Чому труба іржавіє - Стаття МАГНІТ плюс у Санкт-Петербурзі

Значна частина металоконструкцій експлуатується в умовах складного напружено-деформованого стану та впливу природних та технологічних середовищ, що викликають незворотні фізико-хімічні зміни в металі, що знижують експлуатаційну надійність конструкції.

Мал. 1. Приклад дефектів металу, що виникають за сприяння залишкової напруги в металі

Сумарні напруження від робочих навантажень і залишкові технологічні в умовах впливу корозійно-активних середовищ у зв'язку з механохімічним ефектом можуть підвищувати швидкість загальної корозії та викликати найбільш небезпечні види руйнування – корозійне розтріскування під напругою (КРП) та корозійну втому (рис.1). Наприклад, близько 70% аварійних відмов магістральних газопроводів України викликані КРН [1, 2].

За даними Міжнародної асоціації інженерів - корозіонерів NACE збитки від корозії та витрати на боротьбу з нею у США становили 3,1 % від ВВП (276 млрд дол. США). За оцінками фахівців різних країн, ці втрати у промислово розвинених країнах становлять від 2 до 4% валового національного продукту. При цьому втрати металу, що включають масу металевих конструкцій, виробів, обладнання, що вийшли з ладу, складають від 10 до 20 % річного виробництва сталі [3].

Мал. 2. Приклад збільшення внутрішньої напруги в металі на прикладі створення магістрального трубопроводу

У зв'язку з цим виникає необхідність у вивченні та застосуванні технологій, здатних знизити залишкові напруги в металі, зменшуючи ймовірність розвитку корозії, запобігаючи майбутнім руйнаціям ще на етапі будівництва або проведення ремонтних робіт. Одним із таких методів є низькочастотна віброобробка (НПО).

Сутністьспособу полягає у створенні у зварних конструкціях після зварювання змінних напруг певної величини за допомогою механічних вібраторів. Віброобробка здійснюється, як правило, на резонансних або близьких до резонансних частот протягом певного проміжку часу. У ряді випадків віброобробку застосовують замість термічної обробки, що економічніше приблизно в 10 разів, оскільки вона має наступні переваги [4]:

Необхідне для віброобробки обладнання є універсальним для різних конструкцій, компактним та мобільним.

Вартість цього обладнання, а також витрати на його обслуговування та догляд за ним відносно невеликі.

Процес зняття напруги, у тому числі зварювальних, протікає швидко (максимальний час обробки 50 тонної деталі становить 30 хв.).

Метал і поверхня деталей після обробки не зазнає помітних фізико-механічних ушкоджень (немає окалини, шлаку, кольорів втечі тощо).

Зниження залишкових напруг у процесі вібрації досягається в результаті поєднання напруг (вібраційних та залишкових), при певних значеннях яких матеріал стає пластичним.

При проведенні робіт зі зняття залишкової напруги та зміни напружено-деформованого стану потрібно обов'язкових приладових контроль полів залишкових напруг, картини їх розподілу в зварних з'єднаннях. Враховуючи, що рівень механічної напруги в реальній конструкції може значно відрізнятися навіть у двох незначно віддалених один від одного точках, важливо бачити картину напруженого стану елемента конструкції в цілому до і після проведення робіт. Своєчасний контроль дозволяє підбирати необхідні режими та контролюватиякість проведених робіт.

Під терміном "руйнування" мають на увазі кілька різномаштабних явищ. Це і поділ шматка речовини (на два або кілька), і утворення і зростання тріщини в межах одного елемента мікроструктури (наприклад, в масштабах зерна 10. 100 мкм), і розрив атомарних зв'язків із утворенням нової поверхні в масштабах кристалічних ґрат металу. Руйнування – це факт утворення мікро- або макротріщини. Для зародження тріщини потрібний відповідний концентратор напруг. Дослідження приблизно 150 тис. зварних з'єднань на 1500 паропроводах ТЕС із макс. напрацюванням до 200…300 тис. год., показало, що у 1103 випадків ушкодження відзначаються у зварних з'єднаннях із підвищеною концентрацією напруг.

Для візуалізації полів напруженого стану досліджуваної області металоконструкції нами використовувався апаратно-програмний комплекс "Сканер механічної напруги "Комплекс-2.05", заснований на магнітоанізотропії металу.

Даний прилад дозволяє отримати картограми розподілу параметрів напруженого стану досліджуваної області конструкції – в основному металі, зварному шві та навколошовній зоні – з поданням інформації про наявність напружених станів у досліджуваній зоні. Результати документуються як картограм різниці основних механічних напруг (РГМН) і коефіцієнтів концентрації механічних напруг (КМН).

Мал. 3. Зовнішній вигляд труб, що діагностуються (ліворуч) і сканера-дефектоскопа «Комплекс 2.05» (праворуч)

Мал. 4. Карти РГМН – різниці основних механічних напруг і КМН – концентраторів механічних напруг

Як приклад оцінки напруженого стану металу розглянемо стан ділянки труби заводського виготовлення (K65 Ø 1420 з товщиною)стінки 40 мм., Мал. 3).

На рис. 3 показана труба без ізоляції з координатною сіткою, підготовленою для дефектоскопії. Провівши виміри, ми отримали два види карт: різниці головних механічних напруг (РГМН, кольорова градієнтна) та концентраторів механічних напруг (КМН, чорно-біла).

На карті РГМН (рис. 4) вздовж проекції зварного шва в області лінії 9 лінії по вертикалі спостерігаються неоднорідне розподіл областей різниці головних механічних напруг, які варіюються від +40 до +30. У зонах від 7 до 9 та від 9 до 12 спостерігається різка зміна напруженого стану металу: знак РГМН змінюється на протилежний з високим градієнтом переходу до -20 через нульове значення. На карті КМН (див. рис. 4) в точках , , а також уздовж горизонтальної лінії 9 присутні зони концентраторів напруги, що в поєднанні з високим градієнтом є одним з основних факторів зародження дефектів.

Мал. 5. Інтерферометр «ДОН-5ЦЗ» визначення залишкових напруг методом лазерної інтерферометрії.

Мал. 6. Приклад використання НУО на металоконструкціях різного призначення.

В обидві сторони зварного шва в зоні вигину труби на карті РГМН спостерігаються гармонійні повторення напруженості металу, виникнення яких обумовлено деформацією металу під час покрокового формування.

Однак, тільки контролю за розподілом параметрів напруженого стану недостатньо, тому для отримання достовірних даних про величину та напрямок головних компонентів напруженого стану був застосований метод фізичного вимірювання напруг. Відповідно до ГОСТ Р 52891-2007 він називається методом лазерної інтерферометрії.

Метод заснований на пружному навантаженні, що виникає у локальній областідосліджуваного виробу, шляхом засвердлювання ненаскрізного отвору малого діаметра та глибини (2…5 та 1…2,5 мм відповідно). Реєстрація деформацій, що виникають в області засвердленого отвору проводиться безконтактним методом – із застосування спекл-інтерферометра. Точність визначення деформації таким методом досягає ± 130 нм, що дозволяє визначити деформації, що викликаються наявністю невисокої залишкової напруги (5% від межі плинності).

На відміну від класичного методу трепанації з фіксацією результатів із застосуванням тензодатчиків, метод лазерної інтерферометрії дозволяє отримати точні дані за величиною, знаком і напрямом головних осей напруг за 10...15 хв (на відміну від декількох тижнів для методу трепанації) (рис. 5).

Мал. 7. Газотранспортна труба із встановленим вібратором та розміщеними координатними сітками для дефектоскопії.

Мал. 8. Карти РГМН – різниці основних механічних напруг і КМН – концентраторів механічних напруг до і після віброобробки газотранспортної труби.

В даний час для зняття залишкової напруги в металі можна застосовувати технологію низькочастотної віброобробки на резонансних частотах (НПО). Технологія застосовується на підприємствах машинобудування, судноремонту, ПЕК та ін. НПО як метод дозволяє знизити напруження у всій конструкції цілком, дозволяючи повністю або частково відмовитися від термічної обробки (рис. 6).

Обробка газотранспортної труби

Металоконструкцію розміщують на віброгаснику, після чого на конструкцію (в даному випадку на трубу) встановлюється вібратор з регульованим дисбалансом. Визначають резонансні частоти цієї труби і здійснюють віброобробку протягом 15...30 хвилин. Внаслідок виникнення вметалі знакозмінних навантажень на рівні зерна відбувається перерозподіл залишкових механічних напруг, що підтверджують заміри, що проводяться.

За результатами показань приладу «Комплекс 2.05» до обробки в зоні зварного шва, розташованого по всій вертикальній довжині лінії 7, розташована зона різниці головної механічної напруги з високим градієнтом від +50 до -70 (Рис. 8). Після обробки - напруги знято, і метал рівномірно стабілізований.

Обробка звареного елемента конструкції крокуючого екскаватора (рис.9)

Мал. 9. Елемент конструкції крокуючого екскаватора із встановленим віброзбудником.

Рис.10. Карти РГМН – різниці основних механічних напруг і КМН – концентраторів механічних напруг до і після віброобробки елементів конструкції крокуючого екскаватора.

У цьому прикладі у зв'язку з ідентичною НПО опустимо методику обробки, сконцентрувавши увагу на вимірах, проведених до та після обробки віброобробки. На рис. 10 видно, що до обробки на карті всієї карти КМН присутні концентратори механічних напруг. Основний обсяг концентраторів розташований у зоні між горизонтальними лініями 5 і 11. Концентратори досягають у цій галузі пікових значень 13...14, приймаючи в основному значення 7...9, що є значною величиною концентрації механічних напруг на даній ділянці. У зв'язку з цим необхідно обов'язково застосовувати методи зниження механічних напруг або проводити ремонтні роботи на даній ділянці заново.

Було ухвалено рішення про застосування НПО. Результат видно у правій частині зображення рис. 10. Значення КМН знижено до 1, градієнт РГМН рівномірно розподілено, що свідчить про напругу, характерну для вихідногоосновного металу, не схильного до додаткової обробки.

Даний метод зняття залишкових механічних напруг поступово набуває все більшого поширення в суднобудуванні, машинобудуванні та енергетичній промисловості. На відміну від дорогої термічної обробки, яку можна застосувати не в будь-якій ситуації НПО, не змінюючи структури металу за малих енерговитрат, здатна з високим ступенем ефективності знизити залишкові напруги в металоконструкціях. Приклад використовуваного устаткування наведено на рис. 11.

Мал. 11. Зовнішній вигляд технологічного комплексу віброобробки металоконструкцій

Залишкові напруги в металі нерідко є причиною зміни геометрії металоконструкції, викликаючи «поводку металу». Низькочастотна обробка на резонансних частотах знімає напруги у металі, повертаючи металоконструкцію до вихідного геометричного стану. Вібростабілізація оброблюваних деталей дозволяє досягти високої точності при механічній обробці. Знімаючи залишкові напруги на складальних секціях, НПО дозволяє уникнути неточностей при складанні конструкцій, що відбивається на трудомісткості.

Таким чином, технологія низькочастотної віброобробки для зняття залишкових механічних напруг на металоконструкціях заслуговує на подальше вивчення.