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

, (5)

де у_Т - межа текучості матеріалу; r_i - радіус шаруватої тріщини; t_j - товщина шару (рис.8); б - коефіцієнт, залежний від умов закріплення контуру пластини. Форма несуцільностей свідчить, що у вершині дефекту відбувається поворот перетину, обумовлений пластичним шарніром (рис.6). Опір матеріалу, що виникає в процесі повороту, має дещо збільшувати коефіцієнт б. Проте для оцінки мінімального тиску, що викликає випинання, доцільно прийняти б = 6.

Таким чином, за виразом (5) визначають мінімальний внутрішній тиск молекулярного водню або метану, необхідний для реалізації процесу утворення міхурів (рис.8, крива 1 ). З іншого боку, для розвитку тріщини необхідний відносний тиск:

(6)

де

Рівняння (5) і (6) показують, що в залежності від відносних розмірів тріщин , в'язкості руйнування металу і товщини прошарку шаруваті тріщини можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів (рис. 8). При низьких значеннях в'язкості руйнування металу (К_1С < 30 МПа·vм), міхури в основному не повинні утворюватися, має місце зростання шарувато-водневих тріщин (рис. 8, а, криві 2-4). При в'язкості руйнування К_1С~60 МПа·vм утворення міхурів можливе при певних розмірах дефектних зон (рис. 8, б, ділянки кривих 2 і 3 зліва від точок перетину з кривою 1).

Практичні спостереження свідчать, що радіус r_i більшості міхурів не перевищує 15 мм, а при відстані до зовнішньої поверхні стінки судини 4,0…4,5 мм, залежності (5) і (6) дозволяють оцінити мінімальний тиск на початкових стадіях утворення міхурів, який у даному випадку становить близько 40 МПа, а також 50 МПа , при якому може відбуватися розвиток або гальмування міхура (для порівняння, 30 МПа гарячекатаного металу при розвитку тріщин паралельно площини листа).

Таким чином, внаслідок дифузії водню в зону пружно-пластичного спотворення кристалічної решітки шаруваті тріщини можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів, локальні зміни в'язкості руйнування металу незначні.

Розробку та лабораторну перевірку альтернативного варіанту ремонту колони, що містить значну кількість водневих міхурів, із застосуванням відновлювальної термообробки засновано на таких умовах. Механізм водневого окрихчення оболонок конструкцій в процесі переробки нафти може відбуватися при підвищених значеннях тиску та температури і тиску. В першому випадку молізований газоподібний водень, а в другому, - метан, що утворився в результаті реакції взаємодії водню з вуглецем сталі, створюють високий тиск, скупчуючись у „пастках”. У першому випадку не виключено оборотність процесу після видалення водню подальшим високим відпуском. Б.О. Колачев вважає, що зникнення водневої крихкості можливе за умови, якщо не утворилися міхури та не почалося розшарування, то з часом розчинений водень десорбує з металу. Для другого випадку характерною є безповоротність змін. Проведені експерименти підтверджують можливість видалення водню з оболонки колони шляхом високотемпературної о6робки. Проте повне видалення водню в діапазоні практично прийнятних режимів термообробок не може бути досягнуто. При максимально можливій температурі високого відпуску (близько 650 °С) відбувається неповна дегазація. Відповідно, високий відпуск корпусу колони може лише трохи подовжити залишковий ресурс і, тому не вважається достатньо ефективним.

Міжкристалічна корозія і корозійне розтріскування. Тріщини цього типу пов'язані з порушенням проміжфазної рівноваги при зварюванні різнорідних металів. Найчастіше неприпустиме перемішування в зварювальній ванні відбувається в процесі зварювання біметалу, коли до зварного шва примикають два різнорідних матеріали: звичайна конструкційна сталь і плакувальний шар з легованої сталі. Іноді тріщинами міжкристалічної корозії уражений тільки плакувальний шар. Як показує досвід, конструкції з корозійностійких сталей піддаються переважно міжкристалічній корозії (МКК) в умовах переробки нафти та корозійному розтріскуванню (КР), в процесі отримання каустичної соди. При цьому, якщо МКК - це процес руйнування тільки на межах з подальшим випадінням цілих зерен, то корозійне розтріскування буває як транс-, так і інтеркристалічним. Для лужного КР характерні обидва типи, а хлоридного - переважно транскристалічний. Розчинення меж зерен у кислому та лужному середовищах відрізняється не тільки потенціалом, що відповідає критичній щільності струму, але й самою реакцією. Хоча для лужного середовища карбіди хрому не є визначальною ланкою, проте різниця в потенціалі тіла і межі зерна очевидна, і цей факт припускає проходження корозійного розтріскування по міжкристалічному механізму в такому середовищі. Деревовидний характер корозійного розтріскування є ознакою середовища з наявністю хлору. Характер руйнування дає уявлення про те, на якій стадії технологічного процесу відбувається відмова устаткування. Необхідність у вирішенні цього питання виникла, коли за короткий період часу через масове корозійне розтріскування вийшли з ладу теплообмінники на лінії підігрівання лугів в цеху виробництва каустичної соди.

Корозійно-ерозійні пошкодження на внутрішніх поверхнях труб змійовиків можна виявити тільки при розгерметизації. Зіставляючи проблеми, що виникають при зварюванні різнорідних сталей з корозійно-ерозійними пошкодженнями внутрішньої поверхні змійовика гідроочищення дизельного палива, можна виділити дві основні групи дефектів, які викликають пошкодження в зоні з'єднання аустенітного з неаустенітним металом: власне зварювальні та експлуатаційні. Дефекти, обумовлені зварювальним процесом, перетворилися при експлуатації в тріщину, через яку без перешкод надходили продукти корозії в глиб основного металу пошкодженої труби, що й стало основною причиною місцевого прискорення корозійно-ерозійного пошкодження. Корозійно-ерозійні пошкодження, як і шарувато-водневі розтріскування, успадковують структурно-текстурні особливості металу оболонок. Наприклад, при проникненні водню в метал змійовика гідроочищення дизельного палива перпендикулярно смугастій структурі на поверхні оболонки утворилися стійкі захисні плівки, збагачені хромом. Наявність жаростійкого змішаного оксиду (Fe,Cr)₂O₃ у вигляді тонкої плівки обумовлює стійкість проти окислення, оскільки захисні властивості тугоплавкого оксиду Сг₂О₃ запобігають утворенню низькоплавкого СгО₃. При розвитку корозійних процесів паралельно смугастій структурі і поверхні труби чітких слідів їх формування не виявлено, хоча крихкі продукти корозії, що легко відшаровуються, вкривають всю поверхню.

Прикладом руйнування зварного з'єднання різнорідних матеріалів може слугувати тріщина в технологічному трубопроводі, розташована у зоні сплавлення аустенітного шва (сталь 08Х18Н10Т) з неаустенітним основним металом (сталь 15Х5М). Однією з основних причин подібних руйнувань є дифузійні прошарки на лінії сплавлення зварного з'єднання, що характеризуються навуглецьованим шаром з боку аустенітного (високолегованого) металу і зневуглецьованим - з боку неаустенітного (низьколегованого), що провокує утворення корозійної порожнини.

Деградація структури і службових властивостей конструкційних сталей та їх зварних з'єднань при тривалій експлуатації в агресивних середовищах і підвищених температурах відбувається через водневе окрихчення, деформаційне та термічне старіння, структурні зміни в зонах з'єднання різнорідних матеріалів тощо. Можуть значно погіршуватися характеристики пластичності і в'язкості руйнування металу. Через відсутність повних даних про механічні характеристики металу до початку експлуатації проведення порівняльних оцінок зміни службових властивостей як основного металу, так і зварних з'єднань утруднено. Доводиться зіставляти отримані результати з їх нормованими показниками. При цьому фактичні параметри механічних властивостей сталей зазвичай перевищують нормативні. Крім того, не завжди можливе виявлення структурних змін на ранніх стадіях. Фіксація субмікротріщини в процесі її зародження дозволяє вивчати тонку структуру металу фрагментів демонтованих об'єктів.

Різний вплив технологічних чинників на внутрішню і зовнішню поверхні конструкції підтверджують результати електронно-мікроскопічного аналізу, які свідчать про неоднорідність дислокаційної структури, морфології, розмірів і щільності розподілу фазових виділень у оболонках змійовиків з теплостійких сталей після тривалої експлуатації в агресивному середовищі. Так, з боку зовнішньої поверхні переважає карбід Cr₂₃C₆, а внутрішньою - Cr₃C₂, поява якого в сталях даного класу вважається маловірогідною і припускає підвищений вміст вуглецю. Це може бути обумовлено постійною взаємодією внутрішньої поверхні змійовиків з середовищем вуглеводню. Хоча й не виявлено навуглецьованого шару, проте в межах субструктури відбувається місцеве збагачення атомами вуглецю, що підтверджується даними локального мас-спектрального аналізу про розподіл вуглецю і водню. З цим добре узгоджуються результати розподілу мікротвердості в приповерхневих шарах, що мають підвищене травлення. Так, після тривалої експлуатації в агресивних середовищах оболонкам змійовиків із сталей типу 15Х5М притаманне збільшення мікротвердості в цих шарах (HV1 1680 МПа), порівняно із звичайною структурою фериту (HV1 1380 МПа).

У змійовиках з корозійностійких сталей, хоча зневуглецьованих шарів не зафіксовано, проте мікротвердість з боків обох поверхонь дещо нижча, ніж у серединних перетинах (HV1 2060 МПа), особливо з внутрішньої (HV1 1760 МПа); місцями починає розвиватися МКК. Збагачення карбідів, розташованих на межах зерен, хромом і, збіднення ним матричного твердого розчину прикордонних областей, призводить до виникнення локальних гальванічних пар, які сприяють анодному розчиненню меж. Це супроводжується випадінням цілих зерен на ділянці ЗТВ. Часом складно встановити, який процес вважати домінуючим - зварювання чи експлуатацію (температура, час, тиск, агресивне середовище тощо) у формуванні після декілька десятків років експлуатації фазового складу. Проте експериментально встановлений на межах зерен складний карбід Ме₂₃С₆, збагачений хромом, є ознакою їх схильності до МКК.

Результати випробувань на короткочасну і тривалу міцність даних фрагментів свідчать про відсутність різких негативних змін службових властивостей металу після тривалої (близько 150000…180000 годин) експлуатації. В цілому як при короткочасних, так і при тривалих навантаженнях корозійностійкі сталі міцніші за теплостійкі. Крім того, при короткочасних навантаженнях сталі на базі 5 % хрому теплостійкіші, порівняно із сталями з 2 % хрому. Проте при тривалих випробуваннях картина змінюється: при температурі, вищій за 530 °С сталі з 2 % хрому виявляються міцнішими. Ці результати узгоджуються з уявленнями про зниження корозійної стійкості прикордонних областей зерен через міграцію з них хрому в карбіди заліза.

Таким чином, тривала експлуатація в умовах водневовмісних середовищ конструкцій нафтопереробного комплексу сприяє появі в їх оболонках типових експлуатаційних пошкоджень, що необхідно враховувати для забезпечення оптимального планування ремонтно-відновлювальних робіт, надійності і подовження залишкового ресурсу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вперше встановлено існування двох видів шаруватого розтріскування: низько- та високотемпературного. Перше характеризується зміною температури крихко-в'язкого переходу Т_х. Друге - без помітної зміни Т_х - виявляється у формі зниження значень в'язкості руйнування на верхньому “шельфі” її температурної залежності.

2. Отримали розвиток нові уявлення про причини аварій зварних конструкцій, обумовлених текстурою основного металу, яка визначає анізотропію пластичності, в'язкості і топографії руйнування. Це дозволило сформулювати основні вимоги до Z-сталей для вузлових трубчастих з'єднань відповідальних зварних конструкцій.

3. Встановлено, що основною причиною розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування є кристалографічна текстура, яка виникає в металі при низьких температурах кінця прокату. Це обумовлено переважною наявністю в прокаті компоненту {001} <011>, перпендикулярного дії максимальної нормальної напруги. Вплив інших компонентів, зокрема {112} <011>, проявляється в зміні траєкторії руйнування та підвищенні тріщиностійкості.

4. Показано, що шарувато-в'язкий злом характеризується міжзереним типом руйнування, ознаками якого є макро- та мікротераси. Макротераси сумірні з розмірами деформованих первинних зерен аустеніту, а мікротераси - з розмірами зерен і субзерен вторинної структури. Їх кількість перевищує вміст неметалічних включень в них.

5. Встановлено закономірності розподілу щільності дислокацій в залежності від напряму прикладеного навантаження в процесі деформації низьколегованих сталей. При розтягуванні у напрямку товщини листа загальна щільність дислокацій в металі приблизно у 3,5 рази менша, ніж при розтягуванні в поздовжньому і поперечному напрямах. Збільшення щільності хаотичних дислокацій з 1·10⁹ см^-2 в початковому стані до приблизно 1·10¹¹ см^-2 у стані передруйнування локалізується переважно в області неметалічних включень, викликаючи їх розтріскування або відшарування від матриці. Збільшення щільності дислокацій, розташованих у вигляді стінок, обумовлено фрагментацією субзереної структури.

6. Результати досліджень дослідних партій сталі на базі марки 09Г2С з різними значеннями температури кінця прокату покладено в основу технічних умов для відповідальних зварних конструкцій. Найбільша ізотропність товстолистового низьколегованого прокату забезпечується при температурі кінця прокату 750 °С (нижня частина г+б- області) та 820 °С (верхня частина г+б- області) з водяним охолодженням.

7. Встановлено залежність між опором руйнуванню та структурними елементами ділянки перегрівання в зварних з'єднаннях низьколегованих сталей, в зв'язку, з чим отримали розвиток методи оцінки характеристик тріщиностійкості та за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів цих елементів.

8. Встановлено закономірності утворення і розвитку шарувато-водневого розтріскування. Воно виникає в зневуглецьованих зонах внаслідок тиску метану і/або водню як на початкових стадіях свого розвитку, так і в зоні передруйнування перед фронтом магістральної тріщини і є взаємодією окремих мікротріщин і пор, що викликає локальну концентрацію пластичних деформацій з супутнім збільшенням вмісту молізованих газів. Вперше зневуглецювання, що успадковує текстуру матеріалу, зафіксовано в оболонках нафтохімічного устаткування з конструкційних сталей, яке, на відміну від існуючих уявлень, протікало при невисоких значеннях температури (~60 °С) і тиску пари вуглеводів (). Розвиток шарувато-водневого розтріскування обумовлений переважною кількістю в прокаті компоненту кристалографічної орієнтації {001} <011>. Наявність яскраво вираженої текстури в оболонках конструкцій обумовлює також пошаровий розвиток в них виразкової і щілинної корозії в процесі переробки нафти.

9. Встановлено, що залишковий ресурс конструкцій, що експлуатуються у водневовмісних середовищах, визначається, насамперед, ступенем ураження оболонки з низьколегованих сталей шарувато-водневими тріщинами, які внаслідок дифузії водню в зону пружно-пластичного спотворення кристалічної решітки можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів; при цьому експлуатаційне окрихчення металу носить другорядний характер. Основною причиною руйнування устаткування з різнорідних сталей є дифузійні прошарки на лінії сплавлення зварного з'єднання; вони характеризуються навуглецьованим шаром з боку аустенітного (високолегованого) і зневуглецьованим з боку неаустенітного (низьколегованого) металу, що надалі обумовлює утворення корозійної порожнини. Результати випробувань на тривалу міцність і повзучість дозволяють стверджувати, що стан оболонок з теплостійких сталей після напрацювання 150 тис. годин не зважаючи на розвиток структурних змін в цілому зберігається задовільним.

Головний підсумок роботи полягає в узагальненні результатів досліджень і спрямований на вирішення важливої науково-практичної проблеми - запобігання шаруватим руйнуванням зварних конструкцій, що експлуатуються в атмосферних умовах, а також при дії водневовмісних середовищ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Слоистое, слоисто-хрупкое и слоисто-вязкое разрушение сварных соединений /В.С.Гиренко, А.В. Бернацкий, М.Д. Рабкина, Н.П. Коржова //Проблемы прочности. 1987. №3. С. 70-76.

2. Особенности текстуры и анизотропии механических свойств конструкционных сталей /Перлович Ю.А., Павелко В.П., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Козачек В.М., Дзыкович И.Я. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1990. №1. С. 50-58.

3. Влияние кристаллографической текстуры на склонность к слоистому разрушению низколегированных малоперлитных сталей /Усов В.В., Шкатуляк Н.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В., Мусиенко А.П., Щербаков О.Н. //Известия АН СССР. Металлы. 1990. №1. С. 120-125.

4. Влияние анизотропии проката на некоторые особенности процесса пластической деформации и разрушения низколегированных сталей /Барабаш Р.И., Рабкина М.Д., Маркашова Л.И., Мнышенко С.В., Аскеров М.Г., Поленур А.В. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1990. №3. С. 54-61.

5. Влияние предварительного подогрева и местного высокого отпуска на вязкость разрушения сварных соединений стали 09Г2С /Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Павленко Ю.В., Горпенюк В.Н., Дыскин Э.М. //Автоматическая сварка. 1991. №8. С. 17-21.

6. Рабкина М.Д., Дудко С.М., Гончаренко Е.И. Структурные особенности ЗТВ соединений низколегированных сталей при дуговой сварке //Автоматическая сварка. 1991. №12. С. 21-27.

7. Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию характеристик разрушения низколегированной стали контролируемой прокатки /Усов В.В., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В., Шкатуляк Н.М. //Физико-химическая механика материалов. 1993. №2. С. 47-52.

8. Рабкина М.Д. Особенности формирования структуры и свойств металла ЗТВ сварных соединений низколегированных сталей //Автоматическая сварка, 1997. №4. С. 14-19.

9. Некоторые результаты технической диагностики сосудов и трубопроводов в нефтехимической промышленности /Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Дядин В.П., Бернацкий А.В., Давыдов Е.А., Кузьмин В.В. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1998. №3. С. 17-24.

10. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкіна М.Д. Деякі результати технічної діагностики трубопроводів і посудин у нафтохімічній промисловості //Машинознавство. 1999. №7. С. 3-7.

11. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Анизотропия характеристик трещиностойкости как одна из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов. //Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Зб. наук. пр. Львів: Каменяр, 2001. Вип.3. С. 138-147.

12. Рабкина М.Д., Маркашова Л.И. Оценка состояния материала змеевиков печей каталитического риформирования углеводородов после их длительной эксплуатации //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2002. №1. С. 22-27.

13. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Анизотропия как одна из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Межвід. наук.-техн. зб. К., 2002. Вип. 64. С.165-168.

14. Рабкина М.Д. Структурные факторы, определяющие анизотропию мостовых сталей //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Межвід. наук.-техн. зб. К., 2002. Вип. 64. С. 198-200.

15. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Гиренко С.В. Физико-механические изменения в сталях при эксплуатации в водородсодержащих средах //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2003. №4. С. 18- 23.

16. Рабкина М.Д. Результаты технического диагностирования печных змеевиков установок каталитического риформинга и гидроочистки нефтепродуктов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2004. №2. С. 9-17.

17. Рабкина М.Д. Оценка коррозионных поражений колонн ректификации и сероочистки углеводородных газов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2005. №2. С. 3-8.

18. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Гиренко С.В. Оценка трещиностойкости металла сварных соединений по результатам стандартных механических испытаний с учетом размеров структурных элементов //Автоматическая сварка. 2006. №6. С. 20-26.

19. Склонность сварных швов ниобиевых сплавов с твердорастворным и гетерофазным упрочнением к хрупкому разрушению /Е.А. Аснис, М.М. Нероденко, С.М.Гуревич, М.Д. Рабкина //Проблемы прочности. 1983. №6. С. 106-108.

20. Кристаллизационные трещины при сварке сплава системы ниобий-цирконий-ванадий-углерод /Нероденко М.М., Аснис Е.А., Рабкина М.Д., Кайда Т.В., Барабаш О.М., Глазунов М.Г., Семкин С.П. //Автоматическая сварка. 1983. №6. С. 71-72.

21. Особенности формирование дислокационной структуры при сварке тонколистового ниобия /Аснис Е.А., Барабаш Р.И., Белоцкий А.В., Нероденко М.М., Поленур А.В., Рабкина М.Д. //Доклады АН УССР. Сер. А. 1984. №4. С. 74-78.

22. Влияние состава защитной атмосферы при сварке на прочность сварных соединений из ниобиевых сплавов /Рабкина М.Д., Нероденко М.М., Гуревич С.М., Уманский Э.С., Харченко В.К., Кривенюк В.В., Чоловский Э.С., Петрунин Г.А., Чугай Н.Ф. //Проблемы прочности. 1984. №11. С. 112-118.

23. Girenko V.S., Rabkina M.D., Girenko S.V. Evaluation of crack resistance of welded Joint metal based on the results of standard Mechanical tests with regard for the Dimensions of structural elements //The Paton welding journal. 2006. №6. P. 16-20.

24. Рабкіна М.Д., Зазимко О.В., Костецька Н.Б. Структурні і фазові перетворення в сталях та їх особливості при зварюванні конструкційних сталей //Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство. Методичні вказівки. К.: НАУ, 2000. 30 с.

25. Дискін Е.М., Рабкіна М.Д., Костецька Н.Б. Відновлення деталей сільськогосподарських машин і механізмів зварюванням і наплавленням. //Науково-методичні вказівки для студентів та фахівців інженерних спеціальностей. К.: НАУ, 2002. 32 с.

26. Ремонт баллона высокого давления на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе /Гарф Э.Ф., Дыскин Э.М., Рабкина М.Д., Соломийчук Т.Г., Рева А.А. //Сварщик. 2003. №1. С. 6-11.

27. Об одной из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов /В.С.Гиренко, В.И.Новиков, В.Г.Орлов, М.Д. Рабкина //Эксплуатационная надежность искусственных сооружений: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1989. С. 96-101.

28. Имитация структурных превращений в ЗТВ низколегированной стали /Рабкина М.Д., Гиренко В.С., Гончаренко Е.И. Глазунов С.Н., Терентьев А.В., Жарков А.В. //Прогрессивные методы получения сварных соединений конструкционных сталей и чугунов: Сб. науч. тр. К.: ИЭС им. Е.О.Патона, 1990. С. 46-54.

29. Рабкина М.Д., Соломийчук Т.Г. Результаты исследования коррозионно-стойких сталей при техническом диагностировании оборудования переработки нефти и производства каустической соды //Неруйнівний контроль та технічна діагностика: Зб. наук. пр. 4-ї Національної науково-технічної конференції і виставки. К., 2003. С. 219-223.

30. Рабкина М.Д., Усов В.В., Шкатуляк Н.М. Водородно-слоистое растрескивание конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”. Киев. 2003. С. 129.

31. Влияние анизотропии проката на процесс пластической деформации стали 09Г2С /Белоцкий А.В., Балакшина О.Н., Барабаш Р.И., Рабкина М.Д., Гиренко В.С. //Труды Всесоюз. конф. “Новые материалы и технологии термической обработки металлов”. Киев. 1985. С. 70-71.

32. Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Слоистое, слоисто-хрупкое и слоисто-вязкое разрушение сварных соединений //Труды 2-го Всесоюз. семин. “Физико-химическая механика хрупкого разрушения конструкционных материалов”. Славськ: ФМІ. 1985.

33. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В. Анизотропия механических характеристик строительных сталей в связи с особенностью текстуры металлопроката. //Труды конф. “Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных стальных конструкций, зданий и сооружений”. Киев. 1988. С. 61.

34. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Маркашова Л.И. Текстурные особенности, определяющие склонность стального проката к различным видам слоистого разрушения //Труды VI Всесоюз. конф. “Физика разрушения”. Киев: ИПМ. 1989. ч.1. С. 182.

35. Зоны локальной хрупкости в сварных соединениях низколегированных сталей больших толщин. /А.А. Гайворонский, С.М. Дудко, С.В. Кобелев, М.Д. Рабкина, //Труды научно-технич. конф. “Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов”. Ижевск. 1989. С. 68.

36. Гиренко В.С., Рабкина М.Д. О слоисто-вязком и слоисто-хрупком разрушениях в сварных соединениях конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Сварные конструкции”. Киев. 1990. С. 160-162.

37. Рабкина М.Д., Гиренко В.С. Структурные превращения, фрактографические особенности и вязкость разрушения сварных соединений низколегированных конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Сварные конструкции”. Киев. 1990. С. 197.

38. Brittle fracture of steel with a developed crystallographic texture / Rabkina M.D., Girenko V.S., Bernatskij A.V., Usov V.V., Shkatuljak N.M // Труды Eight international conference оf fracture “Fracture mechanics successes and problems”. Kyiv. 1993. Part II. Р. 556.

39. Результаты технической диагностики оборудования нефтеперерабатывающей промышленности /Л.М. Лобанов, Э.Ф. Гарф, В.С. Гиренко, М.Д. Рабкина //Труды III Междунар. симпоз. “Сварка и родственные технологии: расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварных конструкций ответственного назначения”. Минск. 2003. С. 29.

АНОТАЦІЯ

Рабкіна М.Д. Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 “Зварювання та споріднені технології”. Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено вивченню закономірностей виникнення і розвитку шаруватих руйнувань зварних з'єднань і розробці теоретичних принципів і технологічних заходів їх запобігання на всіх етапах створення і експлуатації зварних конструкцій з урахуванням з текстури основного металу і умов експлуатації, включаючи температуру, навантаження і дію водневовмісних середовищ.

Встановлено, що шаруваті розтріскування зафіксовані двох видів низько- і високотемпературне. Основна причина розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування полягає у підвищеній щільності в сталевому прокаті сімейства кристалографічних площин сколу {001} <011>. Встановлено, що залишковий ресурс конструкцій після тривалої експлуатації у водневовмісних середовищах визначається ступенем ураження стінки корпусу шарувато-водневими тріщинами. Залежно від їх відносних розмірів, в'язкості руйнування і товщини прошарку "здорового металу", вони можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів. Встановлено залежність між опором шаруватому руйнуванню і структурними елементами ЗТВ у зварних з'єднаннях низьколегованих сталей, внаслідок чого за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів структурних елементів отримали розвиток розрахункові методи оцінки характеристик трещиностойкости і .

Ключові слова: зварні конструкції, конструкційні сталі; шарувато-крихкі і шарувато-в'язкі руйнування; низькотемпературне, високотемпературне, шарувато-водневе розтріскування, кристалографічна текстура, структурні параметри.

АННОТАЦИЯ

Рабкина М.Д. Влияние структурно-механической анизотропии стального проката на сопротивляемость слоистым разрушениям сварных конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные технологии”. Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена изучению закономерностей возникновения и развития слоистых разрушений сварных соединений и разработке теоретических принципов и технологических мер их предупреждения на всех этапах создания и эксплуатации сварных конструкций, с учетом текстуры основного металла и условий эксплуатации, включая температуру, нагрузку и воздействие водородсодержащих сред.

Экспериментально установлено, что слоистые растрескивания проявляются в двух видах: низко- и высокотемпературном. Первое характеризуется снижением вязкости разрушения на "нижнем шельфе" ее температурной зависимости и повышением температуры хрупко-вязкого перехода Т_х. Второе - снижением вязкости разрушения на "верхнем шельфе" ее температурной зависимости без заметного изменения Т_х. Основной причиной развития низкотемпературного слоистого растрескивания является преимущественное наличие в стальном прокате семейства кристаллографических плоскостей скола {001} <011>, которое возникает при температуре окончания прокатки соответствующей ферритной области. Высокотемпературное слоистое растрескивание обусловлено текстурой неметаллических включений, возникающей в результате горячей прокатки. Оба вида растрескивания могут иметь слоисто-хрупкую и слоисто-вязкую составляющую, а также их комбинации. Изучены закономерности распределения дислокаций в процессе деформирования низколегированных сталей в зависимости от направления приложенной нагрузки. Хаотически распределенные дислокации локализуются в области неметаллических включений, вызывая их растрескивание или отслаивание от матрицы. Дислокации, расположенные в виде стенок, свидетельствуют о фрагментации структуры. Новые представления о причинах аварий сварных конструкций, обусловленных текстурой основного металла, позволили сформулировать требования к Z-сталям для узловых трубчатых соединений. Результаты исследований опытных партий стали на базе марки 09Г2С с различными значениями температуры конца прокатки положены в основу технических условий для ответственных сварных конструкций. Установлена зависимость между сопротивлением слоистому разрушению и структурными элементами ЗТВ в сварных соединениях низколегированных сталей. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана приближенная формула, позволяющая определять ширину участка перегрева в зависимости от скорости охлаждения в диапазоне 1…10 °С/с; по результатам стандартных механических испытаний с учетом размеров структурных элементов получили развитие расчетные методы оценки характеристик трещиностойкости и. Изучены закономерности возникновения и развития слоистого растрескивания оболочек конструкций нефтеперерабатывающего комплекса из-за диффузии водорода в зону упруго-пластического искажения кристаллической решетки. Оно возникает в обезуглероженных зонах в результате давления водорода и/или метана как на начальных стадиях зарождения, так и в зоне предразрушения перед фронтом магистральной трещины и представляет собой взаимодействие отдельных микротрещин и пор. Обезуглероживание конструкционных сталей наследует текстуру материала и протекает, в отличие от существующих представлений, при невысоких значениях температуры и давления паров углеводородов (менее 0,2 МПа). Следствием этого являются слоистые трещины, которые, в зависимости от относительных размеров трещин ; вязкости разрушения и толщины прослойки "здорового металла" могут либо развиваться, либо приобретать форму пузырей. При низких значениях вязкости разрушения металла (К_1С < 30 МПа·vм) имеет место рост слоисто-водородных трещин, которому способствует кристаллографическая ориентация {001} <011>. На основании физико-механических исследований металла фрагментов демонтированных конструкций установлено, что остаточный ресурс конструкций после длительной эксплуатации в водородсодержащих средах определяется степенью поражения оболочки корпуса слоисто-водородными трещинами.

Ключевые слова: сварные конструкции, конструкционные стали; слоисто-хрупкие и слоисто-вязкие разрушения; низкотемпературное, высокотемпературное, слоисто-водородное растрескивание, кристаллографическая текстура, структурные параметры.

Abstract

Rabkina M.D. Effect of structural-mechanical anisotropy of steel rolled metal on the resistance against lamellar fractures of welded joints. - Manuscript.

Thesis for the degree of Dr. of Techn. Sci. on specialty 05.03.06 “Welding and related technologies”. The E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kiev, 2007.

The thesis is devoted to the study of laws of initiation and propagation of lamellar fractures of welded joints and to the development of theoretical principles and technological ways of their prevention at all stages of manufacture and service of welded structures, depending on texture of the parent metal and service conditions, including temperature, loading and effect of hydrogen-containing environments.

It was established that two types of lamellar cracking are revealed: low-temperature and high-temperature. The main cause of initiation of a low-temperature lamellar cracking is the increased density in steel rolled metal of a family of crystallographic planes of cleavage {001} <011>. It was found that the allowed service life of structures after long-term service in hydrogen-containing environments is defined by the degree of damage of a casing wall by lamellar-hydrogen cracks. Depending on their relative sizes, fracture toughness and thickness of layer of “healthy metal”, they can either propagate or to acquire without propagation a shape of bubbles. Relation was established between the resistance to lamellar fracture and structural elements of HAZ in welded joints of low-alloyed steels, resulting in the development of calculation methods of assessment of characteristics of crack resistance K_1C and _1C from the results of standard mechanical tests with account for sizes of structural elements.

Key words: welded structures, structural steels, lamellar-brittle and lamellar-tough fractures, low-temperature, high-temperature, lamellar-hydrogen cracking, crystallographic texture, structural parameters.

Размещено на Allbest.ru