WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Испытания проводились на образцах типа XII, изготовленных согласно ГОСТ 9669-60, рабочая поверхность которых предварительно шлифовалась. Растяжение образцов осуществлялось в 3-х % среде NaCl (рН 7) в специально спроектированной и изготовленной электрохимической ячейке с постоянной скоростью деформации 0,1 мм/мин, что соответствует реальным скоростям нагружения. Кончик капилляра, заполненного агар-агаром, подводился к металлу сварного шва в центр галтели образца. Значение электродного потенциала определялось относительно хлорсеребряного электрода сравнения марки ЭВЛ-1М3.

Скорость анодного растворения определяли путем регистрации силы тока между деформируемым и аналогичным ему недеформируемым образцом, играющим роль катода в модели коррозионной пары.

Схемы электрохимических ячеек с образцом, в зависимости от условий испытаний, приведены на рисунках 4 и 5.

Испытания на малоцикловую коррозионную усталость сварных соединений проводились на плоских образцах размером 480х38х11 мм на усталостной машине (рисунок 6) по схеме чистого изгиба. В основу принципа действия испытательной машины для изучения малоцикловой усталости положен жесткий вид нагружения - контролируемым параметром циклического нагружения является амплитуда деформаций.

В работе применялся отнулевой цикл нагружения с частотой 50 циклов в 1 – образец; 2 – капилляр; 3 – корпус; 4 1 – образец; 2 – раствор 3% NaCl;

– трубка; 5 - электрод сравнения 3 – корпус; 4 – крышка; 5 – мульти(ЭВЛ); 6 – мультиметр; 7 - раствор 3% метр; 6 – вспомогательный электрод;

NaCl; 8 – крышка; 9 – пробка; 10 – за- 7 - захваты разрывной машины Р-5.

хваты разрывной машины Р-5; 11 – стакан.

Рисунок 5 - Схема электрохимичеРисунок 4 - Схема электрохимической ской ячейки для измерения тока ячейки для измерения электродного потенциала Рисунок 6 - Машина для испытания образцов на малоцикловую коррозионную усталость минуту. Величина деформации = 0,24 % устанавливалась рычажным деформометром Гугенбергера и соответствовала реальным величинам штатных заво дских сварных соединений электросварных труб. Исследования проводились на воздухе и в водном растворе 3 % NaCl. Длина трещины измерялась при помощи микроскопа МБС-9 при десятикратном увеличении.

В третьей главе приведены результаты исследований макро- и микроструктуры, механических свойств, макро- и микротвердости сварных соединений, а также определены значения скорости коррозии сварных соединений, выполненных электродами марок УОНИ 13/55(Б), МР-3(Р), Е4303, Е5015.

Для сооружения и ремонта трубопроводов широко используются углеродистые конструкционные качественные стали марок сталь 10, сталь 20, низколегированная 17Г1С производства России и сталь класса прочности Х70 производства Китая. Они обладают высокой вязкостью, свариваемостью и малой склонностью к старению, что дает возможность получать сварные соединения с высокими механическими свойствами.

Образцы для испытаний, выполненные различными электродами, отбирались из металлоконструкций производства России и Китая, изготовленных по стандартным технологиям.

Исследования макроструктуры сварных соединений показали отсутствие дефектов металлургического происхождения.

Сварка в производственных условиях проводилась за три прохода. Наружный слой шва, полученный за третий проход, имеет дендритную структуру.

Металл первого и второго слоев подвергался термическому воздействию от выполнения последующего слоя. Поэтому в макроструктуре шва дендриты в этих слоях не наблюдаются.

Исследуемые стали являются доэвтектоидными и имеют ферритноперлитную структуру (рисунок 7). Микроструктура стали 10 имеет равнооснные зерна, что характерно для горячедеформированного металла.

В сталях 20 и 17Г1С наблюдается ярко выраженная строчечность, направление которой совпадает с направлением прокатки листа.

Микроструктура швов имеет дендритное строение, причем швы, выполненные электродами марок УОНИ 13/45 и МР-3, имеют более крупные дендриты, чем после сварки электродами Е 4303 и Е 5015.

сталь сталь 10 сталь 17Г1С шов УОНИ 13/45 шов МР - 3 шов Ешов Е5015 зона перегрева зона нормализация Рисунок 7 - Микроструктура сварных соединений (Х 200) Зона перегрева имеет крупнозернистую видманштеттовую структуру, а зона нормализации, где прошла полная фазовая перекристаллизация, мелкозернистую.

В диссертационной работе проводилось измерение твердости по зонам сварных соединений, полученных различными марками электродов. Результаты измерений твердости приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Твердость по зонам сварного соединения, НВ Марка стали, Основной Марка электрода Шов ЗТВ класс прочности металл Сталь 10 192 213 УОНИ 13/55 Сталь 17Г1С 192 210 Сталь 20 186 201 Сталь 17Г1С 213 217 МР-Сталь 20 197 213 Сталь 17Г1С 197 208 ЕСталь 20 192 197 Сталь 17Г1С 222 255 ЕСталь 20 208 228 - Х70 226 221 Значения твердости зон для всех сварных соединений стали 17Г1С выше, чем стали 20. Наибольшая твердость наблюдается в зоне термического влияния, при этом сварной шов имеет более высокую твердость, чем основной металл.

ЗТВ и сварной шов, выполненный электродом марки Е5015, являются более твердыми по сравнению с твердостью других сварных соединений.

Распределения микротвердости по зонам сварных соединений приведены на рисунке 8.

Анализ полученных результатов показывает, что наименьшую разность микротвердости по зонам сварного соединения (шов – ЗТВ) дает электрод марки Е5015, а по зонам (шов – ЗТВ – основной металл) дает электрод Е4303.

0 5 10 15 20 25 Расстояние, мм УОНИ 13/45 МР - 3 Е4303 Еа 0 5 10 15 20 25 Расстояние, мм УОНИ 13/45 МР - 3 Е4303 Еб а - сталь 17Г1С; б – сталь Рисунок 8 - Распределение микротвердости в сварных соединениях Микротвердость, Н / мм Микротвердость, Н / мм Исследование коррозионного поведения сварных соединений в условиях, имитирующих эксплуатационные, проводили с помощью общепринятого электрохимического метода поляризации. Метод основан на определении скорости коррозии в единицах плотности тока, получаемых при снятии анодных и катодных поляризационных потенциостатических кривых с последующей тафелевской экстраполяцией. Исследования при комнатной температуре проводили в специально разработанной трехэлектродной электрохимической ячейке прижимного типа, имитирующей узкий зазор с затрудненным доступом кислорода воздуха. В качестве исследуемого электрода использовали швы и основной металл, в качестве вспомогательного электрода - платиновую пластину или платиновый электрод ЭТПЛ-1М3. Потенциал измерялся относительно хлорсеребряного электрода сравнения ЭВЛ-1М3 через капилляр Луггина, заполненного агар-агаром с 1Н раствором KCl. В качестве модельной среды использовали 3 % раствор NaCl. Результаты этих исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Скорость коррозии сварных соединений в 3% NaCl, мм/год Марка стали Основный Сварной шов металл УОНИ 13/55 МР - 3 Е4303 ЕСталь 10 0,17 0,19 - Сталь 20 0,25 0,34 0,21 0,21 0,Сталь 17Г1С 0,33 0,36 0,31 0,21 0,Результаты проведенных исследований показали, что с увеличением содержания углерода в сталях 10, 20 и легирующих элементов в стали 17Г1С скорость коррозии основного металла увеличивается и составляет соответственно 0,17, 0,25 и 0,33 мм/год, а наименьшую скорость коррозии имеют сварные швы, выполненные электродами Е4303 и МР-3.

В четвертой главе приведены результаты исследований – кривые растяжения сварных швов, значения электродных потенциалов и плотности тока (рисунок 9).

При деформации образцов в упругой области (до 0,2 %) значения плотностей тока и электродных потенциалов практически не изменяются. На стадии деформационного упрочнения идет резкое увеличение плотности тока и разблагороживание электродных потенциалов.

Это объясняется тем, что на стадии легкого скольжения основной вклад в деформацию дают дислокации, вышедшие на поверхность металла. На стадии деформационного упрочнения деформация осуществляется путем микросдвигов по линиям скольжения с образованием развитого микрорельефа на деформированной поверхности. Происходит почти линейное увеличение плотности дислокаций от степени пластической деформации с интенсивным возрастанием механохимического эффекта, что приводит к ускорению анодного растворения металла. Поскольку пластическая деформация металла при комнатной температуре осуществляется путем микросдвигов, то нет различия в течение локальных процессов при растяжении, сжатии, кручении, т.е. при различных видах деформации.

Сварные швы, выполненные электродами марок Е4303 и МР-3, являются более стойкими против коррозионно-механического разрушения в условиях динамического нагружения, чем сварные швы, выполненные электродами марок Е5015 и УОНИ 13/55. Один и тот же ток анодного растворения в первом случае фиксировали при значительно больших значениях пластической деформации.

Таким образом, полученные экспериментальные кривые зависимости плотности тока и электродного потенциала от степени деформации согласуются с теоретическими представлениями о механохимических процессах на границе металл – электролит и дают возможность прогнозирования скорости коррозии деформированного металла по данным экспрессного определения величины механохимического эффекта в динамическом режиме нагружения.

Прогнозирование коррозионно-усталостной долговечности магистральных нефтепроводов осуществляется с использованием эмпирических зависимостей. Накопление повреждений до зарождения трещины описывается зависимостью Коффина-Мэнсона. На стадии стабильного роста трещины скорость ее ЕЕ5 600 5 700 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0 0 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, Деформация Деформация Кривая растяжения Кривая растяжения Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость плотности тока от деформации Зависимость плотности тока от деформации а Потенциал, мВ Потенцииал, мВ Напряжение, МПа Напряжение, МПа Плотность тока, мА / см Плотность тока, мА / см МР-УОНИ13/5 600 5 600 500 4 400 3 300 2 200 100 1 0 0 0 0 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, Деформация Деформация Кривая растяжения Кривая растяжения Зависимость плотности тока от деформации Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость плотности тока от деформации б Рисунок 9 (а, б) - Зависимости растягивающих напряжений, электродных потенциалов и плотности тока от деформации сварных швов, выполненых электродами производства КНР (а) и России (б) Потециал, мВ Потенциал, мВ Напряжение, МПа Напряжение, МПа Плотность тока, мА / см Плотность тока, мА / см роста, в соответствии с положениями механики разрушения, описывается выражением:

dl = f ( K ), (1) dN где dl – приращение длины трещины за количество циклов dN;

K – изменение коэффициента интенсивности напряжений.

Для сварного шва трубной стали класса прочности Х70 экспериментально получены зависимости длины трещины от числа циклов нагружения (рисунок 10). Топография усталостной трещины, которая развивалась от концентратора напряжений в виде v – образного надреза, приведена на рисунке 11.

В растворе 3% NaCl На воздухе 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Число циклов, N Рисунок 10 - Зависимость длины трещины Рисунок 11 - Внешний вид треот числа циклов щины, Х Обработка экспериментальных данных, приведенных на рисунке 10, позволила получить зависимости скорости роста усталостных трещин от коэффициента интенсивности напряжений (рисунок 12).

Длина трещины, мм 0,0,0,0,0,В 3% NaCl На воздухе 0,0,0 20 40 60 80 100 120 1/, МП * Рисунок 12 - Зависимости скорости роста трещин от коэффициента интенсивности напряжений Полученная эмпирическая зависимость, в отличии от зависимости Пэриса (2), являются логарифмическими и описываются выражением dl = a + b ln(p K ), (2) dN где р - единичный нормирующий множитель, 1/(МПам1/2), a и b – эмпирические коэффициенты, полученные регрессионным анализом, значение которых приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Коэффициенты эмпирической модели, описывающей процесс роста усталостной трещины сварных швов из стали Х70, м/цикл Условия эксперимента а b 3% NaCl -4,55Е-08 2,56Е-воздух -2,16Е-08 1,59Е-Расчет остаточного ресурса проводили с использованием ЭВМ.

Полученные графические зависимости количества циклов нагружения от длины трещины и действующих напряжений на воздухе и в 3% NaCl приведены на рисунке 13.

dl/dN, мм / цикл а б а – на воздухе; б – в 3% NaCl Рисунок 13 – Остаточный ресурс металла трубы из стали ХИспользование найденной эмпирической зависимости и ее параметров позволяет рассчитать ресурс безопасной эксплуатации нефтегазопроводов из стали Х70, имеющих различные дефекты в сварном шве.

ВЫВОДЫ 1. Выявлено распределение физико-механических свойств (микротвердость) и связанных с ними электрохимических свойств в сварных соединениях, полученных сварочными электродами производства РФ и КНР на сталях 10, и 17Г1С, свидетельствующие о существенной гетерогенности контролируемых показателей по их зонам.

2. Установлено, что с увеличением в сталях содержания углерода и легирующих элементов наблюдается обоснованный с точки зрения механохимии металлов и сплавов рост скорости коррозии (сталь10 – 0,17 мм/год, сталь20 - 0.25 мм/год и сталь17Г1С - 0.33 мм/год), связанный с повышением прочности сталей и снижением их термодинамической устойчивости.

3. Наиболее высокую коррозионную стойкость имеют сварные швы, выполненные электродами производства КНР марки Е4303, которая сравнима с коррозионной стойкостью швов, полученных электродами марки МР-3 производства России, что объясняется присутствием в составе покрытия, двуокиси титана, соответствующим микролегированием металла шва и установленной в работе более однородной его микроструктурой.

4. Проведенными исследованиями установлено взаимосвязанное изменение растягивающих напряжений и электрохимических показателей в виде величин электродных потенциалов и плотностей анодного тока растворения в условиях одноосного механохимического нагружения в модельной среде 3% NaCl для сварных соединений, полученных различными сварочными материалами.

При этом установлено, что по данным механохимических исследований электрод марки Е4303 обеспечивает наибольшую коррозионной стойкость сварного шва по токовому показателю среди сравниваемых сварочных электродов.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»