МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ТОНКОЛИСТОВОЙ РУЛОННОЙ СТАЛИ 09Г2СФ И МЕТАЛЛА ШВА КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ

В настоящее время для изготовления газопроводных труб се­верного исполнения, рассчитываемых на давление 7,5 МПа, исполь­зуются стали с дефицитными легирующими добавками. Прокат та­ких материалов осуществляется в строго контролируемых условиях по температуре и степени обжатия. Увеличение рабочих давлений до 10—12 МПа приводит к существенному повышению требований к трубным сталям, реализация которых возможна только на основе весьма сложного комплексного легирования материалов. В этой связи предложенное ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР конструктив­ное направление (замена монолитной стенки трубы многослойной), открывающее пути широкого использования обычных рулонных сталей без дефицитных добавок, является более экономически целе - сообразным.

Результаты исследований [II показали, что в многослойных тру­бах из тонколистовой рулонной стали 09Г2СФ (t — 4,1 мм) пол­ностью исключается распространение хрупких разрушений и выше их сопротивление развитию вязких разрывов по сравнению с тру­бами с монолитной стенкой, что обуславливается конструктивными особенностями многослойных труб. При этом важны эксперимен­тальные оценки сопротивления основного материала и сварных со­единений многослойных труб инициированию трещин. Рассмотре­нию данного вопроса посвящена настоящая работа.

В связи с чувствительностью низколегированных трубных ста­лей к скорости деформирования наблюдается существенное различие между температурами перехода от вязкого разрушения к хрупкому, определяемыми на стадиях инициирования и распространения разру­шения. При распространении трещины переходная температура устанавливается по результатам испытаний образцов падающим гру­зом согласно методике DWTT, а на стадии ее инициирования 7 — в условиях статического нагружения стандартных образцов, исполь­зуемых для оценки трещиностойкости материалов по критериям механики разрушения [21. В зависимости от марки трубной стали сдвиг между температурами перехода Т2—Тх может составлять 60 °С и более.

Общеизвестно влияние на переходную температуру охрупчи­вания материала в зонах технологических и эксплуатационных дефектов. Так, для низкоуглеродистых сталей повышение темпера­туры перехода в хрупкое состояние, обусловленное динамическим старением вследствие концентрации термопластических сварочных деформаций, достигает 80 °С [3]. Выполненные в ИЭС им. Е. О. Па -

тона АН УССР исследования по выявлению склонности трубных сталей (09Г2СФ, 10Г2Ф и др.) к деформационному старению, а так­же данные работ [4, 5] показывают, что для материалов, легирован­ных ванадием, титаном и дефицитными элементами (ниобием и др.), сдвиг температуры Тх в сторону ее повышения, связанный с пред­варительным пластическим деформированием при 250 °С, не столь существенный. Следовательно, такие материалы на стадии иниции­рования трещины обладают значительным запасом по температуре перехода в хрупкое состояние даже с учетом ее некоторого повыше­ния в результате деформационного старения, а разрушению газо­проводов в этом интервале температур предшествует развитое плас­тическое деформирование в зонах дефектов. Внешний вид излома свидетельствует о том, что инициирование трещин носит вязкий ха­рактер.

Оценить количественно трещиностойкость трубных сталей в этих условиях позволяют критерии нелинейной механики разрушения. В данных исследованиях используется величина критического рас­крытия вершины трещины, определяемая при испытании на трехто­чечный статический изгиб стандартных образцов с механическим надрезом, заканчивающимся усталостной трещиной. По измеренным в процессе испытаний перемещениям берегов дефекта Vl и У2 соот­ветственно на расстояниях ах и а2 от его вершины находится [6]

Vі CLn Vndi = ——

Для трубных сталей в рассматриваемом диапазоне температур (выше Тх) существенно различаются значения критического раскры­тия вершины трещины, соответствующие инициированию вязкого раз­рушения б* и переходу его в нестабильное состояние 6С. При лабо­раторных испытаниях характеристика 6е соответствует условиям достижения максимальной нагрузки и последующего полного раз­рушения образца. Авторы работ [7, 8] отмечают, что в вязком состоя­нии величина 6Й зависит от типа образца, отношения его геометри­ческих размеров и схемы нагружения. Сопротивление материалов

об

возникновению вязкого разрушения а практически не чувствитель - но [8, 9] к указанным выше факторам и определяется на диаграмме нагрузка — перемещение берегов дефекта моментом первого стра - гивання трещины. В случае незначительного различия между бе и б* он может быть зафиксирован на диаграмме скачком перемеще­ния, наблюдающимся при инициировании трещины. В последнее время разрабатываются инструментальные методы установления момента возникновения вязкого разрушения, основанные на изме­рении электропотенциала, обработке сигналов акустической эмис­сии и ультразвуковой дефектоскопии [10]. В настоящей работе ве­личина б* определялась по результатам испытаний нескольких образцов, предварительно нагружаемых до различных уровней рас­крытия вершины трещины. После разгрузки образцы охлаждались до температуры жидкого азота и окончательно разрушались. На по­верхности излома измерялась величина приращения длины трещины

4 8 М № t, MH " 12 ('ям

Рис. 1. Влияние толщины металла Рис. 2. Зависимость прира-

на его сопротивление инициирова - щения длины трещины I*

нию вязкого разрушения. от величины раскрытия ее

вершины б при различных толщинах образцов:

1 — 2 мм; 2 — 4; а — 7,5; 4 —

10; S — 17,5 мм.

в вязком состоянии I* и строилась зависимость раскрытия б от 1*.

Экстраполяцией этой зависимости в точку /* = 0 находили вели­сь

чину ос.

Оценка трещиностойкости различных трубных сталей отечествен­ного и импортного производства при толщине 12—17,5 мм с дефицит­ными легирующими добавками и без них показала, что их сопротив­ление инициированию вязкого разрушения отличается незначитель­но и находится в пределах 6Ь = 0,16 — 0,25 мм.

Известно, что с уменьшением толщины проката сопротивление материалов инициированию разрушения повышается. Это связано с переходом в области трещины от условий плоской деформации к плос­кому напряженному состоянию. С целью оценки влияния толщины материала на его трещиностойкость, определяемую величиной кри­тического раскрытия вершины трещины б!?, были проведены сле­дующие опыты. Из трубной стали 10Г2Ф толщиной 17,5 мм изготав­ливались основные образцы сечением t X t и длиной 80 мм. Умень­шение толщины некоторых образцов до 10; 7,5; 4 и 2 мм осуществля­лось механическим сострагиванием. Другие размеры при этом оставлялись без изменения. Результаты испытаний, проведенных при комнатной температуре, показывают, что с уменьшением толщины пластины примерно до 6—7 мм величина б6 медленно повышается, а затем возрастает весьма существенно, превышая 0,57 мм при t =

ноп/ювка
= 2 мм (рис. 1). При толщинах 10—

17,5 мм наклон кривых, раскрытие — приращение длины трещины (рис. 2) значительно меньше, что также ука­зывает на более низкое сопротивле­ние вязкому разрушению материалов в этих толщинах.

Оценка трещиностойкости в вяз­ком состоянии тонколистовой рулон­ной стали 09Г2СФ, специально раз­работанной для многослойных труб4 проводилась на образцах, показан­ных на рис. 3, а. Толщина листа равнялась 3,8 мм. Изготовлено три серии образцов: в первой — они вы­резались вдоль направления прока­та; во второй — под углом 45° к на­правлению проката и в третьей — поперек направления проката. Кро­ме того, с целью сопоставления полу­ченных результатов с аналогичными данными для других материалов,, подобные образцы были изготовлены из рулонной стали 08Г2СФБ толщи­ной 3,2 мм. Для обеспечения устойчивости пластин в нагружающем устройстве при выращивании усталостной трещины и ее испытании они сваривались по торцам в пакеты. Измерения перемещений бере­гов трещины, а также приращения ее длины в процессе предвари­тельного нагружения проводились на двух крайних пластинах.

Анализ полученных результатов (рис. 4) показал, что сопротивле­ние тонколистовой рулонной стали 09Г2СФ инициированию вязкой трещины б? = 0,3 мм выше по сравнению с тем же материалом при толщине 17,5 мм, для которого Ьъс = 0,18 мм. Более того, оно выше, чем у других трубных сталей (t = 12 — 17,5 мм), результаты испы­таний которых рассматривались выше. На величину 6с существенно влияет направление проката. Следует учитывать, что в направлении действия максимальных (окружных) напряжений в трубопроводе трещиностойкость рулонной стали наибольшая. Уменьшение ее в других направлениях может играть даже положительную роль( способствуя повороту и кольцеванию движущихся трещин. Совпа­дение результатов для сталей 09Г2СФ и 08Г2СФБ еще раз подтвержда­ет замеченную при оценке вязкости разрушения трубных материалов в толщинах 12—17,5 мм закономерность, имеющую большое практи­ческое значение и состоящую в том, что легирование сталей дефи­цитными элементами, значительно повышающее их сопротивление распространению разрушений, практически не влияет на величину трещиностойкости (сопротивлении инициированию вязких трещин).

Как показала практика эксплуатации магистральных газопро-

водов из труб с монолитной стенкой, значительное число разрушений связано со сварными соединениями. Сопротивление последних воз­никновению трещин, как правило, более низкое по сравнению с ос­новным металлом. Главным образом это обусловливается ухудше­нием пластических свойств металла шва и прилегающего к нему ос­новного материала под воздействием термомеханического цикла сварки; дефектами сварных соединений, возникающими в процессе сварки и находящимися в свариваемых кромках исходного материа­ла; высокими уровнями остаточных напряжений в области кольце­вых сварных соединений; неоднородностью механических свойств различных зон сварного соединения. В этой связи большое внимание следует уделять контролю качества сварных соединений, запасы вяз­кости должны определяться, исходя из условия нечувствительности их к наиболее вероятным дефектам и повреждениям технологическо­го, а также эксплуатационного происхождения. Поскольку для свар­ных соединений наблюдается существенное рассеяние значений тре­щиностойкости как при хрупких, так и квазихрупких разрушениях, область рабочих температур целесообразно ограничивать вязким состоянием.

Определение сопротивления кольцевых сварных соединений мно­гослойных труб инициированию трещин осуществлялось также на основе критерия нелинейной механики разрушения (величины кри­тического раскрытия вершины трещины). Образцы для испытаний сечением t х 2 t (рис. 3, б) вырезались поперек кольцевого шва. Механический надрез, заканчивающийся усталостной трещиной, располагался в металле шва. Нагружение образцов, измерение пе­ремещений берегов трещины, а также вычисление критических зна-

чений раскрытия вершины дефекта осуществлялись по аналогии с ис­пытаниями и обработкой результатов для основного материала. На рис. 5 представлены температурные зависимости трещиностой) кости металла шва многослойных (четырех-, пяти - и семислойных - сварных соединений тонколистовой рулонной стали 09Г2СФ тол­щиной 4 мм, выполненных автоматической сваркой в смеси газов (аргона — 70 %, углекислого газа — 25, кислорода — 5 %) прово­локой Св-08Г2С. Проведены также испытания (рис. 6) четырех - и шестислойных сварных соединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом (четырехслойных — флюс АН-65, проволока Св-08ХМ; шестислойных — флюс АН-60, проволока Св-08ГНМ), а также в среде углекислого газа (проволока Св-08Г2С).

Переходя к рассмотрению полученных результатов, заметим, что все значения бс (рис. 6), кроме точек со стрелками, обозначающими только вязкий характер разрушения образцов, соответствуют одно­временному инициированию трещины и переходу ее в нестабильное состояние.

Температура перехода в вязкое состояние сварных соединений многослойных труб для всех рассмотренных вариантов сварки ниже расчетной температуры эксплуатации магистральных газопроводов,, и равной — 15 °С. По сравнению с основным металлом переходная температура для сварных соединений все же значительно выше.

Трещиностойкость сварных соединений одной и той же толщины^ выполненных сваркой под флюсами в среде углекислого газа, практи­чески одинакова (рис. 6). Однако на величину трещиностойкости и температуру перехода в вязкое состояние заметно влияет число свариваемых слоев. В данном случае определяющими факторами, очевидно, являются изменение пластических свойств металла шва под воздействием термомеханического цикла сварки при последу­ющих проходах, а также увеличение толщины сварного соединения в связи с ростом количества слоев, приводящее к повышению степе­ни стеснения пластических деформаций в области вершины дефекта.

По сопротивлению инициированию вязкого разрушения металл шва многослойных сварных соединений не уступает основному ма­териалу (значения 6с превышают 0,4 мм).

Таким образом, сопротивление многослойных труб возникнове­нию разрушения выше по сравнению с трубами с монолитной стенкой из сталей, содержащих дефицитные добавки.