Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 16

Технологические концен-106траторы в виде непроваров и несплавлений приводят к преждевременному зарождению трещины.Для изучения причин разрушения тройника был проведен всестороннийанализ зоны сварного соединения. Комплекс исследований предусматривал:1) определение соответствия химического состава металла разрезноготройника, технологического кольца и трубы требованиям сертификатов качества изготовителя;2) определение соблюдения требований к тепловому режиму сварки взоне термического влияния;3) определение вида и очага разрушения;4) изучение показаний тензодатчиков.С этой целью из разрушившихся тройников были вырезаны темплеты, изкоторых в дальнейшем изготавливались образцы для соответствующего анализа. Схема вырезки приведена на Рис.

4.12. Темплеты включали участки трубы,муфты и разгрузочного кольца.Рис. 4.12.Схема вырезки темплетов: 1 – образец для химического анализа; 2, 4, 5, 6 – образцы для макрошлифов; 3 – образец для микрошлифа; 7 – образец для фрактографииХимический анализ, проведенный на темплете (Рис. 4.13), показал полноесоответствие состава сварного соединения и основного металла заявленным107свойствам. Результаты анализа и химический состав материалов трубы стали10Г2ФБЮ по ТУ 14-1-5270-94 приведены в Таблице 8. Из этих данных следует,что химический состав всех материалов сварного узла соответствует стали10Г2ФБЮ. Более того, можно наблюдать близость свойств различных зон сварного соединения.Рис.

4.13.Образец для анализа химического состава. Номера зон: 1 – основной металлтройника, 2 – основной металл трубы, 3 – основной металл разгрузочного кольца, 4 – металл шва, 5 – металл корневого слоя шваТаблица 8.Результаты анализа химического составаРезультаты анализа, % масс.CSiMnPSCrNiCuAlTiVNbMo10,120,271,750,0080,0020,220,110,260,030,0250,120,0370,01320,1150,201,720,0070,0030,0230,010,020,0430,0200,0680,0360,0130,0960,241,680,0090,0030,190,160,190,0430,0170,0660,0500,0140,0920,340,880,0150,0130,130,10,180,0060,0170,0160,010,02450,0910,401,200,0110,0040,0430,0160,0340,0050,0100,0290,010,05910Г2ФБЮТУ14-15270-94№зоны0,090,120,150,501,551,75<0,020<0,0060,020,050,0100,0350,080,120,020,05Соблюдение требований к режиму нагрева зоны термического влиянияпроведено путем измерения микротвердости.

Измерения произведены в направлении, перпендикулярном трещине, в трех сечениях на расстояниях (r) 1, 5 и 10мм от устья трещины. Схема и результаты измерений приведены на Рис. 4.14.108Результаты замеров показывают, что микротвердость ЗТВ изменяется вшироких пределах, однако ее значения в шве и в ЗТВ не превышает максимально допускаемого значения 350HV, установленного нормативной документацией(РД 91.200.00-КТН-119-07). Большие значения микротвердости находятся вдиапазоне 275 – 350 HV0,05 вблизи трещины и снижаются по мере удаления отнее до значений 220-250 HV0,05.

По мере приближения к вершине трещины максимальное значение твердости растет.Результаты измерений твердости свидетельствуют об отсутствии закалочных структур. Следовательно, сварка проводилась на благоприятных режимахбез отклонений от установленной технологии. Некоторое завышение значенийтвердости вблизи трещины, скорее всего, связано с упрочнением металла в результате прорастания трещины.траектория трещинымуфтаr2шовсечениекольцоустье трещинытруба1б)а)2211в)г)Рис. 4.14.Распределение микротвердости поперек трещины на расстояниях (r) от её устья:а) 1,0 мм, б) 5,0 мм от устья, в) 10,0 мм. 1 – положение трещины; 2 – допустимаявеличина твердостиУсталостная трещина распространялась по основному металлу поперекстенки магистрали тройника.

Макрошлифы сварного соединения приведены наРис. 4.15. Наибольший размер трещины наблюдается на темплете №2, соответ-109ствующем участку шва напротив патрубка. Длина трещины 20,5 мм, ширинараскрытия в устье трещины 1 мм. По мере удаления от патрубка длина трещиныуменьшается (Рис. 4.15,б,в). На стороне, противоположной магистрали тройника, трещины полностью отсутствуют (Рис. 4.15,г,д). В этой зоне условия нагружения соответствуют условиям в гладкой муфте. Отсюда следует, что гладкаямуфта имеет достаточный запас по ресурсу по сравнению с тройниками. Наснимке наблюдается непровар в корне шва, который, очевидно, оказался очагомразрушения.Рис. 4.15.Макрошлифы вырезанных темплетов(номера темплетов в соответствии с Рис. 4.12)Детальный фрактографический анализ поверхности разрушения (Рис.4.16) показал, что на поверхности очага разрушения при большом увеличении110видны горизонтальные полосы (предположительно, следы механической обработки) [106].

Следовательно, в этой зоне надлежащего сплавления не произошло. Поэтому предположение, что разрушение сварного соединения началосьименно в этой зоне, оправданно. Зона 1 соответствует корневому слою шва, который стал очагом разрушения. Трещина зародилась на стыке зоны 1 и зоны 2 изатем росла до разрушения через зону 2. Зона 3 соответствует участку долома.На поверхности макрошлифов наблюдается несколько микротрещин длиной до 1,5 мм, которые расположены в зоне термического влияния и направлены в металл трубы и в металл кольца. Ветвление трещины подтверждает усталостный характер разрушения.Рис. 4.16.Снимок излома образца натурного тройникаПоказания тензометрических датчиков также подтверждают вывод оналичии очага разрушения в самом начале испытаний.

На Рис. 4.17 представлены показания датчиков, установленных по периметру кольцевого шва. По осиабсцисс отложен номер цикла нагружения, по оси ординат – амплитуда деформации, соответствующая циклу.Наиболее информативным является датчик №12, установленный вблизишва и ориентированный в направлении оси трубы.

Показания этого датчикасвидетельствуют о том, что на участке кольцевого шва рядом с этим датчикомпроисходил рост усталостной трещины. Вследствие этого амплитуда деформа-111ций датчика увеличивалась, причем на диаграмме видно, что рост трещиныпроисходил непрерывно и достаточно равномерно, начиная с первых цикловнагружения. Наличие очага разрушения в корне шва сокращает время, необходимое на образование усталостной трещины. В результате рост трещины начался с первых циклов нагружения, что привело к преждевременному разрушениюобразца.Амплитуда деформации, %0,12Датчик 7Датчик 80,1Датчик 990,08Датчик 10Датчик 1170,06Датчик 120,0411120,0281000100020003000400050006000-0,02Номер циклаРис.

4.17.Амплитуда показаний тензодатчиков(схема размещения датчиков на Рис. 2.17)4.3.Результаты испытаний ремонтных конструкцийВ результате проведенных исследований разрушившихся образцов былаполучена исчерпывающая информация о структуре, твердости и прочих характеристиках металла шва, а также о характере роста и размерах трещин на различных участках шва. Эта информация была дополнена показаниями тензодатчиков, установленных на поверхности натурного образца, позволившими проверить результаты расчета напряженного состояния и уточнить динамику ростатрещин в процессе испытаний.Разработанные и изготовленные образцы позволили оценить усталостнуюпрочность металла швов, сваренных по существующей технологии, и убедиться112в ее недостаточности для обеспечения долговечности тройника даже при условии увеличения сечения шва и разгрузки трубы от изгиба разгрузочными кольцами.При последующих натурных испытаниях сварных разрезных тройниковыхмуфт выявились некоторые недостатки разработанной методики испытаний лабораторных образцов, приводящие к завышению прогнозируемого ресурса.

Вопервых, совпадение амплитуды пластических деформаций в концентраторемуфты и образца обеспечивает воспроизведение только условий страгиваниятрещины. Для воспроизведения траектории и скорости дальнейшего роста трещины необходимо обеспечить соответствие распределения напряжений по всему сечению шва. Как показало моделирование, в стенке тройника, кроме изгибающего момента, действует продольная растягивающая сила. Образец же былнагружен только моментом. Отрицательный градиент напряжений в направлении роста трещины тормозил её рост.

Для исправления этого недостатка достаточно было расположить образец в испытательной машине не горизонтально, апод наклоном. При правильном выборе угла наклона усилие испытательноймашины создает в сечении как изгиб, так и растяжение в нужной пропорции.Во-вторых, распределение напряжений в разрезном тройнике не является осесимметричным, наиболее нагружен участок кольцевого шва рядом с ответвлением тройника.Из результатов ранее проведенных испытаний было известно, что разрушение идет по минимальному сечению углового шва, прикрепляющего тройникк трубе, с выходом на поверхность примерно на середине свободной поверхности шва.

В результате изменения конструкции сварных соединений удалосьустранить разрушение по шву при испытании натурных образцов. Однако в ходе испытаний выявились новые, не учтенные ранее явления, снижающие долговечность тройника. Предложенная технология ремонта оказалась существенноболее чувствительной, чем предыдущая, к качеству сварки корня шва. Слабымместом оказалось сечение по металлу тройника, поэтому даже небольшой непровар кромки тройника (порядка 1 мм), а также малая глубина проплавленияэтой кромки существенно увеличивали скорость роста трещины на начальном113участке, от которой главным образом зависит долговечность. Далее рост трещины проходил по основному металлу стенки тройника.

Изменение (уменьшение) угла разделки позволяет как уменьшить вероятность появления дефектов вкорне шва, так и обеспечить их выявляемость средствами неразрушающего контроля, но требует увеличения массы наплавляемого металла.4.4.Выводы по главе 41. Применение методики испытания лабораторных образцов позволилустановить влияние технологических параметров сварного соединения на долговечность ремонтной конструкции. Анализ результатов испытаний показал:1.1. Величина зазора в нахлесточном соединении муфты с трубой не оказывает существенного влияния на долговечность.