О мерах по предупреждению усталостного растрескивания сварных швах узлов врезок технологических трубопроводов газоперерабатывающего завода

Размещено на http://www.allbest.ru/

О мерах по предупреждению усталостного растрескивания сварных швах узлов врезок технологических трубопроводов газоперерабатывающего завода

Олег Александрович Павлов (главный специалист), Александр Анатольевич Моисеев (главный специалист), Дмитрий Викторович Гуревич (главный специалист) ОАО «Системы и технологии обеспечения безопасности. Техдиагностика»

Аннотация

В статье рассмотрены причины образования усталостных трещин в сварных швах узлов врезок технологических трубопроводов по результатам исследования поверхностей трещины, образовавшейся в околошовной зоне врезки /Е168,3'7,11 мм в магистраль /Е219,1 '7,04 мм. Проведена вырезка дефектного участка с последующем проведением неразрушающего контроля, фрактографического и металлографического анализа и определением механических свойств металла элементов узла врезки.

На поверхностях разрушения обнаружены характерные усталостные бороздки, образовавшиеся при ступенчатом развитии трещины. Зарождение трещины произошло на наружной поверхности магистрали в месте сопряжения наплавленного металла сварного шва и основного металла магистрали.

Установлено, что измеренные уровни вибрации в районе врезки превышают допустимые значения, конструкция одного из опорных узлов не соответствует проекту.

Даны рекомендации по предупреждению образования усталостных трещин в подобных конструкциях трубопроводов.

Ключевые слова: трещина, трубопровод, усталость, врезка, исследование, меры.

усталостный трещина трубопровод сварной

При эксплуатации технологического трубопровода одной из установок газоперерабатывающего завода, находящегося в эксплуатации более 30 лет, в околошовной зоне сварного шва узла врезки 0168,3x7,11 мм в магистраль 0219,1x7,04 мм (далее врезка) обнаружена трещина протяженностью 88 мм (рисунок 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Оощин вид врезки с расположением дефекта: 1- Магистраль 0219,1 мм; 2 - врезка 0168,3 мы; 3 -- трещина.

С целью выяснения причин и характера появления трещины проведен комплекс исследований, включающий проведение визуально-измерительного контроля по [1]-[3], магнитопорошкового контроля по [4], металлографических и фрактографических исследований по [5]-[9], измерение твердости и микротвердости основного металла элементов врезки, зоны термического влияния и сварного шва по [10]-[11 ].

Для проведения магнитопорошкового контроля с целью обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов (трещины различного происхождения, волосовины, закаты и другие дефекты шириной раскрытия несколько мкм) был вырезан участок магистрали с врезкой.

По результатам магнитопорошкового контроля был обнаружен трещиноподобный дефект протяженностью 88 мм с наружной стороны и 75 мм - с внутренней (рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема вырезки фрагментов врезки для проведения исследования приведена на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Схема вырезки фрагментов врезки для дальнейших исследований (вид изнутри): 1- магистраль 0219Л мм; 2 - врезка 0168,3 мм; 3 - исследуемый фрагмент врезки; 4 - темшгета №1

Для проведения фрактографического анализа поверхности излома фрагмент врезки разделили по линии трещины на две части (рисунок 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При детальном изучении поверхности излома (рисунок 5) было установлено, что характер разрушения хрупкий, излом зернистый, кристаллический. Волокнистая часть излома незначительна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На поверхностях разрушения имеется несколько характерных зон отличающихся по цвету и структуре металла. С наружной стороны оболочки магистрали вглубь металла распространяется зона темно-бурого цвета с крупнокристаллической структурой на глубину 4 мм (далее зона «А»). Протяженность зоны «А»65 мм. Зона «Б» характеризуется светло-бурым цветом и мелкокристаллической структурой. Эта зона является зоной развития трещины до сквозного дефекта. Также на поверхности излома имеется зона искусственного долома, которая образовалась вследствие разделения фрагмента врезки вручную.

На поверхности излома в зоне «А» образовались усталостные бороздки, так называемые следы ступенчатого роста (страгивания и остановки) трещины (рисунок 6).

Интервалы между бороздками, как правило, увеличиваются по мере роста трещины (явно видно на фрагменте на рисунке 6). Такие бороздки образуются при длительном (ступенчатом) развитии трещины. В соответствии с основами механики усталостного разрушения было установлено, что разрушение металла имеет усталостный характер и имеет начало с поверхности оболочки магистрали.

Зона «А» но толщине со множеством продольных бороздок усталостного развития трещины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 -- Изображение усталостных оороздок в зоне «А» на поверхности изломаметалла: 1 - зона «А»: 2 - зона «Б»

Внешний вид темплета №1, вырезанного для проведения металлографических исследований, представлен на рисунке 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 - Внешний внд темплета №1 сварного шва узла врезки 1- магистраль 0219Л мм; 2 - врезка 01бЕ:3 мм

После подготовки шлифа проводилось его травление 3% -ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте с последующим анализом микроструктур. На рисунке 8 хорошо видны границы сварного шва: I- основной металл, II- зона термического влияния (ЗТВ), III- центральная часть сварного шва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок Ј - Теміьтет №1 с обозначением границ сварного шва (после травления): I- основной металл, Н- зона термического влияния (ЗТВ), III- центральная часть сварного шва.

Вершина трещины после травления показана на рисунке 9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По результатам проведенного металлографического анализа определено, что микроструктура основного металла и зон термического влияния представленного фрагмента мелкозернистая феррито-перлитная, балл зерна 10,11, соотношение перлита и феррита оценено 8,9 баллом; микроструктура сварного шва крупнозернистая ферритная, балл зерна 8,9, соотношение перлита и феррита оценено 9 баллом.

Измерение микротвердости проводилось на поверхности микрошлифа темплета №1, расположение точек измерения микротвердости показано на рисунке 10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отпечатки №№1,2,18,22 соответствуют основному металлу, №№3,5,15,17 - переходной зоне, №№6,14 - сварному шву.

По результатам измерения микротвердости определено, что микротвердость основного металла составляет 254,266HVo,1; переходной зоны - 221,236HVo,1; сварного шва - 170,185HVo,1.

Схема расположения точек замера твердости представлена на рисунке 11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По результатам измерения твердости определено, что твердость основного металла составляет 149,156НВ; переходной зоны - 161,166НВ; сварного шва - 170,172НВ.

В рамках исследования рассмотрены результаты проведенного ранее вибродиагностического обследования трубопровода.

Допустимые значения амплитуд вибрации согласно [12 ]представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Величины измеренных в районе узла врезки уровней вибрации приведены в таблице 2.

Таблица 2

Уровень вибрации технологического трубопровода соответствуют оценке «Трубующий исправления, реконструкции системы». Также установлено, что существующая опора в районе узла врезки не соответствуют проекту.

Результаты проведенных исследований показали, что:

1. в околошовной зоне узла врезки в металле оболочки магистрали имеется трещиноподобный дефект протяженностью 88 мм с наружной стороны и 75 мм - с внутренней;

2. на поверхностях разрушения имеется несколько характерных зон отличающихся по цвету и структуре металла;

3. на поверхностях излома отчетливо проявляются характерные усталостные бороздки, образовавшиеся при длительном (ступенчатом) развитии трещины;

4. разрушение металла имеет усталостный характер и имеет начало с наружной поверхности оболочки магистрали;

5. микроструктура основного металла трубы мелкозернистая феррито-перлитная, балл 10-11;

6. микроструктура сварного шва крупнозернистая ферритная, балл зерна 8,9;

7. неметаллические включения отсутствуют;

8. ширина раскрытия устья трещины не более 7 мкм;

9. дефекты микроструктуры не выявлены;

10. основной металл имеет твердость 149,156НВ; зона термического влияния имеет твердость 161,166НВ; сварной шов имеет твердость 170,172НВ.

11. уровни вибрации превышают допустимые значения.

На основе анализа результатов проведенных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Образование и развитие трещины произошло в околошовной зоне по основному металлу магистрали в области сопряжения с боковой образующей ответвления.

2. Ориентация трещины: на поверхности магистрали - практически вдоль образующей магистрали по касательной к кромке сварного шва; по толщине - снаружи от кромки сварного шва до внутренней поверхности по основному металлу в радиальном направлении.

3. Характер строения поверхностей (берегов) трещины показывает, что трещина является усталостной, зарождение трещины произошло на наружной поверхности магистрали в вершине конструктивного концентратора напряжений - в месте сопряжения наплавленного металла сварного шва и поверхности оболочки магистрали, распространение трещины к внутренней поверхности магистрали до образования сквозной трещины происходило ступенчато, т.е. постепенно.

4. Ориентация трещины по касательной к кромке сварного шва и, практически, перпендикулярно кольцевым напряжениям в стенке магистрали показывает, что наиболее вероятной причиной ее зарождения и развития явились колебания кольцевых циклических напряжений в стенке магистрали.

5. Анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода показывает, что:

о наиболее нагруженным участком узла врезки от действия статических нагрузок является область пересечения образующих оболочек магистрали и ответвления с углом сварного соединения 90°;

о место возникновения трещины узла врезки не является ее наиболее нагруженным участком от действия статических нагрузок.

6. Анализ информации о конструкции и условиях эксплуатации показывает, что при демонтаже присоединенных к трубопроводу теплообменников и демонтаже опор трубопровода возникают непроектные нагрузки и воздействия. При исследовании следов и последствий влияния каких- либо непроектных нагрузок и воздействий на узел врезки, могущих привести к имевшему месту усталостному растрескиванию, не выявлено.

7. Уровень вибрации превышает допустимые значение. Требуется проведение реконструкции существующих опор.

На основе полученных результатов исследований в целях предупреждения подобного растрескивания трубопроводов в дальнейшем рекомендуется в плановом порядке произвести замену аналогичных врезок трубопроводов на тройники и усилить систему конструкции существующих опор трубопровода.

Список литературы

1. ГОСТ 24521-80 «Контроль неразрушающий оптический. Термины и определения».

2. РД 03-606-03 «Инструкция по визуальному и измерительному контролю».

3. ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод».

4. ГОСТ 7564-73 « Сталь. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов механических и технологических испытаний».

5. ГОСТ 1778-70 «Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений».

6. ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна», ГОСТ 823356 «Сталь. Эталоны микроструктуры».

7. ГОСТ 10243-75 «Сталь. Метод испытаний и оценки макроструктуры».

8. ГОСТ 10243-75 «Металлы. Масштабы изображения на фотоснимках при металлографические методах исследования».

9. ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю».

10. ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвёрдости вдавливанием алмазных наконечников».

11. СА 03-003-07. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов.

12. СТО Газпром 2-2.3-324-2009 "Диагностическое виброобследование технологических трубопроводов компрессорных цехов с центробежными нагнетателями. Нормы оценки и методы работ".

13. Фрактография и атлас фрактограмм.

Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, К.Г. Пачурин, Г.В. Пименов. Технология комплексного исследования разрушения деформированных металлов и сплавов в разных условиях нагружения

Размещено на Allbest.ru