Влияние импульсной сварки на структуру и свойства сварных соединений труб из высокопрочных сталей

Влияние импульсной сварки на структуру и свойства сварных соединений труб из высокопрочных сталей

Ю.Н. Сараев, О.И. Слепцов1, В.П. Безбородов, И.В. Никонова, A.B. Тютев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, Якутск, 677891, Россия

Исследовано влияние импульсного процесса сварки на структуру и механические свойства сварных соединений труб большого диаметра (1020 мм) из марганцовистых низколегированных сталей, предназначенных для нефте- и газопроводов. Показано, что импульсный режим сварки позволяет повысить однородность структуры и уменьшить размер зерна металла сварного шва и зоны термического влияния. Структурные изменения приводят к повышению усталостной прочности металла зоны термического влияния на 40% и сварного шва на 70 %.

Effect of pulse welding on structure and properties of welds of high-strength steel pipes

Yu.N. Saraev, O.I. Sleptsov1, V.P. Bezborodov, I.V. Nikonova, and A.V. Tyutev

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Physico-Technical Problems of North SB RAS, Yakutsk, 677891, Russia

We study the effect of pulse welding on structure and mechanical properties of welds of large-diameter oil and gas pipes (1020 mm) made of manganic low-alloy steels. The pulse welding mode is shown to increase structure homogeneity and decrease the metal grain size in the weld and heat affected zone. Structural changes cause an increase in fatigue strength of metal in the heat-affected zone by 40 % and of the weld by 70 %.

1. Введение

Проблема повышения прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений труб из низколегированных сталей связана с необходимостью обеспечения комплекса физико-механических свойств и равно-прочности зон соединения, предотвращения образования холодных трещин, а также структур, снижающих сопротивляемость соединений замедленному и хрупкому разрушению.

Магистральные нефте- и газопроводы в Западной Сибири и газопроводы Якутии построены и эксплуатируются в зонах распространения болотистых и вечномерзлых грунтов. На протяжении последних 30 лет эксплуатация этих нефте- и газопроводных систем позволяет осуществлять стабильную поставку нефти и газа

в западные регионы страны и за рубеж, а также обеспечивать основным (газовым) топливом Якутию.

Опыт строительства и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса в районах Сибири и Крайнего Севера свидетельствует о диспропорции между инженерными и расчетно-проектными параметрами эксплуатируемых объектов и реальными показателями в периоды эксплуатации этих объектов. Анализ работы магистральных нефте- и газопроводов показывает неадекватность расчетов реальной обстановке в зоне контакта конструкции с окружающей средой. Поэтому важно определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на надежность и срок службы трубопроводов, эксплуатируемых в экстремальных климатических условиях в течение длительного периода времени.

© Сараев Ю.Н., Слепцов О.И., Безбородов В.П., Никонова И.В., Тютев A.B., 2005

В последнее время причиной ряда разрушений на магистральных газопроводах «первого поколения» явилось развитие усталостных трещин в основном металле труб. Значительная часть систем газопроводов имеет эксплуатационный возраст более 30 лет, и общее техническое состояние этих газопроводов с каждым годом ухудшается, так как эксплуатационный ресурс практически исчерпан. Моральный и физический износ газопроводов привел к непрерывному увеличению затрат на восстановление трубопроводов, ликвидацию и предупреждение аварий, в том числе на ремонт свищей и трещин в сварных швах, вырезку гофров, замену антикоррозионного покрытия в местах его разрушения, подсыпку и обваловку отдельных участков газопровода. Из-за старения металла трубопроводов существенно снизилась сопротивляемость сварных соединений и основного металла хрупкому разрушению, происходит значительное ухудшение других механических свойств. Понятно, что в таких условиях возрастает риск возникновения опасных катастрофических разрушений, прежде всего участков газопроводов, смонтированных более 30 лет назад.

В данной работе приведен анализ причины разрушения длительно эксплуатируемого трубопровода, а также исследования структуры, прочностных и эксплуатационных свойств сварных соединений труб магистральных нефте- и газопроводов из низколегированных сталей типа 09Г2С, 10Г2С и 17Г1С с многослойными швами, полученными стационарным и импульсным режимами формирования.

Например, в 2003 году на магистральном газопроводе Берге-Якутск произошла авария с разрушением трубопровода вследствие раскрытия основного металла вдоль труб протяженностью несколько метров. Визуальное и фрактографическое обследование фрагментов разрушившихся труб показало, что очаг разрушения был расположен с внутренней стороны исследуемых труб в околошовной зоне, имел большую протяженность и долговременность развития усталостной трещины по основному металлу, о чем свидетельствует окисление поверхности. Зона распространения трещины составляет около 30 мм в длину и 3.5 мм в глубину, где наблю-

даются бороздчатые структуры, свидетельствующие об усталостном росте трещины (рис. 1). Продолжительность роста такой трещины может составлять от нескольких лет до десятков лет. Излом свидетельствует о хрупком виде разрушения. Спектральный анализ показал, что материал разрушившихся труб соответствует материалу стали 17Г1С. Расчетные значения внутреннего разрушающего давления на участке трубы с обнаруженной усталостной трещиной составляют около 45 кг/см2. Результаты механических испытаний показали снижение пластических характеристик материала труб (относительного удлинения и относительного сужения) до 7^8 % от величин, требуемых ГОСТ 19281 и 20291, снижение ударной вязкости металла околошов-ной зоны на >50% по сравнению с основным металлом трубопровода вне зоны разрушения, что объясняется деформационным старением как основного металла газопровода, так и, в особенности, металла зоны термического влияния, происходящим при длительной эксплуатации [1].

Очагом разрушения части газопровода послужила сквозная трещина-свищ, расположенная в нижней части трубы в месте соединения кольцевого сварного шва и заводского продольного шва. Свищ длиной около 33 мм образовался от сварочного дефекта — канальной поры с размерами 15 х2 мм. В результате истечения газа, направленного в сторону грунта, трубы подверглись действию реактивной силы, приведшей к разрыву кольцевого сварного шва с последующим разбросом труб от места укладки на расстояние 30^50 м. Расчетные значения внутреннего давления в газопроводе в момент его разрушения составляют около 42 кг/см2.

Таким образом, анализ мест разрушений трубопроводов подтвердил, что в результате многолетней эксплуатации, а также деформационного старения металла газопровода происходит снижение прочности и несущей способности металла, приводящее к образованию протяженных усталостных трещин.

2. Цель работы и методы исследований

В работе с целью снижения вероятности возникновения усталостных трещин, повышения циклической

Рис. 1. Общий вид излома очага усталостного разрушения магистрального газопровода Берге-Якутск

Рис. 2. Структура металла шва в заполняющем слое сварного соединения стали 10Г2С после стационарного (а) и импульсного (б) режимов сварки

прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений труб нефте- и газопроводов изучено влияние импульсной сварки [2-4] на структуру, прочность и твердость сварных соединений, а также их сопротивление усталостному разрушению при циклическом нагружении.

Сварка фрагментов труб из сталей 10Г2С и 17Г1С многослойными швами стационарным режимом выполнялась по штатной технологии с использованием источника питания инверторного типа МП 2400 фирмы КЕМРРІ (Финляндия). Импульсный режим сварки выполнялся на установке с выпрямителем ВД-306Э в комплекте со специализированной приставкой УДИ-205.

Аттестация структуры зон сварных соединений проводилась на оптическом микроскопе МИМ-9 с использованием фотокамеры и компьютерной программы Ми1-гіСар для обработки получаемых изображений структуры. Качественный микрорентгеноспектральный анализ в заполняющем слое околошовной зоны сварных соединений осуществлялся на установке СатеЬах Міс-шЬеат методом поверхностного сканирования при ширине зонда 2 мкм и шаге 20 мкм, ускоряющем напряжении 20 кВ в МпКа- и SiKа-излучении. Измерения микротвердости металлов в зонах сварного соединения производились на приборе ПМТ-3 при нагрузках на ин-дентор 0.5 и 1.0 Н. Испытания образцов на усталостную

прочность при динамическом нагружении растяжением проводились при нагрузке 400 МПа и частоте 10 Гц на машине Hydropuls фирмы Schenk. Образцы были вырезаны из сварных соединений стали в соответствии с ГОСТ 25.502-79 с надрезами в области зоны термического влияния (ЗТВ) и сварного шва.

3. Результаты исследований

Исследования структуры и микротвердости сварных соединений осуществлялись на образцах, вырезанных из труб. Металлографические исследования выявили значительное измельчение структуры металлов шва и наиболее подверженной структурным изменениям зоны термического влияния (рис. 2, 3). В результате предотвращается резкое снижение микротвердости и прочности в зоне термического влияния (рис. 4), что препятствует возникновению участков разупрочнения в околошовной зоне и повышает стойкость к образованию и распространению трещин в сварном соединении в целом.

Размеры зерен в зонах шва, формируемого при импульсном режиме сварки, уменьшаются в среднем в 1.5^2.5 раза, а в зоне термического влияния — в ~2 раза по сравнению с получаемыми при стационарном режиме. Результаты качественного микрорентгеноспектраль-ного анализа свидетельствуют о повышении однород-

Рис. 3. Структура зоны термического влияния стали 10Г2С на уровне заполняющего слоя после стационарного (а) и импульсного (б) режимов сварки

Рис. 4. Распределение микротвердости в сварном соединении стали 17Г1СУ вдоль облицовочного слоя от середины шва к основному металлу при стационарном (1) и импульсном (2) режимах сварки

Рис. 5. Распределение марганца в заполняющем слое шва сварного соединения стали 17Г1СУ после стационарного (1) и импульсного (2) режимов сварки

ности распределения Мп в шве и зоне термического влияния сварного соединения после импульсного режима и об угаре Мп в околошовной зоне сварного шва после стационарного режима сварки (рис. 5). Распределение Si меняется незначительно. Отсутствие заметного угара металла, особенно Мп, объясняется снижением тепловложений при мелкокапельном переносе электродного металла в сварочную ванну при формировании шва импульсным режимом. Указанные изменения способствуют снижению послесварочных деформаций и увеличению механических свойств сварных соединений. Испытания показали, что после импульсной сварки усталостная прочность образцов выше, чем после стационарного режима в 1.2^ 1.4 раза в области зоны термического влияния и в 1.7 раз в металле шва (табл. 1).

4. Выводы

Анализ причин разрушения трубопроводов показал, что в результате многолетней эксплуатации в условиях Крайнего Севера протекает деформационное старение, происходит снижение прочности и несущей способности металла труб вблизи мест соединения кольцевого и заводского сварных швов, приводящие к последующему развитию усталостных трещин и разрушению.

Таблица 1

Усталостная прочность металлов шва и зоны термического влияния сварных соединений из стали 17Г1СУ

Тип электрода Зона сварного Число циклов до разрушения (х104) после режимов сварки

соединения Стационарного Импульсного

OK 74.70 Шов 7.03 12.2

ЗТВ 7.95 11.5

УОНИ 13/55 ЗТВ 4.2 5.09

Применение импульсного режима сварки труб большого диаметра из марганцовистых сталей типа 09Г2С, 10Г2С и 17Г1СУ, предназначенных для нефте- и газопроводов, позволяет повысить однородность структуры и в 1.5-^2.5 раза уменьшить размеры зерен металлов сварного шва и зоны термического влияния, а также повысить однородность распределения Mn и снизить его угар в шве.

Структурные изменения в сварном соединении при импульсном воздействии приводят к предотвращению резкого снижения микротвердости в зоне термического влияния и увеличению усталостной прочности металлов шва в 1.7 раза и зоны термического влияния в 1.2^1.4 раза, что позволяет при проведении монтажных и ремонтных работ в суровых климатических условиях Сибири и Крайнего Севера повысить циклическую прочность и надежность получаемых кольцевых сварных соединений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционного проекта № 23 СО РАН.

Литература

1. Dobatkin S.V., Sleptsov O.I., Odessky P.D., Yakovleva S.P., Raab G.I. Submicrocrystalline-structure formation in microalloying low-carbon steel during cold equal-channel angular pressing and heating // Metalur-gija. - 2004. - V. 43. - P. 3-7.

2. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. - Новосибирск: Наука, 1994. - 108 с.

3. Сараев Ю.Н., Полетика И.М., Козлов A.B., Кирилова Н.В., Никонова И.В. Влияние режима сварки на структуру, распределение твердости и механические свойства в сварных соединениях паропровода // Сварочное производство. - 2002. - № 8. - С. 3-8.

4. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Тютев A.B., Никонова И.В., Полетика И.М., Кирилова Н.В., Козлов A.B., Екимов В.С., Севастьянов С.П. Повышение механических свойств и структура неразъемных соединений труб нефте- и газопроводов из низколегированных марганцовистых сталей после импульсной сварки // Технология машиностроения. - 2003. - № 6. - С. 41-44.