Помощь студентам в учебе
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ДЕГРАДАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 12
1.1 Эволюция структуры и фазового состава при сварке и эксплуатации
углеродистых и низколегированных сталей 12
1.1.1 Физические процессы, протекающие при сварке 12
1.1.2 Деградация основного и наплавленного металла в процессе
эксплуатации 14
1.2 Проблема эффективности методов испытаний 19
1.2.1 Физические методы контроля и испытания 19
1.2.2 Метод стресс-испытаний 21
Выводы по главе и постановка задач исследования 25
2 МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Материал исследования 27
2.2 Сварка исследуемых образцов. Искусственные дефекты 29
2.3 Механические испытания 31
2.4 Акустическая эмиссия 31
2.5 Просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких
фольгах 33
2.6 Рентгеноструктурный анализ 34
2.7 Достоверность результатов исследований и статистическая обработка
данных 35
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ СТЕПЕНЕЙ ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 37
3.1 Структура и фазовый состав исследуемого металла 39
3.1.1 Формирование структурно-фазового состояния в сварном соединении
при деформации 39
3.1.2 Влияние способа сварки на структурно-фазовое состояний зоны
термического влияния сварных соединений сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС 49
3.1.3 Влияние дефектов на структурно-фазовое состояние и поля внутренних
напряжений в сварных соединениях 54
3.2 Анализ влияния деформации на характеристики акустической эмиссии .. 57
3.2.1 Изменения первичных параметров сигналов акустической эмиссии 57
3.1.1. Локализация источников акустической эмиссии 60
Выводы к главе 3 62
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТЕРИЯ И ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНИ
ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 65
4.1 Анализ качественных характеристик акустической эмиссии при упругопластических деформациях 65
4.2 Определение критического давления при стресс-испытаниях
трубопроводов 70
4.3 Разработка критерия определения предельной нагрузки (степени
деформации) по изменениям характеристик АЭ-сигнала при проведении стресс- испытаний 75
Выводы к главе 4 78
5 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ ШВОВ И ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА
ТРУБОПРОВОДОВ 79
5.1 Статистика аварий промышленного оборудования 79
5.2 Методические рекомендации по проведению стресс-испытаний
трубопроводов 81
5.2.1 Подготовительный этап стресс-испытаний 81
5.2.2 Этап проведения стресс-испытаний 83
5.2.3 Анализ результатов стресс-испытаний 84
5.3 Определение фактического запаса прочности и остаточного ресурса 87
5.4 Апробация результатов диссертационной работы 90
5.4.1 Апробация результатов работы на опасных производственных объектах .
90
5.4.2 Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе и научной деятельности 94
Выводы к главе 5 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 123
1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 12
1.1 Эволюция структуры и фазового состава при сварке и эксплуатации
углеродистых и низколегированных сталей 12
1.1.1 Физические процессы, протекающие при сварке 12
1.1.2 Деградация основного и наплавленного металла в процессе
эксплуатации 14
1.2 Проблема эффективности методов испытаний 19
1.2.1 Физические методы контроля и испытания 19
1.2.2 Метод стресс-испытаний 21
Выводы по главе и постановка задач исследования 25
2 МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Материал исследования 27
2.2 Сварка исследуемых образцов. Искусственные дефекты 29
2.3 Механические испытания 31
2.4 Акустическая эмиссия 31
2.5 Просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких
фольгах 33
2.6 Рентгеноструктурный анализ 34
2.7 Достоверность результатов исследований и статистическая обработка
данных 35
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ СТЕПЕНЕЙ ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 37
3.1 Структура и фазовый состав исследуемого металла 39
3.1.1 Формирование структурно-фазового состояния в сварном соединении
при деформации 39
3.1.2 Влияние способа сварки на структурно-фазовое состояний зоны
термического влияния сварных соединений сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС 49
3.1.3 Влияние дефектов на структурно-фазовое состояние и поля внутренних
напряжений в сварных соединениях 54
3.2 Анализ влияния деформации на характеристики акустической эмиссии .. 57
3.2.1 Изменения первичных параметров сигналов акустической эмиссии 57
3.1.1. Локализация источников акустической эмиссии 60
Выводы к главе 3 62
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТЕРИЯ И ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНИ
ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 65
4.1 Анализ качественных характеристик акустической эмиссии при упругопластических деформациях 65
4.2 Определение критического давления при стресс-испытаниях
трубопроводов 70
4.3 Разработка критерия определения предельной нагрузки (степени
деформации) по изменениям характеристик АЭ-сигнала при проведении стресс- испытаний 75
Выводы к главе 4 78
5 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ ШВОВ И ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА
ТРУБОПРОВОДОВ 79
5.1 Статистика аварий промышленного оборудования 79
5.2 Методические рекомендации по проведению стресс-испытаний
трубопроводов 81
5.2.1 Подготовительный этап стресс-испытаний 81
5.2.2 Этап проведения стресс-испытаний 83
5.2.3 Анализ результатов стресс-испытаний 84
5.3 Определение фактического запаса прочности и остаточного ресурса 87
5.4 Апробация результатов диссертационной работы 90
5.4.1 Апробация результатов работы на опасных производственных объектах .
90
5.4.2 Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе и научной деятельности 94
Выводы к главе 5 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 123
Актуальность темы. В настоящее время несмотря на разработку и внедрение большого количества новых материалов, основными материалами, применяемыми в промышленности, остаются конструкционные углеродистые и низколегированные стали. Эксплуатация промышленного оборудования зачастую проходит в экстремальных условиях: при повышенных механических и циклических нагрузках, под воздействием агрессивных сред, коррозионного и эрозионного износа.
Надёжность и долговечность промышленного оборудования, изготовленного из конструкционных сталей, напрямую зависит от своевременности и качества проведения работ по оценке их состояния. Известно, что традиционные испытания не всегда способны выявить существующие повреждения металла и деградацию его свойств, что зачастую приводит к крупным авариям и разрушениям в процессе эксплуатации.
Кроме разрушающих и неразрушающих методов испытаний, для оценки состояния основного металла и сварных швов применяют «стресс-тест». В результате его должно происходить снижение локальных остаточных напряжений и деформаций, возникших при производстве и монтаже, локализация и торможение развития трещиноподобных дефектов, а также установление реального запаса прочности по отношению к рабочим нагрузкам. Однако, вопреки ряду исследований, вопрос обеспечения эффективности этих испытаний изучен недостаточно, а назначение величин испытательных нагрузок не учитывает множество факторов (структурное состояние основного и наплавленного металла, поля внутренних напряжений, влияние дефектов сварных соединений и др.) и эмпирично.
Для успешного выбора параметров испытаний конструкционных сталей, необходимо знание структурных и фазовых превращений в процессе их проведения. Таким образом, установление закономерностей изменения структурно-фазовых состояний и внутренних напряжений конструкционных сталей при деформации, актуально и имеет большое практическое значение.
Степень разработанности темы. Несмотря на немалое количество работ, таких ученых как: Н.П. Алёшин, С.А. Баранникова, А.А. Батаев, О.В. Башков, В.Е. Громов, В.И. Данилов, Р.И. Дмитриенко, В.Г. Дубинский, Л.Б. Зуев, В.И. Иванов, В.В. Клюев, Э.В. Козлов, Н.А. Конева, Л.С. Лившиц, Э.Л. Макаров, В.В. Муравьёв, В.Е. Панин, Ю.Н. Сараев, Н.А. Семашко, И.В. Семенова, Н.Н. Сергеева, А.Н. Смирнов, А.Л. Углов, М.В. Чукчалов, М.Я. Шабанов, Л.В. Шашкова, В.Я. Шнеерсон и др., посвященных определению связей между деградацией структурно-фазового состояния и свойств металла от параметров внешних воздействий (в том числе процесса сварки), возможности применения акустических методов при для оценки изменений в структуре металла, анализу влияния параметров испытаний на механические и эксплуатационные характеристики сталей - отсутствуют обобщенные методики, позволяющие выбрать наиболее рациональные параметры испытаний и критерии оценки степени деградации металла.
Научный подход к решению проблемы испытаний требует исследования и определения количественных значений допустимо возможной степени деформации, а также оценки ее влияния на структуру и фазовый состав основного металла и сварного шва, а также характеристики акустической эмиссии. Особую практическую значимость имеет разработка методики проведения испытаний промышленного оборудования и критериев оценки состояния металла по результатам этих испытаний.
Цель работы - установление закономерностей деградации структурнофазового состояния и механических свойств конструкционных сталей марок СтЗсп, 10, 09Г2С, 17ГС при различных нагрузках и степенях упруго-пластической деформации.
Для достижения выбранной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Исследовать структурно-фазовое и напряженно-деформированное состояние в наплавленном металле и зоне термического влияния при различных нагрузках (степенях упруго-пластической деформации), а также оценить влияние на них дефектов сварных соединений.
2) Установить зависимости степени упруго-пластической деформации на формирование структуры, фазового состава и полей внутренних напряжений исследуемых углеродистых и низколегированных сталей.
3) Оценить влияние степени деформации и дефектов сварных соединений на количественные и качественные изменения характеристик акустической эмиссии.
4) Обосновать величину предельных нагрузок (степени деформации) при проведении стресс-испытаний исследуемых углеродистых и низколегированных сталей.
5) Разработать критерий оценки степени деформации по изменениям характеристик сигнала акустической эмиссии при проведении стресс-испытаний, позволяющий анализировать деградацию механических свойств основного металла и сварных соединений трубопроводов при длительной эксплуатации.
6) Выполнить практическую апробацию результатов исследования.
Методы исследования. Работа выполнена на основе физических методов материаловедения, разрушающих и неразрушающих испытаний: механические испытания по ГОСТ 6996-66 (на универсальной разрывной машине Walter+Bai AG LFM-125), регистрация акустико-эмиссионных сигналов (АЭ-система А-Line 32D), просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах (электронный микроскоп ЭМ-125), рентгеноструктурный анализ (дифрактометр ДРОН-7). Статистическая обработка результатов исследования проводилась в программах Microsoft Office Excel и Statistica.
Научная новизна:
1) Установлено количественное значение максимально допустимой степени деформации для сварных соединений, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС.
2) Установлено, что содержание в сварных швах искусственных дефектов (графитных и силикатных неметаллических включений) приводит к разрушению и частичному исчезновению перлитной составляющей и увеличивает долю фрагментированной структуры в феррите, а также приводит к снижению величин значений структуры (р, р±, ал, ад) во всех морфологических составляющих.
3) Установлена связь величин амплитуд полей внутренних напряжений в зоне линии сплавления с условиями введения тепловой энергии при сварке. Эти значения выше у сварных соединений, выполненных стационарной дугой, по сравнению со сваркой модулированным током.
4) Обоснованы величины предельных нагрузок при испытаниях
тонкостенных и толстостенных трубопроводов.
5) Разработаны новый критерий оценки степени деформации по изменениям характеристик сигнала акустической эмиссии при проведении стресс- испытаний трубопроводов и новый метод оценки остаточного ресурса по фактору потери запаса прочности.
Теоретическая и практическая значимость работы. В результате анализа амплитуд полей внутренних напряжений, структуры и фазового состава в металле сварных соединений и параметров АЭ-сигнала установлены предельно допустимая степень деформации при проведении испытаний. Установлено влияния условий введения тепловой энергии при сварке и наличия дефектов на структуру и фазовый состав сварных соединений. Разработан метод определения предельной степени деформации при стресс-испытаниях сварных соединений, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей, основанный на цифровом анализе сигналов АЭ в режиме реального времени. Разработаны методические указания по проведению стресс-испытаний трубопроводов. Разработана методика расчета остаточного ресурса трубопровода по фактору потери запаса прочности. Предложенный метод проведения стресс-испытаний используется ЗАО «НТЦ «Экспертиза», ООО «Сибнефтьсервис».
Научные результаты работы используются студентами и магистрами, обучающимся по направлению «Машиностроение» в Кузбасском государственном техническом университете имени Т.Ф. Горбачева.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Характер влияния степеней пластической деформации углеродистых и низколегированных сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС при различных условиях введения тепловой энергии и наличия внутренних дефектов (неметаллических силикатных и графитных включений) сварки, на структуру и фазовый состав в наплавленном металле и зоне термического влияния, проявившийся в отличие величин полей внутренних напряжений (ручная дуговая сварка модулированным током формирует в зоне линии сплавления поля внутренних напряжений с амплитудами ниже, чем после ручной дуговой сварки стационарной дугой).
2) Зависимости, принятые в основу формулы определения предельного испытательного давления между нагрузками, соответствующими степени деформации 3% и нагрузками предела текучести, на основании которых рассчитан коэффициент превышения испытательного давления над пределом текучести. Применимость формул определения предельного испытательного давления для тонкостенных и толстостенных трубопроводов.
3) Критерий оценки предельной нагрузки при испытаниях, основанный на математическом анализе параметров АЭ-сигнала, для различных стадий деформационного упрочнения. Методологический подход к анализу причин возможных отклонений с уровней критерия от соответствующего испытательного давления, а также комплекс мероприятий по подтверждению этих причин. Возможность определения остаточного ресурса сварных конструкций по фактору снижения запаса прочности, определяемого по критерию оценки предельной нагрузки.
Степень достоверности исследований и апробация работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается:
- корректностью постановки задач и обоснованным выбором материала;
- использованием научно-обоснованных расчетных схем, алгоритмов и процедур компьютерного анализа результатов;
- большого количества экспериментально полученных данных, с использованием современных методов физики конденсированного состояния, и отсутствие расхождений с результатами других исследователей;
- согласованностью полученных данных с общепризнанными теоретическими представлениями физики конденсированного состояния;
- результатами внедрения представленных методических решений в промышленность.
Материалы диссертационной работы докладывались на VI, VII и XIII Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Россия молодая» (Кемерово, 2014, 2015 и 2021), II Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве» (Томск, 2015), XIII и XIV Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2016-2017), III Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2016), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Томск, 2016), Международной научно-практической конференции «Проблемы прочности и пластичности материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 2021), III Международная научно-практическая конференция «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (Кемерово, 2022).
Комплексные исследования проводились при частичной финансовой поддержке гранта РНФ «Разработка физических моделей превращения субструктур, изменения полей внутренних напряжений и акустических характеристик в сварных соединениях металлических материалов при длительных температурно-силовых воздействия» (№14-19-00724).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 20 научных публикациях, в том числе в 10 изданиях ВАК РФ и 2 журналах, индексируемых базой Scopus и Web of Science, а также 1 монографии.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, методам исследования, научной новизне и содержанию соответствует, п. 1 «Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» и п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния» паспорта специальности 1.3.8 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 196 источника. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков и 9 таблиц.
Автор благодарен научному руководителю д.т.н., профессору С.В. Коновалову, д.т.н., профессору А.Н. Смирнову, д.ф.-м.н., профессору В.Е. Громову, к.т.н., доценту В.Л. Князькову, к.т.н., доценту Н.В. Абабкову, к.т.н., старшему научному сотруднику Н.А. Поповой, к.т.н., доценту Е.Л. Никоненко и соавторам публикаций по теме диссертации.
Надёжность и долговечность промышленного оборудования, изготовленного из конструкционных сталей, напрямую зависит от своевременности и качества проведения работ по оценке их состояния. Известно, что традиционные испытания не всегда способны выявить существующие повреждения металла и деградацию его свойств, что зачастую приводит к крупным авариям и разрушениям в процессе эксплуатации.
Кроме разрушающих и неразрушающих методов испытаний, для оценки состояния основного металла и сварных швов применяют «стресс-тест». В результате его должно происходить снижение локальных остаточных напряжений и деформаций, возникших при производстве и монтаже, локализация и торможение развития трещиноподобных дефектов, а также установление реального запаса прочности по отношению к рабочим нагрузкам. Однако, вопреки ряду исследований, вопрос обеспечения эффективности этих испытаний изучен недостаточно, а назначение величин испытательных нагрузок не учитывает множество факторов (структурное состояние основного и наплавленного металла, поля внутренних напряжений, влияние дефектов сварных соединений и др.) и эмпирично.
Для успешного выбора параметров испытаний конструкционных сталей, необходимо знание структурных и фазовых превращений в процессе их проведения. Таким образом, установление закономерностей изменения структурно-фазовых состояний и внутренних напряжений конструкционных сталей при деформации, актуально и имеет большое практическое значение.
Степень разработанности темы. Несмотря на немалое количество работ, таких ученых как: Н.П. Алёшин, С.А. Баранникова, А.А. Батаев, О.В. Башков, В.Е. Громов, В.И. Данилов, Р.И. Дмитриенко, В.Г. Дубинский, Л.Б. Зуев, В.И. Иванов, В.В. Клюев, Э.В. Козлов, Н.А. Конева, Л.С. Лившиц, Э.Л. Макаров, В.В. Муравьёв, В.Е. Панин, Ю.Н. Сараев, Н.А. Семашко, И.В. Семенова, Н.Н. Сергеева, А.Н. Смирнов, А.Л. Углов, М.В. Чукчалов, М.Я. Шабанов, Л.В. Шашкова, В.Я. Шнеерсон и др., посвященных определению связей между деградацией структурно-фазового состояния и свойств металла от параметров внешних воздействий (в том числе процесса сварки), возможности применения акустических методов при для оценки изменений в структуре металла, анализу влияния параметров испытаний на механические и эксплуатационные характеристики сталей - отсутствуют обобщенные методики, позволяющие выбрать наиболее рациональные параметры испытаний и критерии оценки степени деградации металла.
Научный подход к решению проблемы испытаний требует исследования и определения количественных значений допустимо возможной степени деформации, а также оценки ее влияния на структуру и фазовый состав основного металла и сварного шва, а также характеристики акустической эмиссии. Особую практическую значимость имеет разработка методики проведения испытаний промышленного оборудования и критериев оценки состояния металла по результатам этих испытаний.
Цель работы - установление закономерностей деградации структурнофазового состояния и механических свойств конструкционных сталей марок СтЗсп, 10, 09Г2С, 17ГС при различных нагрузках и степенях упруго-пластической деформации.
Для достижения выбранной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Исследовать структурно-фазовое и напряженно-деформированное состояние в наплавленном металле и зоне термического влияния при различных нагрузках (степенях упруго-пластической деформации), а также оценить влияние на них дефектов сварных соединений.
2) Установить зависимости степени упруго-пластической деформации на формирование структуры, фазового состава и полей внутренних напряжений исследуемых углеродистых и низколегированных сталей.
3) Оценить влияние степени деформации и дефектов сварных соединений на количественные и качественные изменения характеристик акустической эмиссии.
4) Обосновать величину предельных нагрузок (степени деформации) при проведении стресс-испытаний исследуемых углеродистых и низколегированных сталей.
5) Разработать критерий оценки степени деформации по изменениям характеристик сигнала акустической эмиссии при проведении стресс-испытаний, позволяющий анализировать деградацию механических свойств основного металла и сварных соединений трубопроводов при длительной эксплуатации.
6) Выполнить практическую апробацию результатов исследования.
Методы исследования. Работа выполнена на основе физических методов материаловедения, разрушающих и неразрушающих испытаний: механические испытания по ГОСТ 6996-66 (на универсальной разрывной машине Walter+Bai AG LFM-125), регистрация акустико-эмиссионных сигналов (АЭ-система А-Line 32D), просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах (электронный микроскоп ЭМ-125), рентгеноструктурный анализ (дифрактометр ДРОН-7). Статистическая обработка результатов исследования проводилась в программах Microsoft Office Excel и Statistica.
Научная новизна:
1) Установлено количественное значение максимально допустимой степени деформации для сварных соединений, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС.
2) Установлено, что содержание в сварных швах искусственных дефектов (графитных и силикатных неметаллических включений) приводит к разрушению и частичному исчезновению перлитной составляющей и увеличивает долю фрагментированной структуры в феррите, а также приводит к снижению величин значений структуры (р, р±, ал, ад) во всех морфологических составляющих.
3) Установлена связь величин амплитуд полей внутренних напряжений в зоне линии сплавления с условиями введения тепловой энергии при сварке. Эти значения выше у сварных соединений, выполненных стационарной дугой, по сравнению со сваркой модулированным током.
4) Обоснованы величины предельных нагрузок при испытаниях
тонкостенных и толстостенных трубопроводов.
5) Разработаны новый критерий оценки степени деформации по изменениям характеристик сигнала акустической эмиссии при проведении стресс- испытаний трубопроводов и новый метод оценки остаточного ресурса по фактору потери запаса прочности.
Теоретическая и практическая значимость работы. В результате анализа амплитуд полей внутренних напряжений, структуры и фазового состава в металле сварных соединений и параметров АЭ-сигнала установлены предельно допустимая степень деформации при проведении испытаний. Установлено влияния условий введения тепловой энергии при сварке и наличия дефектов на структуру и фазовый состав сварных соединений. Разработан метод определения предельной степени деформации при стресс-испытаниях сварных соединений, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей, основанный на цифровом анализе сигналов АЭ в режиме реального времени. Разработаны методические указания по проведению стресс-испытаний трубопроводов. Разработана методика расчета остаточного ресурса трубопровода по фактору потери запаса прочности. Предложенный метод проведения стресс-испытаний используется ЗАО «НТЦ «Экспертиза», ООО «Сибнефтьсервис».
Научные результаты работы используются студентами и магистрами, обучающимся по направлению «Машиностроение» в Кузбасском государственном техническом университете имени Т.Ф. Горбачева.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Характер влияния степеней пластической деформации углеродистых и низколегированных сталей марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС при различных условиях введения тепловой энергии и наличия внутренних дефектов (неметаллических силикатных и графитных включений) сварки, на структуру и фазовый состав в наплавленном металле и зоне термического влияния, проявившийся в отличие величин полей внутренних напряжений (ручная дуговая сварка модулированным током формирует в зоне линии сплавления поля внутренних напряжений с амплитудами ниже, чем после ручной дуговой сварки стационарной дугой).
2) Зависимости, принятые в основу формулы определения предельного испытательного давления между нагрузками, соответствующими степени деформации 3% и нагрузками предела текучести, на основании которых рассчитан коэффициент превышения испытательного давления над пределом текучести. Применимость формул определения предельного испытательного давления для тонкостенных и толстостенных трубопроводов.
3) Критерий оценки предельной нагрузки при испытаниях, основанный на математическом анализе параметров АЭ-сигнала, для различных стадий деформационного упрочнения. Методологический подход к анализу причин возможных отклонений с уровней критерия от соответствующего испытательного давления, а также комплекс мероприятий по подтверждению этих причин. Возможность определения остаточного ресурса сварных конструкций по фактору снижения запаса прочности, определяемого по критерию оценки предельной нагрузки.
Степень достоверности исследований и апробация работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается:
- корректностью постановки задач и обоснованным выбором материала;
- использованием научно-обоснованных расчетных схем, алгоритмов и процедур компьютерного анализа результатов;
- большого количества экспериментально полученных данных, с использованием современных методов физики конденсированного состояния, и отсутствие расхождений с результатами других исследователей;
- согласованностью полученных данных с общепризнанными теоретическими представлениями физики конденсированного состояния;
- результатами внедрения представленных методических решений в промышленность.
Материалы диссертационной работы докладывались на VI, VII и XIII Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Россия молодая» (Кемерово, 2014, 2015 и 2021), II Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве» (Томск, 2015), XIII и XIV Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2016-2017), III Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2016), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Томск, 2016), Международной научно-практической конференции «Проблемы прочности и пластичности материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 2021), III Международная научно-практическая конференция «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (Кемерово, 2022).
Комплексные исследования проводились при частичной финансовой поддержке гранта РНФ «Разработка физических моделей превращения субструктур, изменения полей внутренних напряжений и акустических характеристик в сварных соединениях металлических материалов при длительных температурно-силовых воздействия» (№14-19-00724).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 20 научных публикациях, в том числе в 10 изданиях ВАК РФ и 2 журналах, индексируемых базой Scopus и Web of Science, а также 1 монографии.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, методам исследования, научной новизне и содержанию соответствует, п. 1 «Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» и п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния» паспорта специальности 1.3.8 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 196 источника. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков и 9 таблиц.
Автор благодарен научному руководителю д.т.н., профессору С.В. Коновалову, д.т.н., профессору А.Н. Смирнову, д.ф.-м.н., профессору В.Е. Громову, к.т.н., доценту В.Л. Князькову, к.т.н., доценту Н.В. Абабкову, к.т.н., старшему научному сотруднику Н.А. Поповой, к.т.н., доценту Е.Л. Никоненко и соавторам публикаций по теме диссертации.
Основные результаты настоящей работы можно сформулировать в виде следующих выводов:
1. Установлено, что морфологическими составляющими в исследуемых сталях (марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС) независимо от способа сварки в структуре основного металла являются пластинчатый перлит и феррит, в структуре металла шва пластинчатый перлит, феррит и мартенсит; их объемная доля зависит от способа сварки.
2. В тонкой структуре зоны термического влияния сварки, у линии сплавления и в сварном шве выявлены изгибные экстинкционные контуры, свидетельствующие о наличии внутренних напряжений, причем число контуров возрастает по мере приближения к линии сплавления. Сварка модулированным током углеродистых сталей формирует в зоне линии сплавления поля внутренних напряжений с амплитудами ниже, чем после сварки стационарной дугой, что способствует повышению качества сварных соединений, выполняемых этим способом в сложных условиях.
3. Установлено, что в исследованных способах сварки изгиб-кручение кристаллической решетки основного металла и в металле шва при сварке стационарной дугой (в том числе с искусственными дефектами) носит пластический характер, а при сварке модулированным током (в том числе с искусственными дефектами) - упруго-пластический, что является основным различием в структуре основного металла и металла шва. Введение искусственных дефектов (неметаллические силикатные и графитные включения) в структуре основного металла приводит к разрушению и исчезновению перлитной составляющей, в структуре металла шва - уменьшает объемную долю феррита и увеличивает долю перлита.
4. Зона ожидаемого разрушения образцов: по разности времен прихода сигналов акустической эмиссии, выявляется только, когда степень общей деформации более 3%, однако на этапе предразрушения локализация источников
акустической эмиссии значительно уменьшается. Зона ожидаемого разрушения образцов по затуханию амплитуды сигналов акустической эмиссии четко выявляется на всем протяжении деформирования, вплоть до разрушения. Влияние искусственных дефектов в сварных соединениях из конструкционных сталей, независимо от способа сварки, проявляется в виде снижения уровня напряжения начала стадии микропластичности, уменьшения средних амплитуд сигналов акустической эмиссии в этом интервале нагрузок и возрастания дисперсии амплитуд сигналов акустической эмиссии.
5. Установлено, что испытания сварных соединений углеродистых сталей, выполненных сваркой стационарной дугой и модулированным током (даже при наличии дефектов, типа неметаллических включений) необходимо проводить при нагрузках, приводящих к деформациям не превышающих 3%.
6. Получены корреляционные зависимости между нагрузками соответствующим степени деформации 3% и нагрузками предела текучести. На основании этих зависимостей рассчитан коэффициент превышения испытательного давления над пределом текучести при проведении стресс- испытаний, равный 1,06. Проанализирована сходимость формул определения испытательного давления для тонкостенных и толстостенных трубопроводов. Применение формулы Барлоу обосновано при соотношении толщины стенки к наружному радиусу трубопровода не более 0,05.
7. Методом математического анализа получены зависимости изменения параметров акустической эмиссии от степени деформации. Данные зависимости индивидуальны для каждого этапа деформации и являются акустическим отображением стадийности процесса деформации для исследуемых конструкционных сталей.
8. На основе математических закономерностей изменения параметров акустической эмиссии сигнала, для исследуемых марок сталей, разработан четырёхпараметрический трехуровневый критерий определения стадии пластической деформации по параметрам сигнала акустической эмиссии. Данный критерий позволяет качественно оценить степень пластической деформации при стресс-испытаниях трубопроводов, что особенно важно для труб с различным утонением стенки.
9. Разработаны методические рекомендации, позволяющие применять критерий определения степени деформации по изменениям характеристик акустико-эмиссионного сигнала при проведении стресс-испытаний, повышающий надёжность работы трубопровода при длительной эксплуатации. Предложен способ определения остаточного ресурса трубопровода по фактору потери запаса прочности.
1. Установлено, что морфологическими составляющими в исследуемых сталях (марок Ст3сп, 10, 09Г2С, 17ГС) независимо от способа сварки в структуре основного металла являются пластинчатый перлит и феррит, в структуре металла шва пластинчатый перлит, феррит и мартенсит; их объемная доля зависит от способа сварки.
2. В тонкой структуре зоны термического влияния сварки, у линии сплавления и в сварном шве выявлены изгибные экстинкционные контуры, свидетельствующие о наличии внутренних напряжений, причем число контуров возрастает по мере приближения к линии сплавления. Сварка модулированным током углеродистых сталей формирует в зоне линии сплавления поля внутренних напряжений с амплитудами ниже, чем после сварки стационарной дугой, что способствует повышению качества сварных соединений, выполняемых этим способом в сложных условиях.
3. Установлено, что в исследованных способах сварки изгиб-кручение кристаллической решетки основного металла и в металле шва при сварке стационарной дугой (в том числе с искусственными дефектами) носит пластический характер, а при сварке модулированным током (в том числе с искусственными дефектами) - упруго-пластический, что является основным различием в структуре основного металла и металла шва. Введение искусственных дефектов (неметаллические силикатные и графитные включения) в структуре основного металла приводит к разрушению и исчезновению перлитной составляющей, в структуре металла шва - уменьшает объемную долю феррита и увеличивает долю перлита.
4. Зона ожидаемого разрушения образцов: по разности времен прихода сигналов акустической эмиссии, выявляется только, когда степень общей деформации более 3%, однако на этапе предразрушения локализация источников
акустической эмиссии значительно уменьшается. Зона ожидаемого разрушения образцов по затуханию амплитуды сигналов акустической эмиссии четко выявляется на всем протяжении деформирования, вплоть до разрушения. Влияние искусственных дефектов в сварных соединениях из конструкционных сталей, независимо от способа сварки, проявляется в виде снижения уровня напряжения начала стадии микропластичности, уменьшения средних амплитуд сигналов акустической эмиссии в этом интервале нагрузок и возрастания дисперсии амплитуд сигналов акустической эмиссии.
5. Установлено, что испытания сварных соединений углеродистых сталей, выполненных сваркой стационарной дугой и модулированным током (даже при наличии дефектов, типа неметаллических включений) необходимо проводить при нагрузках, приводящих к деформациям не превышающих 3%.
6. Получены корреляционные зависимости между нагрузками соответствующим степени деформации 3% и нагрузками предела текучести. На основании этих зависимостей рассчитан коэффициент превышения испытательного давления над пределом текучести при проведении стресс- испытаний, равный 1,06. Проанализирована сходимость формул определения испытательного давления для тонкостенных и толстостенных трубопроводов. Применение формулы Барлоу обосновано при соотношении толщины стенки к наружному радиусу трубопровода не более 0,05.
7. Методом математического анализа получены зависимости изменения параметров акустической эмиссии от степени деформации. Данные зависимости индивидуальны для каждого этапа деформации и являются акустическим отображением стадийности процесса деформации для исследуемых конструкционных сталей.
8. На основе математических закономерностей изменения параметров акустической эмиссии сигнала, для исследуемых марок сталей, разработан четырёхпараметрический трехуровневый критерий определения стадии пластической деформации по параметрам сигнала акустической эмиссии. Данный критерий позволяет качественно оценить степень пластической деформации при стресс-испытаниях трубопроводов, что особенно важно для труб с различным утонением стенки.
9. Разработаны методические рекомендации, позволяющие применять критерий определения степени деформации по изменениям характеристик акустико-эмиссионного сигнала при проведении стресс-испытаний, повышающий надёжность работы трубопровода при длительной эксплуатации. Предложен способ определения остаточного ресурса трубопровода по фактору потери запаса прочности.