CC BY
8ДИАГНОСТИКА
УДК 620.1.08
А.Е. Зорин, к.т.н., заместитель главного инженера ЭАЦ «Оргремдигаз», ОАО «Оргэнергогаз» (Москва, Россия), e-mail: zorin@oeg.gazprom.ru
Разработка способа качественной оценки технического состояния металла конструкций
В процессе эксплуатации металлических конструкций (газопроводов) в результате воздействия на них различных внешних факторов в их металле могут происходить разнообразные изменения. Эти изменения могут оказать существенное влияние на механические характеристики металла и, как следствие, на эксплуатационную надежность самих конструкций. Учитывая актуальность данной проблемы, в статье представлен новый разработанный способ оперативной неразрушающей оценки технического состояния металла различных конструкций. Суть данного способа заключается в получении выборки значений микротвердости металла (около 100 значений) исследуемой зоны конструкции и сравнении ее с выборкой значений микротвердости того же металла, но находящегося в исходном состоянии. В результате проведенных исследований были установлены критерии, согласно которым при сравнении распределений значений микротвердости появляется возможность качественно оценить протекание в металле таких процессов, как повышение плотности дислокаций, образование микротрещин и старение. В случае повышения плотности дислокаций в металле в распределении значений микротвердости появляется массив более высоких значений микротвердости относительно исходного распределения. При образовании в металле микротрещин в случае попадания в них индентора в распределении микротвердости будут наблюдаться единичные провалы значений. Старение металла приводит к появлению массива значений микротвердости более низких, чем минимальное значение микротвердости в исходном распределении. Установленные критерии были получены на различных типах сталей и подтверждены проведением электронно-микроскопических исследований, что позволило сделать вывод об универсальности и достоверности разработанного способа.
Ключевые слова: техническое состояние металла, газопроводы, поврежденность металла, микротвердость, плотность дислокаций, микротрещины, старение металла.
A.E. Zorin, Orgenergogaz Subsidiary Joint-Stock Company (Moscow, Russia), Ph.D., deputy chief engineer, e-mail: zorin@oeg.gazprom.ru
A method for the qualitative assessment of the technical condition of metal
During the operating of metal constructions, including pipelines, as a result of exposure to metal various external factors, in it can occur different changes. These changes can have a significant impact on the mechanical characteristics of the metal and, as a result, on the operational reliability of the constructions. The article presents a new method of non-destructive assessment of modification of metal technical condition. The essence of the method consists in obtaining sample values of microhardness of the metal (about 100 values) in the investigated area of construction and comparing it with a sample of the microhardness values of the same metal, but in the initial state. Due to the studies, it have been established the criterias, according to which the comparison of samples of microhardness values, allows qualitative evaluation of the flow in the metal different processes such as an increase in the dislocation density, the formation of microcracks and age-hardening. In case of increasing the dislocation density in the metal, in the sample of the microhardness values appears the array of higher values of microhardness,
in comparison to the original sample. In case of forming microcracks in metal, when hit by the indenter in it's, in the samples of microhardness values will be detected the failures of single values. The age-hardening of the metal leads to appearance of the array of microhardness values, lower than the minimum value of microhardness in the source samples. The established criterias were obtained on different types of steels and confirmed by electron-microscopic researches, which allowed to conclude about the universality and validity of the developed method.
Keywords: the technical condition of the metal, metal damage, microhardness, density of dislocations, microcracks, the age-hardening of metal.
46
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DIAGNOSIS
Одной из ключевых проблем в решении задачи обеспечения надежности длительно эксплуатируемых газопроводов является отсутствие возможности своевременного и достоверного определения технического состояния их металла, т.е. оперативной оценки протекания в металле на уровне структуры и субструктуры различных деградационных процессов, способных повлиять на его эксплуатационные характеристики. В настоящее время выполнение такой оценки сопряжено с необходимостью проведения широкого спектра лабораторных исследований и испытаний, что на практике, по сути, исключает возможность получения подобной информации в процессе эксплуатации металлических конструкций. Для решения данной проблемы автором был разработан новый способ оперативной качественной оценки технического состояния металла конструкций.
За основу был взят метод измерения значений микротвердости, т.е. измерения твердости металла при сверхмалых нагрузках - настолько малых, чтобы отпечаток индентора не превышал размеры элементов структуры анализируемого металла.
Согласно существующим исследованиям [1, 2], метод микротвердости обладает крайне высокой чувствительностью к структурно-фазовому и химическому составу металлов.
Учитывая имеющийся опыт, была оценена чувствительность метода микротвердости к процессам, характеризующим изменение технического состояния металла, - повышению плотности дислокаций, образованию микротрещин, старению.
В качестве способа оценки технического состояния металла было определено получение выборки (порядка 100 замеров) значений микротвердости металла исследуемой зоны конструкции и сравнение полученного распределения с распределением микротвердости того же металла в исходном состоянии. На первом этапе была исследована чув-
ствительность предложенного способа к процессу повышения плотности дислокаций в металле. В качестве объекта исследования была выбрана сталь 3сп5. Выбор данной стали обусловлен тем, что чистота ее структуры, простота строения и химического состава делает ее предпочтительной для проведения базовых исследований чувствительности метода микротвердости к повышению плотности дислокаций в металле.
Из листа стали 3сп5 были вырезаны темплеты металла.
Один из темплетов исследовался в исходном состоянии: выполнялось получение массива значений микротвердости металла с использованием микротвердомера Akashi, а также электронно-микроскопические исследования его дислокационной структуры c использованием электронного микроскопа JeoLJEM-200CX. Из другого темплета был вырезан образец, который был механически нагружен с параметрами о /о . = 260/130
г г max min '
МПа (0,84j/0,41ат) в течение 100 тыс. циклов. После нагружения на образце
были выполнены аналогичные исследования, что и на темплете в исходном состоянии.
Полученные результаты представлены на рисунке 1.
Из рисунка видно, что в результате циклического нагружения в металле произошло существенное повышение плотности дислокаций в сравнении с исходным состоянием. В свою очередь, распределение микротвердости металла на поверхности образца после циклического нагружения полностью коррелирует с картиной, полученной при электронно-микроскопических исследованиях. В распределении значений микротвердости металла после нагружения наблюдается как общий сдвиг массива значений микротвердости в сторону повышения, так и возникновение одиночных максимально высоких значений.
Полученный результат объясняется тем, что при повышении плотности дислокаций в металле происходит увеличение твердости элементов его структуры, что и является причиной появления массива более высоких значений ми-
Рис. 1. Сравнительные гистограммы распределения микротвердости и дислокационная структура стали 3сп5 (х 30 000)
■ - исходное состояние; ■ - после циклического нагружения
Fig. 1. Comparative microhardness distribution histograms and steel dislocation structure 3sp5 (x 30,000)
■ - initial state; ■ - after cyclic load
Ссылка для цитирования (for references):
Зорин А.Е. Разработка способа качественной оценки технического состояния металла конструкций // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 9. С. 46-50. Zorin A.E. A method for the qualitative assessment of the technical condition of metal (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ.» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 9. P. 46-50.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2015
47
ДИАГНОСТИКА
Рис. 2. Сравнительные гистограммы распределения микротвердости и дислокационная структура стали 17Г1С (х 30 000)
■ - исходное состояние; ■ - после циклического нагружения
Fig. 2. Comparative microhardness distribution histograms and steel dislocation structure 17G1S (x 30,000)
■ - initial state; ■ - after cyclic load
кротвердости относительно исходного распределения.
Положительные результаты исследований, полученные на стали 3сп5, позволили перейти к исследованиям более сложной стали 17Г1С, которая является одной из наиболее распространенных марок сталей, используемых при изготовлении труб для газопроводов. Исследования выполнялись на металле, вырезанном из трубы стали 17Г1С, Ду 1200 мм, 5 = 12,4 мм, находящейся в аварийном запасе.
Методика оценки чувствительности метода микротвердости к повышению плотности дислокаций в данной стали была аналогична примененной при изучении стали 3сп5: исследование металла в исходном состоянии и после механического нагружения, выполняемого с целью повышения плотности дислокаций в металле. Нагружение образцов выполнялось с параметрами а /а . = 320/160 МПа
~ ~ max min '
(0,91а/0,45стт) в течение 200 тыс. циклов.
Полученные результаты исследований представлены на рисунке 2. Представленные результаты полностью повторяют картину, полученную на стали 3сп5, как по характеру изменений дислокационной структуры металла в процессе нагружения, так и по чувствительности значений микротвердости к этим изменениям.
Таким образом, был получен критерий, в соответствии с которым при использовании разработанного способа можно качественно оценить наличие в металле повышенной плотности дислокаций - появление в распределении микротвердости массива более высоких значений относительно исходного распределения.
Также было выполнено исследование стали 17Г1С после 21 года эксплуатации: из бездефектной зоны основного металла и из металла в зоне коррозионной каверны глубиной 25% от толщины стенки.
В результате проведенного электронно-микроскопического и рентгено-структурного анализа было выявлено существенное повышение плотности дислокаций в металле относительно исходного состояния, особенно в зоне коррозионного дефекта. Обнаруженная плотность дислокаций в зоне коррозионной каверны оказалась на уровне 0,94.1010 1/см2, что не только существенно выше, чем плотность дислокаций в данной стали в исходном состоянии, но и выше плотности дислокаций, полученной после циклического нагружения металла в течение 200 тыс. циклов (рис. 2).
Применение разработанного способа оценки технического состояния металла во всех случаях позволило уверенно идентифицировать повышение плотности дислокаций в металле после эксплуатации согласно установленному критерию.
На втором этапе была исследована возможность разработанного способа оценки технического состояния металла идентифицировать образование в металле микротрещин. Изучение данного процесса показало, что при использовании стандартного индентора, применяемого для получения значений микротвердости (четы-
Рис. 3. Сравнительные гистограммы распределения микротвердости стали Х70
■ - исходное состояние; ■ - после пластической деформации
Fig. 3. Comparative steel microhardness distribution histograms Kh70
■ - initial state; ■ - after plastic deformation
48
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DIAGNOSIS
рехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 1360) метод микротвердости является нечувствительным к образованию в металле микротрещин. При попадании стандартного инденто-ра в устье микротрещины происходит ее смятие, и полученные в результате значения микротвердости практически не отличаются от значений, полученных в бездефектной зоне. Для решения данной проблемы была применена новая конструкция ин-дентора - алмазный конус с углом при вершине 90°. Благодаря предложенной конструкции индентор при попадании в устье микротрещины расклинивает ее, что приводит как к страгиванию последней, так и к резкому увеличению глубины проникновения индентора.
С использованием описанной конструкции нового индентора было проведено исследование чувствительности разработанного способа оценки технического состояния металла к наличию микротрещин в различных сталях - 3пс5, 17Г1С, Х70. Полученные результаты показали,
что во всех случаях образование в металле микротрещин может быть легко идентифицировано (рис. 3). Таким образом, при использовании разработанной конструкции индентора критерием, позволяющим говорить о наличии в исследуемой зоне металла микротрещин,является появление в распределении микротвердости единичных резких провалов значений микротвердости относительно исходного распределения.
На данный способ обнаружения в металле микротрещин был получен патент на изобретение [3]. На третьем этапе была исследована чувствительность разработанного способа оценки технического состояния металла к протеканию в нем процесса старения, который для трубных сталей характеризуется выделением избыточного углерода из ферритных зерен. Старение металла может происходить как без воздействия каких-либо внешних факторов (естественное старение), так и в результате приложения внешних нагрузок (деформационное старение)
и термического воздействия (температурное старение).
Наиболее простым и быстрым способом получения состаренного металла является его температурная обработка, поэтому процесс старения металла воспроизводился именно таким способом. Как и на первых двух этапах, исследования процесса старения производились на сталях 3сп5, 17Г1С и Х70. Термическая обработка металла в исходном состоянии производилась со следующими параметрами: Ттах = 350 0С; V = 10 0С/мин.; t т=30 мин.;
нагрева ' выдержки
охлаждение на воздухе. Режим термообработки выбирался таким образом, чтобы температуры нагрева и времени выдержки было недостаточно для протекания каких-либо структурно-фазовых преобразований в металле, но при этом достаточно для выделения избыточного углерода из пересыщенных ферритных зерен. После выполнения термообработки производились выборка значений микротвердости металла и его электронно-микроскопические исследования.
ОДИННАДЦАТАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ, СПЕЦИАЛИСТОВ И СТУДЕНТОВ
Новые технологии в газовой промышленности
(газ, нефть, энергетика)
20-23 октября 2015 г.
РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
/ РОССИЙСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
( Ш ^Шк УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ff ИМЕНИ И М. ГУБКИНА
Подробную информацию о конференции можно получить на сайте www.gubkin.ru или обратиться в оргкомитет Email: onim@gubkin.ru
ДИАГНОСТИКА
0.35 0,3 0,25 g 0.2 §0.15 1 0.1 T 0.05
Признак- старения металла
5
iMlulw
<f> -tP # -é5 <VQ # ^ # & # # # ^ # #
,-Р # # # ^ # # /Л^У///^ //
Микротвердость, кгс/мм2
' '"Ч
Ч
а - сталь Х70; a - steel Kh70;
o.as
0.Э 0.23 0.2 0.15 0.1 O.D5
Признак старен и н металла
1
.il 1 II L. it.
J'J' JÎ Jf Jfj" # # ^ # # & -f jf # # & & 4 yf # # ^ ^ ^^^ ^ # . - " - ......
■ & & 0 & f
б - сталь 3сп5; b - steel 3sp5;
Ник щм рдоетъ. , I " uus
лУ
Рис. 4. Сравнительные гистограммы распределения микротвердости металла и структура металла после протекания процесса старения (х 15 000): а - сталь Х70; б - сталь 3сп5
■ - исходное состояние; ■ - состаренное состояние
Fig. 4. Comparative metal microhardness distribution histograms and metal structure after the process of aging (x 15,000): a - steel Kh70; b - steel 3sp5
■ - initial state; ■ - aged state
Характерные результаты представлены на рисунке 4.
В результате проведенных исследований было зафиксировано, что при термической обработке металла из его ферритной составляющей происходило выделение углерода в виде цементит-ных включений на границы зерен, что
привело как к общему снижению значений микротвердости металла относительно исходного распределения, так и к появлению абсолютно минимальных значений.
Результат, полученный при измерении значений микротвердости состаренного металла, объясняется тем, что зна-
чения микротвердости чрезвычайно чувствительны к химическому составу структурных составляющих металла. И в частности, они чувствительны к концентрации углерода в объеме зерна металла, которая вносит основной вклад в формирование его твердости. То есть при попадании индентора в тело зерен с пониженной концентрацией углерода относительно исходной значения микротвердости также будут понижены. Таким образом,был установлен критерий, позволяющий при использовании разработанного способа оценки технического состояния металла качественно оценить протекание в металле процесса старения - появление значений микротвердости более низких, чем минимальное значение в исходном распределении.
На данный способ обнаружения в металле признаков старения был получен патент на изобретение [4]. Результаты проведенных исследований показали,что разработанный способ позволяет с высокой степенью точности и достоверности производить качественную оценку протекания в металле процессов, характеризующих эволюцию его технического состояния. Использование данного способа на практике позволит существенно повысить эффективность выполнения таких работ, как: определение технического состояния участков газопроводов, планирование на них ремонтных работ, мониторинг потенциально опасных участков газопроводов, выполнение экспертизы промышленной безопасности участков газопроводов, подготовка труб к повторному применению и т.д.
I
Литература:
1. Новое в области испытания на микротвердость. М.: Наука, 1974. 272 с.
2. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. М.: Металлургиздат, 1962. 225 с.
3. Зорин А.Е. Способ обнаружения в металле микротрещин: Патент РФ № 2498263. МПК G01N3/32. Заявл. 25.05.2012, опубл. 10.11.2013.
4. Зорин А.Е. Способ неразрушающей оценки критических изменений технического состояния металла: Патент РФ № 2545321. МПК G01N3/42. Заявл. 01.10.2013, опубл. 27.03.2015.
References:
1. Novoe v oblasti ispytanija na mikrotverdost' [The new in the area of the microhardness test]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 272 pp.
2. Glazov V.M., Vigdorovich V.N. Mikrotverdost'metallov [Metal microhardness]. Moscow, Metallurgizdat, 1962. 225 pp.
3. Zorin A.Ye. Sposob obnaruzhenija v metalle mikrotreshhin [Method of detection of micro-cracks in metal]: RF patent No. 2498263. IPC G01N3/32. Applied on 25.05.2012, published on 10.11.2013.
4. Zorin A.Ye. Sposob nerazrushajushhej ocenki kriticheskih izmenenij tehnicheskogo sostojanija metalla [Non-destructive testing method for the metal technical state critical changes]: RF patent No. 2545321. IPC G01N3/42. Applied on 01.10.2013, published on 27.03.2015.
50
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
