Процесс деформирования любых твердых тел начинается с упругой деформации. Простота законов, устанавливающих однозначную связь между силами (напряжениями) и упругими деформациями (исчезающими после снятия нагрузки), способствовала тому, что теория упругости приобрела большую роль в механике твердых деформируемых тел.
Название “пластическая деформация” относится к остаточной деформации сдвига в кристаллических телах и прежде всего в металлах. Она вызывается действием касательных напряжений.
Сосуды, аппараты и трубопроводы являются объектами сложных технических систем, к прочности, ресурсу и надежности которых должны предъявляться весьма высокие требования. В настоящее время общепризнанно, что при изготовлении таких крупногабаритных сварных конструкций оболочкового типа, создание бездефектных конструкций практически невозможно.
Механизм разрушения и долговечность материала определяются постепенным накоплением локальных дефектов - деформаций и трещин в материале. Локальные дефекты материала, создавая локальные перенапряжения, становятся центрами разрушения.
Природа происхождения дефектов различна. Можно различать дефекты атомного строения (вакансии, дислокации), без которых реальных материалов не существует. Главным из них, снижающим теоретическую прочность металлических материалов до уровня реальной, является дефект строения кристаллической решетки, называемой дислокацией.
Именно дислокации являются основной причиной пластической деформации кристаллических тел (ковки, штамповки и прокатки). Начавшаяся пластическая деформация, сопровождающаяся в конечном счете изменением формы и размеров объекта, резко затормаживает рост напряжений, которые не могут достигнуть теоретического уровня в процессе всей деформации вплоть до разрушения.
В инженерных расчетах на прочность, при анализе причин и характера разрушения объектов сложных технических систем традиционно рассматриваются дефекты, имеющие металлургическую природу (раковина, усадочные трещины) или технологическое происхождение (сварочные, закалочные, ковочные трещины), а также дефекты (особенно опасны трещиноподобные дефекты), которые могут появиться или развиваться в результате длительной эксплуатации аппарата. Доказано, что под воздействием коррозионно-активной среды, циклического нагружения и других факторов дефекты могут увеличиваться в размерах и тогда их развитие переходит из стадии стабильного (контролируемого) в стадию спонтанного разрушения. Поэтому неслучайно, что в практике эксплуатации сварных конструкций отмечаются случаи их преждевременного разрушения.
Разрушение - один из видов нарушения прочности.
Нарушение прочности конструкции или его отдельного элемента может происходить в результате чрезмерной (упругой или пластической) деформации, потери устойчивости, разрушения.
Разрушение может быть частичным или полным. При частичном разрушении в теле возникают повреждения материала в виде отдельных трещин или в виде распределенной по объему дефектности материала, выражающейся в изменении (в неблагоприятную для прочности сторону) его механических свойств. При полном разрушении происходит разделение тела на части.
Виды разрушения:
Хрупкое и вязкое разрушение в изломе выглядят по-разному. Полностью хрупкий разрыв распространяется в кристаллических телах вдоль простых кристаллографических плоскостей (как правило, с малыми индексами) и дает гладкую поверхность излома, состоящую из плоских граней расколотых кристаллических зерен. Последние обладают высокой отражающей способностью, что создает металлический блеск. Такой вид разрушения будем называть отрывом.
В месте отрыва заметной остаточной деформации металла не наблюдается. Отрыв вызывается действием нормальных напряжений.
Пластическое разрушение сопровождается пластической деформацией, о чем свидетельствуют утонение образца и неровная волокнистая поверхность излома. При пластическом разрыве кроме нормальных напряжений в разрушении участвуют и касательные, так как пластическая деформация вызывается действием только касательных напряжений. В тех случаях, когда разрушение происходит под действием только нормальных или только касательных напряжений, внешним признаком может служить вид разрушения: разная ориентация излома относительно направления главных напряжений в образце. Наглядно это проявляется при разрушении кручением пластичной и хрупкой сталей.
Вследствие указанных причин хрупкие материалы для изготовления несущих элементов конструкций, работающих на растяжение, в машиностроении не пригодны.
Анализ причин аварий конструкций и машин, проводящийся периодически в разных областях техники, показывает, что разрушение деталей имеет во многих случаях хрупкий характер, в то время как эти детали были сделаны из пластичных материалов. Образцы, вырезанные из потерпевших аварию деталей после их хрупкого разрушения, при испытании на осевое растяжение в лабораторных условиях снова показывают пластический характер разрушения, которому предшествует заметная пластическая деформация.
Таким образом, практика подтверждает результаты исследований, что хрупкость и пластичность не есть неизменные свойства материалов, а являются лишь состояниями, в которых материалы могут находиться. Под влиянием различных факторов материалы могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Например, высокоуглеродистые инструментальные стали, хрупкие при комнатной температуре, становятся пластичными при высоких температурах и поддаются горячей пластической обработке; то же самое можно сказать и о ковких чугунах. Инструментальные стали, хрупкие при растяжении или изгибе, ведут себя как пластичные при деформации кручением и т.д.
Причины перехода металлов из пластичного состояния в хрупкое и из хрупкого в пластичное заключаются в том, что возможность начала пластической деформации и возможность хрупкого разрушения не связаны между собой, они совершаются разными механизмами и зависят от разных внешних и внутренних факторов.
Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины и наклепанного материала у поверхности трещины. Остальной, и значительно больший по величине, объем тела находится при этом в упругом состоянии.
В последнее время квазихрупким называют разрушение, при котором разрушающее напряжение в сечении нетто σкр выше предела текучести σт , но ниже предела прочности σв . На рис. 3.1 показаны температурные области хрупких I, квазихрупких II и вязких (пластичных) III состояний. В области I скорость трещины велика, излом кристаллический; в области II скорость трещины по-прежнему велика (0,2-0,5 скорости звука), излом кристаллический ; в области III скорость трещины мала (<=0,05 скорости звука), излом волокнистый.
Граница между областями I и II определяется критической температурой хрупкости Ткр2 по критерию σкр = σ2 , а между областями II и III - видом излома по критерию равенства площади критического излома волокнистому (доля волокна в изломе В = 50%).
4. Усталостное. Происходит при циклическом (повторном) нагружении в результате накопления необратимых повреждений. Излом макроскопически хрупкий, его поверхность имеет выраженную кристалличность. Этот вид разрушения считается наиболее опасным, так как реализуется без макроскопической деформации и высоких скоростей распространения трещины.
Усталость характеризуется номинальными напряжениями предела текучести; повторное нагружение макроскопически происходит в упругой области, поэтому число циклов до разрушения велико.
Малоцикловая усталость (или иначе повторно-статическое нагружение) характеризуется номинальными напряжениями, большими пределами текучести; при каждом цикле нагружения возникает макроскопическая пластическая деформация; число циклов до разрушения сравнительно невелико.
Рис. 3.1. Температурные области хрупких (I), квазихрупких (II) и пластических (III) состояний
5. Деформация и разрушение при ползучести. Такой механизм разрушения реализуется при повышенных температурах эксплуатации аппарата.
6. Коррозионное. Происходит от совместного воздействия коррозионно-активной рабочей среды и внутреннего давления в аппаратах. Особенно возрастает коррозионное разрушение в связи с усталостным и коррозионно-механическим воздействием.
Трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком разрушении. Например, при однократном статическом растяжении гладкого образца момент появления первой трещины частичного разрушения соответствует точке А на диаграмме растяжения (рис. 3.2), причем чем чувствительнее метод дефектоскопии, тем ближе точка А располагается к началу диаграммы. Отсюда следует, что трещина возникает и даже распространяется до исчерпания конструкцией своей несущей способности. Поэтому знание законов распространения трещины для регулирования роста трещины и сознательное их использование позволяют контролировать, тем самым, и несущую способность детали. Относительная продолжительность процесса усталостного разрушения образца с трещиной показана на рис. 3.3.
Рис. 3.2. Диограмма деформирования "сила Р - смещение Δ"
Рис. 3.3. Относительная продолжительность процесса усталостного разрушения после возникновения трещины (заштрихованно) в процентах по отношению к общей долговечности образца:
1-идеальный случай однородного материала и однородного нагружения;
2-гладкий образец на воздухе;
3-надрезанный образец на воздухе;
4-гладкий образец в пресной воде;
5-гладкий образец в 3%-ном растворе HCL;
6-гладкий образец из чугуна на воздухе
Часто хрупкое разрушение конструкций происходит от катастрофического распространения трещин при средних напряжениях ниже предела текучести и кажущихся инженеру-конструктору безопасными. Подобные разрушения указывают на недостаточность классических методов расчета на прочность по упругому и пластическому состояниям. Они указывают на необходимость дополнения классических расчетов новыми методами на прочность, учитывающими законы зарождения и развития трещин, а также новые характеристики материала, оценивающие стадию разрушения.
Развитие энергетики, авиационной и ракетной техники привело к тому, что раннее разрушение (в некоторых случаях) допускается в условиях эксплуатации конструкционных материалов. В связи с этим, наряду с оценкой чувствительности материалов к трещинам, большое значение начинает приобретать также и теоретический анализ трещин. Наука о прочности материалов и конструкций, которая связана с изучением несущей способности тела, как с учетом начальных трещин, так и без него, а также с изучением различных закономерностей развития трещин, называется механикой разрушения.
Изучение процесса разрушения показало односторонность распространенного мнения о сопротивлении отрыву как о постоянной материала и привело к замене схемы одновременного (по всему сечению) разрушения схемой постепенно распространяющейся трещины. Типичным считается развитие трещины из одного или немногих центров. Квазиодновременность разрушения (при определении сопротивления отрыву) рассматривается как частный случай.
Одновременное разрушение (по всему сечению детали) определяет “потолок” прочности, т.е. по значению прочности, которое можно получить, идеализируя условия. В этом случае стадия разрушения занимает весьма малую часть общей продолжительности процесса деформации детали и максимальная нагрузка совпадает с полным разрушением.
Однако в условиях эксплуатации деталей, в результате наличия надрезов, перекосов, влияния среды и т.п., стадия разрушения (т.е. возникновение и развитие трещины) появляется задолго до исчерпания несущей способности (до максимальной величины нагрузки, выдерживаемой деталью). При этом прочность материала (детали в идеализированных условиях) недоиспользуется или даже не используется вовсе. Длительность процесса разрушения (роста трещины) до полного разрушения занимает значительную часть “жизни” детали, доходя до 90% и выше. Главное - темп роста трещины, а не факт ее наличия. Поэтому для повышения прочности необязательно повышать среднее сопротивление отрыву - достаточно регулировать процесс появления и, в особенности, развития трещин. В конструкциях применяют различные препятствия, тормозящие развитие трещин и сигнализирующие об их появлении, а также дополнительные элементы конструкции, берущие на себя часть нагрузки при уменьшении жесткости от возникшей трещины. Необходимо развивать методы расчета, пути распространения трещины (траектории трещины), связи ее размеров с внешней нагрузкой и кинематические характеристики движения конца трещины.
Необходимо отметить, что хрупкие разрушения реализуются не только в природно-хрупких материалах. При определенных условиях пластичные стали могут разрушаться по механизму хрупкого разрушения в результате действия ряда охрупчивающих факторов, которые можно разделить на три основные группы:
Можно отметить следующие особенности разрушений при статическом нагружении при одновременном действии механических нагрузок и рабочих сред. В условиях общей коррозии характер разрушений мало отличается от такового при статическом нагружении в нейтральной среде. В зависимости от качества металла и свойств коррозионной среды разрывы происходят по механизму вязкого или хрупкого разрушения. Важно подчеркнуть, что только лишь в условиях общей коррозии может реализоваться вязкое разрушение бездефектного металла оборудования при нормальных режимах эксплуатации. Это можно объяснить тем, что, несмотря на постоянство действующей на объект нагрузки, из-за уменьшения рабочего сечения при коррозии напряжения и деформации возрастают, и в определенный момент времени возможно наступление текучести металла, а затем потеря устойчивости пластических деформаций (шейкообразование) по аналогичному механизму при растяжении образца монотонно возрастающей нагрузкой. В условиях локализованной (язвенной, точечной) коррозии коррозионные поражения инициируются в областях с выраженной механохимической неоднородностью свойств. При этом окончательное разрушение происходит в результате сдвига или отрыва. Часто имеет место сквозное коррозионное поражение в виде язв без участков долома. Коррозионное растрескивание возможно даже при отсутствии макроскопических дефектов или концентраторов напряжений, например, в средах, содержащих влажный сероводород. Разрушение при коррозионном растрескивании, как правило, хрупкое. В сварных соединениях в большинстве случаев коррозионное растрескивание инициируется в местах перехода от металла шва к основному металлу. Особенностью разрушений при коррозионно-механическом воздействии является наличие на изломах продуктов коррозии, большого количества коррозионных поражений, ветвление трещин и др.
Многие элементы сварных аппаратов испытывают при эксплуатации циклические нагрузки, приводящие к явлению многоцикловой и малоцикловой усталости.
Усталостные изломы подобны хрупким и обладают теми же макрофрактографическими чертами статических изломов. Однако им присущи свои отличительные признаки. Усталостные изломы состоят из очага, зоны собственно усталостного излома и статического долома. Такое разделение усталостных изломов исходит из того, что вначале образуется микротрещина в очаге (различные концентраторы напряжений), далее происходит ее распространение до критических размеров и затем - разрушение подобно статическому. Таким образом, разрушения при циклических нагрузках отличаются от статических изломов лишь наличием гладкой с матовым блеском поверхности усталостного излома. Строение собственно усталостного излома зависит от большого количества факторов, в частности, от амплитуды циклов, паузы между ними и др. При нагружении с разными амплитудами напряжений и пауз между ними в усталостном изломе отмечаются усталостные линии, концентрично расходящиеся от очага разрушения как от центра. По соотношению зоны усталостного и статического излома можно судить о величине максимального напряжения цикла. Чем больше площадь статического долома, тем выше нагрузка. Шероховатость этой зоны также зависит от амплитуды напряжений. Меньшему значению амплитуды напряжений соответствует более гладкая поверхность усталостного излома. Усталостные линии представляют макроскопические признаки усталостного излома, связанные с замедлением скорости или задержкой распространения трещины. Они соответствуют амплитудам напряжений, не приводящим к увеличению длины трещины после действия более высоких амплитуд. Отсутствие усталостных линий свидетельствует об устойчивом распространении трещины при неизменной амплитуде напряжений. Различие расстояния между усталостными линиями свидетельствует об изменяющемся характере приложенных напряжений циклов. С увеличением длины трещины скорость ее распространения возрастает, в результате чего увеличивается шероховатость поверхности излома. В области статического долома разрушения носят сдвиговой характер. Макрофрактографические особенности изломов малоцикловой усталости заключаются в строении собственно усталостных изломов. При относительно малом числе циклов нагружения (до тысячи) изломы при малоцикловой усталости близки к таковым при статическом растяжении. Разрушение сопровождается заметной макроскопичской деформацией (сужением). По мере увеличения числа циклов нагружения характер разрушения изменяется от вязкого к хрупкому разрушению. Поверхность собственно усталостного излома более шероховатая и составляет значительно меньшую долю в изломе, чем зона статического долома.
Таким образом, в зависимости от металла, условий и характера нагружения разрушение происходит по механизму вязкого или хрупкого разрушений. Вязкое разрушение реализуется в результате макроскопической или локальной потери устойчивости пластических деформаций. Деформации, предшествующие вязкому разрушению, достаточно велики и составляют более 10-15%. При нормальных условиях эксплуатации трубопроводов и сосудов вязкое разрушение возможно лишь при наличии макроскопических дефектов. Излом при вязком разрушении волокнистый, иногда имеет шиферность, древовидность, слоистость. Хрупкие разрушения трубопроводов и сосудов возможны при существенном охрупчивании металлов и наличии микро- и макроскопических дефектов. Хрупкое разрушение характеризуется кристалличностью и наличием радиальных рубцов в изломе, малой величиной утяжки (менее 20%) и остаточной деформацией. Причинами хрупкого разрушения являются: деформационное старение, низкая температура, динамичность нагрузки и др.
Современная теория физики твердого тела рассматривает процесс разрушения материала как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале с момента приложения нагрузки любой величины.
Скорость процессов механического разрушения деталей зависит от структуры и свойств материала, геометрической формы и состояния поверхности, от напряжения, вызываемого нагрузкой и температурой. В настоящее время экспериментально получена зависимость между ресурсом материала t, напряжением s и температурой t:
(3.1)Из формулы (3.1) видно, что при уменьшении температуры до нуля время разрушения увеличивается до бесконечности. Это означает, что разрушение при нагрузках ниже критической не может происходить в отсутствие теплового движения атомов. Механизм разрушен
Из формулы (3.1) видно, что при уменьшении температуры до нуля время разрушения увеличивается до бесконечности. Это означает, что разрушение при нагрузках ниже критической не может происходить в отсутствие теплов Внешние факторы, воздействующие на материал, могут существенно повлиять на значение c и тем самым на время tp.
Для скорости процесса разрушения можно написать
(3.2)Параметры 
- постоянные для конструкционных металлов и их сплавов, полимеров и ионных кристаллов, совпадают по величине соответственно с периодом и частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела (равны 10-12 - 10-14 с и 1012 - 1014 Гц). Параметр γ характеризует структурный коэффициент, определяющий чувствительность материала к напряжению. Выражения (3.1) и (3.2) справедливы для чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников, органического и неорганического стекла и др.
Зависимость (3.2) показывает, что разрушение образца следует рассматривать как процесс, в котором за счет тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер U0, сниженный в результате действия напряжений на величину γσ .
У металлов разрушение определяется в основном двумя процессами: разрывом межатомных связей за счет тепловых флуктуаций и направленной диффузией. Первый процесс описывается уравнением (3.2). Нарушение сплошности металла с точки зрения диффузии происходит в результате диффузии вакансий к трещинам, т.е. роста трещин за счет притока вакансий.
Старением материалов называются процессы изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения или эксплуатации. Старение можно рассматривать как физическое явление и как операцию термической обработки. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием материала и постепенным его переходом в стабильное (равновесное) состояние.
Старение материала может приводить как к улучшению, так и к ухудшению отдельных свойств материалов. Так, например, в некоторых случаях технологическими процессами предусматриваются операции искусственного старения материалов с целью улучшения их свойств (повышение прочности отливок из алюминиевых сплавов).
К старению металлов и сплавов следует относить все процессы изменения во времени их свойств, связанные с превращениями металлов и сплавов в твердом состоянии. К основным видам превращений в твердом состоянии относятся: аллотропическое превращение, мартенситное превращение и распад мартенситных твердых растворов, упорядочение и разупрочнение твердых растворов, образование твердого раствора из эвтектоидной смеси.
Эти процессы можно разделить на две группы: превращения, связанные только с изменением кристаллической структуры, протекающие без изменения химического состава образующихся при превращении фаз; превращения, сопровождающиеся образованием фаз с измененным химическим составом.
Наибольшее практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом перенасыщенных твердых растворов (процессы выделения) и распадом мартенситной структуры (тем более, что чистые металлы применяются очень редко). Эти процессы обусловлены неустойчивой (метастабильной) структурой сплава, получаемой в результате технологической обработки, например, закалки, наклепа и других, и связанной с появлением искажений кристаллической решетки. Такое метастабильное состояние характеризуется повышенным по сравнению со стабильным состоянием уровнем внутренней (свободной) энергии. Отсюда сущность процесса старения - самопроизвольный переход из нестабильного состояния в более стабильное с более низким уровнем внутренней энергии, связанной с атомными перемещениями в решетке металла. Температура и деформации способствуют этим перемещениям.
При циклических режимах нагружения длительно проработавших аппаратов металл подвергается деформационному старению. При этом изменяется дислокационная структура металла и перераспределяются примесные атомы (например, азота) в кристаллах. В результате старения металла повышаются пределы прочности sв и текучести σ т(σ 02), значительно снижаются пластические характеристики (относительное удлинение d и сужение y). Металл становится более хрупким, и это приводит к ускорению усталостного разрушения. Поскольку в вершине дефектов всегда наблюдается концентрация деформаций, там и старение протекает быстрее.
Любая сварная аппаратура, формируемая в реальных условиях изготовления, неизбежно претерпевает изменения, связанные с накоплением дефектов, снижающих в той или иной степени надежности аппарата. Главной причиной появления дефекта является отклонение рабочего параметра от его нормативного значения, задаваемого, как правило, обоснованным допуском. То есть любое несоответствие контролируемого параметра качества регламентированным нормам можно рассматривать как дефект. Выход параметра за пределы регламентированного допуска обусловлен целым рядом случайных и неслучайных факторов. Дефект, не выявленный при изготовлении аппарата, является потенциальным очагом отказа, а вероятность отказа зависит от размеров дефекта, условий его подрастания при эксплуатации и степени опасности. При оценке степени влияния дефекта на работоспособность аппарата приходится учитывать условия его работы, характер дефекта (величину, местонахождение) и другие факторы. Так, при оценке влияния на работоспособность аппарата дефектов металла обечаек (днищ), обусловленных металлургическими, а также чисто внешними (механическими) причинами, учитывают такие факторы: режим эксплуатации (по величине и характеру распределения нагрузок, температурные условия); физико-химические свойства рабочего продукта; уровень действующих напряжений; возможность и характер перегрузок; ориентация дефекта в конструктивном элементе; степень концентрации напряжений; чувствительность материала к концентратору напряжений.
В соответствии с ГОСТ 17102 термин дефект определяют как каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией.
Дефекты конструктивных элементов обечаек (днищ и т.д.) аппаратов следует рассматривать с двух самостоятельных позиций, обусловленных некачественным металлом, либо нарушением внешней и внутренней целостности поверхности стенки обечаек (днищ) аппарата.
Все дефекты стенки аппаратов по их происхождению можно разделить на три группы (табл. 3.1).
| Дефект | Описание и геометрические характеристики дефекта |
|---|---|
| Металлургического происхождения | |
| Трещина | Узкий разрыв металла, направленный в глубь металла под углом, близким к 90°. Направление трещины на поверхности аппарата (трубы) может быть произвольное. Трещины подразделяются на сквозные и несквозные |
| Расслоение | Нарушение сплошности металла, направленное параллельно плоскости листового проката. Более присуще толстостенному прокату свыше 15-20 мм |
| Закат | Нарушение сплошности поверхности в направлении прокатки по всей длине обечайки или на значительной ее части |
| Плена | Отслоение металла различной толщины и размера, чаще всего языкообразной формы, вытянутое в направлении прокатки и соединенное с основным металлом одной стороной. Нижняя поверхность плены, а также образованное ею углубление, окислены |
| Вмятина в прокате | Отдельное местное углубление различной величины и формы, образовавшееся от вдавливания валками неудаленной окалины, металлической крошки или от случайных ударов |
| Рванина | Раскрытый глубокий окисленный разрыв поверхности металла разнообразного очертания, расположенный поперек или под углом к направлению прокатки и образующийся при горячей прокатке несовершенной калибровки валков, пониженной пластичности или пережоге металла |
| Риска | Продольная канавка, образовавшаяся от царапанья поверхности металла наварами и другими выступами на прокатном инструменте |
| Механические повреждения | |
| Царапина | Повреждение наружной поверхности металла в результате однократного динамического взаимодействия поверхности с перемещающимся относительно нее твердым телом (“индентором”), имеющим острые края. При образовании царапины контактные напряжения достигают разрушающих значений. Форма поперечного сечения царапины близка к треугольной или трапециевидной и может изменяться по длине. Направление относительно продольной оси аппарата (трубы) - произвольное. Форма царапины на поверхности обечаек корпуса аппарата (трубопровода) может быть прямолинейной, криволинейной и полигональной |
| Задир | Повреждение с теми же характеристиками, что и у царапины. В отличие от царапины задир имеет зазубренные края. Задир характеризуется когезионным отрывом, при котором прочность фрикционных связей между поверхностью металла и царапающим телом выше прочности основного материала стенки аппарата |
| Забоина | Повреждение, проявляющееся в результате динамического взаимодействия поверхности аппарата (трубы) с твердым телом, имеющим острые края, без тангенциального перемещения. В зависимости от характера и силы удара забоина может иметь различную форму, площадь и глубину (до 4 мм). В стенке обечайки аппарата в момент удара возникают значительные напряжения изгиба. Площадь забоины условно равна произведению ее длины (максимального линейного размера забоины в плане) на ширину (наибольший размер, перпендикулярный длине забоины) |
| Вмятина | Повреждение в результате статического или динамического взаимодействия поверхности аппарата (трубопровода) с твердым телом, не имеющим острых кромок. Вмятина характеризуется плавным сопряжением поверхностей, образующих углубление, с поверхностью обечайки. Характерным параметром вмятины является ее глубина, определяемая как максимальное радиальное смещение поверхности вмятины от своего первоначального (номинального) положения |
| Дефекты сварных соединений | |
| Трещина (технологи-ческая трещина при сварке) | Наиболее опасный дефект сварного соединения в виде узкого разрыва металла, направленного под углом примерно 90° к поверхности стенки обечайки (днища) аппарата. Трещины могут образовываться в шве, зоне термического влияния и по границе сплавления |
| Пора | Дефект металла сварного шва обычно в виде округлых несплошностей (пустот) |
| Шлаковое включение | Дефект металла сварного шва в виде заполненной шлаком несплошности металла различной формы |
| Непровар | Дефект сварного шва, заключающийся в отсутствии сплавления между металлом шва и основным металлом или (при многослойной сварке) между отдельными слоями шва |
| Подрез | Дефект сварного соединения, представляющий собой углубление (канавку) в основном металле, расположенное вдоль границы шва |
| Смещение | Неправильное положение кромок друг относительно друга, когда плоскости, касательные к поверхности стыкуемых деталей, не совпадают |
Неправильное положение кромок друг относительно друга, когда плоскости, касательные к поверхности стыкуемых деталей, не совпадают
| Вид дефекта | Ручная электродуговая сварка | Автоматическая и полуавтоматическая сварка |
|---|---|---|
| Непостоян-ные по длине, ширине и высоте швы | Неравномерный зазор между кромками свариваемых элементов; неравномерное перемещение электрода; несоблюдение установленного режима сварки; низкая квалификация сварщика | Неравномерное вращение обечаек, трубы, изменение скорости подачи сварочной проволоки; изменение зенита в процессе сварки; изменение силы сварочного тока и напряжения в процессе сварки; наличие “губ” и выхватов на стыке; увеличенный вылет сварочной проволоки; несоответствие грануляции флюса |
| Грубая чешуйчатость шва | Низкое качество электродов, неумение манипулировать электродом; неправильно подобранные силы тока и скорость сварки | Увеличенный вылет сварочной проволоки; большая толщина флюсовой подушки; смещение зенита; увеличение угла наклона сварочной проволоки |
| Подрезы | Применение тока чрезмерно большой силы, сварка длинной дугой, низкая квалификация сварщика, неумение манипулировать электродом; сварка на одну кромку | Смещение сварочной головки и мундштука на одну кромку; наличие “губ” на стыке; большая сила тока и малое напряжение сварочной дуги; износ наконечника |
| Трещины | Напряжения, возникающие в металле вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, усадки; способность высокоуглеродистых (С?0,25%) и легированных со стойкими карбидообразующими элементами (Сr, M0, V, W - содержащих) сталей подвергаться закалке при охлаждении после сварки; повышенное содержание вредных примесей в металле (серы, фосфора); попадание влаги на сварной шов при сварке; нарушение технологии сварки | Напряжения, возникающие в металле вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, усадки; способность высокоуглеродистых и легированных со стойкими карбидообразующими элементами (Сr, M0, V, W - содержащих) сталей подвергаться закалке при охлаждении после сварки; повышенное содержание вредных примесей (серы, фосфора) в металле; попадание влаги на сварной шов при сварке |
| Непровары | Недостаточный угол скоса кромок; неудовлетворительная зачистка кромок, отсутствие зазора, большое притупление, смещение кромок; недостаточный или избыточный ток; слишком быстрое перемещение электрода к одной кромке; сварка длинной дугой; изменение силы тока при сварке | Недостаточная сила тока, избыточное напряжение дуги; смещение сварочной головки на одну кромку; неравномерное вращение обечаек и нестабильная подача сварочной проволоки; сварка электродами “углом вперед”, смещение электрода с зенита вперед |
| Поры | Повышенное содержание влаги в обмазке электрода; окалина и ржавчина на кромках стыка; влага на стыке; несоблюдение установленного режима сварки; сварка длинной дугой; появление “козырьков” при сварке в обмазке электрода; выдувание сварочной дуги ветром; несоответствие химического состава металла электрода или присадочного материала | Наличие инородных тел в стыке; малая толщина флюсовой подушки и выдувание ее ветром; увеличение вылета сварочной проволоки; ржавчина на проволоке; флюс крупного гранулометрического состава; попадание влаги на сварочную ванну; влажная поверхность стыка; несоответствие химического состава проволоки или флюса |
| Шлаковые включения | Неудовлетворительная зачистка кромок предыдущего слоя; неумение манипулировать электродом; неравномерное плавление электродной обмазки ; загрязнение основного и присадочного металла окислами; сварка электродами большого диаметра в потолочной части стыка; изменение угла наклона электрода к трубе | Неудовлетворительная зачистка кромок предыдущего слоя от шлака; смещение сварочной головки на одну кромку; смещение зенита вперед; увеличение угла наклона и вылета сварочной проволоки; малая сила тока и большое напряжение сварочной дуги; отсутствие зазора; местное смещение кромок; увеличение флюсовой подушки, сварочной ванны и наличие во флюсе инородных тел; неравномерное вращение трубы и подача сварочной проволоки |
| Прожоги | Большая сила тока; недостаточная толщина металла; малая величина притупления кромок, большой зазор (выхваты) и малая толщина предыдущего слоя; резкое изменение силы сварочного тока при сварке; большая сила тока при малой скорости сварки | Большая сила тока, недостаточная толщина металла; малая величина притупления кромок, большой зазор (выхваты) и малая толщина предыдущего слоя; резкое изменение силы сварочного тока при малом напряжении; недостаточная скорость вращения трубы; уменьшение угла наклона и вылета сварочной проволоки; смещение зенита от себя; увеличение флюсовой подушки |
| Пережог | Значительная окислительная среда; большая длина дуги; неправильно подобранная скорость сварки (по отношению к силе тока), повышенная интенсивность режима сварки; увеличение толщины наплавки слоя более чем на 4-5 мм | Значительная окислительная среда; большая длина дуги; неправильно подобранная скорость сварки (по отношению к силе тока), интенсивность режима сварки; увеличение толщины наплавки слоя более чем на 6-7 мм |
Форма и размеры швов установлены стандартами, правилами и нормами, техническими условиями, их указывают на рабочих чертежах. При сварке плавлением наиболее часто встречаются такие дефекты формы и размеров сварных соединений, как неполномерность шва, его неравномерная ширина и высота, крупная чешуйчатость, бугристость, седловины.
Для правильного назначения методов и средств инструментального контроля качества листового проката обечаек (днищ) и сварных соединений необходимо знать количественные характеристики дефектов. В табл. 3.3 приведены допустимые параметры основной части дефектов, встречаемых в сварном аппарате и трубопроводе.
| Вид контроля | Дефект | Допустимые параметры дефектов |
|---|---|---|
| Визуальный, инструменталь-ный | Трещина в листе Расслоение, закат, плена, рванина | Не допускается В металле аппарата и труб данные дефекты не допускаются. Допускается зачистка внешних дефектов при условии, что толщина стенки трубы после зачистки не выходит за пределы допусков |
| Вмятина | Вмятины глубиной до 50 мм подлежат выправлению, а участки труб с вмятинами глубиной более 50 мм должны быть удалены | |
| Подрез глубиной не более 0,5 мм | ||
| Смещение кромок | При дуговых методах сварки: до 10% толщины свариваемых листов аппарата и 20% толщины стенки трубы, но не более 3 мм; при электроконтактной сварке оплавлением: до 25% толщины стенки, но не более 3 мм; местные смещения до 20% периметра стыка, до 30% толщины стенки, но не более 4 мм | |
| Физические методы | Трещина (при сварке) | Не допускается |
| Шлаковые включения | Глубиной до 10% толщины стенки трубы при суммарной протяженности до 1/6 периметра стыка | |
| Поры | Наибольший размер поры: до 20% от толщины стенки при расстоянии между соседними порами не менее трех толщин стенки; до 15% при расстоянии между соседними порами не менее двух толщин стенки; | |
| до 10% при расстоянии между соседними порами менее 3-кратного размера поры на участках общей протяженностью не более 30 мм на 500 мм шва | ||
| Непровар | Местный непровар в корне шва глубиной до 10% от толщины стенки (но не более 2 мм для аппарата и 1 мм для трубы) суммарной протяженностью 20% длины шва аппарата и трубы до 1/6 периметра стыка В стыках трубопроводов диаметром 1020 мм и более на участках, выполненных с внутренней подваркой, непровары в корне шва не допускаются Суммарная протяженность непровара по кромкам и между слоями в неповоротных стыках труб, выполненных автоматической дуговой сваркой, не должна превышать 50 мм на участке шва длиной 350 мм | |
| Непровар и шлаковые включения, расположенные в одной плоскости | Глубиной до 10% толщины стенки свариваемых элементов аппарата или трубы, но не более 2 мм для аппарата и 1 мм для трубы. При этом протяженность дефектного участка не должна превышать 5% от длины шва аппарата и 50 мм на участке шва длиной 350 мм для трубы | |
При автоматической сварке дефекты возникают вследствие колебания напряжения в сети, проскальзывания проволоки в подающих роликах, неравномерной скорости сварки из-за люфтов в механизме передвижения сварочной головки, неправильного угла наклона электрода, протекания жидкого металла в зазор. При ручной и полуавтоматической сварках дефекты могут быть вызваны недостаточной квалификацией сварщика, нарушением технологических режимов, плохим качеством электродов и других сварочных материалов. Нарушение формы и размеров шва нередко свидетельствуют о наличии таких дефектов, как наплывы (натеки), подрезы, прожоги и незаверенные кратеры.
Все возможные дефекты аппарата целесообразно привести к пятизначному цифровому шифру, выраженному в десятеричной системе. В этом случае информативность шифра определяется содержанием составляющих его цифр:
В сварочном производстве, так же как и в машиностроении вообще, часто используют термин надежность в более широком смысле, чем сохранение работоспособности изделий при их эксплуатации. В частности, применяют термины - потенциальная, технологическая, производственная надежность и др. Однако количественных характеристик для этих понятий пока нет.
Основной материал в процессе сварки обычно не сохраняет свои первоначальные свойства. Поэтому для оценки качества (потенциальной надежности) сварных соединений целесообразно рассматривать особенности его изменения до эксплуатации, в процессе изготовления. Будем считать, что сварное соединение может быть выполнено либо равнонадежным (равнопрочным) основному материалу, качество которого условно принимается за единицу, либо быть слабее основного материала (последнее не допускается в аппаратах). Тогда формирование качества Н сварных соединений можно представить как серию условных уровней качества (рис. 3.4).
В ряде практических случаев (рис. 3.5) можно полагать Δэ ˜ 0, что соответствует широкому кругу соединений общего назначения (аппараты из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей), работающих без заметного ухудшения свойств сварных соединений. Тогда уровень Нэ соответствует уровню Нпт и по значениям Δпт можно фактически прогнозировать величину эксплуатационной надежности Нэ. Поэтому производственно-технологическую надежность соединений можно назвать потенциальной надежностью.
На общей схеме формирования качества (эксплуатационной надежности) сварного аппарата условно показаны плотности статистических распределений свойств материала R и сварного соединения W и вероятности γ, отвечающие реализации свойств R и W.
Значения потерь качества Δпт могут определяться по результатам натурных испытаний аппаратов, а также по результатам комплексного контроля неразрушающими и разрушающими методами, что позволяет оценить вероятность потери работоспособности сварного аппарата.
Рис. 3.4. Общая схема-модель оценки качества (надежности) сварного аппарата:
Ни - надежность условного идеального соединения без сварки; надежность сварного соединения: Нт - технологическая; Нэ - эксплуатационная; Нпт - производственно-технологическая; потери надежности; Δт - технологическая, за счет изменения свойств материала при сварке; Δп - производственная, за счет сварочных дефектов; Δпт - производственно-технологическая; Δэ - эксплуатационная; R - свойства материала; W - свойства сварного соединения; γ - вероятность
Рис. 3.5. Типовые варианты формирования качества (эксплуатационной надежности) Н сварных соединений при наличии износовых отказов и малой потере Δпт(а); при отсутствии износовых отказов (Δэ˜0) и значительной потере Δпт (б, в)
Как отмечали ранее (раздел 2.2), понятию отказа в теории надежности соответствует принятое в науке о прочности понятие предельного состояния. Возможны различные варианты предельных состояний, ограничивающих условия нормальной эксплуатации аппаратов, например, потеря прочности, потеря жесткости и т.п. Существует также много способов разрушающих испытаний для оценки работоспособности материалов, конструкций или сварных соединений в условиях достижения какого-либо из возможных предельных состояний.
При оценке работоспособности необходим анализ условий эксплуатации, который позволяет выбрать вид доминирующего d-отказа (σв, σт , e и т.п.), соответствующего наибольшей вероятности достижения предельного состояния сварного аппарата (рис. 3.6).
Учитывая представленную выше схему-модель оценки качества и условия доминирующего отказа, можно разбить задачу определения производственно-технологической потери работоспособности сварного аппарата (Δпт) на два этапа: оценку результатов разрушающих и неразрушающих испытаний.
Наличие тех или иных дефектов в сварных соединениях само по себе еще не определяет потерю работоспособности аппарата. Опасность дефектов зависит от большого количества конструктивных и эксплуатационных факторов.
К главным конструктивным особенностям влияния дефектов на работоспособность сварного аппарата можно отнести следующие факторы:
К эксплуатационным относятся следующие факторы:
Рис. 3.6. Схема оценки работоспособности сварного аппарата с учетом доминирующего отказа
Как видно из перечня, трудно разделить принадлежность отдельных факторов к конструктивным или эксплуатационным, поэтому в дальнейшем мы их будем называть конструктивно-эксплуатационными.
При контроле качества сварных соединений и оценке годности их к эксплуатации необходимо знать влияние наружных и внутренних дефектов на прочностные характеристики конструкции. Опасность дефектов наряду с влиянием их собственных характеристик (типы, виды, размеры, формы и т.п.) зависит от множества конструктивных и эксплуатационных факторов. Изучение этого вопроса представляет большие трудности как с практической, так и с теоретической стороны. В большинстве случаев степень влияния того или иного вида дефекта на работоспособность конструкций устанавливают испытанием образцов с дефектами.
При сдаче конструкции в эксплуатацию прежде всего оценивают допустимость наружных дефектов. Значения допустимости наружных дефектов, как правило, указаны в технических условиях на изготовление аппарата и зависят от условий его эксплуатации.
Установлено, что усиление шва не снижает статической прочности, однако, сильно влияет на циклическую прочность. Чем больше усиление шва и, следовательно, меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем сильнее оно снижает предел выносливости. Таким образом, наличие чрезмерного усиления шва может свести к нулю все преимущества, полученные от оптимизации технологического процесса по улучшению качества сварных соединений, особенно работающих при вибрационных, динамических и повторно-статических нагрузках.
Опасным наружным дефектом является подрез. Он не допускается в конструкциях, работающих на выносливость. Небольшой протяженности подрезы, ослабляющие сечение шва не более, чем на 5 % в аппаратах, работающих под действием статических нагрузок, можно считать допустимыми.
Наплывы, резко изменяя очертания швов, образуют концентраторы напряжений и тем самым снижают выносливость конструкций. Наплывы, имеющие большую протяженность, следует считать недопустимыми дефектами, так как они, кроме того, что вызывают концентрацию напряжений, нередко сопровождаются непроварами. Небольшие местные наплывы, вызванные случайными отклонениями сварочных режимов от нормальных, можно считать допустимыми дефектами.
Кратеры в металле шва, как и прожоги, во всех случаях являются недопустимыми дефектами и подлежат исправлению.
Для окончательной оценки качества сварного соединения аппарата необходимо знать допустимость внутренних дефектов, которую устанавливают на основе испытаний. Результаты многочисленных исследований показывают, что для пластичных материалов при статической нагрузке (рис. 3.7, кривые 1, 2, 4) влияние величины непровара на уменьшение их прочности прямо пропорционально относительной глубине непровара или его площади. Для малопластичных и высокопрочных материалов при статической (рис. 3.7, кривые 3, 5), а также при динамической или циклической нагрузках (рис. 3.8) пропорциональность между потерей работоспособности и величиной дефекта нарушается.
Рис. 3.7. Влияние относительной глубины Δh/S непровара корня шва на статическую прочность стыковых соединений (без усиления шва): 1 - сталь Ст3; 2 - сталь 12Х18Н9Т; 3 - сталь 25ХГФА; 4 - сплав Д16Т; 5 - сталь 30ХГСНА
Рис. 3.8. Влияние относительной величины Δh/S дефектов на усталостную прочность стыковых сварных соединений из низкоуглеродистой стали (без усиления 1 шва): 1 - подрезы; 2 - поры; 3 - непровар корня шва; 4 - шлаки
Установлено, что поры и шлаковые включения при их относительной суммарной площади в сечении шва до 5-10 % практически мало влияют на статическую прочность σвсоединения (рис. 3.9). Если швы имеют значительное усиление, то поры и шлаковые включения суммарной площадью (размером) 10-15 % от сечения шва мало влияют на статическую прочность. Для ряда конструкций (закладные детали, стыки арматуры) в зависимости от места расположения таких дефектов их допустимая величина может составлять 10-25 % от сечения шва.
Такие дефекты, как трещины, окисные плены, несплавления, являются недопустимыми в аппаратах.
Критериями отказов из-за коррозии могут быть такие события, как:
Рис. 3.10. Типовые виды функций изменения скорости коррозии металлов (t - продолжительность нахождения в агрессивной среде; ν доп- допустимая скорость коррозии)
Коррозию металлов классифицируют по ряду признаков:
Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролитов), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекает не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.
Процессы электрохимической коррозии описываются законами электрохимической кинетики. При этом процессе протекают две группы реакции: катодная и анодная. За счет возникающего электрического тока может иметь место удаление продуктов коррозии от очагов разрушения. На скорость процесса коррозии существенное влияние оказывает технология изготовления конструктивного элемента аппарата.
Выступы шероховатостей, как наиболее напряженные участки поверхности, являются анодами, поэтому чем выше шероховатость поверхности, тем более неоднородны ее участки по электрохимическому потенциалу и тем больше скорость коррозионного процесса.
Электрохимическая коррозия может появиться во всех случаях, когда есть граница раздела фаз металл-электролит независимо от природы и количества электролита. Анодный процесс при коррозии всегда заключается в ионизации металла и его растворении (разъедании). В катодном процессе могут участвовать разнообразные ионы или молекулы, являясь по отношению к металлу окислителями. Поскольку технически чистые металлы изделий всегда загрязнены примесями, а сплавы содержат еще и легирующие добавки, то поверхность металлов характеризуется структурной и термодинамической неоднородностью. Поэтому коррозия деталей - это коррозия многокомпонентного металла (множество микрогальванических пар) с неравновесным состоянием поверхности.
Каждому из металлических включений и термодинамически неоднородных участков соответствуют свои равновесные потенциалы катодных и анодных реакций и своя поляризуемость. Результирующая скорость коррозии поверхности определяется соотношением токов ионизации восстановления на всех микроучастках поверхности. Если в результате катодной реакции наблюдается процесс восстановления ионов водорода (Н++2е↔Н2), то коррозию называют коррозией с водородной деполяризацией, а если молекул кислорода, то называют коррозией с кислородной деполяризацией (О2+2Н2О+4е↔4ОН-).
Поскольку водный электролит всегда содержит водородные ионы и молекулы кислорода воздуха, то обе катодные реакции идут параллельно с соизмеримой скоростью или с преобладанием одной из них, которая и будет определять характер процесса и скорость коррозии поверхности.
Под химической коррозией понимается взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают в одном акте.
В каждом из типов различают несколько видов коррозии. Наиболее распространенными являются следующие виды коррозии:
В зависимости от степени охвата поверхности изделия коррозия подразделяется на сплошную, охватывающую всю поверхность металла; равномерную и неравномерную, протекающую соответственно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла и неодинаковой скоростью на различных участках поверхности; местную коррозию, охватывающую отдельные участки поверхности металла. В свою очередь местная коррозия подразделяется на:
По виду распространения коррозия подразделяется на следующие виды:
В зависимости от сочетания процесса коррозии с другими видами воздействия на аппарат выделяют:
На скорость коррозии оказывают влияние внутренние и внешние факторы. К первым относятся химический состав и структура металла, состояние его поверхности, наличие напряжений и т.п., причем с увеличением неоднородности свойства и структуры наблюдается возрастание скорости коррозии. К внешним относятся состав окружающей среды и условия, при которых протекают физико-химические процессы в аппарате (температура, давление, скорость потока и т.д.).
Наиболее часто встречающимися видами коррозии при эксплуатации нефтегазохимической аппаратуры являются различные разновидности электрохимической коррозии. Мероприятия по предотвращению или ослаблению электрохимической коррозии сводятся к проведению мероприятий, затрудняющих или исключающих путь электрическому току через металл или раствор, или же к уменьшению разности потенциалов двух разных элементов металлической конструкции.
Как отмечалось ранее (раздел 2.3), сварные соединения жаропрочных сталей типа 15Х5М имеют явно выраженную структурную механо-химическую неоднородность. Наиболее это присуще разнородным сварным соединениям, выполненным аустенитными электродами (рис. 2.7).
Общепринятая технология сварки с подогревом приводит к образованию широких твердых участков подкалки в околошовных зонах с крупноигольчатой мартенситной структурой. Укрупнение зерен, наряду с сопутствующими закалочными процессами, способствует скоплению на их границах дефектов кристаллической структуры, росту внутренней энергии и снижению сопротивления коррозионному разрушению. Структура аустенитного металла шва при этом более гетерогенная и вторичные избыточные фазы образуют замкнутые цепочки. Подогрев при сварке способствует росту количества избыточных фаз в структуре металла шва.
Сварка с регулированием термических циклов (РТЦ) за счет сопутствующего охлаждения, одновременно с уменьшением околошовных участков подкалки, сужает области термопластических деформаций при сварке и уменьшает несовершенство кристаллического строения, измельчает структуру зон сплавления. Кроме этого, более быстротечное высокотемпературное состояние при сварке стали 15Х5М с РТЦ сопутствующим охлаждением способствует образованию в ЗТВ промежуточных более равновесных структур закалки бейнитного характера с равномерно распределенными частицами карбидов по телу зерен, а увеличение скорости охлаждения при сварке создает условия гомогенизации аустенитного шва. При этом избыточные фазы выделяются в виде отдельных разобщенных включений или участков и получается мелкодисперсная более однородная структура шва повышенных свойств.
На рис. 3.11 показано распределение электродных потенциалов на сварных соединениях стали 15Х5М, выполненных аустенитными электродами. Сопоставлены локальные электродные потенциалы аустенитного шва и околошовных зон термического влияния при сварке по общепринятой технологии сварки с подогревом и по новой разработанной нами на кафедре “Технология нефтяного аппаратостроения” Уфимского нефтяного университета технологии сварки с сопутствующим охлаждением. Указанные разнородные участки, включающие аустенитный шов и основной металл мартенситного класса, обладают различным электрохимическим потенциалом.
Как видно из рис. 3.11 характер изменений в распределении электродных потенциалов сравниваемых сварных соединений аналогичен. Однако для сварных соединений, выполненных с подогревом (рис. 3.11, линия 1), как абсолютные значения, так и разности потенциалов между швом и околошовной подкалкой существенно выше, чем при сварке с сопутствующим охлаждением (рис. 3.11, линия 2). Увеличение электродных потенциалов φ, отмечаемых в околошовных зонах, свидетельствует о большей плотности и несовершенстве кристаллической решетки, обусловленных закалочными процессами и возникновением участков с повышенной термодинамической неустойчивостью.
Рис. 3.11. Распределение электродных потенциалов у сварных соединений из стали 15Х5М, выполненных электродами ОЗЛ-6:
1 - сварка с подогревом, 2 - сварка с сопутствующим охлаждением
Формирование более благоприятной структурно-механической неоднородности при сварке с РТЦ сопутствующим охлаждением обуславливает снижение степени электрохимической гетерогенности сварного соединения. В частности, установлено, что сварка с принудительным охлаждением приводит к снижению разности электродных потенциалов шва и околошовной зоны примерно в 2-3 раза в направлении улучшения условий сопротивления протеканию электрохимической коррозии по сравнению с соединениями, выполненными с подогревом.
Подтверждением отмеченного являются данные характера распределения микротвердости и рентгеноструктурного анализа микроискажений кристаллической решетки околошовных участков сварных соединений жаропрочной стали 15Х5М.
Рентгеноструктурным анализом на установке ДРОН-2 показано, что относительная микродеформация кристаллической решетки металла околошовных зон при сварке с подогревом составляет около (2-1,1)*10-3, при сварке с РТЦ - (1,5-1,6)*10-3, при этом микродеформация основного металла - (0,7-0,8)*10-3. Следовательно, уровень напряжений второго рода при сварке с РТЦ на 25-30% ниже, чем при сварке с предварительным нагревом.
Положительные эффекты при сварке с РТЦ проявляются и по интегральным показателям сопротивления коррозионно-механическому разрушению (рис. 3.12). При фиксированном номинальном напряжении долговечность сварных соединений, выполненных с принудительным охлаждением, примерно в 2-3 раза превышает долговечность сварных соединений, выполненных с предварительным нагревом. Образцы с поперечным швом в случае сварки с подогревом (см. рис. 3.12, а - линия 1) разрушаются преимущественно по линии сплавления с характерным для коррозионного растрескивания хрупким изломом, а при сварке с охлаждением (рис. 3.12, а - линия 2) по металлу шва, и разрушение вязкое. В образцах с продольным швом (см. рис. 3.12, б) разрушение начинается с участков подкалки χт. Чем больше χт (сварка с подогревом на повышенных режимах (рис. 3.12, б - линия 1)), тем раньше наступает разрушение. При этом, чем больше нагрузка (напряжение s) испытания, тем при меньших временах выдержки в коррозионной среде происходит образование первых трещин разрушения. Изломы сварных образцов, выполненных с подогревом в местах разрыва, имеют хрупкий характер разрушения без заметных следов пластической деформации на участках шва и ЗТВ. Образцы со сварным швом, выполненным с сопутствующим охлаждением, имеют вязкий характер разрушения за исключением участков ЗТВ, где квазихрупкое разрушение. Окончательное разрушение образцов происходит с заметным сужением. Следует отметить, что наиболее интенсивному коррозионному износу подвергается металл аустенитного шва со стороны его усиления.
Рис. 3.12. Долговечность сварных соединений из стали 15Х5М с поперечным (а) и продольным (б) швом в растворе соляной кислоты:
1 - сварка с предварительным подогревом; 2 - сварка с сопутствующим охлаждением
Результаты исследований дают основание рекомендовать технологию сварки стали 15Х5М без последующей термообработки для производства конструктивных элементов нефтехимического оборудования и трубопроводов. Предложенная технология сварки способствует повышению комплекса характеристик сопротивления механико-коррозионному разрушению сварных соединений из стали 15Х5М и позволяет снизить себестоимость производства конструктивных элементов аппаратов.
Стали типа 15Х5М относятся к числу термически стабильных. Однако при длительном воздействии высокой температуры в сварных разнородных соединениях могут образовываться переходные прослойки, обусловленные диффузионным перераспределением в них диффузионно-подвижных элементов. Исследования, проведенные Н.М. Королевым во ВНИИнефтемаше, показали, что интенсификацию диффузионных процессов вызывают циклические термические напряжения, обусловленные различием температурных коэффициентов линейного расширения аустенитного шва и основного металла. Помимо термических напряжений действуют также напряжения, возникающие вследствие наличия закаленных участков в околошовных зонах. Мартенситная пересыщенная структура закалки всегда обладает более высокой свободной энергией, чем равновесные фазы с таким же номинальным составом, т.е. околошовные зоны термического влияния закаливающейся стали характеризуются более структурно-напряженным состоянием. Как известно, напряженное состояние металла значительно влияет на скорость диффузионных процессов и их коррозионную стойкость.
Для определения причин растрескивания в сварных швах змеевиков трубчатых печей Ново-Уфимского НПЗ были исследованы участки с монтажными кольцевыми швами. Состояние околошовных зон сплавления и характер диффузионно-структурных изменений определяли металлографическим анализом и замерами микротвердости.
Рис. 3.13. Разрушение сварных соединений печных змеевиков из стали15Х5М, выполненных электродами ОЗЛ-6, по механизму коррозионного растрескивания (а) и ножевой коррозии (б)
Сварка труб из стали 15Х5М была выполнена аустенитными электродами марки ОЗЛ-6 (типа Э-10Х25Н13Г2). Необходимо отметить, что из-за неритмичной поставки сырья и слабой загрузки технологических установок НПЗ происходят частые их остановки. Такой температурный режим работы в сочетании с изменениями, вызываемыми коррозионным износом, приводят к повреждениям в зоне сварных стыков и отказам. В частности, наблюдались растрескивания по металлу закаленных зон термического влияния монтажных стыков (рис. 3.13, а) радиантного змеевика печи тяжелого сырья (среда керосин и водородсодержащая щелочь, рабочее давление на входе - 1,2 МПа, температура на входе - 150-200°С и на выходе - 360-390°С). Внутренняя и наружная поверхности монтажных кольцевых швов конвекционной части печи установки селективной очистки масляных фракций (среда масляная фракция в смеси с N-метилпиралидоном) подвержены коррозионному локальному разъеданию металла околошовных зон подкалки на глубину до 3,5-6 мм (рис. 3.13, б). На рис. 3.14 показан характер развития микротрещин в зоне сплавления стали 15Х5М с аустенитным швом змеевика печи установки селективной очистки масел 37/2.
Рассмотренные случаи разрушения змеевиков трубчатой печи следует оценивать с двух позиций.
Во-первых, при длительной эксплуатации разнородных сварных соединений сталей типа 15Х5М происходит изменение структурно-механической неоднородности. Вдоль зоны сплавления наблюдается науглероживание аустенитного металла сварного шва до 0,1-0,15 мм (рис. 3.14, б) с микротвердостью до 350-380 единиц и обезуглероживание основного металла на глубину до 0,005-0,12 мм (рис. 3.15). Микротвердость на феррритных (светлых) участках обезуглероживания (см. рис. 3.15) понижается до 90-120 единиц (900-1200 МН/м2). Микротрещины по границам ферритных зерен (см. рис. 3.14, а и б) имеют характерные признаки развития трещин термической усталости.
Во-вторых, сварные соединения разрушались по механизмам коррозионного растрескивания (при наличии водосодержащей щелочной среды) и ножевой коррозии (масляная фракция в смеси N-метилпиралидоном) по металлам участков ЗТВ, получивших при сварке закалочные неравновесные структуры.
При нормальной эксплуатации печи (без остановок и возможных перегревов труб из-за неполной загрузки змеевика обогреваемым сырьем) при рабочей температуре эксплуатации ниже 400°С отмеченные диффузионно-структурные изменения не происходили бы. Не было бы также электрохимической коррозии и сварные соединения змеевиков не подвергались бы разрушению.
Рис. 3.14. Характер развития микротрещин и микроструктура сплавления стали 15Х5М с аустенитным швом змеевика печи установки селективной очистки масел 37/2
Рис. 3.15. Распределение микротвердости сварных соединений стали 15Х5М змеевика печи установки селективной очистки масел
Для перераспределения углерода из твердого раствора с неравновесной структурой стали 15Х5М в аустенитный шов, видимо, требуется меньшая энергия, чем для разложения специального карбида в этой зоне с последующим перераспределением углерода. Такое допущение позволяет искать новые пути повышения эксплуатационной надежности рассматриваемых неоднородных сварных соединений в процессе сварки без последующей высокотемпературной термической обработки.
1. Волченко В.Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением статистических методов. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 160 с.
2. Морозов Е.М. Техническая механика разрушения. - Уфа: Изд-во МНТЦ “БЭСТС”, 1997. - 389 с.
3. Морозов Е.М., Зайнуллин Р.С., Шарафиев Р.Г. Механика развития трещин в деталях конструкций при испытаниях и эксплуатации. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996. - 88 с.
4. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России (РД 09-102-95).
5. ГОСТ 25294. Сварные соединения. Методы испытаний на коррозионное растрескивание.
6. ГОСТ 25997. Сварка металлов плавлением. Статическая оценка качества по результатам неразрушающего контроля.
7. ГОСТ 9908. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.
8. Старение труб нефтепроводов / А.Г. Гумеров, Р.С. Зайнуллин, К.М. Ямалеев, А.В. Росляков. - М.: Недра, 1995. - 218 с.
9. Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М., Мокроусов С.Н., Ямуров Н.Р. и др. Физические факторы разрушений нефтепроводов. - Уфа: МНТЦ “БЭСТС”, 1997. - 98 с.
10. Зорин Е.Е. Некоторые направления развития методов и средств диагностики конструкций в процессе эксплуатации // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1995. - № 3. С. 27-30.
11. Ибрагимов И.Г. Определение работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем: Автореферат диссертаций на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.04.09. - Уфа, 1997. - 47 с.
12. Коваленко В.В. Повышение и оценка остаточной работоспособности сварных элементов нефтехимического оборудования со смещением кромок Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.04.09. - Уфа, 1997. - 23 с.
13. Кузеев И.Р., Куликов Д.В., Мекалева Н.В. и др. Физическая природа разрушения. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997. - 287 с.
14. Халимов А.А. Вопросы технологии сварки элементов трубопроводов из стали 15Х5М при ремонте. // В кн.: Проблемы нефтегазового комплекса России. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: УГНТУ, 1995. - С. 23-33.
15. Зайнуллин Р.С., Халимов А.Г., Халимов А.А. Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей. - Уфа: УГНТУ, 1996. - 27 с.
16. Халимов А.А., Зайнуллин Р.С., Халимов А.Г. Диагностика разрушений сварных соединений жаропрочной стали 15Х5М. // В кн.: Проблемы механики сплошных сред в системах добычи и транспорта нефти и газа. По материалам Конгресса нефтепромышленников России. - Уфа: ИПТЭР, 1998. - С. 92-104.
17. Халимов А.А. Технология ремонта конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.04.09. - Уфа, 1999. - 19 с.
18. Халимов А.Г. Ресурсосберегающая технология изготовления элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М. - Уфа: МНТЦ “БЭСТС”, 1996. - 57 с.
, где σвo - предел прочности на воздухе, σвt - предел прочности в коррозионной среде);
, А/см2 - плотность коррозионного тока).