СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОМУ ВЯЗКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ
METHOD FOR DETERMINING RESISTANCE TO EXTENDED DUCTILE FRACTURE OF HIGH-STRENGTH PIPE STEELS

2
Изобретение относится к области испытания материалов и может быть использовано для определения сопротивления протяженному вязкому разрушению высокопрочных трубных сталей класса прочности К65 и выше с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м.
Известно, что сопротивление протяженному вязкому разрушению трубных сталей определяют по так называемому «методу двух кривых», который был разработан на рубеже 60-70-х годов 20-го века в институте Баттелли и его модификациям (G. Wilkowski, D. Rudland, H. Xu, N. Sanderson, Effect of Grade on Ductile Fracture Arrest Criteria for Gas Pipelines // Proceedings of International Pipeline Conference 2006, September 25-29, Calgary, Alberta, Canada, IPC2006-10350). В данном методе в качестве параметра, характеризующего сопротивление протяженному вязкому разрушению, используют ударную вязкость, определяемую на поперечных образцах Шарпи (с V-образным концентратором) по ISO 148-1:2006 или аналогичному стандарту. Необходимую для остановки протяженного вязкого разрушения ударную вязкость определяют по расположению двух кривых: декомпрессии газа и скорости распространения разрушения. Точка касания кривых позволяет определить минимальный уровень ударной вязкости, необходимый для остановки вязкого протяженного разрушения.
2
Метод двух кривых является полуэмпирическим и основан на серии натурных экспериментов с трубами классов прочности К46-К54. В настоящее время его применяют для определения уровня ударной вязкости, необходимого для предотвращения протяженного вязкого разрушения, в сталях с относительно невысокой ударной вязкостью. Для использования метода при испытаниях новых трубных сталей высоких групп прочности был предложен ряд подходов, в частности введение поправочного коэффициента для корреткировки значений ударной вязкости, полученных методом двух кривых. Данные подходы находятся на стадии разработки и пока еще не нашли широкого применения. Определить сопротивление вязкому протяженному разрушению высокопрочных трубных сталей с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м по методу двух кривых не представляется возможным.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения сопротивления протяженному вязкому разрушению трубных сталей, разработанный Европейской группой по исследованию трубопроводов (ERPG - European Pipeline Research Group). Данный способ приведен в международном стандарте ISO 3183:2007 «Нефтяная и газовая промышленность - Трубы стальные для трубопроводных транспортных систем», приложение G (с. 99-102).
Сопротивление протяженному вязкому разрушению оценивают по величине работы удара при испытаниях на ударный изгиб поперечных образцов Шарли, изготовленных из основного металла труб в исходном (недеформированном) состоянии. Работу удара определяют при температуре, соответствующей температуре минимальной эксплуатации газопровода.
Необходимый для остановки протяженного вязкого разрушения уровень работы удара определяют по формуле:
<mrow><mi>K</mi><mi>ν</mi><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>×</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>h</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>D</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где: Kν - работа удара при испытании поперечного образца Шарпи полного размера, Дж;
h
σ - расчетное мембранное напряжение, Н/м;
D - наружный диаметр трубы, м;
t - толщина стенки трубы, м;
3
-5
C - поправочный коэффициент, равный 3,57×10 при расчетах в системе СИ.
2
Если фактический уровень работы удара основного металла трубы превышает значение, определенное по формуле (1), труба обладает достаточным сопротивлением протяженному вязкому разрушению. В том случае, если фактический уровень работы удара основного металла трубы меньше значения, определенного по формуле (1), труба не способна остановить протяженное вязкое разрушение. Способ применим для труб диаметром ≤1430 мм, с толщиной стенки ≤25,4 мм, рассчитанных на рабочее давление до 8 МПа включительно, с работой удара до 100 Дж (1,25 МДж/м).
2
Определение сопротивления протяженному вязкому разрушению современных высокопрочных труб по способу, разработанному Европейской группой по исследованию трубопроводов, некорректно, поскольку основные параметры современных высокопрочных труб выходят за границы применимости данного способа. Современные высокопрочные трубы рассчитаны на рабочие давления до 11,8 МПа включительно, имеют толщину стенки до 33,4 мм, при этом работа удара основного металла труб превышает 200 Дж (ударная вязкость более 2,5 МДж/м). Корреляции между результатами испытаний поперечных образцов на ударный изгиб в исходном (недеформированном) состоянии и сопротивлением протяженному вязкому разрушению стали не наблюдается.
2
Задача, решаемая изобретением, заключается в определении по результатам испытания стандартных поперечных образцов на ударный изгиб величины предварительной пластической деформации, соответствующей началу интенсивного снижения ударной вязкости, характеризующей сопротивление протяженному вязкому разрушению высокопрочной трубной стали с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения сопротивления протяженному вязкому разрушению трубных сталей, включающем отбор заготовки от трубы, изготовление поперечных образцов, проведение испытаний на ударный изгиб и последующее определение сопротивления протяженному вязкому разрушению стали по величине ударной вязкости, согласно изобретению, от трубы отбирают несколько заготовок, которые подвергают предварительной пластической деформации сжатием, причем величина предварительной пластической деформации не превышает 45%, затем из каждой заготовки изготавливают не менее чем по три поперечных образца, которые испытывают на ударный изгиб, далее выявляют зависимость относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации, а сопротивление протяженному вязкому разрушению определяют по величине предварительной пластической деформации, соответствующей началу интенсивного снижения ударной вязкости.
2
Также, согласно изобретению, высокопрочные трубные стали имеют ударную вязкость более 2,5 МДж/м, а величину предварительной пластической деформации, соответствующую началу интенсивного снижения ударной вязкости, определяют из условия:
где: n - относительное значение ударной вязкости, определяемое как отношение ударной вязкости после предварительной пластической деформации к ударной вязкости в недеформированном состоянии, %;
ε - величина предварительной пластической деформации, %.
При этом величина А находится в пределах от минус 4 до минус 2.
Полигонные пневматические испытания труб, в частности класса прочности К65, экспериментально подтвердили, что протяженное вязкое разрушение сопровождается образованием зоны пластической деформации перед вершиной трещины. Вязкая трещина распространяется по предварительно деформированному металлу, имеющему свойства, отличные от начального состояния. Способность останавливать разрушение определяется величиной пластической деформации, предшествующей разрушению, и размером зоны пластической деформации вблизи трещины, что в совокупности дает удельную энергоемкость распространения трещины для данных параметров газопровода и температуры. Операция предварительного деформирования заготовок, например, сжатием перед изготовлением образцов позволяет имитировать процесс пластической деформации перед вершиной трещины. Испытания поперечных образцов на ударный изгиб после предварительной пластической деформации позволяют определить фактический уровень ударной вязкости стали в момент разрушения.
2
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен типичный вид кривой изменения относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации, на фиг. 2-5 представлены фактические результаты испытаний поперечных образцов на ударный изгиб, в частности зависимости относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации для сталей класса прочности К65, с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м.
Для определения сопротивления протяженному вязкому разрушению стали изготавливают несколько комплектов поперечных образцов на ударный изгиб из заготовок, предварительно деформированных сжатием, до разных величин деформации.
-1
Для достижения высоких величин равномерной деформации допускается деформировать заготовки сжатием за несколько операций. Деформацию заготовок проводят при температуре от плюс 10 до плюс 35°C. Скорость относительной деформации должна быть от 0,0005 до 0,003 с.
Предварительное деформирование заготовок можно проводить растяжением, но в данном случае не представляется возможным достигнуть высоких степеней деформации, поскольку при растяжении трубных сталей высоких классов прочности величина равномерной деформации не превышает 10%.
Разнотолщинность заготовки после деформации не должна превышать 0,5% от начальной толщины заготовки или 0,2 мм в зависимости от того, какое из значений меньше.
Максимальная величина предварительной пластической деформации заготовок сжатием составляет 45%, поскольку экспериментальные исследования труб после пневматических испытаний показали, что максимальное утонение стенки в зоне пластической деформации не превышает данной величины, кроме того, технически сложно достичь больших величин деформации.
Из заготовок изготавливают образцы Шарли, расположенные поперек оси трубы. Расположение образцов обусловлено траекторией распространения вязкого протяженного разрушения в магистральном газопроводе. Испытание образцов на ударный изгиб проводят по ГОСТ 9454-78 или по аналогичному стандарту. Температура проведения испытания на ударный изгиб указывается в нормативно-технической документации на прокат или трубную продукцию. При отсутствии таких указаний испытания проводят при температуре, соответствующей минимальной температуре эксплуатации труб.
Сопротивление протяженному вязкому разрушению стали определяют по кривой изменения относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации. Кривую строят в координатах: относительное значение ударной вязкости - по оси ординат, величина пластической деформации - по оси абсцисс (фиг. 1). Относительное значение ударной вязкости определяют как отношение ударной вязкости после предварительной пластической деформации к ударной вязкости в недеформированном состоянии.
н
По кривой определяют величину предварительной пластической деформации ε, при которой наблюдается начало интенсивного снижения ударной вязкости. Величину предварительной пластической деформации, соответствующую началу интенсивного снижения ударной вязкости, определяют из условия (2).
Величина А была определена экспериментально на основе анализа результатов испытаний трубных сталей класса прочности К65 и выше и находится в пределах от минус 4 до минус 2.
Величиной предварительной пластической деформации, соответствующей началу интенсивного снижения ударной вязкости, является минимальная величина предварительной пластической деформации, при которой выполняется условие (2).
2
н
О сопротивлении протяженному вязкому разрушению судят по величине предварительной пластической деформации, соответствующей началу интенсивного снижения ударной вязкости. Трубные стали, которые сохраняют вязкие свойства при более высоких величинах деформации, обладают более высоким сопротивлением протяженному вязкому разрушению. Полигонные пневматические испытания труб показали, что достаточным сопротивлением протяженному вязкому разрушению обладают стали с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м, у которых величина предварительной пластической деформации ε≥20% (фиг. 2, 4).
Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Отбирают заготовки от высокопрочных трубных сталей, подвергают их различной величине предварительной пластической деформации, например сжатием при температуре от плюс 10 до плюс 35°C, затем изготавливают несколько комплектов поперечных образцов для проведения испытаний на ударный изгиб, которые проводят по ГОСТ 9454-78 или аналогичному стандарту. Определяют величину ударной вязкости, строят зависимость относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации и по ней рассчитывают величину предварительной пластической деформации, соответствующую началу интенсивного снижения ударной вязкости.
Сущность заявленного изобретения поясняется нижеизложенным примером его осуществления.
Способ осуществлен при определении сопротивления протяженному вязкому разрушению труб класса прочности К65, подвергнутым полигонным пневматическим испытаниям. В трубах из сталей, обозначенных №1 и №3, наблюдалось протяженное вязкое разрушение, которое распространялось более чем на три испытуемые трубы. В свою очередь, в трубах №2 и №4 произошло локальное вязкое разрушение. Длина разрушения не превышала трех испытуемых трубы.
Для определения сопротивления протяженному вязкому разрушению из основного металла четырех труб класса прочности К65 изготовили по 9 комплектов поперечных образцов на ударный изгиб (по 3 образца в комплекте) сечением 10×10 мм. Заготовки для первого комплекта образцов каждой трубы не деформировали, остальные комплекты образцов предварительно деформировали сжатием при температуре от плюс 10 до плюс 35°C с шагом деформации 5%. Испытание всех образцов проводили по ГОСТ 9454-78 при температуре минус 20°C в соответствии с требованиями нормативно-технической документации на продукцию. Зависимости относительного значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации четырех исследуемых сталях показаны на фиг. 2-5. На фиг. 2 приведена зависимость значения ударной вязкости от величины предварительной пластической деформации стали №1, на фиг. 3 - стали №2, на фиг. 4 - стали №3, на фиг. 5 - стали №4.
Сопротивление протяженному вязкому разрушению сталей оценивали по величине предварительной пластической деформации, соответствующей началу интенсивного снижения ударной вязкости. Данную величину определяли как минимальный уровень предварительной пластической деформации, при котором выполняется условие (2). Проверку условия (2) выполняли графически.
Величины предварительной пластической деформации, соответствующие началу интенсивного снижения ударной вязкости и уровень ударной вязкости в «начальном» состоянии четырех исследуемых сталей, приведены в таблице.
Из таблицы видно, что при практически одинаковом «начальном» уровне ударной вязкости сопротивление протяженному вязкому разрушению исследуемых сталей различно. Снижение ударной вязкости в сталях №№1 и 3 происходит при незначительном уровне предварительной пластической деформации. Предварительная пластическая деформация, соответствующая началу интенсивного снижения ударной вязкости, в этих сталях составляет менее 5%. В свою очередь, ударная вязкость в сталях №№2 и 4 практически не снижается до уровня предварительной пластической деформации 20%, которая и является деформацией начала интенсивного снижения ударной вязкости. Таким образом, основной металл из труб №№2 и 4 обладает более высоким сопротивлением протяженному вязкому разрушению по сравнению с основным металлом труб №№1 и 3, что было подтверждено результатами полномасштабных пневматических испытаний данных труб.
2
Использование предлагаемого способа позволяет по результатам испытания стандартных поперечных образцов на ударный изгиб достоверно определить сопротивление протяженному вязкому разрушению высокопрочных трубных сталей класса прочности К65 и выше с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м и сопоставить качество нескольких подобных материалов разных производителей.