Циклические испытания образцов с КРН

Циклические испытания каждого образца производили согласно отраслевой методике [ 16] на испытательной установке, принципиальная схема которой показана на рисунке 2.37, а общий вид на рисунке 2.38.

В центральной рабочей части образца выполняют расчет напряжений в балочном прибли­жении по формуле:

где Mmax - максимальный изгибающий момент в центральной части образца, вычисляемый по формуле:

Приведенный момент сопротивления сечения вычисляется по формуле:

где F - приложенное усилие, (Н); L - длина образца, (м); t - толщина образца, (м); b - ширина рабочей зоны образца, (м); ε - коэффициент уменьшения жесткости сечения образца изгибу вследствие начальной кривизны образца в кольцевом направлении.

формула (2.1) преобразована к следующему виду:

где F - приложенное к образцу осевое усилие (Н); a - расстояние от опоры до точки приложения усилия =75мм; b - ширина образца = 120 мм; t - толщина образца = 16,0±0,1 мм; α - эмпириче­ский коэффициент, рассчитанный по формуле:

На первом этапе по результатам тарировочных испытаний 2-х модельных образцов Т1 и Т2 (таблица 2.13) установлено, что предел текучести цельных образцов без дефектов КРН дости­гается при перемещении захватов испытательной машины Δh0,2 на 2,7 мм при 4-х точечной схеме нагружения. Нагружение тарировочных образцов осуществлялось ступенчато: 0кН-30кН-0кН- 40кН-0кН-50кН-0кН-60кН-0кН-65кН-0кН-70кН-0кН-75кН-0кН-80кН-0кН-85кН-0кН-90кН-0кН- 95кН.

Рисунок 2.37 - Принципиальная схема испытаний модельных образцов

Рисунок 2.38 - Общий вид образца в захватах испытательной машины

Для расчета усилия, которое необходимо задавать на валу испытательной машины с целью реализации выбранных режимов нагружения модельных образцов, а также расчета напряжений в испытуемом образце в соответствии с используемой схемой нагружения. Теоретический гра­фик изменения режимов нагружения модельных образцов на испытательной машине показан на рисунке 2.39. Нагружения образца производятся от начальной нагрузки 0,1 Ст до конечной нагрузки в соответствии с таблицей 2.14. Переход к следующему режиму нагружения произво­дится на основании критериев, описанных в порядке испытания модельных образцов, путем по­вышения нагрузки на 0,2 Ст. На начальном и конечном этапе реализации режима нагружения производится фиксация фактических начальных условий (время начала/конца 640 циклов, пере­мещение начала/конца 640 циклов, напряжение прироста трещины, время прироста трещины).

Рисунок 2.39 - Теоретический график изменения режима нагружения

Таблица 2.13 - Средняя погрешность определения усилия

Перемещение захватов испытательной машины h, мм

Рисунок 2.40 - Тарировочный график зависимости усилия испытательной ма­

шины от перемещения ее захватов

При этом среднее по двум образцам измеренное напряжение текучести стали составляет 502 МПа (по ТУ 14-3-741-78, ТУ 14-3-1050-81 и ТУ 14-3-995-81) нормативные минимальные зна­чения предела текучести стали 421 МПа, предел прочности стали 598 МПа).

После проведения тарировки модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной напряжений, возни­кающих на внешней поверхности образцов, были проведены испытания образца основного ме­талла трубы и образца из области продольного сварного шва с естественными дефектами КРН.

Перед проведением испытаний производилась полировка боковой поверхности каждого образца для последующего измерения и контроля параметров стресс-коррозионных трещин на металлографическом микроскопе. Общий вид стресс-коррозионных трещин, выходящих на бо­ковую поверхность образца, вырезанного из области продольного сварного шва показан на ри­сунке 2.41.

Рисунок 2.41 - Боковой шлиф образца из зоны продольного сварного шва. Шкала слева - остаточная толщина стенки трубы, поврежденной трещиной КРН. Глубина тре­

щин показана в процентах от толщины стенки

На основе данных анализа режимов перепада давления на участке, а также результатов тарировочных операций, рассчитаны режимы испытаний модельных образцов (таблица 2.14).

Таблица 2.14 - Режимы испытаний модельных образцов

Испытания каждого отдельного модельного образца выполнены в следующем порядке: сначала производилась предварительная очистка поверхности образца с трещинами с помощью полимерной щетки и органического растворителя.

Перед проведением циклических испытаний модельных образцов на разрывной машине, проводили полировку и фиксировали металлографические изображения всех трещин, выходя­щих на боковую поверхность (рисунок 2.43). Для проявления микроструктуры материала в обла­сти трещины использовался 4 % раствор азотной кислоты в этиловом спирте. На рисунке 2.43 а видна полосчатая феррито-перлитная структура, на рисунке 2.43 б материал шва имеет характер­ную видманштеттовую структуру.

Рисунок 2.42 - Блок-схема алгоритма испытаний модельного образца

Рисунок 2.43 - Примеры трещин, выходящих на боковую поверхность образца, на фоне проявленной микроструктуры стали: а - стресс-коррозионная трещина в модельном об­разце из основного металла трубы, б - трещина в модельном образце с продольным свар-

ным швом

Контроль за состоянием стресс-коррозионных трещин проводился на металлографиче­ском микроскопе. Для проведения мониторинга на каждом образце была выбрана одна контроль­ная трещина, фотоизображения которой фиксировались перед началом испытаний, после второй ступени, а также в конце третьей ступени испытаний. Контроль протяженности трещины прово­дился относительно начального состояния программным способом, путем измерения количества пикселей в захватываемом с микроскопа изображении вдоль линии, соединяющей начало и конец трещины.

Таблица 2.15 - Результаты испытаний модельного образца из основного металла с КРН на третьей ступени

Результаты измерения перемещений захватов испытательной машины были нормированы относительного 0-ого цикла по формуле:

График зависимости изменения перемещения захватов испытательной машины Δh от коли­чества циклов N представлен на рисунке 2.44.

Количество циклов, N

Рисунок 2.44 - График зависимости изменения перемещения захватов испытательной ма­шины от количества циклов N

После начального нагружения образца изменений перемещения захватов испытательной машины с увеличением количества циклов испытаний не наблюдается, что показывает отсут­ствие прироста разрушения.

Рисунок 2.45- Результаты пошагового измерения глубины трещины в модельном образце

основного металла

На следующем этапе проводились испытания модельного образца со стресс-коррозион- ными трещинами в области продольного сварного шва. Аналогично испытаниям модельного об­разца основного металла, была выбрана контрольная стресс-коррозионная трещина, состояние которой фиксировалось по снимкам с металлографического микроскопа.

Испытания модельного образца со стресс-коррозионными трещинами в зоне продольного сварного шва осуществлялись в соответствии с режимами изменения нагрузки, показанными на рисунке 2.39.

Результаты изменения перемещения захватов испытательной машины на третьей ступени испытаний с изменением нагрузки от 0,1ст до Ст приведены в таблице 2.16.

Таблица 2.16 - Результаты испытаний модельного образца из основного металла с КРН на третьей ступени

График зависимости изменения перемещения захватов испытательной машины Δh от коли­чества циклов N представлен на рисунке 2.46.

Рисунок 2.46 - График зависимости изменения перемещения захватов испытательной машины от количества циклов N

Как видно по рисунку 2.46, после начального нагружения образца изменения перемещения захватов испытательной машины с увеличением количества циклов испытаний не наблюдается,

что показывает отсутствие прироста трещины. Также отсутствие прироста трещины подтвержда­ется пошаговым измерением глубины трещины по металлографическим снимкам (рисунок 2.47).

Рисунок 2.47 - Результаты пошагового измерения глубины трещины в модельном образце

с продольным сварным швом

Стресс-коррозионная трещина сохранила свое первоначальное состояние после всех ступе­ней испытаний. Отсутствуют новые трещины-ответвления и другие изменения в морфологии вершины трещины. Таким образом, в течение трех ступеней испытаний циклов нагрузки-раз­грузки при режимах испытаний, имитирующих работу реального участка МГ, развитие стресс- коррозионных трещин не произошло.

2.4.3