Минералогия неметаллических включений в сварных соединениях магистральных трубопроводов

УДК 621.791

Е.М. Федосеева, М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова,

Т.В. Ольшанская, Н.В. Вылежнева

Пермский государственный технический университет

МИНЕРАЛОГИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Проведен анализ неметаллических включений в сварных соединениях магистральных трубопроводов. Показано, что металлографические исследования в комплексе с микрозондовым спектральным анализом позволяют дать объемное описание минерологии неметаллических включений, идентифицировать их на более высоком уровне принадлежности и значимости. Установлено, что в зависимости от используемых сварочных материалов изменяется загрязненность неметаллическими включениями по объему шва, характер распределения включений и их химический состав. Рекомендовано использование технологии, которая позволяют получать металл шва более чистый по засоренности неметаллическими включениями.

Разрушение трубопроводов на потенциально опасных участках происходит по многим причинам: вследствие нарушения прочности трубопровода (разрыва стенки), вызванного сквозными дефектами; трубопровод разрушается по сварному соединению в результате формирования закалочной мар-тенситной структуры металла шва, а также вследствие образования в нем микротрещин и наличия остаточных напряжений; металлургические дефекты типа закатов и плен в ряде случаев при длительной эксплуатации газо-нефтепроводов могут развиваться и вызывать преждевременное разрушение трубопровода; на прочность трубопровода влияют природные явления и др. Вследствие этого к магистральным трубопроводам предъявляются жесткие требования по механическим характеристикам и эксплуатационным свойствам [1].

С целью повышения качества сварных соединений продолжаются исследования влияния структуры и неметаллических включений на механические и эксплуатационные свойства газо- и нефтепроводов. Неметаллические включения присутствуют в металле шва и основном металле, и хотя они не относятся к числу дефектов сварных швов, тем не менее оказывают заметное влияние на их качество и свойства. В сталях и сварных швах присутствуют неметаллические включения различного характера и состава, наряду с простыми соединениями встречаются включения сложного характера и комплексного строения [2].

Неметаллические включения не имеют когеретной связи с металлом и являются концентраторами напряжений, вследствие чего могут в процессе эксплуатации приводить к образованию более сложных дефектов типа трещин, вызывающих разрушение трубопроводов.

Установлено влияние неметаллических включений как первичного очага зарождения дефекта, приводящего к образованию магистральной трещины и, как следствие, к разрушению трубопровода [6].

В связи с этим изучение природы и минералогии неметаллических включений и влияние их на свойства сварных соединений магистральных трубопроводов является актуальным.

В работе для исследований использовались образцы, выполненные в производственных условиях. Для сварки образцов использована низколегированная сталь Х70 (класс прочности К60), применяемая для сварки магистральных нефте- и газопроводов и обеспечивающая требуемые механические свойства. Химический состав стали и механические свойства1 представлены ниже:

Химический состав стали Х70 [3], мас.%

С Мп Бі Б Р А1 Ті V с ^ЭКВ

0,08- 0,1 1,55- 1,66 0,19- 0,23 0,005- 0,006 0,011- 0,013 0,028- 0,033 0,016- 0,019 0,071- 0,074 0,038- 0,047 0,38- 0,39

Механические свойства стали Х70 [3]

Временное Временное стт, Н/м2 Относительное Ударная Ударная

сопротивление сопротивление удлинение, % вязкость вязкость

вдоль ств, Н/м2 поперек КСУ кси

ств, Н/м2 С, О 0 2 - II С, О 0 6 - II

Дж/см2 Дж/см2

508-602 590-625 480-511 20,5-24,0 190-319 216-258

Сварные соединения выполнены по технологии РД + МПС (табл. 1).

Изучение неметаллических включений проведено металлографическим исследованием и спектральным микрозондовым анализом. При металлографическом изучении на металлографическом микроскопе МИМ-8М было использовано светло- и темнопольное освещение, а также поляризованный свет и косое освещение. Использование этих способов позволяет получать целый ряд дополнительных данных о неметаллических включениях. Наблюдения в темном поле способствует выявлению включений, не различимых при

1 Сертификат качества № 410174. ОАО «Харцызский трубный завод», г. Хар-

цызск (Украина).

обычном наблюдении в светлом поле, дает возможность установить степень прозрачности и истинный цвет включения, а также исследовать внутреннюю структуру прозрачных и полупрозрачных комплексных включений, которая не видна в отраженном свете.

Таблица 1

Технологии сварки низколегированных трубных сталей

Технология сварки Марка стали; размер трубы Свариваемые материалы

Корень шва Заполнение и облицовка

РД + МПС (корень: ручная дуговая сварка; заполняющие и облицовочный слои: полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой) Х70; 1420x15,7 мм ЛБ52У 0 3,2 мм Ш.-208Б 0 2,0 мм

Х70; 1420x15,7 мм «Фокс Цель» 0 4,0 мм «Фокс Цель» Мо 0 4,0 мм Ш.-208Б 0 2,0 мм

Наблюдения в поляризованном свете используются для определения оптических свойств включений, главным образом их анизотропности или изотропности. Изотропные вещества вследствие своей прозрачности в поляризованном свете оказываются освещенными на основном темном поле. Степень их освещенности не изменяется в зависимости от положения объекта. Яркость освещения анизотропного вещества при вращении столика микроскопа будет меняться от полной до потемнения через каждые 90°.

С использованием указанных способов определяли такие признаки включений, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость. Сопоставление исследуемого включения с эталоном и классификационными таблицами позволило идентифицировать включения на общем уровне.

При металлографическом анализе неметаллических включений особое внимание уделено корню шва, так как он находиться в более жестких условиях в процессе эксплуатации под действием нагрузок. Сварка корня шва выполнена с использованием электродов с основным покрытием (содержат мрамор, магнезит (MgCOз), плавиковый шпат (СаБ2), ферросилиций, ферромарганец, ферротитан и др.) и с использованием электродов с целлюлозным покрытием (содержат целлюлозу и другие органические вещества с небольшим количеством шлакообразующих веществ.

Анализ неметаллических включений проведен с помощью программноаппаратного комплекса «ВидеоТест-Металл 1.0», по ГОСТ 1778 «Металлографические методы определения неметаллических включений», метод П -

подсчет количества и объемного процента включений оксидов и сульфидов и разделение их на группы по площади. По данной методике производится простое разделение включений на оксиды и сульфиды (в сложных включениях классификация производится по преобладанию того или иного типа включения), затем классификация по площади. Программа отображает усредненный результат анализа образцов (табл. 2).

Таблица 2

Анализ объемной доли неметаллических включений в корне шва для стали Х70

№ п/п Сварочные материалы Количество неметаллических включений Доля включений, об. % Вид включений

1 Электроды с основным покрытием 88 0,2699 Отдельные силикаты (рис. 1), сложные включения оксисуль-фиды, оксиды

2 Электроды с целлюлозным покрытием 253 0,5029 Отдельные сложные включения (рис. 3), сульфиды

3 Самозащитная порошковая проволока 75 0,2803 Сульфиды Мп и Бе (рис. 2), мелкие отдельные силикаты, сложные включения оксисульфиды

В корне сварного шва и заполняющих слоях анализировалось не менее пяти полей. При сварке электродами с основным покрытием доля включений составляет 0,2699 об. %, а электродами целлюлозного типа - 0,5029 об. %, что говорит о большей засоренности неметаллическими включениями примерно в два раза сварного шва, выполненного электродами целлюлозного типа.

Кроме того, проведена идентификация неметаллических включений по окраске форме, расположению. Установлено, что характер и размеры силикатов зависят от содержания кислорода, растворенного в металле, а также от скорости затвердевания. Чем меньше скорость затвердевания, тем большей величины образуются включения силикатов.

Силикатные включения в темном поле видимы в виде блестящих частиц, в то время как сульфиды сливаются с основным фоном. Прозрачные включения силикатов в поляризованном свете выглядят светлыми и имеют характерный оптический крест с концентрическими кольцами (рис. 1). Такими же блестящими без оптического креста выглядят некоторые силикатные включения с высоким содержанием закиси железа и закиси марганца.

Рис. 1. Скопление силикатов

В поляризованном свете сравнительно просто отличить в сложных включениях силикатные составляющие от окислов металлов или сульфидов. Каплеобразную форму имеют включения закиси железа, комплексные окси-сульфиды железа, твердые растворы закиси железа с закисью марганца и силикатные стекла, которым присуща правильная шарообразная форма вследствие большой склонности их к преохлаждению [4, 5].

Включения, выделяющиеся в жидком металле, в твердом виде могут иметь кристаллическое строение иногда дендритного характера (например, сульфид марганца). Включения МпБ представляют собой выделения довольно правильной кристаллической формы. При содержании марганца и серы, характерных для промышленных углеродистых сталей, образуются включения, представляющие собой твердый раствор сульфидов с преобладанием МпБ. При уменьшении содержания марганца в стали возможно образование твердого раствора с большим содержанием сульфидов железа. С увеличением содержания БеБ сульфиды приобретают каплеобразную форму, как, например, при сварке самозащитной порошковой проволокой (рис. 2).

Рис. 2. Сульфиды Мп и Бе сложного состава

Размеры сульфидных включений в значительной степени зависят от скорости затвердевания стали. Чем быстрее проходит металл интервал кристаллизации, тем мельче включения сульфидов.

В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали, по сравнению с кислородом, в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов.

В жидкой стали различные типы включений могут реагировать между собой, образуя сложные включения как по происхождению, так и по своему составу, как это наблюдается при сварке электродами целлюлозного типа (рис. 3).

--------------------------5---------------

. * ‘ .

* / • 1

*

#

Рис. 3. Сложное включение

Анализ размера и равномерности распределения неметаллических включений проведен по ГОСТ 1778 (табл. 3).

Таблица 3

Распределение неметаллических включений по баллам ПО ГОСТ 1778, сталь Х70

. ОІ .Д Сварочные материалы Оксиды Сульфиды Силикаты

1 Электроды с основным покрытием 3 3 3

2 Электроды с целлюлозным покрытием 4 2 4

3 Сварочная проволока 3 2 3

Наибольший балл включений (4) наблюдается при использовании сварочных материалов с целлюлозным покрытием. Характер распределения включений позволяет говорить об отдельно встречающихся неметаллических включениях в шве с электродами основного типа (рис. 4, а) и скоплении включений в виде цепочек, выделившихся по границам аустенитного зерна (как первичной структуры) в шве с электродами целлюлозного типа (рис. 4, б).

а б

Рис. 4. Содержание неметаллических включений в корневом шве,

*730, сталь Х70: а - электроды ЛБ52У; б - электроды «Фокс Цель»

Проведенный спектральный анализ позволил получить точный химический состав неметаллического включения и идентифицировать его на более высоком уровне минералогического состава, принадлежности и значимости. Так, например, при сварке электродами с основным покрытием в корне шва присутствует включение сложного состава (сложный оксид) (табл. 4, рис. 5).

Таблица 4

Сложный оксид

Элемент Условная концентрация Весовой % Содержание, % Формула Число ионов

М£ К 2,60 18.39 30,49 МдО 12,74

Бі К 4,10 30,29 64,80 БіО2 18,16

Ті К 0,00 0,00 0,00 ТіО2 0,00

V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00

Сг К 0,01 0,09 0,14 Сг2О3 0,03

Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00

Бе К 0,46 3,28 4,22 БеО 0,99

Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00

№ К 0,04 0,27 0,35 №іО 0,08

О 47,67 50,18

Итоги 100,00

Сумма анионов 50,18

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Полная шкала 4616 имп._______________________________кэВ|

Рис. 5. Спектр распределения химических элементов

Таким образом, результаты исследований позволяют сделать вывод, что металлографические исследования в комплексе с микрозондовым спектральным анализом позволяют дать объемное описание минерологии неметаллических включений, идентифицировать их на более высоком уровне принадлежности и значимости. Установлено, что в зависимости от используемых сварочных материалов, предусмотренных технологией сварки трубных сталей для магистральных трубопроводов, изменяется загрязненность неметаллическими включениями по объему шва и, как следствие, свойства металла шва. Выявлено скопление включений в виде цепочек, выделившихся по границам аустенитного зерна (как первичной структуры) в шве с электродами целлюлозного типа. Это свидетельствует о целесообразности использования технологии с применением для сварки корневого прохода шва электродами с основным покрытием, что позволяет получать более чистый металл шва по засоренности неметаллическими включениями. Сложные включения типа оксисульфидов встречаются во всех рассмотренных вариантах использования сварочных материалов, наибольшее количество силикатов встречается в корне, выполненном электродами с основным покрытием.

Список литературы

1. Роль трубопроводного транспорта в развитии регионов // Трубопроводный транспорт. - 2009. - № 2(14). - С. 4-5.

2. Лаборатория металлографии / под ред. Б.Г. Лившица, Е.В. Панченко и др. - М.: Металлургия, 1965. - 440 с.

3. Вашуль X. Практическая металлография. Методы изготовления образцов: пер. с нем. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.

4. Сварка в СССР. Т. 2. Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство. - М.: Наука, 1981. - 450 с.

5. Анализ повреждений оборудования и трубопроводов на объектах добычи, переработки и транспорта продукции Оренбургского НГКМ / Н.А. Гафаров, А.В. Митрофанов [и др.] / Российское акционерное общество «Газпром». - М., 2000. - 40 с.

Получено 25.10.2010