УДК 620.193.53 (536.49)

Экспериментальное исследование температурно-деформационного старения стали 20

Арапов Батырбек Рахметович – доктор технических наук, профессор Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова (Республика Казахстан, Шымкент).

Айнабеков Алпысбай Иманкулович – доктор технических наук, профессор Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова (Республика Казахстан, Шымкент).

Сейтказенова Казира Камешовна – доктор технических наук, профессор Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова (Республика Казахстан, Шымкент).

Алибеков Омарбек Бакаевич – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова (Республика Казахстан, Шымкент).

Камбаров Медетбек Абилдаевич – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова (Республика Казахстан, Шымкент).

Аннотация: В статье приводятся результаты экспериментального исследования механических свойств углеродистой стали Ст20, используемой при производстве труб. Испытание проводилось путем разрыва цилиндрических пятикратных образцов статическим растяжением. Испытания проводились при температуре воздуха от 20^оС до 300^оС и скорости растяжения образцов от 0,005 мм/мин до 6 мм/мин.

Магистральные и цеховые трубы газо– и нефтепроводов изготавливаются из высокопрочных углеродистых и низколегированных сталей, имеющих показатели прочности К45…К65. Сталь Ст20 имеет показатель прочности К45. В ходе эксплуатации трубопроводы подвергаются влиянию различных факторов, снижающих их эксплуатационную надежность. Одним из существенных факторов, снижающих прочностные и деформационные характеристики металла труб, является температурно–деформационное старение и коррозионное разрушение стали. Поэтому для оценки и анализа изменения механических свойств, углеродистых и низколегированных сталей вследствие температурно–деформационного старения, проведено экспериментальное исследование качественной стали 20, которая широко используется для изготовления трубопроводов и газопроводов. Результаты испытания показали, что в интервале температур воздуха 200^оС÷300^оС и медленной скорости деформирования образцов стали 20, ее прочностные характеристики повышаются, тогда как пластические свойства снижается.

Для проведения испытаний образцов сталей создана оригинальная конструкция испытательной камеры,используя которуюможно проводить экспериментальные испытания образцов сталей, как на воздухе, так и в коррозионно-активных средах высоких температур и давлений. Имеется также возможность проведения испытаний на длительную прочность в различных жидких коррозионных средах с использованием, для нагружения образца с постоянным напряжением, силу поршневого эффекта от высокого давления среды.

Ключевые слова: прочность, пластичность, температурно-деформационное старение, углеродистая сталь, статическое растяжение, испытание с низкой скоростью деформирования, экспериментальная камера.

Введение

Трубопроводный транспорт является наиболее оптимальным способом доставки нефти и газа к потребителям. Трубопроводную транспортировку сырья характеризуют непрерывность ее работы, высокая производительность и экономичность при доставке газообразного и жидкого сырья к потребителям. В тоже время трубопровод - сложная техническая система, материал которого подвергается при эксплуатации рискам постепенного разрушения, вследствие чего возможны возникновение аварий и утечка сырья в окружающую среду. Причинами возможного разрушения трубопроводов являются множество различных факторов, связанные с качеством материала трубы и условиями эксплуатации трубопровода. Доминирующими факторами являются коррозионное растрескивание и температурно–деформационное старение металла трубы.

Целью настоящего исследования является оценка влияния температурно–деформационного старения на прочностные свойства стали 20.

Экономическая эффективность трубопроводного транспорта зависит от увеличения пропускной способности магистральных трубопроводов, которая достигается повышением рабочего давления транспортируемого сырья,либо увеличением диаметра трубыили выбором материала труб с повышенной прочностью при существующих геометрических параметрах трубы.

В первом случае для сохранения надежности трубы при повышении рабочего давления сырья требуется увеличение толщины стенки трубы, что связаны с трудностями при производстве толстостенных труб и повышенным расходом металла для ее изготовления. Во втором случае в отличие от использования толстостенных труб, применение труб меньшей толщины из стали с повышенной прочностью позволяет снизить металлоемкость готовой конструкции.

Магистральные трубопроводы приходиться прокладывать в регионах с разными природными условиями, таких как грунты, с различными перепадами температур, в сейсмических районах, что накладывает дополнительные требования при подборе материала труб. В настоящее время для изготовления магистральных нефтепроводов используются углеродистые низколегированные стали с показателями прочности не ниже К45…К60марок 12Х1МФ, 15ГС,17ГС, 14ХГС и 10Г2С1 с временным сопротивлениемσ_в= 520МПа и пределом текучестиσ_т= 350МПа (ГОСТ 5058–65). А для трубопроводов и котлов высокого давления, коллекторов, перегревателей пара, газопроводов и систем отопления широко используется сталь 20 [1].

Из научной литературы известны [2–5,7] некоторые сорта углеродистых и низколегированных сталей, склонных к деформационному старению в диапазоне температур от 200 ^оС до 350 ^оС.

Результаты, полученные при исследовании свойств трубопроводных сталей при эксплуатации[2,3], весьма противоречивы. Например, авторы работ [3, 4] показали, что прочность газопроводной стали после длительной эксплуатации возрастает на 15–20%, а пластические характеристики и ударная вязкость уменьшаются в порядке на 15–20% и 40–50% соответственно.

В работе [8] проводились исследования трубопроводной низколегированной углеродистой стали класса прочности К65. Данная сталь принадлежит системе легирования C–Mn–Si. Результаты испытания на деформационное старение показали, что в процессе деформационного старения происходит повышение предела прочности и снижение пластичности стали. Исследование структуры стали показало, что этот процесс связан с диффузионным переходом атомов углерода из пересыщенного твердого раствора феррита на границы зерен с образованием частиц карбидов, что приводит к охрупчиванию стали.

Методы и материалы

При длительной эксплуатации трубопроводов, работающих при различных температурных режимах, происходит температурно–деформационное старение материала труб, изготовленных из малоуглеродистых сталей, что приводит к снижению прочности и деформационной способности стали. Поэтому для надлежащего анализа и учета изменения механических свойства углеродистых и низколегированных сталей вследствие температурно–деформационного старения проведено экспериментальное исследование качественной стали 20, которая широко используется для изготовления трубопроводов.

С этой целью проведены испытания пятикратных образцов стали 20, показанной на рисунке 1. Испытание проведены с использованием универсальной электромеханической испытательной машиной марки УМЭ–10ТМ при температурах 20, 200, 275 и 300^оС. Химический состав и характеристики механических свойств стали 20 на воздухе, определенные при нормальных условиях и температуре 20^оС, приведены в таблице 1.

Рисунок 1. Пятикратный цилиндрический образец для проведения испытаний на растяжение.

Таблица 1. Химический состав и характеристики механических свойств стали 20.

Образцы, изготовленные из стали 20, рисунок 1, испытывались на статическое растяжение при четырех значениях температуры окружающего воздуха. При каждой температуре окружающего воздуха испытанию подвергались три образца и приведенные в таблице значения механических свойств являются средними значениями, полученными из трех испытаний.

Для проведения экспериментальных испытаний была разработана оригинальная конструкция испытательной камеры, схема которой показана на рисунке 2, она обеспечивает контролируемую высокую температуру воздуха и коррозионной среды.При проведении испытаний на воздухе камера заполняется атмосферным воздухом.

Камера (рисунок 2) предназначена для проведения испытаний образцов сталей в условиях воздействия коррозионно–активной среды высоких температур и давления. Устройство камеры простоеи состоит из толстостенного цилиндрического корпуса в виде стакана 3, крышки камеры 5, с вмонтированным в нее поршневым устройством 8, и нагружающего штока 10.Указанные детали являются основными элементами камеры, и они изготавливаются из нержавеющих марок сталей. Поршневое устройство предназначено для использования усилия поршневого эффекта от высокого давления среды в камере, для нагружения испытуемого образца,

Герметичность камеры обеспечивается уплотнителем, помещенным в кольцевую канавку, выполненную в месте сопряжения корпуса камеры и ее крышки. В качестве уплотнителя используется стальное кольцо из нержавеющей стали имеющее ромбическое поперечное сечение. Острые грани ромбического поперечного сечения кольцевого уплотнителя при прижатии крышки к корпусу, деформируясь смятием, обеспечивают хорошую герметичность сопряжения камеры с крышкой, как показано на рисунке 3.

Конструкция указанной камеры создает условие для проведения испытаний образцов сталей в коррозионно–активных средах, имеющих высокие параметры по температуре и давлению, соответствующие эксплуатационным условиям работы конкретного оборудования. При этом, испытания могут быть проведеныпоследующим режимам: однократное осевое растяжение до разрыва образца, растяжение с различной скоростью деформирования, испытания на длительную прочность,на водородное охрупчивание (растрескивание) при постоянной растягивающей осевой силе, прикладываемой на испытуемый образец.

В условиях испытания образцов в среде с высоким давлением в режиме однократного осевого растяжения и растяжения с различными низкими скоростями деформирования, усилие, прикладываемое наиспытуемый образец, складывается из величины поршневого эффекта и усилия на нагружающий шток, развиваемой испытательной машиной. При этом, если суммарное усилие поршневого эффекта и усилия на нагружающий шток, развиваемое испытательной машиной, превысит необходимое значения для испытания образца, то величина усилия развиваемое испытательной машиной будет направлена противоположно усилию поршневого эффекта.

Для испытания образцов стали на воздухе используется пустая собранная камера, при этом камера служит устройством, обеспечивающим необходимую температуру воздуха и режим нагружения. При этом нагружение испытуемого образца осуществляется усилием развиваемой испытательной машиной.

Нагрев воздуха в камере осуществляется электрическим нагревателем, расположенным с наружной цилиндрической поверхности камеры. Нагревательные элементы камеры подпитываются электрическим током с напряжением 24 вольт, автоматическое регулированиемощностинагревателей осуществляется управляющейсистемой испытательной машины при помощи датчика температуры, введенного во внутреннюю полость камеры. Измерения, приложенной к испытуемому образцу усилия, также осуществлялись стандартным силоизмерительным устройством испытательной машины УМЭ–10ТМ. Диаграмма растяжения образца записывается на двухкоординатном самописце барабанного типа.

Испытание образцов сталей в различных коррозионно–активных средах, имеющих высокие температуры и соответственно высокие давления, проводится с использованием для нагружения образца суммарной силы поршневого эффекта и усилия, развиваемого испытательной машиной.

Усилие поршневого эффекта формируется в поршневом устройстве 12 (рисунок 2), встроенном в крышке камеры. Это устройство состоит из помещенных в цилиндрическую полость, выполненных в крышке камеры, сменных стаканов, набора прижимных шайб и сальников. Сменные стаканы имеют различные внутренние диаметры и комплект прижимных шайб и сальников, соответствующих его внутреннему диаметру.

Величина усилия поршневого эффекта образуется из–за разности площадей поперечного сечения испытуемого образца и эффективной площади прижимной шайбы поршневого устройства. Использование усилия поршневого эффекта является выгодным в случае проведения длительных испытаний, например,при испытании на длительную прочность или на водородную (хрупкость) трещиностойкость стали в высокотемпературной коррозионной среде, когда необходимо приложить постоянную растягивающую силу на испытуемый образец.

После заполнения камеры безвоздушного пространстваобразуется замкнутый сосуд с полностью заполненной жидкостью, то есть коррозионной средой на водной основе или чистой дистиллированной водой.

Поэтому в пределах температуры воды от 280^оС до 350^оС ее давление p в замкнутом пространстве камеры будет находиться в пределах 0,6335 ÷ 1,492 кН/ см²(63,35 ÷149,2 кг/см²)[9].

Сила поршневого эффекта создается от давления среды, которая поступает в полость поршневого устройства через канал, выполненный в нагружающем штоке, на эффективную площадь поршня. Таким образом, в указанном диапазоне температур коррозионной среды,величина растягивающего усилия на испытуемый образец от поршневого эффекта будет определяться по следующей формуле:

F = p × A_эф кН

где: F – усилие поршневого эффекта, кН;

p – давление среды в камере, кН/см²;

A_эф – эффективная площадь поверхности поршня, см².

см².

где: D – внутренний диаметр сменных стаканов, см;

d – диаметр цилиндрической рабочей части испытуемого образца, см;

 – отношение диаметра образца к внутреннему диаметру сменных стаканов.

1 – силоизмеритель; 2 – рубашка водяного охлаждения силоизмерителя; 3 – корпус камеры; 4 – испытуемый образец стали; 5 – электронагреватель; 6 – датчик температуры; 7 – силовой шток; 8 – уплотнитель; 9 – крышка; 10 – прижимные шайбы для сальников; 11 – сменный стакан; 12 – поршневое устройство, предназначенное для использования усилия поршневого эффекта; 13 – прижимные шайбы для сменного стакана; 14 – уплотнительные скользящие сальники; 15 – канал для прохода среды; 16 – устройство подачи коррозионной среды и контроля ее давления

Рисунок 2. Камера для проведения испытаний образцов.

Для указанных диапазон температур коррозионной среды величина силы поршневого эффекта будет находится в следующих пределах:

При p = 0,6335 кН/см², D = 6 см, d = 1 см,

см²,

Сила поршневого эффекта равняется F = 0,6335 × 27,48 = 17,41 кН.

А при p = 1,492 кН/см², F = 1,492 × 27,48 = 41 кН.

Полученные величины усилия поршневого эффекта позволяют испытывать цилиндрические образцы в следующем диапазоне растягивающего напряжения:

От  кН/см², до  кН/см².

Как видно из этих расчетов, величина усилия поршневого эффекта и соответствующие напряженияпри указанных геометрических размерах испытуемого образца и диаметра поршня поршневого устройства, достаточны для проведения испытаний образцов на длительную прочность и на стойкость водородному растрескиванию при нагружении с постоянным напряжением. При этом величина растягивающего напряжения зависит от температуры коррозионной среды, поэтому требуется строго постоянное поддержание температуры среды на заданном уровне за все время проведения испытания.

Кроме того имеется возможность изменения диапазона величин прикладываемого на испытуемый образец напряжения путем замены сменных стаканов 11, имеющих другое значение внутреннего диаметра с соответствующим комплектом сальников.

В случае испытания образцов с трубчатой формой поперечного сечения, эффективная площадь поршня определяется по следующей формуле:

см²,

где: d_ср – средний диаметр кольцевого сечения испытуемого трубчатого образца, см; t – толщина стенки трубчатого образца, см.

см,

где: d_нар – наружный диаметр образца, см; d_внутр – внутренний диаметр образца, см.

t = d_нар – d_внутр см.

3 – корпус камеры; 8 – уплотнительное кольцо; 9 – крышка

Рисунок 3. Схема уплотнения корпуса камеры с крышкой, нумерация деталей указана согласно рисунку 2.

При испытании трубчатых образцов на длительную прочность или на водородное растрескивание (охрупчивание) в коррозионно-активной среде, коррозионная среда воздействует как с наружной поверхности, так и во внутренней поверхностей образца, что ускоряет процесс коррозионно-механического разрушения. Таким образом, использование для испытания образца трубчатой формы сокращает длительность испытаний при испытаниях на длительную прочность при нагружении постоянным растягивающим напряжением.

Результаты

Результаты экспериментов, полученные при испытании образцов стали 20, проведенных на воздухе при различных температурах и скоростях растяжения до разрушения, приведены в таблице 2. Эти экспериментальные данные показывают, что с увеличением температуры испытания и снижения скорости растяжения образца, предел прочности стали R_m повышается. Результаты эксперимента показали, что при испытании со скоростью растяжения образца 0,005 мм/мин и температуре 300 ^оС, предел прочности повысилсяна 30% по сравнению с полученными данными при нормальных стандартных условиях испытания со скоростью растяжения 6мм/мин и 20 ^оС. А характеристика пластичности - коэффициент относительного сужения Z, (ψ), рассчитанная по размерам шейки в месте разрушения образца, снизиласьна 14%.

Таблица 2. Характеристики прочности стали 20, полученные при различных температурах испытания методом стандартного статического растяжения.

Для оценки влияния скорости деформирования на характеристики механических свойств стали, испытания образцов проводились на различных скоростях растяжения. Результаты этих испытаний приведены в таблице 3. Как показывают полученные данные, с повышением температуры воздуха, при низких скоростях растяжения образца предел прочности стали 20 повышается, а при температуре воздуха 20^оС и снижении скорости растяжения наоборот снижается.

Таблица 3. Изменение характеристик прочности стали 20 в зависимости от средней скорости нагружения.

Как показывают результаты проведенных исследований, влияние процесса температурно–деформационного старения на прочностные и пластические характеристики стали значительными. Поэтому при исследовании влияния коррозионных сред и других факторов окружающей среды на характеристики прочности и пластичности стали необходимо учитывать долю влияния деформационного старения. Учет влияния эффектатемпературно–деформационного старения при анализе оценки влияния коррозионных сред и высоких температур на статические и циклические прочностные характеристики стали 20, является актуальным. При экспериментальном определении длительной прочности и выносливости конструкций в коррозионных средах, полученные данные необходимо сравнивать с характеристиками статической и циклической прочности, полученными при той же температуре и скорости нагружения образцов, что и на воздухе.

Полученные таким образом экспериментальные данные, по результатам испытаний образцов на воздухе, будут использованы для сравнения с экспериментальными данными, получаемыми при испытании образцов в коррозионной среде, имеющих эксплуатационные параметры. Это даст возможность производит анализ и оценку влияния коррозионно–активной среды эксплуатационных параметров на прочностные свойства материала элементов конструкции.

Обсуждение

Результаты экспериментального исследования показывает, что в ходе эксплуатации трубы, изготовленной из стали Ст20,из-за температурно–деформационного старения в диапазоне температур от 200 ^оС до 350 ^оС его характеристики механических свойств изменяются. Поэтому при проектировании и расчете срока службы трубопровода следует учитывать возможные изменения прочности стали Ст20, в зависимости от температуры эксплуатации. Эти данные, полученные по результатам испытаний на воздухе, важны при оценке коррозионно-механического разрушения стали в коррозионной среде. При проведении испытаний в коррозионной среде, изменение характеристик механических свойств стали включает две составляющие: изменениеего прочности от температурного старения и изменение прочности и пластичности от коррозионного воздействия среды.

Поэтому для разделения и надлежащей оценки доли влияния каждого фактора в отдельности, проведение предварительных испытаний на воздухе при соответствующей температуре крайне необходимы.

Также следует отметить, что в ходе проведения экспериментов разработана новая уникальная конструкция испытательной камеры, созданы необходимые инструментарии,предназначенные для проведения экспериментальных испытаний образцов сталей в коррозионных средах высоких температур и давлений. Отработана методика проведения испытаний и обработки полученных результатов.

Выводы

1. Углеродистая сталь марки Ст20, склонна к температурно–деформационному старению при действии высоких температур и эксплуатационных нагрузок с низкой скоростью изменения, приводящих к повышению прочности и снижению пластичности вследствие охрупчивания;
2. При исследовании длительной статической и циклической прочности элементов конструкций и технологического оборудования, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях воздействия высоких температур и динамических термомеханических нагрузок с низкой частотой изменения, необходимо учитывать эффект влияния температурно–деформационного старения стали;
3. При расчете долговечности на стадии проектирования наиболее нагруженных элементов конструкций и назначении срока службы вновь созданного оборудования, следует ввести поправки на характеристики механических свойств сталей с учетом температурно–деформационного старения.
4. Разработана оригинальная конструкция испытательной камеры, предназначенной для проведения испытаний различных форм образцов на воздухе и в коррозионно-активной среде, имеющих высокие температуры и давления.

Список литературы

1. Марка стали для труб: характеристики и области применения [Электронный ресурс]. – URL: https://stal–ural.ru/text/marki–stali–trub.
2. Илюхин. В Ю. Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость и склонность к водородномуохрупчиванию трубных сталей различной категории прочности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва–2009.
3. Фарбер В. М., Селиванова О. В., Хотинов В. А., Полухина О. Н. Деформационное старение в сталях. Учебное пособие Екатеринбург. Издательство Уральского университета. 2018. 76 с.
4. Бабич В. К. Деформационное старение стали / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Долженков. Москва: Металлургия, 1972. 320 с.
5. Чувильдеев В. Н. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей магистральных газопроводов / В. Н. Чувильдеев // Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов. Нижний Новгород: Университетская книга, 2006. С. 18–67.
6. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / В. Э. Вильдеман, М. П. Третьяков, Т. В. Третьякова, Р. В. Бульбович, С. В. Словиков, А. В. Бабушкин, А. В. Ильиных, Д. С. Лобанов, А. В. Ипатова. Москва: Физматлит, 2012. 204 с.
7. Мишетьян А.Р., Шабалов И.П., Чевская О.Н., Филиппов Г.А. Исследование механизма изменения структурного состояния в процессе деформационного старения и его влияния на свойства трубной стали бейнитного типа // Черная металлургия. Бюллетень научно–технической и экономической информации. 2018. № 9. С. 77–92. – URL: https://chermetinfo.elpub.ru/jour/article/viewFile/979/950.
8. Мишетьян А.Р., Шабалов И.П., Чевская О.Н., Филиппов Г.А. Исследование механизма изменения структурного состояния в процессе деформационного старения и его влияния на свойства трубной стали бейнитного типа // Черная металлургия. Бюллетень научно–технической и экономической информации. 2018. № 9. С. 77–92. Doi: 10.32339/0135–5910–2018–9–77–92.
9. Краткий справочник физико–химических величин. Под редакцией К.П.Мищенко, А.А.Равделя. Издательство «Химия» Ленинградское отделение 1967. 182 с.