Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Крюков Л.Т. 1 Пачурин Г.В. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Магистральные газопроводы на Европейском Севере страны эксплуатируются в сложных температурно-силовых условиях, приводящих к накоплению пластической деформации на отдельных участках. Появление и развитие усталостных повреждений трубных сталей является многостадийным и зависит от природы материала, условий нагружения и структурного состояния, обусловленного условиями эксплуатации самих трубопроводов. В работе приведены результаты исследований изменения исходных свойств трубной стали 17ГС, определенных по оригинальной методике с использованием характеристик микропластической деформации. Показано, что через способность структуры к микропластичности можно оценить склонность материала к хрупкости. При этом имеется в виду не абсолютная величина деформации перед разрушением, а существование нескольких механизмов деформации, с помощью которых она может быть реализована. Исходная структура металла обусловливает появление определенных механизмов деформации при конкретных величинах критических напряжений. Отклонение от величин критических напряжений в материале трубы до определенных значений после эксплуатации будет свидетельствовать о пригодности участка трубы для дальнейшей эксплуатации.

Статья в формате PDF

457 KB

газопроводы

трубная сталь 17ГС

микропластическая деформация

структура

склонность мела к хрупкости

механизмы деформации

критические напряжения

1. А.С. 147839 СССР, МКЛ4 – G01N3/18. Способ определения температуры перехода материала из пластического в хрупкое состояние / С.А. Мадянов, Б.А. Апаев, В.К. Седов, Л.Т. Крюков, Ю.В. Кириллов.

2. Крюков Л.Т. Определение момента перехода материала из пластического состояния в хрупкое с использованием параметров микропластической деформации. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. – № 2 (105). – Н. Новгород, 2013. – С. 48–53.

3. Лисин В.Н., Крюков Л.Т. Исследование прочности и усталости трубной стали 17ГС / Повышение эффективности нефтегазового строительства в условиях Севера. – М.: 1984. – С. 3–8.

4. Мадянов С.А., Апаев Б.А., Седов В.К., Крюков Л.Т. Определения температуры вязкохрупкого перехода в сталях по параметрам их микропластической деформации / С.А. Мадянов, Б.А. Апаев, В.К. Седов, Л.Т. Крюков // Дислокационная структура в металлах и сплавах и методы ее исследования. – Тула, 1987. – С. 97–103.

5. Пачурин Г.В. Долговечность штампованных конструкционных материалов на воздухе и в коррозионной среде // Заготовительные производства в машиностроении. – 2003. – № 10. – С. 21–27.

6. Пачурин Г.В. Долговечность на воздухе и в коррозионной среде деформированных сталей // Технология металлов. – 2004. – № 12. – С. 29–35.

7. Пачурин Г.В. Долговечность пластически деформированных коррозионно-стойких сталей // Вестник машиностроения. – 2012. – № 7. – С. 65–68.

8. Пачурин Г.В. Повышение эксплуатационной долговечности нержавеющих сталей технологическим упрочнением // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 2 (Часть 2). – С. 28–33.

9. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. – 2008. – № 3. – Т. 38. – Р. 217–220.

10. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. – 2008. – № 3. – Т. 38. – Р. 217–220.

11. Pachurin G. V. Life of Plastically Deformed Corrosion_Resistant Steel // Russian Engineering Research. – 2012. – Vol. 32. – № 9–10. – Р. 661–664.

12. Потак Я.М. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей. – М.: Оборонгиз, 1955. – 389 с.

Магистральные газопроводы на Европейском Севере страны эксплуатируются в сложных условиях. На обводненных территориях грунт обладает слабой защемляющей способностью, поэтому температурно-силовые воздействия на трубопровод в процессе эксплуатации приводят к накоплению пластической деформации на отдельных участках, не учитываемой расчетом [3]. Процесс усталостного разрушения металла трубы можно свести к нескольким видам процессов, определяющих накопление усталостных повреждений [9–11]. Появление и развитие усталостных повреждений трубных сталей является многостадийным и зависит от природы материала, условий нагружения [4] и структурного состояния [6], обусловленного условиями эксплуатации самих трубопроводов. Эти процессы, будучи результатом воздействия сложных механизмов [7, 8], сначала проявляются как локальные пластические деформации. В работе сделана попытка выявить зависимость склонности материала к хрупкому разрушению не столько от условий нагружения, сколько от свойств самой структуры, приобретенных материалом в процессе эксплуатации трубопровода.

В настоящей работе приведены результаты исследований изменения первоначальных свойств трубной конструкционной низколегированной кремнемарганцовистой стали 17ГС, определенных по оригинальной методике с использованием характеристик микропластической деформации, определяемых на образцах диаметром 3,5 мм и высотой 7 мм, которые деформировались сжатием ступенчато возрастающей нагрузкой до предела текучести на специальном прессе большой жесткости (1/к = 10⁴ МН/Н). Химический состав стали 17ГС представлен в табл. 1.

Массивное монолитное ярмо, изготовленное из высокопрочной стали, клиновое деформирующее устройство, мембраны, предотвращающие смещение нижней траверсы в горизонтальной плоскости, обеспечивают высокую жесткость деформирующего устройства и исключают перекос образца при испытаниях. Высокая жесткость испытательного устройства необходима для исключения возможного вклада машины в регистрируемую величину релаксации напряжений. Для регистрации величины падения напряжений в процессе испытания используется датчик силы, который представляет собой стальное упругое тело с наклеенными на него по мостовой схеме тензодатчиками. Сигнал с датчика через усилитель с компенсирующим устройством подается на самопишущий регистрирующий прибор, который записывает кривую падения напряжения после каждого цикла нагружения образца.

Величина изменения релаксации напряжений (Δσ_i) (рис. 1, а) измерялась при ступенчатом увеличении нагрузки (σ_H) на постоянную величину (Δσ_H) через равные промежутки времени (Δt = 150 c). Затем строились зависимости Δσ(σ_H), отражающие постадийное развитие пластической деформации при нагружении до предела текучести (рис. 1 б). В зависимости от степени упрочнения стали в этом интервале напряжений наблюдается в основном от 2 до 5 стадий характера деформации, ограниченных критическими напряжениями , σ′ и σ″ (рис. 1, б), которые вместе с соответствующими величинами падения напряжения (рис. 1, б) могут характеризовать способность металла сопротивляться малым пластическим деформациям. Именно эти величины были приняты за характеристики микропластической деформации (ПМД), используемые в данной работе [2].

Таблица 1

Химический состав в % стали 17ГС (ГОСТ 19281 – 89)

Рис. 1. Схема нагружения при испытаниях (а) и схема полученной зависимости (б)

Из различных мест участка газопровода Ухта – Торжок длиной 100 м, подлежащего ремонту после эксплуатации в течение 15 лет, были вырезаны темплеты (карта 400×400 мм) и из них были изготовлены образцы для определения ПМД. В этом месте произошло деформирование участка трубопровода в горизонтальной плоскости со стрелой прогиба 6 м (рис. 2).

Темплеты вырезались на участках, где труба подвергалась наибольшей деформации. В качестве исходных значений параметров микропластической деформации принимались данные испытаний образцов, вырезанных из трубы запаса, не бывшей в эксплуатации.

Первая группа образцов характеризуется разной степенью остаточных деформаций, полученных в результате эксплуатационной нагрузки. Так, максимальные напряжения на этом участке трубы, определенные расчетом, составили 340 МПа в районе карты 4. Образцы карт 3 и 5 вырезались на расстоянии 15 и 22 м от карты 4 и характеризуются меньшими значениями параметров напряженно-деформированного состояния материала трубы.

Графики изменения ПМД для образцов, вырезанных из разных участков трубы, показаны на рис. 3 а‚ б. Как видно из соответствующих графиков, параметры , σ″ и имеют разные значения в зависимости от места вырезки образца. Значения параметров σ″ и , полученные для образцов, вырезанных из нескольких участков труб, отличающихся напряженно-деформированным состоянием в процессе эксплуатации трубопровода, приведены в табл. 2.

Рис. 2. Схема искривленных участков газопровода Ухта – Торжок: 1 – ось трубы до ремонта; 2 – после ремонта; x, y – координаты сечений трубы; f₁, l₁ – прогиб трубы в вершине, длина участка до ремонта; f₂, l₂ – то же после ремонта

а б

Рис. 3. График изменения параметров микропластической деформации для образца из стали I7ГС: а – исходное структурное состояние; б – карта 5. Продольное направление вырезки образца

Таблица 2

Значения параметров микропластической деформации для материала разных участков трубы

При сопоставлении данных, полученных в результате испытаний образцов, с определением конкретного места их вырезки, было установлено, что значения ПМД металла карт 4 и 5 отличаются от ПМД исходного металла трубы. При этом карта 4 была вырезана на внутреннем радиусе изгиба трубы, а карта 5 – на внешнем, то есть металл участка карты 4 деформировался сжатием довольно значительным усилием, а участок карты 5 подвергался деформации растяжением. Все это хорошо выявилось при анализе величин ПМД для соответствующих образцов. Таким образом, измерение микропластических характеристик металла трубы после эксплуатации в течение определенного периода и сравнение с данными, полученными при замере ПМД металла труб, не бывших в эксплуатации, позволяет сделать заключение о степени деформирования металла трубы в процессе эксплуатации.

Известно [4], что увеличение степени деформации сжатия приводит к изменению температуры перехода материала из пластического в хрупкое состояние и смещению ее в область более высоких температур.

Наиболее распространенный способ оценки склонности материала к хрупкому разрушению – определение температурной зависимости величины KCU. Недостатками этого способа являются:

1) отсутствие физически аргументированного критерия ударной вязкости;

2) не показательность величины KCU для высокопрочных состояний, так как с повышением прочности материала при уменьшении температуры испытания отсутствует явно выраженный порог хладноломкости.

В предполагаемом в настоящей работе способе определения момента перехода материала из пластического в хрупкое состояние производится по температурной зависимости параметра

определяемого по микропластическим характеристикам, получаемым в результате статического нагружения сжатием. Эта зависимость близка по температурному интервалу в зависимости KCU (T), однако величина А имеет определенный физический смысл: характеризует сопротивление движению дислокаций в матрице сплава в обход частиц выделений в пределах микропластической области до появления микротекучести, а величина характеризует напряжение, соответствующее смене дислокационного механизма деформации при переходе из микропластической области в промежуточную область деформации [4]. Таким образом, через способность данной структуры к микропластичности можно оценить склонность материала к хрупкости. При этом имеется в виду не абсолютная величина деформации перед разрушением, а существование нескольких механизмов деформации, с помощью которых она может быть реализована [1]. Исходная структура металла обусловливает появление определенных механизмов деформации при конкретных величинах критических напряжений. Отклонение от величин критических напряжений в материале трубы до определенных значений после эксплуатации будет свидетельствовать о пригодности участка трубы для дальнейшей эксплуатации.

Рецензенты:

Гаврилов Г.Н., д.т.н., профессор, Институт физико-химических технологий и материаловедения, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Панов А.Ю., д.т.н., профессор, директор ИПТМ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Библиографическая ссылка