CC BY
97
Е. А. Наумкин (к.т.н., доц.,), М. И. Кузеев (к.т.н., с.н.с.),
В. В. Белозеров (асп.), Р. Р. Кудашев (инж.)
Изменение микроструктуры и механических характеристик стали 20 после имитации пожара и его тушения
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра технологических машин и оборудования 450062 г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431137, e-mail: ynaumkin@mail.ru
E. A. Naumkin, M. I. Kuzeev, V. V. Belozerov, R. R. Kudashev
The microstructure and mechanical properties of steel 20 changing after decoy fire and its extinguishing
Ufa State Petroleum Technological University
1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431137, e-mail: ynaumkin@mail.ru
В результате экспериментов, имитирующих реальные условия пожара с нагревом металла открытым пламенем и различными скоростями охлаждения для создания возможных вариантов тушения, установлено, что изменение критического коэффициента концентрации напряжений при увеличении скорости охлаждения имеет взаимосвязь с микроструктурой, носит параболический характер, а лицевая поверхность проката с точки зрения начала разрушения является наиболее опасной.
Ключевые слова: коэффициент концентрации напряжений; микроструктура; пожар; поверхность; скорость охлаждения; средний размер зерна.
Ежегодно на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических предприятиях отрасли происходит порядка 50 крупных аварий и около 20 тысяч случаев, сопровождающихся пожарами и взрывами, значительными разливами нефти, попаданием ее в водоемы, гибелью людей, большими материальными потерями. Из них пожары составляют 58.5% от общего числа опасных ситуаций; загазованность — 17.9%; взрывы — 15.1%; прочие опасные ситуации — 8.5% 1.
Пожары, как правило, охватывают большие площади установок, после локализации которых различными способами, чаще всего оборудование и конструкции сохраняют форму, и видимых изменений не обнаруживается. Анализ литературных источников показывает, что термосиловое воздействие высокой интенсивности приводит к изменению микроструктуры и механических характеристик металла 2,3.
Дата поступления 25.03.11
The article is discussed efforts simulating the real environments of fire with metal heating by an open flame and various cooling rate for possible extinguishing a fire variants anticipating. It is present that the critical stress concentration factor variation by the cooling rate buildup is related with microstructure by parabolic curve. It is present, that the front surface of rolled metal from fracture initiation points of view is the most dangerous.
Key words: stress concentration factor; a microstructure; a fire; a surface; cooling rate; the average grain diameter.
По существующим нормативам 4 время действия открытого пламени т0, которое не приводит к изменению несущей способности конструкции, составляет 15 мин. Поскольку металлоконструкции с начального момента времени пожара подвергаются воздействию пламени с широким диапазоном температур с 450 0С до 1100 0С 5, в данной работе выбрана средняя температура нагрева металла, имитирующая реальные условия пожара, равная 650 0С. Данная температура не превышает линию эвтектоидного превращения, которая обеспечивает неизменность фазового состава стали (727 0С) и гарантирует сохранение прочностных характеристик и функционирование металлоконструкций.
Строгой регламентации по скорости изменения температуры не принято. Различные способы тушения пожаров могут по-разному влиять на скорость охлаждения металла 6. В связи с этим актуально рассмотрение модели пожара при непродолжительном горении, ког-
да система пожаротушения обеспечивает локализацию очагов возгорания. При этом представляет интерес изучение влияния скорости охлаждения конструкции на изменение микроструктуры и прочностные характеристики материала.
Напряженно-деформированное состояние металлоконструкций в момент нагрева определяется неравномерным температурным полем и, в зависимости от реальной конфигурации системы, в некоторых узлах могут возникать пластические деформации. Высокие скорости изменения температуры могут также приводить к возникновению и развитию трещин.
Уровень накопленных повреждений в конструкционных материалах на момент возникновения пожара может различаться в зависимости от уровня и характера рабочих нагрузок. Так, например, в оборудовании, которое испытывает циклические нагрузки, уже в процессе эксплуатации могут зарождаться дефекты типа трещин 7. Эти дефекты могут получить развитие в процессе нестационарного нагружения при воздействии огня или агентов для его тушения, либо подрасти до критических размеров и раскрыться в дальнейшем при рабочих нагрузках.
В этой связи важно знать возможное изменение коэффициента трещиностойкости (К/с) при различных скоростях охлаждения для оценки возможного распространения трещин и для подбора оптимальных условий охлаждения 7. Исследование металла в условиях циклического нагружения показывают чувствительность К/С к уровню накопленных повреждений 8.
Материалы и методы исследования
В качестве исследуемого металла в данной работе использовалась сталь 20, которая широко применяется в нефтепереработке при изготовлении оборудования, труб и многих строительных металлоконструкций. Было подготовлено 9 пластин размером 300x300 мм, 4 из которых испытывались воздействием открытого пламени в свободном состоянии, а еще 4 в условиях стесненной деформации. Изменения свойств стали в процессе эксперимента вели по изменению среднего размера зерна. Определение критического коэффициента интенсивности напряжений выполнено по ГОСТ 25.506-85 на образцах типа 3 с краевым надрезом на разрывной машине ИР 5113-100 9,10, которые показаны на рис. 1. После испытания пластин для дальнейших экспериментов из них было
изготовлено 20 образцов.
Рис. 1. Компактный образец по ГОСТ25.506-85 для испытаний на внецентренное растяжение-сжатие
После 15 мин нагрева и достижения необходимой температуры охлаждение металла проводилось в следующих условиях:
— на воздухе при £=+20 0С;
— на воздухе при £=—20 0С;
— в воде при £=15 0С;
— в масле при £=15 0С.
Подвергнутые таким образом термической
обработке пластины были разделены на две части, одна из которых была направлена на исследование микроструктуры, а другая — на изготовление образцов для определения механических характеристик.
Проведение эксперимента по нагреву металла с созданием напряженно-деформированного состояния осуществлялось в специально изготовленной конструкции (рис. 2).
Как показано на рис. 2, пластина для нагрева 5 зажимается фланцами 3 для ограничения ее температурных деформаций в горизонтальном и вертикальном направлениях. В целях недопущения нагрева фланцев открытым пламенем предусмотрено наличие защитных экранов 2. Во избежание контактного нагрева фланцев 3 от пластины 5 между ними предусмотрена прокладка из асбеста 6. Разогрев пластины до 650 0С осуществляется паяльной лампой 1. Температура нагрева пластины измеряется с помощью термопары 8 марки ТХА и измерителя-регулятора одноканального 9 марки ТРМ1А. Радиальная деформация, возникающая при нагреве пластины, измеряется индикатором перемещений часового типа 7, закрепленного в штативе 4.
Рис. 2. Схема экспериментального стенда для проведения исследований: 1 — паяльная лампа (источник открытого пламени); 2 — защитный экран; 3 — фланцы; 4 — штатив с держателем; 5 — пластина (испытуемый образец); 6 — асбестовая прокладка; 7 — индикатор перемещений часового типа; 8 — термопара марки ТХА; 9 — измеритель-регулятор одноканальный ТРМ1А
На рис. 3 показан экспериментальный стенд и воздействие пламени на пластину.
Пластины в закрепленном состоянии охлаждалась при различных условиях, описанных выше. Результаты расчета скорости охлаждения представлены в табл. 1.
Максимальные деформации в пластине во время нагрева возникают в центральной части зоны нагрева и составляют 3.5 мм. После охлаждения пластины остаточных деформаций в металле не наблюдалось.
Из каждой пластины были вырезаны образцы для проведения металлографических исследований. В связи с тем, что направление проката оказывает влияние на структуру, исследования были проведены с трех плоскостей образцов. Схема вырезки с указанием направления проката пластины и номера поверхности указаны на рис. 4 (пламя было направлено на плоскость 1).
Согласно рис. 4, номеру I соответствует поверхность верхней части пластины, номеру II — поверхность, расположенная поперек направления проката, номеру III — поверхность, расположенная вдоль проката. Образцы, нагретые в свободном состоянии, были вырезаны по аналогичной схеме.
Рис. 3. Экспериментальный стенд
Температурные параметры испытаний
Таблица 1
Условие охлаждения Начальная температура, °С Конечная температура, °С Время охлаж- дения, мин Средняя скорость охлаждения, °С/мин
На воздухе при температуре +20 °С 650 36 585 1
В воде с температурой +15 °С 650 30 2 310
На воздухе при температуре -20 °С 650 50 75 8
В масле с температурой +15 °С 650 62 10 56
провести расчет среднего размера зерна микроструктуры без дополнительной обработки снимка.
По полученным данным построены зависимости значений среднего размера зерна от скорости охлаждения, которые представлены на рис. 6—8.
Рис. 4. Схема вырезки образца для металлографического исследования: 1 — номер поверхности; 2 — направление проката; 3 — образец
В итоге к металлографическому исследованию были подготовлены образцы из 9 пластин: 4 типа образцов после испытания с жестким закреплением во фланцах, 4 типа образцов без закрепления, 1 тип образцов в состоянии поставки.
Каждая сторона пластины была подвергнута шлифованию и полированию до получения зеркальной поверхности и протравливалась 5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
Металлографические снимки (по 5 кадров) с каждой поверхности были получены на микроскопе МЕТАМ РВ-21 со встроенной камерой для передачи изображения на компьютер. В качестве иллюстрации на рис. 5 представлены снимки микроструктуры поверхностей образцов с различными условиями охлаждения.
Обработка металлографических снимков осуществлялась с помощью программы SIAMS 600, которая позволяет достаточно быстро
Рж. 6. Зависимости среднего размера зерна для поверхности Iот скорости охлаждения
Рис. 7. Зависимости среднего размера зерна для поверхности Нот скорости охлаждения
'■'ЖУ *4 ^ 7 ‘
гл Н У
* чН
А **■
а) исходный
► І*пі
е) воздух +20 °С
ж) воздух -20 оС
і і
и) масло +15 оС
ту*
к) вода +15 °С
Рис. 5. Микроструктура поверхности металла при различной скорости охлаждения: а — исходный образец; б, в, г, д — термическая обработка в свободном состоянии; е, ж, и, к — термическая обработка в закрепленном состоянии.
тельствует о том, что при тушении пожара оборудования, изготовленного из стали 20, необходимо стремиться исключать резких перепадов температур.
В результате обработки диаграмм и расчета значений К1С была построена зависимость изменения критического коэффициента концентрации напряжений от скорости охлаждения (рис. 9).
Рис. 8. Зависимости среднего размера зерна для поверхности Шот скорости охлаждения
Результаты и их обсуждение
Анализ зависимостей на рис. 6—8 показывает, что характер изменения среднего размера зерна от скорости охлаждения системы идентичен для всех исследованных образцов. Однако имеются и особенности — стесненность деформаций по толщине металла.
Это связано с влиянием анизотропии проката при его изготовлении. На поверхности №1 напряженно-деформированное состояние, вызванное температурными воздействиями, оказывает незначительные изменения, по сравнению с ненагруженным состоянием. На этой поверхности наблюдается уменьшение среднего размера зерна при скоростях охлаждения 1 0С/мин, 8 0С/мин и 56 0С/мин, а затем рост при скорости 310 0С/мин. Поскольку температура нагрева пластины равная 650 0С выше температуры рекристаллизации, которая для стали 20 равна 450 0С, то нагрев пластины находится в области первичной рекристаллизации. В этой области происходит образование равноосных зерен, отличающихся от зерен исходной структуры 11. Как известно, содержание N1 и Мп в углеродистых сталях способствуют измельчению размера зерна. Однако при уменьшении скорости рекристаллизации число центров кристаллизации увеличивается, что способствует образованию мелкозернистой структуры стали. При увеличении скорости рекристаллизации число центров кристаллизации уменьшается, и структура металла стано-
» 12
вится крупнозернистой .
Однако данная поверхность с точки зрения начала разрушения является наиболее опасной. А поверхности №2 и №3 не характеризуются ростом среднего размера зерна в условиях жесткого закрепления при повышении скорости охлаждения. Данный факт свиде-
Рис. 9. Зависимость изменения критического коэффициента концентрации напряжений от скорости охлаждения
Из графика зависимости изменения К1С от скорости охлаждении видно, что при небольших скоростях охлаждения от 0 до 56 0С/мин (соответствующей охлаждению в масле) происходит равномерное увеличение К1С, то есть повышение стойкости к дальнейшему развитию трещины, а при скоростях охлаждения от 56 0С/мин до 310 0С/мин (соответствующей охлаждению в воде) происходит равномерное уменьшение значения К1С и при 310 0С/мин практически соответствует значению К1С исходного материала. Это коррелирует с изменениями среднего размера зерна.
Таким образом, исследования показывают очевидность влияния условий имитации пожара и его тушения на параметры микроструктуры и критического коэффициента концентрации напряжений. Однако, данное влияние неоднозначно.
При увеличении скорости охлаждения от 1 до 56 0С/мин на лицевой стороне проката листа из стали 20 происходит уменьшение среднего размера зерна вследствие процессов, происходящих в области первичной рекристаллизации.
Уменьшение среднего размера зерна повлекло за собой увеличение значения критического коэффициента интенсивности напря-
жений на участке 1—56 0С/мин. Это говорит о том, что стойкость к дальнейшему распространению усталостных трещин на этом участке скоростей охлаждения возрастает.
Следовательно, на изменения, происходящие в стали во время пожара, влияет не только сам нагрев открытым пламенем, но и скорость охлаждения, зависящая от способа тушения. Данные факты необходимо учитывать как при разработке мероприятий ликвидации пожаров, так и при оценке технического состояния оборудования.
Литература
1. Козлитин А. М., Попов А. И. Методы техникоэкономической оценки промышленной и экологической безопасности высокорисковых объектов техносферы.— Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2000.— 216 с.
2. Гуляев А. П. Металловедение. 6-е издание, переработанное и дополненное.— М.: «Металлургия», 1986.— 541 с.
3. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения.— М.: Издательство «Наука», 1974.— 640 с.
4. СНиП 21-01-97 Пожарная безопасность зданий и сооружений.
5. Ямщикова С. А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук.— Уфа, 2009.— 24 с.
6. Баратов А. Н., Корольченко А. Я., Кравчук Г. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. Изд.: в 2 книгах.— М.: Химия, 1990.— 62 с.
7. Москвичёв В.В., Махутов Н.А., Черняев А.П. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем. — Новосибирск: Наука, 2002.— 334 с.
8. Башкин Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. Технология термической обработки стали.— М.: Металлургия, 1986.— 424 с.
9. ГОСТ 25.506-85 Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.
10. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение.— М.: Стандартинформ.
11. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для втузов.— М.: Машиностроение, 1990.— 528 с.
12. Худяков М. А. Материаловедение.— Уфа: УГНТУ, 2006.- 164 с.
Исследования выполнялись при поддержке лаборатории «Механика деформирования и разрушения конструкционных материалов» Межвузовского Центра коллективного пользования «Региональный научно-производственный комплекс «Недра»» Уфимского государственного нефтяного технического университета в рамках плана реализации «Программы совершенствования и развития инновационной инфраструктуры ГОУ ВПО УГНТУ» (шифр Программы 2010-219-001.052).
