2.5. Сопротивление сварных соединений распространению разрушений
При оценке работоспособности сварных соединений магистральных газопроводов используют энергетические и деформационные характеристики, получаемые при испытаниях образцов DWTT и натурных испытаниях полноразмерных труб. Работу распространения Ар как энергетическую характеристику сопротивления движению трещины определяют по результатам испытаний полнотолщинных образцов DWTT, используя динамическую диаграмму изгиба (см. рис. 53, в) из соотношения Ар = Ап — А3, где Ап — поглощенная энергия при разрушении образца, замеренная по силоизмерителю копра; А3 — вычисляется по диаграмме изгиба.
В инженерной практике для оценки сопротивления сварных соединений движению трещины используют процент волокна в изломе (В, %) и скорость распространения трещины v. Процент волокна в изломе позволяет давать сравнительную оценку способности металла сопротивляться распространению трещины.
Процент волокна определяют в изломах образцов DWTT, испытанных в заданном интервале температур. На рис. 55 показана зависимость сопротивления распространению разрушения от количества волокна в изломах образцов DWTT из основного металла труб различных сталей. В области В = 100 % зависимость Ар(В) имеет большие неопределенности. Например для стали класса Х-70 значения Ар при В = 100 % изменяются в пределах от 2,6 до 5,8 кДж. При В < 90 % между работой, затраченной на распространение трещины, и площадью волокнистых участков в изломе наблюдается пропорциональная зависимость.
Аналогичная закономерность установлена и при испытании образцов DWTT с надрезом по металлу шва (рис. 56, а) и по зоне термического влияния (рис. 56, б). В этом случае пропорциональная зависимость Ар (В) наблюдается при В = 80 %.
Рис. 55. Зависимость работы распределения трещины от количества волокнистой составляющей в изломах образцов DWTT трубы диаметром 1420 мм из сталей контролируемой прокатки: Сталь: 1 – 10Г2Ф, 2 – 10Г2ФБ, 3 – Х-70
Рис. 56. Зависимость работы распределения трещины от количества волокна в изломе образцов DWTT из сварных соединений труб 1420х15,7 мм (сталь класса Х-70) с надрезом по зоне термического влияния (а) по центру шва (б): 1-3 различные варианты режимов сварки
На рис. 57 представлена зависимость сопротивления распространению разрушения от температуры испытания образцов DWTT основного металла и сварного соединения труб 1420X17,5 мм. Резкое снижение сопротивления распространению разрушения в образцах (процента волокна в изломе) из основного металла наступает при Т = -20 °С, зоны термического влияния —при Т = -10 °С, а металла шва — в интервале от 20 до 0° С. Процент волокна в изломе используется и как характеристика для определения критической температуры Тхр перехода основного металла или сварного соединения в хрупкое состояние. Критическую температуру хрупкости на образцах DWTT для газопроводов диаметром 1420 мм при давлении 7,5 МПа принято определять при В = 80 % и обозначать соответственно Т80
Рис. 57. Зависимость работы распространения разрушения от температуры испытания поперечных образцов DWTT из трубы 1420х17,5 мм (сталь10Г2Ф): 1 – основной металл, 2 – зона термического влияния, 3 – металл шва
Скорость распространения трещины также характеризует сопротивление разрушению металла и сварных соединений газопроводов. Хрупким разрушениям соответствуют высокие скорости распространения — обычно более 500 — 600 м/с, а вязким — 100 — 300 м/с.
Изложенные методики определения характеристик сварных соединений труб позволяют оценить их работоспособность на стадии зарождения и распространения разрушения в газопроводах. Методы определения характеристик в ряде случаев учитывают естественную концентрацию напряжений и деформаций в трубе. Как отмечалось выше, в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов могут возникать циклические нагрузки. Методика исследования влияния дефектов в сварных соединениях в условиях малоцикловых нагружений подробно изложена в работе [14]. Аналогично установкам двухосного растяжения, описанным в упомянутой работе, во ВНИИСТе создается мощный пульсатор, позволяющий осуществлять циклическое нагружение внутренним гидравлическим давлением полноразмерной трубы.