CC BY
142
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
УДК 62164 И. М. КОВЕНСКИЙ
К. В. КУСКОВ В. В. ПРОБОТЮК
Тюменский государственный нефтегазовый университет
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ 09Г2С________________________________________
Проведено исследование влияния допустимых дефектов сварного шва на усталость стали 09Г2С. При испытаниях варьировали максимальное напряжение растяжения и амплитуду изменения напряжения. Установили квадратичное уравнение регрессии числа циклов до разрушения и параметров испытания.
Ключевые слова' усталость, сталь 09Г2С, сварной шов, дефект.
Согласно статистическим данным, отдельные участки магистральных нефтепроводов испытывают в год до 350 и более циклов повторных нагрузок, вызванных различными технологическими и эксплуатационными факторами: переключением насосов, нарушением технологического режима, возникновением аварий и плановых ремонтно-восстановительных работ, сезонными и суточными колебаниями температуры [1]. Это ускоряет деградацию материала трубопроводов, т.к. происходит накопление необратимых микропластических деформаций в структурно-неоднородных объемах металла, которые приводят к увеличению прочности, твердости и одновременно к уменьшению пластичности (до 20 %) и ударной вязкости (почти в 2 раза) [2 — 3], а следовательно, к снижению сопротивляемости стали разрушению. Сварной шов и зона термического влияния вблизи него являются наиболее протяженными структурно-неоднороднымии объемами трубопровода, в которых вероятно зарождение очага усталостного разрушения.
В работе исследовали влияние допустимых (согласно рентгенографическому контролю и нормативно-технологической документации [4 — 5]) дефектов сварного шва стали 09Г2С на малоцикловую усталость. Исходный материал в виде пластин размерами 500 X 150 X 8 мм (длина X ширина X толщина) по результатам испытаний на растяжение показал следующие механические характеристики: предел прочности ов = 490,2 МПа, условный предел текучести s02 = 367,7 МПа, относительное удлинение S = 29,8 %.
Пластины сваривали встык механизированной сваркой в среде углекислого газа и затем разрезали на образцы размером 300 X 30 X 8 мм, причем участки пластины, где начинался и заканчивался сварной шов, для испытаний не использовали.
Все подготовленные для испытаний образцы в зависимости от наличия выявленных допустимых дефектов были разделены на два условных типа:
А — с визуально различимыми допустимыми дефектами сварного шва (непровары, несплавления и подрезы глубиной до 0,4 мм);
Б — без выявленных дефектов сварного шва.
Усталостные испытания проводили на универсальной машине ЦД-20 с пульсатором Пу-10. Переменная растягивающая нагрузка от максимального напряжения растяжения smax (менее условного предела текучести образцов стали) до минимального с амплитудой изменения напряжения As действовала вдоль оси образца (перпендикулярно сварному шву). Частота циклов нагружения составляла 10 Гц. В каждой серии использовали по 7 образцов. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
На рис. 1 преведены характерные примеры образцов после разрушения. Поверхность разрушения представляет собой классический усталостный излом, на котором выделяются зона усталости и зона долома. Зарождение трещины происходит как в корневом шве (рис. 1а — вверху на внутренней поверхности излома), так и в зоне термического влияния (на верхней поверхности образца вблизи облицовочного шва (внизу рис. 1 б)). Зарождение усталостной трещины происходит вблизи непроваров, несплавлений и подрезов. В дальнейшем трещина может ветвиться в нескольких направлениях, а также могут возникать новые трещины вблизи других концентраторов напряжения. В изломе образцов типа Б были обнаружены внутренние и приповерхностные дефекты размером до 200 мкм, вблизи которых зарождалась усталостная трещина. Во всех случаях разрушение носит вязкий характер, область разрушения деформирована, удлинение составляет не более 1,5 % относительно рабочей длины образца.
Сравнение результатов испытаний серий образцов 1 — 11, 3—12, 4—14, 6—13, 9—15 показывает, что образцы без выявленных перед испытаниями дефектов сварного шва выдерживали в 2 — 5 раз большее число циклов изменения нагрузки до разрушения. Причем наибольшее повышение выносливости наблюдается при «жестких» условиях испытания: максимальном напряжении растяжения 330 МПа и амплитуде изменения напряжения 36 МПа.
С помощью программы STATISTICA 6.1 (коэффициент множественной корреляции равен 0,95, р-уровень 0,01) рассчитали уравнение регрессии
Параметры усталостных испытаний
№ серии Тип образцов Максимальное напряжение растяжения Отах, МПа Амплитуда изменения напряжения Ад, МПа Количество циклов до разрушения N10^
1 Л — с визуально различимыми допустимыми дефектами сварного шва 330 36 16,0
2 330 27 35,0
3 330 18 125,0
4 330 16 150,0
5 283 23 97,0
6 250 36 50,7
7 250 27 97,6
8 250 18 250,3
9 205 36 57.2
10 205 18 323,5
11 Б — без выявленных дефектов сварного шва 330 36 83,0
12 330 18 348,0
13 250 36 95,7
14 250 18 433,2
15 205 36 126,8
Рис. 1. Излом сварного соединения после усталостных испытаний (а — образец серии № 9, б — образец серии № 12)
между количеством циклов до разрушения образца и параметрами испытаний: для образцов типа Л —
N = 1,06165'106 - 2 1 62Дотах-30250,0Дт +
+ 2,0<ах + 379,0-Лст 2,
для всех образцов (Л + Б) —
N = 0,9269122'106+ 1897,2'Отах-61158,7Дт -
-5,0<ах + 928,7А 2'-
Геометрическая интерпретация уравнений представлена на рис. 2.
Анализ уравнения и рис. 2 показывает значительное влияние амплитуды изменения напряжения на количество циклов до разрушения образцов: увели-
чение Аст кратно уменьшает N. Этот вывод подтверждают данные экспериментальных исследований и математической обработки при сравнении результатов испытаний серий образцов различных типов: 1-4, 6-8, 9 —10, 11-12, 13-14 и т.д. (табл. 1). Величина амплитуды изменения напряжения в 5-9 % практически не влияет на количество циклов до разрушения образца, которое может составлять более 1,2-105 при испытаниях образцов с визуально различимыми допустимыми дефектами сварного шва. Естественно, что повышение максимального напряжения растяжения снижает количество циклов до разрушения сварного соединения, и это особенно заметно при малых значениях амплитуды изменения напряжения (рис. 2).
Также были вычислены Р-коэффициенты, которые позволяют оценить величину вклада каждой независимой переменной отах и Аст в зависимую N.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Итоги регрессии для зависимой переменной N
Параметр Для образцов типа Л Для всех образцов
р-коэффициент Стандартная ошибка в р-уровень р-коэффициент Стандартная ошибка р р-уровень
Свободный член 0,122173 0,379161
Стах - 1,13033 2,444513 0,663222 0,76223 3,156684 0,814074
Л0 -2,51121 1,648613 0,188202 -4,14501 2,610809 0,143452
С2тах 0,57537 2,441935 0,823073 - 1,09917 3,150020 0,734368
Лс2 1,68019 1,650832 0,355474 3,39263 2,619868 0,224432
8700000
Рис. 2. Графическая интерпретация уравнения корреляции количества циклов до разрушения образов с максимальным напряжением растяжения ат>1 и амплитудой изменения напряжения Ая: а — для образцов вида А, б — для образцов обоих типов
б
а
Результаты расчета (табл. 2) показали, что параметр ошах имеет весовой коэффициент примерно в 2,5 раза больший, чем Ло, для образцов типа А. При анализе всех образцов величина максимального напряжения растяжения имеет ещё больший вес в математической модели.
Полученное уравнение регрессии позволяет оценить остаточный ресурс трубной конструкции, который может быть достаточно велик, так как с момента зарождения трещины до разрушения сталь 09Г2С выдерживает еще примерно 6—10 тысяч циклов в зависимости от амплитуды изменения напряжения. В течение этого времени зарождающийся очаг разрушения будет выявлен при плановых мониторингах и приняты своевременные меры для ремонта дефектного участка.
Выводы
1. Оценено влияние сварного шва на длительность сопротивления трубной стали 09Г2С переменным растягивающим нагрузкам: количество циклов до разрушения образцов с качественным сварным соединением уменьшается более чем на 40 % по сравнению с цельными, а при наличии допустимых дефектов до 0,4 мм — в 5—12 раз.
2. Получено уравнение регрессии второго порядка, устанавливающее зависимость между количеством циклов до разрушения образца и максимальным напряжением растяжения, а также амплитудой изменения напряжения усталостных испытаний. Уравнение позволяет определить остаточный ресурс трубопроводов.
Библиографический список
1. Гумеров, А. Г. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов / А. Г. Гумеров, Р. О. Гумеров, К. М. Гумеров. — М. : Недра-Бизнесцентр, 2003. — 310 с.
2. Гумеров, А. Г. Старение труб нефтепроводов / А. Г. Гумеров, Р. С. Зайнуллин, К. М. Ямалеев. — М. : Недра, 1995. — 222 с.
3. Трещиностойкость металла труб нефтепроводов / А. Г. Гумеров [и др.]. — М. : Недра-Бизнесцентр, 2001. — 231 с.
4. ВСН 012-88* (Миннефтегазстрой). Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приемка работ. Ч. 1. — М., 1998. — 60 с.
5. СНиП Ш-42-80*. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ. — М., 2001. — 33 с.
КОВЕНСКИЙ Илья Моисеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Адрес для переписки: imkoven@tsogu.ru КУСКОВ Константин Викторович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Адрес для переписки:: lisii@bk.ru ПРОБОТЮК Владимир Викторович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой высшей математики.
Статья поступила в редакцию 21.06.2012 г.
© И. М. Ковенский, К. В. Кусков, В. В. Проботюк
