4.2 Неразрушающие методы определения механических свойств трубопроводных материалов
В течение эксплуатации вследствие воздействия совокупности факторов различной природы и интенсивности происходит изменение ряда параметров оборудования и конструкций. Это обуславливает необходимость адекватной оценки их технического состояния с целью обеспечения надежности и безопасности функционирования. При оценке изменения механических свойств материала в основном используют стандартные методы испытания макропроб отобранных образцов в соответствии с требованиями действующих технических нормативных правовых актов. В тоже время при проведении диагностических работ не всегда имеется возможность вырезки темплета материала для исследования в лабораторных условиях. Кроме того, практика показывает, что часто возникают разрушения именно в тех местах, где до этого проводились работы по изъятию образцов. Эти обстоятельства привели к развитию неразрушающих методов контроля механических свойств. Наибольшее распространение среди них получили методы, основанные на измерении твердости. Это объясняется простотой применения и высокой производительностью данного неразрушающего метода механических испытаний [30 С.]. Создано множество видов и модификаций стационарных и переносных приборов для измерения твердости, отличающихся принципом действия, областью применения, а также массой и габаритными размерами. Особая роль в расширении возможностей принадлежит переносным твердомерам, позволяющим определять твердость на эксплуатируемых конструкциях любой формы, размеров в любом пространственном положении и при этом используют меньшие нагрузки по сравнению со стационарными приборами [74].
Из множества статических способов определения твердости наиболее удобными и широко применяемыми в заводских и исследовательских лабораториях являются методы Бринелля, Роквелла и Виккерса, которые предусматривают вдавливание соответственно закаленного стального шарика, алмазного конуса с углом при вершине 120˚ и алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136˚ [76, 77, 78], а наиболее распространенным динамическим является метод Шора [75], в котором о твердости судят по высоте отскока бойка с коническим или сферическим алмазным индентором. Каждый из указанных способов имеет свою область применения в зависимости от толщины образцов, их пластичности, твердости.
В результате сравнительного анализа указанных методов выявлено, что определение твердости по Виккерсу позволяет получить большее количество информации об исследуемом материале, чем при определении другими методами. Это связано с тем, что отпечатки и волна вокруг них, полученные при взаимодействии конического или сферического индентора (методы Бринелля, Шора, Роквелла) с исследуемым материалом, имеют вертикальную ось симметрии, а их проекция на горизонтальную плоскость представляет круг. Поэтому по проекциям этих отпечатков нельзя сделать дополнительных заключений о механических свойствах металла [22 С.]. Существующие корреляционные уравнения связывают в основном твердость, определенную по одному из данных методов, с величинами предела прочности и предела текучести [5, 73, 122, 142]. Наибольшее распространение получили линейные зависимости вида:
,
МПа (4.1)
,
МПа (4.2)
где,
– коэффициенты пропорциональности,
зависящие от материала.
Таким образом, методы Роквелла, Шора и Бринеля не позволяют получить информацию о пластических свойствах материалов, что ограничивает их возможности для оценки технического состояния конструкций.
В отличие от указанных методов, проекции на горизонтальную плоскость пирамидальных отпечатков полученные при определении твердости по Виккерсу имеют форму близкую к квадрату с выпуклыми или вогнутыми сторонами.
а) б)
а — отпечаток с вогнутыми гранями; б — отпечаток с выпуклыми гранями
Рисунок 4.1 – Форма отпечатков, полученных при внедрении в материал алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями 136°: D — диагональ отпечатка; S — ширина отпечатка. []
Отпечаток с выпуклыми гранями характерен для пластичных материалов (например, отожженной стали). Отпечаток с вогнутыми гранями характерен для материалов с высокой твердостью (сталь, упрочненная пластическим деформированием, закаленная сталь). Металл кольцевых сварных соединений магистрального трубопровода, после длительной эксплуатации имеет преимущественно среднюю твердость и для него характерны отпечатки без значительных искажений.
Рисунок 4.2 – Типичная форма отпечатка пирамидального индентора на трубной стали (200х)
Сила, действующая при вдавливании на центр, больше сил в угловых точках проекции пирамиды, соответственно и величина деформации в этой центре больше. Следовательно, деформация металла около стороны отпечатка распределяется так, что в центре стороны она достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь к краям. Таким образом, форма отпечатка свидетельствует о способности материала воспринимать пластическую деформацию и ее изменение коррелирует с изменениями пластических свойств металла. [21, 45] В работах [43, 44] приведены корреляционные взаимосвязи твердости НV и параметрами пирамидального отпечатка (диагональ и ширина) механическими характеристиками (σВ, δ5, ψ). Уравнения взаимосвязи имеют вид:
,
МПа (4.3)
,
отн. ед. (4.4)
,
отн. ед. (4.5)
Где, k — коэффициент кратности (для нагрузки, равной 1000 Н (100 кг); 500 Н (50 кг); 300 Н (30 кг); 200 Н (20 кг); 100 Н (10 кг) и 50 Н (5 кг). Величина коэффициента k составляет 1; 1,414; 1,825; 2,235; 3,161 и 4,472 соответственно.
Таким образом, измерение твердости по Виккерсу по зависимостям 4.3-4.5 позволяет оценивать как прочностные, так и пластические свойства исследуемого материала неразрушающим способом. В тоже время в отличие от ударной вязкости, данные характеристики в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов изменяются не значительно. Следовательно, необходимо разработать способ определения ударной вязкости сварных кольцевых соединений магистральных трубопроводов, претерпевших длительную эксплуатацию.