CC BY
39
МЕХАНИКА. Механика деформируемого твердого тела
DOI.org/10.5281/zenodo.2578481 УДК 620.178.322.2, 620.186.4
А.В. Гришин, К.Ю. Тальских, А.А. Сафарьянц, А.В. Лось
ГРИШИН АНТОН ВИКТОРОВИЧ - инженер, e-mail: [email protected]
ТАЛЬСКИХ КРИСТИНА ЮРЬЕВНА - инженер, e-mail: [email protected]
САФАРЬЯНЦ АЛЕКСАНДР АРТЕМОВИЧ - студент, e-mail: [email protected]
Кафедра сварочного производства Инженерной школы
Дальневосточный федеральный университет
Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
ЛОСЬ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - начальник лаборатории
неразрушающих методов контроля
ООО «РЦДИС», e-mail: [email protected]
Карла Либкнехта ул., 3а, Владивосток, 690001
Влияние высокочастотной вибрации на структуру сварных соединений из стали 20
Аннотация: Технологические трубопроводные системы используются на различных промышленных предприятиях для транспортировки сырья, продуктов производства, а также химически опасных горючих веществ. Вполне понятно, что крайне важно обеспечить их безопасную эксплуатацию, тем более что в процессе эксплуатации эти системы могут находиться в условиях, резко снижающих их долговечность. В значительной степени это связано с возникновением переменных высокочастотных нагрузок из-за сопряжения с насосно-компрессорным оборудованием. В данной статье представлены результаты и основные выводы проведенных авторами высокочастотных усталостных испытаний сварных образцов из трубопроводной стали 20 и последующего структурного анализа.
Ключевые слова: технологический трубопровод, сталь 20, высокочастотные испытания, сварное соединение, микроструктура, микротвердость, радиографический контроль.
Введение
В настоящее время одной из наиболее распространенных причин отказов технологических трубопроводных систем промышленных предприятий являются усталостные разрушения, вызванные динамическим режимом работы технологических установок [17, 18]. Нестационарность воздействия нагрузок приводит к накоплению повреждений в металле и разрушению [3]. Исследование работы технологических трубопроводных систем показало, что практически все они испытывают высокочастотные вибрационные нагрузки со стороны насосно-компрессорного оборудования [4]. При прокладке трубопроводов их участки соединяют путем создания сварных соединений, однако протекание термического цикла сварки зачастую негативно влияет на свойства материала и может сопровождаться перегревом металла, изменением его структуры, образованием дефектов, что, в свою очередь, резко сокращает долговечность всей системы [13]. Проведенные исследования показывают, что дефекты сварных соединений, такие как поры, микротрещины и инородные включения, становятся дополнительными источниками зарождения усталостных трещин в материале [14-16].
© Гришин А.В., Тальских К.Ю., Сафарьянц А.А., Лось А.В., 2019 О статье: поступила: 07.11.2018, финансирование: бюджет ДВФУ.
В свете вышеизложенного можно сделать вывод о том, что наличие сварных соединений в технологической трубопроводной системе оказывает значительное влияние на ее эксплуатационные характеристики, особенно в условиях высокочастотного нагружения. Однако исследования поведения материала трубопровода ограничиваются испытаниями лишь основного металла [1, 2], в то время как усталостные разрушения происходят в концентраторах напряжений, вызванных протеканием термического цикла сварки. Поэтому целью настоящей работы является исследование влияния высокочастотного нагружения на структуру и свойства сварного соединения трубопроводной стали 20 с учетом допустимых дефектов.
Методика экспериментального исследования
влияния высокочастотного нагружения на сварные соединения из стали 20
Для исследования влияния высокочастотного нагружения на сварные соединения из стали 20 были по нашим шаблонам изготовлены ручной дуговой сваркой образцы из круглого проката диаметром 16 мм в соответствии с ГОСТ 5264-80 [6]. В качестве сварочных материалов нами использовались электроды с основным покрытием марки УОНИИ 13/55У (тип Э55) [9]. Для того чтобы выявить недопустимые дефекты сварного шва проведен радиографический контроль, методика которого соответствует ГОСТ 7512-82, СДОС-01-2008 [7, 11].
Усталостные испытания образцов (рис. 1) проводились на ультразвуковой испытательной машине USF-2000 (Shimadzu, Япония) с частотой 20 кГц [12]. Образцы вытачивались из сварных заготовок таким образом, чтобы сварное соединение приходилось на центральную часть.
В ходе металлографических исследований вырезалась центральная часть образца, подверженная максимальным нагрузкам, и запрессовывалась в акриловую смолу (рис. 2) с последующим шлифованием и полированием. Оптическое металлографическое исследование проводилось на инвертированном микроскопе Eclipse MA200 (Nikon, Япония) при увеличении 500х. Измерение микротвердости осуществлялось на автоматическом микротвердомере HMV-G-FA-D (Shimadzu, Япония) в соответствии с ГОСТ 9450-76 [8].
ъ
3
£
s 2
fit №V V
Рис. 1. Образец для высокочастотных испытаний.
Рис. 2. Образцы, подготовленные для исследования структуры.
Результаты исследования
На первом этапе исследования образцы в количестве 3 штук, отобранные из испытательной серии, были подвергнуты неразрушающему контролю. В результате радиографического контроля выяснилось, что сварные соединения имеют дефекты: образец № 1 - обнаружена пора с размерами 0,5 мм х 0,2 мм; в образце № 2 была обнаружена пора 0,7 мм х 1 мм; в образце № 3 - пора 0,8 мм х 0,3 мм. В соответствии с СА 03-005-07, ГОСТ 32569-2013 [5, 10] все эти дефекты являются допустимыми для технологического трубопровода с толщиной стенки до 3 мм. Изображение радиографического снимка представлено на рис. 3.
Ч
1 2 3
Рис. 3. Радиографический снимок образцов.
В табл. 1 приведены результаты высокочастотных испытаний образцов из стали 20 с выявленными дефектами. Поскольку предел текучести данной стали находится на уровне ~300 МПа, для двух образцов были выбраны амплитуды напряжений, близкие к этому значению - 250 МПа и 300 МПа. Для третьего образца выбрана амплитуда 400 МПа, чтобы оценить влияние высокочастотных нагрузок, превышающих статический предел текучести данной стали.
Таблица 1
Результаты усталостных испытаний стали 20
№ Амплитуда оа, МПа Количество циклов, N Видимые изменения
1 250 1,3465 • 108 Без изменений
2 300 5,4489 • 108 Без изменений
3 400 9,7875 • 105 Трещина
Структура образца 1 (рис. 4, а, б, в).
На рис. 4, а приведена структура сварной части образца 1. Эта часть имеет более дисперсную структуру, чем основной металл. Характерный размер ферритных зерен в зоне сварки составляет 5-20 мкм.
На рис. 4, в представлена структура хвостовика, а на рис. 4, б - структура центральной (наиболее нагруженной) части образца 1. Рисунок 4, б показывает, что структуры нижнего хвостовика и центральной части практически идентичны. Характерный размер зерен феррита составляет 10-20 мкм.
Таким образом, в центральной (наиболее нагруженной) части данного образца видимые признаки разрушения или пластической деформации отсутствуют.
Рис. 4. Микроструктура образца № 1 после испытания при увеличении 500х: а - зона сварки; б - центральная часть; в - хвостовик
Структура образца 2 показана на рис. 5, а, б. Структура хвостовика (рис. 5, а) типична для стали 20. Характерный размер ферритных зерен составляет около 20 мкм.
В центральной части образца (рис. 5, б) заметно измельчение зерна. Характерный размер зерен феррита в этой зоне составляет 5-10 мкм. В остальном каких-либо отличий от структуры хвостовика нет, нет и признаков разрушения.
Рис. 5. Микроструктура образца № 2 после испытания при увеличении 500х: а - хвостовик; б - центральная часть.
На рис. 6, а, б, в показана структура образца 3 в трех точках: на хвостовике, на расстоянии 2 мм от трещины в центре и около самой трещины.
На хвостовике (рис. 6, а) образец имеет структуру, типичную для низкоуглеродистой стали перлитного класса. Характерный размер ферритных зерен составляет 20 мкм. На хвостовик образца действуют минимальные нагрузки, поэтому его структура соответствует исходной.
На расстоянии 2 мм от трещины (рис. 6, б) заметен переход к более дисперсной структуре: по мере приближения к трещине характерный размер ферритных зерен уменьшается до 5-10 мкм (рис. 6, в). Таким образом, циклические нагрузки привели к измельчению зерна и возникновению трещины в наиболее нагруженной части образца 3.
Рис. 6. Микроструктура образца № 3 после испытания при увеличении 500х: а - хвостовик; б - в 2 мм от трещины; в - вершина трещины.
Средние значения микротвердости по зонам образца 1 приведены в табл. 2. Для зоны сварки указаны только значения микротвердости феррита: содержание перлита в наплавленном металле мало, и измерить его микротвердость затруднительно.
Таблица 2
Микротвердость образца 1
Зона образца Феррит, НУ Перлит, НУ
Зона сварки 228-285 -
Хвостовик 195-219 212-244
Центральная часть 193-217 193-242
Наплавленный металл в зоне сварки имеет повышенную микротвердость (~250-260 НУ для феррита). Вероятно, это обусловлено наличием в феррите легирующих элементов -марганца и кремния. В то же время значения твердости на хвостовике и в центральной части практически совпадают - примерно 200-210 НУ для феррита и ~220-230 НУ для перлита.
Данные по микротвердости образца 2 указаны в табл. 3. Средние значения твердости на хвостовике составляют 173 НУ для феррита и 188 НУ для перлита, в центральной части -соответственно 193 НУ - для феррита и 212 НУ - для перлита. Таким образом, микротвердость центральной части образца 2 по сравнению с хвостовиком выше на 20-25 НУ.
Таблица 3
Микротвердость образца 2
Зона образца Феррит, НУ Перлит, НУ
Хвостовик 160-184 169-202
Центральная часть 189-200 185-241
Данные по микротвердости образца 3 приведены в табл. 4. Как иллюстрирует таблица, на хвостовике и даже на расстоянии 2 мм от трещины твердость имеет значения, характерные для стали 20 (~180 НУ для феррита и 200-210 НУ для перлита), и лишь в непосредственной близости от трещины, на расстоянии менее 100 мкм твердость повышается (~240 НУ для феррита и ~260 НУ для перлита).
Таблица 4
Микротвердость образца 3
Зона образца Феррит, НУ Перлит, НУ
Хвостовик 157-195 195-229
В 2 мм от трещины 135-207 171-218
Зона трещины 213-278 198-308
Выводы
На основании экспериментального металлографического исследования и измерения микротвердости образцов из стали 20 можно сделать следующие выводы.
1. Усталостные изменения в стали 20 при высокочастотных нагрузках могут приводить к измельчению зерна.
2. Усталостные изменения в стали 20 приводят к повышению микротвердости образца. Таким образом, измерение микротвердости может применяться параллельно с металлографией для более надежного обнаружения изменений.
3. Образец 1 отработал 1,35 10 циклов при амплитуде 250 МПа. Ни металлография, ни
микротвердость не показали в нем изменений. Таким образом, сварные соединения из стали 20 8 ^ на базе 10 циклов могут выдерживать циклические нагрузки с амплитудой до 250 МПа.
8
4. Образец 2 отработал 5,45 10 циклов при амплитуде 300 МПа, после чего появились
изменения как в его структуре, так и в микротвердости. Таким образом, для стали 20 на базе 8 „ ^ 10 циклов амплитуда напряжений 300 МПа не является безопасной.
5. Вибрация с частотой 20 кГц и амплитудой нагружения 400 МПа приводит к измельчению структуры стали 20 и возникновению усталостных трещин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баширов И.В. Оценка ресурса элементов трубопроводной обвязки насосно-компрессорных агрегатов с учетом вибрационного воздействия: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. 24 с.
2. Баширов И.В. Оценка ресурса элементов трубопроводной обвязки насосно-компрессорных агрегатов с учетом вибрационного воздействия: дисс. ... канд. тех. наук. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. 122 с.
3. Вибрации в технике. Т. 6. Защита от вибрации и ударов / под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. 456 с.
4. Горкунов Э.С., Саврай Р.А., Макаров А.В., Задворкин С.М., Смирнов С.В., Роговая С.А., Со-ломеин М.Н. Применение магнитных и электромагнитно-акустических методов для оценки пластической деформации при циклическом нагружении отожженной среднеуглеродистой стали // Дефектоскопия. 2006. № 5. С. 29-36.
5. ГОСТ 32569-2013. Трубопроводы технологические стальные. Требования к устройству и эксплуатации на взрывопожароопасных и химически опасных производствах. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2015. 130 с.
6. ГОСТ 5264-80. Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. Введ. 1981-07-01. М.: Стандартинформ, 2010. 33 с.
7. ГОСТ 7512-82. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод. Введ. 1984-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2008. 18 с.
8. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвёрдости вдавливанием алмазных наконечников. Введ. 1977-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 33 с.
9. ГОСТ 9467-75. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы. Введ. 1977-01-01. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2008. 7 с.
10. СА 03-005-07. Технологические трубопроводы нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. Требования к устройству и эксплуатации. Введ. 2006-03-24. М.: Ростехэкспертиза, 2007. 231 с.
11. СДОС-01-2008. Методические рекомендации о порядке проведения радиационного контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах. Введ. 2008-01-14. М.: Промышленная безопасность, 2008. 104 с.
12. Ультразвуковая система Shimadzu для усталостных испытаний USF-2000. Ускоренные испытания материалов на усталостную прочность. 4 с.
URL: https://www.shimadzu.eu/sites/default/files/shimadzu_usf-2000_flyer_1.pdf (дата обращения: 02.02.2019).
13. Fustar B., Lukashevich I., Darko Dujmovich D. Review of Fatigue Assessment Methods for Welded Steel Structures. Advances in Civil Engineering. 2018, 16 p.
14. He Chao, Liu Yongjie, Fang Donghui, Wang Qingyuan. Very high cycle fatigue behavior of bridge steel welded joint. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2012(2);3:5.
15. He Chao, Liu Yongjie, Wang Qingyuan. Very high cycle fatigue properties of welded joints under high frequency loading. Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, Switzerland. 2013(647):817-821.
16. Krasovskyy A., Bachmann D. Estimating the fatigue behavior of welded joints in the VHCF regime. International Journal of Structural Integrity. 2012(3):326-343.
17. Lawrence M., Gyorgy S. Vibration and fatigue failures at pipeline facilities. Proceedings of the 12th Intern. Pipeline Conf. (IPC 2018). 2018, pp. 1-13.
18. Zachwieja J. Stress analysis of vibrating pipelines. AIP Conference Proceedings. 2017, Vol. 17, p. 1-11.
Mechanics of Deformable Solids www.dvfu.ru/en/vestnikis
DOI.org/10.5281/zenodo.2578481
Grishin A., Talskikh K., Safariants A., Los A.
ANTON GRISHIN, Engineer, e-mail: [email protected]
KRISTINA TALSKIKH, Engineer, e-mail: [email protected]
ALEXANDER SAFARIANTS, Student, e-mail: [email protected]
Department of Welding, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, 690091, Russia
ANDREY LOS, Head of Non-Destructive Testing Laboratory
Engineering Systems Diagnostics Regional Center LLC.,
e-mail: [email protected]
3-a, Karl Liebknecht St., Vladivostok, 690001, Russia
Effect of high-frequency vibration on the steel 20 welded joints structure
Abstract: Technological pipeline systems are used at various industrial enterprises for transportation of raw materials, manufactured products, as well as hazardous flammable chemicals; therefore it is extremely important to ensure their safe operation. However, during operation, these systems may be in conditions that drastically reduce their durability. This is largely due to the occurrence of variable high-frequency loads related to interfacing with pump-compressor equipment. This article describes the results of high-frequency fatigue tests of welded specimens from pipe steel 20, which have previously undergone non-destructive X-ray inspection, and presents the main results and conclusions of the studies performed and structural analysis.
Keywords: technological pipeline, steel 20, high-frequency tests, welded joint, microstructure, mi-crohardness, radiographic control.
REFERENCES
1. Bashirov I.V. Assessment of the life of the elements of piping of pump-compressor units, taking into account the vibration effects: author. diss. ... Cand. Tech. Sciences. Ufa, Publishing house UGNTU, 2012.24 p.
2. Bashirov I.V. Assessment of the life of the elements of the piping of pump-compressor units, taking into account the vibration effects: Diss. ... Cand. Tech. Sciences. Ufa, Publishing house UGNTU, 2012,122 p.
3. Vibrations in the technique. Vol. 6. Protection from vibration and shock. Ed. K.V. Frolov. M., Mash-inostroenie, 1981, 456 p.
4. Gorkunov E.S., Savrai R.A., Makarov A.V., Zadvorkin S.M., Smirnov S.V., Rogovaya S.A., Solomein M.N. Application of magnetic and electromagnetic-acoustic methods for the assessment of plastic deformation under cyclic loading of annealed medium carbon steel. Defectoscopy. 2006;5:29-36.
5. GOST 32569-2013. Steel technological pipelines. Requirements for the device and operation in explosive and chemically hazardous industries. Enter 2015-01-01. M., Standardinform, 2015, 130 p.
6. GOST 5264-80. Manual arc welding. Welded joints. The main types, structural elements and dimensions. Enter 1981-07-01. M., Standardinform, 2010, 33 p.
7. GOST 7512-82. Nondestructive control. Welded joints. Radiographic method. Enter 1984-01-01. M., Publishing house of standards, 2008, 18 p.
8. GOST 9450-76. Measurement of microhardness by indentation of diamond tips. Enter 1977-01-01. M., Publishing house of standards, 1993, 33 p.
9. GOST 9467-75. Metal coated electrodes for manual arc welding of structural and heat-resistant steels. Types. Enter 1977-01-01. M., IPK Publishing house of standards, 2008, 7 p.
10. CA 03-005-07. Technological pipelines of the oil refining, petrochemical and chemical industries. Requirements for the device and operation. Enter 2006-03-24. M., Rostekhekspertiza, 2007, 231 p.
11. SD0S-01-2008. Methodical recommendations on the procedure for conducting radiation monitoring of technical devices and structures used and operated at hazardous production facilities. Enter 200801-14. M., Scientific and Technical Center Industrial Safety, 2008, 104 p.
12. Shimadzu Ultrasonic System for Fatigue Testing USF-2000. Accelerated material fatigue testing. 4 p. URL: https://www.shimadzu.eu/sites/default/files/shimadzu_usf-2000_flyer_1.pdf - 02.02.2018.
13. Fustar B., Lukashevich I., Darko Dujmovich D. Review of Fatigue Assessment Methods for Welded Steel Structures. Advances in Civil Engineering. 2018, 16 p.
14. He Chao, Liu Yongjie, Fang Donghui, Wang Qingyuan. Very high cycle fatigue behavior of bridge steel welded joint. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2012(2);3:5.
15. He Chao, Liu Yongjie, Wang Qingyuan Very high cycle fatigue properties of welded joints under high frequency loading. Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, Switzerland. 2013(647):817-821.
16. Krasovskyy A., Bachmann D. Estimating the fatigue behavior of welded joints in the VHCF regime. International Journal of Structural Integrity. 2012(3):326-343.
17. Lawrence M., Gyorgy S. Vibration and fatigue failures at pipeline facilities. Proceedings of the 12th Intern. Pipeline Conf. (IPC 2018). 2018, pp. 1-13.
19. Zachwieja J. Stress analysis of vibrating pipelines. AIP Conference Proceedings. 2017, Vol. 17, p. 1-11.
