CC BY
73
УДК 669.018.291, 620.179.143, 620.172.242, 620.179.17, 620.172.246
Стадийность процесса разрушения и остаточная прочность трубной стали после длительной эксплуатации
1 2 1 13
Л.Р. Ботвина1, В.М. Кушнаренко2, М.Р. Тютин1, В.П. Левин1'3,
1 13
А.Е. Морозов , А.И. Болотников '
1 Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва, 119334, Россия 2 Оренбургский государственный университет, Оренбург, 460018, Россия
3 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (НИУ), Москва, 105005, Россия
Изучены механические и физические свойства малоуглеродистой стали (аналога стали 20, соответствующей TU-28-FR-73), используемой в качестве материала труб газопровода неочищенного газа, эксплуатируемого в течение 39 лет на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении. Показано, что стандартные механические свойства стали газопровода после длительной эксплуатации соответствуют значениям, регламентированным стандартом TU-28-FR-73. Изучено влияние предварительного циклического нагружения на остаточную прочность стали при растяжении, характеристики акустической эмиссии и напряженность остаточного магнитного поля, оцененную методом магнитной памяти металла. Предварительное циклирование привело к упрочнению стали и изменению акустического режима, связанного с накоплением поврежденности. Выделены четыре стадии развития повре-жденности исследуемой стали при растяжении до и после предварительного циклического нагруже-ния и предложены информативные критерии диагностики. Установлены соотношения, позволяющие связать накопленное число сигналов акустической эмиссии, акустическую активность, угловой коэффициент деформационных кривых кумулятивного числа акустических событий, продолжительность периода акустического затишья и напряженность остаточного магнитного поля с относительным числом циклов предварительного нагружения. Показано, что перечисленные характеристики могут служить критериями диагностики состояния материала.
Ключевые слова: малоуглеродистая сталь, остаточная прочность, стадийность разрушения, акустическая эмиссия, напряженность остаточного магнитного поля
DOI 10.24412/1683-805X-2021-1-50-61
Fracture stages and residual strength of pipe steel after long-term operation
L.R. Botvina1, V.M. Kushnarenko2, M R. Tyutin1, V.P. Levin1,3, A.E. Morozov1, and A.I. Bolotnikov1,3
1 Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science RAS, Moscow, 119334, Russia 2 Orenburg State University, Orenburg, 460018, Russia 3 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia
The paper investigates the mechanical and physical properties of low-carbon pipe steel (analog of steel 20 corresponding to TU-28-FR-73) after 39 years of service life in a crude gas pipeline at the Orenburg oil and gas condensate field. It is shown that the standard mechanical properties of the gas pipeline steel after long-term operation correspond to the TU-28-FR-73 standard. The effect of preliminary cyclic loading on the residual tensile strength of steel, the acoustic emission characteristics, and the residual magnetic field intensity estimated by the metal magnetic memory method was studied. After preliminary cycling, the steel was strengthened and the acoustic regime changed due to damage accumulation. Four stages of damage evolution in the tensile steel were identified both before and after preliminary cyclic loading, and informative diagnostic criteria for the stages were proposed. Relationships were derived to relate the relative number of preloading cycles with the cumulative number of acoustic emission signals, acoustic activity, the angular coefficient of the stress-strain curves of the cumulative number of acoustic events, the duration of the acoustic emission gap, and the residual magnetic field intensity. The listed characteristics are shown to be promising as diagnostic criteria for the state of the material.
Keywords: low-carbon steel, residual strength, fracture stages, acoustic emission, residual magnetic field intensity
© Ботвина Л.Р., Кушнаренко В.М., Тютин М.Р., Левин В.П., Морозов А.Е., Болотников А.И., 2021
1. Введение
Новый подход к анализу пластической деформации, развитый В.Е. Паниным и его коллегами, оказался продуктивным и принципиально важным для развития материаловедения. В эту область науки прочно вошло понятие об иерархии многоуровневой структуры твердого тела, которую необходимо учитывать при изучении процесса деформации, разработке новых материалов и прогнозировании поведения материала в конструкции [1-3].
Иерархия структуры при деформировании зависит от стадийности процесса развития разрушения, контролируемой с помощью неразрушающих методов. Без учета многоуровневой структуры и стадийности разрушения вряд ли возможно адекватно описать поведение твердого тела при различных условиях нагружения, поэтому предложенный подход важен и полезен и для специалистов по механике деформируемого твердого тела.
Известно, что стадийность процесса разрушения отражается и на стадийности изменения акустических [4] и магнитных свойств, характеризующих развитие поврежденности конструкционных материалов и используемых для оценки ресурса конструкции. В этом направлении, связанном с диагностикой состояния промышленных объектов и необходимостью развития критериев поврежден-ности, оцениваемых методами неразрушающего контроля, выполнена настоящая работа. В качестве объекта исследования использован материал фрагментов газопровода, эксплуатация которого сопряжена с повышенной опасностью, требующей анализа стадийности деградации материала в процессе его службы.
В работах [5, 6] даны рекомендации по проведению акустико-эмиссионной диагностики трубопроводов и сосудов давления, основанные на изменении различных параметров акустической эмиссии (АЭ), включающих количество сигналов АЭ значительной амплитуды, суммарный счет сигналов АЭ (Методические рекомендации МР-204-86, [5]), амплитуду сигналов и скорость счета АЭ (Положение по контролю технического состояния сосудов и трубопроводов, работающих под давлением на предприятиях агрохимического комплекса, методом акустической эмиссии, [5]), интегральную активность — относительную сумму весовых коэффициентов, связанных с амплитудой сигнала в определенном частотном диапазоне (Методические рекомендации МР1-93, [5]). Предложено также использовать характер временной
зависимости АЭ-параметров — активности, скорости счета, энергии (Методика СТП-10-94, [5]) либо диаграмму, построенную в координатах «индекс накопления - энергетический показатель» [5, 6].
Согласно [5, 6], критерием разрушения может служить суммарный счет сигналов АЭ, увеличение которого свидетельствует о высокой вероятности начала разрушения технического объекта, а также показатель степенной зависимости суммарного счета от параметра нагружения. Важное наблюдение было сделано в [5] при циклическом гидроиспытании сепаратора: обнаружено, что с увеличением числа циклов количество импульсов АЭ снижалось, средняя амплитуда падала, спектр сигналов смещался в область высоких частот, интенсивность АЭ вначале падала, а затем возрастала в несколько раз. Детальный анализ параметров АЭ и их взаимосвязи с характеристиками механики разрушения выполнен авторами [7, 8].
Позже исследователи стали более детально анализировать форму акустического сигнала с последующим кластерным анализом [9, 10] и амплитудно-частотные спектры акустической эмиссии [9], оценивать угловой коэффициент амплитудного распределения b-value [11, 12].
Кроме акустической эмиссии, для диагностики состояния материала широко применяют методы магнитного неразрушающего контроля, включающие метод рассеяния магнитного потока (MFL), магнитный метод Баркгаузена (MBN) и метод магнитной памяти (ММП).
Метод ММП, предложенный А.А. Дубовым [13] для контроля напряженно-деформированного состояния конструкций из магнитных сталей, в последние годы достаточно активно развивается в качестве пассивного магнитного метода неразру-шающего контроля [9, 10]. Недостатком метода является влияние многих факторов на остаточную намагниченность, выделить которые при неизвестной магнитной предыстории объекта контроля весьма затруднительно. Аспекты, ограничивающие применение этого метода в промышленном неразрушающем контроле, более подробно приведены в [14]. Однако в лабораторных условиях, при соблюдении методики проведения эксперимента, этот метод показывает результаты, согласующиеся с другими физическими методами.
Известно, что изменение локальных доменных структур регистрируется в виде спонтанных «сигналов магнитной памяти», которые не исчезают при снятии нагрузки и остаются в виде остаточно-
го магнитного поля, на которое влияет развитие поврежденности [15]. Магнитомеханический эффект и физический механизм этого спонтанного явления, на котором основан ММП, обсуждаются во многих экспериментах, в частности при анализе циклических испытаний в условиях растяжения [16] и изгиба [17, 18]. Полученные результаты показывают, что нормальная составляющая напряженности остаточного магнитного поля Нр(у) может быть использована для оценки степени по-врежденности материалов как на стадии упругой, так и на стадии пластической деформации.
Обнаружено, что на ранней стадии усталостных испытаний магнитный сигнал и плотность дислокаций возрастают, в то время как в середине этапа нагружения магнитный сигнал постепенно увеличивается, но плотность дислокаций остается постоянной, хотя дислокационная структура развивается. На более поздней стадии магнитный сигнал снова быстро возрастает, дислокационная структура продолжает развиваться и образуются микроскопические трещины [19]. Анализ показывает, что дислокации блокируют движение доменной стенки, области скопления дислокаций таким образом становятся внутренними магнитными источниками и начинают рассеивать магнитное поле. Магнитное поле Нр(у) возрастает с увеличением плотности дислокаций, сложности дислокационной структуры и коэффициента закрепления дислокаций [20].
В [21, 22] для стальных образцов, испытанных в условиях статического и циклического деформирования, установлена линейная взаимосвязь амплитуд изменения относительной деформации и остаточного магнитного поля образца, а в [23] отмечено отличие сигналов остаточного магнитного потока при растяжении в упругой и пластической области и установлена корреляция между числом циклов и состоянием намагниченности. С увеличением в процессе усталостных испытаний плотности дислокаций и средней энергии закрепления дислокаций, а также с увеличением поврежденнос-ти величина сигнала ММП возрастает [12, 19].
Для оценки количественной взаимосвязи между сигналами ММП и усталостным повреждением авторами [24] введен коэффициент, характеризующий градиент магнитного поля в зоне концентрации напряжений и позволяющий по его изменению выделить четыре стадии развития поврежден-ности.
В [25] предложен новый метод количественной оценки влияния концентрации напряжения на сиг-
нал магнитной памяти и создана теоретическая модель, иллюстрирующая влияние концентрации напряжений и микродефектов на нормальную составляющую магнитных сигналов Нр(у) и ее градиент. Однако метод требует дальнейшей проверки, кроме того, анализ возможностей ММП, выполненный в [11, 23], показал, что для установления взаимосвязи между измеряемым остаточным магнитным полем, напряженным состоянием и микроструктурой необходимо учитывать форму элемента конструкции, историю нагрузок и приложенных магнитных полей до и после испытаний.
Перечисленные методы исследования (метод акустической эмиссии и магнитной памяти) были использованы в данной работе для комплексной оценки поврежденности материала труб газопровода после его длительной службы и последующего циклического нагружения, усиливающего воздействие условий эксплуатации.
2. Материал и методы исследования
Материалом исследования служили фрагменты труб газопровода неочищенного газа из малоуглеродистой стали французского производства (TU-28-FR-73) после эксплуатации в течение 39 лет на объекте Управления по эксплуатации соединительных продуктопроводов ООО «Газпром добыча Оренбург». Химический состав материала и компонентный состав газа, пропускаемого через газопровод, представлены в табл. 1 и 2.
Исследования, выполненные на образцах из малоуглеродистой стали, включали несколько видов испытаний:
- статические испытания на растяжение для оценки стандартных механических свойств;
- испытания компактных образцов для оценки трещиностойкости;
- циклические испытания до разрушения для построения кривой усталости;
- предварительные циклические испытания образцов при амплитуде напряжения cmax = 390 МПа до относительной долговечности N/Nf, составляющей 0.3, 0.5 и 0.7 от числа циклов до разрушения Nf с последующими испытаниями на остаточную прочность при растяжении.
Стандартные механические свойства стали при растяжении были оценены с использованием плоских образцов толщиной 5 мм стандартной геометрии (рис. 1, а). Испытания проведены с использованием машины Instron 3382 (максимальная нагрузка 100 кН) при комнатной температуре со скоростью деформирования 2 мм/мин. Многоцик-
Таблица 1. Химический состав материала фрагментов газопровода (Франция)
C Si Mn P S Cu Cr Ni Al
TU-28-FR-73 0720x18 мм 0.155 0.27 0.730 0.016 0.012 0.05 0.020 0.026 0.028
TU-28-FR-73 0720x22 мм 0.163 0.29 0.722 0.019 0.015 0.02 0.014 0.021 0.036
Таблица 2. Характеристики газопровода неочищенного газа (год ввода в эксплуатацию газопровода — 1978, год вырезки фрагментов из трубопровода — 2016)
Диаметр газопровода, мм Давление (по проекту), МПа Компонентный состав газа, молярная доля, %
H2S CO2 N2 Углеводороды
720x22 720x18 6.6 2.51 0.93 5.38 Баланс
ловые испытания в условиях повторного растяжения с коэффициентом асимметрии цикла R = 0.1 выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502 на плоских образцах толщиной 5 мм (рис. 1, в) с частотой f= 30 Гц на испытательной машине Instron 8801 (максимальная нагрузка 100 кН). Испытания на трещиностойкость компактных образцов толщиной 20 мм (рис. 1, б) проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 25.506.
Структурные исследования стали проведены с использованием оптического микроскопа Olympus GX51, анализ микрорельефа изломов выполняли с помощью электронного растрового микроскопа Leo430i.
Для регистрации сигналов АЭ в процессе растяжения использовали систему Express-8 и широкополосные дифференциальные пьезоэлектрические датчики WD 100-900 кГц (производство PAC, США). Диапазон регистрации составлял 1251000 кГц, частота дискретизации 2.5 МГц, амплитудный порог регистрации сигналов 32-35 дБ,
число выборок формы сигналов 2048, порог регистрации оцифрованных форм сигналов 40 дБ. Для взаимной привязки механических и акустических параметров анализировали статистические параметры потока сигналов, а также формы и спектры сигналов. Основными параметрами потока служили интенсивность INAE и параметр акустической эмиссии bAE, снижение которого в процессе развития поврежденности характеризует рост доли сигналов высокой амплитуды [7-9]:
20log ENae = const - Ьае Ae. (1)
По результатам испытаний строили временную зависимость скорости накопления акустической эмиссии, а также кумулятивные амплитудные распределения числа сигналов (накопленного числа сигналов акустической эмиссии £NAE с амплитудой, превышающей заданную амплитуду Аае). По угловому коэффициенту амплитудных распределений оценивали параметр bAE как модуль тангенса угла наклона прямой амплитудного распределения
200
f (Ni
60 60
шоо
15
010.
Ж'
е-
40
50
о! ш
<м|
60 56
176
Рис. 1. Геометрия образцов для испытаний на растяжение (а), компактный образец для испытаний на трещиностойкость (б) и корсетный образец для испытаний на усталость и остаточную прочность (в)
Таблица 3. Механические свойства исследуемой стали до и после эксплуатации
Состояние 5, % о02, МПа оВ, МПа Кдт, МПа • м1/2 Кс, МПа • м1/2
39 лет эксплуатации 37 290 443 37.9 84.8
Исходное согласно Ти-28-БЯ-73 [26] >24 >260 >422 - -
сигналов АЭ, полученной путем линейной аппроксимации методом наименьших квадратов. Затем, с помощью специализированного программного обеспечения, строили деформационные зависимости параметра ЬАЕ, связывающего суммарное число сигналов с амплитудой в соответствии с соотношением (1) [10].
Напряженность остаточного магнитного поля образца измеряли в процессе растяжения одновременно с регистрацией сигналов акустической эмиссии с использованием аппаратного комплекса ИКН-10-8М. Нормальную составляющую Нх и тангенциальную составляющую Ну собственного магнитного поля рассеивания регистрировали фер-розондовыми преобразователями. Результирующее собственное магнитное поле рассеивания определяли по соотношению Нр = [Нх2 + Ну2]1/2.
3. Результаты исследования и их обсуждение 3.1. Механические свойства
В табл. 3 представлены результаты испытания на растяжение стали после эксплуатации с оценкой стандартных механических свойств и трещи-ностойкости. Поскольку исходные механические свойства металла газопровода не известны, для сравнения использованы данные работы [26], полученные при испытании образцов, вырезанных из аналогичного трубопровода до его эксплуатации. Из табл. 3 следует, что длительная эксплуатация газопровода не привела к снижению механических свойств стали, регламентированных стандартом Ти-28-РЯ-73. Результаты испытаний компактных образцов на трещиностойкость обнаружили, что для исследуемой стали не выполняется условие корректности оценки трещиностойкости, согласно которому толщина образцов должна быть больше толщины трубы (от 37.5 мм для исследуемой стали). Поэтому были вычислены значения критического коэффициента интенсивности напряжений для образцов данной толщины по расчетным длинам исходной трещины с учетом пластической зоны, а также расчетной (КдТ) и максимальной (Кс) нагрузкам (табл. 3).
На рис. 2 представлены результаты оценки остаточной прочности при растяжении предвари-
тельно циклированных образцов и кривая усталости исследуемой стали с нанесенными точками (1, 2, 3) предварительного нагружения. Данные на рис. 2, а показывают, что уже при значении относительной долговечности М/М = 0.3, материал газопровода упрочнился в результате предварительного циклического нагружения, т.е. остаточная прочность и работа разрушения, равная площади под кривыми деформирования, возросли и исчез зуб текучести, наблюдаемый на диаграмме до предварительного циклирования. Дальнейшее предварительное циклирование не оказывало влияния ни на характеристики остаточной прочности, ни на деформацию до разрушения.
а, МПа-400300200100
\\ | а
/у / /
л а//'
/ ■! 1 ''
/ /■' ' 0
¡1 а г -0.0 0.3 -------0.5
/ / -- 0.7
а, МПа
420
400
380
360
340
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
[б
О
1 2 3
О N — о
10:
106
Число циклов
10у
Рис. 2. Кривые растяжения корсетных образцов до (М/М = 0) и после предварительного циклирования (М/М = 0.3, 0.5, 0.7) (а), кривая усталости образцов, вырезанных из фрагментов газопровода, с нанесенными сплошными точками предварительного циклирования при амплитуде напряжения 390 МПа: М/М = 0.3 (1), 0.5 (2), 0.7 (3) (б)
Рис. 3. Полосчатая структура образцов из исследуемой стали, вырезанных из газопровода до предварительного циклиро-вания (а, б), в области шейки при растяжении (в, г) и на расстоянии 1.5 см от излома (д, е)
3.2. Микроструктура и микрорельеф изломов
Микроструктурные исследования материала до испытания обнаружили полосчатую ферритно-перлитную структуру с размером ферритного зерна ~20 мкм и расстоянием между перлитными полосами ~30-40 мкм (рис. 3, а, б). При растяжении с увеличением деформации расстояния между полосами сокращаются, особенно в области шейки, где они становятся в 2-3 раза меньше (рис. 3, в, г). При приближении к излому полосчатая структура становится менее выраженной, наблюдаются многочисленные полосы скольжения с порами вдоль полос и границ зерен (показаны стрелками на рис. 3, д, е).
На рис. 4, а показан макрорельеф излома образца, испытанного на растяжение после предвари-
тельного циклирования с зоной усталостного разрушения, развивающейся от правого края образца. Поверхность излома содержала большое число мелких и крупных расслоений с раскрытием до 10 мкм и длиной до 100 мкм (рис. 4, б), которые в ряде случаев наблюдаются и на изломах образцов из малоуглеродистой стали, изготовленных из листа и испытанных при тех же условиях. Анализ изломов обнаружил новую особенность развития усталостной трещины — внутреннее растрескивание, т.е. развитие в процессе предварительного циклирования бороздчатого микрорельефа по берегам расслоений, служащих очагами множественного усталостного разрушения (рис. 4, в). Такое множественное разрушение, вызванное многочисленными усталостными микротрещинами от рас-
Рис. 4. Микрорельеф излома образца фрагмента трубы газопровода, испытанного на растяжение после предварительного циклического нагружения. М = 579 000, оШах = 390 МПа, М/М{ = 0.7
слоений, увеличивает зону процесса в сравнении с зоной локализации, формирующейся в вершине одной магистральной трещины, что может являться причиной повышения долговечности. Однако при работе в среде, способствующей развитию расслоений, множественное разрушение может значительно ускорить процесс разрушения.
3.3. Физические свойства
3.3.1. Характеристики акустической эмиссии
На рис. 5 представлены результаты оценки параметров акустической эмиссии исследуемого материала до и после предварительного циклирова-ния, оцененные в процессе испытаний на растяжение при определении остаточной прочности.
Обнаружено, что зависимости акустических характеристик исследуемой стали от относительной деформации (в = s/sf) подобны зависимостям от деформации тех же характеристик, оцененных в процессе испытаний на остаточную прочность других конструкционных сталей — нержавеющей стали 12Х18Н9Т [27] и стали 15Х2ГМФ [28].
Высокая акустическая активность NNAE и высокие значения параметра bAE, наблюдаемые на стадии I упругого деформирования до достижения предела текучести, снижаются при переходе к стадиям II и III до и после предварительного цикли-рования (рис. 5). Смена акустического режима на границе стадий II и III связана с изменением углового коэффициента кривой деформации в точке деструкции материала [29, 30], достижение которой свидетельствует о начале процесса локализации деформации перед разрушением и, как следствие, изменении акустических параметров [28], в частности снижении параметра bAE. В конце стадии III достигается предел прочности, на деформационных зависимостях суммарного числа сигналов акустической эмиссии SNAE появляется плато, отвечающее резкому снижению интенсивности акустической эмиссии NNAE и началу периода затишья перед окончательным разрушением. Стадия IV предразрушения связана с дальнейшим снижением параметра bAE и интенсивности АЭ и появлением акустического затишья, которое нарушается в момент долома образца при появлении высокоамплитудных сигналов, о чем можно судить по резкому падению параметра bAE.
С увеличением относительного числа циклов N/Nf (рис. 5, б-г) заметно снижение суммарного числа и интенсивности акустических сигналов и увеличение области акустического затишья TAE перед окончательным разрушением (необозначенно-го на рис. 5), связанного с заметным снижением интенсивности высокоамплитудных сигналов. Продолжительность периода затишья перед разрушением оценивали по аналогии с оценкой TAE, приведенной в [31].
Данные табл. 4 дают возможность сравнить значения параметра bAE и суммарного числа акустических сигналов на выделенных стадиях деформирования образцов, вырезанных из фрагментов газопровода до (N/Nf = 0) и после предварительного циклирования.
Из табл. 4 и рис. 6, в следует, что параметр bAE меняется в довольно широком диапазоне как до,
Рис. 5. Диаграммы растяжения (1), деформационные зависимости накопленного числа сигналов ЕМае (2), интенсивности Мае (3) и параметра ЬАЕ (4) акустической эмиссии для образцов из стали 20, вырезанных из фрагментов газопровода и испытанных в условиях растяжения до (а) и после (б, в, г) предварительного циклического нагружения при амплитуде сшах = 390 МПа до М/М = 0.3 (б), 0.5 (в) и 0.7 (г)
так и после предварительного циклирования, но очевидно, что он заметно снижается перед разрушением на стадии IV нагружения, особенно после циклирования до М/М = 0.7. Кроме того, увеличение числа циклов приводит к снижению суммарного числа сигналов ХМае. Эти изменения наглядно демонстрирует рис. 6, из которого следует также, что с увеличением относительного числа циклов предварительного нагружения уменьшаются интенсивность АЭ и угловой коэффициент у кривых кумулятивного числа АЭ-событий на стадии I.
Таблица 4. Влияние предварительного циклирования на характеристики акустической эмиссии стали
ММ Ьае Шаэ
I II III IV
0.0 1.78 1.50 1.08 0.80 1020
0.3 1.48 2.15 1.55 1.19 880
0.5 1.72 1.45 1.29 0.92 464
0.7 1.53 1.65 1.56 0.67 667
Для удобства граница стадии I на рис. 6 проведена по пределу текучести для образцов после предварительного циклирования до М/М = 0.5 и 0.7, хотя в образцах М/М = 0 и 0.3 предел текучести соответствует несколько меньшей относительной деформации (рис. 5, а, б).
На рис. 7 приведены зависимости этих акустических характеристик от относительного числа циклов предварительного циклического нагружения. Аппроксимация кривых на рис. 7, а показала, что они удовлетворяют экспоненциальным соотношениям с Я2 = 0.99:
<Мае> ~ехр(-7.7М/Мг), (2)
ЕМае ~ехр(-4.34М/Мг), (3)
у ~ехр(-8.3М/Мг). (4)
Акустическая энергия снижается с числом циклов (рис. 7, б), как и механическая энергия, которая однако показывает увеличение при ММ = 0.5, связанное, вероятно, с чередованием процессов упрочнения и разупрочнения в процессе цикличес-
Рис. 6. Деформационные зависимости напряжения, средней интенсивности акустической эмиссии (а), кумулятивного числа акустических событий (б) и параметра ЬАЕ (в) акустической эмиссии
кого нагружения. Продолжительность периода затишья перед финальным разрушением растет с числом циклов предварительного нагружения и, как было обнаружено, соответствует экспоненциальному соотношению
ГАЕ~ехр(-1.9^/^?). (5)
Наблюдаемые изменения акустических параметров показывают возможность их использования в качестве критериев диагностики развития повреж-денности на различных стадиях нагружения.
Рис. 7. Зависимости от относительного числа циклов средней интенсивности акустической эмиссии ТУАЕ, кумулятивного числа акустических событий и
углового коэффициента у деформационных зависимостей (а), механической работы А и кумулятивной акустической энергии 1ЕАЕ (б) и периода затишья ТАЕ перед финальным разрушением образца (в)
3.3.2. Результаты измерения напряженности остаточного магнитного поля
На рис. 8 представлены результаты измерения напряженности остаточного магнитного поля Нр методом магнитной памяти металла в зависимости от относительной деформации 8 . Стадии разрушения на графиках были выделены аналогично ста-
Рис. 8. Диаграммы растяжения и деформационные зависимости напряженности остаточного магнитного поля Нр для образцов из исследуемой стали, вырезанных из фрагментов трубы газопровода и испытанных в условиях растяжения до (а) и после (б—г) предварительного циклического нагружения при амплитуде amax = 390 МПа до относительного числа циклов N/Nf = 0.3 (б), 0.5 (в) и 0.7 (г)
диям по данным регистрации акустической эмиссии (рис. 5).
Как видно из графиков, наиболее сильные изменения остаточного магнитного поля наблюдаются на стадии I до достижения предела текучести. На стадиях II-IV этот параметр монотонно возрастает до момента разрушения. Напряженность магнитного поля на стадиях I, II снижается с увеличением числа циклов предварительного циклического нагружения. Для количественного описания этого эффекта оценены значения напряженности магнитного поля при пределе текучести образцов H р, которые, как было обнаружено, снижаются с ростом относительного числа циклов предварительного циклического нагружения (рис. 9) в соответствии с линейным соотношением
Hp = 88.1 - 65.5 N/N,
f •
(6)
Снижение напряженности остаточного магнитного поля при пределе текучести образца Нр от относительного числа циклов N/Nf происходит вследствие роста поврежденности при предварительном циклировании образца. После предварительного циклирования напряженность остаточного магнитного поля Нр значительно возросла по сравнению с напряженностью, оцененной для об-
разца, не подвергнутого предварительному цикли-рованию. На графиках рис. 8 это можно наблюдать при относительной деформации близкой к нулю. Напряженное состояние, возникшее в результате развития процессов упрочнения и разупрочнения [32], приводит к увеличению Нр вследствие магни-тоупругого эффекта [33].
При статическом деформировании образца происходит перераспределение внутренних напряжений, и напряженность остаточного магнитного поля снижается. При достижении предела текучести наклон зависимости Нр = /(в ) изменяется в связи с
Рис. 9. Зависимость от относительного числа циклов М/М напряженности остаточного магнитного поля при пределе текучести образца Н р
переходом от упругой области к области микропластической и пластической деформации.
Отличие значений Нр при растяжении в области упругой и пластической деформации, вероятно, объясняется различной доменной структурой и различным характером движения доменных стенок под действием растягивающих нагрузок [21]. На протяжении стадий II и III зависимости Нр = /(8*) носят линейный характер, что согласуется с результатами [21, 22]. Точки пересечения касательных графика зависимости Нр =f(8 ) совпадают с достижением предела пропорциональности, предела текучести и началом локализации разрушения образца (отмечены стрелками на рис. 8, г).
4. Выводы
Длительная эксплуатация газопровода не привела к снижению стандартных механических свойств стали ниже значений, регламентированных стандартом Ти-28-БЯ-73. Предварительное циклиро-вание вызвало упрочнение стали и изменение акустического режима, связанного с развитием по-врежденности.
Выявлена стадийность изменения акустических характеристик предварительно циклированного материала газопровода и показана ее взаимосвязь со стадийностью разрушения материала. Изменение напряженности остаточного магнитного поля отвечает стадийности изменения акустических параметров с увеличением деформации.
Предложены соотношения, связывающие накопленное число сигналов, акустическую активность, угловой коэффициент деформационных кривых накопленного числа акустических событий, продолжительность периода акустического затишья и напряженность остаточного магнитного поля с относительной долговечностью. Показано, что эти характеристики могут служить критериями диагностики состояния материала конструкций, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионных сред.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-19-00674).
Литература
1. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел / Под ред. Н.Н. Яненко. - Новосибирск: Наука, 1985.
2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика — новая парадигма на стыке физики и механики
деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. -2003. - Т. 6. - № 4. - С. 9-36.
3. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. - 2006. -Т. 9. - № 3. - С. 9-22.
4. Панин С.В., Башков О.В., Семашко Н.А., Панин В.Е., Золотарева С.В. Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микро- и мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. -Спец. вып. - Ч. 2. - С. 303-306.
5. Гафаров Н.А., Гончаров А.А., Кушнаренко В.М. Определение характеристик надежности и технического состояния оборудования сероводородсодержа-щих нефтегазовых месторождений. - М.: Недра, 2001.
6. Бочкарев Г.И., Гафаров Н.А., Митрофанов А.В., Павловский Б.Р., Брагинский А.Н., Шемякин В.В. Рекомендация по применению акустико-эмиссион-ной диагностики технологического оборудования и трубопроводов газохимических комплексов. - М.: ИРЦ Газпром, 1997.
7. Стрижало В.А., Добровольский Ю.В., Стрельчен-ко В.А., Пичков С.Н., Данилин В.В. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкций / Под ред. Г.С. Писаренко. - Киев: На-укова думка, 1991.
8. Nazarchuk Z.T., Skalsky V.R. Acoustic emission diagnostics of structural elements // Engineering Handbook. V. 2. Methodology of Acoustic Emission Diagnostics. - Kyiv: Naukova Dumka, 2009.
9. Mazal P., Vlasic F., Koula V. Use of acoustic emission method for identification of fatigue micro-cracks creation // Proc. Eng. - 2015. - V. 133. - P. 379-388. - doi 10.1016/j.proeng.2015.12.667
10. Triantis D. Acoustic emission monitoring of marble specimens under uniaxial compression. Precursor phenomena in the near-failure phase // Proc. Struct. In-tegr. - 2018. - V. 10. - P. 11-17. - doi 10.1016/j. prostr.2018.09.003
11. Shiotani T., Yuyama S., Li Z.W., Ohtsu M. Application of AE improved b-value to quantitative evaluation of fracture process in concrete materials // J. Acoust. Emiss. - 2001. - V. 19. - P. 118-133.
12. Ботвина Л.Р., Петерсен Т.Б., Тютин М.Р. Оценка и анализ b-параметра акустической эмиссии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2011. -Т. 77. - № 3. - С. 43-50.
13. Дубов А.А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. -№ 9. - С. 35-39.
14. Горкунов Э.С. Различные состояния остаточной намагниченности и их устойчивость к внешним воз-
действиям. К вопросу о «методе магнитной памяти» // Дефектоскопия. - 2014. - № 11. - С. 3-21.
15. Roskosz M. Metal magnetic memory testing of welded joints of ferritic and austenitic steels // NDT&E. Int. -
2011. - V. 44. - No. 3. - P. 305-310. - doi 10.1016/j. ndteint.2011.01.008
16. Shi C.L., Dong S. Y, Xu B.S., He P. Metal magnetic memory effect caused by static tension load in a case-hardened steel // J. Magn. Magn. Mater. - 2010. -V. 322. - No. 4. - P. 413-416. - doi 10.1016/j.jmmm. 2009.09.066
17. Zhang Y.L., Gou R.B., Li J.M., Shen G.T., Zeng Y.J. Characteristics of metal magnetic memory signals of different steels in high cycle fatigue tests // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 2012. - V. 35. - No. 7. -P. 595-605. - doi 10.1111/j.1460-2695.2012.01651.x
18. Huang H., Jiang S., Liu R., Liu Z. Investigation of magnetic memory signals induced by dynamic bending load in fatigue crack propagation process of structural steel // J. Nondestruct. Eval. - 2014. - V. 33. - No. 3. -P. 407-412. - doi 10.1007/s10921-014-0235-y
19. En Y., Luming L., Xing C. Magnetic field aberration induced by cycle stress // J. Magn. Magn. Mater. -
2007. - V. 312. - No. 1. - P. 72-77. - doi 10.1016/ j.jmmm.2006.09.019
20. Xu M., Chen Z., Xu M. Micro-mechanism of metal magnetic memory signal variation during fatigue // Int. J. Miner. Metall. Mater. - 2014. - V. 21. - No. 3. -P. 259-265. - doi 10.1007/s12613-014-0903-z
21. Wang Z.D., Gu Y., Wang Y.S. A review of three magnetic NDT technologies // J. Magn. Magn. Mater. -
2012. - V. 324. - No. 4. - P. 382-388. - doi 10.1016/ j.jmmm.2011.08.048
22. Махутов Н.А., Дубов А.А., Денисов А. С. Исследование статических и циклических деформаций с использованием метода магнитной памяти металла // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -
2008. - Т. 74. - № 3. - С. 42-46.
23. Roskosz M., Gawrilenko P. Analysis of changes in residual magnetic field in loaded notched samples // NDT&E. Int. - 2008. - V. 41. - No. 7. - P. 570-576. -doi 10.1016/j.ndteint.2008.04.002
24. Hu Z., Fan J., Su X., Gao F., Xin K. Early Inspection of Drill String Fatigue Damage Based on Metal Magnetic Memory Method // 19th World Conference on Non-Destructive Testing. - 2016. - P. 121-127.
25. Huang H., Jiang S., Yang C., Liu Z. Stress concentration impact on the magnetic memory signal of ferromagnetic structural steel // Nondestruct. Test. Eval. -2014. - V. 29. - No. 4. - P. 377-390. - doi 10.1080/ 10589759.2014.949710
26. Бауэр А.А., Кушнаренко В.М., Пятаев А.Е., Чирков Ю.А., Щепинов Д.Н. Надежность трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды. - Оренбург: ОренПечать, 2018.
27. Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Петерсен Т.Б., Про-свирнин Д.В., Морозов А.М., Колоколов Е.И. Остаточная прочность циклически деформированной нержавеющей стали // Деформация и разрушения материалов. - 2019. - № 11. - С. 37-48. - doi 10.31044/ 1814-4632-2019-11-37-48
28. Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Болотников А.И., Петерсен Т.Б. Влияние предварительного циклирования на характеристики акустической эмиссии конструкционной стали 15Х2ГМФ // Металлы. -2021. - № 1. - С. 37-48.
29. Рыбакова Л.М. Механические свойства и деструкция пластически деформированного материала // Вестник машиностроения. - 1993. - № 3. - С. 3237.
30. Березин А.В., Козинкина А.И., Рыбакова Л.М. Акустическая эмиссия и деструкция пластически деформированного металла // Дефектоскопия. - 2004. -№ 3. - С. 9-14.
31. Botvina L.R., Tyutin M.R. New acoustic parameter characterizing loading history effects // Eng. Fract. Mech. - 2019. - V. 210. - P. 358-366. - doi 10.1016/j. engfracmech.2018.06.020
32. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975.
33. Jiles D.C. Theory of the magnetomechanical effect // J. Phys. D. Appl. Phys. - 1999. - V. 32. - No. 15. -P. 1945-1945. - doi 10.1088/0022-3727/32/15/501
Поступила в редакцию 15.01.2021 г., после доработки 11.02.2021 г., принята к публикации 11.02.2021 г.
Сведения об авторах
Ботвина Людмила Рафаиловна, д.т.н., проф., гнс ИМЕТ РАН, lbotvina@imet.ac.ru
Кушнаренко Владимир Михайлович, д.т.н., проф. ОГУ, vmkushnarenko@mail.ru
Тютин Марат Равилевич, к.т.н., снс ИМЕТ РАН, mtyutin@imet.ac.ru
Левин Виктор Петрович, к.ф.-м.н., снс ИМЕТ РАН, доц. МГТУ, vlevin@imet.ac.ru
Морозов Алексей Евгеньевич, к.т.н., снс ИМЕТ РАН, amorozov@imet.ac.ru
Болотников Алексей Игоревич, инж.-иссл. ИМЕТ РАН, студ. МГТУ, kubikmaster@yandex.ru
