Оценка структурного состояния и неоднородности сварных соединений трубных сталей методом термо-э.д.с.

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Е.О. стеклова, асп., л.А. Ефименко, проф., д.т.н., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

оценка структурного состояния и неоднородности сварных соединений трубных сталей методом термо-э.д.с.

Существенной проблемой конструкций нефтегазового комплекса является ухудшение их коррозионно-механических характеристик в процессе эксплуатации. Это может стать причиной нарушения работоспособности конструкций и привести к серьезным экологическим и экономическим проблемам, связанных с возгоранием, взрывами, выбросами углеводородного сырья, сокращению службы трубопроводов и в дальнейшем непригодности их эксплуатации. Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется вопросам контроля за состоянием таких объектов.

С этой целью используется большое количество методов неразрушающего контроля, таких как: радиографический, ультразвуковой, магнитный, рентгеноскопия и др. Вместе с тем следует отметить, что указанные методы не позволяют оценить структурно-фазовое состояние материала, определяющее в значительной степени его коррозионную стойкость, а также прочностные и пластические характеристики. Поскольку надежность конструкций и их сопротивляемость разрушению определяется свойствами материала, напряженно-деформированным состоянием конструкции, условиями эксплуатации, необходимо адекватная оценка этих факторов на всех стадиях жизненного цикла конструкции, т.е. необходим комплекс методик и методов, позволяющих оценивать структурно-механические свойства материала, структурно-химические свойства, конструк-

ционную повреждаемость материала в процессе эксплуатации и степень старения, а так же другие свойства. Целью настоящей работы являлось разработка методики оценки структуры трубных сталей и сварных соединений методом термо-э.д.с. с определением их неоднородности.

СУЩНОСТЬ МЕТОДА ТЕРМО-Э.Д.С.

В основу метода положены термоэлектрические процессы, из которых главное значение принадлежит эффекту Зеебека. Сущность эффекта заключается в возникновении термо-э.д.с. в электрической цепи, образованной двумя различными проводниками, когда спаи этих проводников находятся при различных температурах. При контакте двух разнородных металлов совершается переход носителей заряда из одного металла в другой, пока в силу закона сохранения энергии не уста-

Рис.1. Схема определения термо-э.д.с.

1 - вольфрамовый электрод - зонд; 2 -стальная втулка с гнездом; 3 - стопорные винты; 4 - печь; 5 - обойма, к которой крепится вольфрамовый электрод; 6 -цифровой измеритель температуры; 7 -микровольтметр; 8 - исследуемый образец; БП - блок питания.

Таблица 1. Исследуемые материалы

Наименование Химический состав, % Содержание в % Термо-э.д.с.

стали С Si Mn Cr Ni Cu P S As N C мкВ/0С

не более

20 0,17 0,17 0,35 0,25 0,278 224±5

09Г2С 0,12 0,5 1,3 0,3 0,.3 0,3 0,035 0,04 0,08 0,008 0,437 69±5

15ХСНД 0,12 0,4 0,4 0,6 0,3 0,2 0,035 0,04 0,08 0,008 0,34 234±5

_К ОН Са'АШ'А% 1891 гда

приборы наразрушающего контроля

ультразвуковые толщиномеры серим БУЛАТ толщиномеры покрытий серии КОНСТАНТА твердомеры металлов приборы комплексного контроля качества защитных покрытий и подготовки лакокрасочных материалов принадлежности для всех видов контроля

отдел продаж - тел./факс: (312) 372-2903, 372-2904 у/у/у/.corisianta.ru, offtc8@constanta.ru 199095, Санкт-ПэтерЗург, а/я 42

прэооразоаа тали на любой акус

отдал лрол

УЗ-К ОБ СТАНТА

-разработка и лр оизв одств о у л ьт р а з в у к о в ы х плэо 5 р а з оаат ал а й асах тип о в -изготовление стандарт н ьы образцов л р.ёдл риятий - л р о да ж а дефект ос; к о л о в УД 2-12 и УД2-']40

з £ а л I а - и з. с о гл ш а 11 @ с о л з! а л 1а. г и 2-2904 - отдел раараоотоа: (812) 3&в~404?

<В>

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

250

g 200 *

^ 150

S100

I

о

i. 50

CD

15ХСНД 20 09Г2С

Рис.2. Влияние химического состава стали на термо-э.д.с.

новится разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу и равная разности уровней энергии Ферми обоих металлов. При наличии градиента температур в месте контакта двух металлов, в связи с тем, что горячий металл обладает большей энергией, чем холодный, возникает термодиффузия электронов в сторону меньших энергий — от горячего участка к холодному. Термоэлектродвижущая

сила, возникающая вследствие направленной термодиффузии электронов, является кинетическим электронным свойством металла, наиболее чувствительным к механизму рассеяния и геометрии поверхности Ферми, зависящих от химического состава и структуры сплава.

Высокая чувствительность термоэлектрического метода и возможность регистрации с его помощью весьма тонких

структурных изменений обусловливают возможности использования этого метода в практике современного металловедения. При этом нет надобности в разрушении соединения, а также можно производить оценку качества не только при изготовлении изделия, но и при его эксплуатации во время проведения профилактических работ.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ МЕТОДА ТЕРМО-Э.Д.С.

Измерение термо-э.д.с. проводилось с помощью комплекса, собранного на базе микротвердомера ПМТ-3. Для решения поставленной задачи прибор необходимо снабдить специальным приспособлением (рис.1.), с помощью которого можно проводить измерение термо-э.д.с.

Для изготовления холодного контакта выбрана низкоуглеродистая сталь, для горячего — вольфрам. Температура нагрева контакта не должна превышать 80-100°С.

Таблица 2. Количественные показатели структурного состава отдельных участков ЗТВ и значения твердости

Параметры имитированных участков ЗТВ Содержание структурной составляющей, % Твердость, HV10 Термо-э.д.с., мкВ/0С

№ Максимальная температура нагрева, Т 0С 1 max' Скорость охлаждения, W8-5, 0С/с Ф П П+Б Б М

1 Основной металл 72 28 - - - 144,7±5 -229±5

2 850 4 62 36 - - - 154±5 -223±5

3 950 4 70 30 - - - 145±5 -222±5

4 1050 4 62 38 - - - 177±5 -229±5

5 1150 4 72 28 - - - 154±5 -239±5

6 1250 4 47 - 53 - - 177±5 -173±5

7 1350 0,5 53 47 - - - 137±5 -231±5

8 1350 4 46 - 54 - - 180±5 -180±5

9 1350 10 38 - 62 - - 206±5 -182±5

10 1350 40 5 - - 90 5 219±5 -178±5

Таблица 3. Показания термо-э.д.с. участков ЗТВ, сталь 20

W8-5, 0С/с Показания прибора, мкВ/0С

Сталь 20 1 2 3 4 Средние значения Min значения Max значения

Основной металл -231 -231 -235,6 -220,22 -229,45 -235,6 -220,22

850° 4 -229,46 -220,22 -212,52 -231 -223,3 -231 -212,52

950° 4 -234,08 -223,3 -215,6 -215,6 -222,14 -234,08 -215,6

1050° 4 -243,32 -227,92 -231 -215,6 -229,46 -243,32 -215,6

1150° 4 -254,1 -238,7 -231 -234,08 -239,47 -254,1 -231

1250° 4 -181,72 -181,72 -157,08 -172,48 -173,25 -181,72 -157,08

1350° 4 -184,8 -184,8 -169,4 -181,72 -180,18 -184,8 -169,4

Измерительный комплекс состоит из микротвердомера ПМТ-3, у которого вместо индентера с алмазной пирамидой была смонтирована микропечь с вольфрамовым электродом — зондом, микровольтметра, измерителя температур, блока питания. Исследуемый образец устанавливался на предметный столик микротвердомера. Вольфрамовый электрод опускался до соприкосновения с образцом. Тер-мо-э.д.с. измерялась при температуре вольфрамового зонда 90±50С под нагрузкой 100 г. Более высокий нагрев приводит к окислению поверхности металла и искажению результата. Температура регистрировалась с помощью цифрового измерителя температур (М-838 Digital Multimeter). Прибор автоматически вносит поправку на комнатную температуру.

Измерение термоэлектрических потенциалов необходимо проводить по чистой отшлифованной поверхности для получения более точных результатов.

В момент соприкосновения нагретого конца воль-фрамого электрода с образцом возникает термо-э.д.с. Место установки зонда выбиралось так, что при просмотре шлифа -интересующая точка совмещалась с перекрестием окуляра, затем в нее помещали зонд, через 20-30 с после установления стационарного режима на шкале микровольтметра измерялась контактная разность потенциалов (термо-э.д.с.).

о -20 -40 -60 -80 -100 0 -120 rÎ-140 <5-160

£ ^ о со

о

О

ю

00

о

О

ю

аз

о

О Ю

о

О

ю

о

О

ю

см

о

О

ю

со

I и (D

Максимальная температура нагрева, °С

Средние значения ——Min значения А Мах значения

Рис.3. Зависимость термо-э.д.с. от Тт

Как видно из данных таблицы 1. и рис.2 метод чувствителен к изменению химического состава исследуемых сталей.

«ПромГруппПрибор»

комплексные поставки ^ оборудования ф

для неразрушающего 0л

контроля vi

ОЦЕНКА

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА К ИЗМЕНЕНИЮ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛИ

Для исследования использовали микрошлифы конструкционных трубных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1.

• ультразвуковой контроль

• радиографический контроль

• дозиметрический контроль

• контроль изоляции трубопроводов

• визуальный контроль

• магнитопорошковый

и вихретоковый контроль

• капиллярная дефектоскопия

• твердометрия

• контроль герметичности резервуаров

• газоаналитическое оборудование [ИГ-6, ИГ-7, ИГ-9, МС-1, ИГ-5, ИГ-10, ИГД-1]

115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, корп. 1

тел./факс: (495) 981 37 28, 981 37 29 www.pgpribor.ru,www.pgpribor.com, e-mail: pgp-2004email.ru

ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА К ИЗМЕНЕНИЮ СТрУКТУрНОгО СОСТАВА

Исследования данного раздела работы выполнены на Ст 20 (табл.1). С помощью установки ТВЧ (по методике РГУ нефти и газа) на образцах из указанной стали были имитированы различные участки ЗТВ сварного соединения, максимальная температура которых изменялась от 8500С до 13500С, а скорость охлаждения на участках Ттах Ш8-5 от 0,50С/с до 400С/с. Из образцов были подготовлены микрошлифы, травление которых осуществлялось в 4% спиртовом растворе НN03. Микроструктуры изучали при помощи оптического микроскопа марки МЕТАМ РВ-21. Структурный состав рассчитывали точечным методом Глаголева и методом секущих. В таблице 2. приведены количественные показатели структурного состава отдельных участков ЗТВ и значения твердости, измеренные на приборе

ОФ 8-я МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ И ВЫСТАВКА ПО ОСВОЕНИЮ РЕСУРСОВ НЕФТИ И ГАЗА РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ И КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА СТРАН СНГ

«<;„».« RAO/ CIS OFFSHORE 2007

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 11-13 СЕНТЯБРЯ

4 Геологическая оценка ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа

4 Гидрометеорологические и инженерно-геологические условия 4 Техника и технология освоения ресурсов нефти и газа Российской Арктики

и континентального шельфа 4 Морские сооружения для обустройства и эксплуатации нефтегазовых месторождений 4 Плавучие и подводные технические средства, морские трубопроводы 4 Спасательные системы и средства, системы связи и навигации 4 Промышленно-экологическая безопасность, охрана окружающей природной среды 4 Законодательная, нормативная, правовая база и экономика освоения Российской Арктики и континентального шельфа

РЕГИОНЫ: 4 Российская Арктика и шельф Баренцева моря 4 Приямальский шельф, Обская и Тазовская губы 4 Континентальный шельф о Сахалин и Дальневосточных морей 4 Континентальный шельф Балтийского, Черного и Азовского морей

ОРГАНИЗАТОРЫ: Министерство природных ресурсов Российской Федерации, Федеральное Агентство по недропользованию, ОАО «Газпром», ОАО «НК »Лукойл», ОАО «НК «Роснефть», Научно-исследовательскии институт природных газов и газовых технологий (ООО «В НИ И Газ»), ЗАО «Севморнефтегаз», Выставочное объединение «Рестэк»

по природным ресурсам и охране —гхДиДрИИ^ЕЦгуС^ окружающей среды, Правительства ^^^^^^ ^

ЭКСКЛЮЗИВНЫЙ СПОНСОР

ГЕНЕРАЛЬНЫЕ СПОНСОРЫ:

ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ СПОНСОР: Гаэл

О STATOIL

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ:

Тел./факс: (812) 320 9660, http://www.rao-offshore.ru

ВЫСТАВОЧНОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

Виккерса. Показания термо-э. д.с., измеренные на приборе занесены в таблицу 3. На рис.3. приведены значения термо-э.д.с. для различных участков ЗТВ.

Как видно из приведенных данных для участков ЗТВ с Tmax 850-11500С (W8-5 = 40С/с), с близким структурным составом (около 70% феррита и 30% перлита), значения термо-э.д.с. практически одинаковы и находятся на уровне 222-239 мкВ/0С. При появлении в структуре бейнитной составляющей (участки с Tmax 12500С, 13500С и W8-5 от 40С/с до 400С/с) значения термо-э.д.с. изменяются до 180 мкВ/0С (рис.3.) Таким образом полученные данные свидетельствуют о чувствительности метода к структурному составу сварного соединения и подтверждаются литературными данными.

ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА К НАЛИЧИЮ В МЕТАЛЛЕ ДЕФОРМАЦИЙ

Исследование выполнено на серии об? -20 2 -30 d "40 ч -50 m -60

разцов из стали 09Г2С, предварительно деформированных при статическом растяжении. Деформация составила ô = 1-8%. Показания термо-э.д.с., измеренные на образцах из стали 09Г2С приведены в таблице 4. Данные термо-э.д.с. этих образцов приведены на рис.4. На рис.4. приведены значения термо-э.д.с. для образцов деформированных при статическом растяжении. Из полученных результатов видно,

-1-1-1-

1% 4% 6% 8%

деформация, %

—♦—Min значения ——Мах значения —а—Средние значения

Рис.4. Зависимость термо-э.д.с. от деформации

что средние значения термо-э.д.с. изменяются в небольших пределах (20мкВ/°С±10мкВ/°С). Таким образом полученные данные свидетельствуют о том, что пластические деформации по сравнению с химическим составом и структурным фактором оказывают меньшее влияние на изменение термо-э.д.с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана методика оценки химического состава и структурного состояния металла сварных соединений методом термо-э.д.с. на базе прибора для определения микротвердости ПМТ-3. Проведенные исследования показали чувствительность метода термо-э.д.с. к химическому составу, структурному и напряженно-деформированному состоянию сталей и сварных соединений нефтегазового сортамента. Условные обозначения: ТВЧ - ток высокой частоты; ЗТВ - зона термического влияния; Tmax - максимальная температура нагрева, °С; W8-5 - скорость охлаждения, °С/с.

Таблица 4. Показания термо-э.д.с. для стали 09Г2С

Образцы Показания прибора, мкВ/0С Min значения Max значения Средние значения

Ст09Г2С (З+Отп) 1 2 3 4

1% -63,14 -89,32 -77 -64,68 -89,32 -63,14 -73,53

4% -72,38 -80,08 -72,38 -64,68 -80,08 -64,68 -72,38

6% -58,52 -75,46 -80,08 -58,52 -80,08 -58,52 -68,14

8% -64,68 -77 -80,08 -73,92 -80,08 -64,68 -73,92