Исследование влияния высокого отпуска на механические свойства основного металла и сварных соединений труб магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

Упрочненному механической обработкой металлу, можно вернуть изначальную пластичность путем нагрева [63 с. 103]. Данные результат возможен вследствие течения следующих процессов: возврата и рекристаллизации.

Эффект возврата заключается в повышении структурного совершенства наклепанного металла в результате перераспределения дефектов внутри деформированных кристаллов, при этом не наблюдается заметных изменений структуры металла. При перераспределении дислокаций происходит поглощение ими избыточных вакансий и межузельных атомов, которые при встрече взаимно погашаются. Дислокации противоположных знаков притягиваются и аннигилируют, что вместе с их стоком к границам зерен приводит к уменьшению плотности данных линейных дефектов. При более высоких температурах возможна полигонизация – фрагментация кристаллитов на субзерна с малоугловыми границами. В результате данного процесса твердость и прочность несколько снижаются, а вязкость и пластичность возрастают [62 с. 115].

При рекристаллизации происходит замена деформированных зерен новой системой свободных от искажений кристаллов. Данный процесс протекает при более высокой температуре [62 с. 116].

Процессы возврата и рекристаллизации в состаренных сварных соединениях трубных сталей не являются элементарными процессами. Наличие множества различных примесей и сложная система структурных напряжений в структурно-неоднородном объекте создают дополнительные трудности в их исследовании. Изучение процессов, протекающих под воздействием высоких температур в материале сварных стыковых соединений, позволит решить техническую задачу восстановления вязкопластических свойств сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

С целью изучения процессов, происходящих при отпуске, в деформационно-состаренных сварных стыковых соединений труб проведены исследования темплетов, вырезанных из магистральных нефтепродуктопроводов «Участок №41» («Брянск – Дисна») «Участок №42» («Стальной Конь – Запад») ЧУП «Запад-Транснефтепродукт». Исследования проводились с применением методов механических испытаний и структурных методов до и после термической обработки. Термическая обработка проводилась в печи …(указать марку СНОЛ …) Дополнительный контроль температуры осуществлялся с помощью контрольной термопары.

Для определения оптимальных параметров (время и температура) восстановления вязких свойств основного металла и сварных соединений магистральных трубопроводов, подвергшихся длительной эксплуатации, изготовлены образцы (размером 55×10×2 мм), которые подвергались термообработке отдельными партиями при температуре 580, 630, 680 и 730 ˚С в течение 15, 30 и 60 минут после чего образцы остывали на спокойном воздухе. Исследования характеристик сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений проводились на образцах с U-образным надрезом при температуре -40ºС при помощи маятникового копра МК-30А согласно ГОСТ 9454 [79], ГОСТ 6996 [118]. В таблице 3.1. представлены экспериментальные значения ударной вязкости после образцов, подвергшихся термической обработке в различных режимах.

 

Таблица 3.1 – Изменение значений ударной вязкости сварного соединения при высоком отпуске.

 

Температура, ˚С	Время выдержки, мин	КСU-40, Дж/см2	повышение КСU-40, %
Исходный образец	–	131,1	–
		151,7	15,7
		154,4	17,8
		153,3
		164,4	25,4
		177,5	35,4
		183,3	39,8
		194,4	48,3
		203,3	55,1
		205,3	56,6
			44,9
			48,7
		194,4	48,3

 

Как видно из представленной таблицы время выдержки не значительно влияет на повышение ударной вязкости. В целом с увеличением продолжительности термической обработки наблюдается увеличение ударной вязкости сварного соединения. Наиболее существенный прирост происходит при увеличении времени выдержки с 15 до 30 минут. Дальнейшее увеличение до 60 минут приводит к меньшему росту ударной вязкости, а в некоторых случаях и к незначительному снижению по сравнению с 30 минутной обработкой, которое можно объяснить неоднородностью свойств сварного соединения, и соответственно значительным интервалом разброса вязких свойств вдоль шва. Постепенное увеличение температуры ведет к более интенсивному повышению значений ударной вязкости, по сравнению с увеличением времени выдержки и достигает своего максимума при температуре 680˚С. Дальнейшее повышение температуры до 730 ˚С приводит к ее снижению. Таким образом, оптимальным режимом термической обработки сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации будет являться высокий отпуск после выдержки в течение 30 минут при температуре 680˚С при котором происходит значительное увеличение ударной вязкости.

С целью апробации и подтверждения полученных результатов проведены испытания на ударный изгиб ряда сварных соединений из других контрольных вырезок. Полученные результаты представлены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 – Изменение характеристик сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений при высоком отпуске.

 

№ Образца	Температура термообработки, ˚С	Время обработки, мин	КСU-40, Дж/см2	КСU-40, Дж/см2	Δ КСU-40, %	КСV-5, Дж/см2	КСV-5, Дж/см2	Δ КСV-5, %
До термообработки	После термообработки	До термообработки	После термообработки
		30*
				117,5			73,3
				130,7			59,2

*охлаждение в печи

 

Полученные результаты показывают высокую сходимость с данными вырезки, на которой определялся оптимальный режим термической обработки. Кроме того проведены испытания образцов с острым надрезом при температуре -5˚С. Прирост ударной вязкости при данных условиях оказывается приблизительно равным или несколько ниже, чем у образцов с U-образным концентратором. Возможно, это связано с тем, что при деформационном старении сварных соединений трубных сталей снижение энергии распространения трещины более значительно, чем уменьшение энергии ее зарождения.

Высокотемпературное воздействие помимо повышения значений ударной вязкости оказывает влияние также и на другие механические свойства материала сварных соединений. Следовательно, является целесообразным изучить изменения механических свойств в результате высокого отпуска кольцевых стыков магистральных трубопроводов.

Для исследования изменений механических характеристик сварных соединений после высокотемпературного термического воздействия вдоль оси трубопровода вырезаны плоские образцы в соответствии с ГОСТ 6996 [118]. Испытания на статическое растяжение плоских образцов без головок сварных соединений проводились согласно ГОСТ 6996 [118]. Контроль механических характеристик проводился с помощью разрывной машины для статических испытаний Р-20 с разрывным усилием 200 000 Н. В ходе проведения испытаний также проводился контроль изменения твердости. В таблице 3.3 представлены экспериментальные данные изменения механических свойств сварных соединений труб магистральных трубопроводов в результате высокого отпуска.

 

Таблица 3.3 – Изменение твердости и предела прочности сварных соединений труб магистральных трубопроводов

 

№ образца	Режим термообработки	σв, МПа	Твердость (сварной шов/ЗТВ), НВ
Температура, ˚С	Время выдер-жки, мин	До термообработки	После термообработки	До термообработки	После термообработки
		30*		515,2	146/150	143/141
					197/183	192/175
					170/180	162/168
					168/160	161/155
					157/146	153/144
					168/177	156/166
				521,5	175/173	160/156

*охлаждение в печи

 

Как видно из представленных данных в результате высокого отпуска наблюдается снижение значений (до 20%) твердости и предела прочности сварных соединений труб магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации длительное время. Это свидетельствует об уменьшении внутренних напряжений, накопленных сварным соединением. Различие в степени снижения значений предела прочности можно объяснить различием температурных режимов обработки, различными условиями нагруженности сварных соединений при эксплуатации (удаленность от станции), различным исходным свариваемым материалом. Известно, что наряду с некоторым снижением прочностных характеристик (σ_в, σ₀₂) при высоком отпуске возрастают пластические характеристики (δ, ψ). Однако в связи со значительной структурной неоднородностью сварных соединений пластические характеристики при проведении испытаний не определялись.

В связи с тем, что при проведении термической обработки кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов в зону нагрева попадет и основной металл труб, проведена оценка влияния предложенного высокого отпуска с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки на изменения его механических свойств. Определение механических свойств основного металла труб проводилось в полном соответствии с описанной выше методикой испытаний металла сварных соединений магистральных трубопроводов. При проведении исследования определялось изменение ударной вязкости, предела прочности, предела текучести и относительного удлинения. Результаты проведенных исследований представлены в таблицах 3.4 и 3.5.

 

Таблица 3.4 – Изменение характеристик сопротивления хрупкому разрушению основного металла труб при высоком отпуске.

 

№	Марка стали	КСU-40, Дж/см2	КСU-40, Дж/см2	Δ КСU-40, %	КСV-5, Дж/см2	КСV-5, Дж/см2	Δ КСV-5, %
До термо-обработки	После термо-обработки	До термо-обработки	После термо-обработки
	Сталь 14ГН
	Сталь 10Г2С1
	Сталь 17ГС
	Сталь 20

 

Таблица 3.5 – Изменение предела прочности, предела текучести и относительного удлинения основного металла труб магистральных трубопроводов

 

№	Марка стали	σв, МПа	σ02, МПа	δ, %
До термообработки	После термообработки	До термообработки	После термообработки	До термообработки	После термообработки
	Сталь 14ГН					29,3	32,7
	Сталь 10Г2С1					31,3	31,8
	Сталь 17ГС					20,8	26,7
	Сталь 20					32,6	34,8

 

Как видно из представленных данных в результате высокого отпуска металла труб магистральных трубопроводов, проработавшего длительное время, по предложенному оптимальному режиму термической обработки наблюдается снижение значений предела прочности и предела текучести. Снижение прочностных характеристик незначительно, полученные после проведения восстановительной термической обработки значения предела прочности и предела текучести основного металла магистральных трубопроводов соответствуют требованиям ГОСТ 19281 [107]. Следовательно, отсутствует необходимость учета данных изменений при проведении прочностных расчетов. Одновременно с этим немного повышается относительное удлинение и существенно возрастает ударная вязкость, в значительной мере характеризующая надежность магистрального трубопровода. Это свидетельствует о восстановлении свойств металла труб, охрупченного в результате длительной эксплуатации. Эффективность термической обработки основного металла труб по предложенному оптимальному режиму (высокий отпуск с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки) немного меньше по сравнению с термической обработкой сварных соединений. Это связано с меньшим уровнем внутренних напряжений в основном металле по сравнению со сварными соединениями.

Похожие результаты получены исследователями научной школы Уфимского государственного нефтяного технического университета. Так, например, в работе [28 с. 206] приведены данные об изменении механических свойств трубных сталей 17ГС, 19Г и 14ХГС магистральных трубопроводов, эксплуатировавшихся в течение 30 лет. В результате термической обработки температуре 650 ˚С пластические свойства возросли на 10-15%, восстановление свойств по отношению к исходному состоянию (сталь не эксплуатировалась) составила в среднем 65%.

Таким образом, высокий отпуск с температуры 680˚С после тридцатиминутной выдержки значительно повышает сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений магистральных трубопроводов и незначительно снижает его прочностные характеристики. Для выявления причин повышения ударной вязкости целесообразно провести анализ изменений микроструктуры сварных соединений, происходящих под влиянием термической обработки по предложенному режиму.