CC BY
21СВАРКА
УДК 624.014.078.45
М.И. Антонов, директор ИЦ «Политехтест», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), e-mail: antonov-mi@yandex.ru; И.Ю. Пушева, к.т.н., зам. директора ИЦ «Политехтест», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), e-mail: ipusheva@mail.ru; Э.И. Мансырев, к.т.н., зам. директора ИЦ «Политехтест», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), e-mail: enver.mansyrev@yandex.ru; А.В. Емельянов, инженер ИЦ «Политехтест», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), e-mail: antonov-mi@yandex.ru; Н.М. Антонова, инженер ИЦ «Политехтест», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), e-mail: antonov-mi@yandex.ru
Особенности методики проведения механических испытаний по определению характеристик трещиностойкости сварных соединений и трубных сталей, применяемых на объектах ПАО «Газпром»
В статье рассматриваются современные стандартизованные методики проведения испытаний на трещиностойкость основного металла и кольцевых сварных соединений труб, используемые при строительстве магистральных трубопроводных систем. Представленные в статье результаты механических испытаний на трещиностойкость: 5с (CTOD) - критическое раскрытие в вершине трещины, получены в строгом соответствии с требованиями и рекомендациями ряда международных стандартов [1-5], используемых в мировой практике. Анализ результатов проведенных механических испытаний в совокупности с анализом используемых авторами нормативных документов выявил ряд неопределенностей и различий в формулировках требований, указанных в данных нормативных документах, например: требований к пространственному расположению надреза на образцах; требований к расположению вершины усталостного увеличения длины трещины и к длине трещины; требования к прямизне фронта трещины; требования к скорости коэффициента интенсивности напряжений в процессе создания увеличения длины надреза в условиях усталостного нагружения образца; требования привязки зоны вырезки образцов на трещиностойкость к определенным зонам периметра кольцевого сварного соединения и др. Исполнение этих требований в значительной мере влияет на достоверность результатов механических испытаний на трещиностойкость. В результате проделанной экспериментальной работы и анализа полученных данных авторами были сформулированы предложения по доведению нормативной документации, используемой ПАО «Газпром», при строительстве магистральных трубопроводных систем до уровня, который позволит устранить выявленные неопределенности указанных стандартов и проводить механические испытания с более высокой степенью однозначности и, как следствие, более высокой степенью достоверности результатов.
Ключевые слова: испытание на трещиностойкость, метод определения критического CTOD, сварной трубопровод, трещина усталости, требования корректности определения характеристик трещиностойкости.
M.I. Antonov, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), Director of Polytekhtest Testing Center, e-mail: antonov-mi@yandex.ru; I.Yu. Pusheva, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), Candidate of Science (Engineering), Deputy Director of Polytekhtest Testing Center, e-mail: ipusheva@mail.ru; E.I. Mansyrev, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), Candidate of Science (Engineering), Deputy Director of Polytekhtest Testing Center, e-mail: enver.mansyrev@yandex.ru; A.V. Yemelyanov, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), Engineer of Polytekhtest Testing Center, e-mail: antonov-mi@yandex.ru; N.M. Antonova, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (St. Petersburg, Russia), Engineer of Polytekhtest Testing Center, e-mail: antonov-mi@yandex.ru
Mechanical test method features for measurement of fracture toughness in steel tube weld joints, used in Gazprom Co objects
The article deals with contemporary standardized test procedures of cracking base metal and circumferential weld of pipe joints used in main pipeline systems constructing. The results of mechanical crack tests presented in the article:
68
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
8c (CTOD) - critical crack tip opening, obtained in strict accordance with the requirements and recommendations of a number of international standards [1-5] worldwide used in practice. Several differences in regulations and ambiguity were found out while analyzing the mechanical tests results and regulatory documents used by authors. Main of these differences and ambiguity are the next: requirements to notch location in a specimen; requirements to location of crack tip fatigue increment and total crack length; requirements to crack tip straightness; requirements to stress intensity factor ramp in fatigue loading of notch length increment process; requirements to locations of fracture toughness test specimens in certain zones of pipe butt weld perimeter and others. Whereas a fulfillment of these requirements has a large influence on reliability of mechanical crack tests. As a result of experimental work and test data analysis the authors have formulated suggestions for removing of represented above differences and ambiguity in standards and improving the regulations used by Gazprom Co in main pipeline systems constructing. Consequently the reliability of mechanical tests will increase.
Keywords: frature toughness test, critical CTOD method determination, weld pipeline, fatigue crack, validity requirements for fracture toughness characteristics.
В механике разрушения к основным характеристикам трещиностойкости принято относить: критическое значение коэффициента интенсивности напряжения К1с; критическое раскрытие в вершине трещины 5с (CTOD); критическую величину Л-интеграла Лс.Определению любой из перечисленных характеристик в соответствии со стандартом [2] как для основного металла, так и для металла и сварного соединения трубы необходимо предварительно выбрать тип образца и ориентацию надреза в зависимости от исследуемой зоны (рис. 1, 2).
Остановимся на методике определения критического раскрытия трещины СТОй в соответствии со стандартом [2]. Для определения характеристик трещиностойкости основного металла (ОМ) и металла шва (МШ) принято использовать подвергаемые 3-точечному изгибу прямоугольные образцы, для зоны термического влияния (ЗТВ) - образцы квадратного или прямоугольного сечения типа SENB в зависимости от ориентации надреза (рис. 3, 4). При этом считается, что в отличие от образцов компактного типа (СТ), широко применяемых в практике определения параметров трещиностойкости материалов и реализующих развитие трещин в условиях внецентренного растяжения, SENB-образцы ближе реализуют
вид напряженно-деформированного состояния к состояниям в объектах типа трубы.
Изготовленный образец устанавливается в специальное стандартное приспособление и подвергается цикличе-
скому нагружению с целью получения острой трещины за счет усталостного увеличения надреза, реализуемого по схеме 3-точечного изгиба. Для выращивания трещины в заданных стандартами параметрах может быть использована,
Рис. 1. Ориентация надреза для испытания вязкости разрушения основного металла Fig. 1. Cut orientation to test tenacity of main metal fracture
Рис. 2. Ориентация надреза для испытания вязкости разрушения металла сварного соединения
Fig. 2. Cut orientation to test tenacity of welded joint metal fracture
Рис. 3. SENB-образец прямоугольного сечения Fig. 3. SENB specimen of rectangular cross section
Ссылка для цитирования (for references):
Антонов М.И., Пушева И.Ю., Мансырев Э.И., Емельянов А.В., Антонова Н.М. Особенности методики проведения механических испытаний по определению характеристик трещиностойкости сварных соединений и трубных сталей, применяемых на объектах ПАО «Газпром» // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 8. С. 68-74.
Antonov M.I., Pusheva I.Yu., Mansyrev E.I., Yemelyanov A.V., Antonova N.M. Mechanical test method features for measurement of fracture toughness in steel tube weld joints, used in Gazprom Co objects (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 8. P. 68-74.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 8 august 2015
69
СВАРКА
Рис. 4. SENB-образец квадратного сечения Fig. 4. SENB specimen of square cross section
Рис. 5. Испытание по определению CTOD, программный модуль K1C Fig. 5. Test to determine CTOD, program module K1C
Рис. 6. Расположение надреза по зоне термического влияния. Ориентация надреза NP
Fig. 6. Cut location in the heat affected zone. Cut orientation NP
Рис. 7. Расположение надреза по зоне термического влияния. Ориентация надреза NQ
Fig. 7. Cut location in the heat affected zone. Cut orientation NQ
например, испытательная сервогидрав-лическая машина INSTRON 8801. Управление машиной и фиксация полученных результатов в цифровом виде при этом производятся с помощью лицензированного программного обеспечения Dadn.
После нанесения усталостной трещины на образец проводится основной этап испытания - монотонное нагружение посредством реализации 3-точечного изгиба с помощью лицензионного программного обеспечения K1C фирмы INSTRON. В результате формируется график зависимости «нагрузка - раскрытие берегов устья трещины» (рис. 5). После разрушения образца с помощью микроскопа измеряется длина усталостной трещины. Результаты измерений вводятся в управляющую испытанием программу для проведения вычислений и определения величины CTOD. При определении характеристик трещиностойкости для ЗТВ проводятся дополнительные металлографические исследования с целью определения места расположения вершины усталостной трещины в момент старта.
АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СТАНДАРТАМИ К ПРОЦЕДУРЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ В настоящее время существует ряд стандартов, в той или иной мере описывающих методику проведения испытаний на трещиностойкость. К наиболее используемым стандартам относятся [1-5].
При сравнении текстов вышеуказанных стандартов были выявлены расхождения в методике проведения испытаний, что особенно характерно при определении характеристик трещиностойкости для ЗТВ.
А.Требования к пространственному расположению надреза на образцах
Стандарт ISO 15653 [2] позволяет наносить надрез как от поверхности, так и по толщине трубы, а DNV-0S-F101 [4] регламентирует нанесение надреза только от поверхности. При нанесении надреза по толщине трубы (рис. 6)
70
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ЗАО «Хакель Рос» -ведущий российский разработчик и производитель оборудования для грозозащиты.
СДЕЛАНО В РОССИИ
Устройства для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) распределительных сетей до 1000 В классов I, I+II, I+II+III, II и III
серии ГРОЗОСТОП® по ГОСТ Р 51992-2011 (ТУ 3428-002-79740390-2007)
УЗИП для защиты систем телекоммуникации и сигнализации (информационных систем)
серии ГРОЗОСТОП® по ГОСТ Р 54986-2012 (ТУ 3428-002-79740390-2007)
Щитки защиты от импульсных перенапряжений низковольтные комплектные ЩЗИП®
(ТУ 3434-001-79740390-2007)
Устройства заземляющие комплектные (УЗК)
(ТУ 3449-009-79740390-2009)
Устройства молниезащитные комплектные (УМК)
(ТУ 3437-010-79740390-2009)
Оборудование сертифицировано в рамках добровольной системы сертификации ГАЗПРОМСЕРТ ОАО "Газпром" на соответствие требованиям ТУ, а также соответствует требованиям ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного электрооборудования», ГОСТ Р, внесено в Реестр энергетического оборудования и Реестр оборудования электрохимической защиты, разрешенного к применению в ОАО «Газпром».
СВАРКА
Таблица 1. Результаты испытания на трещиностойкость SENB образцов основного металла с надрезом по толщине, вырезанных из различных зон трубы
Table 1. Crack tension tests results of SENB specimens of the main metal with through-the-thickness cut from various pipe sections
Труба № 1 Pipe No. 1 Труба № 2 Pipe No. 2 Труба № 3 Pipe No. 3 Труба № 4 Pipe No. 4
№ образца Specimen No. CTOD, мм CTOD, mm № образца Specimen No. CTOD, мм CTOD, mm № образца Specimen No. CTOD, мм CTOD, mm № образца Specimen No. CTOD, мм CTOD, mm
1 0,75 1 0,56 1 0,49 1 0,7
2 0,81 2 0,16 2 0,67 2 0,71
3 0,77 3 0,17 3 0,72 3 0,37
4 0,52 4 0,76 4 0,28 4 1,02
5 1,02 5 0,18 5 0,56 5 0,92
6 0,56 6 0,11 6 0,72 6 0,68
усталостная трещина проходит через все зоны сварного соединения: металл шва, зону термического влияния, основной металл. Такой надрез заставляет усомниться в том, что характеристика трещиностойкости получается именно для ЗТВ. Так, образец с трещиной от поверхности трубы (рис. 7) позволяет добиться попадания всего фронта трещины в исследуемую зону.
Б. Требования к расположению вершины усталостной трещины
Стандарт DNV-0S-F101 [4] требует, чтобы фронт усталостной трещины
находился на расстоянии,не превышающем 0,5 мм от линии сплавления (ЛС), стандарт ISO 15653 [2] требует его попадания в ЗТВ, не конкретизируя удаленность от ЛС.
Для проверки требований DNV-0S-F101 [4] к расположению вершины фронта усталостной трещины проведены испытания на девяти трубах. В пяти случаях не получили явной зависимости между значением CT0D и расстоянием от ЛС. В четырех случаях (рис. 8) отмечено, что при отдалении фронта усталостной трещины от ЛС наблюдается увеличение значений CT0D.
В. Ни один из действующих стандартов не регламентирует зону вырезки образцов на трещиностойкость из труб при исследовании кольцевого сварного соединения
Так, например, инструкция по сварке МГ «Бованенково - Ухта» с рабочим давлением до 11,8 МПа предъявляет развернутые требования по всем видам аттестационных испытаний, начиная от указания места вырезки темплетов и заканчивая методикой проведения испытаний,за исключением испытаний на трещиностойкость.
Для обоснования необходимости вышеуказанного требования по привязке места вырезки к периметру трубы в таблице 1 представлены результаты испытаний образцов, вырезанных из основного металла трубы, без привязки к периметру, то есть произвольно. Можно заметить, что большой разброс результатов испытаний свидетельствует о необходимости привязки места вырезки к периметру трубы.
В. Диапазон нарастания коэффициента интенсивности напряжений (КИН), который характеризуется его скоростью в зоне линейно-упругого нагружения образца Стандарт BS 7448-1 [1] требует, чтобы значение КИН находилось в диапазоне 0,5-3 МПа.м°,5.с-1, BS 7448-3 [5] - превышало 3 МПа.м°,5.с-1, а в ISO 15653 [2] и DNV-0S-F101 [4] этот параметр вообще не регламентируется.
Г. Требования к прямизне фронта трещины
Стандарты BS 7448-1 [1] и BS 7448-3 [5] требуют, чтобы разница между максимальной и минимальной длиной трещины составляла не более 10%, а ISO 15653 [2] - не более 20%.
Д. Положение вершины усталостной трещины в образце
Стандарты BS 7448-1 [1] и BS 7448-3 [5] требуют, чтобы она находилась в диапазоне 0,45-0,55 от высоты образца, а ISO 15653 [3] расширяет верхнюю границу до 0,7.
Рис. 8. Результаты испытания зоны термического влияния SENB образцов с поверхностным надрезом на трещиностойкость (CTOD)
Fig. 8. Crack tension tests results of the heat affected zone of SENB specimens with surface cut (CTOD)
72
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OTAR
INDUSTRY EXPERTISE
ООО «ЮТАР» 20 ЛЕТ НА РЫНКЕ
ЭКСПЕРТИЗА ПРОМЫШЛЕННОМ БЕЗОПАСНОСТИ
ê - N
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
РЕМОНТ ОПАСНЫХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ОБЪЕКТОВ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЯ И ЭЛЕКТРОИСПЫТАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
СВАРКА
Таблица. 2. Требования различных стандартов к испытаниям на трещиностойкость Table. 2. Crack tension tests requirements of various standards
Требования к испытаниям на трещиностойкость Crack tension tests requirements BS 7448-1 BS 7448-3 ISO 15653 DNV-OS-F101
Требования по расположению надреза на образцах для определения характеристик трещиностойкости ЗТВ Requirements for cut location on specimens to determine crack resistance characteristics of the heat effected zone (HAZ) Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated Надрез от повер-ности Cut from the surface Надрез по толщине Through-the-thickness cut Надрез от поверхности Cut from the surface
Диапазон нарастания K (МПа.м0,5.с-1), который характеризуется скоростью при линейно-упругом нагружении образца с контролем по перемещению Building-up range K (MPa.ma5.s-1) characterized by speed at linear-elastic loading of the specimen with movement control 0,5...3,0 Более 3,0 More than 3.0 Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated
Требование к прямизне фронта усталостной трещины Requirement for fatigue crack front straightness Не более 10% No more than 10% Не более 10% No more than 10% Не более 20% No more than 20% Не регламентировано Not regulated
Требования к расположению вершины усталостной трещины Requirements for fatigue crack tip location Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated Попадание трещины в ЗТВ Crack getting into the HAZ 75% фронта трещины должны находиться в ЗТВ 75% of the crack front shall be located in the HAZ Вершина усталостной трещины располагается на расстоянии не более 0,5 мм от ЛС Fatigue crack tip is located at no more than 0.5 mm from the weld line
Положение вершины усталостной трещины в образце Position of the fatigue crack tip in the specimen (0,45...0,55)W (0,45...0,55)W (0,45...0,70)W Не регламентировано Not regulated
Зона вырезки образца из кольцевого сварного соединения Specimen cutoff area from the circumferential welded joint Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated Не регламентировано Not regulated
Таким образом, можно утверждать, что на данный момент отсутствуют единые требования, описывающие условия проведения испытаний на трещиностойкость, что дает некоторую свободу действий лабораториям и может привести к получению неоднозначных результатов испытаний. Все разночтения перечисленных стандартов сведены в таблице 2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы. 1. Помимо сравнения требований действующих стандартов необходимо подготовить обзор научной литературы и определиться с основными значимыми факторами, влияющими на конечный результат проведения испытаний на трещиностойкость.
2. Провести научно-исследовательскую работу по изучению влияния значимых факторов на конечный результат с привязкой к конкретным трубам и сварочным материалам, используемым на объектах ПАО «Газпром».
3. Разработать методику проведения испытаний на трещинстойкость применительно к объектам ПАО «Газпром».
Литература:
1. BS 7448-1 Испытания на вязкость разрушения на основе механики разрушения. Ч. 1: Метод определения KIc, критического CTOD и J-интеграла для металлов. 1991.
2. ISO 15653:2010 Материалы металлические. Метод определения квазистатической трещиностойкости (вязкости разрушения) сварных швов. 2010.
3. ISO 12737:2010 Материалы металлические - унифицированный испытательный метод по определению квазистатической вязкости разрушения сварных швов.
4. DNV-OS-F101 Подводные трубопроводные системы. 2007.
5. BS 7448-3 Испытания на вязкость разрушения на основе механики разрушения. Метод определения вязкости разрушения металлических материалов при темпах роста КИН более 3,0 МПа.м05.с-1. 2005.
References:
1. BS 7448-1:1991 Fracture mechanics toughness tests. Part 1: Method for determination of K1c, critical CTOD and critical J values of metal-lie materials, 1991.
2. ISO 15653:2010 Metallic materials. Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds, 2010.
3. ISO 12737:2010 Metallic materials - Determination of plane-strain fracture toughness.
4. DNV-0S-F101 Submarine pipeline systems, 2007.
5. BS 7448-3:2005 Fracture mechanics toughness tests. Method for determination of fracture toughness of metallic materials at rates of increase in stress intensity factor greater than 3,0MPa.ma5.s-1, 2005.
74
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
