Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій - Автореферат

Текстура прокату і надто низькі значення вязкості руйнування у поєднанні зі складним напруженим станом, що виникає при зварюванні, монтажі і експлуатації великогабаритних конструкцій в місцях Т-подібних та інших кутових зєднань, викликає збільшення тріщин нормального відриву в оболонках конструктивних елементів. Це послужило підставою для узагальнення і прогнозування можливих характерних пошкоджень з урахуванням структурно-текстурних особливостей прокату та умов експлуатації зварних конструкцій, зокрема у водневовмісних середовищах. Патона Національної академії наук України відповідно до планів фундаментальних і прикладних робіт за такими темами: 12/3 „Розробити методи визначення впливу воднево-шарових та інших характерних експлуатаційних дефектів на міцність і працездатність зварних конструкцій у нафтохімічній та енергетичній галузях промисловості” (0100U004934); 12/12 „Розробити методи та визначити припустимі значення ударної вязкості конструкційних матеріалів і їх зварних зєднань на основі критеріїв механіки руйнування та стандартних випробувань з метою забезпечення тріщиностійкості відповідальних зварних конструкцій” (0103U005430); 12/13 „Дослідити експериментальними та розрахунковими методами вплив експлуатаційних пошкоджень на статичну і циклічну міцність посудин тиску та трубопроводів” (0106U004520); „Исследовать материалы, прочность узловых сварных соединений при статическом и периодическом нагружении, разработать технологию изготовления трубчатых конструкций применительно к морским стационарным платформам” (пр. Метою роботи було встановити закономірності розвитку шаруватих руйнувань зварних зєднань і розробити методи їх попередження на всіх етапах створення і експлуатації зварних конструкцій, з урахуванням текстури основного металу і умов експлуатації, включаючи температуру, навантаження і дію водневовмісних середовищ. уточнити з урахуванням структурно-механічної анізотропії прокату негативні наслідки впливу зварювання на особливості формування структури і властивості металу ЗТВ, провести аналіз аномальної залежності характеристик тріщиностійкості від розмірів структурних елементів;Проблема взаємодії водню з металами як при експлуатації, так і в процесі зварювання знайшла відображення в роботах О.Є. Проте, як показав досвід, навіть у відносно чистих стосовно неметалічних включень сталях контрольованого прокату при температурах, нижчих за кімнатну, схильність до шаруватих руйнувань залишалася, що змусило звернути увагу на існування цього виду текстури та її ролі в пластичності і вязкості металу. Таким чином, якщо шляхом мінімізації вмісту неметалічних включень і надання їм безпечної форми вдається знизити ризик виникнення шаруватих розтріскувань при температурах вищих за температуру крихко-вязкого переходу, то при температурах нижчих за Тх така проблема залишається. У ньому представлено аналіз отриманих автором результатів досліджень щодо розвитку шаруватих тріщин у низьколегованих сталях, близьких за хімічним складом, але різних за типом термомеханічної обробки; еволюції дислокаційної структури і мікроструктури в металі в процесі статичної деформації; змінення кристалографічної орієнтації вздовж товщини сталевого листа і її впливу на характер руйнування та мікрофрактографічні особливості зломів. Експериментально встановлено, що в сталях контрольованого прокату гостра кристалографічна текстура, що характеризується підвищеною щільністю площин сколу сімейства {001} , при температурах нижчих за Тх, зумовлює різке зниження вязкості руйнування при навантаженні у напрямку товщини листа; призводить до появи 45-градусної крихкості за умови розвитку магістральних тріщин, перпендикулярних площині прокату; сприяє розвитку крихких тріщин від поверхневих концентраторів напруги у напрямку товщини листа через переважне зосередження компоненту {011} в приповерхневих шарах.Друге - без помітної зміни Тх - виявляється у формі зниження значень вязкості руйнування на верхньому “шельфі” її температурної залежності. Отримали розвиток нові уявлення про причини аварій зварних конструкцій, обумовлених текстурою основного металу, яка визначає анізотропію пластичності, вязкості і топографії руйнування. Це дозволило сформулювати основні вимоги до Z-сталей для вузлових трубчастих зєднань відповідальних зварних конструкцій. Встановлено, що основною причиною розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування є кристалографічна текстура, яка виникає в металі при низьких температурах кінця прокату. Встановлено залежність між опором руйнуванню та структурними елементами ділянки перегрівання в зварних зєднаннях низьколегованих сталей, в звязку, з чим отримали розвиток методи оцінки характеристик тріщиностійкості та за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів цих елементів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Вперше встановлено існування двох видів шаруватого розтріскування: низько- та високотемпературного. Перше характеризується зміною температури крихко-вязкого переходу Тх. Друге - без помітної зміни Тх - виявляється у формі зниження значень вязкості руйнування на верхньому “шельфі” її температурної залежності.

2. Отримали розвиток нові уявлення про причини аварій зварних конструкцій, обумовлених текстурою основного металу, яка визначає анізотропію пластичності, вязкості і топографії руйнування. Це дозволило сформулювати основні вимоги до Z-сталей для вузлових трубчастих зєднань відповідальних зварних конструкцій.

3. Встановлено, що основною причиною розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування є кристалографічна текстура, яка виникає в металі при низьких температурах кінця прокату. Це обумовлено переважною наявністю в прокаті компоненту {001} , перпендикулярного дії максимальної нормальної напруги. Вплив інших компонентів, зокрема {112} , проявляється в зміні траєкторії руйнування та підвищенні тріщиностійкості.

4. Показано, що шарувато-вязкий злом характеризується міжзереним типом руйнування, ознаками якого є макро- та мікротераси. Макротераси сумірні з розмірами деформованих первинних зерен аустеніту, а мікротераси - з розмірами зерен і субзерен вторинної структури. Їх кількість перевищує вміст неметалічних включень в них.

5. Встановлено закономірності розподілу щільності дислокацій в залежності від напряму прикладеного навантаження в процесі деформації низьколегованих сталей. При розтягуванні у напрямку товщини листа загальна щільність дислокацій в металі приблизно у 3,5 рази менша, ніж при розтягуванні в поздовжньому і поперечному напрямах. Збільшення щільності хаотичних дислокацій з 1·109 см-2 в початковому стані до приблизно 1·1011 см-2 у стані передруйнування локалізується переважно в області неметалічних включень, викликаючи їх розтріскування або відшарування від матриці. Збільшення щільності дислокацій, розташованих у вигляді стінок, обумовлено фрагментацією субзереної структури.

6. Результати досліджень дослідних партій сталі на базі марки 09Г2С з різними значеннями температури кінця прокату покладено в основу технічних умов для відповідальних зварних конструкцій. Найбільша ізотропність товстолистового низьколегованого прокату забезпечується при температурі кінця прокату 750 °С (нижня частина ? ?- області) та 820 °С (верхня частина ? ?- області) з водяним охолодженням.

7. Встановлено залежність між опором руйнуванню та структурними елементами ділянки перегрівання в зварних зєднаннях низьколегованих сталей, в звязку, з чим отримали розвиток методи оцінки характеристик тріщиностійкості та за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів цих елементів.

8. Встановлено закономірності утворення і розвитку шарувато-водневого розтріскування. Воно виникає в зневуглецьованих зонах внаслідок тиску метану і/або водню як на початкових стадіях свого розвитку, так і в зоні передруйнування перед фронтом магістральної тріщини і є взаємодією окремих мікротріщин і пор, що викликає локальну концентрацію пластичних деформацій з супутнім збільшенням вмісту молізованих газів. Вперше зневуглецювання, що успадковує текстуру матеріалу, зафіксовано в оболонках нафтохімічного устаткування з конструкційних сталей, яке, на відміну від існуючих уявлень, протікало при невисоких значеннях температури (~60 °С) і тиску пари вуглеводів ( ). Розвиток шарувато-водневого розтріскування обумовлений переважною кількістю в прокаті компоненту кристалографічної орієнтації {001} . Наявність яскраво вираженої текстури в оболонках конструкцій обумовлює також пошаровий розвиток в них виразкової і щілинної корозії в процесі переробки нафти.

9. Встановлено, що залишковий ресурс конструкцій, що експлуатуються у водневовмісних середовищах, визначається, насамперед, ступенем ураження оболонки з низьколегованих сталей шарувато-водневими тріщинами, які внаслідок дифузії водню в зону пружно-пластичного спотворення кристалічної решітки можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів; при цьому експлуатаційне окрихчення металу носить другорядний характер. Основною причиною руйнування устаткування з різнорідних сталей є дифузійні прошарки на лінії сплавлення зварного зєднання; вони характеризуються навуглецьованим шаром з боку аустенітного (високолегованого) і зневуглецьованим з боку неаустенітного (низьколегованого) металу, що надалі обумовлює утворення корозійної порожнини. Результати випробувань на тривалу міцність і повзучість дозволяють стверджувати, що стан оболонок з теплостійких сталей після напрацювання 150 тис. годин не зважаючи на розвиток структурних змін в цілому зберігається задовільним.

Головний підсумок роботи полягає в узагальненні результатів досліджень і спрямований на вирішення важливої науково-практичної проблеми - запобігання шаруватим руйнуванням зварних конструкцій, що експлуатуються в атмосферних умовах, а також при дії водневовмісних середовищ.

1. Слоистое, слоисто-хрупкое и слоисто-вязкое разрушение сварных соединений /В.С.Гиренко, А.В. Бернацкий, М.Д. Рабкина, Н.П. Коржова //Проблемы прочности. - 1987. - №3. - С. 70-76.

2. Особенности текстуры и анизотропии механических свойств конструкционных сталей /Перлович Ю.А., Павелко В.П., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Козачек В.М., Дзыкович И.Я. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1990. - №1. - С. 50-58.

3. Влияние кристаллографической текстуры на склонность к слоистому разрушению низколегированных малоперлитных сталей /Усов В.В., Шкатуляк Н.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В., Мусиенко А.П., Щербаков О.Н. //Известия АН СССР. Металлы. - 1990.- №1.- С. 120-125.

4. Влияние анизотропии прокатана некоторые особенности процесса пластической деформации и разрушения низколегированных сталей /Барабаш Р.И., Рабкина М.Д., Маркашова Л.И., Мнышенко С.В., Аскеров М.Г., Поленур А.В. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1990. - №3. - С.54-61.

5. Влияние предварительного подогрева и местного высокого отпуска на вязкость разрушения сварных соединений стали 09Г2С /Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Павленко Ю.В., Горпенюк В.Н., Дыскин Э.М. //Автоматическая сварка. - 1991. - №8. - С. 17-21.

6. Рабкина М.Д., Дудко С.М., Гончаренко Е.И. Структурные особенности ЗТВ соединений низколегированных сталей при дуговой сварке //Автоматическая сварка. - 1991. - №12. - С. 21-27.

7. Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию характеристик разрушения низколегированной стали контролируемой прокатки /Усов В.В., Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В., Шкатуляк Н.М. //Физико-химическая механика материалов. - 1993. - №2. - С. 47-52.

8. Рабкина М.Д. Особенности формирования структуры и свойств металла ЗТВ сварных соединений низколегированных сталей //Автоматическая сварка, 1997.- №4. - С. 14-19.

9. Некоторые результаты технической диагностики сосудов и трубопроводов в нефтехимической промышленности /Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Дядин В.П., Бернацкий А.В., Давыдов Е.А., Кузьмин В.В. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1998. - №3.- С. 17-24.

10. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкіна М.Д. Деякі результати технічної діагностики трубопроводів і посудин у нафтохімічній промисловості //Машинознавство. - 1999. - №7. - С. 3-7.

11. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Анизотропия характеристик трещиностойкости как одна из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов. //Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Зб. наук. пр. - Львів: Каменяр, 2001. - Вип.3. - С. 138-147.

12. Рабкина М.Д., Маркашова Л.И. Оценка состояния материала змеевиков печей каталитического риформирования углеводородов после их длительной эксплуатации //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2002. - №1. - С. 22-27.

13. Лобанов Л.М., Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Анизотропия как одна из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Межвід. наук.-техн. зб. - К., 2002. - Вип. 64. - С.165-168.

14. Рабкина М.Д. Структурные факторы, определяющие анизотропию мостовых сталей //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Межвід. наук.-техн. зб.- К., 2002. - Вип. 64. - С. 198-200.

15. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Гиренко С.В. Физико-механические изменения в сталях при эксплуатации в водородсодержащих средах //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2003. - №4. - С. 18- 23.

16. Рабкина М.Д. Результаты технического диагностирования печных змеевиков установок каталитического риформинга и гидроочистки нефтепродуктов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2004. - №2. - С. 9-17.

17. Рабкина М.Д. Оценка коррозионных поражений колонн ректификации и сероочистки углеводородных газов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2005. - №2.- С. 3-8.

18. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Гиренко С.В. Оценка трещиностойкости металла сварных соединений по результатам стандартных механических испытаний с учетом размеров структурных элементов //Автоматическая сварка. - 2006.- №6.- С. 20-26.

19. Склонность сварных швов ниобиевых сплавов с твердорастворным и гетерофазным упрочнением к хрупкому разрушению /Е.А. Аснис, М.М. Нероденко, С.М.Гуревич, М.Д. Рабкина //Проблемы прочности. - 1983. - №6 - С. 106-108.

20. Кристаллизационные трещины при сварке сплава системы ниобий-цирконий-ванадий-углерод /Нероденко М.М., Аснис Е.А., Рабкина М.Д., Кайда Т.В., Барабаш О.М., Глазунов М.Г., Семкин С.П. //Автоматическая сварка. - 1983. - №6 - С. 71-72.

21. Особенности формирование дислокационной структуры при сварке тонколистового ниобия /Аснис Е.А., Барабаш Р.И., Белоцкий А.В., Нероденко М.М., Поленур А.В., Рабкина М.Д. //Доклады АН УССР. Сер. А. - 1984.- №4. - С.74-78.

22. Влияние состава защитной атмосферы при сварке на прочность сварных соединений из ниобиевых сплавов /Рабкина М.Д., Нероденко М.М., Гуревич С.М., Уманский Э.С., Харченко В.К., Кривенюк В.В., Чоловский Э.С., Петрунин Г.А., Чугай Н.Ф. //Проблемы прочности. - 1984. - №11. - С. 112-118.

23. Girenko V.S., Rabkina M.D., Girenko S.V. Evaluation of crack resistance of welded Joint metal based on the results of standard Mechanical tests with regard for the Dimensions of structural elements //The Paton welding journal. - 2006. - №6. - P.16-20.

24. Рабкіна М.Д., Зазимко О.В., Костецька Н.Б. Структурні і фазові перетворення в сталях та їх особливості при зварюванні конструкційних сталей //Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство. Методичні вказівки. - К.: НАУ, 2000. - 30 с.

25. Дискін Е.М., Рабкіна М.Д., Костецька Н.Б. Відновлення деталей сільськогосподарських машин і механізмів зварюванням і наплавленням. //Науково-методичні вказівки для студентів та фахівців інженерних спеціальностей. - К.: НАУ, 2002. - 32 с.

26. Ремонт баллона высокого давления на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе /Гарф Э.Ф., Дыскин Э.М., Рабкина М.Д., Соломийчук Т.Г., Рева А.А. //Сварщик. - 2003. - №1. - С. 6-11.

27. Ободной из причин возникновения трещин в пролетных строениях сварных мостов /В.С.Гиренко, В.И.Новиков, В.Г.Орлов, М.Д. Рабкина //Эксплуатационная надежность искусственных сооружений: Сб. науч. тр. - М.: Транспорт, 1989. - С. 96-101.

28. Имитация структурных превращений в ЗТВ низколегированной стали /Рабкина М.Д., Гиренко В.С., Гончаренко Е.И. Глазунов С.Н., Терентьев А.В., Жарков А.В. //Прогрессивные методы получения сварных соединений конструкционных сталей и чугунов: Сб. науч. тр. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона, 1990. - С. 46-54.

29. Рабкина М.Д., Соломийчук Т.Г. Результаты исследования коррозионностойких сталей при техническом диагностировании оборудования переработки нефти и производства каустической соды //Неруйнівний контроль та технічна діагностика: Зб. наук. пр. 4-ї Національної науково-технічної конференції і виставки - К., 2003. - С. 219-223.

30. Рабкина М.Д., Усов В.В., Шкатуляк Н.М. Водородно-слоистое растрескивание конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”. - Киев. - 2003. - С. 129.

31. Влияние анизотропии прокатана процесс пластической деформации стали 09Г2С /Белоцкий А.В., Балакшина О.Н., Барабаш Р.И., Рабкина М.Д., Гиренко В.С. //Труды Всесоюз. конф. “Новые материалы и технологии термической обработки металлов”. - Киев. - 1985. - С. 70-71.

32. Гиренко В.С., Рабкина М.Д. Слоистое, слоисто-хрупкое и слоисто-вязкое разрушение сварных соединений //Труды 2-го Всесоюз. семин. “Физико-химическая механика хрупкого разрушения конструкционных материалов”. - Славськ: ФМІ. - 1985.

33. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Бернацкий А.В. Анизотропия механических характеристик строительных сталей в связи с особенностью текстуры металлопроката. //Труды конф. “Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных стальных конструкций, зданий и сооружений”.- Киев. - 1988. - С.61.

34. Гиренко В.С., Рабкина М.Д., Маркашова Л.И. Текстурные особенности, определяющие склонность стального проката к различным видам слоистого разрушения //Труды VI Всесоюз. конф. “Физика разрушения” - Киев: ИПМ. - 1989. - ч.1. - С. 182

35. Зоны локальной хрупкости в сварных соединениях низколегированных сталей больших толщин. /А.А. Гайворонский, С.М. Дудко, С.В. Кобелев, М.Д. Рабкина, //Труды научно-технич. конф. “Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов”. - Ижевск. - 1989. - С. 68

36. Гиренко В.С., Рабкина М.Д. О слоисто-вязком и слоисто-хрупком разрушениях в сварных соединениях конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Сварные конструкции”. - Киев. - 1990. - С.160-162.

37. Рабкина М.Д., Гиренко В.С. Структурные превращения, фрактографические особенности и вязкость разрушения сварных соединений низколегированных конструкционных сталей //Труды Междунар. конф. “Сварные конструкции”. - Киев. - 1990. - С. 197.

38. Brittle fracture of steel with a developed crystallographic texture / Rabkina M.D., Girenko V.S., Bernatskij A.V., Usov V.V., Shkatuljak N.M // Труды Eight international conference of fracture “Fracture mechanics successes and problems”. - Kyiv. - 1993. - Part II. - Р. 556.

39. Результаты технической диагностики оборудования нефтеперерабатывающей промышленности /Л.М. Лобанов, Э.Ф. Гарф, В.С. Гиренко, М.Д. Рабкина //Труды III Междунар. симпоз. “Сварка и родственные технологии: расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварных конструкций ответственного назначения”. - Минск. - 2003. - С.29.