<<
>>

Совместное действие нескольких механизмов зарождения и развития макродефектности

На практике зарождение и развитие макродефектности в элементах конструкций происходит в условиях действия нескольких механизмов трещинообразования. Установление ведущего механизма зарождения и развития макродефектности достигается комплексом выполненных исследований.

Рассмотрим причину трещинообразования сварного соединения переходник-отвод технологического трубопровода Dy 380 линии 131/1 установки (рабочая среда - гидрогенизат) «Пироконденсат». Трубопровод выполнен из стали 15Х5М. Поврежденный участок эксплуатируется с 1985 г. с разрешенными условиями: Р =5,65 МПа, 450°С. Рабочими параметрами были Р = 4 МПа, tp = 350°С. В режиме эксплуатации было обнаружено истечение водородсодержащего газа. Длина трещины на наружной поверхности трубы достигала 105 мм.

Условия эксплуатации допускают возможность трещинообразования на трубопроводе по нескольким механизмам: водородной коррозии, водородного растрескивания и хрупкого разрушения, вызванного тепловой хрупкостью стали.

Траектория сквозной трещины в месте пропуска продукта проходила по околошовной зоне сварного соединения отвод 0159x8 мм — переход 0219/159 мм со стороны перехода (рис. 5.108).

Основной металл стенки перехода имеет структуру мартенсита отпуска (рис. 5.109, а). Трещинообразование в переходе прошло по


Рис. 5.108. Сквозная трещина сварного соединения отвод - переход.х 1,8

околошовной зоне, ширина которой варьируется от 5 до 25 мм. Трещина распространилась вдоль границ пакета реек мартенсита (рис. 5.109, б). Из-за трудноудаляемых продуктов на поверхности хрупкой трещины место зарождения ее установить не удалось. Однако на отдельных участках внешней стороны околошовной зоны перехода выявлены отдельные трещины глубиной до 0,5 мм (рис.

5.109, в). Эта трещина имеет ярко выраженный межкристаллитный характер. Судя

Рис. 5.109. Микроструктура основного металла (а) и околошовной зоны (б, в) в местах трещинообразования перехода: а, б - у. 200, в - х 100

по отношению размера фасеток межкристаллитного разрушения и фасеток транскристаллитного скола трещина распространяется по границам бывших зерен аустенита. Впереди трещины видна лидирующая микротрещина, возникшая вдоль границ бывших реек мартенсита. Светлое плавно очерченное поле на рис. 5.109, в представляет сварной шов, выполненный аусте- нитными электродами.

Типичная фрактограмма хрупких зон излома стали 15Х5М приведена на рис. 5.110. Результаты фрактографического анализа сварного соединения указывают на существенную степень охрупчивания стали 15Х5М перехода (табл. 5.17). Особенно склонен к охрупчиванию металл (со структурой мартенсита) в околошовной зоне (ДТ50 = 98 °С). В аналогичных условиях степень охрупчивания стали 15Х5М в отводе, имеющего ферри- то-перлитную структуру (сорбит отпуска), несколько (~ в 1,5 раза) меньше.

Согласно табл. 5.18, основной металл отвода по механическим свойствам удовлетворяет требованиям ГОСТ 550-75 к трубам из стали 15Х5М. Основной металл перехода обладает повышенными по сравнению с требованиями ГОСТ 550-75 значениями твердости, прочностными свойствами и пониженной пластичностью, что свидетельствует о его склонности к хрупкому разрушению.


Рис.

5.110.

Фрактограмма излома стали 15Х5М в околошовной зоне перехода. ПЭМ. х 1600

Таблица 5.18. Механические свойства основного металла стали 15Х5М

Место вырезки образцов

НВ

ов, МПа

о() 2, МПа

д,%

г|gt;,%

Отвод

Переход

1530

2620

495

834

295

717

31,6

19,3

79,8

74,1

Горячедеформи- рованная труба**

1700

Ss 400

220

^ 22

gt; 50

Холодно- теплодеформированная труба**

5=1700

^ 400

5* 220

=г 22

-

Горячедеформи- рованная* труба**

«S 2350

^600

3* 420

Э* 16

3= 65

* После нормализации и отпуска ** По ГОСТ 550-75

Испытания образцов типа 1 по ГОСТ 9454-78 на ударный изгиб подтверждают повышенную склонность металла перехода к хрупкому разрушению. Значения Тъо для перехода достигают +35 "С против Т50 = -35 °С для металла отвода.

Учитывая характер поверхности разрушения, факт зарождения некоторых трещин на наружной стороне трубопровода, растрескивание околошовной зоны перехода по межкристаллитному механизму нельзя исключить, что причиной трещинообразования является тепловая хрупкость. С этим согласуются результаты определения в основном металле перехода содержания водорода — 1,12 см3/100 г. В этих

условиях, вероятно, водород в состоянии лишь усилить степень ослабления когезивной прочности границ кристаллитов.

Для трещинообразования в конструкции особо опасно усиление повреждающего эффекта за счет взаимодействия двух и более повреждающих факторов.

Подобную картину наблюдали при исследовании совместного влияния сегрегаций фосфора и водорода на хрупкое разрушение стали 20ХЗН [130]. Зернограничные сегрегации фосфора в сочетании с водородом увеличивают потерю пластичности. При этом происходит смена механизмов разрушения с хрупкого транскристаллитного на хрупкий межзеренный. Проявляется синергизм между явлениями тепловой и водородной хрупкости.

В декабре 2000 г. на нефтебазе «Грушовая» под Новороссийском произошло трещинообразование на заводском вертикальном сварном соединении второго пояса резервуара РВС пк-50000. Трещина протяженностью 1300 мм выявлена с наружной и внутренней сторон стенки резервуара (рис. 5.111). С внутренней стороны стенки трещина идет строго вдоль линии сплавления сварного шва, на отдельных участках с обеих его сторон. С наружной стороны стенки резервуара трещина одним «концом» располагается на расстоянии -120 мм от кольцевого сварного стыка второго и третьего поясов, вторым «концом» - на расстоянии - 80 мм от кольцевого сварного стыка второго и первого поясов. При этом трещина проходит частично по линии сплавления, но большей частью на удалении от нее на 1-4 мм.

В месте трещинообразования наблюдается угловатость до 3° заводского стыкового соединения, ориентированная наружу. Второй пояс резервуара выполнен из 15-мм листовой стали 16Г2АФ. Снаружи и на внутренней поверхности стенки резервуара в месте трещинообразования, включая сварной шов и околошовную зону, каких-либо дефектов не выявлено.

Анализ нескольких вырезанных фрагментов стенки резервуара в месте трещинообразования позволил выявить морфологическое строение поверхности разрушения (рис. 5.112). Видно, что сквозная трещи-

Рис. 5.111. Строение излома одного из фрагментов, вырезанных из стенки резервуара РВС пк-50000. х 0,8.



Рис.

5.113.

Макроструктура сварного соединения (2-ой пояс), х 2,5

на имеет ширину фронта 184 мм. Стыковая сварка листов проведена за два прохода (рис. 5.113). Замыкающий проход выполнен с внутренней стороны стенки. Ширина зоны термического влияния 5-6 мм. При металлографическом исследовании в околошовной зоне обнаружен широкий спектр микроструктур (рис. 5.114). Ширина зоны перегрева на разных участках по сечению шва (поперек стенки листа) варьируется в интервале 0,2-1,5 мм.

Принятая технология сварки обеспечивает равнопрочность металла сварного соединения основному металлу НУ 188. В зоне сплавления наблюдается область повышенной (HV 222-227) твердости шириной 1-2 мм (рис. 5.115). К зоне перегрева примыкает область разупрочнения (HV 195...200), твердость которой выше твердости основного металла. По мере удаления от шва твердость плавно возрастает и достигает максимума (HV 220) на расстоянии 20 мм от оси шва, а

Рис. 5.114. Микроструктура в зоне сплавления, х 100

Рис. 5.115. Распределение твердости в сварном соединении

затем постепенно снижается до величины, характерной для основного металла. Такое распределение твердости указывает на достаточно большую (gt;15 мм) ширину зоны термического влияния, что обусловлено большими тепловложениями при двухпроходной сварке толстолистового проката.

Механические свойства стали 16Г2АФ при растяжении (а0 2 = 477 МПа, ав = 615 МПа, 65 = 22,0%) соответствуют требованиям ГОСТ 19281-89 к стали класса прочности 440. Высоким сопротивлением хрупкому разрушению обладает основной металл (Т50 = -33... -37°С) и зона термического влияния (Т50 = -35°С). Ударная вязкость основного металла при температуре испытания -40°С удовлетворяет требованиям ГОСТ 19281 к стали класса прочности 440-12-й категории.

Ударная вязкость металла околошовной зоны (на расстоянии 2-4 мм от линии сплавления) не уступает основному металлу. Результаты механических испытаний однозначно указывают, что причиной трещинообразования не могут быть характеристики прочности, пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Металло- и фрактографический анализы изломов в зоне трещинообразования стенки показывают, что зарождение трещины происходит на дне протяженных щелевидных по форме коррозионных язв,


Рис. 5.116. Структура нетравленого шлифа стали в плоскости листа со стороны основного металла, х 1,6

возникших в околошовной зоне. На нетравленом шлифе месту зарождения трещины соответствует темная, покрытая продуктами коррозии, щель на внутренней стороне стенки резервуара (рис. 5.116). Шлиф приготовлен в плоскости стенки резервуара (листа) перпендикулярно плоскости макроразрушения сварного соединения. На травленом шлифе в зоне зарождения трещины выявляется видманштеттова структура (рис. 5.117), возникшая при ускоренном охлаждении металла в зоне сплавления. В пределах структуры видманштетта видны отдельные микротрещины, в том числе «выходящие» из коррозионной язвы. Микротрещины имеют относительно большую величину раскрытия (до 0,02 мм), что не исключает в числе причин зарождения микротрещин электрохимических процессов коррозии.


Рис. 5.117. Микроструктура стали (травленый шлиф) в плоскости излома со стороны, примыкающей к зоне трещинообра зования. х 200

Видно, что поверхность разрушения расположена не в одной плоскости, а является сложной поверхностью. Коррозионные язвы обнаружены на значительном (до 5 мм) удалении от кромки трещины. Размер (диаметр) отдельных изолированных коррозионных язв достигает 0,6 мм. Таким образом, склонность к образованию коррозионных язв свойственна не только металлу околошовной зоны, но и основному металлу. Однако в зоне перегрева, где имеет место концентрация напряжения (у основания валика), интенсивность процессов коррозии выше.

На рис. 5.118 показано изменение микротвердости в зависимости от расстояния по мере удаления от места зарождения трещины. Измерения выполнены на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н (100 г). Для исследования использован шлиф в плоскости листа (стенки резервуара) после снятия поверхностного 0,8-мм слоя металла. Как видно из рис. 5.118, наблюдается некоторое увеличение микротвердости в пределах зоны не более 0,09 мм. Это указывает на небольшую по величине зону пластической деформации в окрестности очага зарождения трещины. Естественно предположить, что степень пластической деформации в зоне собственно зарождения трещины была выше. Эта зона в последующем была «съедена» коррозией. По сути формирование микротрещин вдоль околошовной зоны как очага зарождения макротрещины имеет коррозионно-механическое происхождение. Дальнейшей локализации коррозионного износа у основания валика способствуют не только концентрация напряжений от действия кольцевых напряжений, но и угловатость сварного соединения, вызывающая появление изгибных напряжений.

Типичная картина поверхности разрушения стенки резервуара на участке сквозной ее перфорации приведена на рис. 5.19. Очистку

Рис. 5.118. Зависимость микротвердости Н от расстояния L от места зарождения усталостной трещины


Рис. 5.119. Строение поверхности разрушения стенки резервуара в месте ее сквозной перфорации, х 2,5

поверхности разрушения от нефтепродуктов производили ультразвуковым способом. Судя по морфологии строения излома, можно выделить зоны: зарождения, стабильного и ускоренного роста трещины. За пределами участка сквозной перфорации стенки резервуара наблюдается зона долома, образующаяся по механизму вязкого волокнистого разрушения (см. рис. 5.111).

Фрактографический анализ изломов в зоне стабильного роста трещины (шириной 3,5-4 мм), характеризующейся относительно плоским рельефом, обнаруживает характерные для усталостного разрушения усталостные бороздки (область А на рис. 5.120, а). Ширина усталостных бороздок, измеренная на относительно плоских участках разрушения, составляет 0,16 ± 0,03 мкм/цикл. Наряду с участками усталостного разрушения видны отдельные фасетки межзеренного разрушения (область Б на рис. 5.120, б). Появление в изломе участков межзеренного разрушения указывает на ослабление границ зерен в процессе эксплуатации. Таким повреждающим фактором, скорее всего, является водород, образующийся при протекании процессов электрохимической коррозии. В пределах зоны 2 доля межзеренного разрушения составляет 15-20%.

Строение излома в зоне 3 (шириной до 9 мм) существенно отличается от зоны 2. Поверхность разрушения образована, большей частью, фасетками межзеренного разрушения (рис. 5.120, в) и лишь в отдельных участках рельефа видны усталостные бороздки (рис. 5.120, г). В изломе в пределах зоны 3 (см. рис. 5.119) отчетливо видна система прямоугольных (в плане) по форме разновысоких плато, ограниченных с одной стороны микрорасслоениями, совпадающими с плоскостью проката листа, а с другой - уступами рельефа, перпендикулярными направлению роста трещины. Подобная картина раз-

Рис. 5.120. Электронные фрактограммы изломов стенки резервуара в зонах стабильного (а, б), ускоренного (в, г) роста трещины, долома (д, в). ПЭМ (угольные реплики). Стрелками указано направление распространения трещины, х 4800 (а, б), х 2200 (в. г),х 1000 (д, е)

рушения в большей степени характерна для случая коррозионного растрескивания под напряжением.

Образование микрорасслоений, вероятно, вызвано ослаблением когезивной прочности границ раздела матрица-сульфид вследствие адсорбции на этих границах водорода. Действительно, формирование микрорасслоений обусловлено зарождением полостей вокруг вытянутых вдоль направления прокатки сульфидов (рис. 5.120, д). Пластическая деформация при возникновении полостей вызывает интенсивное «дробление» неметаллических включений (рис. 5.120, е). Таким образом, распространение трещины через стенку резервуара сопровождается изменением механизма разрушения: малоцикловая усталость уступает коррозионному растрескиванию под напряжением (как варианту коррозионно-усталостного разрушения).

Для полноты картины разрушения отметим, что появление трещин снаружи резервуара обусловлено повышенной деформативнос- тью стенки на заключительном этапе трещинообразования, когда трещина «проросла» на значительную глубину (5-6 мм) стенки, а также ограничением радиального перемещения усиления сварного шва со стороны бандажа второго пояса резервуара. 

<< | >>
Источник: Горицкий В.М. Диагностика металлов. 2004

Еще по теме Совместное действие нескольких механизмов зарождения и развития макродефектности:

  1. Совместное действие нескольких механизмов зарождения и развития макродефектности