2828.Экспертиза качества и разрушений

Рис. 6.17. Коррозионные повреждения стенок труб с внутренней стороны: а – образец усл. №5; б – образец усл. №5; в – сварной шов. ×25

Металлографическое исследование сварного соединения труб показало, что сварной шов односторонний, однопроходной, выполнен методом полуавтоматической электродуговой сварки плавящимся электродом, имеет классическое строение (рис. 6.18), характерное для электросварных соединений, и состоит из жидкой ванны, зоны термического влияния и основного материала труб. Макроструктура сварного шва имеет крупнозернистое строение с зоной термического влияния шириной до 5,0 мм.

Рис. 6.18. Макроструктура сварного соединения. ×3,0

Сварное соединение выполнено со значительными отклонениями от технических требований, норм и правил, применяемых при изготовлении изделий этого назначения:

–зазор между свариваемыми деталями составлял около 9,0 мм;

–сварной шов имеет непровар более чем на 30 % от толщины деталей;

–шов односторонний без нижнего усиления;

–в зонах сплавления обнаружено большое количество несплошностей;

–большая ширина зоны термического влияния.

321

Основной материал труб в зоне сварного соединения имеет металлургические дефекты в виде крупных вытянутых несплошностей и расслоений материала (см. рис. 6.18).

В зоне плавления шва и по границам жидкой ванны обнаружены непровары (рис. 6.19, а), поры (рис. 6.19, б), множественные трещины (рис. 6.19, в) и другие дефекты металлургического характера. Структура шва литая, классически ориентированная с различным размером зерна (рис. 6.19, д). Структура зон термического влияния состоит из феррит- но-перлитной смеси (рис. 6.19, г и е) с выраженной строчечностью структуры, неметаллическими включениями и расслоением.

Рис. 6.19. Микроструктура зон сварного соединения:

а– сварной шов, ×10; б – сварной шов, ×50; в – сварной шов, ×50;

г– ЗТВ № 1, ×50; д – сварной шов, ×50; е – ЗТВ №2, ×50

Обращает на себя внимание то, что магистральная трещина, вызвавшая катастрофическое разрушение изделия, проходит не как обычно – по зоне термического влияния соединения, а непосредственно по границе бывшей жидкой ванны сварного шва (рис. 6.20, а–в).

Этот факт указывает на то, что самой слабой зоной сварного соединения труб (образцы условно №№ 1 и 2) является сварной шов. Разрушение изделия по сварному шву связано с малым, оставшимся живым

322

сечением в этой зоне (непровар), коррозионными повреждениями материала в закрытых объемах (корень непроваренного сварного шва) и множественными металлургическими дефектами (несплошности разной этимологии) в зоне сплавления.

Рис. 6.20. Микроструктура сварного шва в зоне разрушения: а – ЗТВ №1; б – сварной шов; в – ЗТВ № 2. ×25

Фрактографические исследования поверхности разрушения

Фрактографический анализ показал, что разрушение изделия произошло по поперечному сварному соединению под воздействием осевых напряжений. При нагружении цилиндрических емкостей внутренним давлением максимальные напряжения реализуются в тангенциальном направлении. Осевые напряжения, т.е. те, под воздействием которых и произошло данное разрушение, в 2 раза меньше тангенциальных. Поэтому факт разрушения газопровода по поперечному сварному шву указывает на недостаточные прочностные характеристики сварного соединения в целом и, соответственно, на некачественное его исполнение.

Правильно выполненное сварное соединение деталей из конструкционных углеродистых сталей разрушается путем образования и распространения магистральной трещины по зоне термического влияния, т.е. по переходной зоне от бывшей жидкой ванны к основному материалу детали. В нашем случае распространение трещины происходило непосредственно по телу сварного шва (рис. 6.21, а, б), что также указывает на недостаточные прочностные характеристики сварного соединения.

Поверхность излома изделия темно-коричневого цвета, имеет существенные коррозионные повреждения и покрыта плотным слоем продуктов коррозии и эксплуатационных загрязнений. Однако по сохранившимся участкам поверхности разрушения видно, что излом многоочаговый, мелкозернистый, сглаженный и расположен перпендику-

323

лярно оси изделия. Все это характерно для замедленного статического разрушения от концентраторов напряжений под воздействием осевых растягивающих эксплуатационных усилий.

Рис. 6.21. Фрагменты зоны разрушения сварного соединения труб

Очаги зарождения трещин расположены на внутренней поверхности трубы, наиболее вероятно – на концентраторах напряжения в нижней части непроваренного сварного шва (рис. 6.22, а, б) и инициированы коррозионным повреждением материала шва под напряжением.

Рис. 6.22. Фрагменты зон зарождения трещин в сварном соединении труб

Детальный фрактографический анализ позволил установить, что магистральная трещина в процессе разрушения продвигалась по хрупкому макромеханизму (рис. 6.23, а, б).

Рис. 6.23. Фрагменты участков распространения магистральной трещины

324

Таким образом, установлено, что магистральная трещина зародилась в нескольких очагах на концентраторах (коррозионное повреждение непроваров сварного шва) при нормальных эксплуатационных напряжениях и распространялась по хрупкому механизму по наиболее ослабленной металлургическими дефектами части сварного соединения – краю сварного шва.

Выводы

1. Предоставленные на исследование фрагменты труб с участков ПК155+60 и ПК 155+66 газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» по сортаменту соответствуют стальным электросварным прямошовным горячекатанным трубам 530×6 по ГОСТ 10704–91, изготовленным из углеродистой конструкционной стали, по химическому составу соответствующейстали Ст.3сп по ГОСТ380–2005.

2. По механическим свойствам основной материал труб с участков ПК155+60 и ПК 155+66 газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» соответствует требованиям ГОСТ 10705–80 и классу прочности К42 по ГОСТ 20295–85. Основной материал труб ПК155+60 газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» Ø 530×6 мм по механическим свойствам соответствует горячекатанной стали марки.

3.Поперечное сварное соединение труб с участка ПК155+60 газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» по механическим свойствам и, соответственно, по классу прочности не соответствует требованиям ГОСТ 10705–80 и ГОСТ 20295–85.

4.По структуре материала трубы с участков ПК155+60 и ПК 155+66 газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» имеют неудовлетворительное металлургическое качество (по структурной неоднородности, высокой строчечности, расслоениям материала и большому количеству неметаллических включений) и не соответствуют нормам и правилам, применяемым при изготовлении изделий этого назначения.

5.Разрушение газопровода попутного нефтяного газа лупинг «Чернушка – Пермь» на участке ПК155+60 носит эксплуатационный характер и произошло путем образования и развития хрупкой трещины по поперечному сварному шву в результате превышения предела прочности в оставшемся живом сечении материала сварного соединения от воздействия нормальной эксплуатационной нагрузки.

325

6. Причинами образования и развития хрупкой трещины в сварном шве являются существенные металлургические дефекты сварного шва, вызванные нарушением технологии изготовления сварного соединения. Разрушению сварного соединения способствовала большая степень коррозионного износа (особенно в нижней части) внутренней поверхности труб в сочетании с неудовлетворительным металлургическим качеством материала труб (дефект производственного характера в виде высокой строчечности и расслоения материала).

326

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1.Сталь на рубеже столетий / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. –

М.: МИСИС, 2001. – 664 с.

2.Дурнев В.Д., Сапунов С.В., Федюкин В.К. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов. – СПб.: Питер, 2004. – 254 с.

3.Гришенцев А.Ю. Теория и практика технического и технологического эксперимента: учеб. пособие. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. –

102с.

4.Металлы и сплавы: справочник / под ред. Ю.П. Солнцева. – СПб.: Профессионал, 2003. – 1090 с.

5.Бузов В.А. Управление качеством продукции. Технический регламент, стандартизация и сертификация. – М.: Академия, 2006. –

176с.

6.Металловедение и термическая обработка стали: справ. изд. – 3-е изд., перераб. и доп.: в 3-х т. Т. 1. Методы испытаний и исследования / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.

7.Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия: учебник для вузов / Я.С. Уманский [и др.]. – М.: Металлургия, 1982. –

631с.

8.Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: справочник. – М.: Металлургия, 1986. – 232 с.

9.Белокур И.П. Дефектология и неразрушающий контроль. – Киев: Вища школа, 1990. – 206 с.

10.Кульков С.Н., Буякова С.П. Современные методы анализа в материаловедении: учеб. пособие. – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та,

2011. – 84 с.

11.Дефекты стали: справочник / под ред. С.М. Новокщеновой, М.И. Виноград. – М.: Металлургия, 1984. – 200 с.

12.Бернштейн М.Л. Атлас дефектов стали. – М.: Металлургия,

1979. – 188 с.

13. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: учеб-

ник. – М.: Мир, 2003. – 528 с.

327

14. Ларина О.Д., Тимошенко Н.М. Количественный анализ оксидных и нитридных включений в сталях и сплавах. – М.: Металлургия, 1978. – 256 с.

15.Фрактография и атлас фрактограмм: справ. изд.: пер. с англ. / под ред. Дж. Феллоуза. – М.: Металлургия, 1982. – 489 с.

16.Золоторевский В.С. Механические свойства металлов: учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.

17.Жуковец И.И. Механические испытания металлов: учеб. пособие для студ. учеб. заведений. – М.: Высшая школа, 1986. – 199 с.

18.Ежов А.А., Герасимова Л.П. Разрушение металлов. – М.: Нау-

ка, 2004. – 400 с.

19.Герасимова Л.П., Ежов А.А., Маресев М.И. Изломы: справочник. – М.: Металлургия, 1987. – 272 с.

20.Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. – М.: Мир,

1972. – 406 c.

21. Горицкий В.М. Диагностика металлов. – М.: Металлургиздат, 2004. – 408 с.

22.Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. – М.: Металлургия, 1974. – 256 с.

23.Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: справочник / под общ. ред. В.Д. Кальнера. – М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.

24.Технические средства диагностирования / под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1989. – 516 с.

Нормативно-правовая литература

1.О техническом регулировании: Федер. закон №184-ФЗ от 27.12.2002 // Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

2.ГОСТ 15467–79* (СТ СЭВ 3519–81). Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения / Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. – М.: Гос. стандарт СССР, 1979.

3.ГОСТ Р ИСО 2859-1–2007. Статистические методы. Процедуры выборочного контроля по альтернативному признаку. – М.: Стандартинформ, 2007.

4.ГОСТ 8233–56. Сталь. Эталоны микроструктуры. – М.: ИПК Издво стандартов, 2004.

328

5.ГОСТ 5640–68. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты / Государственный комитет СССР по стан-

дартам. – М., 1988.

6.ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.

7.ГОСТ 1497–84*. Металлы. Метод испытаний на растяжение. – М.: Стандартинформ, 2005.

8.ГОСТ 14019–80*. Металлы. Метод испытания на изгиб / Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. – М.: Гос. стандарт СССР, 1980.

9.ГОСТ 1497–84. Металлы. Метод испытаний на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.

10.ГОСТ 25.506–85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении / Государственный комитет СССР по стандартам. – М., 1985.

329

Учебное издание

Вылежнев Владимир Павлович, Югай Сергей Сергеевич

ЭКСПЕРТИЗА КАЧЕСТВА И РАЗРУШЕНИЙ

Учебное пособие

Редактор и корректор Е.И. Хазанжи

_____________________________________________________________

Подписано в печать 24.12.2012. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 26,6. Тираж 10 экз. Заказ № 285/2012.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

330