Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах
Ремонт магистральных трубопроводов, находящихся под давлением, предполагает применение различных усиливающих сварных конструкций. Сроки эксплуатации магистралей во многих случаях превышают 30 лет, а материал труб может иметь неблагоприятную структуру, поэтому существует необходимость расширить пред...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102733 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах / В.С. Бут, С.Ю. Максимов, О.И. Олейник // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 17-26. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859586998494298112 |
|---|---|
| author | Бут, В.С. Максимов, С.Ю. Олейник, О.И. |
| author_facet | Бут, В.С. Максимов, С.Ю. Олейник, О.И. |
| citation_txt | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах / В.С. Бут, С.Ю. Максимов, О.И. Олейник // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 17-26. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Ремонт магистральных трубопроводов, находящихся под давлением, предполагает применение различных усиливающих сварных конструкций. Сроки эксплуатации магистралей во многих случаях превышают 30 лет, а материал труб
может иметь неблагоприятную структуру, поэтому существует необходимость расширить представления об обеспечении
технологической прочности сварных соединений в условиях ремонта. В работе приведены результаты исследования
склонности сварных соединений низколегированных сталей к образованию холодных и слоистых трещин. Для этого
были проведены эксперименты на технологических пробах, имитирующих реальные сварные соединения ремонтных
конструкций. Показано положительное воздействие предварительного подогрева, послесварочного нагрева и термоотжигающего эффекта на стойкость к образованию холодных трещин, а также существенное влияние серы на склонность
сталей к слоистому растрескиванию. Доказана возможность прогнозирования вероятности слоистого растрескивания
по показателям относительного сужения, ударной вязкости и критического раскрытия трещины, а также по критическим напряжениям замедленного разрушения и фрактограммам поверхности излома основного металла.
|
| first_indexed | 2025-11-27T10:16:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
1711/2014
УДК 621.791:621.6.43
сКлонность К трещинообраЗоВанию
сВарных соеДинений ремонтных КонстрУКций
на маГистральных ГаЗопроВоДах
В. С. БУТ, С. Ю. МАКСИМОВ, О. И. ОЛЕЙНИК
иэс им. е. о. патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
ремонт магистральных трубопроводов, находящихся под давлением, предполагает применение различных усиливаю-
щих сварных конструкций. сроки эксплуатации магистралей во многих случаях превышают 30 лет, а материал труб
может иметь неблагоприятную структуру, поэтому существует необходимость расширить представления об обеспечении
технологической прочности сварных соединений в условиях ремонта. В работе приведены результаты исследования
склонности сварных соединений низколегированных сталей к образованию холодных и слоистых трещин. Для этого
были проведены эксперименты на технологических пробах, имитирующих реальные сварные соединения ремонтных
конструкций. показано положительное воздействие предварительного подогрева, послесварочного нагрева и термоот-
жигающего эффекта на стойкость к образованию холодных трещин, а также существенное влияние серы на склонность
сталей к слоистому растрескиванию. Доказана возможность прогнозирования вероятности слоистого растрескивания
по показателям относительного сужения, ударной вязкости и критического раскрытия трещины, а также по критиче-
ским напряжениям замедленного разрушения и фрактограммам поверхности излома основного металла. библиогр. 18,
табл. 2, рис. 12.
К л ю ч е в ы е с л о в а : ремонтные сварные конструкции, магистральные трубопроводы, холодные трещины, слоистое
растрескивание, термоотжигающий эффект, технологические пробы
Украина обладает мощным нефтегазовым ком-
плексом, который позволяет стране играть важ-
ную роль в транспортировке энергоресурсов от
поставщика к потребителю. анализ структурно-
го распределения магистральных газопроводов
(мГп) Украины по протяженности показывает,
что 23 % из них находится в эксплуатации более
40 лет, 32 % — от 30 до 40 и 45 % — до 30 лет [1].
понятно, что для обеспечения надлежащего тех-
нического состояния и беспрерывной работы тру-
бопроводов в ближайшее время необходимо будет
выполнить большой объем ремонтно-восстанови-
тельных работ.
Готовность к аварийным ситуациям и возмож-
ность действий в этих случаях является важней-
шей проблемой с момента создания давления
в трубопроводе и в течение всего срока его экс-
плуатации. В связи с этим для каждой аварийной
ситуации или случая выявления недопустимых
дефектов на линейной части трубопровода необ-
ходима стратегия ремонта, базирующаяся на сле-
дующих критериях: выбор метода ремонта, безо-
пасность выполнения восстановительных работ,
надежность ремонтных конструкций (отсутствие
трещин), воздействие на окружающую среду, не-
прерывность транспортировки продукта, про-
должительность ремонта, экономическая целе-
сообразность. при этом преимущество следует
отдавать методам ремонта без остановки эксплу-
атации трубопровода, чтобы исключить умень-
шение объема перекачиваемого продукта или не-
значительно сократить его в течение небольшого
промежутка времени, а также не нанести суще-
ственного материально-финансового и экологиче-
ского ущерба.
Для Украины такие методы имеют особое зна-
чение с учетом большой плотности населения в
зоне расположения мГп, высоких цен на газ и не-
обходимости безусловного выполнения контракт-
ных обязательств по поставке газа как отечествен-
ным, так и зарубежным потребителям.
проведенная диагностика технического состо-
яния мГп пао «Укртрансгаз» выявила на линей-
ной части обширные коррозионные повреждения,
которые составляют около 50 % от общего коли-
чества обнаруженных дефектов, отдельные участ-
ки с расслоением металла, а также недопустимые
по действующим нормативно-техническим доку-
ментам дефекты в кольцевых сварных соединени-
ях [2], которые, как правило, образуются в замы-
кающих стыках («захлестах») при строительстве
трубопроводов.
на основании анализа характера и геометриче-
ских параметров выявленных дефектов иэс им.
е. о. патона нанУ был предложен структурный
подход к разработке технологий восстановления
несущей способности линейной части мГп под
давлением с применением дуговой сварки [3]. ме-
тоды ремонта были сгруппированы по видам де-
© В. с. бут, с. ю. максимов, о. и. олейник, 2014
18 11/2014
фектов и целевому назначению [4]. Для каждой
группы были определены безопасные условия вы-
полнения дуговой сварки с учетом рабочих пара-
метров транспортировки газа, геометрических ха-
рактеристик магистрали, механических свойств
металла труб и типа сварного соединения.
большинство предложенных методов ремон-
та линейной части мГп в условиях эксплуатации
[4] предусматривает применение усиливающих
конструктивных элементов с типовыми сварны-
ми соединениями (рис. 1). перед тем, как реко-
мендовать разработанные технические решения
к практическому применению, необходимо было
определить условия обеспечения технологической
прочности сварных соединений, т. е. исключить
трещинообразование. частично результаты иссле-
дований в этом направлении представлены в ра-
боте [5], где акцентировалось внимание на оценке
конструкционной прочности сварных соединений
усиливающих элементов с трубопроводом. Дан-
ная работа посвящена технологическим аспектам
свариваемости трубных сталей.
Стойкость сварных соединений к образова-
нию холодных трещин. способность сварных
соединений без разрушения (образования холод-
ных трещин) выдерживать термомеханическое
воздействие во время дуговой сварки штучными
электродами оценивали на образцах трубных ста-
лей типовых марок 17Г1с и х60, которые широ-
ко применялись в строительстве мГп в 80-е годы
прошлого века. это дало возможность наиболее
приближенно имитировать реальные сварные со-
единения ремонтных конструкций [4]. так, для
продольных стыков муфт (рис. 1, а, б) это была
технологическая проба теккен; для нахлесточ-
но-стыковых соединений конструктивных эле-
ментов с трубопроводом (рис. 1, в) — проба им-
плант; для соединений патрубок–муфта (рис. 1,
г) — проба «окно»; для ремонтной конструкции
«заплата-муфта» — круговая проба. химический
состав исследуемых сталей приведен в табл. 1.
Для сравнительного анализа сталей с учетом
условий предварительного подогрева, обеспечи-
вающих требуемую стойкость к трещинообразо-
ванию, были проведены эксперименты на пробах
теккен [6] из пластин толщиной 16 мм, т. к. про-
кат большей толщины пока не применяется для
изготовления усиливающих конструктивных эле-
ментов [7]. Для определения температуры пред-
варительного подогрева к поверхности пластин
вблизи скоса кромок приваривали термопары.
сварку контрольного участка соединения выпол-
няли электродами с основным типом покрытия
Уони-13/55 диаметром 3 мм и электродами с
целлюлозным покрытием Lincoln Electric Shield-
Arc 65 диаметром 3,2 мм при исходной темпера-
туре основного металла 20, 50, 100, 150 и 200 °с.
после сварки из контрольного участка выреза-
ли макрошлифы для оценки наличия/отсутствия
трещин. относительную протяженность трещин
определяли с помощью микроскопа мбс-2 как
отношение длины трещины в шве к общей длине
шва.
на основании проведенных исследований по-
строены графические зависимости относительной
протяженности трещин Lтр от температуры пред-
варительного подогрева Тп (рис. 2). они показали,
что сварные соединения стали х60 более склонны
к образованию холодных трещин, чем выполнен-
ные из стали 17Г1с. применение электродов с цел-
люлозным типом покрытия значительно снижает
трещиностойкость обоих сварных соединений из-
за высокого содержания диффузионного водорода,
которое может достигать в наплавленном металле
Т а б л и ц а 1 . Химический состав исследуемых трубных сталей
сталь
состав, мас. % Cэкв,
%C Si Mn Cr Ni S P V Nb
17Г1с 0,170 0,467 1,60 0,06 0,05 0,025 0,036 0,02 0,005 0,46
х60 0,121 0,219 1,54 0,10 0,05 0,011 0,027 0,04 0,051 0,41
плавка № 47 0,160 0,292 1,50 0,12 0,16 0,045 0,008 0,02 0,005 0,45
плавка № 65 0,148 0,179 1,49 0,11 0,07 0,030 0,007 0,02 0,00 5 0,33
* Углеродный эквивалент рассчитывали по формуле сэкв= с + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15.
рис. 1. типовые сварные соединения в ремонтных конструк-
циях, устанавливаемых на мГп в условиях эксплуатации: а,
б — продольный стык муфты; в — нахлесточно-стыковое со-
единение; г — соединение патрубок–муфта
1911/2014
40 см3/100 г [8]. согласно методике теккен опти-
мальная температура предварительного подогрева
для предотвращения образования холодных тре-
щин в реальных сварных соединениях выбирает-
ся по критерию суммарной длины трещины 50 %
в контрольном шве. таким образом, при сварке
электродами с основным типом покрытия Тп =
= 20…50 и 70…100 °с для стали соответственно
17Г1с и х60, а при использовании электродов с
целлюлозным покрытием температура предвари-
тельного подогрева будет выше на 60…80 °с (см.
рис. 2).
с целью определения условий трещинообра-
зования в сварных соединениях ремонтной кон-
струкции «заплата-муфта» [4] исследования
проводили на круговой пробе (образце марин
морского департамента сша) по методике ра-
боты [6]. минимальный диаметр пробы состав-
лял 100 мм, ширина муфты — 500 мм. результаты
исследования влияния зазора а между стыкуемы-
ми элементами конструкции и погонной энергии
сварки q на склонность к образованию холодных
трещин представлены на рис. 3, а. наличие/от-
сутствие трещин определяли на поперечных ма-
крошлифах, вырезанных из замыкающей четверти
кругового шва, где создаются наиболее высокие
растягивающие напряжения при усадке металла
шва. было очевидно, что трещина зарождается у
концентратора напряжений — в месте перехода
наплавленного металла к основному (рис. 3, б), и
именно в зонах концентрации растягивающих на-
пряжений резко повышается содержание диффу-
зионного водорода, способствующего зарожде-
нию холодных трещин [9].
из рис. 3 ясно, что с увеличением зазора в раз-
делке и соответственно с повышением тепловложе-
ния при выполнении корневого прохода протяжен-
ность трещин уменьшается. при а > 8 мм в сварных
соединениях стали х60 трещины практически не
образуются. Для исключения вероятности образо-
вания холодных трещин в металле шва круговой
пробы из стали 17Г1с достаточно а > 6 мм. при-
чем коэффициент формы шва Кш при максималь-
ном трещинообразовании близок к единице, а при
отсутствии трещин Кш ~ 4. Как известно, сопро-
тивление швов образованию холодных трещин
зависит также от структуры их металла, которая
определенным образом взаимосвязана с коэффи-
циентом формы шва [10].
рис. 2. Зависимость длины трещин от температуры предвари-
тельного подогрева, типа покрытия электрода и марки стали
для контрольного шва пробы теккен: 1, 3 — сталь 17Г1с;
2, 4 — х60; 1, 2 — электроды Уони 13/45; 3, 4 — Shield-
Arc 65
рис. 3. Условия трещинообразования в круговой пробе (а) и область зарождения трещины (б)
20 11/2014
следует отметить, что при проведении испы-
таний на образцах марин не учитывался эффект
дополнительного охлаждения сварных соедине-
ний в процессе сварки за счет транспортируемого
по трубопроводу продукта. поэтому при установ-
ке таких ремонтных конструкций на мГп вблизи
компрессорных станций, в условиях интенсивно-
го теплоотвода движущимся с высокой скоростью
газом, очевидно, потребуется предварительный
подогрев до 100...150 °с.
наиболее эффективным методом оценки стой-
кости сварных соединений низколегирован-
ных сталей к образованию холодных трещин, на
наш взгляд, является имплант [11]. эта методи-
ка учитывает практически все факторы, вызыва-
ющие образование холодных трещин, а именно:
малопластичную структуру металла ЗтВ, высо-
кий уровень растягивающих напряжений, нали-
чие концентратора напряжений и значительное
содержание диффузионного водорода. Высокие
растягивающие напряжения, которые создаются у
концентраторов геометрического происхождения
(это, например, межслойный зазор в нахлесточ-
но-стыковых соединениях усиливающих элемен-
тов с трубопроводом), даже при незначительном
содержании водорода могут привести к возник-
новению холодных трещин и дальнейшему раз-
рушению сварных соединений при длительном
нагружении.
эксперименты проводили согласно рекоменда-
циям мис [11] для двух вариантов. В первом слу-
чае образцы вырезали из пластин сталей 17Г1с и
х60 вдоль прокатки с целью исследования влия-
ния структурного фактора, диффузионно-подвиж-
ного водорода и техники сварки на критические
напряжения при замедленном разрушении свар-
ных образцов на испытательной машине аІмІ-5.
Во втором случае образцы имплант вырезали из
тавровых соединений (рис. 4) всех исследуемых
сталей для изучения влияния диффузионного во-
дорода и вредных примесей (серы) на склонность
к образованию холодных трещин при действии
напряжений в направлении, перпендикулярном
текстуре металла.
сварку образцов, имитирующих реальные
сварные соединения ремонтных конструкций
(рис. 5), выполняли штучными электродами с
основным и целлюлозным покрытием диаме-
тром 3,0 и 3,2 мм на режиме Ісв = 110…120 а,
Uд = 24…26 В, vсв = 1,9…2,5 мм/с, обеспечиваю-
щем погонную энергию q = 0,8…1,2 кДж/мм. при
двухпроходной сварке термоотжигающий слой
наплавляли на погонной энергии в 1,4…1,7 раза
выше, чем при однопроходной сварке. после ох-
лаждения металла шва до 100 °с образцы подвер-
гали постоянному нагружению на стандартной
машине.
За критерий оценки стойкости сварных соеди-
нений к образованию холодных трещин принима-
ли критические напряжения, под действием кото-
рых трещины не появляются в образце в течение
16 ч. содержание диффузионного водорода в ме-
талле шва определяли хроматографическим мето-
дом [12] на образцах, выполненных в идентичных
условиях.
Установлено, что в соединениях, сваренных элек-
тродами Shield-Arc 65, содержание диффузион-
но-подвижного водорода [H]диф = 19…24 см3/100 г.
В свою очередь, электроды Уони 13/55 после
прокалки при 380…400 °с обеспечивают уровень
5,0…7,4 см3/100 г, а без прокалки (после выдерж-
ки на воздухе с относительной влажностью 90 %
более 3-х суток) отмечено значительное повыше-
рис. 4. макрошлифы сварных соединений для изготовления
составных образцов имплант с надрезом параллельно про-
катке для испытаний на растяжение по оси Z (а); на ударную
вязкость и критическое раскрытие трещины (б)
рис. 5. одно- (а) и двухпроходная (б) сварка образцов им-
плант для получения соединений, имитирующих реальные
2111/2014
ние содержания водорода в наплавленном металле
— до [H]диф = 12…16 см3/100 г.
по результатам испытаний сварных образцов
имплант, вырезанных из исследуемых сталей
вдоль прокатки, построены графические зависи-
мости изменения напряжений замедленного раз-
рушения во времени для разного содержания диф-
фузионного водорода в наплавленном металле, а
также для случая применения термоотжигающего
слоя (рис. 6, а). эти графики подтвердили проте-
кание замедленного разрушения в образцах, сва-
ренных за один проход, и ведущую роль водорода
в этом процессе. с повышением содержания диф-
фузионного водорода снижается критическое на-
пряжение разрушения, а также сокращается время
инкубационного периода зарождения трещины.
это хорошо иллюстрирует поверхность изломов
образцов имплант (рис. 7). применение элект-
родов с основным типом покрытия без прокалки
(см. рис. 6, а; кривая 6) приводит к снижению тре-
щиностойкости соединений почти до уровня зна-
чений, полученных при применении электродов с
целлюлозным покрытием (кривая 2). ис-
пользование термоотжигающего эффек-
та при наплавке второго слоя шва (кри-
вая 3) позволяет снизить вероятность
замедленного разрушения благодаря
улучшению микроструктуры ЗтВ (см.
рис. 5, б) и, очевидно, снижению содер-
жания диффузионно-подвижного водо-
рода в наплавленном металле.
при проведении испытаний образцов
с механическим надрезом, выполнен-
ным вдоль прокатки (рис. 8, а), иссле-
довали комбинированное влияние водо-
рода и неметаллических включений (по
содержанию серы) на сопротивляемость
трещинам. Для этого помимо серийных трубных
сталей использовали опытные плавки низколе-
гированных сталей иэс им. е. о. патона (см.
табл. 1), химический состав которых изменяли за
счет содержания основных легирующих элемен-
тов (углерода, кремния, марганца), а также серы.
результаты испытаний составных образцов
имплант показали (рис. 6, б), что характер сопро-
тивляемости трубных сталей замедленному раз-
рушению существенно изменился по сравнению
со случаем действия нагрузки вдоль прокатки
(рис. 6, а). сварные соединения стали х60 (рис. 6,
б; кривые 3, 3') демонстрируют большее сопро-
тивление образованию трещин, чем соединения
стали 17Г1с (кривые 4, 4'). это, на наш взгляд,
связано с меньшим содержанием серы и отсут-
ствием строчечной структуры основного метал-
ла, хотя в целом абсолютные значения критиче-
ских напряжений замедленного разрушения были
значительно ниже, чем для образцов имплант с
надрезом поперек прокатки металла. характер
рис. 6. результаты испытаний образцов имплант на длительную прочность при действии нагрузки вдоль прокатки (а) (1, 4 —
электроды Уони 13/55 после прокалки, [н]диф = 4,0…7,4 см3/100 г; 2, 5 — Shield-Arc 65, [н]диф = 19…24 см3/100 г; 3 — тер-
моотжигающий проход; 4, 6 — Уони 13/55 без прокалки, [н]диф = 12…16 см3/100 г; 1–3, 6 — сталь 17Г1с; 4, 5 — х60) и по
оси Z (б) (1 — плавка № 65; 2 — № 47; 3 — сталь х60; 4 — 17Г1с; 1–4, 4’’ — электроды Уони 13/55; 3', 4' — Shield-Arc 65;
4'' — нагрев после сварки)
рис. 7. поверхность изломов (×10) образцов имплант из стали х60, вы-
полненных электродами Shield-Arc 65: а — σ = 615 мпа, τ = 40 мин; б —
σ = 565 мпа, τ = 100 мин
22 11/2014
разрушения образцов из стали 17Г1с с высоким
содержанием диффузионного водорода в наплав-
ленном металле после проведенного нагрева и вы-
держки при 150 °с в течение 16 ч иллюстрирует
рис. 8, б, в. Заметим, что после удаления водорода из
ЗтВ образцы разрушались по основному металлу в
сечениях, ослабленных неметаллическими включе-
ниями (рис. 8, в), критические напряжения разруше-
ния находились на достаточно высоком уровне (см.
рис. 6, б, кривая 4΄΄), разрушение образцов при ис-
ходном содержании диффузионного водорода прохо-
дило по ЗтВ (рис. 8, б).
при действии напряжений по толщине метал-
ла (надрез параллелен прокатке) проявляется со-
вместное негативное влияние диффузионного
водорода и неметаллических включений (суль-
фидов) на сопротивление сварных соединений
замедленному разрушению. Водород накаплива-
ется в содержащих включения пустотах, преоб-
разуясь из атомарного в молекулярный, и созда-
ет в них высокое давление, тем самым облегчая
разрушение металлической матрицы при малых
радиусах кривизны краев включений (значитель-
ной концентрации напряжений на границе матри-
ца–включение). это подтверждается результатами
испытаний других опытных сталей с различным
содержанием серы (см. рис. 6, б; кривые 1, 2) и
фрактографического анализа поверхности излома
образцов имплант (рис. 9) на сканирующем элек-
тронном микроскопе JEOL JSM-35CF. исследо-
вания показали, что для образцов из стали 17Г1с
характерна крупноячеистая структура, содержа-
щая сульфидные и сульфосиликатные неметалли-
ческие включения эллипсоидной, глобулярной и
пластинчатой формы (рис. 9, а). сталь х60 имеет
мелкозернистую структуру с незначительным ко-
личеством неметаллических включений глобуляр-
ной формы размером менее 2 мкм (рис. 9, б). на
поверхности изломов стали плавки № 47 с наи-
большим содержанием серы (см. табл. 1) наблю-
рис. 9. фрактограммы поверхности изломов образцов с разрушением по оси Z: а — сталь 17Г1с; б — х60; в — плавка № 47
(верхний ряд — ×300, нижний ряд — ×3000)
рис. 8. расположение надреза в ЗтВ образца имплант (а — ×63), разрушение по ЗтВ (б) и основному металлу (в)
2311/2014
дается значительное количество неметаллических
включений пластинчатой формы (рис. 9, в).
таким образом, подводя итоги испытаний свар-
ных образцов на стойкость к образованию холод-
ных трещин, можно сделать следующие выводы.
Во-первых, для ремонтных работ на действующих
мГп следует применять электроды с основным
покрытием, обеспечивающие низкое содержание
диффузионного водорода в наплавленном метал-
ле. Во-вторых, нужно использовать термоотжи-
гающий эффект второго прохода многослойно-
го шва, который улучшает микроструктуру ЗтВ
и способствует частичной эвакуации водорода из
проблемной зоны. В-третьих, необходимо прово-
дить послесварочный нагрев соединений, в кото-
рых в дальнейшем нагрузки могут действовать в
направлении, перпендикулярном текстуре метал-
ла трубы. и, наконец, в условиях интенсивного
теплоотвода на ремонтируемом участке мГп тре-
буется традиционный предварительный подогрев
до 100…150 °с.
Оценка склонности сварных соединений
стали к слоистому растрескиванию. одним из
распространенных видов трещин в сварных кон-
струкциях является слоистое растрескивание.
определение склонности материала к образова-
нию слоистых трещин — важный аспект оценки
свариваемости низколегированных сталей. сту-
пенчатая форма трещин и их расположение, в ос-
новном вне ЗтВ, позволяет отличать эти трещины
от холодных. характерно, что такие меры предо-
сторожности, как предварительный подогрев и
использование электродов с низким содержанием
водорода, которые являются эффективными для
предотвращения образования холодных трещин,
незначительно влияют на вероятность возникно-
вения слоистых трещин.
Как показывает мировой опыт, в нахлесточ-
но-стыковых и тавровых сварных соединениях
низколегированных сталей возможно образова-
ние слоистого растрескивания при действии растя-
гивающих напряжений по толщине проката. эта
проблема актуальна и для сварных соединений
конструкций (усиливающие муфты, тройники),
установленных на мГп в условиях эксплуатации,
поскольку при снижении внутреннего давления в
трубопроводе в кольцевых нахлесточно-стыковых
соединениях возникают значительные радиальные
напряжения, что связано с различной деформацион-
ной способностью сварных оболочек.
известно [13], что на склонность сварных со-
единений к слоистому растрескиванию влияют
следующие факторы:
– высокое содержание неметаллических вклю-
чений типа сульфидов и оксисульфидов марганца
и железа;
– неблагоприятная морфология неметалличе-
ских включений;
– ослабление матрицы металла из-за высокого
содержания неметаллических включений в одной
плоскости проката;
– значительная протяженность границ сплав-
ления вдоль прокатки (параллельно текстуре
металла);
– действие напряжений по толщине проката
(оси Z).
Для сравнительной оценки склонности основ-
ного металла к слоистому растрескиванию до-
полнительно были использованы стали разных
классов прочности (20, 09Г2с, х70). экспери-
менты проводили на цилиндрических составных
образцах с рабочей частью диаметром 6 мм, ко-
торые изготавливали из крестообразных сварных
соединений (см. рис. 4, б), из стали каждой мар-
ки изготавливали по 6 образцов и испытывали их
при одноосном растяжении, когда на исследуемом
участке металла напряжения действуют по оси Z.
после разрушения цилиндрических образцов из-
меряли относительное сужение ψ на стыке изло-
мов согласно методике [13]. полученные резуль-
таты приведены в табл. 2.
Для наглядности по средним значениям отно-
сительного сужения была построена гистограм-
ма распределения сталей по этому показателю
(рис. 10). наибольшей пластичностью при дей-
ствии напряжений по толщине листа, а, значит, и
меньшей склонностью к слоистому растрескива-
нию обладают стали 20, х60, х70, наименьшей —
17Г1с и опытные плавки № 65 и 47.
фрактограммы изломов образцов имплант,
разрушенных по основному металлу, также ха-
рактеризуют пластичность стали в направлении
оси Z. используя критерии, предложенные в ра-
боте [13], полученные результаты можно оценить
следующим образом (табл. 2): образование слоис-
тых трещин в сварных соединениях сталей 20 и х70
маловероятно (ψ ≥ 25 %); для сталей 17Г1с, 09Г2с
Т а б л и ц а 2 . Результаты испытаний составных образ-
цов на склонность к слоистому растрескиванию
сталь sв, мпа y, %
17Г1с 504…546
516
11,0…17,6
14,7
х60 572…580
574
20,2…26,0
23,2
плавка № 47 420…480
452
6,1…11,3
7,4
плавка № 65 464…510
485
10,0…14,2
13,0
20 466…480
469
22,1…30,6
25,7
09Г2с 470…492
481
19,0…27,2
20,3
х70 642…660
648
21,6…28,2
26,1
24 11/2014
и х60 требуется проверка на контрольных жест-
ких соединениях типа «окно» (15 ≤ ψ < 25 %); стали
плавки № 47 и 65 склонны к слоистому растрески-
ванию и не рекомендуются для изготовления ответ-
ственных сварных конструкций (ψ < 15 %).
было изучено влияние содержания серы на
физико-механические свойства металла при вы-
полнении надреза параллельно прокатке, что так-
же характеризует склонность сталей к слоистому
растрескиванию [14]. оценку вязкости проводили
на образцах менаже при ударном нагружении, а
склонность к хрупкому разрушения — на образ-
цах, позволяющих регистрировать критическое
раскрытие трещины (Крт) при трехточечном из-
гибе. Все образцы вырезали из крестообразных
сварных соединений (см. рис. 4, б). результаты
испытаний составных образцов представлены
на рис. 11. Видно, что ударная вязкость метал-
ла снижается с повышением в нем содержания
серы, особенно при отрицательных температурах
(рис. 11, а). что касается трубных сталей, то х60
имеет более высокие характеристики, чем 17Г1с,
которая содержит большее количество серы (см.
табл. 1). это еще раз подтверждает выводы ра-
боты [14], что содержание серы в стали выше
0,012 % приводит к снижению надежности свар-
ных конструкций.
изготовление и испытание образцов для опре-
деления Крт выполняли согласно методике [15].
по Крт, которое характеризует сопротивление
металла хрупкому разрушению при статическом
трехточечном нагружении образцов с надрезом,
параллельным прокатке, получены аналогичные
температурные зависимости (рис. 11, б). из гра-
фиков видно, что сталь плавки № 47 (кривая 2) с
высоким содержанием серы имеет очень низкие
значения Крт при трехточечном изгибе во всем
температурном диапазоне испытаний и по крите-
рию стойкости металла к хрупкому разрушению
(δс > 0,12 мм) не может применяться для изготов-
ления ответственных сварных конструкций. сталь
плавки № 65 (кривая 1) при условии действия
растягивающих напряжений по толщине листа
может эксплуатироваться только при положитель-
ных температурах, сталь 17Г1с (кривая 4) — до
–15 °с, х60 (кривая 3) — до –40 °с.
Для проверки склонности сварных соедине-
ний к слоистому растрескиванию была выбрана
сталь 17Г1с, имеющая промежуточные показа-
тели вязкости и пластичности из полученных на
всех составных образцах. из нее изготовили об-
разец, ввариваемый в паз на жесткой пластине
толщиной 25 мм и размером 300×300 мм из стали
рис. 10. распределение сталей по показателю склонности к
слоистому растрескиванию в зависимости от относительного
сужения по оси Z
рис. 11. Вязкость образцов с надрезом параллельно прокатке при ударном нагружении (а) и трехточечном изгибе (б): 1 —
плавка № 65; 2 — № 47; 3 — сталь х60; 4 — 17Г1с
2511/2014
09Г2с. эта проба, согласно [16], имеет название
«окно» и позволяет создавать в исследуемом ме-
талле высокий уровень растягивающих напряже-
ний по толщине проката при усадке замыкающего
многослойного шва в V-образной разделке. ма-
крошлиф этого сварного соединения и образова-
ние в нем слоистых трещин показаны на рис. 12.
трещины находятся в основном металле, ЗтВ и на
некотором удалении от нее. Видно, что раскрытие
трещины произошло в местах расположения це-
почки неметаллических включений неблагоприят-
ной пластинчатой формы с острыми краями.
таким образом, для трубопроводов, изготов-
ленных из сталей подобного химического соста-
ва, после приварки ремонтных конструкций без
остановки эксплуатации недопустимы значитель-
ные перепады внутреннего давления или же при
установке усиливающих элементов необходи-
мо предусматривать конструктивно-технологи-
ческие меры, снижающие вероятность слоистого
растрескивания. наиболее эффективным спосо-
бом уменьшения склонности к слоистому растре-
скиванию является регулирование содержания
серы в стали при выплавке путем введения ред-
коземельных металлов, которые не только явля-
ются активными раскислителями, но и связывают
серу в мелкодисперсные глобулярные частицы ок-
сисульфидов и сульфидов, равномерно распреде-
ленные в стали. Как уже упоминалось, остаточное
содержание серы в стали не должно превышать
0,012 %, а соотношение рЗм:S ≥ 4:1 [14].
ремонтные работы выполняются на давно по-
строенных мГп, использованная для них труб-
ная сталь не совсем благоприятна по химическо-
му составу с точки зрения свариваемости, так
что сварщикам остается применять конструктив-
но-технологические меры предупреждения сло-
истого растрескивания ремонтных конструкций.
одним из таких подходов, апробированным на
практике, является предварительная наплавка бу-
ферного слоя металла меньшей прочности, чем
металл шва, которая легла в основу техническо-
го решения присоединения отводов к действую-
щим мГп [17]. еще одним эффективным решени-
ем при ремонте можно считать предварительную
выборку поверхностного слоя стенки трубы с по-
следующим заполнением канавки сварочным ма-
териалом, обеспечивающим прочность шва на
уровне значений металла трубы [18].
В этой связи перспективным будет проведение
исследовательских работ по оценке эффективно-
сти локального переплава поверхностного слоя
стенки трубы, находящейся под давлением, ар-
гоно-дуговым или плазменным методом с целью
уменьшения содержания неметаллических вклю-
чений в выполняемых сварных соединениях и,
следовательно, снижения вероятности слоистого
растрескивания.
Выводы
1. сравнительные испытания с использованием
пробы теккен показали более высокую трещино-
стойкость сварных соединений стали 17Г1с, чем
стали х60. Установлено, что при сварке электро-
дами с основным типом покрытия для предотвра-
щения образования холодных трещин температура
предварительного подогрева должна составлять
20…50 °с для стали 17Г1с и 70…100 °с для
стали х60. при использовании электродов с цел-
люлозным покрытием температуру необходимо
повышать на 60…80 °с.
2. испытания образцов имплант с надрезом
параллельно и поперек прокатки показали разли-
чия в сопротивляемости сталей замедленному раз-
рушению. В первом случае вследствие совместно-
го негативного влияния диффузионного водорода
и сульфидных включений стойкость к образова-
нию холодных трещин стали х60 была выше, чем
стали 17Г1с. Во втором случае сталь 17Г1с име-
рис. 12. макрошлиф пробы «окно» (а), образование сло-
истых трещин в основном металле (б — ×100) и ЗтВ (в —
×100; г — ×500)
26 11/2014
ла более высокие значения критических напряже-
ний разрушения.
3. по результатам испытаний образцов на
растяжение по оси Z проведена градация исследу-
емых сталей по склонности к слоистому растре-
скиванию в зоне соединения в зависимости от со-
держания серы.
4. Установлена возможность прогнозирования
вероятности слоистого растрескивания по следу-
ющим показателям: относительное сужение по
оси Z; ударная вязкость и критическое раскры-
тие трещины на образцах с надрезом параллельно
прокатке; критические напряжения замедленного
разрушения; фрактограммы поверхности излома
основного металла.
5. с целью снижения риска образования холод-
ных трещин при выполнении ремонтных работ на
действующих мГп необходимо применять элек-
тродные материалы, обеспечивающие низкое со-
держание диффузионного водорода в наплавлен-
ном металле, использовать термоотжигающий
эффект от последующего прохода многослойного
шва, проводить послесварочный нагрев сварного
соединения в случае действия нагрузок в направ-
лении, перпендикулярном поверхности трубы.
6. Для предотвращения слоистого растрескива-
ния в ремонтных конструкциях на магистральных
трубопроводах целесообразно предварительно вы-
полнять наплавку буферного слоя металлом мень-
шей прочности или выборку поверхностного слоя
стенки трубы с последующим ее заполнением сва-
рочным материалом, обеспечивающим равнопроч-
ность сварного соединения.
1. Бут В. С., Грецький Ю. Я., Розгонюк В. В. обґрунтуван-
ня нового підходу до виконання зварювальних робіт на
трубопроводах під тиском // нафт. і газ. пром-ть. – 2001.
– № 4. – с. 33–39.
2. Дрогомирецький М. М. Внутрішньотрубна діагностика
магістральних газопроводів і ремонт виявлених дефек-
тів // сб. тр. научн. семинара «обеспечение эксплуатаци-
онной надежности систем трубопроводного транспорта»
(Киев, 11 апр. 2006 г.). – Киев: экотехнология, 2006.
3. Бут В. С., Олейник О. И. основные направления разви-
тия технологий ремонта магистральных трубопроводов в
условиях эксплуатации // автомат. сварка. – 2007. – № 5.
– с. 42-48.
4. ГБН В.3.1-00013741-12:2011: магистральные газопрово-
ды. ремонт дуговой сваркой в условиях эксплуатации. –
Введ. 06.09.2011. – Киев: мин-во энергетики и угольной
пром. Украины, 2011. – 152 с.
5. Бут В. С., Олейник О. И. оцінка технологічної та кон-
струкційної міцності зварних з’єднань ремонтних кон-
струкцій на магістральних трубопроводах // сб. тр.
междунар. научно-практ. конф. «остаточный ресурс и
проблемы модернизации систем магистральных и про-
мышленных трубопроводов» (Киев, 12–13 апр. 2011 г.).
– Киев: цтт иэс им. е. о. патона, 2001.
6. Шоршоров М. Х., Чернышова Т. А., Красовский А. И. ис-
пытания металлов на свариваемость. – м.: металлургия,
1972. – 218 с.
7. ТУ У 27.2-19305558-001:2007. елементи трубопроводів
підсилюючі конструктивні. – чинні від 03.07.07. – 79 с.
8. Kobelko Welding Today. – 1998. – 2, № 2.
9. Макаров Э. Л. холодные трещины при сварке легирован-
ных сталей. – м.: машиностроение, 1981. – 247 с.
10. Технология электрической сварки металлов и сплавов
плавлением / под ред. акад. б. е. патона. – м.: машино-
строение, 1974. – 768 с.
11. Recommendation for the use of Implant test as a comp-
lementary information test on the cold cracking susceptibility
during the welding of steels / H. J. Granjon // IIW Doc. IX
830–73.
12. ГОСТ 23338–91: сварка металлов. методы определения
содержания диффузионного водорода в наплавленном
металле и металле шва. — Введ. 01.07.1992. – м.: Гос-
стандарт ссср, 1991. – 20 с.
13. Suzuki H. Weldability of modern structural steels in Japan
// Trans. Iron and Steel Inst. of Japan. – 1983. – 23, № 3. –
р. 189–204.
14. Вихлевщук В. А., Черногрицкий В. М., Федорова И. П. и
др. повышение надежности сварных конструкций путем
снижения содержания серы в стали // автомат. сварка. –
1989. – № 4. – с. 1–6.
15. Кирьян В. И. методика оценки сопротивления конструк-
ционных сталей вязким разрушениям // там же. – 1984.
– № 11. – с. 1–6.
16. Farrar J. C. M., Dolby R. E., Baker R. G. Lamellar tearing in
welded structural steels. – Weld. J. – 1969. – № 7. – р. 274–
282.
17. Пат. 40033 Украина, F16L 41/00. способ присоединения
отвода к действующему газопроводу / В. с. бут, я. с.
марчук, а. с. мандра. – опубл. 25.03.2009; бюл. № 6.
18. Пат. 11796 Украина, F16L 55/16, E21F5/00. процесс
ликвидации технологических отверстий в магистраль-
ных трубопроводах / В. с. бут, с. ю. максимов, о. и.
олейник и др. – опубл. 16.01.2006; бюл. № 1.
поступила в редакцию 05.06.2014
Разработано в ИЭС
ДУГОВАЯ HАПЛАВКА СТАЛЬHЫХ
ВАЛКОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
Широкий ассортимент порошковых проволок (ПП-Нп-25Х5ФМС, ПП-
Нп-35В9Х3СФ, ПП-АН132, ПП-АН147), разработанных в ИЭС специ-
ально для наплавки валков, дает возможность выбрать оптимальный
состав наплавленного металла исходя из конкретных условий рабо-
ты валков, характера и интенсивности их износа, обрабатываемости
наплавленного металла, цены и др. Количество повторных наплавок
— 4...5 раз. Благодаря этому многократно увеличивается срок службы
валков и сокращается их расход.
Автоматическая дуговая
наплавка валка пильгер-
стана на Нижнеднепровском
трубопрокатном заводе
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102733 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T10:16:46Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бут, В.С. Максимов, С.Ю. Олейник, О.И. 2016-06-12T12:42:45Z 2016-06-12T12:42:45Z 2014 Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах / В.С. Бут, С.Ю. Максимов, О.И. Олейник // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 17-26. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102733 621.791:621.6.43 Ремонт магистральных трубопроводов, находящихся под давлением, предполагает применение различных усиливающих сварных конструкций. Сроки эксплуатации магистралей во многих случаях превышают 30 лет, а материал труб может иметь неблагоприятную структуру, поэтому существует необходимость расширить представления об обеспечении технологической прочности сварных соединений в условиях ремонта. В работе приведены результаты исследования склонности сварных соединений низколегированных сталей к образованию холодных и слоистых трещин. Для этого были проведены эксперименты на технологических пробах, имитирующих реальные сварные соединения ремонтных конструкций. Показано положительное воздействие предварительного подогрева, послесварочного нагрева и термоотжигающего эффекта на стойкость к образованию холодных трещин, а также существенное влияние серы на склонность сталей к слоистому растрескиванию. Доказана возможность прогнозирования вероятности слоистого растрескивания по показателям относительного сужения, ударной вязкости и критического раскрытия трещины, а также по критическим напряжениям замедленного разрушения и фрактограммам поверхности излома основного металла. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах Tendency to crack formation in welded joints of repair structures on the gas main pipelines Article published earlier |
| spellingShingle | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах Бут, В.С. Максимов, С.Ю. Олейник, О.И. Научно-технический раздел |
| title | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| title_alt | Tendency to crack formation in welded joints of repair structures on the gas main pipelines |
| title_full | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| title_fullStr | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| title_full_unstemmed | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| title_short | Склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| title_sort | склонность к трещинообразованию сварных соединений ремонтных конструкций на магистральных газопроводах |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102733 |
| work_keys_str_mv | AT butvs sklonnostʹktreŝinoobrazovaniûsvarnyhsoedineniiremontnyhkonstrukciinamagistralʹnyhgazoprovodah AT maksimovsû sklonnostʹktreŝinoobrazovaniûsvarnyhsoedineniiremontnyhkonstrukciinamagistralʹnyhgazoprovodah AT oleinikoi sklonnostʹktreŝinoobrazovaniûsvarnyhsoedineniiremontnyhkonstrukciinamagistralʹnyhgazoprovodah AT butvs tendencytocrackformationinweldedjointsofrepairstructuresonthegasmainpipelines AT maksimovsû tendencytocrackformationinweldedjointsofrepairstructuresonthegasmainpipelines AT oleinikoi tendencytocrackformationinweldedjointsofrepairstructuresonthegasmainpipelines |