CC BY
47
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: TexHÏ4HÏ науки Вип. 33
ISSN 2225-6733
for compositions and heat treatment technologies of multi-component alloy steels. Thesis of doct. tech. sci. diss.]. Mariupol, 2007. 40 p. 5. Martin J. Micromechanisms in particle hardened alloys. Cambrige, Cambrige Univ. Press Publ., 1980. 167 p.
Рецензент: Л.С. Малшов
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 28.10.2016
УДК 669.14.018.28:621.642.2
© Белосточный А.В.1, Солошенко П.В.2, Григорьева М.А.3, Савенков С.В.4
ДЕГРАДАЦИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Исследованы механические свойства и структура металла цельнометаллических газовых баллонов из среднеуглеродистой стали после различной продолжительности их эксплуатации. Показано, что продолжительность эксплуатации не оказывает существенного влияния на уровень прочностных характеристик металла сосудов, но приводит к некоторому снижению пластических свойств и значительному снижению ударной вязкости. Установлено, что проявление деградации ударной вязкости наблюдается после эксплуатации сосудов в течение 25-30 лет. Выявлено различие характера температурной зависимости ударной вязкости металла баллонов от продолжительности их эксплуатации при испытании образцов типов Менаже и Шарпи.
Ключевые слова: баллон, продолжительность эксплуатации, деградация свойств, ударная вязкость металла.
БЫосточний A.B., Солошенко П.В., Григор'ева М.О., Савенков C.B. Деградаця властивостей металу суцыьнометалевих посудин, що працюють nid тиском, при тривалш експлуатаци. До^джет мехатчт властивостi та структура металу суцыьнометалевих газових балотв iз середньовуглецевог' сталi тсля експлуатаци рiзноï тривалостi. Показано, що тривалiсть експлуатацИ' не надае суттево-го впливу на рiвень мiцностi металу посудин, але призводить до деякого зниження пластичних властивостей i значному зниженню ударног' в'язкостi. Встановлено, що прояв деградацИ' ударно1' в'язкостi спостерiгаеться тсля тривалостi експлуатацИ' посудин на протязi 25-30 роюв. Виявлена вiдмiннiсть характеру температу-рно1' залежностi ударно1' в'язкостi металу балотв вiд тривалостi ïх експлуатацИ' при випробуванн зразюв типу Менаже та Шарт.
Kлючовi слова: балон, тривалiсть експлуатацИ, деградащя властивостей, ударна в'язюсть металу.
A. V. Belostochnyy, P. V. Soloshenko, M. O. Grigorieva, S. V. Savenkov. The degradation of metal vessels properties working under pressure during a long term use. Mechanical properties and metal structure of all-metal gas tanks made of medium-carbon steel after
1 техн. эксперт, вед. инженер, ЧАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», г. Мариуполь, andrey. belostochnyy@ilyichsteel. com
2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
4 ст. научн. сотр., ГП «Научно-исследовательский трубный институт», г. Днепр
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
different periods of service have been studied. It has been observed that the duration of the service does not significantly influence on the strength of the metal tanks, but it leads to some reduction of plasticity and toughness decrease. It has been observed that toughness degradation appears after 25-30 years of tanks exploitation. At testing of the Menazhe and Sharp specimen it was also found out that temperature dependence of metal tanks toughness varies with the service life. It has been noted that the metal microstructure does not change under continuous operation. Therefore the decrease in properties after long-term use of the cylinders was caused by the metal substructure. Exploration of the mechanism and kinetics of the substructure changes requires special studies. On the strength of these data the need to improve the existing methods ofperiodic inspection (as a function of service time) of all-metal steel cylinders, as well as setting limits of the lifespan of these vessels has been shown.
Keywords: balloon, lifespan, degradation, properties, metal toughness.
Постановка проблемы. В нормативно-технических документах, регулирующих разработку и эксплуатацию различных металлоконструкций, в качестве базовых принимаются стандартные характеристики механических свойств материалов, используемых для их изготовления. При этом предполагается, что эти свойства материалов являются неизменными и обеспечивают прочность и надежность металлоконструкций в течение всего расчетного времени их эксплуатации.
Однако, как показала практика, для ряда металлоконструкций, работающих в условиях значительных напряжений, с увеличением времени эксплуатации имеет место снижение ресурса их работоспособности, проявляющееся в увеличении числа отказов (аварийных разрушений) из-за понижения свойств материалов, из которых они были изготовлены.
Ухудшение свойств материалов при продолжительной эксплуатации металлоконструкций различного вида является экспериментально установленным фактом и присуще не только сталям [1], но и другим сплавам [2]. В литературе это явление известно под термином «деградация свойств».
Деградация является следствием протекания в металле под действием внешних факторов ряда процессов, различных по своей природе, механизму, кинетике развития. В зависимости от видов металлоконструкций, условий их эксплуатации она может проявляться в виде изменений характеристик механических свойств, структурного состояния, образования и развития дефектов в поверхности и объеме металла, коррозионных повреждений. Выявление развития процессов деградации, изучение их природы для конкретных металлоконструкций, в том числе и сосудов, работающих под давлением, является важным, так как позволит более надежно оценивать текущее техническое состояние этих объектов с учетом влияния фактора времени их эксплуатации.
Анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время известны обширные экспериментальные исследования деградации свойств металла после длительной эксплуатации, выполненные для газопроводов, изготовленных из малоуглеродистых низколегированных сталей различных марок [3-8], а также для строительной арматуры железобетонных конструкций [9]. Для других металлоконструкций, в частности цельнометаллических газовых баллонов среднего объема, составляющих многочисленную группу сосудов, работающих под давлением, которые изготовляются из среднеуглеродистой стали, данные о влияния продолжительности эксплуатации на свойства металла отсутствуют.
Условия эксплуатации баллонов и газопроводов во многом сходны. И те, и другие имеют цилиндрическую форму, что обусловливает в процессе эксплуатации аналогичный характер их напряженного состояния. Однако характерной особенностью эксплуатации баллонов, наряду с различием материала, является цикличность их нагружения внутренним давлением с широким размахом, практически от нуля до 14,7-19,6 МПа. Количество таких циклов зависит от продолжительности их службы.
Расчетный срок службы для сосудов указанного типа нормативными документами не установлен. Выполненные исследования показали, что в настоящее время в эксплуатации находятся баллоны со сроком службы 60 лет и более.
Существующие методики периодической оценки технического состояния баллонов не учитывают влияния временного фактора на свойства металла. В связи с этим информация об
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
изменении свойств металла указанных сосудов после продолжительной их работы является весьма важной, так как только на основе нее возможно установление научно обоснованных предельных сроков эксплуатации и совершенствование методик периодической оценки их технического состояния.
Формулировка целей статьи. Целью настоящей работы являлось изучение влияния продолжительности эксплуатации на механические свойства и структуру металла цельнометаллических баллонов. Для исследования были отобраны баллоны вместимостью 40 литров, предназначенные для эксплуатации с рабочим давлением 14,7 МПа. Продолжительность эксплуатации этих сосудов составляла от нуля (новые изготовленные) до 61 года. По данным контрольного химического анализа исследуемые баллоны были изготовлены из среднеуглеродистой стали марки Дс (С 0,43-051%, Мп 0,7-1,0%) или из стали 45 с химическим составом в тех же пределах.
Отбор проб и определение механических свойств металла опытных баллонов проводили по стандартным методикам, используемым при сдаточных испытаниях партий сосудов при их серийном производстве. Так как для оценки вязких свойств металла сосудов отечественного изготовления [10] регламентированы испытания на образцах Менаже, дополнительно определяли значения ударной вязкости металла на образцах Шарпи, используемых при приемочных испытаниях аналогичных сосудов за рубежом. Исследование микроструктуры металла баллонов с разной продолжительностью эксплуатации выполняли металлографическим методом.
Согласно [10] конструктивная прочность баллонов и их надежность обеспечиваются при уровне характеристик механических свойств стали от > 373 Н/мм2, ов > 638 Н/мм2, 55 > 15%, КСи 20 > 29,4 Дж/см2. Оценка соответствия этих характеристик проводится по результатам контрольных испытаний металла отдельных сосудов, отобранных из партии изготовленных баллонов. Как показали ранее выполненные исследования, значения этих характеристик для баллонов в пределах одной партии могут несколько отличаться от контрольных.
В связи с тем, что по указанным выше причинам установить исходные значения характеристик механических свойств металла каждого из исследованных сосудов не представлялось возможным, в качестве базового уровня использовали статистические данные приемосдаточных испытаний нормируемых характеристик механических свойств металла более 1300 партий баллонов, изготовленных за период 2000-2010 гг.
Изложение основного материала. Результаты исследования показали (таблица), что величины прочностных характеристик механических свойств металла баллонов при продолжительности эксплуатации до 61 года не изменяются, соответствуют требованиям [10] и находятся в пределах колебания значений, статистически установленных по данным приемо-сдаточных испытаний партий сосудов.
Таблица
Механические свойства металла баллонов с различной продолжительностью эксплуатации
Продолжительность эксплуатации, годы Предел текучести, Н/мм2 Временное сопротивление, Н/мм2 Относительное удлинение, % Ударная вязкость, кси+20 Дж/см2
2 421,4 671,3 26,0 82,6
2 423,3 700,7 24,5 71,5
8 396,0 766,7 20,5 51,5
16 407,0 734,0 22,5 71,1
16 416,0 687,0 25,0 90,7
21 404,7 743,3 20,5 56,3
29 437,3 794,7 18,5 41,6
29 376,0 688,0 21,5 37,0
36 382,2 669,0 18,0 41,7
61 386,0 683,0 18,0 49,0
0 (базовый уровень) 373-522 638-855 15-27 29,4-110
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: Техшчш науки Вип. 33
ISSN 2225-6733
Относительное удлинение и величина ударной вязкости KCU+20 металла при длительности эксплуатации примерно до 25 лет также остаются практически неизменными. С увеличением времени эксплуатации баллонов свыше 25-30 лет эти характеристики свойств металла проявляют явно выраженную тенденцию к снижению.
Следует отметить, что отсутствие значимых изменений прочностных свойств после весьма продолжительной эксплуатации (30 лет и более) было установлено [4, 6, 7] и для металла газопроводов, изготовленных из малоуглеродистых низколегированных марок сталей.
Исследование ударной вязкости, выполненное на образцах Менаже и Шарпи ( KCU и KCV), позволило установить характерные особенности влияния продолжительности эксплуатации на склонность металла баллонов к хрупкому разрушению. Результаты серийных испытаний на ударную вязкость этих образцов в интервале температур от +20 до -60°С представлены на рисунке.
70
о 60
э
5
.fl
6
о *
в
ш
X
а
I
50 40 30 20 10 0
V """А«»
^—„ *
—0 лет 0 лет 29 лет
й 61 год
20 0 -20 -40 -60 Температура испытания,
оС
а)
5 *
6 о
П К
m
5
х а и
£
40 35 30 25 20 15 10 5 0
_20 0 -20 -40 -60 Температура испытания,
оС
б)
Рисунок - Температурная зависимость ударной вязкости металла КСи (а) и КСУ (б) баллонов с различной продолжительностью эксплуатации
Как видно, металл баллонов с длительными сроками эксплуатации имеет более низкий уровень ударной вязкости КСи и КСУ. Температурные зависимости ударной вязкости металла баллонов с различным сроком службы, определенной на образцах Менаже и Шарпи, существенно различаются. С понижением температуры испытания средние значения КСи (рис. а) и КСУ (рис. б) металла исследованных баллонов снижаются.
Следует отметить, что разница значений ударной вязкости КСи для баллонов с продолжительностью эксплуатации 0 лет (новые баллоны) и 61 год в интервале температур испытания от 20°С до -40°С непрерывно уменьшается. При температурах испытаний -40°С и -60°С различие значений этой характеристики для металла баллонов с разным сроком службы практически не наблюдается. Для ударной вязкости КСУ разница уровней этой характеристики механических свойств металла баллонов с той же продолжительностью эксплуатации во всем исследованном интервале температур остается практически неизменной и составляет 10-15 Дж/см2. Полученные результаты показывают, что ударная вязкость, определенная на образцах Шарпи, более полно отражает влияние времени эксплуатации баллонов на склонность их металла к хрупкому разрушению.
Кривые зависимости ударной вязкости металла от температуры испытания для баллонов, находившихся в эксплуатации 29 лет, для обоих типов образцов имеют признаки (значение
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
ударной вязкости, темп ее снижения в разных интервалах температур), характерные как для металла новых сосудов, так и для сосудов с большой продолжительностью эксплуатации. Наблюдаемый промежуточный характер зависимости ударной вязкости металла от температуры испытания для баллона со сроком службы 29 лет позволяет предположить, что начальные стадии процессов деградации свойств металла баллонов, изготовленных из среднеуглеродистой стали, имеет место уже после 25-30 лет их эксплуатации.
Металлографические исследования показали, что длительная эксплуатация баллонов не приводит к видимым изменениям в микроструктуре металла, выявляемыми оптическим методом. Во всех случаях структура металла была перлито-ферритной, характерной для нормализованного состояния среднеуглеродистой стали. Следовательно, наблюдаемое снижение свойств металла цельнометаллических сосудов, работающих под давлением, является следствием изменения его субструктуры при продолжительной эксплуатации. Для выяснения механизма и кинетики таких изменений субструктуры требуется проведение специальных исследований.
Выводы
Продолжительность эксплуатации цельнометаллических баллонов из среднеуглероди-стой стали практически не оказывает влияния на уровень прочностных характеристик механических свойств металла, но приводит к некоторому уменьшению пластичности и значительному снижению его ударной вязкости. Проявление процессов деградации ударной вязкости имеет место после эксплуатации баллонов в течение 25-30 лет. Температурные зависимости КСи и КСУ металла баллонов с различной продолжительностью эксплуатации имеют разный характер. Продолжительность эксплуатации сосудов не приводит к изменению микроструктуры металла, определяемой оптическим методом. Деградация пластических и вязких свойств при продолжительной эксплуатации баллонов является следствием изменения субструктуры их металла. Для установления механизма и кинетики развития процессов, приводящих к снижению ударной вязкости металла баллонов, требуется проведение дополнительных исследований. Явление деградации свойств металла цельнометаллических баллонов, работающих под давлением, ставит вопрос о необходимости усовершенствования существующей методики периодического освидетельствования этих сосудов с учетом временного фактора эксплуатации и установления предельного срока их службы.
Список использованных источников:
1. Одесский П.Д. О деградации свойств сталей для металлических конструкций / П.Д. Одесский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - № 10, Т. 69. - С. 41-49.
2. Исследование деградации механических характеристик конструкционного сплава Д16 в результате воздействия эксплуатационной нагрузки / В.М. Байков [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - № 11, Т. 69. - С. 50-54.
3. Зависимость изменения механических свойств металла трубопроводов от срока их эксплуатации / Ф.Д. Нуриахметов [и др.] // Бюллетень «Черная металлургия». - 2002. - № 4. -С. 41-49.
4. Филиппов Г.А. Деградация свойств металла при длительной эксплуатации магистральных трубопроводов / Г.А. Филиппов, О.В Ливанова, В.Ф. Дмитриев // Сталь. - 2003. - № 2. -С. 84-87.
5. Статистическая оценка деградации свойств материала нефтепровода / Л.А. Сосновский [и др.] //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - № 11, Т. 69. - С. 40-49.
6. Об оценке влияния длительной эксплуатации на механические свойства и структуру металла магистральных нефтепроводов / Н.П. Лякишев [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. - № 1, Т. 73. - С. 75-82.
7. Материаловедческие условия сохранения несущей способности металла магистральных газопроводов при их длительной эксплуатации / М.М. Кантор [и др.] // Металлы. - 2009. -№ 4. - С.46-56.
8. Проблема остаточного ресурса прочности и трещиностойкости трубопроводных систем при длительной эксплуатации / Ю.И. Пашков [и др.] // Бюллетень «Черная металлургия». -2006. - № 4. - С. 54-64.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
9. Микрюков В.Р. Физическая природа деградации свойств, фазового состава и дефектной субструктуры арматурной стали при длительной эксплуатации: Монография / В.Р. Микрюков, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. - Новокузнецк : СибГИУ, 2007. - 170 с.
10. Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр < 19,6 МПа (200 кгс/см2). Технические условия : ГОСТ 949-73. - Введен 1973-12-19. - М. : ИПК Издательство стандартов, 1973. - 13 с. - (Межгосударственный стандарт).
References:
1. Odesskii P.D. O degradatsii svoistv stalei dlia metallicheskikh konstruktsii [On the degradation properties of steels for metal forms]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Factory Laboratory. Diagnosis, 2003, no. 10, vol. 69, pp. 41-49. (Rus.)
2. Baikov V.M., Butushin S.V., Gorodetskii V.N. Issledovanie degradatsii mekhanicheskikh kharak-teristik konstruktsionnogo splava D16 v rezul'tate vozdeistviia ekspluatatsionnoi nagruzki [Research on degradation of mechanical characteristics of the alloy D16 exposed to pressure]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Factory Laboratory. Diagnosis, 2003, no. 11, vol. 69, pp. 50-54. (Rus.)
3. Nuriakhmetov F.D., Stepanenko A.I., Smirnov N.A. Zavisimost' izmeneniia mekhanicheskikh svoistv metalla truboprovodov ot sroka ikh ekspluatatsii [The dependence of the changes in the mechanical properties of the metal pipes during their lifetime]. Biulleten' «Chernaia metallur-giia» - Bulletin «Iron and steel», 2002, no. 4, pp. 41-49. (Rus.)
4. Filippov G.A., Livanova O.V., Dmitriev V.F. Degradatsiia svoistv metalla pri dlitel'noi eksplua-tatsii magistral'nykh truboprovodov [The degradation of metal properties during prolonged operation of pipelines]. Stal'- Steel, 2003, no. 2, pp. 84-87. (Rus.)
5. Sosnovskii L.A., Makhutov N.A., Bordovskii A.M. Statisticheskaia otsenka degradatsii svoistv materiala nefteprovoda [Statistical evaluation of the degradation of the material properties of oil]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Factory Laboratory. Diagnosis, 2003, no. 11, vol. 69, pp. 40-49. (Rus.)
6. Liakishev N.P., Kantor M.M., Belkin A.A. Ob otsenke vliianiia dlitel'noi ekspluatatsii na mek-hanicheskie svoistva i strukturu metalla magistral'nykh nefteprovodov [An estimate of the effect of longterm operation on the mechanical properties and metal structure of the main oil pipelines].
Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Factory Laboratory. Diagnosis, 2007, no. 1, vol. 73, pp. 75-82. (Rus.)
7. Kantor M.M., Voronin V.N., Bozhenov V.A. Materialovedcheskie usloviia sokhraneniia nesu-shchei sposobnosti metalla magistral'nykh gazoprovodov pri ikh dlitel'noi ekspluatatsii [Conditions for the conservation of the main gas pipelines carrying metal capacity during their longterm operation]. Metally - Metals, 2009, no. 4, pp. 46-56. (Rus.)
8. Pashkov Y.I., Danchakov G.A., Stepanenko A.I. Problema ostatochnogo resursa prochnosti i treshchinostoikosti truboprovodnykh sistem pri dlitel'noi ekspluatatsii [The problem of a residual resource of strength and fracture toughness of pipeline systems in continuous operation]. Biulleten' «Chernaia metallurgiia» - Bulletin «Iron and steel», 2006, no. 4, pp. 54-64. (Rus.)
9. Mikryukov V.R. Fizicheskaia priroda degradatsii svoistv, fazovogo sostava i defektnoi substruk-tury armaturnoi stali pri dlitel'noi ekspluatatsii: monografiia [The physical nature of the degradation properties, phase composition and defect substructure of reinforcing steel in their long term use: monograph]. Novokuznetsk, SibGIU Publ., 2007. 170 p. (Rus.)
10. GOST 949-73. Ballony stal'nye malogo i srednego ob'ema dlia gazov na Pp < 19,6 MPa (200 kgs/sm2). Tekhnicheskie usloviia [State standart 949-73. Steel cylinders of small and medium volume for gases Pp < 19.6 MPa (200 kgf / cm2). Specifications]. Moscow, Publisher IPC standards, 1973. 13 p. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Ефременко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 10.10.2016
