Рабкіна Мар'яна Данилівна. Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій

brief description

Рабкіна Мар'яна Данилівна. Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій. : Дис... д-ра наук: 05.03.06 2007

Рабкіна М.Д. Вплив структурно-механічної анізотропії сталевого прокату на опір шаруватим руйнуванням зварних конструкцій. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 «Зварювання та споріднені технології». Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2007.
Дисертацію присвячено вивченню закономірностей виникнення і розвитку шаруватих руйнувань зварних з'єднань і розробці теоретичних принципів і технологічних заходів їх запобігання на всіх етапах створення і експлуатації зварних конструкцій з урахуванням з текстури основного металу і умов експлуатації, включаючи температуру, навантаження і дію водневовмісних середовищ.
Встановлено, що шаруваті розтріскування зафіксовані двох видів низько- і високотемпературне. Основна причина розвитку низькотемпературного шаруватого розтріскування полягає у підвищеній щільності в сталевому прокаті сімейства кристалографічних площин сколу {001} <011>. Встановлено, що залишковий ресурс конструкцій після тривалої експлуатації у водневовмісних середовищах визначається ступенем ураження стінки корпусу шарувато-водневими тріщинами. Залежно від їх відносних розмірів, в'язкості руйнування і товщини прошарку "здорового металу", вони можуть або розвиватися, або набувати форми міхурів. Встановлено залежність між опором шаруватому руйнуванню і структурними елементами ЗТВ у зварних з'єднаннях низьколегованих сталей, внаслідок чого за результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів структурних елементів отримали розвиток розрахункові методи оцінки характеристик трещиностойкостиі.

Вперше встановлено існування двох видів шаруватого розтріскування: низько- та високотемпературного. Перше характеризується зміною температури крихко-в'язкого переходу Тх. Друге без помітної зміни Тх виявляється у формі зниження значень в'язкості руйнування на верхньому «шельфі» її температурної залежності.
Отримали розвиток нові уявлення про причини аварій зварних конструкцій, обумовлених текстурою основного металу, яка визначає анізотропію пластичності, в'язкості і топографії руйнування. Це дозволило сформулювати основні вимоги доZсталей для вузлових трубчастих з'єднань відповідальних зварних конструкцій.
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} <011>, перпендикулярного дії максимальної нормальної напруги. Вплив інших компонентів, зокрема {112} <011>, проявляється в зміні траєкторії руйнування та підвищенні тріщиностійкості.
Показано, що шарувато-в'язкий 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.
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 1109см-2в початковому стані до приблизно 11011см-2у 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.
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.
Встановлено залежність між опором руйнуванню та структурними елементами ділянки перегріванняв зварних з'єднаннях низьколегованих сталей, в зв'язку, з чим отримали розвиток методи оцінки характеристик тріщиностійкостітаза результатами стандартних механічних випробувань з урахуванням розмірів цих елементів.
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} <011>. Наявність яскраво вираженої текстури в оболонках конструкцій обумовлює також пошаровий розвиток в них виразкової і щілинної корозії в процесі переробки нафти.
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 з'єднання; 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.