Определение ударной вязкости сварных кольцевых соединений магистральных трубопроводов, подвергшихся эксплуатации длительное время, неразрушающим способом
Ударная вязкость занимает особое место среди механических характеристик при оценке качества металла. Определение ударной вязкости позволяет установить склонность материала к хрупкому разрушению, определить условия возникновения хрупкого состояния, а также оценить поведение материалов в условиях эксплуатации и повышенной скорости деформирования, а также при возникновении аварийных ситуаций и связанных с ними ударных воздействий на конструкцию. Хрупкое разрушение является наиболее опасным видом, так как отказ происходит внезапно и протекает с высокой скоростью при напряжениях зачастую ниже тех, на которые рассчитана конструкция. Достаточный уровень пластичности и вязкости позволяет материалам сопротивляться хрупкому разрушению. Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной ударной вязкостью и пластичностью. Таким образом, ударная вязкость характеризует надежность материала — сопротивление хрупкому разрушению и ударному воздействию. Неразрушающий способ определения ударной вязкости позволит оценить один из основных показателей, определяющих надежность диагностируемой конструкции без вырезки образцов.
В настоящий момент существующий способ определения значений ударной вязкости материала предусматривают вырезку образцов из конструкции для проведения испытаний. В соответствии с ГОСТ 9454 [79] испытаниям подвергаются серии образцов, изъятые из исследуемой конструкции, с концентраторами напряжений следующих типов: U-образный с радиусом в месте надреза 
мм, V-образный с радиусом в месте надреза 
и углом 45° и Т-образный с усталостной трещиной. Соответственно этому ударная вязкость обозначается KCU, KCV и KCT. Величину ударной вязкости определяют по шкале копра или по таблицам, зная начальную потенциальную энергию маятника и затраченную энергию или по площади диаграммы нагрузка–прогиб. Основным недостатком данного метода является разрушение исходной конструкции, причем минимальные размеры образцов таковы, что необходимо проведение ремонтных работ на объекте. Использование данного разрушающего метода на магистральных трубопроводах является нецелесообразным, так как диагностическая информация, которая необходима для принятия решения о проведении ремонтных работ, может быть получена только в результате их производства. Таким образом, необходимо использовать методы неразрушающего контроля значений ударной вязкости.
Практическое применение могут иметь методы, основанные на использовании взаимосвязи ударной вязкости со значениями свойств материала, определение которых возможно неразрушающими методами, например, при измерении твердости. Существование корреляционной взаимосвязи между ударной вязкостью и другими механическими характеристиками обосновывается в работах [72, 145] В результате исследования более пяти тысяч образцов разработан способ определения ударной вязкости стальных изделий в зависимости от относительного сужения по математической зависимости. Согласно данному методу ударную вязкость определяют по следующей формуле [146]:
, (4.6)
где КСU – ударная вязкость, МДж/м2; ψ – относительное сужение, отн. ед.; γ – коэффициент пропорциональности, зависящий от механических свойств стали (таблица 4.1).
Таблица 4.1 – Значения коэффициента пропорциональности γ и разделение сталей на группы по значению механических свойств [146]
| Разделение на группы по ψ (%) | Разделение на группы по σв (МПа) | Разделение на группы по σв δ5 (МПа×%) | |||
| Пределы | Коэффициент γ | Пределы | Коэффициент γ | Пределы | Коэффициент γ |
| ψ > 80 | 0,61 | σв > 1450 | 0,72 | σв δ5 > 340 | 1,07 |
| 60 < ψ ≤ 80 | 0,76 | 1200 < σв ≤ 1450 | 0,63 | 290 < σв δ5 ≤ 340 | 0,9 |
| 40 < ψ ≤ 60 | 0,83 | 1000 < σв ≤ 1200 | 0,71 | 240 < σв δ5 ≤ 290 | 0,95 |
| 20 < ψ ≤ 40 | 1,19 | 850 < σв ≤ 1000 | 0,73 | 190 < σв δ5 ≤ 240 | 0,98 |
| ψ ≤ 20 | 1,66 | 600 < σв ≤ 850 | 0,80 | 140 < σв δ5 ≤ 190 | 0,73 |
| 450 < σв ≤ 600 | 0,76 | 90 < σв δ5 ≤ 140 | 0,7 | ||
| σв ≤ 450 | 0,65 | 90 < σв δ5 ≤ 90 | 0,67 |
Преимуществом указанного способа является то, что значение ударной вязкости определяется по математической зависимости. В тоже время данный метод не является неразрушающим, так как величина относительного сужения y определяется в результате испытаний стандартных образцов с помощью разрывной машины. При этом размеры образцов таковы [80], что отбор материала из магистрального трубопровода будет невозможен без остановки перекачки и последующего ремонта.
Более совершенным является способ определения ударной вязкости неразрушающим методом, разработан в Полоцком государственном университете [123].
Сущность способа состоит в том, что ударную вязкость определяют в зависимости от относительного сужения материала по формуле 4.6:
где КСU – ударная вязкость, МДж/м2; ψ – относительное сужение, отн. ед.; γ – уточняющий коэффициент, имеющий значения:
γ = 0,61 при ψ > 0,8;
γ = 0,76 при 0,6 < ψ ≤ 0,8;
γ = 0,83 при 0,4< ψ ≤ 0,6;
γ = 1,19 при 0,2 < ψ ≤ 0,4;
γ = 1,66 при ψ ≤ 0,2.
При этом относительное сужение материала определяют по геометрическим параметрам отпечатка, полученного после вдавливания в материал пирамидального индентора с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136˚ при фиксированной нагрузке по формуле 4.5:
где: ψ — относительное сужение, отн. ед.; S — ширина отпечатка, мм (рисунок 4.1);
k — коэффициент кратности, имеющий значения:
k = 1 при нагрузке 1000 Н;
k = 1,414 при нагрузке 500 Н;
k = 1,825 при нагрузке 300 Н;
k = 2,235 при нагрузке 200 Н;
k = 3,161 при нагрузке 100 Н;
k = 4,472 при нагрузке 50 Н.
Отличием данного способа является определение относительного сужения материала по математической зависимости, что позволило отказаться от вырезки образцов на промежуточном этапе и обеспечило возможность определения ударной вязкости неразрушающим способом, на эксплуатируемом трубопроводе. При этом отклонение от эталона [79] составило около 5%. Работоспособность способа авторами была проверена на образцах из конструкционной стали (углеродистой, коррозионно-стойкой и др.), применяемой для эксплуатации конструкций и сооружений в условиях нефтехимического производства.
В тоже время указанный способ показал свою эффективность при определении ударной вязкости основного металла, который отличается от сварного соединения, как механическими свойствами, так и структурой. В связи с этим основной задачей является апробация данного неразрушающего способа определения ударной вязкости на кольцевых сварных соединениях магистральных трубопроводов, что повысит надежность эксплуатируемых объектов.
Для осуществления проверки возможности применения указанного выше способа из кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов готовились макрошлифы, на которых определяли параметры отпечатка после вдавливания пирамидального индентора. В данных исследованиях использовали твердомер WPM. Нагрузка на индентор твердомера составляла 200 Н. Правомерность определения ударной вязкости по параметрам отпечатка индентора при других нагрузках (50 Н, 100 Н, 300 Н, 500 Н, 1000 Н) обусловлена геометрическим подобием отпечатков, полученных на материале алмазной пирамидой с углом между противоположными гранями 136о. Для данного вида инденторов существует полное геометрическое подобие отпечатков и значений твердости независимо от применяемой нагрузки [22 C.]. В связи с этим, результаты, полученные при нагрузке 200 Н, можно распространить на весь приведенный ряд нагрузок (с учетом того, что широко применяемые переносные твердомеры, определяющие твердость по Виккерсу непосредственно на конструкции, работают при нагрузке 50 Н).
Измерение размеров отпечатков производилось с помощью окуляра-микрометра микротвердомера ПМТ-3. Средние значения диагонали и ширины по итогам измерений на трех отпечатках представлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Результаты измерений размеров отпечатков
| № образца | 1′ | 2′ | 3′ | 4′ | 5′ | |||||
| Диагональ отпечатка D, мм | 0,2 | 0,255 | 0,204 | 0,248 | 0,316 | 0,265 | 0,34 | 0,251 | 0,335 | 0,384 |
| Ширина отпечатка S, мм | 0,154 | 0,196 | 0,157 | 0,191 | 0,243 | 0,204 | 0,257 | 0,193 | 0,258 | 0,295 |
Примечание. Образцы 1-5 – без восстановительной термической обработки, 1′-5′ – после проведения восстановительной термической обработки.
После этого изготавливались образцы для испытаний на ударную вязкость по стандартной методике, согласно ГОСТ 9454 [79] и проводились испытания с помощью маятникового копра. Затем сравнивались значения, полученные разрушающим и неразрушающим методами.
Приведем пример определения значения ударной вязкости для четвертого образца таблицы 4.2:
Определяем значение относительного сужения ψ по формуле 4.5 (с учетом того, что k = 2,235 при нагрузке 200Н):
Определяем значение ударной вязкости по формуле 4.6 (с учетом того, что γ = 0,83 при 0,4< ψ ≤ 0,6):
Значение ударной вязкости, определенное разрушающим методом составило 0,8 МДж/м2. Результаты исследований представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Значения ударной вязкости, определенные разрушающим и неразрушающим методами
| № образца | 1′ | 2′ | 3′ | 4′ | 5′ | |||||
| KCU, МДж/м2 | 0,65 | 0,88 | 0,66 | 0,85 | 1,24 | 0,93 | 1,26 | 0,86 | 1,27 | 1,7 |
| KCU (ГОСТ 9454 [79]), МДж/м2 | 0,66 | 0,95 | 0,69 | 0,91 | 1,37 | 0,98 | 1,45 | 0,88 | 1,43 | 1,95 |
| погрешность*, % | 1,5 | 7,4 | 4,3 | 6,6 | 9,5 | 5,1 | 13,1 | 2,3 | 11,2 | 12,8 |
Примечание. Образцы 1-5 – без восстановительной термической обработки, 1′-5′ – после проведения восстановительной термической обработки.
* – погрешность определена относительно результатов, полученных по ГОСТ 9454 [79].
Из таблицы 4.3 видно, что минимальная и максимальная погрешность определения ударной вязкости составляют 1,5% и 13,1% соответственно, что, учитывая высокий уровень рассеивания ее значений для сварных соединений, является приемлемым результатом. При этом значения на всех образцах ниже соответствующих им значений, определенных разрушающим методом по ГОСТ 9454 [79]. Это позволяет говорить о некотором коэффициенте запаса ударной вязкости, и данное обстоятельство положительно влияет на надежность эксплуатации магистрального трубопровода при определении ударной вязкости кольцевого сварного соединения по предложенному способу. Для более точного определения ударной вязкости необходимо использовать уточняющие коэффициенты.
Таким образом, предложенный неразрушающий способ может быть использован в качестве экспресс-метода определения ударной вязкости металла кольцевого сварного соединения магистрального трубопровода при контроле его технического состояния.
Выводы по главе 4
1. Предложенный неразрушающий способ определения ударной вязкости кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов путем измерения геометрических параметров пирамидального отпечатка, полученного при определении твердости по Виккерсу, и расчета значения ударной вязкости по приведенным выше уравнениям, может быть использован в качестве экспресс-метода определения ударной вязкости при контроле технического состояния магистральных трубопроводов. [4-А, 9-А]
2. Установлено, что погрешность определения ударной вязкости не превышает 13,1% по сравнению с базовыми значениями, определенными по ГОСТ 9454 [79]. При этом расчетные значения ниже определенных разрушающим методом, что положительно влияет на надежность эксплуатации магистральных трубопроводов при использовании предложенного неразрушающего способа определения ударной вязкости. Такая точность приемлема в инженерной практике и предложенный способ позволяет оценивать необходимость термической обработки кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов и контролировать ее качество. [4-А]
3. Предложенным неразрушающим методом подтверждена эффективность восстановительной термической обработки сварных соединений магистральных трубопроводов на определенных оптимальных режимах, после которой определен прирост ударной вязкости до 50%.