Исследование влияния высокого отпуска на механические свойства основного металла и сварных соединений труб магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.
Упрочненному механической обработкой металлу, можно вернуть изначальную пластичность путем нагрева [63 с. 103]. Данные результат возможен вследствие течения следующих процессов: возврата и рекристаллизации.
Эффект возврата заключается в повышении структурного совершенства наклепанного металла в результате перераспределения дефектов внутри деформированных кристаллов, при этом не наблюдается заметных изменений структуры металла. При перераспределении дислокаций происходит поглощение ими избыточных вакансий и межузельных атомов, которые при встрече взаимно погашаются. Дислокации противоположных знаков притягиваются и аннигилируют, что вместе с их стоком к границам зерен приводит к уменьшению плотности данных линейных дефектов. При более высоких температурах возможна полигонизация – фрагментация кристаллитов на субзерна с малоугловыми границами. В результате данного процесса твердость и прочность несколько снижаются, а вязкость и пластичность возрастают [62 с. 115].
При рекристаллизации происходит замена деформированных зерен новой системой свободных от искажений кристаллов. Данный процесс протекает при более высокой температуре [62 с. 116].
Процессы возврата и рекристаллизации в состаренных сварных соединениях трубных сталей не являются элементарными процессами. Наличие множества различных примесей и сложная система структурных напряжений в структурно-неоднородном объекте создают дополнительные трудности в их исследовании. Изучение процессов, протекающих под воздействием высоких температур в материале сварных стыковых соединений, позволит решить техническую задачу восстановления вязкопластических свойств сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.
С целью изучения процессов, происходящих при отпуске, в деформационно-состаренных сварных стыковых соединений труб проведены исследования темплетов, вырезанных из магистральных нефтепродуктопроводов «Участок №41» («Брянск – Дисна») «Участок №42» («Стальной Конь – Запад») ЧУП «Запад-Транснефтепродукт». Исследования проводились с применением методов механических испытаний и структурных методов до и после термической обработки. Термическая обработка проводилась в печи …(указать марку СНОЛ …) Дополнительный контроль температуры осуществлялся с помощью контрольной термопары.
Для определения оптимальных параметров (время и температура) восстановления вязких свойств основного металла и сварных соединений магистральных трубопроводов, подвергшихся длительной эксплуатации, изготовлены образцы (размером 55×10×2 мм), которые подвергались термообработке отдельными партиями при температуре 580, 630, 680 и 730 ˚С в течение 15, 30 и 60 минут после чего образцы остывали на спокойном воздухе. Исследования характеристик сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений проводились на образцах с U-образным надрезом при температуре -40ºС при помощи маятникового копра МК-30А согласно ГОСТ 9454 [79], ГОСТ 6996 [118]. В таблице 3.1. представлены экспериментальные значения ударной вязкости после образцов, подвергшихся термической обработке в различных режимах.
Таблица 3.1 – Изменение значений ударной вязкости сварного соединения при высоком отпуске.
Температура, ˚С | Время выдержки, мин | КСU-40, Дж/см2 | повышение КСU-40, % |
Исходный образец | – | 131,1 | – |
151,7 | 15,7 | ||
154,4 | 17,8 | ||
153,3 | |||
164,4 | 25,4 | ||
177,5 | 35,4 | ||
183,3 | 39,8 | ||
194,4 | 48,3 | ||
203,3 | 55,1 | ||
205,3 | 56,6 | ||
44,9 | |||
48,7 | |||
194,4 | 48,3 |
Как видно из представленной таблицы время выдержки не значительно влияет на повышение ударной вязкости. В целом с увеличением продолжительности термической обработки наблюдается увеличение ударной вязкости сварного соединения. Наиболее существенный прирост происходит при увеличении времени выдержки с 15 до 30 минут. Дальнейшее увеличение до 60 минут приводит к меньшему росту ударной вязкости, а в некоторых случаях и к незначительному снижению по сравнению с 30 минутной обработкой, которое можно объяснить неоднородностью свойств сварного соединения, и соответственно значительным интервалом разброса вязких свойств вдоль шва. Постепенное увеличение температуры ведет к более интенсивному повышению значений ударной вязкости, по сравнению с увеличением времени выдержки и достигает своего максимума при температуре 680˚С. Дальнейшее повышение температуры до 730 ˚С приводит к ее снижению. Таким образом, оптимальным режимом термической обработки сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации будет являться высокий отпуск после выдержки в течение 30 минут при температуре 680˚С при котором происходит значительное увеличение ударной вязкости.
С целью апробации и подтверждения полученных результатов проведены испытания на ударный изгиб ряда сварных соединений из других контрольных вырезок. Полученные результаты представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Изменение характеристик сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений при высоком отпуске.
№ Образца | Температура термообработки, ˚С | Время обработки, мин | КСU-40, Дж/см2 | КСU-40, Дж/см2 | Δ КСU-40, % | КСV-5, Дж/см2 | КСV-5, Дж/см2 | Δ КСV-5, % |
До термообработки | После термообработки | До термообработки | После термообработки | |||||
30* | ||||||||
117,5 | 73,3 | |||||||
130,7 | 59,2 |
*охлаждение в печи
Полученные результаты показывают высокую сходимость с данными вырезки, на которой определялся оптимальный режим термической обработки. Кроме того проведены испытания образцов с острым надрезом при температуре -5˚С. Прирост ударной вязкости при данных условиях оказывается приблизительно равным или несколько ниже, чем у образцов с U-образным концентратором. Возможно, это связано с тем, что при деформационном старении сварных соединений трубных сталей снижение энергии распространения трещины более значительно, чем уменьшение энергии ее зарождения.
Высокотемпературное воздействие помимо повышения значений ударной вязкости оказывает влияние также и на другие механические свойства материала сварных соединений. Следовательно, является целесообразным изучить изменения механических свойств в результате высокого отпуска кольцевых стыков магистральных трубопроводов.
Для исследования изменений механических характеристик сварных соединений после высокотемпературного термического воздействия вдоль оси трубопровода вырезаны плоские образцы в соответствии с ГОСТ 6996 [118]. Испытания на статическое растяжение плоских образцов без головок сварных соединений проводились согласно ГОСТ 6996 [118]. Контроль механических характеристик проводился с помощью разрывной машины для статических испытаний Р-20 с разрывным усилием 200 000 Н. В ходе проведения испытаний также проводился контроль изменения твердости. В таблице 3.3 представлены экспериментальные данные изменения механических свойств сварных соединений труб магистральных трубопроводов в результате высокого отпуска.
Таблица 3.3 – Изменение твердости и предела прочности сварных соединений труб магистральных трубопроводов
№ образца | Режим термообработки | σв, МПа | Твердость (сварной шов/ЗТВ), НВ | |||
Температура, ˚С | Время выдер-жки, мин | До термообработки | После термообработки | До термообработки | После термообработки | |
30* | 515,2 | 146/150 | 143/141 | |||
197/183 | 192/175 | |||||
170/180 | 162/168 | |||||
168/160 | 161/155 | |||||
157/146 | 153/144 | |||||
168/177 | 156/166 | |||||
521,5 | 175/173 | 160/156 |
*охлаждение в печи
Как видно из представленных данных в результате высокого отпуска наблюдается снижение значений (до 20%) твердости и предела прочности сварных соединений труб магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации длительное время. Это свидетельствует об уменьшении внутренних напряжений, накопленных сварным соединением. Различие в степени снижения значений предела прочности можно объяснить различием температурных режимов обработки, различными условиями нагруженности сварных соединений при эксплуатации (удаленность от станции), различным исходным свариваемым материалом. Известно, что наряду с некоторым снижением прочностных характеристик (σв, σ02) при высоком отпуске возрастают пластические характеристики (δ, ψ). Однако в связи со значительной структурной неоднородностью сварных соединений пластические характеристики при проведении испытаний не определялись.
В связи с тем, что при проведении термической обработки кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов в зону нагрева попадет и основной металл труб, проведена оценка влияния предложенного высокого отпуска с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки на изменения его механических свойств. Определение механических свойств основного металла труб проводилось в полном соответствии с описанной выше методикой испытаний металла сварных соединений магистральных трубопроводов. При проведении исследования определялось изменение ударной вязкости, предела прочности, предела текучести и относительного удлинения. Результаты проведенных исследований представлены в таблицах 3.4 и 3.5.
Таблица 3.4 – Изменение характеристик сопротивления хрупкому разрушению основного металла труб при высоком отпуске.
№ | Марка стали | КСU-40, Дж/см2 | КСU-40, Дж/см2 | Δ КСU-40, % | КСV-5, Дж/см2 | КСV-5, Дж/см2 | Δ КСV-5, % |
До термо-обработки | После термо-обработки | До термо-обработки | После термо-обработки | ||||
Сталь 14ГН | |||||||
Сталь 10Г2С1 | |||||||
Сталь 17ГС | |||||||
Сталь 20 |
Таблица 3.5 – Изменение предела прочности, предела текучести и относительного удлинения основного металла труб магистральных трубопроводов
№ | Марка стали | σв, МПа | σ02, МПа | δ, % | |||
До термообработки | После термообработки | До термообработки | После термообработки | До термообработки | После термообработки | ||
Сталь 14ГН | 29,3 | 32,7 | |||||
Сталь 10Г2С1 | 31,3 | 31,8 | |||||
Сталь 17ГС | 20,8 | 26,7 | |||||
Сталь 20 | 32,6 | 34,8 |
Как видно из представленных данных в результате высокого отпуска металла труб магистральных трубопроводов, проработавшего длительное время, по предложенному оптимальному режиму термической обработки наблюдается снижение значений предела прочности и предела текучести. Снижение прочностных характеристик незначительно, полученные после проведения восстановительной термической обработки значения предела прочности и предела текучести основного металла магистральных трубопроводов соответствуют требованиям ГОСТ 19281 [107]. Следовательно, отсутствует необходимость учета данных изменений при проведении прочностных расчетов. Одновременно с этим немного повышается относительное удлинение и существенно возрастает ударная вязкость, в значительной мере характеризующая надежность магистрального трубопровода. Это свидетельствует о восстановлении свойств металла труб, охрупченного в результате длительной эксплуатации. Эффективность термической обработки основного металла труб по предложенному оптимальному режиму (высокий отпуск с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки) немного меньше по сравнению с термической обработкой сварных соединений. Это связано с меньшим уровнем внутренних напряжений в основном металле по сравнению со сварными соединениями.
Похожие результаты получены исследователями научной школы Уфимского государственного нефтяного технического университета. Так, например, в работе [28 с. 206] приведены данные об изменении механических свойств трубных сталей 17ГС, 19Г и 14ХГС магистральных трубопроводов, эксплуатировавшихся в течение 30 лет. В результате термической обработки температуре 650 ˚С пластические свойства возросли на 10-15%, восстановление свойств по отношению к исходному состоянию (сталь не эксплуатировалась) составила в среднем 65%.
Таким образом, высокий отпуск с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки значительно повышает сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений магистральных трубопроводов и незначительно снижает его прочностные характеристики. Для выявления причин повышения ударной вязкости целесообразно провести анализ изменений микроструктуры сварных соединений, происходящих под влиянием термической обработки по предложенному режиму.