Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса эксплуатации сварных соединений технических устройств опасных производственных объектов (туопо) 10
1.1 Анализ условий эксплуатации и состояния сварных соединений ТУОПО 11
1.2 Материалы, применяемые при изготовлении, монтаже и ремонте котельного игазового оборудования 16
1.2.1 Требования предъявляемые к основным материалам котельного оборудования 17
1.2.2 Требования предъявляемые к сварочным материалам котельного оборудования 21
1.2.3 Требования предъявляемые к основным материалам газового оборудования 22
1.2.4 Требования предъявляемые к сварочным материалам газового оборудования 23
1.2.5 Требования предъявляемые к основным материалам металлических конструкций для котельного оборудования 24
1.2.6 Требования предъявляемые к сварочным материалам металлических конструкций для котельного оборудования 26
1.3 Дефекты сварных соединений 30
1.4 Повреждаемость сварных соединений в период эксплуатации 31
1.5 Анализ сложившейся практики проведения оценки ресурса сварных соединений ТУОПО 32
1.5.1 Разрушающие методы испытаний и оценки остаточного ресурса сварных соединений 33
1.5.2 Неразрушающие методы испытаний и оценки остаточного ресурса сварных соединений 38
1.6 Акустические методы исследования свойств сварных соединений
сталей и сплавов 42
Выводы. Цель и задачи исследований 44
ГЛАВА 2. Функциональная модель управления безопасной эксплуатации сварных соединенийтуопо и методики исследования 46
2.1 Функциональная модель управления безопасной эксплуатации сварных соединений ТУОПО на основе применения спектрально-акустического метода оценки ресурса сварных соединений 46
2.2 Материалы и образцы. Общая структура исследований 54
2.3 Оборудование применявшееся в ходе проведения экспериментальных исследований 56
2.4 Спектрально-акустический метод контроля 58
2.4.1 Аппаратно - программные компоненты многофункциональной установки «Астрон» 59
2.4.2 Методика выполнения контроля поверхностного слоя многофункциональной установкой «Астрон» 67
2.5 Просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах (ПЭМ) 74
2.6 Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 75
2.7 Рентгеноструктурный анализ (РСА) 76 Стр.
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования структурно-фазового состояния сварных соединений туопо 78
3.1 Структурно-фазовое состояние сварного соединения
паропровода из стали 12Х1МФ 78
3.1.1 Микроструктура сварного соединения 78
3.1.2 Типы структур стали 12Х1МФ 80
3.1.2.1 Ферритные зерна 80
3.1.2.2 Фрагментированный феррит 85
3.1.2.3 Дефектный феррит 89
3.1.2.4 Трещины 89
3.1.3 Количественные оценки структуры материала 98
3.1.3.1 Размер зерен 98
3.1.3.2 Объемные доли морфологических составляющих ос-фазы 101
3.1.3.3 Количественные оценки средних параметров структуры 103
3.1.3.4 Количественные оценки параметров структуры в зернах а-фазы 110
3.1.3.5 Количественные оценки параметров структуры во фрагментированной а-фазе 112
3.1.3.6 Количественные оценки параметров структуры в участках материала, содержащих дефектный феррит и микротрещины 115
3.2 Структурно-фазовое состояние сварного соединения из стали 20 119
3.2.1 Структура стали 20 119 Стр.
3.2.2 Фазовый состав. Данные количественных исследований стали 20 121
Выводы к главе 3 129
ГЛАВА 4. Разработка методических рекомендаций по оценке ресурса сварных соединений с применением ПАВ 131
4.1 Результаты акустических измерений выполненных в сварных соединениях трубопроводов ТУОПО 131
4.2 Сравнение результатов исследований сварных соединений спектрально-акустическим методом с данными электронной микроскопии 137
4.3 Разработка комплексного критерия оценки ресурса сварных соединений трубопроводов ТУОПО 145
4.4 Апробация комплексного критерия оценки ресурса сварных соединений трубопроводов объектов котлонадзора 149
Выводы к главе 4 150
Выводы 152
Список литературы
- Требования предъявляемые к основным материалам газового оборудования
- Материалы и образцы. Общая структура исследований
- Микроструктура сварного соединения
- Сравнение результатов исследований сварных соединений спектрально-акустическим методом с данными электронной микроскопии
Введение к работе
з
Актуальность работы
Повышение требований промышленной безопасности к основным материалам и сварным соединениям постоянно стимулирует разработки в области технологии изготовления, контроля качества, эксплуатации, оценки ресурса при проведении ремонтно-восстановительных работ трубопроводов технических устройств опасных производственных объектов (ТУОПО). Для обеспечения их безопасной работы необходимо максимально точно определять структурные изменения, протекающие в сварных соединениях. Это приводит к необходимости поиска новых и усовершенствования существующих методов исследования и контроля качества сварных соединений трубопроводов.
Современные методы и средства неразрушающего контроля нацелены, главным образом, на выявление уже существующих макродефектов.
Применяемые методы неразрушающего контроля (магнитные, вихретоко-вые, рентгеновские и т.д.), не позволяют, в необходимой мере, определять характер изменения структурно-фазового состояния сварных соединений в процессе эксплуатации.
Перспективными в этом плане являются акустические методы. Одним из важнейших достоинств акустических методов является возможность контролировать поверхностные несовершенства в материалах с применением волн Рэлея (поверхностных акустических волн - ПАВ). Известно, что в сварных соединениях ТУОПО накопление микроповрежденности, образование микро- и макротрещин происходит, преимущественно, в поверхностных слоях и применение ПАВ позволят исследовать поверхностные микроструктурные несовершенства в сварных соединениях.
Несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, применение ПАВ для оценки ресурса тормозится недостаточным количеством достоверных научных исследований о связи акустических характеристик со структурно-фазовым состоянием металла сварных соединений трубопроводов на различных этапах их жизненного цикла.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Исследования выполнялись в рамках гранта Министерства образования РФ: «Диагностирование наноструктурированного состояния основного металла и сварных соединений технических устройств опасных производственных объектов для предотвращения техногенных катастроф» (шифр 2009-1.1-223-009-043) и программы Министерства образования РФ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы научно-исследовательские работы по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф» шифр «2009-1.1-223-009».
Цель работы - повышение эффективности оценки ресурса сварных соединений трубопроводов путем установления закономерностей изменения акустических характеристик при эволюции структурно-фазового состояния углеродистых и теплоустойчивых сталей.
Основная идея работы заключается в использовании установленных связей между структурно-фазовым состоянием, внутренними напряжениями и характеристиками распространения акустических волн для повышения надежности сварных соединений ТУОПО.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Определить состояние и методы оценки ресурса сварных соединений трубопроводов ТУОПО;
Разработать функциональную модель управления безопасной эксплуатации сварных соединений ТУОПО на основе применения современного спектрально-акустического метода;
Разработать методическое обеспечение и провести экспериментальные исследования сварных соединений трубопроводов;
Исследовать влияние дально действующих полей внутренних напряжений на величину времени задержки ПАВ в сварных соединениях, на различных этапах их жизненного цикла;
Разработать комплексный критерий и методические рекомендации по оценке ресурса сварных соединений ТУОПО, провести их апробацию и внедрение в промышленность.
Методы решения поставленных задач включают: анализ литературных источников; лабораторные исследования; натурные испытания с обработкой результатов методами математической статистики; научное обобщение полученных результатов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана функциональная модель управления безопасной эксплуатации сварных соединений ТУОПО, представленная в виде информационной системы знаний и закономерностей, позволяющая направленно определять надежность сварных соединений на основании проведения мероприятий по оценке ресурса, учитывающая комплекс физико-механических и акустических свойств;
Впервые установлены зависимости между дально действующими полями внутренних напряжений, амплитудой кривизны-кручения кристаллической решетки и акустическими характеристиками исследованных длительно работающих сварных соединений;
Установлено влияние источников внутренних полей напряжений на время задержки ПАВ, показано, что увеличение плотности изгибных экстинкционных контуров приводит к росту времени задержки ПАВ.
Практическая ценность результатов работы: 1. Разработана комплексная программа исследования состояния поверхностного слоя сварных соединений трубопроводов, в основу которой положен спектрально-акустический метод и электронная микроскопия;
Разработан комплексный критерий оценки ресурса сварных соединений трубопроводов;
Разработаны методические рекомендации по оценке ресурса длительно работающих сварных соединений объектов котлонадзора. Предложенные разработки нашли применение на промышленных предприятиях Кузбасса: ОАО «Кузбассэнерго» Кузбасский филиал Томь-Усинская ГРЭС, КОАО «АЗОТ», ОАО «Угольная компания «Кузбассразрезуголь», ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбасстехэнерго» и ООО «Кузбасский инженерно-консультационный диагностический центр «Надежность».
Достоверность результатов исследований
Решение основных задач базируется на результатах теоретических и лабораторных исследованиях; представленным объемом экспериментальных данных; использованием современного исследовательского оборудования. Большинство полученных результатов согласуются с общими представлениями теории ПАВ и результатами исследований других ученных и специалистов.
Реализация результатов работы.
Результаты научных исследований апробированы и приняты к внедрению в виде методических рекомендаций с суммарным годовым экономическим эффектом 320000 рублей в условиях ОАО «Кузбассэнерго» Кузбасский филиал Томь-Усинская ГРЭС, ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбасстехэнерго» и ООО «Кузбасский инженерно-консультационный диагностический центр «Надежность».
Результаты исследований включены в рабочие программы учебных курсов «Методы контроля сварных соединений», «Проектирование сварных конструкций» для студентов специальности 120500 «Оборудование и технология сварочного производства».
Личный вклад автора заключается:
В разработке функциональной модели управления безопасной эксплуатации сварных соединений ТУОПО и применении ее в проведении работ по оценке ресурса сварных соединений трубопроводов;
В определении физических закономерностей изменения величины локальных полей внутренних напряжений и времени задержки ПАВ;
В разработке комплексного критерия и методических рекомендаций по оценке ресурса сварных соединений спектрально-акустическим методом.
Апробация работы
Основные научные положения докладывались на Российских и международных конференциях: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства», Тольятти, 2006 г.; IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Томск, 2008 г.; VI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2008 г.; Региональной научно-технической конференции, посвященной 15-летию общеобразовательного факультета ТГАСУ «Перспективные материалы и технологии», Томск, 2009 г.
6 Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах (из которых 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов и методических рекомендаций, списка использованной литературы из 137 наименований и 2 приложений. Работа содержит 207 страниц, в том числе 153 страницы основного текста, 76 рисунков, 13 таблиц и приложения на 39 страницах.
Требования предъявляемые к основным материалам газового оборудования
В связи с этим возрастает возможность возникновения аварийных ситуаций в энергетическом секторе.
Остановимся подробнее на условиях эксплуатации сварных соединений работающих под давлением свыше 0,05 МПа и температурой выше 115 С.
Для современного энергооборудования характерно два режима эксплуатации: стационарный режим, при котором все оборудование (паротрубопро-воды, трубы поверхностей нагрева и другие трубные системы) работает длительное время при постоянных параметрах (температуре и давлении); нестационарный режим, при котором в периоды пусков-остановов происходят значительные циклические изменения рабочих параметров. В течение своего длительного срока эксплуатации энергетические установки периодически останавливаются и пускаются в работу. Число пусков-остановов в течение года достигает 30-50 циклов /год при эксплуатации установок в базовом режиме и 150-250 при работе в маневренном режиме. Таким образом, только за 100 тыс. часов эксплуатации оборудование претерпевает более 500 циклов (пусков-остановов) при базовом режиме и более 3000 при маневренном режиме.
При пусках-остановах оборудование испытывает значительные перегрузки (в результате изменения температуры и давления). Напряжения растяжения, возникающие при циклических нагрузках, достигают предела текучести стали, а иногда и превышают эту характеристику [1]. Отсюда можно считать, что энергооборудование работает в условиях малоцикловой усталости.
Кроме того, трубные системы энергооборудования подвержены действию коррозионной среды, термических нагрузок (вплоть до термических ударов), вибрации и т.д. Участие всех этих нагрузок в общей нагруженности системы зависит от конкретной конструкции элементов и условий их работы. Например, паропроводы (соответственно, основной металл и сварные соединения) тепловых и атомных электростанций испытывают воздействие высоких температур (переменных и постоянных), стационарных и переменных на 15 грузок, что обуславливает работу сварных соединений в условиях ползучести и малоцикловой термической усталости.
В процессе эксплуатации происходит ужесточение условий стационарного и нестационарного режимов работы энергооборудования, что требует значительного повышения качества сварных соединений трубных систем электростанций. Вот поэтому решение вопросов оценки остаточного ресурса сварных соединений особенно актуально.
Сварные соединения до приемки оборудования из монтажа или ремонта подвергаются обязательному неразрушающему контролю (НК).
После проведения сварочно-монтажных, либо ремонтных работ трубные системы электростанций (перед приемкой и пуском оборудования в эксплуатацию) подвергают гидравлическим испытаниям согласно требованиям нормативно-технической документации. Эти испытания проводятся с целью выявления макродефектов (свищей, трещин и т.д.)-при максимальном давлении воды, превышающее рабочее давление среды, на 25% в течение 5 мин, далее давление снижают до рабочего и проводят обследование (визуальный и измерительный контроль - ВИК) всех элементов с остукиваием молотком сварных соединений. При гидравлических испытаниях сварные соединения испытывают статические нагрузки, однако, уровень временных статических напряжений в различных участках различается. Так, например, в зонах расположения технологических и конструктивных дефектов (непроваров, несплавлений; узких зазоров между подкладными кольцами и поверхностями труб и т.д.) эти напряжения в 1,5 - 3 раза и более превышают номинальные. В зонах концентрации напряжений с хрупкими прослойками и зоне термического влияния сварки (ЗТВ) возможно образование холодных микротрещин, выявление которых существующими методами неразрушающего контроля весьма проблематично. Элементы с подобными трещинами могут быть оставлены в эксплуатации, что в конечном итоге может привести к аварийной остановке котлоагрегата. Образование охрупченных участков в металле шва вызвано рядом факторов, которые будут рассмотрены в следующих разделах. После проведения ремонтных работ на длительно-работающем оборудовании необходимо учитывать тот факт, что при эксплуатации происходит охрупчивание металла (критическая температура хрупкости сдвигается в область положительных температур на 10 - 20 С), следовательно, гидроиспытания эксплуатируемых трубных систем после ремонта должны проводиться при температурах, например - (50 - 70 С) + Ткр, где Ткр - критическая температура хрупкости. Перед пуском котлоагрегатов в работу выполняют продувку станцион-ных трубопроводов давлением пара в пределах 30 кГс/см со скоростью прохождения внутри трубопроводов 50 - 60 м/с. В этих условиях сварные соединения подвергаются воздействию ударных нагрузок от посторонних предметов, попавших в трубопровод при монтаже оборудования. Эти нагрузки часто не берутся во внимание, но зачастую они очень опасны.
При стационарном режиме, рабочие напряжения становятся несколько ниже допускаемых (напряжение и давление - постоянны) и металл работает в условиях ползучести. При переменном режиме температура и давление резко изменяются, что приводит к возникновению компенсационных изгибающих напряжений. В сварных соединениях при наличии концентраторов напряжений локальные изгибные напряжения могут возрастать в несколько раз, а металл работать в условиях малоцикловой усталости.
Материалы и образцы. Общая структура исследований
В работах ВТИ [26,27] установлено, что значительное разупрочнение металла околошовной зоны сварных соединений представляет опасность при воздействии повышенных изгибающих нагрузок, особенно для замыкающих стыков [28].
На сегодняшний день особо остро стоит вопрос оценки надежности длительно-работающих сварных соединений конструкций топливно-энергетического комплекса. Существующие методы оценки в основном нацелены на испытание материалов при высоких температурах и обработку экспериментальных данных по длительной прочности и ползучести. Следовательно, для получения точных экспериментальных данных характеристик длительной прочности, время испытания должно составить не менее 10... 15% от экстраполируемого срока службы [29-32].
На сегодняшний день используется множество методов в оценке надежности жаропрочных материалов. Так согласно B.C. Ивановой [33] существующие методы можно разделить следующим образом: - графо-аналитические методы, учитывающие температурно-временное подобие, отражающееся в геометрическом характере кривых длительной прочности [34]; - методы, использующие уравнения состояния, отражающего общие закономерности ползучести [29,32,35]; - методы, основанные на параметрических зависимостях [29] и другие экспресс-методы, базирующиеся на различных физических предпосылках [36-37]. Методы, основанные на использовании уравнения состояния, считаются наиболее разработанными. В СО 153-34.17.471-2003 («Методические указа 37 ния по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов») для получения характеристик жаропрочности на заданный ресурс и для ускоренного определения их на срок службы сверхрасчетного, использован метод, основанный на решении уравнения состояния следующего вида [38-39]: 5 = ехр(а7)Т- 4(5н + Ь:)ехр[-Ьі-Су-г5:), (1.1) где Sg — скорость ползучести в текущей точке кривой, ч \а0 — истинное макронапряжение, МПа; 8и - остаточное удлинение при нагружении, мм/мм; 5"п — деформация ползучести, мм/мм; Т — температура испытания, К; т, а7, Ъъ с7, г - коэффициенты, характеризующие свойства материала и физические закономерности при ползучести.
В работах В. И. Ковпака [40-43] рассматривается метод обработки экспериментальных данных и прогнозирования длительной прочности материалов, основанный на гипотезе эквивалентной повреждаемости. Им доказано [44], что по результатам испытаний при более высоких температурах можно прогнозировать характеристики жаропрочности на более низкие температуры, однако в таком случае необходимо учитывать структурный фактор, который оказывает значительное влияние на результаты прогноза.
Результаты испытаний на длительную прочность часто обрабатывают в параметрических координатах. Наиболее распространены зависимости Лар-сена-Миллера и Мансона-Хаверда [29].
В связи с тем, что вышеизложенные методы требуют длительного периода испытаний, то на практике они не нашли должного применения. На практике все больше и больше применяются экспресс-методы оценки жаропрочности, строящиеся на изменении различных структурных, физических и механических характеристик металла длительно-работающих сварных конструкций.
Доктор технических наук В. И. Куманин [47-49] предложил метод оценки эксплуатационной надежности жаропрочных материалов путем опре 38 деления его плотности. Данный метод можно считать наиболее быстрым методом оценки жаропрочности. Он отличается высокой чувствительностью и отражает влияние на жаропрочность совокупности технологических, структурных и эксплуатационных факторов, которые могут привести к образованию микродефектов.
А. А. Бочваром в 1947 году [50] предложен метод оценки жаропрочности по длительной твердости, которой заключается в определении зависимости твердости материалов при рабочей температуре от времени выдержки под нагрузкой. Имеется целое направление работ о взаимосвязи эксплуатационной надежности, предела длительной прочности с различными структурными параметрами сталей. Так В. Ф. Злепко с сотрудниками [51-52] для оценки эксплуатационной надежности стали 12Х1МФ, предлагают использовать плотность дислокационных ямок травления. Ю. М. Гофман [53] показал, что между длительной прочностью и содержанием молибдена в твердом растворе хромомолибденовых сталей существует корреляционная связь.
Для более достоверной оценки жаропрочности необходим интегральный физический метод исследований, базирующийся на регистрации изменений структурных основных характеристик металла, в том числе и сварных соединений в процессе длительной эксплуатации оборудования.
Как ранее подчеркивалось, неразрушающие методы контроля (НК) включают в себя безобразцовые испытания и непосредственно дефектоскопию. К основным безобразцовым методам относят методы измерения твердости непосредственно на оборудовании. В производственных условиях для обеспечения высокого качества сварки после термической обработки монтажных сварных соединений обязательно проведение целого ряда контрольных операций, из которых самой объективной является измерение твердости. Измерения проводят с помощью переносных твердомеров статического (ТПСЛ - 10, ТПП - 10, ТПП - 2, ТКП - 1, МЭИ - 17 и др.) или динамического действия («Польди», ВПИ - ЗК, ТОП - 1, ВПИ - 2, КПИ - ВР и др.). Принципиальное отличие между приборами заключается в способе приложения нагрузки к индентору. В последнее время широко применяются акустические твердомеры, с помощью которых по скорости распространения ультразвуковых колебаний в основном металле и металле шва определяется твердость. Акустические способы измерения твердости основаны на методе контактного импеданса. Интерес для производственников представляют бесконтактные измерители твердости. Например, ВС-4 (изготовитель - ГлавДиагностика Москва).
Наиболее распространенными в промышленности методами неразру-шающего контроля (дефектоскопии) качества сварных соединений являются акустический (ультразвуковой), радиографический, магнитопорошковый и капиллярный.
Принято, что под термином неразрушающие физические методы контроля понимают виды контроля, обладающие двумя характерными признаками - метод основанный на взаимодействии физических полей или веществ с дефектами и метод не приводящий к разрушению (повреждению) контролируемого объекта.
Ни один из методов НК не универсален, поэтому при оценке работоспособности сварных соединений очень важен не только правильный выбор метода контроля, но и комбинирование ряда методов, сочетание неразру-шающих и разрушающих испытаний, а так же проведение микроскопического исследования и т. д.
Микроструктура сварного соединения
Просвечивающая электронная микроскопия один из наиболее информативных методов исследования структуры металлов и сплавов, дающий возможность получить изображение с высоким разрешением (вплоть до Ы) и дифракционные картины одного и того же участка образца. При оценке технического состояния результаты, полученные с помощью электронной микроскопии используются для разработки новых методик контроля и оценки основного металла и сварных соединений, установление закономерностей между параметрами микроструктуры и взаимодействующими с материалом заданными физическими полями.
Наибольшее распространение получили просвечивающие электронные микроскопы, в которых поток электронов проходит через изучаемый объект. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Схема просвечивающего электронного микроскопа принципиально сходна со схемой светового микроскопа. Электронный пучок здесь формирует система специальных линз. Общее увеличение микроскопа может варьироваться от нескольких тысяч до 500000 и более раз в микроскопах лучших современных конструкций. При исследовании структуры применяют прямойи косвенный методы.
Косвенный метод - металлографические шлифы «непрозрачны» для электронов, поэтому в просвечивающих электронных микроскопах изучают не металл, а лаковый, кварцевый или более часто угольный слепок, полученный с поверхности образца. Так как микрорельеф протравленного шлифа отражает микроструктуру и его химическую неоднородность, изучение такого рельефа дает определенную информацию о тонких деталях микроструктуры. Косвенный метод применяют ограниченно из-за трудностей однозначной трактовки эффектов контрастности на изображении и идентифицирования различных структурных составляющих. Прямой метод электронно-микроскопического исследования дает наибольшую информацию о микроструктуре объекта, которым служит тонкая металлическая фольга прозрачная или полупрозрачная для электронов. Получают ее либо путем осаждения паров в вакууме, либо путем утонения (растворения) массивных образцов до 100-200 ангстрем. Дифракционный контраст изображения возникает вследствие различия в интенсивности неоткло-ненного и дифрагированного пучков электронов. Подробно о электронно-микроскопических методах исследования микроструктуры изложено в специальной литературе [97-100].
Для исследования структурно-фазового состояния длительно работающих сварных соединений ТУОПО применялся прямой метод на тонких фоль-гах.
Растровый электронный микроскоп формирует изображение объекта при сканировании его поверхности электронным зондом. РЭМ является одним из наиболее перспективных и универсальных приборов для исследования микроструктурных характеристик металла. По темпам развития и количеству моделей РЭМ опережает просвечивающую микроскопию.
В РЭМ поверхность исследуемого массивного образца облучается стабильным во времени тонко сфокусированным электронным зондом, совершающим обратно-поступательное движение по линии или развертывающимся в растр. При взаимодействии зонда с веществом образца в каждой точке поверхности происходит ряд эффектов, которые регистрируются соответствующими датчиками. РЭМ оказывает неоценимую помощь при исследовании и анализе разрушений объектов повышенной опасности. РЭМ позволяет выявить место зарождения трещины, характер излома, характер распределения и уровень дей 76 ствующих напряжений в процессе разрушения, установить причину аварии и решать многие другие прикладные задачи технического диагностирования. Основная область применения РЭМ в металловедении — фрактография. Этот метод предусматривает получения качественной или количественной информации о строении изломов при визуальном их рассмотрении.
Именно в области фрактографии преимущества РЭМ перед другими микроскопами проявляется особенно ярко. Основные области применения РЭМ во фрактографии: контроль качества металлов; изучение механизма разрушения при различных видах нагружения; анализ изломов и т. д. Фракто-графический метод - основной при определении критических температур вязко-хрупкого перехода.
Применение РЭМ в исследовании сварных соединений, позволит получить количественную информацию о строении изломов, характер и уровень распределения действующих напряжений в процессе разрушения для дальнейшего сопоставления с результатами акустических измерений [97].
Рентгеноструктурный анализ это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения.
Важной областью применения рентгеновских лучей является рентгенография металлов и сплавов, которая превратилась в отдельную отрасль науки. Понятие «рентгенография» включает в себя, наряду с полным или частичным рентгеноструктурным анализом, также и другие способы использования рентгеновских лучей - рентгеновскую дефектоскопию (просвечивание), рентге-носпектральный анализ, рентгеновскую микроскопию и другое.
При техническом диагностировании РСА применяется для определения структуры чистых металлов и многих сплавов. Ни одна диаграмма состояния металлических сплавов не может считаться надёжно установленной, если данные сплавы не исследованы методами рентгеноструктурного анализа.
Для исследования атомной структуры применяют излучение с длинной волны равной 0,1 нм, т. е. порядка размеров атомов. Для создания условий дифракции и регистрации излучения служат рентгеновские камеры, рентгеновские дифрактометры и рентгеновские гониометры. Рассеянное рентгеновское излучение в них фиксируется на фотоплёнке или измеряется детекторами ядерных излучений. В зависимости от состояния исследуемого образца и его свойств, а также от характера и объёма информации, которую необходимо получить, применяют различные методы РСА.
В ходе рентгеноструктурного анализа исследуемый образец помещают на пути рентгеновских лучей и регистрируют дифракционную картину, возникающую в результате взаимодействия лучей с веществом. На следующем этапе исследования анализируют дифракционную картину и расчётным путём устанавливают взаимное расположение частиц в пространстве, вызвавшее появление данной картины.
Сравнение результатов исследований сварных соединений спектрально-акустическим методом с данными электронной микроскопии
Как утверждают авторы ряда работ [70, 73, 85, 100, 117-118, 121], ими были установлена очевидность изменения ультразвуковых импульсов в зависимости от механических и структурных характеристик ряда сплавов.
Авторы [119-120] утверждают, что дислокации являются основными физическими носителями полей напряжений, как распределенных, так и сосредоточенных на контурах трещин.
Спектрально-акустическим методом измеряли, время задержки ПАВ при перемещении по образцам сварных соединений. Для установления влияния параметров микроструктуры на время задержки ПАВ детально были исследованы 62 сварных соединения трубопроводов работающих в топливно-энергетическом комплексе и объектах газового хозяйства. Измерения времени задержки ПАВ выполняли на тех же образцах сварных соединений, на которых исследовали микроструктуру. В качестве примера представлены результаты трех основных марок сварных соединений, отработавших свой расчетный срок. Это сварное соединение паропровода из стали 12Х1МФ, сварное соединение газопровода из стали 20 и сварное соединение металлической конструкции (сталь 09Г2С).
Методика выполнения акустических измерений подробно изложена в разделе 2.4.2 настоящей диссертации. Основные результаты значений времени задержки ПАВ (RQJ, R02, Rtoi, RtQ2) и изменение величины времени задержки ПАВ (AR) по сечению сварных соединений приведены в таблице 4.1., где Roi — среднестатистическое время задержки ПАВ поляризованной вдоль сварного соединения (исходное состояние), не; Rtoi - среднестатистическое время задержки ПАВ поляризованной вдоль сварного соединения контролируемых элементов, не; R02 - среднестатистическое время задержки ПАВ поляризованной перпендикулярно сварному соединению (исходное состояние), не; Rt02 - среднестатистическое время задержки ПАВ поляризованной перпендикулярно сварному соединению контролируемых элементов, НС
Представленные результаты замеров, отражают характер изменения величины времени задержки ПАВ относительно сечения сварного шва. Результаты экспериментов статистически значимы. В каждой точке проведено не менее 24 замеров, данные измерений обработаны программой «STATISTICA» с доверительной вероятностью 0,95.
В-результате анализа экспериментальных данных (рис 4.1- 4.4) установлено, что время задержки ПАВ является чувствительным параметром и изменяется по сечению сварного соединения.
Наибольшее время задержки ПАВ происходит на участках ЗТВ сварки. Из графиков (рис 4.1-4.3) видно, что величина времени задержки ПАВ (R0j, R02 и Rt0i, Rto2) по сечению сварных соединений не совпадают. Как известно, сварные соединения в большинстве своем анизотропны [122-126], что и объясняет изменение времени задержки ПАВ поляризованной перпендикулярно и вдоль сварного соединения (AR изменяется от 2 до 20 не) в одном и том же сварном соединении.
Сварное соединение металлических конструкций для котельного оборудования из стали 09Г2С R oi 5784 5796 5795 5796 5789 ARoi 0 12 11 12 5 Ro2 5779 5788 5786 5790 5773 AR02 6 15 13 17 0 Rtoi 5825 5860 5845 5881 5800 ARtoi 25 60 45 81 0 Rt02 5831 5870 5852 5890 5808 ARm 23 62 44 82 0 Экспериментально доказано, что время задержки ПАВ возрастает 134 до 91 не и более в сварных соединениях на разных этапах «жизненного цикла» по сравнению с исходным состоянием. Эта величина изменяется в зависимости от условий и сроков эксплуатации.
Изменение акустических характеристик происходит не случайно, а вызвано снижением скорости прохождения ультразвуковой волны в сварном соединении за счет изменения структурно-фазового состояния металла длительно работающих сварных соединений.
Для установления причины изменения времени задержки ПАВ в сварных соединениях, необходимо сопоставить полученные результаты с данными электронной микроскопии.
Интересно сопоставить результаты полученные, методами электронной микроскопии и спектрально-акустическим методом на образцах длительно работающих сварных соединениях из сталей 20, 09Г2С и 12Х1МФ. В работах [121, 127] были исследованы и сопоставлены результаты этих методов на образцах длительно работающих сварных соединениях из сталей 17ГС, 16Г2АФ и16М.
Методом электронной микроскопии была изучена структура при перемещении по образцу от основного металла к зоне разрушения. Полученные количественные характеристики структуры представлены и описаны в предыдущих разделах. Было установлено, что наиболее серьезные изменения, происходят в ЗТВ сварки. Именно там появляются микротрещины и резко возрастают внутренние напряжения. Таким образом ЗТВ сварки является участком концентрации напряжений и именно здесь может произойти разрушение образца сварного соединения.
Еще раз подчеркнем, что исследования, выполненные спектрально-акустическим и электронно-микроскопическими методами были проведены на одном и том же образце и в одних и тех же участках разрушенного сварного соединения паропровода из стали 12Х1МФ.
Анализ поверхностного слоя сварного соединения показал, что здесь формируются дальнодействующие поля внутренних напряжений, вызванные появлением изгибных экстинкционных контуров, вследствие чего возрастает амплитуда локальных (моментных) напряжений (рис. 4.5). Последнее свидетельствует об увеличении количества концентраторов напряжений в структуре сварного соединения.
