CC BY
63
Ключевые слова:
трубная сталь, температура хрупко-вязкого перехода, испытания падающим грузом, ударная вязкость, излом.
УДК 621.643.2-034.14:626.178.2
Температура хрупко-вязкого перехода трубной стали К65 - экспериментальное определение и сопутствующие признаки
А.Б. Арабей1*, А.Г. Глебов2, Л.М. Капуткина2, И.Ю. Пышминцнев3, С.Е. Яковлев1, А.И. Абакумов4, Д.Е. Капуткин5
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1
2 НИТУ «МИСиС», Российская Федерация, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 4
3 ОАО «РосНИТИ», Российская Федерация, 454139, г. Челябинск, ул. Новороссийская, д. 30
4 ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ», Российская Федерация, 607188, Нижегородская обл., г. Саров, пр-т Мира, д. 37
5 МГТУ ГА, Российская Федерация, 125493, г. Москва, Кронштадтский б-р, д. 20 * E-mail: a.b.arabey@gmail.com
Тезисы. На основании совместного анализа результатов испытаний по определению ударной вязкости (KCV) и испытаний падающим грузом (ИПГ) с учетом изменения геометрии и поверхностей изломов образцов трубной стали класса прочности К65 (X80), выполненных в диапазонах температур соответственно -196...+20 °С и -80...+20 °С (последние - с шагом 10 °С), оценена температура хрупко-вязкого перехода, которая во втором случае выше, чем в первом. Указаны экспериментально выявляемые признаки вязкого состояния металла.
Сериальные испытания проводили на инструментированном копре DWT40 на стандартных образцах толщиной 27,7 мм, изготовленных из листов (1-я серия) и труб из них (2-я серия). Показано, что при ИПГ в результате воздействия бойка на образец на его боковых гранях в зоне надреза образуются локализованные объемы пластически деформированного металла в форме, близкой к треугольным пирамидам, которые в ходе разрушения смещаются к центру, т.е. продольной оси образца. Их размеры уменьшаются при снижении температуры, а при температуре ниже температуры хрупко-вязкого перехода они не образуются вовсе.
Признаками вязкости металла или его хрупкости могут служить: вид излома - вязкий либо хрупкий, шевронный (соответственно при температуре выше либо ниже температуры хрупко-вязкого перехода, определенного по ИПГ); наличие либо отсутствие на диаграмме разрушения участка «пластического изгиба»; размер лунки утяжки на боковых гранях образцов; размеры локализованных объемов.
На основе выявленных закономерностей поведения металла труб в интервале хрупко-вязкого перехода рассмотрены результаты одного из полигонных испытаний труб из стали класса прочности К65, в ходе которого бегущая по трубопроводу вязкая магистральная трещина раздвоилась в зоне подвода хладагента и закольцевалась по периметру трубы. При этом на обеих гранях «стреловидного» участка захоложенного пятна наблюдался излом типа «шеврон», указывающий на переход от вязкого разрушения к хрупкому.
С учетом найденной в ходе исследования температуры хрупкости, соответствующей -70 °С, оценена относительная деформация металла в зоне захоложенных пятен в стенке трубы.
Технические требования к материалам для магистральных трубопроводов с годами постоянно совершенствуются и ужесточаются. Причин для этого несколько. Во-первых, растет рабочее давление. Во-вторых, увеличивается диаметр труб. В-третьих, для снижения стоимости строительства необходимо снижать металлоемкость, т.е. уменьшать толщину стенки трубы. В результате трубы класса прочности до К52, применявшиеся при строительстве магистральных газопроводов в 1960-е гг., в 1970-х гг. сменились на трубы классов прочности К54...К60, а с 2008 г. в обиход вошли еще более прочные трубы класса прочности К65 (X80, по классификации Американского нефтяного института1) [1]. Известно, что повышение прочности стали неизбежно сопровождается снижением пластичности и вязкости.
англ. American Petroleum Institute, API.
Температура хрупко-вязкого перехода (ТХВП) является одним из основных критериев температурной зависимости сопротивления разрушению, поскольку хрупкое малоэнергоемкое разрушение наиболее опасно из-за возможности реализации протяженного разрушения трубопровода. Известны факторы повышения ТХВП. Во-первых, технология производства труб предусматривает холодную пластическую деформацию листа, что повышает ТХВП на 3.. .5 °С на каждый процент деформации, и, во-вторых, трещина в трубе может перемещаться существенно быстрее, чем в испытываемом образце, что также повышает ТХВП.
Поэтому первый вопрос, который задают специалисты очередному поставщику труб большого диаметра (1420 мм) из новой высокопрочной стали класса прочности К65 (Х80) для проведения полномасштабных полигонных испытаний: какова ударная вязкость2 КСУ-40 основного металла труб данного производителя? При этом подразумевается, что все остальные контролируемые показатели безусловно соответствуют техническим требованиям3. Значение КСУ-40 служит своего рода индикатором пригодности материала труб для применения в условиях высоких давлений, обеспечения высокого сопротивления распространению трещин и развитию протяженного разрушения трубопроводов. Недаром после проведения первой серии полигонных испытаний в первую очередь повысили нормативные требования к ударной вязкости основного металла с КСУ-40 > 170 Дж/см2 до КСУ-40 > 250 Дж/см2, доведя затем фактические значения ударной вязкости до нынешних 300.450 Дж/см2. Это потребовало также дополнительного изучения характеристик вязкости и выбора наиболее представительных методов испытаний, средств измерений и способов определения показателей сопротивления разрушению.
Образцы трубной стали класса прочности К65 подвергали сериальным испытаниям на ударный изгиб с определением ударной
2 Согласно ГОСТ 9454-78 для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженной
и повышенной температурах вводится цифровой индекс, указывающий на температуру испытания. См. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах (с Изменениями № 1, 2).
3 См. СТО Газпром 2-4.1-713-2013. Технические
требования к трубам и соединительным деталям.
вязкости КСУ (по ГОСТ 94542) и ударный изгиб падающим грузом (по ГОСТ 304564) с определением работы разрушения. Ударную вязкость определяли при испытании образцов из листов четырех плавок текущего производства одного из производителей. От каждой плавки отбирали по два листа номинальных толщин 23,0 и 27,7 мм. Образцы вырезали на У ширины листа (90° относительно продольного сварного шва трубы) с ориентацией в поперечном направлении листа (по ширине) и надрезом перпендикулярно плоскости листа.
Испытания на ударный изгиб по определению КСУ проводили при температурах +20.-196 °С на маятниковом копре ЛшБкг ККР-450 (Zwick/Roell) с энергией маятника 450 Дж. Для охлаждения образцов применялась камера глубокого охлаждения ТУ742
Зависимость ударной вязкости от температуры КСУ(Г) по результатам испытания 204 образцов представлена на рис. 1. Из рассмотрения данных с учетом приведенных далее рассуждений можно сделать важные заключения.
Ударная вязкость - это работа полного разрушения надрезанного образца. Длина стандартного образца составляет 55 мм, а расстояние между опорами - 40 мм. Если образец изгибается на 117°, он проскакивает между опорами недоломанным, и тогда регистрируется не работа полного разрушения, а меньшая. В испытаниях современной трубной стали при Т = +20 °С так и происходит: КСУ+20 < КСУ-20 (см. рис 1). Таким образом, достигнут потолок измеримости работы КСУ по геометрическим ограничениям.
Обычно температурная зависимость вязкости КСУ(Г) имеет две полки - верхнюю КСУтах и нижнюю КСУ™11; в интервале перехода КСУ™ < КСУ™ < КСУтах определяется значение ТХВП. В нашем случае на верхней полке сериальной кривой при каждой выбранной температуре из интервала +20. - 80 °С испытаны по 18.22 образца. При Т = +20 °С получено рассеяние ударной вязкости: 285.401 Дж/см2. При охлаждении существенное снижение КСУ проявилось при температуре ниже минус 80 °С с полкой в интервале температур -125.-196 °С после крутого
4 ГОСТ 30456-97. Металлопродукция. Прокат листовой и трубы стальные. Методы испытания на ударный изгиб.
спада (см. рис. 1). Определен порог хладноломкости, т.е. ТХВП: для шести листов толщиной 23 мм он составил —103___—111 °С; для двух
листов толщиной 27,7 мм - минус 119 и минус 120 °С. При оценке вида изломов обнаружено, что при температуре ниже минус 125 °С излом полностью хрупкий.
Принципиально важный вывод вытекает из анализа данных на рис. 1. Видно, что размах значений КСУ для отдельно взятого значения Т достигает 100_150 Дж/см2. Это и неудивительно. Ударный образец имеет небольшое сечение, как правило, существенно меньше сечения испытываемого листа или стенки трубы, поэтому даже при регламентированном месте вырезки заготовок для образцов значение КСУ всегда будет носить «случайный» характер относительно местоположения в листе, структурного состояния металла в этой зоне, уровня его загрязненности и др. В связи с этим даже селективный отбор листов одного производителя в заданный промежуток времени не может гарантировать постоянного уровня свойств в узком диапазоне.
В отличие от образца для определения КСУ преимущества образца для испытаний падающим грузом (ИПГ) заключаются в том, что его толщина соответствует толщине стенки реальной трубы, а также существенно большей длине в направлении распространения трещины. Он расщепляется по тому слою, где вязкость наихудшая. А чем крупнее образец, тем выше порог хладноломкости.
Для ИПГ полнотолщинные образцы размером 27,7^75x350 мм с У-образным надрезом глубиной 5 мм вырезали из листов стали К65 того же производителя, что и для испытаний на ударную вязкость, а также из труб диаметром 1420 мм с номинальной толщиной стенки 27,7 мм из тех же листов. Испытания на трехточечный ударный изгиб на базе 250 мм выполнены на инструментированном копре DWT40 ИМАТЕК (масса падающего груза — 2450 кг, скорость бойка в момент удара — 4,5.. .9,0 м/с, максимальная энергия копра — 100 кДж; записывается диаграмма разрушения). Чтобы надежно найти верхнюю (Ашах) и нижнюю (Аш1п) полки работы разрушения, или поглощенной энергии, на сериальной кривой (где А — работа удара, кДж) температуру испытаний назначали с шагом 10 °С.
Сводная сериальная кривая А(Т) построена по испытаниям 34 образцов при 11 температурах от плюс 20 до минус 80 °С (рис. 2). Одиннадцать образцов из 34 были вырезаны из листов, остальные — из труб. При всех температурах значения А для образцов из листов оказались на 10.. .15 % выше, чем для образцов из труб. Заметим, что при входном контроле листов на трубных заводах находили, что КСУ листов на 5_14 % выше, чем КСУ выполненных из них труб.
При охлаждении значимое падение А (Т ) проявилось только при Т = —40 °С, следовательно, Ашах занимает весь интервал от минус 40 до +20 °С. Аш1п надежно зафиксирована
Рис. 1. Сериальная кривая ударной Рис. 2. Температурная зависимость полной
вязкости трубной стали К65 работы разрушения, полученная при ИПГ
трубной стали К65
температурой < -70 °С после крутого спада. Таким образом, интервал вязко-хрупкого перехода ограничен значениями -40.-60 °С.
Дополнительную информацию при испытаниях на инструментированном копре DWT40 ИМАТЕК можно получить при детальном анализе диаграмм. Так, в ходе анализа диаграмм разрушения обнаружено, что при одной температуре испытаний диаграммы хорошо согласуются между собой, что свидетельствует о высокой воспроизводимости результатов и возможности использования диаграмм для углубленного анализа собственно разрушения.
На рис. 3 на одном поле приведены диаграммы разрушения образцов, испытанных при температурах, охватывающих весь диапазон сериальной кривой: +20, минус 40, минус 60 и минус 70 °С. Общим для всех диаграмм, за исключением Т = - 70 °С, является начальный период разрушения с координатами: 10,3 мм - смещение ударника; 1,63 мс - время. Далее участки диаграммы соответствуют разрушению при выбранной температуре испытаний: либо когда при Т = +20 °С и Т = -40 °С за упруго-пластическим подъемом следует вязко-пластический участок - верхняя полка Атах, либо без него в случае перехода в хрупко-вязкое разрушение без полки при Т = - 60 °С. По этому признаку температуру вязко-хрупкого перехода можно оценить в диапазоне -40.-60 °С.
Если выделить так называемый «упругий -упруго-пластический» участок в координатах «сила - путь» для одной температуры (например, Т = +20 °С; см. рис. 3б), то сразу можно обнаружить первый пик, соответствующий линейно упругому изгибу с вершиной в точке А и нагрузкой, равной по величине условному пределу текучести. Соответствующая вершине А запись на графике расшифровывается следующим образом: 0619 - номер образца; +20 - температура, °С; 4,05 - смещение бойка, мм (0,63 мс в координатах «сила - время»); 549,06 - нагрузка, кН (условный предел текучести, замеренный при входном контроле, составляет 563 МПа). Далее нагрузка скачкообразно возрастает и достигает максимума в точке Б с указанными выше координатами (10,3 мм -смещение бойка, 1,63 мс - время). Отличие заключается лишь в достигнутой нагрузке в вершине: 674, 722 и 772 кН соответственно при +20, -40 и -60 °С. Это объясняется ростом предела текучести с уменьшением температуры испытания. Количество скачков, равное 5, одинаково при всех указанных температурах. Их наличие объясняется дискретным (пульсирующим) перемещением ударника с периодичностью 0,2 мс.
По достижении усилия в точке Б происходит крутой спад, свидетельствующий о раскрытии упругой трещины, что подтверждается видом изломов разрушенных образцов при смещении ударника на 10 мм.
600 500 400 300 200 100 0
-100
Температура испытаний, °С: — 20 --40 - --60 --70
О
800 700 600 500 400 300 200 100 0
-Я(061-^-+20;
Й,'05;&49,06)
-10 10 30 50 70 90 110
Смещение ударника, мм
0 5 10 15 20 Смещение ударника, мм
б
Рис. 3. Диаграммы разрушения ИПГ-образцов при разных температурах (а); «упругий - упруго-пластический» участок диаграммы для Т = +20 °С (б)
Такой вид диаграммы ранее подробно не обсуждался. Можно сослаться лишь на высказывание М.А. Штремеля [2], что «появлению трещины предшествует не только упругая, но и некоторая пластическая деформация общего изгиба образца». Если это так, то мы имеем реальную возможность количественно измерить работу «упруго-пластического» изгиба при ИПГ-испытаниях и вычесть ее из общей работы разрушения, что является предметом будущих исследований.
По мере понижения температуры раньше всего обнаруживает хладноломкость вид излома (рис. 4). Признаком вязкого разрушения образцов ИПГ служит наличие локальных объемов пирамидальной формы, пластически сформированных на начальной стадии разрушения (см. рис. 4а). Одна из сторон образованной фигуры лежит в плоскости, разделяющей слой металла с надрезом и слой с максимальной утяжкой. При этом эти локальные объемы в процессе последующего изгиба и утяжки клином смещаются к центральной оси образца. Основание «пирамиды» находится соответственно на боковых гранях образца, воспроизводится при всех испытаниях и служит подтверждением наличия вязкой составляющей в изломе. С понижением температуры испытаний (с понижением пластичности и вязкости) размеры этих объемов резко уменьшаются (см. рис. 4б), и с переходом в хрупкое состояние они исчезают совсем (см. рис. 4в). При Т = —70 °С между слоем металла с надрезом и основным металлом образуется трещина без видимых признаков деформации (утяжки).
Важным при исследовании ИПГ-образ-цов после испытаний является измерение
геометрии «шейки» в месте разрыва - утонения в различных сечениях по высоте (рис. 5). Образцы, испытанные при Т = +20 °С, в 3D-формате выглядят более вязкими, однородными по строению, тогда как образцы, испытанные при Т = -60 °С, практически не деформированы, разрушаются разрывом, что отражает хрупко-вязкое состояние металла (см. выше).
После компьютерной обработки горизонтальных сечений построены эпюры распределения толщины (£) и относительной деформации образца 5 = —100 % (где - начально
ная толщина образца; Д£ — изменение толщины образца) по его длине для сечения на высоте 40 мм и различных температур (рис. 6). В большей степени утонению и деформации подвержены образцы, испытанные при температуре +20_-20 °С.
Не имея возможности оценить хладноломкость непосредственно в изделии, используют разные приемы, в том числе построение сериальных кривых по результатам испытаний ударной вязкости - традиционный подход к оценке качества металла — и рекомендации касательно применения металла в конструкции. «Но ударная вязкость нигде не фигурирует в расчетах конструкций и не гарантирует их работоспособность. Она лишь косвенно и при многих ограничениях прогнозирует риск хрупкого разрушения» [2]. Необходимо искать другие адекватные методы.
Настоящая статья в какой-то степени отвечает на эти вопросы. Если принять трубу за конструкцию и выбрать на ней представительные участки для углубленного исследования,
Рис. 4. Изломы образцов ИПГ, испытанных при разных температурах: а - вязкий, Т = +20 °С; б - смешанный хрупко-вязкий, Т = -60 °С; в - хрупкий, Т = -70 °С. Стрелками показаны локальные объемы пластически деформированного металла пирамидальной формы
то получим некую характеристику, которую можно распространить на всю трубу, а затем и на магистральную плеть. Таковым исследованием может стать, в частности, испытание образцов на ударный ИПГ с оценкой не по количеству вязкой составляющей, а по числовым характеристикам разрушения в инструментированном испытании. Так, в сущности, и произошло при построении сериальной кривой в ИПГ-испытаниях. Появилась возможность прямого сравнения КСУ(Т) и А(Т) (производственный показатель). Так, границы верхней полки сериальной кривой КСУ(Т) лежат в интервале -80...+20 °С, аА(Т) - в интервале -40...+20 °С; интервалы перехода - соответственно
-80.-125 °С и -40.-70 °С; температура хрупкости составила примерно минус 105 °С для КСУ(Т) и приблизительно минус 55 °С для А(Т). Это может говорить о большей значимости результатов инструментированных ИПГ пол-нотолщинных образцов для оценки эксплуатационных возможностей трубного металла.
С учетом результатов фрактографичеких исследований (см. рис. 4), принимая во внимание высокие значения КСУ-60 (см. рис. 1), можно предположить, что чисто хрупкое разрушение стали К65 начинается от температуры <-70 °С.
Забегая вперед, отметим, что в натурном эксперименте подтверждено хрупкое состояние
к = 20 мм
к = 34 мм
к = 40 мм
Рис. 5. Профили сечений образцов, соответствующие разной высоте к подъема секущей плоскости относительно основания образца, при Т = +20 °С (а) и Т = -60 °С (б)
б
а
21 22
23
24
25
26
27
28 29
-80
1 Г, °С: — +20 .... +20 — 0 --20 -40 --60 --70 -
-60
-40
-20
25 ^
ю
20 15 10 5
20 40 60 80
Длина образца, мм
Рис. 6. Эпюры изменения толщины (ось слева) и деформации (ось справа).
При Т = +20 °С испытывались два образца
0
0
стали К65 при Т = -70 °С. Следовательно, правомерно утверждать, что результаты, полученные в ИПГ-испытаниях, можно использовать в практических целях аналогично тому, как это принято в отношении результатов испытаний на трещиностойкость К1С. Это тем более вероятно, что современные копры позволяют испытывать образцы из стали классов прочности до К80 (Х100) и выше и толщиной до 50 мм.
В ходе полигонных испытаний опытных партий труб класса прочности К65 размером 1420^23 мм в результате сбоя системы охлаждения в местах подачи на трубы хладагента (жидкого азота) на поверхностях труб образовались переохлажденные участки (рис. 7). Остановка разрушения происходила посредством раздвоения магистральной трещины на переохлажденных участках с последующим закольцеванием. Поверхность разрушения на участке раздвоения магистральной трещины формировалась за счет хрупкого излома типа «шеврон» без признаков пластической деформации (см. рис. 7в).
С целью установления причины переохлаждения воспроизводили захолаживание отдельного участка плети после полигонного испытания, во время которого замеряли температуру стенки трубы изнутри пирометром (рис. 8, 9). Замеры показали, что в эпицентре заиндевелого пятна (строго по месту подвода хладагента) температура стенки трубы была не выше минус 70 °С и соответствовала температуре хрупкости при сериальных ИПГ-испытаниях образцов.
Аналогично замерам утонения образцов ИПГ замеряли толщину темплета в зоне излома типа «шеврон» (рис. 10). Замеры проводили как на реальных образцах, так и (в основном) на образцах и в сечениях в 3Б-формате по разработанной методике и с использованием специальных компьютерных программ.
Относительная деформация металла ИПГ-образцов, испытанных при Т = - 70 °С, и в зоне переохлаждения (- 70 °С) стенки трубы (хрупкий излом с шевронным узором) не превышала 5.6 %.
Рис. 7. Фрагменты опытной плети после испытаний со следами замороженных участков: а - место остановки трещины через 20 мин после испытания (следы от инея); б - участки охлаждения после испарения инея; в - излом типа «шеврон» на поверхности разрушенных участков
Рис. 8. Вид переохлажденного участка трубы: наружная (а) и внутренняя (б) поверхности
О 40
о
й а
^ 20
л
5Т
Н 0
-20
-40
-60
-80
34,6 34,8 Л
13,5(3
-12,9 -12,2
-30,3у
-53,0 1
-70,0 РО-70,0
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 Расстояние от центра переохлажденного
участка, см
Рис. 9. Распределение температур вдоль образующей на переохлажденном участке трубы: стенка трубы снаружи (а, см. рис. 8а) и изнутри (б, см. рис. 8б)
Рис. 10. Фрагмент трубы с изломом типа «шеврон»: а - участок излома (фото); б - вертикальные ЭБ-сечения с замером толщины
Таким образом, проведенные исследования показали, что ИПГ-испытания с определением работы разрушения в сравнении со стандартными ИПГ-испытаниями по ГОСТ 30456 позволяют получить существенно более объективную оценку сопротивления металла разрушению, что может быть использовано в целях прогнозирования характера и масштаба разрушения газопровода из современных высокопрочных сталей.
По результатам исследования сделаны следующие вывод:
1) температура хрупко-вязкого перехода металла труб класса прочности К65, определенная по сериальной кривой ударной вязкости КСУ, на 50.. .60 °С ниже, чем определенная методом инструментированного ИПГ;
2) в ходе исследований поверхностей изломов разрушенных ИПГ-образцов, в том числе
б
б
а
в 3D-формате, выявлены признаки, характеризующие вязкое состояние металла: вид излома, наличие и размеры локальных объемов в форме треугольной пирамиды вблизи надреза, наличие утонения «шейки» по месту разрыва;
3) на диаграмме разрушения обнаружен не наблюдавшийся ранее участок (назван «упругий - упруго-пластический») в координатах ход ударника 10,3 мм, время 1,63 мс, совпадающий с раскрытием упругой трещины при разрушении;
4) температура формирования шевронного (хрупкого) излома, выявленного при полигонных испытаниях, соответствует температуре хрупко-вязкого перехода, определенной методом ИПГ;
5) инструментированные испытания ИПГ предпочтительнее испытаний на ударный изгиб КСУ(Т ) при оценке эксплуатационной надежности трубной стали К65 по критерию хладноломкости.
Авторы выражают признательность Т. С. Есиеву за участие в работе и подготовке рукописи.
Список литературы
1. Арабей А. Б. Развитие технических требований к металлу труб магистральных газопроводов / А.Б. Арабей // Известия вузов. Черная металлургия. — 2010. — № 7. — С. 3—10.
2. Штремель М.А. Разрушение: в 2-х кн. Кн. 1: Разрушение материала / М.А. Штремель. -М.: МИСиС, 2014. - 670 с.
Experimental determination and concomitant signs of a brittle-ductile transition temperature for K65-grade pipe steel
A.B. Arabey1*, A.G. Glebov2, L.M. Kaputkina2, I.Yu. Pyshmintsnev3, S.Ye. Yakovlev1, A.I Abakumov4, D.Ye. Kaputkin5
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 Moscow State Institute of Steel And Alloys (NUST MISIS), Bld. 4, Leninskiy prospect, Moscow, 119049, Russian Federation
3 The Russian Research Institute of the Tube and Pipe Industries (RosNITI), Bld. 30, Novorossiyskaya street, Chelyabinsk, 454139, Russian Federation
4 Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Research Institute of Experimental Physics
(FSUE RFNC - VNIIEF), Bld. 37, prospect Mira, Sarov, Nizhniy Novgorod Region, 607188, Russian Federation
5 The Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTUCA), Bld. 20, Kronshtadtskiy boulevard, Moscow, 125493, Russian Federation
* E-mail: a.b.arabey@gmail.com
Abstract. In virtue of simultaneous analysis of the ductile test and drop-weight test (DWT) results, authors assessed a temperature of a brittle-ductile transition for the K65 (X80) grade pipe steels taking into consideration the geometry and texture changes in the sharp bends of the pipe samples. The named tests were carried out at temperatures of -196.. .+20 °C and -80.. .+20 °C correspondingly (last ones at a pitch of 10 °C). It was stated that for the second case the target value was higher than for the first one. The experimentally derivable indicators of a viscous state of a metal were listed.
The serial tests were carried out using a DWT40 drop-weight tear tester and the standard samples 27,7 mm in thickness manufactured from the steel sheets (the 1st series) and the correspondent steel pipes (the 2nd series). The DWT tests demonstrated that due to the impact of a striker the local metal volumes like the triangular pyramids appeared near the cuts at the lateral sides of the samples. In course of destruction, these volumes moved towards a longitudinal axis of the sample. Dimensions of such volume reduced when the temperature dropped, and if the temperature became lower than the temperature of the brittle-ductile transition, these volumes vanished.
There are the following indicators of either metal viscosity, or its decrease: a type of a bend, which could be either tough, or brittle (correspondingly, when the temperature exceeds the temperature of the brittle-ductile transition, or on the contrary is lesser); presence or absence of the plastic-bend sections at a diagram; the sizes of the thinned holes on the lateral sides of the samples; the sizes of the localized volumes.
Using the derived laws of metal behavior within the interval of brittle-ductile transition, authors examined the pilot tests of the K65-grade steel pipes. During these tests, a tough main crack has bifurcated nearby a cooler feed and has circled round the pipe. At that, at both sides of a cooled spot a chevron-type bend has been observed, which has indicated transition to brittle destruction.
On account of the brittleness transition temperature value of minus 70 °C, authors have assessed the relative deformation of a metal nearby the cooled spots within a pipe wall.
Keywords: pipe steel, temperature of a brittle-ductile transition, drop-weight test, modulus of resilience, sharp bend. References
1. ARABEY, A.B. Evolution of technical requirements imposed to metals for pipes of gas mains [Razviyiye tekhnicheskikh trebovaniy k metallu trub magistralnykh gazoprovodov]. Izvestiya Vuzov. Chernaya Metallurgiya, 2010, no. 7, pp. 3-10. ISSN 0368-0797. (Russ.).
2. STREMEL, M.A. Rapture of material [Razrusheniye materiala]. In: STREMEL, M.A. Destruction [Razrusheniye]: in 2 bks. Moscow: Moscow State Institute of Steel And Alloys, 2014, bk. 1. (Russ.).
