Влияние усталостной повреждаемости на магнитные характеристики разнородных сварных соединений нефтегазовых трубопроводов

Для оценки фактического состояния металла нефтегазового оборудования и трубопроводных систем положительно зарекомендовали себя магнитные методы неразрушающего контроля, которые позволяют осуществлять его раннюю диагностику. Установлено, что на основе анализа изменения магнитных свойств материала можно дать оценку напряженно-деформированного состояния металла оборудования.
Исследованиями данного направления посвящены работы Дубова А.А., Загидуллина Р.В., Новикова В.Ф., Максимочкина В.И., Мужицкого В.Ф., Кондрашовой О.Г., Клюева В.В.. В работах показано, что по изменению магнитных параметров можно отслеживать динамику поврежденности материала в условиях эксплуатации. В основном в качестве магнитных характеристик используется коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, магнитная проницаемость, уровень магнитных шумов, напряженность магнитного поля и др. Это говорит о том, что результаты исследований с применением магнитных методов могут быть положены в основу методов оценки остаточного ресурса оборудования и определения его долговечности.
В качестве объекта исследования были выбраны разнородные сварные соединения из сталей повышенной прочности, являющихся основным штрипсовым материалом для изготовления нефтегазопроводов магистрального типа.
Для решения задач, поставленных перед этой исследовательской работой, были взяты стали конструкционные низколегированные для сварных конструкций 09Г2ФБ (класса прочности К56) и 17Г1СУ (класса прочности К52). Эти стали произведены в условиях современного производства на ОАО Металлургическом комбинате «Уральская сталь» (г. Новотроицк Оренбургской области) в ЛПЦ-1 на стане 2800. В качестве основы для производства обеих марок сталей использовалась природнолегированная руда из Орско-Халиловского месторождения. Химический состав в массовом эквиваленте представлен в таблицах 1 и 2.

Для изготовления сварных образцов с целью обеспечения литого сварного шва, высокой отделимости шлака и пониженного разбрызгивания был выбран наплавочный электрод марки УОНИ13/55, используемый согласно ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467 -75 и ОСТ 5.9224-75.
Для установления характера изменения магнитных свойств от уровня накопленных повреждений у разнородных сварных соединений были проведены исследования на заранее подготовленных образцах с помощью прибора магнитоизмерительного феррозондового комбинированного Ф-205.03 МКИЯ 427633.001–ЗОА.
Замеры магнитных характеристик проводились по следующей схеме. Предварительно установили, что центру шва будут соответствовать замеры в точках 7 и 8 представленных на рис. 1 (однако в этих участках возможно попадание в околошовную зону одного из металлов сварного соединения). Соответственно крайние точки от центра плоского сечения сварного образца будут давать значения в основном металле. Нумерация точек замеров начинается от более прочного металла, входящего в состав сварного соединения, т.е. цифры 1,2,3… соответствуют стали марки 09Г2ФБ, а номера 12,13, 14 – стали марки 17Г1СУ.

Номера точек замеров и соответствующие им размеры (в мм)

Рис. 1. Схема замеров магнитных характеристик на сварных образцах.
В ходе экспериментов, проведенных на разнородных сварных образцах плоского типа, были получены зависимости Нn= f (Ni/Np) и Ht = f (Ni/Np), закономерность изменения которых носит циклический характер.

а)

б)

Рис. 2. Распределение магнитных свойств по длине сварных образцов в зависимости от уровня накопленных повреждений:
а) изменения нормальной составляющей напряженности магнитного поля Нn;
б) изменения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля Ht .
Анализируя представленный графический материал, заключаем, что нормальная составляющая напряженности магнитного поля изменяется по длине сварного соединения достаточно плавно. До начала циклических испытаний распределение этой магнитной характеристики носит схожий характер с распределением коэрцитивной силы по сечениям сварного шва.
Необходимо отметить, что по мере накопления повреждений эта магнитная характеристика начинает изменяться более интенсивно, а закономерность изменения носит циклический характер. Причем установлено, что на начальном этапе малоцикловых нагружений (уровень Ni/Np=0,2) с увеличением прочностных свойств сварного соединения нормальная составляющая напряженности магнитного поля координальным образом стремиться изменить свое исходное состояние, тогда как дальнейшие циклические испытания возвращают эта характеристику в «прежнее русло». Уровень накопленных повреждений Ni/Np=0,8 вносит некий хаос в характер распределения магнитных свойств, тем самым, вызывая флуктуации в металле сварного соединения.
Полученные результаты замеров тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля свидетельствуют об интенсивных процессах микроструктурных изменений, происходящих в металле гетерогенного сварного соединения, находящихся в прямой зависимости от уровня накопленных повреждений.
Замечено, что магнитные свойства металла шва более чувствительны к циклическим нагружениям в отличие от основных металлов, входящих в состав сварного соединения, особенно в критической области Ni/Np=0,4. Параллельно с этим заключением, установлено, что магнитные свойства в менее прочном металле и его околошовной зоне (сталь марки 17ГСУ) имеют значительный градиент изменений напряженности магнитного поля. По-видимому, это связано с деформацией образца, которая сосредотачивается в основном металле, по которому и может произойти разрушение, так как шов данного сварного соединения более прочен, чем основной металл.
Эквивалентно суммируя рассмотренные физические характеристики разнородного сварного соединения, была определена полная величина вектора напряженности магнитного поля и установлена объемная (трехкритериальная) его взаимосвязь с уровнем накопленных повреждений. Стоит учесть, что максимальный вклад в эту величину дала нормальная составляющая, так как ее значения и интенсивность их изменений в процессе испытаний превалировали над тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля. Напряженно-деформированное состояние в менее прочной прослойке, которой является околошовная зона стали марки 17Г1СУ, с ростом нагружения все более отклоняется от равномерного и приобретает сложный объемный характер.
Результаты таких физических преобразований по мере циклических нагружений представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Изменение величины вектора напряженности магнитного поля по длине рабочей части разнородного сварного образца от уровня накопленных усталостных повреждений.
Полученные результаты показали, что при циклическом деформировании материала разнородных сварных соединений наблюдается значительное изменение величины напряженности магнитного поля, особенно в зоне разрушения образцов, ввиду того, что совместная деформация гетерогенных металлов способствует реализации контактного упрочнения таких прослоек. В последствии эти данные позволят определить остаточный ресурс конструктивных элементов с мягкими прослойками в условиях длительного циклического нагружения и установить безопасные сроки эксплуатации оборудования и трубопроводов после проведения диагностического обследования.
Источник: Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов