CC BY
26РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.03.012 УДК 621.791.052
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПРОЧНОСТИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ С РАССЛОЕНИЕМ СТЕНКИ
Д. В. Жуков, С. В. Коновалов, А. А. Мельников, К. К. Чаплыгин
Исследованы причины возникновения и развития трещины протяженностью 80,0 мм и глубиной до 3,0 мм на подземном магистральном газопроводе по кольцевому сварному шву, изготовленному методом контактной сварки токами высокой частоты. В рамках исследования был проведен комплекс исследований, включавших визуально-измерительный контроль, ультразвуковую толщинометрию стенок труб в околошовной зоне и по основному металлу, оптическую микроскопию, испытания на статическое растяжение и фрактогра-фический анализ. Рассмотрена структура и морфология шва и металла прилегающих участков труб, проанализировано поведение расслоений и влияние включений при сварке. Установлено, что дефекты изначально присутствовали на одной из свариваемых труб и представляли собой расслоения, толщиной от 5 до 50 мкм, располагающиеся на различной глубине. В процессе сварки произошло значительно искажение слоев с образованием микропор и нарушением микроструктуры стали в дефектных зонах. Установлено, что наличие дефектов приводит к значительным локальным изменениям структуры в зоне сплавления и изменению физических свойств в этих участках. Показано, что наиболее сильно такие изменения структуры влияют на пластичность дефектных участков. Относительное удлинение сокращается почти в два раза.
Ключевые слова: расслоение, сварной шов, диаграмма растяжения, дефекты проката, электронная микроскопия, оптическая микроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
Происходящие по причине скрытых заводских дефектов аварии составляют значительную часть в общем количестве инцидентов. По различным источникам [1, 2], на их долю приходится от 6,5 до 17,8 % произошедших на газопроводах аварий. Основным негативным свойством таких дефектов является сложность их обнаружения как при строительстве, так и при эксплуатации объектов, что даже при полном соблюдении правил промышленной безопасности не гарантирует отсутствия аварий. Изучение причин разрушения трубопроводов по сварным соединениям является важной и актуальной задачей, и отражено в большом количестве исследований. В частности, в работах [3, 4] рассматриваются разрушения продольных сварных швов по причинам коррозионного растрескивания под напряжением. В работах [5-7] проводится анализ причин разрыва труб по сварным швам, непосредственно приведшим к авариям. Выполнен ряд работ [8, 9] по построению методов расчета и оценки безопасности сварных соединений с внутренними дефектами методом конечных элементов, в т. ч. для коррозионных повреждений [10]. В работах [11-14] представлены испытания и анализ изломов швов различной конфигура-
ции, включая швы со смещением кромок, швов нахлесточного типа и со следами деформации. При этом исследования дефектов сварных соединений, подобные рассматриваемому в данной работе, слабо представлены в научной литературе.
Целью данной работы является анализ причин образования дефекта, оценка несущей способности дефектного сварного шва.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования является участок трубопровода с дефектным кольцевым сварным швом. Сварной шов образован стыковым соединением электросварных прямо-шовных труб диаметром 325 мм, изготовленных из стали 20, номинальной толщиной 6,0 мм и 7,5 мм, со снятием наружного валика усиления.
При визуальном осмотре образца уточнены геометрическое расположение, характеристики и размеры дефекта. Выполнен ультразвуковой контроль эхоимпульсным методом на сплошность материала в околошовной зоне с обеих сторон шва с использованием автоматического дефектоскопа УИУ «Ска-руч» серии «Сканер» (ООО «Алтес», Россия) с акустическим блоком для толщинометрии № 129.
Микрошлифы образцов исследовались
методом световой оптическом микроскопии с увеличением от 50х до 500х на бинокулярном оптическом металлографическом инвертированном микроскопе МЕТАМ ЛВ-31 (АО «ЛО-МО», Россия). Образцы вырезались на отрезной машине с обеспечением охлаждения и готовились с применением материалов для пробоподготовки Aka-Clear (Akasel A/S, Дания). Полировка осуществлялась на металлографическом шлифовально-полировальном станке LS2+LSA (Remet, Италия). Микрошлифы осматривались как до травления, так и после травления в четырехпроцентном растворе азотной кислоты в спирте.
Испытания на статическое растяжение проводились на разрывной машине ИР5113-100 (ОАО «Точприбор», Россия). Для проведения испытаний было вырезано по три образца из бездефектных и дефектных областей. Испытания проводились при температуре окружающей среды 19 °С.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Трещина расположена на внешней стороне кольцевого сварного шва на границе зоны сплавления со стороны дефектной трубы. Трещина длиной 80 мм направлена вдоль сварного шва по прямой траектории (рисунок 1).
Рисунок 1 - Трещина на обследуемом сварном шве
Проведен ультразвуковой контроль околошовных зон эхоимпульсным методом по всему периметру труб по обе стороны от сварного шва на расстоянии 15,0 мм. Данные записаны с шагом в 2,0 мм. Минимальная
измеренная толщина дефектной трубы (глубина расслоения) составила 2,0 мм, максимальная толщина стенки в бездефектной области достигала 8,4 мм, при этом средняя толщина преимущественно изменялась в диапазоне от 7,3 до 7,6 мм. Толщина бездефектной трубы находилась в диапазоне от 5,9 до 6,2 мм, однако в зоне сварного шва на ней был выполнен скос кромки на расстоянии до 10,0 мм от зоны сплавления. Толщина бездефектной трубы прилегающаяк зоне сплавления составляла от 5,2 до 5,5 мм. На основе данных толщинометрии построены толщинограммы труб, приведенные на рисунке 2. При совмещении результатов визуального осмотра и результатов толщи-нометрии определено, что трещина образовалась в зоне максимального приближения расслоения к поверхности.
Рисунок 2 - Толщинограммы околошовных зон (а - со стороны дефектной трубы; б - со стороны бездефектной трубы)
Глубина раскрытой трещины составляла от 2,0 до 3,0 мм, что соответствует показаниям толщиномера и свидетельствует о наличии второго слоя металла непосредственно под расслоением. Зона явных расслоений, фиксируемых толщиномером, составляет 400 мм, что соответствует 40 % периметра трубы. Разнотолщинность труб составляет 1,5 мм, а в зоне кольцевого шва достигает 2,5 мм за счет скоса внутренней кромки бездефектной трубы.
Общая конфигурация сварного шва с прилегающими зонами показывает неудовлетворительную подготовку стыкуемых труб. Кроме пропущенных в производство внутренних дефектов стенки трубы, сварной шов имеет явно выраженную разнотолщинность от 30 до 50 %.
При оптической микроскопии микроструктуры основного металла труб и зоны сварного шва обнаружены протяженные расслоения различной толщины, проходящие
параллельно поверхности. В зоне сварного шва, со стороны дефектной трубы видна явно выраженная полосчатая структура материала, получившая дополнительное искривление при сварке. Раскатанные несплошности и включения также изменили свою геометрию, частично объединившись и увеличившись в объеме (рисунок 3). Такая полосчатая структура обнаружена ближе к центру стенки дефектной трубы.
талла имели разную степень остаточной деформации и отличающийся характер излома (рисунок 5).
Рисунок 3 - Оптическая микроскопия участка сварного шва
Микроструктура металла в зоне сварного шва со стороны бездефектной трубы представлена характерной феррито-перлитной кристаллической структурой, однородной по толщине стенки. Схожая структура зафиксирована ближе к внешней и внутренней поверхности стенки дефектной трубы.
Выполнены испытания подготовленных образцов на статический разрыв. Образцы вырезались из зоны с расслоениями и из бездефектных зон. Результаты испытаний бездефектного участка показали характерную картину, получаемую при испытаниях качественных сварных швов низколегированных малоуглеродистых трубных сталей (рисунок 4).
Разрушение дефектных образцов произошло по зоне сплавления, в которой при оптической микроскопии обнаружены микро-несплошности, что также коррелирует с результатами работы [12]. При этом слои ме-
Рисунок 4 - Характер разрушения бездефектных образцов
Рисунок 5 - Характер разрушения дефектных образцов
Усредненные результаты испытаний приведены на диаграммах растяжения, представлены на рисунках 6, 7 и таблице 1.
Таблица 1 - Сводные результаты испытаний
Образцы
Параметр без дефектов с дефектами
Относительное
удлинение, 5б, % 11,3 6,1
Предел текучести От, МПа 389 404
Временное
сопротивление разрыву Ов, МПа 515 441
Деформация [мм]
Рисунок 6 - Диаграмма растяжений бездефектных участков
Рисунок 7 - Диаграмма растяжений дефектных участков
Временное сопротивление разрыву бездефектных образцов составило 515 МПа, дефектных: 441 МПа, что меньше на 14 %. При этом относительное удлинение дефектных образцов составляет всего 6,1 %, что почти в два раза меньше, чем у бездефектных образцов, относительное удлинение которых в среднем составило 11,3 %.
Измеренный предел текучести дефектных участков практически соответствует бездефектным, превышая его на 4 %. Это связано с распределением очередности включения в работу слоев дефектных участков и неравномерным перераспределением нагрузки, на что указывает участок упрочнения, имеющий значительные перепады и более пологий наклон. Такие перепады свидетельствуют о переходе части слоев на участок упрочнения, в то время как остальные находятся на участке
текучести или в пределах площадки текучести. Данный вывод подтверждается анализом видеофиксации испытаний, в ходе которых видно, что образец разрушается послойно: часть слоев отрывается, в то время как остальные находятся в процессе растяжения под нагрузкой.
ВЫВОДЫ
В результате исследований подтверждено, что расслоения металла оказывают значительное влияние на качество сварных швов, существенно снижая их механические свойства. При производстве сварных швов с участками метала, имеющим расслоения, в структуре сварного шва наблюдается повышенная микропористость, а слои металла приобретают разнородную структуру. В процессе эксплуатации на таких сварных соеди-
нениях создаются условия неравновесного нагружения, приводящие к неравномерной нагрузке на слои и послойному разрушению дефектных мест. Разнородность несущей способности слоев металла приводит к сокращению общего срока службы объекта и повышению вероятности разрушения при штатных нагрузках.
Следует отметить, что наиболее эффективным методом обнаружения подобных дефектов на ранней стадии развития или на производстве является ультразвуковой контроль при помощи наклонных преобразователей. Однако нужно отметить, что присутствующая в рассматриваемом сварном шве значительная разнотолщинность усложняет его проведение и расшифровку результатов. Наиболее эффективной в рассматриваемом случае является толщинометрия околошовной зоны, которую необходимо проводить по всему периметру труб.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. FracTracker Alliance. Pipeline Incident Summary. Available online: https://www.fractracker.org/ 2020/02/pipelines-continue-to-catch-fire-and-explode/ (accessed on 06.05.2020).
2. European gas pipeline incident data group. Available online: https://www.egig.eu/startpagina/$61/ $108 (accessed on 06.05.2020).
3. Дзиоев, К. М., Басиев, К. Д., Хабалов, Г. И., Дзарукаев, Э. В. Стресс-коррозионные процессы в металле и сварных соединениях газопроводов // Сварочное производство. - 2013. - № 9. - С.13-18.
4. Карпов, С. В., Ширяпов, Д. И., Алихаш-кин, А. С. Комплексные исследования коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах : опыт и перспективы // Вести газовой науки. - 2016. - № 3 (27). - С. 143-153.
5. Алексеев, А. А., Сыромятникова, А. С., Большаков, А. М., Иванов А. Р. Результаты исследования разрушения сварных соединений трубопровода, изготовленных контактной сваркой токами высокой частоты. Территория «НЕФТЕГАЗ». -2019. - № 12. - С. 76-80.
6. Чирков, Ю. А., Кушнаренко, В. М., Ре-пях, В. С., Чирков, Е. Ю. Анализ причин разрушения сварного соединения трубопровода // Металловедение и термическая обработка металлов. -2017. - № 10 (748). - С. 63-66.
7. Голиков, Н. И., Терентьев, Н. Н., Алексеева, М. Н., Родионов, А. К., Кынакытова, М. А., Аргунова, А. А. Анализ разрушения сварных соединений подводного перехода магистрального газопровода // Сварка и Диагностика. - 2016. - № 1. -С. 60-64.
8. Wang, X., Shuai, J. A calculation method for
limit load of the gas pipelines with girth weld surface cracks, Natural Gas Industry B. 6 (5). - 481-487. D0l:10.1016/j.ngib.2019.03.004.
9. Souza, R. F., Ruggieri, C. Fracture assessments of clad pipe girth welds incorporatingimproved crack driving force solutions. Engineering Fracture Mechanics, 148. - 383-405. D0l:10.1016/ j.engfracmech.2015.04.029.
10. Lu, Y., Li, X., Jing, H., Xu, L., Han, Y. Finite element simulation of carbon steel welded joint corrosion, Hanjie Xuebao / Transactions of the China Welding Institution. - 39 (5). - Р. 10-14. D0I:10.12073/ j.hjxb.2018390112.
11. Андронов, И. Н., Гаврюшин, С. С., Заха-ренков, Д. В., Пронин, А. И. Анализ влияния дефектов в зоне сварного шва на прочность трубопровода // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2011. - № 1. - С. 5-10.
12. Zheng, B., Dawood, M., Zhou, Y. Influence of morphological characteristics on the mechanical properties and failure mechanisms of legacy butt welds, Construction and Building Materials, 198. -158-171. D0I:10.1016/j.conbuildmat.2018.11.171.
13. Шахматов, Д. М., Шахматов, М. В. Долговечность сварных трубопроводов при длительной эксплуатации // Сварка и диагностика. - 2018. -№ 6. - С. 45-48.
14. Усов, В. В., Гопкало, Е. Е., Шкату-ляк, Н. М., Гопкало, А. П., Чернева, Т. С. Текстура, микроструктура и фрактальные особенности малоциклового усталостного разрушения металла сварных соединений трубопровода // Металлы. -2015. - № 5. - С. 98-110.
Жуков Дмитрий Владимирович, аспирант Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, руководитель ГСБД инженерно-технического центра ООО «Газпром трансгаз Самара», е-mail: dzetii@mail.ru.
Коновалов Сергей Валерьевич, д.т.н., профессор кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, е-mail: ksv@ssau.ru.
Мельников Алексей Александрович, к.т.н., доцент, доцент кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, е-mail: melnickov.alex@ yandex.ru.
Чаплыгин Константин Константинович, инженер ООО НИПП «Вальма», е-mail: chapkostya96@mail.ru.
