УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
1.3. Методы оценки сопротивления металла труб разрушению Методы оценки сопротивления металла разрушению и определяемые характеристики должны позволять давать объ- ективную оценку работоспособности труб и сравнивать свой- ства сталей по следующим показателям: прочности, вязкости и пластичности; сопротивлению зарождению трещин в концен- траторах; сопротивлению распространению хрупким и вязким разрушениям в газопроводах; сопротивлению зарождению ус- талостных трещин в нефтепроводах, До начала 60-х годов оценку сопротивления разруше- нию» (в то время главное внимание уделяли хрупкому разру- шению) производили инженерно-экспериментальными мето- 13 дами, путем испытания различных типов образцов, например, Шарпи и Менаже (по ГОСТ 9454—78). Сериальные испытания таких образцов в широком интервале температур (от вязкого до хрупкого состояния металла) уже много десятков лет широ- ко применяются в инженерной практике для оценки ударной вязкости или доли волокна в изломе. Наряду с указанными простыми образцами Шарпи и Ме- наже в научно-исследовательской практике нашли широкое применение более крупные образцы, испытываемые на вне- центренное растяжение, статический изгиб, двуосное растяже- ние и ряд типоразмеров широких образцов с боковыми надре- зами. В 60-х годах в научных организациях много внимания уделялось развитию линейной механики разрушения с испы- танием на изгиб призматических образцов со специальным надрезом и компактных образцов на внецентренное растяже- ние с определением ряда характеристик материала — коэффи- циента интенсивности напряжения К с , критического раскры- тия трещины с , энергии продвижения трещины (I c -интеграл). В начале 70-х годов методы линейной механики разру- шения получили широкое научное признание, при этом в ряде стран, в том числе и в СССР, были разработаны проекты соот- ветствующих стандартов. Однако практического применения эти методы для строительных сталей низкой и средней проч- ности не получили, за исключением высокопрочных сталей в толстостенных конструкциях. Линейная механика разрушения изучает поведение де- фектов металла типа трещин, сопротивление металла их под- растанию. Теоретически механика разрушения позволяет ус- тановить допустимые размеры дефекта, напряжение, вызы- вающее подрастание трещин, при превышении которого сле- дует ожидать разрушения конструкций в реальных условиях их эксплуатации. Применение линейной механики разрушения для высо- копрочных металлов с прочностью 1000—2000 МПа позволи- 14 ло добиться крупных успехов. Для трубопроводов, строящихся из высокопластичных и высоковязких сталей с временным со- противлением разрыву 500—700 МПа при толщине стенки труб 12— 25 мм, аппарат линейной механики разрушения в настоящее время еще не позволяет прогнозировать поведение металла в конструкции, что связано с отсутствием состояния плоской деформации при указанных толщинах и возможно низких температурах. Размеры дефектов, определяемые для сталей газопрово- дов из положений механики разрушения, значительно отлича- ются от фактических значений критической длины трещины, способной к самопроизвольному развитию в магистральных трубопроводах. Такое различие не случайно, ибо математиче- ское описание состояния металла в вершине дефекта в услови- ях значительной пластической деформации несовершенно. Кроме того, наблюдаются изменения свойств металла при уве- личении степени и скорости деформации, что приводит к раз- личному поведению дефекта на стадиях докритического и за- критического развития. Сопротивление металла труб быстро распространяющемуся протяженному вязкому или хрупкому разрушению с позиций линейной механики разрушения оце- нить невозможно. Поэтому линейная механика разрушения пока не нашла применения при решении проблемы прочности нефтегазопро- водов, ибо она не позволяет правильно классифицировать ста- ли труб по их работоспособности в конструкции. В оценке свойств стали труб все еще превалируют экспериментальные методы. Однако исследовательские работы по совершенство- ванию положений линейной механики разрушения и накопле- нию данных о возможности их применения при расчете маги- стральных трубопроводов проводятся интенсивно. Как показа- ли исследования, такие характеристики, как I c -интеграл и с , являются перспективными для оценки сопротивления металла труб зарождению трещины. Для современных мощных магистральных газопроводов 15 необходимы трубы из особо вязких сталей с временным со- противлением разрыву 600—700 МПа, способные противосто- ять хрупким и вязким протяженным разрушениям. Трещино- стойкость таких сталей толщиной 12—25 мм практически не- возможно определить методами линейной механики разруше- ний. Поэтому характеристики трубных сталей, определяющие сопротивление хрупким и вязким разрушениям, устанавлива- ют в основном инженерно-экспериментальными методами при серийных испытаниях образцов или отдельных отрезков газо- проводов. Наиболее широкое распространение практически во всех странах мира получил метод испытания на ударный изгиб об- разцов Шарпи и полнотолщинных образцов типа ДWТТ. В ре- зультате испытаний определяют ударную вязкость, значение вязкой составляющей в изломе и поглощенную энергию раз- рушения. Методики и результаты испытаний отрезков газо- проводов и отдельных труб будут рассмотрены ниже. 1.3.1. Определение ударной вязкости на стандартных образцах Ударную вязкость металла труб определяют по ГОСТ 9454— 78 на образцах 10x10x55 мм или меньшей толщины, предусмотренной государственным стандартом. Радиус дна надреза r=1±0,07 мм (надрез Менаже), r = 0,25±0,025 мм (Шарпи) и r≤0,10 + 0,17 для образцов с усталостной трещиной. Образцы испытываются на 3-точечный ударный изгиб на ма- ятниковых копрах с энергией удара до 300 Дж. Скорость дви- жения маятника в момент нанесения удара должна быть 5±0,5 м/с. Расстояние между опорами для установки образцов долж- но быть 40±0,5 мм. Температура испытания образцов указывается в техниче- ски?: условиях или стандартах на поставку труб или стали, а при исследовательских работах испытания выполняются в ин- тервале температур, обеспечивающем получение на образцах изломов от вязкого до полностью хрупкого. 16 В результате испытаний определяют работу удара (энер- гию разрушения) или ударную вязкость. Результаты испыта- ний шифруются KCU, KCV или KCT, где KC — символ удар- ной вязкости, а U, V и T указывают на остроту надреза (соот- ветственно Менаже, Шарпи, усталостная трещина). При необ- ходимости после буквенных обозначений вводятся индексы, из которых нижний указывает температуру испытания в о С, а верхний— коэффициент уменьшения толщины испыты- ваемого образца. Ударная вязкость определяется по формуле KC=K/S 0 где К — работа удара, израсходованная на разрушение образца;. S 0 — площадь поперечного сечения под надрезом пе- ред испытанием образца. 1.3.2. Испытания полнотолщинных образцов Оценка свойств металла на полнотолщинных крупнораз- мерных образцах типа ДWТТ пока не стандартизирована и производится в соответствии с требованиями технических ус- ловий на. поставку труб. Образцы изготовляют поперечные по отношению к про- дольной оси трубы с размерами, приведенными на рис. 2. Для устранения трубной кривизны образцы правятся посредством статической нагрузки так, чтобы остаточный прогиб не пре- вышал 2 мм. Испытывают образцы на 3-точечный ударный из- гиб на маятниковых копрах или копрах с падающим грузом с запасом энергии молота 5—15 кДж. 17 Рис. 2. Эскиз и схема испытания полнотолщинного образца типа DWTT на ударный изгиб Мощность копра подбирают таким образом, чтобы энер- гия удара не менее чем на 1/3 превышала энергию разрушения образца. Надрез на образцах наносят фрезой (резаный надрез) или обжатием специальным пуансоном (прессованный над- рез). Центр удара по образцу не должен отклоняться более чем на 1 мм от оси надреза, что достигается установкой образца по специальному шаблону. Испытывают образцы при температуре, регламентиро- ванной техническими условиями, а в исследовательских целях — в интервале температур от вязкого до полностью хрупкого излома. В результате испытаний определяют значение вязкой со- ставляющей в изломах образцов для оценки хладостойкости стали и энергию разрушения для оценки сопротивления рас- пространению разрушений. Строят диаграммы динамического деформирования для последующего определения сопротивления зарождению и рас- пространению разрушения и средней скорости трещины, что подробно рассмотрено в гл. 5. Значение вязкой составляющей в процентах от площади сечения образца определяют различными методами. При этом участки разрушившегося сечения под надрезом и под местом удара молота в расчет не принимают. Температура перехода 18 металла в хрупкое состояние Т 80 , определяемая при 80 % во- локна в изломе образцов ДWТТ, наиболее удовлетворительно соответствует результатам пневматических испытаний труб диаметром 3420 мм. Введение в технические условия на поставку труб требо- ваний по количеству волокна в изломах образцов DWТТ при температуре эксплуатации позволило предупредить хрупкие разрушения магистральных газопроводов. Возможность опре- деления полной энергии разрушения полнотолщинных образ- цов DWТТ позволяет включить в оценку сопротивления ме- талла вязкому разрушению конструктивный параметр труб — толщину стенки и тем самым повысить объективность оценки сопротивления стали разрушению в газопроводах. В последние годы испытания полнотолщинных образцов с регистрацией поглощенной энергии получили признание в ряде стран. Этому способствовала более полная по сравнению с образцами Шарпи сходимость результатов испытаний образ- цов DWТТ с результатами пневматических испытаний труб при определении характеристик сопротивления вязкому раз- рушению. Различные результаты, получаемые при испытании пол- нотолщинных образцов DWТТ и образцов Шарпи, показаны на рис.3. Температура, при которой происходит резкое падение сопротивления разрушению (кривая 2, образцы DWTT), сдви- гается в положительную сторону, а температурный интервал перехода от верхнего плато к нижнему значительно сокраща- ется (|∆T 2 |<| ∆T 1 |). Из этого следует, что испытание на ударный изгиб полнотолщинных образцов DWTT является более жест- ким, чем испытание малогабаритных стандартных ударных образцов с надрезом по Шарпи. Это повышает надежность оценки сопротивления разрушению на полнотолщинных об- разцах. 19 Рис. 3. Зависимость ударной вязкости по Шарпи (1) и поглощенной энергии удара Л п образцов ШУТТ (2) от температуры испытаний Форма и тип надреза (резаный, прессованный или уста- лостная трещина) для сталей с поглощенной энергией удара А п менее 3,6 кДж не оказывают существенного влияния на значе- ние энергии разрушения. К этой группе сталей относятся горя- чекатаные и нормализованные. Для сталей контролируемой прокатки и термообработанных с А п >3,6 кДж прессованный надрез и усталостная трещина снижают энергию разрушения образцов тем значительнее, чем выше сопротивление стали зарождению трещины. В технических условиях на поставку газопроводных труб для образцов DWTT принят резаный над- рез. Получаемые при испытании образцов DWТТ зависимо- сти поглощенной энергии удара от температуры позволяют сравнивать различные стали не только по хладостойкости, но и по сопротивлению распространению вязких разрушений и температурному запасу вязкости (рис. 4). Верхнее плато кри- вых 1 и 2 соответствует полностью вязким разрушениям (100% волокна в изломах образцов). В интервале температур перехо- да из вязкого состояния в хрупкое происходит резкое сниже- ние поглощенной энергии. На рис. 4 видно, что при темпера- туре —15 о 20 Рис. 4. Зависимость поглощенной энергии удара от температуры испытаний образцов ОХУТТ из стали Х-70 контролируемой прокатки (/) и стали нормали- зованной 14Г2ФА-У (2) С сталь контролируемой прокатки (кривая 1) и нормали- зованная (кривая 2) разрушаются вязко, однако сопротивление вязким разрушениям у стали Х-70 на 40 % выше, чем у 14Г2АФ-У. При этом нормализованная сталь практически не имеет температурного запаса вязкости, а у стали Х-70 он со- ставляет | ∆T | = 15 °С. Известно, что при распространении разрушения в газопроводе охрупчивающим фактором наряду с отрицательной температурой является скорость деформирова- ния металла. Поэтому отсутствие температурного запаса вяз- кости у стали 14Г2АФ-У в условиях газопровода может при- вести к хрупкому разрушению. Для большинства сталей уменьшение вязкой составляю- щей в изломе от 100 до 80 % приводит к заметному снижению поглощенной энергии удара. В целях сопоставимости данных по различным сталям целесообразно в технических условиях на поставку труб рекомендовать определение поглощенной энергии на образцах ДWТТ производить при минимальной температуре эксплуатации. 21 1.4. Методика проведения натурных испытаний отрезков газопровода Натурные пневматические испытания отрезков трубо- проводов сопровождаются взрывами большой мощности, рас- пространением ударной волны на расстояние до нескольких километров и разлетом отделившихся частей на несколько сот метров. Поэтому проводятся они вдали от населенных пунк- тов, зданий и других сооружений. При натурных испытаниях используют отрезок газопро- вода длиной 150—250 м с приваренными на его торцах сфери- ческими заглушками. Выбор такой длины испытываемой сек- ции не случаен. Для современных мощных газопроводов осо- бенно опасны вязкие протяженные разрушения, предупредить которые наиболее трудно. Для изучения вязкого характера разрушения необходимо обеспечить длительное поддержание давления в вершине трещины. При истечении сжатого газа из разрушившегося газопровода потоки перемещаются в гори- зонтальной и вертикальной плоскостях. Взаимодействие пото- ков приводит к образованию внутри секции трех областей с различным по величине давлением: р в —давление в вершине движущейся трещины; р д — давление в диаметрально проти- воположной зоне; р р — давление на концевых участках сек- ции, которое в начальный момент разрушения равно испыта- тельному давлению. Движение газа в зону разрушения осуществляется за счет перепада давления в трубе. Благодаря постоянному поступле- нию сжатого газа из концевых участков испытываемой секции в область вершины трещины давление р в поддерживается на уровне, достаточном для распространения разрушения. Мак- симальная скорость изменения давления в вершине трещины (скорость декомпрессии) достигается не мгновенно, а в тече- ние некоторого промежутка времени от момента инициирова- ния разрушения. Средняя скорость перемещения волны пониженного дав- ления вдоль оси трубопровода составляет для природного газа 22 примерно 400 м/с. Это значение принимают при определении оптимальной длины испытываемой секции. Расчет показывает, что при ожидаемой средней скорости распространения трещи- ны 200 м/с длина трубной секции должна быть не менее 150 м. При большей скорости распространения трещины общую дли- ну испытываемого отрезка увеличивают до 200—250 м. В целом испытываемый отрезок газопровода состоит из трех участков, каждый из которых выполняет определенную функцию (рис. 5). В центре отрезка находится труба иниции- рования разрушения. По обе стороны от нее расположены ис- следуемые участки, на которых регистрируются параметры разрушения. Исследуемые участки заканчиваются ограничите- лями разрушений, предназначенными для остановки трещины. Они могут быть различной конструкции. Далее идут концевые участки, которые являются постоянными и служат для акку- мулирования энергии сжатого воздуха, необходимого для под- держания давления в вершине трещины. Концевые участки прочно закрепляются в траншее бетонными пригрузами, засы- паются грунтом для предотвращения продольных и попереч- ных перемещений. Рис. 5. Схема отрезка газопровода для натурных испы- таний: 1 — труба для инициирования разрушения; // — исследуемые участки; /// — постоянные концевые участки (ресиверы); IV—ограничители разрушений Разрушение инициируется в центральной трубе с помо- 23 щью поверхностного надреза и местного взрыва. При этом толщина стенки трубы под надрезом должна с небольшим за- пасом выдерживать заданное разрушающее давление. Длина инициирующего надреза обычно составляет 400 мм, что зна- чительно превышает критическую длину трещины. Это спо- собствует быстрому образованию и распространению трещи- ны в центральной трубе. Большую техническую трудность при натурных испыта- ниях представляет дистанционная регистрация параметров разрушения: температуры металла труб, скорости распростра- нения трещины, значения разрушающего давления и скорости его падения в различных сечениях испытываемой секции, раз- меров зоны пластических деформаций металла. Температура металла труб на различных участках секции определяется с помощью ряда термопар с автоматической записью на элек- тронном потенциометре. Разрушающее давление фиксируется самопишущим манометром, соединенным по отводному тру- бопроводу с испытываемой секцией. Скорость разрушения ре- гистрируется с помощью записи временных интервалов раз- рыва проволочных или других датчиков на запоминающем электронном осциллографе или магнитографе. Датчики скоро- сти представляют собой калиброванную проволоку, покрытую изоляцией. Датчики наклеивают по ходу будущего разрушения с определенным шагом. Недостатком этого метода записи ско- рости разрушения является возможный разрыв датчика пла- стической деформацией перед вершиной движущейся трещи- ны. Однако это не должно принципиально влиять на общий характер изменения скорости разрушения, так как временная ошибка для всех датчиков одинакова. Скорость падения давления в различных сечениях испы- тываемого отрезка газопровода измеряется с помощью специ- альных датчиков и регистрируется на электронном осцилло- графе или магнитографе. Датчики ввинчивают в сквозное от- верстие с резьбой в стенке трубы. С внешней стороны датчики закрывают приваренными к трубе толстостенными металличе- скими колпаками, предотвращающими их повреждение при 24 раскрытии бортов труб. Деформация металла труб в процессе разрушения регистрируется с помощью тензодатчиков, накле- енных на поверхность в поперечном и продольном направле- ниях. Датчики размещаются непосредственно около ожидае- мой траектории трещины и с некоторым смещением от нее по периметру трубы. Тензодатчики регистрируют значения де- формаций до 5%. Записанные деформации позволяют оценить размер пластической зоны перед вершиной движущейся тре- щины и с учетом знака определить изменение формы трубы в разные моменты процесса разрушения. Подготовленный к испытанию исследуемый участок опускают в траншею и приваривают к постоянным концевым участкам испытываемого отрезка. В зависимости от цели экс- перимента трубы полностью или частично засыпают грунтом. С помощью компрессорной установки поднимают давление в отрезке газопровода до заданного значения и локальным взры- вом инициируют разрушение из центральной трубы. Нагруже- ние трубы производят воздухом или природным газом (мета- ном). Скорость декомпрессии метана и воздуха в трубопроводе примерно одинаковая, и поэтому выбор нагружающей среды практически не влияет на результаты эксперимента. В то же время использование воздуха вместо природного газа упроща- ет технику проведения испытания и исключает возможность возгорания при взрыве. Натурные испытания отрезков газопроводов позволяют выявить следующие данные: длину и характер распростране- ния разрушения (вязкий или хрупкий); траекторию и скорость распространения трещины; влияние грунта, температуры и давления па работу металла в трубопроводе; установить со- противление металла труб разрушению. |