Влияние усталостного нагружения в малоцикловой области на структуру и свойства трубных сталей

№ 3

2008

669.017:620.1

ВЛИЯНИЕ УСТАЛОСТНОГО НАГРУЖЕНИЯ В МАЛОЦИКЛОВОЙ ОБЛАСТИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА

ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ

Д-р.техн.наук,проф. И.М. КОВЕНСКИЙ, канд.техн. наук В.В.НАССОНОВ, асп. О.В.БАЛИНЛ

Рассмотрены результаты исследований образцов из сталей ХЫ) (по классификации API) магистрального газопровода (01420 х 20) и 09Г2С магистрального нефтепровода (01020 х 10). Определены величины накопленной пластической деформации в зависимости от амплитуды напряжений и количества циклов нагруженш при растяжении. Представлены результаты исследований микроструктуры на различных этапах погружения, изменений макро- и микротвердости, внутренних напряжений, коэрцитивной силы, коррозионной активности, а также данные микрорентгеноспект-рального анализа.

Results of tests over samples made of steel X60 (in accordance with API J on a gas main (01420 x 20) and 09Г2С on a trunking oil pipeline (0 1020 x 10) are examined.

Magnitudes of the accumulated plastic strain depending on a range of stress and amounts of stress cycles are determined at the extension. Results of microstructure analyzises at various stages of stressing, variations of macro-and microhardness, interna! stresses, coercive force, corrosive activity, and also data of microrentgenoscopy are presented.

Среди промышленных объектов, подвергающихся усталостному нагружению, особое место занимают трубы для магистральных и промысловых трубопроводов. Допустимые напряжения в них часто превышены из-за периодического смещения грунта в условиях болот, сезонно- и многолетне-мерзлых пород. Вследствие этого в -элементах трубопроводов развивается пластическая деформация, не допустимая по нормативным документам. Пластическая деформация материала сопровождается изменениями структуры, параметры которой могут служить для диагностики накопленных повреждений в трубах [1—3].

№3

2008

Рис. 1. Зависимость Н. от величины пластической деформации, (образцы I, II, IV - 1 цикл на уровне напряжений. III

- до 300 циклов)

Нами изучено поведение низколегированных трубных сталей при усталостном нагружении в малоцикловой области с тем, чтобы глубже понять соотношения между составом, структурой и свойствами сталей, а также повысить точность оценки повреждений металлоконструкций в процессе эксплуатации. Для исследования выбраны стандартные пятикратные образцы диаметром 4-6 мм из трубы магистрального газопровода (сталь Х60), изготовленной и находившейся в аварийном запасе с 1970г., и из трубы магистрального нефтепровода (сталь 09Г2С), изготовленной в 1980-м г., которая разрушилась в процессе эксплуатации.

Труба из стали Х60 имеет выраженную полосчатость структуры и анизотропию свойств. Труба из стали 09Г2С имеет феррито-перлитную структуру и незначительную анизотропию свойств. Химический состав и механические свойства материалов исследуемых образцов приведены в таблице 1.

№3

2008

Таблица 1

Химический состав и механические свойства материалов исследуемых образцов

Х60

Химический состав (массовая доля элементов), %

—с— 3№ 0,269

тт

Мп

Л

1.796 0.020 0,025

\Ь

ЗШЕГ

А]

0.034 0.087 10.006

V

Механические свойства

Ударная вязкость КС,и, Дж/см2

Предел прочности оп. МПа

Условный предел текучести о, МПа

'о.г

Относительное удлинение 5, (%

Относительное сужение М-*,

597

477

14.5

36,0

320

[IV] И*

¡Химический состав (массовая доля элементов), %

С Мп Б Р кь Сг 'П V

0.32 1.31 0.031 0.022 < 0.004 0.25 0.027 0.0025

Механические свойства

11редел прочности о0, МПа Условный предел текучести о0,, МПя Относительное удлинение 5. (%) Относительное сужение Ч;, (%) Ударная вязкость КСи, Дж/см2 С+90° С \

600 450 28 67 80

сталей

Усталостные испытания при растяжении проведены на установке ЦД-20Г1У при частоте жения до 10 циклов в минуту и коэффициенте асимметрии цикла 0,1. Для измерения твердости применялись микротвердомер ПМТ-3, переносной прибор УЗИТ-2М, стационарный твердомер - 1М-ОЕМТЕС 6030 ЬКУ. Внутренние напряжения определяли по известным методикам на дифракгометре ДРОН-6 [4].

шш тшт&ж

а)

б)

Рис. 2. Микроструктура образца из стали 091 2Сдо(я) и 1гослс(б) нагружсния 5=5.8%. х 200

№3

2008

Для измерения коэрцитивной силы был использован прибор К-61. Потери массы образцов в коррозионной среде №С! определяли на аналитических весах АЯ 2140 ( 210 гр - шах, ± 0,0001 гр). а электрохимический потенциал измеряли с помощью цифрового вольтметра постоянного тока О'ШОВ.

Структурные исследования проводили с помощью светового микроскопа МЕТЛМ ЛВ-31 и растрового электронного микроскопа с микроанализатором Ш0-2300. Статистическую обработку результатов измерений выполняли, используя программы 5Р55-3.1 и Р*ЕОКЕ552. I .

1 20

1 I О

I 00

0::< 80 /О 00 г>о

40

V:) 70

ю

(.1 , ;.:мI ;: (. ' л ; •;

в, Ус

Рис. 3. Зависимость ЭДС между нагруженным и незагруженным образцами от величины относительного удлинения. Намерения выполнены после 6 мин. пребывания в коррозионной среде

Анализ данных, полученных при усталостных испытаниях, показал, что: накопленная до разрушения в малоцикловой области пластическая деформация образцов меньше, чем при однократном статическом нагружении и составляет для стали Х60 - 30%, а для стали 09Г2С - 40% относительного удлинения при статическом нагружении.

твердость (НУ,) образцов из стали Х60 после пластической деформации (5=2-4%) изменяется с 195 до 210, а из стали 09Г2С (5=5,8%) с 208 до 229.

Пластическая деформация сопровождается изменением внутренних напряжений в поверхностном слое. По данным рентгеноструктурного анализа пластическая деформация образца из стали Х60 после наработки 310 циклов при отах = 500 МПа составляет 2,1 % и приводит к изменению продольных

__Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ_45_

№ 3 2008

напряжений в поверхностном слое от 409 МПа сжатия до 156 МПа растяжения.

Для оценки внутренних напряжений по всему сечению образца проводились измерения коэрцитивной силы (Я) после статического и циклического нагружений. Установлено, что Я. интенсивно возрастает после пластической деформации, порядка 0,1% и монотонно возрастает при дальнейшем деформировании. Значение Я ненагруженных образцов всех сталей находятся в пределах 630 - 680 А/м. После однородной пластической деформации образцов в результате статического или циклического нагружений происходит возрастание Н: до 780 Л/м для стали X 60 и до 950 А/м стали 09Г2С (рис. 1).

Микроструктура исследуемых образцов изменяется после пластической деформации: зерно удлиняется в направлении деформации и на травленых шлифах возрастает контрастность изображения. Последнее, вероятно, связано с увеличением химической активности деформированных зерен. Статистический анализ размеров зерен до и после нагружения образцов позволяет определять величину пластической деформации более 1%. В частности, для стали 09Г2С (рис. 2), когда продольный размер зерен после испытаний возрастает в 1,1 раза, величина пластической деформации 5=5,8%.

Изучено влияние пластической деформации на электрохимический потенциал(разницу потенциалов между деформированным и нсдеформированным образцами после помещения их в коррозионный раствор) образцов из исследуемых сталей Х60, 09Г2С и образца-сравнения из стали 20. Установлено, что до пластической деформации электрохимический потенциал трубных сталей Х60 и 09Г2С значительно меньше, чем у стали 20. Однако после пластической деформации 0,2% и более электрохимический потенциал для сталей Х60 и 09Г2С увеличивается от 12 до 60 - 80 мВ, в то время как для стали 20 после пластической деформации он практически не изменяется и равен 25мВ. Таким образом, можно сделать вывод, что пластическая деформация более 0,1 % приводит к увеличению скорости коррозии всех сталей в несколько раз, а величины электрохимического потенциала в десятки раз. При пластической деформации взятых для сравнения образцов трубы из стали 20 заметного изменения скорости коррозии и электрохимического потенциала не наблюдается. Можно полагать, что увеличение скорости коррозии после пластической деформации объясняется возрастанием химической неоднородности элементов микроструктуры (рис. 3).

С целью выяснения этого предположения был проведен микрорентгеноспектральный анализ [5]. Для устранения систематической погрешности при оценке содержания углерода разработана методика измерений с использованием калибровочных образцов. Результаты микроанализа образцов из трубных сталей до и после усталостного нагружения показали, что значимых изменений содержания легирующих элементов в зернах феррита не обнаружено, а в зернах перлита происходит изменение

№3

2008

содержания углерода (табл. 2).

Таблица 2

Результаты рентгеновского микроанализа зерен перлита (среднее содержание углерода - х., % масс, среднеквадратическое отклонение - б, количество измерений - п).

Материал До деформации После деформации

х =4,3 ср х =5.6 ср

Х60 S=1,1 S=1,4

п=36 п=49

X =4,6 ср 7 хср=6,3

09Г2С s=l,2 s=l,5

n=78 п=90

Увеличение содержания углерода в перлите после деформации может быть обусловлено следующими факторами:

1 реформацией феррита между пластинками цементита и увеличением доли цементита в перли-

2) диффузией углерода в перлите из цементита в поверхностные слои феррита, вызванной локальным повышением температуры микрообластей при пластической деформации.

Обнаруженные изменения структуры, внутренних напряжений, твердости, коэрцитивной силы и коррозионной активности на различных этапах циклического нагружения могут быть использованы для выявления очагов пластической деформации трубопровода и предупреждения возможных аварийных ситуаций путем проведения измерений на действующем трубопроводе при помощи выпускаемых промышленностью приборов, позволяющих выполнять необходимые измерения непосредственно на исследуемом объекте без его повреждения и вырезки образцов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Иассонов В.В., Ковенскнн U.M., Ьалина О.В., Нассонова JI.il Структура и свойства труб и насосных штанг после механического нагружения // Известия вузов Нефть и газ - 2004 - № 5 - С 156 - 161

2 Гергнтьев В.Ф Усталостная прочность металлов и сплавов - М. Интермет Инжиниринг. 2002 - 2X8 с

3 Чайнике Г. Трнбохимия: Пер с англ. - М Мир, 1987 - 584с

4 Горелик С.С., ('киков К).Д., Расторгуев Л.II. Рентгенографический и электронно-оптический анализ - М МИ-СИС, 2002 - 36 0с

5 Д. Брандон, У. Каплям Микроструктура материалов Методы исследования и контроля - М Техносфера. 2004 - 384 с