Исследование структурных изменений в сварных соединениях труб длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов после термической обработки.

Накопление микропластических деформаций, деформационное старение и наводораживание в процессе эксплуатации является причиной охрупчивания трубных сталей [130 с. 212]. В оптическом микроскопе видны карбидные частицы по границам зерен, образовавшиеся вследствие распада цементита и диффузии освободившихся атомов углерода. Термическая обработка позволяет восстановить ударную вязкость металла труб и их сварных соединений после их длительной эксплуатации. Из экспериментальных данных видно, что для кольцевых сварных соединений оптимальным режимом является обработка при температуре 680˚С в течение 30 минут, приводящая к возрастанию ударной вязкости приблизительно на 50%. На образцах сварных соединений, полученных разрезкой металла труб в плоскости перпендикулярной оси трубопровода и подвергшихся термическому воздействию, проводилось исследование изменений микроструктуры методом световой микроскопии, которая позволяет изучить строение, размеры‚ форму, взаимное расположение зерен и включений. После высокого отпуска шлифы стыковых сварных соединений шлифовались, полировались и подверглись травлению реактивом Ржешотарского. Исследования проводили при помощи оптического микроскопа «Neophot-21» с увеличениями 100^х, 400^х и 1000^х.

На рисунках 3.1-3.20 попарно представлена типичная микроструктура основного металла и различных зон сварного соединения магистрального трубопровода, претерпевшего длительную эксплуатацию до и после термической обработки. Выдержка в течении 30 минут при 680˚С с последующим охлаждением на спокойном воздухе не приводит к изменению размера зерна основного металла (образец 1).

Особенности кристаллизации облицовочного слоя сварного шва приводят к образованию дендритной структуры наплавленного металла, обладающей относительно низкими механическими свойствами. В результате термической обработки в этой области протекают процессы дробления дендритов и образования более энергетически выгодной и обладающей более высоким комплексом механических свойств ферритно-перлитной структуры.

Структура корневого и заполняющих слоев в процессе сварки подвергаются рекристаллизации и имеют структуру близкую к равноосной, которая практически не изменяется при высоком отпуске.

Зоны термического влияния основного металла представляют собой узкий участок перегрева (видманштеттова структура) переходящий в участок нормализации. Феррит и цементит на участке перегрева образует длинные пластины (иглы). Данные структуры обладают низкими пластическими и вязкими свойствами, т.е. склонны к хрупкому разрушению. Под воздействием высокой температуры наблюдается исправление этой структуры (закругление игл), что приводит к возрастанию ударной вязкости.

На участке зоны термического влияния, подвергшемся в процессе сварки нормализации, значительных изменений после термической обработки в геометрии структурных составляющих не наблюдается.

Характерным отличием исследованных структур является увеличение количества цементита, как в перлите, так и на границах ферритных зерен.

Рисунок 3.1 – Типичная микроструктура основного металла трубы до термообработки, 400х	Рисунок 3.2 – Типичная микроструктура основного металла трубы после термообработки, 400х
Рисунок 3.3 – Типичная микроструктура основного металла трубы до термообработки, 1000х	Рисунок 3.4 – Типичная микроструктура основного металла трубы после термообработки, 1000х
Рисунок 3.5 – Типичная микроструктура облицовочного шва до термической обработки, 400х	Рисунок 3.6 – Типичная микроструктура облицовочного шва после термической обработки, 400х
Рисунок 3.7 – Типичная микроструктура облицовочного шва до термической обработки, 1000х	Рисунок 3.8 – Типичная микроструктура облицовочного шва после термической обработки, 1000х
Рисунок 3.9 – Типичная микроструктура корневого шва до термической обработки, 400х	Рисунок 3.10 – Типичная микроструктура корневого шва после термической обработки, 400х
Рисунок 3.11 – Типичная микроструктура корневого шва до термической обработки, 1000х	Рисунок 3.12 – Типичная микроструктура корневого шва после термической обработки, 400х
Рисунок 3.13 – Видманштеттова структура зоны термического влияния сварного соединения до термической обработки, 400х	Рисунок 3.14 – Видманштеттова структура зоны термического влияния сварного соединения после термической обработки, 400х
Рисунок 3.15 – Видманштеттова структура зоны термического влияния сварного соединения до термической обработки, 1000х	Рисунок 3.16 – Видманштеттова структура зоны термического влияния сварного соединения после термической обработки, 400х
Рисунок 3.17 – Участок нормализации зоны термического влияния сварного соединения до термической обработки, 400х	Рисунок 3.18 – Участок нормализации зоны термического влияния сварного соединения после термической обработки, 400х
Рисунок 3.19 – Участок нормализации зоны термического влияния сварного соединения до термической обработки, 1000х	Рисунок 3.20 – Участок нормализации зоны термического влияния сварного соединения после термической обработки, 1000х

Снятие напряжений в металле и сварных соединениях, а также структурные изменения подтверждаются изменением микротвердости. В таблице 3.6 представлены типичные значения микротвердости сварного соединения, претерпевшего длительную эксплуатацию до и после термической обработки.

Таблица 3.6 – Микротвердость сварного соединения магистрального трубопровода до и после восстановительного высокого отпуска (680˚С с выдержкой в течение 30 минут)

Зона сварного соединения	Hµ, МПа
Исходный образец	После высокого отпуска
Основной металл	1600-1800	1400-1500
Облицовочный слой	2300-2400	1800-2000
Корневой и заполняющие слои	1700-1900	1500-1600
Зона термического влияния (видманштеттова структура)	1900-2000	1600-1800
Участок нормализации по зоне термического влияния	1000-1200	1000-1100

Как видно из таблицы термическая обработка сварного соединения при 680 ˚С приводит к снижению значений твердости в среднем на 300 МПа. Наиболее сильно снижается твердость в зоне столбчатых кристаллов облицовочного слоя. Таким образом, повышение ударной вязкости, происходящие под воздействием высокой температуры, происходит вследствие структурных изменений и снижения уровня остаточных напряжений. Наиболее значительные изменения протекают в наиболее охрупченных областях.

Таким образом, предложенный высокий отпуск с 680 ˚С после выдержки в течение 30 минут приводит к существенному росту значений ударной вязкости, характеризующей уровень надежности сварного соединения магистрального трубопровода, и незначительному снижению прочностных характеристик, которое может не учитываться при проведении прочностных расчетов. В тоже время будет целесообразным проведения дополнительных исследований, связанных с изучением влияния предложенной термической обработки на коррозионную стойкость сварных соединений, как очевидного фактора влияния на долговечность и надежность магистрального трубопровода, в то время как ее изменение не является однозначным.

3.4 Исследование влияния термической обработки на коррозионную стойкость сварных соединений магистральных трубопроводов.