Усталостное разрушение сварных соединений трубных сталей 09Г2С и 17Г1С-У

ками методом крутильных колебаний имеет перспективу стенд с вращающейся установочной платформой (по схеме упорного подшипника качения) и упругими связями платформы с основанием (корпусом, стойкой).

6. Особо привлекателен (перспективен) стенд, построенный по схеме качающейся платформы. Платформы могут быть сменными, иметь различные установочные поверхности, система упругих элементов также может быть сменной, зависимой от массовой характеристики объекта. Стенд позволяет определить момент инерции объекта относительно любой горизонтальной оси путем перестановки объекта. Трение в опорах платформы легко минимизировать и исключить неизохорность колебаний при их затухании. Для ослабления аэродинамического сопротивления платформу следует сделать решетчатой. Работу такого стенда можно полностью автоматизировать.

Библиографический список

1. Гернет, М. М. Определение моментов инерции / М. М. Гернет, В. Ф. Ратобыльский. — М. : Машиностроение, 1969. - 246 с.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теория механизмов и машин».

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, кафедра «Теория механизмов и машин».

Статья поступила в редакцию 26.02.2013 г.

© П. Д. Балакин, Ю. А. Бурьян

УДК 62164 И. М. КОВЕНСКИЙ

К. В. КУСКОВ И. А. ВЕНЕДИКТОВА

Тюменский государственный нефтегазовый университет

УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ 09Г2С И 17Г1С-У

Установлено влияние сварных швов на выносливость образцов. Получены квадратичные уравнения зависимости числа циклов до разрушения сварных соединений сталей 09Г2С и 17Г1С-У от максимального растягивающего напряжения и амплитуды напряжения. Методом сканирующей электронной микроскопии установлен характер разрушения сварных соединений трубных сталей.

Ключевые слова: усталость, сварной шов, поверхность разрушения, трубные стали.

Материалы трубопроводов в процессе эксплуатации постепенно снижают свои физико-механические характеристики. Так, основной металл и сварные швы охрупчиваются, а в ряде случаев растрескиваются. Кроме того, трубопроводы изначально имеют технологические дефекты (макроскопические дефекты, возникающие при производстве труб, транспортировке и при монтаже трубопровода, дефекты сварного шва), которые нарушают однородную структуру металла и являются концентраторами напряжений.

Учитывая, что при эксплуатации трубопроводы подвергаются воздействию переменных нагрузок, вызванных нарушениями технологического режима, сбоя в работе оборудования, различного рода пульсаций, это приводит к снижению усталостных характеристик материалов и, в конечном счете, к разрушению трубопроводов [1].

Поскольку многие трубопроводы находятся в эксплуатации более 30 лет, в настоящей работе выполнены усталостные испытания сварных стыковых соединений широко распространенной трубной стали 17Г1С-У [2] и проведен сравнительный анализ с результатами аналогичных испытаний для стали 09Г2С.

Образцы стали 17Г1С-У размером 300x30x12 мм (длинахширинахтолщина) вырезали из фрагмента не эксплуатировавшейся трубы диаметром 1420 мм с круговым швом, полученным автоматической сваркой под слоем флюса. Перед проведением усталостных испытаний все образцы прошли рентгенографический контроль. Согласно ВСН-012-88 сварные швы не имели дефектов, которые являются браковочными при условии ввода в эксплуатацию в качестве соединений магистральных и внутрипромысловых трубопроводов.

Механические свойства определяли испытаниями на растяжение (табл. 1). Усталостные испытания выполняли на гидравлической машине ЦД-20 с пульсатором Пу-10. Растягивающая нагрузка действовала перпендикулярно сварному шву. Испытания проводили до полного разрушения образцов с частотой изменения амплитуды нагрузки 10 Гц. Максимальная растягивающая нагрузка составила 80 %, а минимальная 60 % от условного предела текучести стали. Количество циклов до разрушения рассчитывали усреднением результатов серии из 7 образцов.

Фрактографические исследования поверхности разрушения образцов проводили методом сканирующей электронной микроскопии на приборе ЛБМ-6510.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Механические характеристики испытанных образцов

Материал Предел прочности Ов, МПа Условный предел текучести 0(3,2, МПа Относительное удлинение 5, %

09Г2С 490 415 29,8

17Г1С-У 590 491 20,б

Таблица 2

Характеристики усталостных испытаний стали 17Г1С-У

№ серии Типы образцов Напряжение растяжения Omax, МПа Амплитуда изменения напряжения Ao, МПа Количество циклов до разрушения N

1 297 44 191400

2 297 22 442000

3 Со сварным швом 360 44 175100

4 360 33 319400

5 360 22 423900

б 393 44 160200

7 393 22 416400

8 297 44 345000

9 297 22 514500

10 Без сварного шва 360 44 334900

11 360 33 421700

12 360 22 498000

13 393 44 229300

14 393 22 467200

Результаты усталостных испытаний образцов из стали 17Г1С-У представлены в табл. 2. Необходимо отметить уменьшение количества циклов до разрушения образцов со сварным соединением по сравнению с цельными образцами, которое составляет от 16 до 80 % в зависимости от условий испытаний (см. табл. 2). С помощью программы STATISTIKA 6.1 были получены уравнения, связывающие количество циклов до разрушения N с максимальной растягивающей нагрузкой о и амплитудой нагружения As. Коэффициент корреляции уравнения регрессии второго порядка составляет 0,91 при доверительной вероятности 0,95; все коэффициенты регрессии значимы.

Для образцов из стали 17Г1С-У со сварным швом уравнение можно записать как

N = 5,1787' 105 + 251,4986  о + 151,026 A -

' ' max ' о

-0,6914  о2 -2,1285  A о — 164,4628  A2.

max s max s

Для образцов из стали 09Г2С:

N = 1,616-106 — 3801,1405-о -58221,2346A +

' ' max ' о

+ 1,696& о2 + 70,7394' A  о + 540,4563 A 2,

max s max s

на основании ранее приведенных результатов [3].

Уравнения свидетельствуют о значительном влиянии амплитуды изменения напряжения на количество циклов до разрушения образцов: увеличение As кратно уменьшает N. Естественно, что повышение максимального напряжения растяжения снижает количество циклов до разрушения сварного соединения, особенно это заметно при малых значениях

амплитуды изменения напряжения. Уравнения можно использовать для прогнозирования остаточного ресурса конкретного участка трубопровода, зная количество колебаний давления в трубопроводе, которые фиксируются современными средствами контроля.

Сравнение полученных данных свидетельствует, что сталь 17Г1С-У, имеющая более высокие значения пределов прочности и текучести, выдерживает большее количество циклов до разрушения, чем сталь 09Г2С. Это характерно как для образцов со сварным швом, так и для цельных образцов.

Однако сталь 09Г2С обладает другим преимуществом перед 17Г1С-У: с момента появления первых визуально различимых трещин образцы из этой стали выдерживали 6000...10000 циклов изменения нагрузки до разрушения, тогда как 17Г1С-У — только 4000... ...6000 циклов в зависимости от параметров испытаний.

Результаты сканирующей электронной микроскопии показывают, что поверхность разрушения представляет собой классический тип усталостного излома: присутствуют очаг зарождения трещины, зона распространения усталостной трещины и зона долома. У исследованных сталей разрушение зарождалось в области корневого шва, реже — в области облицовочного шва и не наблюдалось в зоне термического влияния.

В ходе проведения испытаний у образцов из стали 17Г1С-У в 70 % случаев происходило расслоение поверхности разрушения (рис. 1а). По-видимому, причиной этому могли служить скопления дислокаций, сгенерированных при переменной нагрузке, постепенно превратившиеся в микротрещины и затем развившиеся в визуально различимые трещи-

20к и

Х50 500МГП 0058 09 40 БЕI

#

Рис. 1. Фрактограммы усталостного излома сварного соединения стали: а — 17Г1С-У

б

а

ны. В структуре изломов образцов стали 09Г2С таких дефектов не наблюдалось (рис. 1 б), предположительно, благодаря ее большей пластичности.

Выводы.

1. Установлено, влияние сварных швов на выносливость образцов: количество циклов до разрушения образцов со сварными соединениями в зависимости от условий испытаний составляет от 16 до 80% по сравнению с цельными образцами.

2. Получены квадратичные уравнения, связывающие количество циклов нагружения, напряжение растяжения и амплитуду нагружения для сталей 17Г1С-У и 09Г2С. Эти уравнения могут применяться для прогнозирования момента разрушения трубопровода.

3. Установлен характер разрушения исследуемых сталей: для менее пластичной стали 17Г1С-У в 70% случаев происходит расслаивание поверхности, тогда как для стали 09Г2С такие случаи единичны.

Библиографический список

1. Гумеров, А. Г. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов / А. Г. Гумеров, Р. С. Гумеров, К. М. Гумеров. — М. : Недра-Бизнесцентр, 2003. — 310 с.

2. Опасности в техносфере // agps-mipb.ru: Академия ГПС МЧС России 2012. [Электронный ресурс]. — иИЬ: Иир://№^^. agps-mipb.ru/index.php/2010-12-07-10-05-37/11-1-2-opasnosti-v-texnosfere.html (дата обращения: 25.02.2013).

3. Ковенский, И. М. Влияние дефектов сварных соединений на усталостные характеристики стали 09Г2С / И. М. Ковенский, К. В. Кусков, В. В. Проботюк // Омский научный вестник. — 2012. — № 3 (113). — С. 58 — 60.

КОВЕНСКИЙ Илья Моисеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

КУСКОВ Константин Викторович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

ВЕНЕДИКТОВА Ирина Алексадровна, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной механики.

Адрес для переписки: imkoven@tsogu.ru

Статья поступила в редакцию 15.03.2013 г.

© И. М. Ковенский, К. В. Кусков, И. А. Венедиктова

Книжная полка

Пенкин, Н. С. Основы трибологии и триботехники : учеб. пособие для вузов по специальности 170600 «Машины и аппараты пищевых производств» направления подгот. дипломир. специалиста 655800 «Пищевая инженерия» / Н. С. Пенкин, А. Н. Пенкин, В. М. Сербин. - 2-е изд., стер. -М. : Машиностроение, 2012. - 207 с. - ISBN 978-5-94275-583-6.

В учебном пособии, в соответствии с программой дисциплины «Основы трибологии», разработанной специалистами Ассоциации инженеров-трибологов России, изложены основные положения контактного взаимодействия твердых тел, свойства и топография их поверхностей, природа и виды внешнего трения, влияние различных факторов на трение. Описаны различные виды изнашивания, роль смазки, температуры, фрикционности и антифрикционности материалов для деталей сопряжений, основные способы повышения износостойкости материалов и деталей машин. Приведены расчетные методы оценки интенсивности изнашивания наиболее часто встречающихся трибосопряжений. Рассматриваются основные положения моделирования трибологических процессов, методы испытания на трение и изнашивание, а также роль трибологии в решении социально-экономических проблем, обусловленных трибологическими источниками: потери от недовыпуска продукции, потери всех видов ресурсов, ухудшение экологичности, энергетитической эффективности различных видов транспорта и др. Пособие рассчитано на студентов технических специальностей, изучающих эту дисциплину или ее разделы в других дисциплинах, аспирантов, научных и инженерно-технических специалистов в области трения, износа и смазки в машинах.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ