Определение ударной вязкости высокопрочных пластичных трубных сталей для газопроводов

Определение ударной вязкости сталей выполняется с использованием изгибных методов разрушения ударом по Шарпи или Изоду [1].

Одним из существенных недостатков этих методов является то, что работа разрушения включает в себя не только работу разрушения растяжением, но и работу разрушения зоны сжатия [2].

Очевидно, что разрушение металла происходит при действии растягивающих усилий, превышающих прочность металла. Напряжение сжатия препятствует разрушению.

Во всех случаях использование метода Шарпи для определения ударной вязкости высокопрочных пластичных сталей приводит к тому, что, во-первых, большая часть образцов полностью не разрушается, а, во-вторых, существенно повышается необходимая для разрушения мощность оборудования.

В стандарте ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах» в п. 5.6 записано: «Если в результате испытания образец не разрушился полностью, то показатель качества материала считается не установленным».

А теперь рассмотрим вопрос: Какая же работа разрушения должна определяться при оценке трещиностойкости трубных сталей для газопроводов?

Так как разрушающим напряжением в трубе при «отказе» являются окружные растягивающие напряжения, то и работу разрушения необходимо определять при условии разрушения металла осевым растягивающим ударом!

В ОАО «РосНИТИ» в рамках подготовки предстандарта «Метод осевого разрушения металла», включенного в План работ ТК 357 «Стальные и чугунные трубы и баллоны» на 2012-13 г.г., проведена серия испытаний, методом осевого разрушения – ОРУ.

Из анализа результатов испытаний следует:

уровень ударной вязкости при осевом разрушении ударом ниже, чем при традиционном испытании по Шарпи.
все образцы полностью разрушились при испытании ОРУ, а при испытании по Шарпи их приходилось доламывать!

А теперь возникает вопрос: А какая величина ударной вязкости необходима для обеспечения трещиностойкости труб при «отказе»?

Приведем некоторые расчеты.
Определим величину вероятного напряжения при разрушении трубы Ø 1420 х 23 из стали КП 555 при давлении 12,8 МПа:

σ_p=0,5P·D·t·k, (1)

где k – величина концентрации окружного напряжения в момент отказа, k = 2;
P – давление, МПа;
D, t – геометрические размеры.

Выполним расчет и получим величину растягивающего напряжения разрушения, равную 790 Н/мм².
Принимая запас по трещинностойкости 1,2 ÷ 1,4, определим величину прочности металла при разрушении ударом, которая будет равна 948 ÷ 1106 Н/мм².
Зная из экспериментов ряд параметров разрушения, можно определить необходимый уровень ударной вязкости. В нашем случае KCV ≥ 200÷233 Дж/см³ .
При испытании по методу ОРУ определяется ударная вязкость «очищенная» от влияния зоны сжатия.
Анализ и обработка полученных данных по испытанию металла методом осевого разрушения ударом позволяют записать следующие выражения для определения минимальной величины ударной вязкости, обеспечивающей трещиностойкость труб:

KCV_ору≥ 0,36÷0,42 σ_{T min}, Дж/см³ *, (2)

где σ_{T min} - минимальный предел текучести, Н/мм².

Из данной формулы следует, что стали приведенных классов прочности должны для обеспечения трещиностойкости труб иметь ударную вязкость растяжения не менее:
КП 485 (Х70) KCV_ОРУ ≥ 174 ÷ 203 Дж/см³
КП 555 (Х80) KCV_ОРУ ≥ 200 ÷ 233 Дж/см³
КП 625 (Х90) KCV_ОРУ ≥ 225 ÷ 262 Дж/см³

Указанные требования являются необходимыми, но не достаточными, так как одна и та же ударная вязкость может иметь отношение к сталям, имеющим различные прочностные свойства при разрушении ударом!

* по вопросу размрности см. работу Об изменении размерности параметра "Ударная вязкость"

Литература

Испытание металлов. Сборники статей. Лейпциг. 1963. Изд. Металлургия. Москва.1967.
Ю.И. Блинов. Механические характеристики металла при ударном разрушении. Труды международной научно-технической конференции. Тубы-2009. стр 373.

Published on October 6th, 2015