Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 621.791:62-12.81:669.07

ВПЛИВ СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНОЇ АНІЗОТРОПІЇ СТАЛЕВОГО ПРОКАТУ НА ОПІР ШАРУВАТИМ РУЙНУВАННЯМ ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.03.06 “Зварювання та споріднені технології”

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

РАБКІНА Мар'яна Данилівна

Київ 2007

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий консультант: академік НАН України доктор технічних наук, професор Лобанов Леонід Михайлович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України доктор технічних наук, професор Похмурський Василь Іванович Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, заступник директора з наукової роботи

член-кореспондент НАН України доктор фізико-математичних наук, професор Красовський Арнольд Янович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, головний науковий співробітник

член-кореспондент НАН України доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кир'ян Валерій Іванович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом

Провідна установа: ВАТ “Український науково-дослідний і проектний інститут сталевих конструкцій ім. В.М. Шимановського” Державного комітету будівництва, архітектури і житлової політики України, м. КиївЗахист відбудеться “17” травня 2007 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “16 ” квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Шаруватому розтріскуванню (Lamellar tearing) зварних конструкцій довгий час не надавали особливого значення. Проте збільшення браку, відмічене в другій половині XX століття внаслідок цього виду руйнування, різко виділялося на загальному фоні руйнувань усіх типів конструкцій. В першу чергу це стосувалося морських стаціонарних платформ (МСП), призначених для освоєння підводних родовищ нафти та мостових пролітних будов.

Для шаруватих тріщин, утворюваних у специфічних видах з'єднань, характерним є їх розташування на стику метал ЗТВ-основний метал, а також ступінчаста форма, що дозволяє відрізняти їх від холодних тріщин. Текстура прокату і надто низькі значення в'язкості руйнування у поєднанні зі складним напруженим станом, що виникає при зварюванні, монтажі і експлуатації великогабаритних конструкцій в місцях Т-подібних та інших кутових з'єднань, викликає збільшення тріщин нормального відриву в оболонках конструктивних елементів. Умови формування текстури як на мікро-, так і на макрорівнях закладені в самому процесі отримання листа. Повністю уникнути її практично неможливо навіть при сучасних передових технологіях. Проблема полягає в тому, яким чином подолати її негативний вплив, оскільки усунення наслідків руйнувань коштує набагато дорожче, ніж проведення профілактичних робіт. Це послужило підставою для узагальнення і прогнозування можливих характерних пошкоджень з урахуванням структурно-текстурних особливостей прокату та умов експлуатації зварних конструкцій, зокрема у водневовмісних середовищах. Особливо актуальні такі дослідження останнім часом, коли з'явилася гостра потреба в оцінці працездатності відповідальних зварних конструкцій - мостів, трубопроводів, посудин тиску та інших об'єктів тривалої експлуатації - у зв'язку з вичерпанням їх нормативного ресурсу. Складність "водневої проблеми" посилюється через відсутність єдиного методологічного підходу до проведення досліджень і узагальнень при аналізі аварійних ситуацій, що перш за все обумовлено різноманітністю водневовмісних середовищ.

Дисертаційна робота виконана в ІЕЗ ім. Є.О. Патона Національної академії наук України відповідно до планів фундаментальних і прикладних робіт за такими темами: 12/3 „Розробити методи визначення впливу воднево-шарових та інших характерних експлуатаційних дефектів на міцність і працездатність зварних конструкцій у нафтохімічній та енергетичній галузях промисловості” (0100U004934); 12/12 „Розробити методи та визначити припустимі значення ударної в'язкості конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань на основі критеріїв механіки руйнування та стандартних випробувань з метою забезпечення тріщиностійкості відповідальних зварних конструкцій” (0103U005430); 12/13 „Дослідити експериментальними та розрахунковими методами вплив експлуатаційних пошкоджень на статичну і циклічну міцність посудин тиску та трубопроводів” (0106U004520); „Исследовать материалы, прочность узловых сварных соединений при статическом и периодическом нагружении, разработать технологию изготовления трубчатых конструкций применительно к морским стационарным платформам” (пр. №487 от 17.11.82); „Создать расчетную систему определения трещиностойкости при замедленном и динамическом нагружении сварных конструкционных сталей на основе программного моделирования структурных параметров материала и термодеформационного цикла сварки” (пр. №32 от 11.02.92); „Розробка розрахункових методів оцінки холодостійкості зварних конструкцій на базі силових та деформаційних критеріїв крихкого руйнування”(постанова КМ України №22547/96 від 11.11.97); а також цільової наукової програми 12/33 „Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями” (0102U003953).

Представлена робота є узагальненням теоретичних основ і вирішенням наукової проблеми розробки металургійних і технологічних принципів запобігання шаруватим руйнуванням зварних сталевих конструкцій, зокрема при дії водневомісних середовищ.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було встановити закономірності розвитку шаруватих руйнувань зварних з'єднань і розробити методи їх попередження на всіх етапах створення і експлуатації зварних конструкцій, з урахуванням текстури основного металу і умов експлуатації, включаючи температуру, навантаження і дію водневовмісних середовищ.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні завдання:

- вивчити мікромеханізм шарувато-крихких і шарувато-в'язких руйнувань в широкому діапазоні температур;

- вивчити закономірності виникнення і поширення низько температурного шаруватого розтріскування з урахуванням особливостей кристалографічної текстури; ізотропність метал розтріскування руйнування

- вивчити вплив кристалографічної і структурної текстури металу на особливості розвитку шарувато-водневих розтріскувань;

- забезпечити структурну і механічну ізотропність металу для підвищення в'язкості низьколегованих сталей при використанні можливостей контрольованого прокату;

- уточнити з урахуванням структурно-механічної анізотропії прокату негативні наслідки впливу зварювання на особливості формування структури і властивості металу ЗТВ, провести аналіз аномальної залежності характеристик тріщиностійкості від розмірів структурних елементів;

- застосувати результати практичної діагностики для визначення впливу водневовмісного середовища на формування експлуатаційних дефектів у зварних конструкціях нафтопереробного комплексу з урахуванням структурно-механічної анізотропії конструкційних матеріалів;

- провести лабораторні дослідження, зокрема випробування на тривалу міцність і повзучість окремих фрагментів устаткування, для встановлення його залишкового ресурсу експлуатації в сірчановодневовмісних середовищах.

Об'єкт дослідження - опір зварних конструкцій шаруватим руйнуванням.

Предмет дослідження - структурно-механічна анізотропія прокату низьколегованих, тепло- та корозійностійких сталей для зварних конструкцій.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач і отримання основних результатів застосовували різні методи дослідження, зокрема: металографічний аналіз для виявлення структурних особливостей низьколегованих (гарячекатаних і контрольованого прокату), а також тепло- і корозійностійких сталей, а також їх зварних з'єднань; рентгенівський текстурний аналіз (за допомогою побудови полюсних фігур) для виявлення кристалографічної орієнтації сталевого прокату; рентгенівський структурний аналіз (шляхом вимірювання розширення профілю інтенсивності рентгенівської лінії) для кількісної оцінки взаємозалежності пластичної деформації і тонкої структури низьколегованої сталі; електронно-мікроскопічний аналіз для визначення дислокаційної структури і фазового складу низьколегованих і хромомолібденових сталей; хімічний спектральний аналіз для визначення вмісту елементів в основному металі і металі зварних з'єднань всіх типів сталей, що вивчаються; загальний газовий і локальний лазерний мас-спектральний аналізи для визначення кількості і розподілу водню, вуглецю, кисню і азоту в металі; мікрофрактографічний аналіз для вивчення поверхні руйнування; механічні випробування короткочасної і тривалої міцності, а також - на ударний вигин основного металу і металу зварних з'єднань для оцінки схильності сталі до крихких руйнувань. Доцільність такого підходу обумовлена труднощами, пов'язаними з аналізом великої кількості станів у процесі роботи, а також необхідністю детальнішого дослідження окремих, недостатньо вивчених, питань.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше встановлено існування двох видів шаруватого розтріскування - низько- та високотемпературного. Низькотемпературне характеризується зниженням в'язкості руйнування на "нижньому шельфі" її температурної залежності і підвищенням температури крихко-в'язкого переходу Т_х; високотемпературне - зниженням в'язкості руйнування на "верхньому шельфі" її температурної залежності без помітної зміни Т_х.

Встановлено основну причину розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування в сталях контрольованого прокату, що обумовлена переважною наявністю в прокаті сімейства кристалографічних площин сколу {001} <011>, перпендикулярних дії максимальних нормальних напружень.

Розроблено розрахункові методи визначення характеристик тріщиностійкості металу і за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів структурних елементів. Визначено, що зменшення у 2,5 рази за наявності феритної облямівки істотного впливу на значення не надає; збільшення в 2,0...2,5 рази приводить до підвищення Т_х на 30...50 °С.

Визначено умови утворення міхурів і поширення шарувато-водневих тріщин унаслідок дифузії водню в зону пружно-пластичного спотворення кристалічної решітки. Встановлено, що термін служби зварних конструкцій у водневовмісних середовищах залежить від розвитку тріщин, обумовленого тиском водню і/або метану всередині несуцільностей і щільністю площин сколу сімейства {001} <011>, при незначних змінах в'язкості руйнування металу біля вершини тріщини.

Виявлено аномальні структурні перетворення в металі оболонок зварних конструкцій з низьколегованих і хромомолібденових сталей - зневуглецювання низьколегованих сталей, яке успадковує текстуру матеріалу і протікає при невисоких значеннях температури (~60 °С) і тиску пари вуглеводів () та вуглецювання хромомолібденових сталей, доказом чого є локальне насичення вуглецем приповерхневих шарів металу і наявність карбіду Cr₃C₂.

Практичне значення. Отримані результати досліджень, з урахуванням текстурних особливостей матеріалів і умов експлуатації, дозволили пояснити причини експлуатаційних руйнувань зварних конструкцій, що не вдавалося зробити на основі традиційних уявлень. Для запобігання появи шаруватих тріщин при експлуатації зварних конструкцій були висунуті вимоги до низьколегованих сталей, які разом із вмістом неметалічних включень і рівнем вуглецевого еквіваленту обмежують не тільки мінімальні, але і максимальні нормативні значення і . Для відповідальних конструкцій (мостів, вузлів МСП та інших Т-подібних з'єднань) рекомендовано використовувати сталі в нормалізованому стані, виключати застосування трубних сталей контрольованого прокату для виробництва несучих конструкцій глибоководних морських стаціонарних платформ через низький опір трубчастих вузлів шарувато-крихким руйнуванням при відносно низьких температурах (до мінус 10 єС). Обрано оптимальні режими термомеханічної обробки, що забезпечують необхідні характеристики товстолистового сталевого прокату. Вказані рекомендації знайшли застосування при розробці ТУ-14-1-4329-87 “Прокат толстолистовой из стали марок 09Г2С и 12ХГДАФ для сварных металлоконструкций морских стационарных платформ”. Розроблені сталі використовували при виготовленні конструкцій МСП в акваторії північних морів. Результати досліджень структурно-механічних характеристик прокату дозволили розробити вимоги до будівельних сталей для відповідальних зварних конструкцій, які гарантують виключення шарувато-в'язких руйнувань (ГОСТ 28870-90. Сталь. Методы испытания на растяжение толстолистового проката в направлении толщины. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 9 с.) Результати досліджень шарувато-водневих розтріскувань низьковуглецевих і низьколегованих сталей та шарувато-ерозійних пошкоджень теплостійких сталей знайшли безпосереднє застосування при діагностиці і ремонтно-відновлюваних процесах конструкцій нафтопереробного комплексу. Теоретичні положення і практичні рекомендації по відновленню деталей машин і механізмів зварюванням та наплавленням використовують в учбовому процесі Київського національного аграрного університету.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі авторові належать: постановка мети і обґрунтування завдань дослідження, вибір наукових підходів до їх вирішення, планування і проведення експериментів по вивченню формування механічної анізотропії з урахуванням кристалографічної орієнтації прокату низьколегованих і хромомолібденових сталей. Особисто автором виконано обробку і аналіз усіх експериментальних даних, сформульовано висновки за наслідками досліджень структурно-текстурних чинників, відповідальних за схильність зварних конструкцій до шаруватих руйнувань у процесі експлуатації [1-4, 7, 11, 13, 27, 34, 35]. За участю автора розроблено модель розвитку шарувато-водневого розтріскування, яка дозволила оцінювати можливості подальшої придатності конструкцій [9, 10, 12, 15-17, 29, 30]. Автором встановлено закономірності спільного і роздільного впливу низки структурних параметрів на службові характеристики зварних конструкцій морських стаціонарних платформ, залізничних мостів та інших відповідальних споруд [6, 8, 14, 18, 28, 35, 37 ].

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації докладалися і обговорювалися на міжнародних, всесоюзних, республіканських та міжвідомчих науково-технічних конференціях і семінарах: 2-му Всесоюзному семінарі „Физико-химическая механика хрупкого разрушения конструкционных материалов” (м. Славськ, 1985 р.); VI Всесоюзній конференції “Физика разрушения” (м. Київ, 26-28 вересня 1989 р.); науково-технічній конференції “Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов” (м. Іжевськ, 21-23 листопада, 1989 р.); Міжнародній конференції “Зварні конструкції” (м. Київ, 1990 р.); Eight international conference of fracture (Kyiv, 1993 y.); III Міжнародному симпозіумі “Сварка и родственные технологии: расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварных конструкций ответственного назначения” (м. Мінськ, березень, 2003 р.); 4-й Національній науково-технічній конференції і виставці “Неруйнівній контроль та технічна діагностика” (м. Київ, травень, 2003 р.); Міжнародній конференції “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций” (м. Київ, листопад, 2003 р.)

Публікації. По темі дисертації опубліковано 39 робіт, зокрема 23 статті в академічних журналах, збірках наукових робіт і матеріалах конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 377 сторінок, включаючи 69 таблиць, 104 малюнків, список літератури з 279 найменувань на 25 сторінках і додатків на 60 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні завдання досліджень, описано об'єкт і методи досліджень, зазначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів з виділенням особистого внеску автора.

Перший розділ присвячено питанням створення і гарантування безпечної експлуатації зварних конструкцій, у тому числі й у водневовмісних середовищах. Вирішення різних аспектів цієї проблеми пов'язане з іменами А.Ю. Асніса, В.І. Кир'яна, А.Я. Красовського, Л.М. Лобанова, В.І. Махненка, І.А. Махутова, Б.І. Медовара, Ю.В. Мільмана, В.І. Новікова, В.В. Панасюка, Б.Є. Патона, Г.С. Писаренка, В.І. Трефілова, В.М. Шимановського, К.А. Ющенка, зарубіжних дослідників Д. Дискинсона, Дж. Ломбардини, В. Уілсона та інш. Проблема взаємодії водню з металами як при експлуатації, так і в процесі зварювання знайшла відображення в роботах О.Є. Андрейківа, Ю.І. Арчакова, Г.М. Григоренка, Б.А. Колачева, В.І Похмурського, І.К. Походні, О.Д. Сміяна та інш.

Причини виникнення ряду руйнувань зварних конструкцій, які формально вважають крихкими, в'язкими або втомними, не завжди відповідають прийнятим уявленням. Це свідчить про недосконалість класифікації видів руйнувань і вимог, що висуваються до конструкційних матеріалів. Слід підкреслити, що механічна анізотропія металу не мала великого значення доти, поки використовували клепані і болтові з'єднання, оскільки в них практично відсутня передача зусиль у напрямку товщини прокату. На відміну від цього конструктивно-технологічні особливості зварних вузлів обумовлюють як на стадії виготовлення, так і експлуатації появу розтягуючих напружень у напрямку товщини прокату.

Дж. Фішер і Д. Мертц спостерігали численні шаруваті тріщини в доброякісних зварних фермах після транспортування, монтажу і експлуатації. Б. Йогансон, С. Кйєлендер і Н. Лейд описують утворення 28 тріщин в процесі будівництва серії великих танкерів. П. Бар, Дж. Левіс и П. Митчел відзначають характерну рису шаруватих тріщин в області виготовлення морських стаціонарних платформ - виявлення їх на пізніх стадіях зварювання. Усунути такий дефект дуже важко. Крім того, додатковий негативний вплив має окрихчення, яке прискорює шарувате руйнування за рахунок роздільної або спільної дії деформаційного старіння в області середніх температур (200…350 °С), а також водневого окрихчення в області низьких температур (<150 °С). Спочатку вважали шарувате розтріскування виключно приповерхневим пошкодженням у зоні зварного шва, утвореним внаслідок об'єднання численних переривистих подовжених включень під впливом термодинамічного циклу зварювання. Необхідною і достатньою умовою усунення цього дефекту вважали надання округлої форми неметалічним включенням і (по можливості) обмеження їх вмісту в основному металі. Це дозволило значною мірою зменшити ризик виникнення такого виду пошкодження, але не виключало його повністю. При цьому шарувате розтріскування не пов'язували з кристалографічною текстурою катаного металу. Проте, як показав досвід, навіть у відносно чистих стосовно неметалічних включень сталях контрольованого прокату при температурах, нижчих за кімнатну, схильність до шаруватих руйнувань залишалася, що змусило звернути увагу на існування цього виду текстури та її ролі в пластичності і в'язкості металу.

Таким чином, якщо шляхом мінімізації вмісту неметалічних включень і надання їм безпечної форми вдається знизити ризик виникнення шаруватих розтріскувань при температурах вищих за температуру крихко-в'язкого переходу, то при температурах нижчих за Т_х така проблема залишається.

У першому випадку цього можна досягти завдяки використанню сучасних способів рафінування і подрібнення зерна при литві, основна ідея яких, закладена Б.Є. Патоном, Б.І. Медоваром та В.І. Лакомським, полягає в отриманні чистої сталі способами електрошлакового і плазмового переплаву - невід'ємних складових сучасної технології виробництва відповідальних зварних конструкцій. Що стосується другого випадку, де переважно проявляється кристалографічна текстура металу, то на її формування впливає насамперед температура кінця прокату. Наявність гострої кристалографічної текстури підвищує опір матеріалу крихким руйнуванням в умовах плоского напруженого стану (магістральні газопроводи), але може призвести до істотного зниження міцності просторових зварних вузлів. У зв'язку з цим виникає потреба у розробці спеціальних вимог до сталей для відповідальних зварних конструкцій з поліпшеними характеристиками міцності, суцільності металопрокату, в'язкості руйнування і зварюваності. Останнім часом, особливо за кордоном (І. Бессіо, І. Брейд, Г. Гаянетто, Д. Еванс, М. Сузукі та інш.), досягнуто істотного прогресу в області виробництва сталей за рахунок спільного використання мікролегування елементами, що утворюють оксикарбонітриди та термомеханічної обробки. Завдяки вдосконаленню технології контрольованого процесу прокату за участю ЦНДІЧОРМЕТ ім. І.П. Бардіна, ІЕЗ ім. Є.О. Патона та ЦНДІПСК ім. М.П. Мельникова на МК “Азовсталь” вдалося частково запобігти формуванню гострої кристалографічної текстури.

Доцільно проводити систематичні дослідження з метою виявлення негативних особливостей структури і властивостей металу ЗТВ, оскільки застосування стандартних методів запобігання утворенню тріщин при зварюванні шляхом обмеження вуглецевого еквіваленту рівнем 0,42…0,43, попередній підігрів і використання електродів із зниженим вмістом водню не має істотного впливу на умови виникнення ламелярних тріщин.

Найбільш сильно шарувате розтріскування реалізується під впливом агресивних середовищ, наприклад в умовах переробки нафти. Незалежно від джерела, молекулярний водень спочатку дисоціює на атоми та іони. Дж. Фаст вважає, що водень знаходиться в міжвузлях як атом (d_Н^о = 0,24Е), а переміщується як протон Н⁺, причому по тетраедричних порах ОЦК-гратки (r₄ = 0,291R). Дифузійну рухливість Н В.К. Григорович відносить до його електронної структури. У будь-якому випадку дифузійно-рухомий водень "розпушує" кристалічну структуру металевої матриці, тим самим, послабляючи міжатомні зв'язки. На механізм залучення до „пасток” молізованого водню Н₂ і/або метану СН₄ за рахунок реакції водню з вуглецем сталі вперше вказали Г.В. Карпенко та Р.І. Крип'якевич.

У зв'язку з відсутністю систематичної класифікації типів пошкоджень, як низьколегованих, так і хромомолібденових теплостійких сталей, широко використовуваних в умовах агресивних середовищ, оцінки залишкового ресурсу, засновані на лабораторних дослідженнях, не завжди прийнятні. Виникає потреба в узагальненні характерних пошкоджень зварних конструкцій в реальних умовах сірководневих середовищ.

Другий розділ присвячено розробці вимог до низьколегованих сталей для відповідальних зварних конструкцій. У ньому представлено аналіз отриманих автором результатів досліджень щодо розвитку шаруватих тріщин у низьколегованих сталях, близьких за хімічним складом, але різних за типом термомеханічної обробки; еволюції дислокаційної структури і мікроструктури в металі в процесі статичної деформації; змінення кристалографічної орієнтації вздовж товщини сталевого листа і її впливу на характер руйнування та мікрофрактографічні особливості зломів.

Однієї з передумов для проведення досліджень послужили численні тріщини, що виникли після вельми нетривалого терміну експлуатації випробувальної мостової пролітної будови. В осередку руйнувань, на глибині 3…5 мм від поверхні стінки, виявлено характерні плоскі ділянки, орієнтовані, на відміну від решти поверхні злому, паралельно площині стінки. Ці ділянки були шаруватими тріщинами, що виникли в процесі зварювання і розвинулися в умовах експлуатації через низьку статичну і циклічну в'язкість матеріалу при його роботі в напрямку, перпендикулярному площині стінки. Металографічною ознакою появи цього виду дефекту є структурна текстура основного металу, яку прийнято вважати головним чинником визначення механічної анізотропії прокату. Довгий час до використовуваних в мостобудуванні конструкційних сталей не висували вимог щодо обмеження вмісту сірки і умов отримання прокату. Проте вони мали підвищену схильність до шаруватого розтріскування. Витягнуті сульфідні включення розтріскуються або відшаровуються від матриці під впливом напруги, нормальної до поверхні листа, створюють у матеріалі колонії зародкових несуцільностей, об'єднання яких в магістральну тріщину полегшується текстурою. Відповідно параметри пластичності і в'язкості руйнування металопрокату значно погіршуються, а фрактографія поверхні руйнування набуває специфічного вигляду - тераси і стінки, що сполучають тераси. Особливий інтерес має з'ясування ролі кристалографічної текстури в пластичності і в'язкості металу, що раніше було досліджене в набагато меншому обсязі і потребує детальнішого розгляду.

Матеріалом для дослідження обрані широко вживані конструкційні сталі вітчизняного виробництва (09Г2С, 10ХСНД, 14Г2АФ, 14ГНМА, 16Г2АФ, 12ХГДАФ), а також сталі імпортного постачання (Х-57 і Х-70). Для оцінки механічної анізотропії використовували зразки з різною орієнтацією в об'ємі прокату по відношенню до руйнівного навантаження і поширення тріщини. При цьому вперше було встановлено, що шарувате розтріскування різних сталей буває двох видів: низько- і високотемпературне. Перше характеризується підвищенням температури крихко-в'язкого переходу Т_х і зниженням в'язкості руйнування на "нижньому шельфі" її температурної залежності. Друге (без помітної зміни Т_х) виявляється у формі зниження значень в'язкості руйнування на "верхньому шельфі" її температурної залежності. Обидва види розтріскування мають шарувато-крихку і шарувато-в'язку складові, а також їх комбінації.

Експериментально встановлено, що в сталях контрольованого прокату гостра кристалографічна текстура, що характеризується підвищеною щільністю площин сколу сімейства {001} <011>, при температурах нижчих за Т_х, зумовлює різке зниження в'язкості руйнування при навантаженні у напрямку товщини листа; призводить до появи 45-градусної крихкості за умови розвитку магістральних тріщин, перпендикулярних площині прокату; сприяє розвитку крихких тріщин від поверхневих концентраторів напруги у напрямку товщини листа через переважне зосередження компоненту {011} <001> в приповерхневих шарах. Помітною ознакою шарувато-крихкого злому при низькотемпературному шаруватому розтріскуванні є великі фасетки, з певною просторовою орієнтацією на фоні разорієнтованих мікрофасеток сколу (рис.1, а).

Сталям гарячого деформування притаманна розсіяна кристалографічна орієнтація. Високотемпературне шарувате розтріскування визначається структурною текстурою. Тут анізотропія пластичності і в'язкості руйнування повною мірою реалізується при значеннях температур вищих за Т_х. Шарувато-в'язкий злом при високотемпературному шаруватому розтріскуванні відображає характер руйнування, який вважають межзереним і ознаками якого є макро- і мікротераси (рис.1, б). Макротераси пов'язані із спадковим розподілом неметалічних включень на деформованих первинних границях аустеніту. Мікротераси (ямки), сумірні з елементами вторинної структури, також мають сліди неметалічних включень. Проте загальна кількість ямок значно перевищує кількість неметалічних включень у матеріалі. Дрібні частинки (до 4 мкм) незалежно від напрямку прикладеного навантаження, не беруть участі в утворенні тріщин аж до руйнування. Вперше отримано систематичні дані про зміну щільності дислокацій в процесі деформації низьколегованих сталей в залежності від напрямку прикладеного навантаження. Збільшення щільності хаотичних дислокацій з 1·10⁹ см^-2 в початковому стані до близько 1·10¹¹ см^-2 в стані передруйнування (рис. 2, а) в основному локалізується в області неметалічних включень, викликаючи розтріскування або відшарування їх від матриці. Щільність хаотичних дислокацій визначали на основі аналізу розширення профілю інтенсивності рентгенівської лінії , де - Брегівський кут віддзеркалення; - вектор Бюргерсу дислокації; - добуток табличних значень коефіцієнтів, що враховують орієнтаційні і пружні особливості дислокацій. Для дислокацій, розташованих у вигляді стінок, розширення таке: , де - розмір блоку (чарунки), - довжина лінії рентгенівського випромінювання. Збільшення цього типу дислокацій відбувається за рахунок фрагментації субзерен структури з істотним впорядкуванням при збільшенні ступеня деформації (рис. 2, б). Руйнування Z-зразків відбувається при деформації в шийці у 3,5…4,0 рази менше, ніж у інших, а щільність дислокацій відповідає завершенню першої стадії деформування.

У дослідних партіях сталі на базі сталі марки 09Г2С найбільша ізотропність товстолистового низьколегованого прокату (t_п. = 45 мм) забезпечується при температурі кінця прокату 750 °С (нижня частина г+б області) і 820 °С (верхня частина г+б області) з водяним охолодженням (рис.3, а). При температурах кінця прокату 740 °С (нижня частина г+б області) і 690 °С (нижче ) схильність до шаруватого руйнування обумовлена збільшенням у 5 разів полюсної щільності компоненту (001) в певних перетинах сталевого прокату (t_п. = 15 мм) порівняно з безтекстурним станом. Роль кристалографічної текстури в чистому вигляді практично виділити важко, оскільки на неї накладається вплив інших чинників, насамперед текстури неметалічних включень. Розвитку шарувато-крихкого руйнування сприяє також послаблення меж між текстурованими зернами фериту і перліту. Природа цього явища пов'язана з більш довершеною кристалографічною текстурою фериту в прикордонних з перлітом областях.

Основним підсумком даного розділу є результати фізико-механічних досліджень дослідних партій сталі, покладених в основу розробки Z-сталей на базі сталі марки 09Г2С і технічних умов на сталі для МСП.

Третій розділ присвячено вивченню особливостей формування структури металу ЗТВ зварних з'єднань низьколегованих сталей (09Г2С, 10ХСНД, 14Г2АФ, 15Г2АФДпс, 14ГНМА) з урахуванням текстури основного металу і схильності зварного з'єднання до утворення шаруватих тріщин. У ньому представлено аналіз отриманих автором результатів досліджень структурних перетворень на ділянці перегрівання залежно від швидкості охолодження при зварювані; зіставлення мікроструктури з мікрофрактографічними характеристикам зломів для оцінки впливу окремих структурних елементів на опір шаруватим руйнуванням; розробку методики підвищення в'язкості металу зварних швів, виконаних способом ручного дугового зварювання.

Найбільш слабкою ланкою зварного з'єднання під дією залишкової зварювальної напруги і порівняно невеликої робочої напруги, направленої перпендикулярно площині листа, є ділянка перегрівання L_д.п. На неї впливає хімічний склад металу цієї ділянки, який залежить від співвідношення елементів в основному і наплавленому металі. Звуження L_д.п, при збільшенні швидкості охолодження , може супроводжуватися незначною зміною розмірів з помітним зниженням або істотним подрібненням зерен з практично постійним значенням . значенням . Ширина ділянки перегрівання при математичній обробці результатів наведеного дослідження, а також літературних даних у діапазоні швидкостей охолодження 1...10 °С/с апроксимується ступеневою функцією

де - теплопровідність; - теплоємність; - миттєва швидкість охолодження в діапазоні температур 600…500 °С, - мінімальна температура, що обмежує ширину досліджуваної ділянки; - температура найменшої стійкості аустеніту; - початкова температура зварюваного виробу.

В натурних зварних з'єднаннях неможливо розмежувати вплив розмірів зерен та феритних облямівок на опір металу як шарувато-крихкому, так і шарувато-в'язкому руйнуванню. Для забезпечення рівномірності структури в усьому об'ємі досліджуваного металу проводили імітацію термічного циклу зварювання (рис. 4). Фазовий склад колишніх зерен аустеніту змінюється в широких межах - переважний розвиток отримує голчастий і пластинчастий ферит. Полігональний ферит зароджується переважно на первинних межах аустеніту, проростаючи в процесі охолодження в сусідні зерна у вигляді облямівки. При збільшенні швидкості охолодження відбувається активніша фрагментація зерен аустеніту на ділянки з голчастою фазою, відокремлені одна від одної тонкою феритною облямівкою. При >3 °С/с феритна облямівка, що декорує границі, зникає. Вторинна структура складається з безлічі разорієнтованих "кубел" з однаковим напрямом голок бейніту усередині кожного.

При цьому в усіх досліджених випадках присутні витягнуті сульфідні включення, що залишилися від прокату, тоді як феритно-перлітна смугастість не зберігається. Для подальшої оцінки впливу основних структурних складових на опір шаруватому руйнуванню

обрано два режими, наближені до реальних умов зварювання: W_8/5=0,08 °С/с та W_8/5=0,7 °С/с. Результати мікрофрактографічного аналізу показали, що поверхня зломів у першому варіанті має грубішу

будову, ніж в другому, що цілком узгоджується з особливостями мікроструктури (таблиця). Середні розміри збільшуються із зменшенням швидкості охолодження. Так само змінюється товщина феритної облямівки , зіставленої з розміром перемички на зломі.

Роль структурних елементів в опорі руйнуванню ділянки перегрівання набуває особливого значення при багатопрохідному зварюванні, коли в зварному з'єднанні можуть з'являтися окремі зони, що відрізняються зниженою в'язкістю руйнування. В основному це стосується вузлових і монтажних з'єднань трубчастих елементів великої товщини, для яких характерна вірогідність утворення дефектів у кореневій частині швів. Отримання надійних зварних з'єднань у конструкціях із застосуванням товстолистового прокату пов'язане, перш за все із забезпеченням механічної однорідності кореневих зон і шарів, що заповнюють багатошарові зварні шви. Повторне нагрівання металу при накладенні подальших шарів може мати подвійну дію: з одного боку, підвищувати крихкість металу слабодеформованої ділянки в результаті термічного старіння, а з іншого - відновлювати пластичність металу в зонах, що зазнали значних термопластичних деформацій (динамічне старіння). Таким чином, в багатошаровому зварному шві кореневі шари і заповнюючи шари можуть мати певні структурні відмінності, а також локальні зони підвищеної крихкості, суть і способи усунення яких можуть істотно відрізнятися. Хоча в'язкість руйнування заповнюючих шарів через застосування попереднього підігрівання і/або подальшого високого відпускання (особливо їх спільної дії) дещо знижується, проте це зниження на тлі збільшення в'язкості руйнування кореневих шарів, де вірогідність появи дефектів особливо значна, не визначає надійність зварних з'єднань. Як і попереднє підігрівання, так і високе відпускання підвищують в'язкість кореневих ділянок і збільшують їх стійкість проти утворення дефектів, а також надійність з'єднання в цілому.

Запобігання локальним зонам крихкості пов'язане, насамперед з оцінкою в'язкості руйнування в цих зонах. Безпосередні способи випробування на тріщиностійкість з цією метою мало придатні через невідповідність розмірів зразка і вказаної зони. Найчастіше застосовують для визначення критеріїв тріщиностійкості результати стандартних випробувань на ударну в'язкість з гострим надрізом, про що йдеться в роботах В.С. Гиренка. Проте проблема полягає в тому, що залежності типу , де - безрозмірний коефіцієнт, який не враховує структурні параметри, не завжди можна використати, оскільки значення ударної в'язкості і параметри тріщиностійкості істотно залежать від розміру структурного елементу. Наприклад, із збільшенням розміру зерна при збереженні постійного рівня ударної в'язкості значне підвищення характеристики ілюструють експериментальні результати В.В. Панасюка і О.М. Романіва. Фізичний зміст цього явища пов'язаний із різними градієнтами напруги і деформацій по відношенню до розміру структурного елементу, відповідального за первинний акт руйнування у вершині тріщиноподібного дефекту і надрізу зразка Шарпі. Це обумовлює необхідність у проведенні аналізу розподілу напруги і деформацій у цих зонах. Розподіл пружної напруги на деякій відстані r від вершини надрізу з кінцевим радіусом закруглення у відповідності з A. Тетелманом та А. МкЕвелі, виражається залежністю

.

Відповідно до співвідношення Р. Нейбера, добуток коефіцієнтів концентрації напруги і деформацій в нелінійній області дорівнює квадрату коефіцієнта пружної напруги. Враховуючи, що для зразка Шарпі він становить 3,44, то

.

З урахуванням того, що при плоскій деформації дійсне зрушення і середня деформація зрушення при вигині зразка Шарпі уздовж кожної із смуг ковзання ( кут вигину), для матеріалу, властивості якого зміцнюються за законом ступеня, отримуємо залежність

.

На деякій відстані r від вершини надрізу зразка Шарпі вираз для визначення пластичних деформацій матиме такий вигляд:

.

За розмір структурного елементу беремо відстань від вершини надрізу до точки визначення напруги або деформацій r. Тоді зв'язок між критичним кутом вигину зразка Шарпі і критичним значенням локальних пластичних деформацій є такий:

. (2)

Взаємозв'язок між і встановлюється із залученням співвідношень, у відповідності з яким напруга і деформації всередині пластичної зони у вершини тріщиноподібного дефекту описуються такими залежностями:

та ,

де - критичне розкриття вершини тріщини в умовах плоскої деформації; R - розмір пластичної зони; r - відстань від вершини тріщини; n - коефіцієнт деформаційного зміцнення.

Оскільки при розвинених пластичних деформаціях в умовах плоскої деформації , то

.

Перехід до критичних значень деформацій і переміщень, припускає

, (3)

де - у момент ініціації в'язкого руйнування.

Інша форма виразу (3) розкриває фізичний зміст характеристики - граничного подовження подвоєного структурного елементу при в'язкому руйнуванні, яке тим суттєвіше, чим більше деформаційне зміцнення матеріалу:

.

Проте при r* 0 характеристика також 0, що суперечить експериментальним даним. Необхідно замінити r* на множник , де характеризує відстань від вершини тріщини, де плосконапружений стан до зони з максимальною об'ємністю напруженого стану, де досягають свого максимального значення.

. (4).

Об'єднуючи вирази (2) і (4), отримуємо залежність між критичним кутом вигину зразка Шарпі і деформаційною характеристикою тріщиностійкості:

.

Позначимо структурний параметр

Питома енергія руйнування зразка Шарпі являє собою суму питомих робіт зародження і поширення тріщини:

;

,

де t - висота зразка; - глибина надрізу; - розмір послабленого перетину; - ширина зразка; - момент вигину при загальній текучості ослабленого перетину; - максимальний момент вигину, що здійснює роботу при поширенні в'язкої тріщини. Після відповідних перетворень і корегування питомої роботи руйнування в умовах статичного навантаження таким чином, щоб замість неї можна було б використовувати ударну в'язкість, отримуємо вираз

, де

Оскільки , то .

Використання формул, отриманих із застосуванням деформаційних критеріїв, можливе не тільки в температурному діапазоні верхнього шельфу, але й при перехідних температурах, де також має місце мікров'язка складова, оскільки при випробуваннях на ударну в'язкість відтворюються умови в'язко-крихкого переходу, характерні для плоского деформованого стану в зоні тріщин при статичному навантаженні. Значення на її температурній залежності (рис. 5) добре узгоджуються з розмірами характерних елементів злому (таблиця). Форма кривих для обох варіантів відображає плавний крихко-в'язкий перехід. При цьому в 1-му варіанті крихка складова у зломі (приблизно 30 %) існує аж до температури випробування 100 єС, тоді як у 2-му варіанті при цій же температурі практично повністю відбувається в'яз- ке руйнування. Зменшення у 2,5 рази за наявності феритної облямівки істотного впливу на значення не має; збільшення у 2,0... 2,5 рази призводить до підвищення Т_х на 30...50 °С. Таким чином, феритна облямівка сприяє зниженню опору металу крихкому руйнуванню і підвищенню опору в'язкому руйнуванню.

Основний підсумок даного розділу полягає в оцінці впливу структурних елементів на опір шаруватому руйнуванню локальних зон у товстолистових зварних з'єднаннях.

Четвертий розділ присвячено вивченню впливу умов експлуатації на властивості зварних конструкцій і розробці способів подовження їх залишкового ресурсу в сірководневих середовищах. У ньому представлено отриманий автором аналіз фізико-механічних характеристик металу демонтованих конструкцій нафтопереробного комплексу, який у поєднанні з результатами систематичного технічного діагностування устаткування, що вичерпало проектний ресурс, дозволив визначити основні види пошкоджень, пов'язаних з тривалою експлуатацією в агресивних середовищах. Запропоновані заходи їх попередження, оцінені умови утворення міхурів і роль кристалографічної текстури в розвитку шарувато-водневого розтріскування металу. Матеріалом для дослідження служили фрагменти колон, ємностей, теплообмінників, пічних змійовиків тощо, які підлягають заміні конструкцій із низьковуглецевих, тепло- та корозійностійких сталей.

Шарувато-водневе і корозійне розтріскування, міжкристалічна корозія, корозійно-ерозійні пошкодження, а також деградація структури і службових властивостей - найбільш типові експлуатаційні дефекти оболонок конструкцій, зафіксовані як самостійні пошкодження або їх поєднання.

Приклад характерного шарувато-водневого розтріскування показаний на рис. 6. На початковій стадії воно зазвичай розвивається як окремі розшарування, паралельні площині прокату металу, пізніше - близькі, але розташовані в різних площинах, несуцільності при взаємодії з'єднуються похилими тріщинами. Утворювані при цьому сходинки призводять до послаблення робочого перетину. Ураження робочого перетину може поширитися на декілька десятків сантиметрів. Зона передруйнування являє собою систему окремих мікротріщин і мікропор. Вона розташована в зневуглецьованих зонах і успадковує текстуру прокату. Вміст вуглецю місцями різко падає до 0 %, при середньому вмісті близько 0,2 %, тоді як у перлітній фазі він може сягати 0,8 %. Зневуглецьованим зонам відповідає підвищений вміст водню, що дорівнює значень 6 ppm, особливо поблизу тріщини. Про насичення воднем феритної фази свідчить також збільшення приблизно в 1,5 рази твердості порівняно з феритом у звичайному стані.

Процес водневої корозії, описаний реакцією (1), складається з двох етапів. На першому відбувається взаємодія водню з вуглецем сталі, зокрема з цементитом. Саме цей механізм є визначальним для зневуглецювання в процесі шарувато-водневого розтріскування. Другий етап - це утворення і скупчення в недосконалостях мікро- та макроструктури під великим тиском молекул метану, що спочатку призводить до деформації зерен, а після перевищення критичного значення тиску, сприяє руйнуванню зерен з подальшим звільненням газу з "пасток", що супроводжується стабільним зростанням тріщини.

Отримані результати суперечать деяким уявленням про вплив водневовмісних середовищ на фізико-механічні властивості металів. По-перше, в більшості випадків вважають за можливе протікання реакції зневуглецювання при температурах не нижчих за 300 °С. У даному випадку яскраво виражене зневуглецювання спостерігається при значно нижчих температурах (~60 °С) і відносно невисокому тиску () протягом невеликого періоду експлуатації. По-друге, багато моделей побудовано на уявленні про те, що дифузія водню здійснюється переважно в зону передруйнування, яка розташована на відстані 2д (д - розкриття вершини тріщини) від вершини тріщини. Теоретично в цій зоні виникає максимальні (нормальні) напруги.

Зафіксовані шарувато-водневі тріщини розташовані на деякій відстані від зовнішньої поверхні стінки посудини, що може бути пов'язано як з нерівномірним розподілом неметалічних включень уздовж товщини стінки, так і з особливостями кристалографічної орієн- тації. Саме у цих шарах, які відповідають площині тріщини розшарування і знаходяться на відстані 4,5 мм від поверхні стінки посудини, сформувалася типова текстура прокату ОЦК-металів і сплавів у вигляді {001} <110> і {111} <110-112>. В той же час приповерхневим шарам властива незвичайна орієнтація типу {110} <111>, подібна до текстури зрушення в ОЦК-гратці (рис.7). Крім того, кристаліти компоненту {111} <110-112> при прокатці спотворюються сильніше, ніж кристаліти {001} <110>, а розчинність водню в більш спотворених ділянках підвищена порівняно з неспотвореними. Таким чином, механізм зародження шарувато-водневої тріщини обумовлено підвищеною розчинністю водню в більш спотворених кристалітах компоненту {111} <110-112> і по дальшим утворенням метану. Поширення тріщини полегшене по площинах сколу {001}, паралельних площині прокату. В деяких випадках зони шаруватого розтріскування округлої форми розміщуються безпосередньо проти штуцерів для введення нафтопродуктів. Таким чином, розвиток пошкоджень може бути сповільнено шляхом екранування потоку.

Майже всі установки первинної і деструктивної переробки нафти виробляють певну кількість сумішей легких вуглеводневих газів. Вони надходять на газофракційні установки (ГФУ), де з них отримують окремі вуглеводневі фракції, які служать сировиною для нафтохімічної і хімічної промисловості. Найбільш до шарувато-водневого і сірководневого розтріскування є схильними колони ГФУ з вуглецевих і низьколегованих сталей, призначені для отримання пропану. Інтенсивній корозії піддаються перш за все верхні частини цих апаратів з двошарових сталей; області шарувато-водневого розтріскування зосереджені на внутрішній поверхні колон, переважно в районах введення зрошування, продуктів і пари з ребойлера. Корозійне розтріскування вражає переважно плакуючий шар із хромистих сталей в навколошовних зонах та зварні з'єднання. Тріщини зароджуються і розвиваються у вузькому шарі зони перемішування аустенітного наплавленого металу з низьковуглецевої сталі. При цьому в районі тріщини зафіксовано підвищений (до 40 %), порівняно з рештою аустенітного шару, рівень твердості. Додатковий вплив мають також технологічні параметри процесу, температура крихко-в'язкого переходу матеріалу після тривалого терміну експлуатації зазвичай не нижча за +50 °С.

З процесом газофракціонування безпосередньо пов'язане сіркоочищення сухих газів, потреба в якому викликана тим, що сирі нафти бувають переважно сірчастими. Досвід експлуатації установок очищення вуглеводневих газів від сірководню розчином моноетаноламіну (МЕА) показує, що корозія устаткування, виготовленого з вуглецевої сталі, має практично рівномірний характер. Проте результати технічного діагностування абсорбера сіркоочистки сухих газів показали, що найбільше скупчення дефектів зосереджене у верхніх обичайках у районі введення розчину МЕА. Оскільки водень здатний скупчуватися в "пастках", шарувато-водневе окрихчення контролюється місцями його локального скупчення, найбільш чутливими до руйнування. При лабораторному аналізі пошкодженого металу обичайок абсорбера виявлено, що в даному випадку зручною "пасткою" для нього є міжфазова поверхня між матрицею і великою витягнутою частинкою з суміші оксидів, що мають високу твердість порівняно з вуглецевою сталлю 20К.

У відповідність з розробленими рекомендаціями замінено ремонтною вставкою з подальшою місцевою термічною обробкою пошкоджену зону; змінено конструкцію введення розчину для зниження інтенсивності прямої дії струменя на стінку корпусу. Можливість тимчасової експлуатації конструкції, ураженої шаруватим розтріскуванням, визначається виходячи з розрахункової товщини робочого перетину, встановленої без урахування товщини уражених шарів, а припустима площа такого розтріскування, встановлюється виходячи з розрахункових підходів до оцінки розмірів частково укріплених отворів.

Для оцінки локальних змін в'язкості руйнування, викликаних дифузією водню в зону пружно-пластичного спотворення кристалічної решітки, доцільно умови розвитку шаруватого розтріскування розглянути в таких проявах: розшарування розвиваються в одній або декількох площинах, сполучених ступінчастими тріщинами (рис.6); набувають форми міхури, коли зростання внутрішнього тиску призводить лише до пластичної деформації, що викликає збільшення вигину стінки міхура - "випинання".

Мінімальний тиск в шаруватій тріщині, при якому утворюється міхур, може бути оцінений у рамках теорії деформації жорстко-пластичного тіла стосовно круглої пластини, навантаженої рівномірним тиском . При цьому на деформаційне зміцнення матеріалу не зважають. Якщо міхур утворюється з боку внутрішньої поверхні, необхідно зменшити на значення робочого тиску судини. Відносний тиск , при якому може утворитися міхур, визначається залежністю