "Д" к абсолютному удлинению образцов при
испытании на отрыв "ДІЛ .
2. Экспериментально установлена возможность
использования характеристики ЛМО для оценки сопротивляемости сталей ферритного и -среррито-перлитного классов HaS-содержащим средам/
Предложено оценку сопротивляемости сталей проводить с. применением деформационных параметров- т(для испытаний на воздухе); mc,vc (для испытаний в соеде с НгЭ).
Экспериментально-теоретически показано, что
сопротивляемость сталей Нг8-содержащим средам во многом определяется областями Л МО. 8 связи с этим более значительное место отводится роли окклюдированного водорода (ОВ). в сравнении с диффузионно-подвижным водородом (ДПВ) в процессе их деструктивного влияния на стали..
Установлена также близость механизма водородного влияния на стали при СКР и ВР, состоящая в реализации данного воздействия в областях ЛМО.
3, Экспериментально обоснована применимость оценки
сопротивляемости сталей fyS- содержащим средам по
деформационным параметрам с учетом ППД, изменения
структурного состояния, малоциклового режима напруження.
Показана допустимость ППД до 6% для сталей 108Э5,35,17Г1С
при использовании в средах с H2S.
4, Теоретически и экспериментально обосновано влияние 4
ЛМО на деформационные характеристики (М) сварных '
соединений структурно стабильных и нестабильных сталей.
Экспериментально установлена интенсификация процессов
релаксации и ползучести, перехода остаточного аустенита в
мартенсит при наводороживании сварных соединений сталей.
Введен термин "водородная ползучесть". Аналитически
установлено в связи с этим снижение ОСН сварных соединений
сталей в пределах 6%. -
Учитывая отрицательное воздействие водорода на коррозионную стойкость сварных соединений, а также незначительное снижение ОСН.. сделан вывод о практической нецелесообразности использования преварительного наводороживания для обработки сварочных соединений сталей. ;
5, Разработана методика оценки сопротивляемости сталей и
сварных соединений. воздействию НгЭ-содержащих сред по
деформационным параметрам. .
Методика, позволяет значительно ограничить, вплоть до
полного исключения, применение коррозионно-активной среды,
повысить экспрессность оценки до 8-6 часов. .
> Практическая ценность. Основным практическим
приложением работы является . методика оценки
сопротивляемости сталей и сварных соединений Нгв-содержащим средам по деформационным параметрам. В рамках методики
возможно проведение оценок склонности по критерию "хуже-лучше" и стойкости сталей 'и сварных соединений по деформационным параметрам. В результате существенно ограничивается, а для отдельных видов испытаний исключается применение коррозионно-активной среды.минимальное время экспозиции образцов достигает 8-6 часов.
Диапазон практического применения результатов работы охватывает возможности анализа качественного состояния сталей, прогнозирования сопротивляемости сталей деформированию, и разрушению, изучения характера водородного «'других, видов' коррозионных воздействий на стали и сварные соединения с учетом условий испытаний, рабЧїГосгюсобнЬсти реальных конструкций.
Работа проводилась в соответствии с целевой комплексной программой "Рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов в народном хозяйстве на 1987-1990 годы и на период До 2000 года", межвузовской научно-технической программой * Сварка и- контроль"; Полученные результаты использовались в совместных хоздоговорных работах СКГТУ и объединения "Тенгиз-нефтегаз* (Казахстан), НУЦ "Контроль и диагностика" при МПУ им.Н.Э.Баумана (г. Москва).
Апробация. Ключевые положения работы докладывались на кафедре сварки и защиты от коррозии ГАНГ им.Губкина И.М. (1991, 1992, 1995 Т.г.), вузовских, республиканских, всероссийских, всесоюзных и международных конференциях и совещаниях (1389-1995 г.г.).
Основное содержание. fnaea f. В главе проводится обзорный анализ проблемы. Сопротивляемость сталей средам, содержащим водород определяется металлургическими и прочностными, деформа-иоными факторами. Анализируются металлургические факторы. Склонность к СКР устанавливается как функция содержания легирирующих элементов, тогда как сопротивляемость ВР соотносится, "как правило, с углеродным эквивалентом етапи (). Важное значение имеют условия изготовления и обработки сталей - выплавка и прокатка металла, способы и режимы термической и холодной обработок, сварки. Надо выделить в этой связи существенное воздействие на показатели стойкости сталей пластических деформаций, -как технологического компонента процесса изготовления конструкций трубопроводов, оборудования
нефтяных и* газовых промыслов, последствий воздействия термодеформационного цикла сварки.
. Анализ металлургических факторов , приобретает особое значение при оценке водородного растрескивания сварных соединений. Формирование сварных соединений приводит к образованию полей GCH, развитию структурных превращений, которые в' совокупности приводят с одной стороны к" деформационной нестабильности сталей, с другой - при суперпозиции с внешними силовыми полями активизирует разрушительное дейсгзие агрессивной среды. Наблюдаемое при этом усиление релаксационных явлений отдельные исследователи пытаются использовать для получения положительных результатов. В настоящее время повышенный научный интерес к влиянию водорода на мартенситное превращение аустенита.
Другой немаловажный металлургический параметр-структурный, определяющий как растворимость, так и критическую
-концентрацию водорода. Двойственность состояния водорода в металле - либо в твердом растворе в кристаллической решетке, либо в молекулярной ферме в ми.кропустотах также обусловлено' структурным состоянием: если СКР высокопрочных мартенситных связей связано с ослаблением межатомных связей, то ВР феррито-перлитных сталей объясняется развитием микропор. под давлением молизующегося водорода. Растворимость водорода
'прямо пропорционально емкости "ловушек" водорода, плотности
дислокаций, количеству частиц частиц цементита, объему зон
трехосных растягивающих напряжений, протяженности границ
матричных включений Мп - FeS .
В стадии обсуждения находится вопрос о соотношении "вкладов" ДПВ и ОВ в процесс коррозионного поражения сталей.
Особое внимание исследователей привлекает роль несовершенств кристаллической решетки а условиях наводороживания. Концентрация и тип несовершенств, формирующихся при изготовлении и обработке металлов во
. многом определяют растворимость и диффузионную подвижность атомов водорода. Природа взаимодействия атомов растворенного водорода с точечными, линейными и более сложными де<ректами во многом еще не ясна, однако именно это взаимодействие определяет особенности поведения водорода в неравновесных структурах сталей.. Более того значительные расхождения экспериментальных данных о диффузии и .растворимости
водорода в одних и тех же по составу материалах связаны в основном с различиями в природе и концентраций дефектов.
Одно из важных направлений связано с. изучением роли водорода в развитии дефектности структуры и превращения микродефектов в макродефекты.
На поведение водорода в металлах оказывают влияние многообразные' макродефекты (поры, трещины), границы 'зёрен и блоков мозаики, неметаллические и др.включения, нульмерные и одномерные микродефекты. Некоторые из них, в частности границы зерен, генетически связанные со сложной дислокационной структурой металла и отличающиеся аномальным содержанием и распределением атомов матричного, легирующих и примесных элементов в некоторых случаях оказывают особое влияние на скорость миграции водорода в сплаве, в других случаях более существенно влияют точечные и линейные дефекты.
Ярким подтверждением влияния дефектов является сильная зависимость поведения водорода от степени ППД. ППД при достаточно высоких обжатиях не только приводит к появлению структурных дефектов, но и весьма заметно увеличивает адсорбционную емкость (по водороду) железа и сталей. Пористость является одной из причин повышенной растворимости водорода. Но ППД не всегда приводит к ее росту, а следовательно к повышению растворимости.
Водород значительно поглощается в образцах технических металлов и сплавов, характеризующихся гетерофазностью, значительным количеством неметаллических включений. Влияние неметаллических включений зависит не только от их количества, формы и размеров, но и от их природы и условий сочленения с матрицей.
8 ряде работ обосновывается большая способность сплавов, содержащих частицы графита поглощать, водород и СН* в трещинах и на границах их с металлической матрицей.
Немаловажное значение имеют и упругие напряжения в объеме металлов. Основной причиной роста водородопрони-цаемости при создании растягивающих напряжений ..является увеличивающаяся растворимость водорода.
При рассмотрении растворимости водорода в реальных, образцах металлов, содержащих микроскопические структурные дефекты,. необходимо отметить отсутствие прямых и надежных зкспериментальных данных, достаточных для установления ее зависимости от концентрации и природы различных нарушений.
' Однако, повышение растворимости с ростом концентрации разного
рода нарушений несомненна. Тем. не менее вопросы, связанные с
установлением..,доминирующей роли различных искажений, а
также разработки модели и математического аппарата,
описывающих зависимости растворимости в несовершенных
структурах от их параметров оказываются еще далекими от
разрешения. \
К повышению растворимости водорода приводят и высокие уровни ВН, накапливающиеся в сталях и конструкциях в проц > се изготовления, обработки, монтажа за счет различного вида механических, термических, механотермических воздействий.
К другой важной группе факторов относятся прочностные, деформационные параметры. Предел текучести сталей является одним из наиболее распространенных параметров (особенно для легированных сталей повышенной прочности и вязкости), при этом/обладая боле высокой значимостью, чем такие параметры
как отношение- сто.г/ н. В качестве критерия оценки вязкости разрушения в условиях СКР широкое распространения получил параметр. - Кщ (/fiscc).. характеризующий пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений. Однако, известно к примеру, для сварных соединений . о
неоднозначной зависимости их сопротивляемости от Оо.гС*). неоднозначном влиянии и отношения -.ро.г / ов на показатели сопротивляемости различных сталей СК* !
Опираясь на рассматриваемые группы факторов, разрабатываются стали с соответствующими, прочностью, надежностью, коррозионной стойкостью для применения в нзводороживающих средах. Этот процесс как показывает практика является достаточно трудоемким, требующим применения электронных средств обработки.
Обзор известных факторов свидетельствует как об их много
численности, так и о неоднозначности использования при оценке,
что . естественно усложняет формулировку методических
принципов и вызывает адекватное возрастание трудоемкости
практических методов оценочных мероприятий. На пути
разрешения возникающих трудностей следует выделить важность
разработки, комплексной оценки рассматриваемых факторов при
"выборе сталей, поскольку искусственное изменение отдельных
параметров даёт лишь косвенные характеристики прочности и
долговечности.
В настоящей работе предлагается путь, связанный с поиском характеристики сталей,. определяющей их сопротивляемость воздействию сред с Н?$, интегрально отражающей сложность и многообразие протекающих при этом физико-химических процессов. Внимание акцентируется на доминирующей роли разного рода НКС сталей во многом определяющих характер и динамику разрушений. Наряду с этим выделяются, как существенные и ВН в сталях. Указанные факторы определенным образом влияют на другие свойства и параметры сталей, поэтому данное влияние может быть рассмотрено самостоятельно 8 виде отдельной характеристики, позволяющей оценить сопротивляемость сталей средам, содержащим HjS.
Данный подход стал основой для углубленного обоснования предполагаемых зависимостей, методов и критериев их оценки с учетом воздействия на стали наиболее существенных технологических факторов и условий испытаний.
Г/іаец. В главе анализируется понятие характеристики ЛМО сталей, разрабатываются метод и критерий ее оценки устанавливаются взаимосвязи предлагаемой характеристики и сопротивляемости сталей средам, содержащим HjS. Термин НКС понятый в широком смысле включает в себя не только разные по природе и типу дефекты, но и участки с повышенным уровнем ВН. ВН рассматриваются в конечном счете как следствия дефектности. Присутствие НКС в сталях выражается в изменении их сопротивляемости силовым, коррозионными и другим воздействиям.
НКС' создают в макро- и микрообъемах области, отличающихся от прилегающих участков структуры пониженными как прочностными, так и пластическими характеристиками. Однако, не все типы дефектов вызывают такого рода изменения. Важное значение имеет не только концентрация несовершенств и зон ВН, но и условия их распределения в объеме сталей, нагружения. Таким образом в структуре сталей формируются локализованные механически-ослабленные области. В этом смысле каждая сталь соответствующего структурного состояния имеет определенную величину ЛМО или характеристику ЛМО.
Характеристика ЛМО.являясь результатом воздействия на стали всего комплекса несовершенств строения может быть определена следующим образом:под ЛМО понимается интегральная величина -механического ослабления локализованных
областей структуры стали, вызванного присутствием ИКС, включая неблагоприятно ориентированные поля ВН.
Характеристику ЛМО возможно представить ослаблениями различного мгсиггаба, сгруппированных по трем уровням. Первый уровень Л МО ограничивается действием несовершенств кристаллической решетки - нульмерных дефектов, второй -включает области ЛМО, достигающие масштаба кристаллов, зерен (от дислокаций, пор, границ зергн и т.д.), третий - от несовершенств строения, сравнимых.с размерами образца.
Характеристика ЛМО сталей достаточно близка к таким понятиям как стабильность, качественные показатели сталей. При определенных условиях характеристика ЛМО включает в себя * понятие повреждаемости аталей. Возможно ее сопоставление и с величиной отклонения от теоретической прочности реальных сталей, гетерогенностью механических свойств сіруктурь! сталей, трещиностойкостью, сопротивляемостью другим видам коррозийного ВОЗДЄЙСТ8ИЯ.
Для количественной оценки характеристики ЛМО сталей ' были выбраны соответствующие метод регистрации и критерий оценки. Условия нагружеиия сталей заключались в длительной выдержке их при статической растягивающей нагрузке. Время выдержки под нагрузкой соотносилось с периодом "накопления" фиксируемых временных деформаций. Величина нагрузки не превышала предела текучести сталей. Это было связано с тем, что пластические деформации в области макроупругости вызваны главным образом искомыми НКС, ВИ. К тому же ограничение рабочих нагрузок упругой областью приближают условия ' эксперимента к эксплуатационным. Параллельно с кагружением регистрировались величины деформацией во времени. Фиксируемые деформации терминологически квалифицировались как пластические деформации прямого упругого последствия.
Экспериментальный образец представлял собой гладкий цилиндрический образец 0 6,0 мм и длиной рабочей зоны 40,0 мм. Использовались специальные коррозионные камеры. Было разработано малогабаритное нагружающее устройство, состоящее' из стального динамометрического кольца и каркаса, внутри которого крепились камеры с образцами/ Максимальное нагружающее усилие возможное на данных устройствах составляло 4,5 тонны.
Выбор критерия количественной оценки характеристики ЛМО основывался на следующих доводах. Согласно определению характеристики-ЛМО г- струстуре сталей возможны два типа
ослаблений: ослабления за счет Несплошностей различного вида ( от вакансий до макротрещин} и ослабления, вызванные неблагоприятно ориентированными ВН.
Для некоторого 1 -го ослабления (независимо от вида и типа) при прочих равных условиях величины деформаций - АЦ, регистрируемых во времени определяется двумя фаеторами-величиной данного ослабления и пластичностью прилегающих к нему участков структуры. Для рассматриваемого объема (V) стали " lv "определяется суммарной величиной ЛМО и пластичностью прилегающих к ослаблениям участков. Причем с увеличением величин ЛМО и пластичности растет и величина деформаций ДІ. Одной из наиболее близких к /Л по физической природе характеристик является абсолютное удлинение образцов сталей, 'полученное при их разрушении - ді, .Величина ДЬ также при тех же условиях зависит от уровня' ЛМО и пластичности соответствующих структурных участков. Однако, Д1. растет с уменьшением величины ЛМО и с увеличением пластичности. Основываясь на этом, через отношение величин Д1 и _AL получаем искомую зависимость:
т(т) = ^~-.Д/(г);
где m {%) - величина характеристики ЛМО стали; т -время от начала нагружекия до момента регистрации Д1 стали.
Для экспериментального установления взаимосвязи характеристики ЛМО и сопротивляемости сталей средам с Нг8 применялась среда NACE согласно NACE Standard ТМ-02-84. величина внешней нагрузки для повышения чувствительности метода была близка к пределу текучести и составляла - ар ~ 0,9 со,20> Периодичность замера деформаций образцов снижались по мере стабилизации кривой деформирования. Максимальное. время экспозиции сталей не превышало 5 суток из условий полного наводороживания и затухания деформаций. Параллельно определялись показатели изменения пластичности сталей.
При выборе исследуемых сталей учитывалось то, что экспериментальные данные должны охватывать довольно широкий диапазон сталей, как склонных, так и стойких к растрескиванию, близких по свойствам к трубным.- Были взяты стали: 10895, 20, 35, 30 ХГСА, 45. Методика испытании строилась
на проведении сравнительных исследований на воздухе и в среде. Испытания в среде проводились с нагружением и без нагружения образцов. Образцы выбранных сталей предварительно отжигались. Для установления структурного состояния, степени загрязненности по. включениям был выполнен металлографический анализ сталей.
При проведении и анализе эксперимента использовались следующие известные оценочные параметры: степень изменения относительного удлинения- бс / б { бс- относительное удлинение после испытаний в среде, 5 - тоже самое на воздухе), время до разрушения хр -и другие. После испытаний на воздухе была получена гистограмма распределения сталей в соответствии с величиной критерия "гл" на которой выражено разделение сталей на две близкие по "т" группы. В какой-то мере рост "т" сопровождается увеличением содержания углерода, процентным увеличением второй фазы, усилением загрязненности неметаллическими включениями (особенно деформированными сульфидными), повышением структурной гетерогенности (30 ХГСА). Выдержка образцов в среде при стР = 0 позволила выявить динамику снижения 5С / 5. которая объясняется с позиций значительного воздействия на стали ДПВ, особенностей метода получения кйс", "5". Снижение "бс / 5" сталей происходило в последовательности: 30 ХГСА, 45, ст 20, ст 35, 10895. После дегазации ДПВ значения "8С / б" сталей снижались в последовательности, обратной предыдущей, выявляя влияние, по существу, ОВ.
В процессе испытаний в среде под нагрузкой в качестве критериев дополнительно использовались деформационные параметры mc-(m при выдержке сталей в среде);ус( скорость изменения гпс). Полученные результаты представлены на рис.1. Среда NACE вызывает заметное увеличение параметров деформирования, сопровождающееся снижением "5С / 5й. "тр". При этом образцы сталей 20,45, ЗО ХҐСА интенсивно растрескиваются до полного разрушения в то время как стали 108Э5, 35 выдерживают коррозионно-механические испытания. Отмеченная интенсификация деформирования . сталей в среде NACE -экспериментальное подтверждение известного явления облегчения деформирования и разрушения металлов (ОДРМ) в присутствии водорода.
ІЗ
' бс/6 ШоХІСГ2
. Рис. 1 Изиенекие параметр* ніс» пластичности сталей й среде NACS (Ор=0,ЄСГх):і,12-30ХГСА;2ЛІ-ст.45;3,10-ст.20;
4,7 - 1089S; s^ -СТ.35; fi,9 -ст.20*
Сравнительный анализ результатов испытаний на воздухе и в среде NACE под нагрузкой, указывает на существование зависимости при которой большим значением W соответствуют более низкие показатели сопротивляемости сталей. Таким образом .исходная характеристика ЛМО предопределяет поведение сталей в коррозионной среде под нагрузкой.. На основании этого предлагается использование параметра- "in" 8 качестве критерия оценки склонности и стойкости сталей H2S-содвржащим средам. Для текущей оценки состояния сталей, контактирующих со средами с H^S достаточно эффективно использование параметров "mc, vc".
Полученные данные являются базой для обоснования общности механизма разрушения сталей при СКР и ВР, строящееся на активности водородного разрушения в областях
лмо. .
Лроведен сравнительный анализ эффективности применения предлагаемых деформационных параметров и некоторых уже известных критериев - Сэ;о0,2(Г)''о-в: 5; 8с/6; тр (рис.2,3).
Очевидно, что наиболее близки к динамике снижения 5С/ S, тр изменения .параметра "т" ( а следовательно"тс, vc" > при сопоставлении с известными. Сособой наглядностью проявляется этот факт на сталях 20, .35 при.использовании для .сравнения
критериев "6", "Сэ" и других. Полученные результаты не являются, однако основанием для выводов относительно показателей коррозионной стойкости сталей 20,35.
0.05
бс/6 тр.чве. т,*1<Гг
ИЕза .сТ:го С..Ч5
Рие.2 Срчакитс/папя гяетогр*мм« яараистр» m и в«-при' Op =0,80V
о»/с& 6,яс»,а.
0,67 |
0.81
й.55
i<= . і* зв 18 щ,«50
Рис.3 Сопоставление величин С9>Ст/%Уа, О и параметра m rteene выдержки сталий но воздухе при О*р--0,9 0^ $ суток: І.Г.Г-10895; 2,Я\г"-ст.2СГ ; З.З'.З"- ст.35; 4,4-\4":-ct.20; б.б'.ГҐ -ct.4S; 6,б*,6"-ЗОХГСА
С этой целью, учитывая невысокие качественные характеристики
' (в частности, по неметаллическим включениям) стали 20,
дополнительно была исследована сталь 20* качественной плавки.
Анализ экспериментальных данных важен и с точки зрения уточнения представлений о механизмах водородного воздействия на стали. Акцентируется внимание на интегральной роли областей ЛМО, более значимой, чем свойства прилегающих к областям участков структуры сталей. В областях ЛМО концентрируется ОВ, который в сложном .взаимодействии с ДПВ оказывает более существенное воздействие в процесс деградации сталей. В условиях испытаний на деформационные параметры значительное влияние оказывают области ЛМО, образованные несовершенствами строения, в масштабе кристаллов, зерен (лоры, границы зерен, включения).
Далее деформационные параметры использовались для оценки влияния ЛЛД на сопротивляемость сталей. Исследования проводились на сталях 10895, 35, 17Ґ1С. Технологическая ППД моделизировапась на уровнях 1;3;6%. Последовательность испытаний состояла в том, что первоначально образцы сталей с нанесенной ППД выдерживались в среде NACE при ор« 0, после чего проводилось нагружение на воздухе и в среде NACE при а^~ 0,9ст.
По многим данным пластическая обработка сталей увеличивает их способность к адсорбции водорода, но о влиянии поглощенного водорода на их несущую способность единого мнения нет.
Получены следующие результаты. При испытаниях в среде NACE параметр "VS" Для образцов после ППД оказался на 20-25% ниже аналогичного для образцов без ППДчто подтверждает факт усиления адсорбционной способностей сталей. Нагружекие сталей на воздухе позволило получить зависимость при которой параметр "т" неуклонно снижался по мере роста уровней ППД: при ППД* j% - в 4 раза; ППД= 3% - в 7 раз; ППД=$% -в 7,5- 8 раз. При нагружении сталей в среде получены данные, согласно которым максимальная степень ППД не снижала коррозионную стойкость исследованных сталей, а в некоторах случаях (для стали 17 ПС) показатели стойкости несколько возросли.
Выявилась существующая связь между ППД и параметрами
"т.гпс". Специфика поэтапного воздействия ППД на накопление
дефектности в структуре стадей соответствующим образом
выражалось в изменении используемых оценочных параметров.
На этом основании влияние ППД на показателя сопротивляемости
сталей, а также сварных соединений известное своей неоднознач
ностью предлагается оценивать с помощью деформационных
параметров. *
Исследована возможность применения деформационных параметров для оценки влияния структурных состоянии, характерных зонам' сварных соединений на сопротивляемость сталей.
Использовались стали Х46 (образцы вырезаны из стенки трубопровода), 35. Сталь Х46 исследовалась в двух структурных состояниях: поставки (закалка и отпуск) и после высокотемпературного отжига. Сталь 35 термосбрабатывалась по' режиму;, закалка+отпуск. Для стали Х46 для подтвеовдения изменения структурных параметров был ьыполнен металлографический анаши. Образцы сталей последовательно испытывались прн напружений на воздухе и в среде.
Образцы стали Х46 после термообработки по режиму поставки, как и ожидалось, дали удовлетворительные результаты по. коррозионной стойкости. Группа образцов после высокотемпературного отжига растрескивалась до разрушения уже через 36,0 часов (в среднем) после начала испытаний. При этом отмечем рост параметра "тс" (и соответственно "vc") для оттожечных образцов примерно в 1,3 раза.
Величины деформационных параметров стали Х46 оказались ниже аналогичных применявшихся ранее сталей 10895, 20, 45, 30ХГСА, что можно объяснить в основном упрочняющим влиянием прокатки npvi изготовлении трубопроводов. Снижение коррозионной стойкости соответствующих участков перегрева для сварных соединений стали Х4б объясняется, наряду с ростом ферритного зерна, характерным для сталей денисго класса усилием миграционных микропроцессор, что в совокупности способствует росту уровня ЛМО.
Структурное состояние! смоделированное на образцах стали 35 соответствовало участку закалки сварных соединений. Использовались в целях эксперимента высокая склонность закалочных структур (мартенсита, сорбита) к СКР. Уже при испытаниях на воздухе параметр "т" закаленных образцов почти в 4,0 раза превысил "гг." для отложенных. 8 среде NACE время до разрушения закаленных образцов составило 5,0 мин., 8 то время как отгоженные не разрушались. Произошел соответствующий рост параметра "тси. Повышенный фон ВН,' обусловленный несбалансированностью кристаллического строения, нарастанием структурной гетерогенности - основные факторы, способствующие значительному усилению ЛМО, а следовательно и росту деформационных параметров стали 35.
Таким образом, деформационные параметры являются достаточно эффективными оценочными КОИТсрііЯМИ для
і 7
выявления воздействия изменения структурных СОСТОЯНИЙ,
соответствующих зонам сварных соединений на сопротивляемость
сталей. . - \
Проведен анализ возможности использования деформационных параметров дпя оценки влияний на сопротивляемость сталей 'малоциклового режима нагружения.
На образцах из стали 20 были проведены усталостные испытания по малоцикловому режиму нагружения: амплитуда цикла - {0,9 - 0,6)ат; частота (\) - 0,2 Гц; период цитирования (іц) -0,5 часа один раз в сутки. Регистрировались параметры деформирования и разрушения - "тс", *хр, "6С/ 5".
Результаты испытаний подтвердили негативное воздействие малоциклового режима нагружения при одновременном действии среды NACE по уменьшению %", "дс>/ 6" при росте параметра "тс".
Таким образом деформационные параметры, оказывались достаточно чувствительными и при оценке сопротивляемости сталей в условиях малоцикловых испытаний. Рост используемых параметров при этом отражает кинетический процесс усиления ЛМО сталей, вызывающий снижение их коррозионной стойкости.
Глава 3. Рассматривается эффективность применения параметров деформирования во времени для оценки воздействия НгЭ-содержащих сред на сварные соединения сталей.
Гамма ' физико-химических последствий сварки включает изменение напряженно-деформированного, структурною состояния, развитие временных процессов (релаксация и ползучесть, структурные превращения, старение). Данные факторы становятся мотивирующими при выборе типа экспериментального образца, позволяющей к тому же достаточной точностью регистрировать контролируемые парзметры. Для испытаний был выбран сварной кольцевой образец. Образцы данного типа позволяют сохранить уровень ОСН в пределах или несколько выше ао.2(т> сталей. ОСЫ рассматриваются в качестве силового фактора, определяющего в значительной степени процесс деформирования. Трудность осуществления текущего контроля величин ОСН, а также возможность превышения упругой области нагружения не позволили в полной мере проследить развитие исследуемых деформаций, вызванных' НКС, ВН. Иной характер приобретало и напряженное состояние кольцевых образцов, отличающиеся изменением (по поперечному сечению) знака ОСН. Регистрируемые деформации наряду с перечисленными факторами
определялись и объемными послесварочными процессами. В связи с этим деформации во времени моделируемых на кольцевых образцах сварных соединений рассматривались как интегральное следствие дествия многих факторов, а анализ полученных, параметров деформирования имел по этой причине свои особенности.
Применялись стали двух классов: структурно-стабильные -10.895.20* (условно структурно-стабильная) и нестабильные -ЗОХГСА, 35. В результате иммитации сварных соединений посредством микроплазменного оплавления внешних кромок образцов после охлаждения в сталях 10895,20* протекали процессы релаксации и ползучести ( в стали 20' эти процессы доминировали над структурными превращениями). В сталях ЗОХГСА, 35 преобладали структурные превращения мартенсита закалки отпуска, остаточного аустенита в мартенсит. При этом в стали 35 в большей степени развивалось превращение, связанное с отпуском мартенсита, а в ЗОХГСА - превращение остаточного аустенита в мартенсит." В качества коррозионной среды использовалась среда NACE. Замер деформаций осуществлялся по отпечаткам твердомера, нанесенных по соответствующей методике на кольцевые образцы. Коррозионные камеры, способ насыщения fyS раствора NACE сохранялись такими же как и при испытаниях цилиндрических образцов.
Образцы перед испытаниями отжигались. После оплавления кромок образцы выдерживались ка воздухе при комнатной (20 ± 26С) и повы шенной (80 ± 2 С ) температурах, а также в среде NACE при тех же температурах. Время выдержки образцов в среде NACE определялось условиями наводороживания сталей и стабилизацией процесса деформирования. Был проведен анализ сопротивляемости сталей с учетом действия ОСИ, структурных превращений по параметрам деформирования во времени. Основными физическими процессами, определяющими закономерности деформирования сварных соединений являются: релаксация напряжений и ползучесть, превращения остаточного аустенита в мартенсит, отпуск мартенсита закалки, старение. Учитывая результаты, полученные ранее на цилиндрических образцах можно утверждать и о влиянии ЛМО на размерную стабильность сварных, соединений сталей.- В этой связи предполагается, что при переходе от основного металла к сварному соединению вместе с общим нарастанием структурной гетерогенности увеличиваются и уровни ЛМО, что наблюдается и по деформационным признакам
При оценке результатов исследования кольцевых образцов используются абсолютные величины деформаций -Л1. Применение деформационных параметров - "т, п\9, vc" представляется невозможным в связи с практическими затруднениями определения для данного типа образцов величины- ДЬ. Первоначально замерялись деформации образцов от сварки. Снижение величин деформаций от сварки проходит по мере увеличения содержания углерода в сталях. Выделяются пары сталей близкие по значениям деформаций - 10895, ст 20* и ЗО ХГСА..35. На уровни деформаций в значительной степени оказали влияние превращение остаточного аустенита в мартенсит, пластичность сталей. Основываясь на величинах деформаций от сварки структурно-нестабильных сталей, предполагается наличие большего количества образовавшегося мартенсита в стали 35 в сравнении с 30 ХГСА.
Рис.4 Влияние среди NACE на деформации во времени .сварных кольцевых обЬаэцов: 1 'Л—10895; 2',1— ст.35; 'З'.З-ст.гО*; ^2-ЗОХГСА(1«20 С)
Замеры деформаций образцов после выдержки на воздухе и в среде NACE при 20 и 80 С дали следующие результаты. Повышенная до 80 С температура при испытаниях на воздухе интенсифицирует релаксационные процессы, стимулирует переход мартенсита закалки в мартенсит отпуска и замедляет превращение остаточного зустёнита в мартенсит. Действие среды NACE на образцы при 20 С характеризовалось в целом единообразным влиянием, приводящим к активизации, релаксации и ползучести компенсирующих послесварочные деформации. (рис.4).
Сумируя наблюдаемый эффект с явлением ОДРМ в присутствии водорода, полученным на цилиндрических образцах, можно утверждать о регистрации новой разновидности ползучести-"водородной ползучести". Повышенная температура определен-' ным образом способствует ослаблению воздействия водорода на образцы. Деструктивное влияние водорода в сталях 10895, 20* преимущественно локализовано в растянутых участков образцов, в которых no-существу и развиваются наблюдаемые деформации.
Несколько иначе проявляется действие среды ЫАСЕ на Скши 30ХГСА,35.3а' счет отпуска мартенсита в зоне оплавления образцов появляются участки с напряжениями сжатия достаточно высокого уровня, а в зоне термического влияния - области с растягивающими напряжениями. Избирательное действие водорода в напряженной структуре сталей позволяет предполагать о возможности наряду с интенсификацией релаксации, ползучести также и усиления распада остаточного аустенита. Разносторонние исследования показывают, что под действие наводороживания на метастабильный аустенит приводит к повышению точки мартенсигного превращения, однако особенности данной трансформации окончательно ие ясны. Одна из обсуждаемых причин - пластическая деформация, вызванная молиззцией водорода большого давления в микропустотах. Учитывая полученные на кольцевых образцах результаты, есть основания обосновать вероятность реализации деформационного механизма мартенсигного превращения аустенита,
Определенное влияние на показатели деформирования оказывали взаимодействие водорода и протекающего ' превращения отпуска мартенсита, повышенная температура.
На следующем этапе была выполнена оценка возможности практического использования преварительного наводороживания для обработки сварных соединений. -Экспериментальный материал, накопленный <>о деформированию кольцевых образцов был использован для аналитического исследования эффективности водородной обработки сварных соединений. Предварительная обработка рассматривается в работе как одна из попыток получения положительного эффекта в результате облегчения деформирования сталей в присутствии водорода. В результате предполагается снижение ОСН за счет интенсификации пластических деформаций и некоторое повышение коррозионной стойкости сталей.
Однако, предполагаемые эффекты противоречат.сложившим
ся представлениям о характере водородного воздействия на стали
и тем более сварные соединения. .
Наблюдаемые в результате предварительного наводорожи-вания явление некоторого повышения прочности характеристик сталей, связанное с водородным наклепом представляет собой стадию естественной сероводородной коррозии.
Учитывая сохраняющую дискуссмонность вопроса в лаборатории Прикаспийского отдела ВНИИСТа были проведенные 1386 году контрольные испытания. Результаты испытаний свидетельствовали о том, что выдержка ненафуженных образцов наводоррживающей среде в течение 6,5 часов не повышает стойкость трубных сталей и сварных соединений. Увеличение контакта до 15,0 часов снижает коррозионную стойкость, а предварительный даже 5,0-и часовой контакт со средой сварных соединений, имеющих концентраторы значительно уменьшает показатели стойкости.
Данные, полученные по деформированию сварных кольцевых образцов в этой связи используется для уточнения степени изменения ОСН после наводороживания, так как метод измерения ОСН, примененный в контрольных испытаниях имел недостатки. Оценку ОСН проводили с помощью метода разрезки, недостатки которого состояли в искажении результатов замеров за счет дополнительного поля- значительных по уровню остаточных напряжений (от разрезки), отсутствии плавной кривой распределения ОСН по сечению и др. Преимущество же метода оценки размерной стабильности кольцевых образцов заключалось в повышенной точности исследуемых параметров, что и позволило реализовать поставленную задачу.
Анализ изменения ОСН кольцевых образцов строился на сопоставлении результатов по деформированию колец и известных данных, касающихся стабильности полей ОСН. Сопоставление велось раздельно для структурно-стабильных и нестабильных сталей. Так измерения ОСН, выполненные согласно литературным источникам не малоуглеродистых сталях показали, что при 20 С снижение ОСН едва заметно, но уже при г=60 С оно составляет 6-8% , и при т*100'С - 15% их первоначальной величины (на базе 720 .часов). Устанавливая количественные соотношения между деформациями во времени и снижением ОСН кольцевых образцов сталей 10895, ст20* в среде NACE при t=20C, прег-'юлзгали, что величина данного снижения -находится в пределах 6-7%.
Для структурно-нестабильных сталей установлено,' что падение исходных пиковых напряжений происходит в зоне сжимающих напряжений шва при после 1,5 месяцев (до 40%). Падение пиковых растягивающих напряжений меньше - до 15%. При этом снижение ОСН более вяло и характер перераспределение не столь выражен. Корреляция сравнительных данных позволяет приближенно оценить степень снижения ОСН в среде при кольцевых образцов сталей 30 ХГСА, 35 для напряжений сжатия -14 - І 5% и напряжений растяжения - до 5%. Таким образом, для выбранных в работе условий испытаний и топа образцов установлена незначительность величин снижения ОСИ, вызванного наводороживанием,' а также показано фактическое отсутствие эффекта повышения коррозионной стойкости сварных соединений сталей. Это позволяет утверждать о практической нецелесообразности применения предварительного наводороживакия для обработки сварных соединений сталей.
Глава 4. В главе рассматриваются возможности практического применения результатов исследования. Диапазон использования результатов не ограничивается только рамками взаимодействия сталей и наводороживающих сред. Характеристика ЛМО может служить параметром оценки качественного состояния сталей. Регистрируемые деформационные параметры могут рассматриваться как предвестники поведения материала на следующих стадиях деформирования и разрушения, и тем самым служить основой прогнозирования сопротивляемости сталей нагружению. И наконец, разработанные в работе методы, критерии оценки сопротивляемости сталей, сварных соединений HjjS - содержащим средам в своей совокупности достаточно эффективно могут быть применены для изучения характера и механизмов стале-водородного взаимодействия с учетом влияния как внешних, так и внутренних факторов, а также других видов коррозионного воздействия.
Однако основное практическое приложение экспериментально-теоретических исследований отражено в методике оценки сопротивляемости сталей й сзарных соединений H2S-содержащим средам по деформационным параметрам.
Согласно разработанной методике предполагается проведение испытаний основного металла (на гладких цилиндрических образцах) на воздухе и сварных соединений (на кольцевых образцах) в среде с H2S. При этом оцениваются для цилиндрических образцов сталей- склонность к СКР, БР по
критерию "хуже-лучше" с определением параметра W и стойкость СКР, ВР по "т" с прогнозированием показателей сопротивляемости (тр, 6с/ б). Для сварных соединений сталей выявляется, воздействие релаксации, структурных превращений на сопротивляемость по параметрам деформирования во времени. В рамках методики возможно оценка влияния различных технологических факторов, условий испытаний на показатели сопротивляемости сталей, сварных соединений.
Методика отличается от аналогичных существующих методик (методика NACE, МСКР-01-85 и др.) возможностью значительного сокращения, вплоть до полного исключения в процессе испытаний, применения агрессивной среды, повышенной до 8-6 часов экспрессностью оценки.
Основные выводы:
1. Экспериментально-теоретическая программа, реализован
ная в рамках диссертации позволяет обосновать количественно-
регистрируемые деформационные параметры, закономерно
связанные с показателями сопротивляемости сталей и сварных
соединений НгЭ-содержащим средам.
Теоретически обоснована характеристика Л МО сталей, представляющая собой интегральную величину механического ослабления локальных участков структуры, вызванного НКС, ВН.
* Разработаны метод регистрации и критерий ' оценки характеристики ЛМО сталей.
2. Экспериментально установлена возможность использо
вания характеристики ЛМО для оценки сопротивляемости сталей
ферритного, феррито-перлитного классов H2S - содержащим
средам.
Теоретически показана близость характера водородного воздействия на стали в средах с H2S при реализации механизмов СКР и ВР, состоящая в преимущественном деструктивном влиянии в областях ЛМО.
В качестве критериев оценки сопротивляемости сталей предложены деформационные параметры "т", "тс", "vc".
3. Экспериментальным путем обоснована. возможность
применения деформационных параметров для оценки влияния
ППД, структурных состояний зон сварных соединений, малоцикло
вого режима нагружения на сопротивляемость исследованных
сталей. . . '
Установлена при этом допустимость' ППД до 6% для сталей 10895, 35,. 17Г1С при использовании в средах с H2S. Низкая
сопротивляемость структур, соответствующих зонам сварных соединений -участкам перегрева (Х46), закалки (ст.35) обосновывается с позиций усиления ЛМО данных сталей после термообработки. Негативное воздействие мапоциклового режима нагружения . на сопротивляемость стали 20 связывается с нарастанием при нагружении со временем уровня ЛМО.
4. Теоретически обосновано влияние на деформационные
характеристики (Д1) сварных соединений сталей наряду с
известными факторами (релаксацией и ползучестью,
структурными превращениями) также и уровиейЛ МО.
Экспериментально подтверждено стимулирующее влияния наводороживания на процессы релаксации и ползучести, переход остаточного аустенита в мартенсит для сталей 10895, 20*, 35, 30 ХГСА.* Обосновываются о этой связи понятие "водородная ползучесть", деформационный механизм мартенситной трансформации остаточного аустенита.
5. Экспериментально-аналитическим путем установлено
снижение уровне ОСН для сварных кольцевых образцов
исследованных сталей, вызванных действием среды с H2S.
Незначительность величины снижения ОСН, а также фактическое отсутствие эффекта повышения коррозионной стойкости после наводороживания позволяют сделать вывод о практической нецелесообразности применения преварительного наводороживания для обработки сварных соединений сталей.
6. Диапазон практического применения полученных резуль
татов включает возможности оценки качественного состояния
сталей, прогнозирования поведения сталей- на стадиях"
пластического део>ормир'ования и разрушения, исследования
характера водородного и Других видов коррозионных воздействий,
методику оценки по деформационным параметрам.
Разработана методика оценки сопротивляемости, сталей и сварных соединений Нгв-еодержащим средам по деформационным параметрам.
Согласно методике возможно проведение испытаний с оценкой склонности (без использования среды с H2S) и стойкости сталей и сварных соединений (в среде с НгЭ) СКР, ВР.
Методика позволяет существенно ограничить использование агрессивной среды, а при определенных видах оценки полностью его исключить и также повысить до 8 - 6 часов экслрессность испытаний.
Материалы работы изложены в публикациях;
1. Басиев К.Д., Авсарагов А.&. Длительная прочность сварных
соединений сталей в водородсодержащих средах. Тезисы
докладов у Республиканской конференции "Коррозия металлов
под напряжением м методы защиты*. АН УССР, Львов, 17 - 19
октября 1989 года, стр.73.
-
Басаев К.Д., Авсарагов А.Б., Хасиев ЧМ. Оценка длительной прочности металлических конструкций в сероводоро-досодержащих средах. Научно-техническая .конференция 60-летию СКГМИ (тезисы докладов). ГК РСФСР по5 делам науки и высшей шкопы. СКГМИ, 1991 год. стр. 234-237.
-
Басиев К.Д., Авсарагов А.Б., Хасиев ЧМ. Оценка сопротивляемости трубных сталей коррозионному разрушению. Всесоюзное совещание "Проблемы защиты от коррозии нефтега-зопромыслового оборудования" (тезисы). ЦП ВНТО НГП им. Академика И.М.Губкина. г.Смоленск, сентябрь 1991 года, стр. 1-3.
4. Sacuee К.Д., Авсарагов А.Б., Есиев Т.С. Метод оценки
длительной прочности при строительстве экологически опасных
нефтегазопроводов. Научно-техническая конференция, посвящен
ная 30-летию образования строительного факультета' (тезисы
докладов). Министерство науки, высшей школы и технической
политики Российской" Федерации. СКГМИ, 1991 год, стр. 10-11.
5. Басиев КД., Есиев Т.С., Авсарагов А.Б., Хасиев ЧМ Новые
подходы в оценке сопротивляемости трубных сталей сероводо
родному разрушению. Расширенные тезисы докладов Конгресса
"Защита -92", 6-11 сентября 1992 года, Том 1, часть 2, стр.213-215.
6.. Басиев К.Д., Авсарагов А.Б., Хасиев ЧМ., Катаев Т.С. Оценка длительной прочности экологически опасных нефтегазопроводов. Тезисы докладов 1-ой международной конференции "Экологические проблемы горных территорий". Мин.экологии и природных ресурсов РФ, ГК СО ССР по охране природы, институт географии РАН,- Ассоциация ученых Северной Осетии. 20-24 октября 1992 года, Владикавказ.
7. Авсарагов А.Б., Басиев К.Д., Гуцунаев В.Б. Характеристика водородостойкости сталей. Научно-техническая конфереция, посвященная 50-летию Победы над фашистской Германией (тезисы докладов). Владикавказ,'СКГТУ, изд. Терек", 1995 г.
Структура и объем работы:
