Особенности старения металла трубопроводов

Старением называют изменение свойств сплавов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение может происходить при температуре 20°С (естественное старение) или при нагреве (искусственное старение).

Различают два вида старения: термическое, протекающее в закаленных сплавах, и деформационное (механическое), происходящее в сплавах, пластически деформированных при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Термическому старению подвергают сплавы, компоненты которых обладают ограниченной переменной растворимостью в твердом состоянии. Деформационное старение не связано с диаграммой состояния сплава. К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными. В одних случаях старение является положительным, и его используют при термической обработке алюминиевых, магниевых, титановых и некоторых других цветных сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение); для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими, прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение). В других случаях старение является отрицательным: резкое снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости в результате старения (особенно деформационного) могут явиться причиной разрушения конструкции.

Деформационному старению подвержена сталь, пластически деформированная при температуре ниже температуры рекристаллизации. Деформационное старение объясняется теорией дислокаций. При холодной пластической деформации возрастает плотность дислокаций, увеличивающаяся с повышением степени деформации. При старении атомы азота и углерода, находящиеся в a-растворе, перемещаются к дислокациям, образуя вокруг них скопления, называемые облаками (атмосферами) Коттрелла (Облаком (атмосферой) Коттрелла называется скопление у дислокаций примесных атомов внедрения). Эти скопления атомов блокируют дислокации, затрудняют их перемещение при пластической деформации. Поэтому твердость и прочность стали повышаются, а пластичность понижается.

Старение в низкоуглеродистой стали проявляется сразу, если ее деформируют при температуре 200–300 °С.

На деформационное старение в основном влияет азот. Медь и никель увеличивают интенсивность деформационного старения, а алюминий и кремний значительно снижают его эффект; хром, ванадий и титан при определенных концентрациях исключают деформационное старение.

Изменение механических свойств при деформационном старении зависит от температуры, степени и способа деформации и длительности старения. При естественном старении процесс идет медленно и заканчивается через 15 суток с максимальным упрочнением. При искусственном деформационном старении с повышением температуры и выдержки твердость снижается. На склонность стали к деформационному старению в наибольшей степени влияет деформация сжатием при обжатии до 10%. Из-за неблагоприятного влияния деформационного старения на свойства стали для некоторых низкоуглеродистых сталей предусмотрено специальное испытание на склонность к деформационному старению.

Особенности старения металла трубопроводов. В отечественной и зарубежной литературе различают следующие виды старения строительных сталей: естественное; старение после холодного деформирования; старение, вызванное термическим циклом при сварке.

Процесс естественного старения стали подземных трубопроводов протекает очень медленно и длится много лет. При этом происходят изменения механических свойств, а также коррозионной стойкости, магнитной проницаемости, электропроводности и пр.

Интенсивность старения зависит от структуры стали, содержащихся в ней примесей и температуры. Повышенные эксплуатационные и остаточные напряжения в оболочке трубопровода вызывают склонность стали к старению. Кипящие стали, имеющие более грубую структуру и содержащие большее количество примесей, в большей степени подвержены старению.

Для снижения склонности трубопроводных сталей к старению целесообразно связывать атомы углерода и азота в соединения, не подвергающиеся распаду в присутствии дислокаций. К таким соединениям относятся, в частности, нитриды алюминия и ванадия. Для связывания азота содержание алюминия должно быть не менее 0,02%. Повышение стойкости спокойной стали к старению можно получить с помощью аустенитизации. С этой целью сталь необходимо подвергнуть термической обработке (нормализации или улучшению).

Общий характер изменения механических свойств стали в результате естественного старения выглядит следующим образом:

· повышаются пределы текучести и прочности при растяжении;

· уменьшается относительное удлинение и сужение;

· повышается твердость;

· снижается ударная вязкость и происходит охрупчивание стали.

Исследования зависимости между нагрузкой и относительным удлинением образцов горячекатаной низколегированной стали 17Г2СФ, естественно состарившейся после 30 лет эксплуатации газопровода и из современной поставки, показали, что отличие наблюдается лишь в величине модулей упругости образцов, численное значение которых определяется тангенсом наклона касательной к диаграмме напряжений.

Несколько по-другому проявляется старение стали с течением времени в области сварных швов. Термический цикл сварочного процесса оказывает весьма неблагоприятное влияние на прочностные свойства стали газопровода, эксплуатирующегося длительное время. Повышение температуры стали в околошовных областях способствует еще более интенсивному её старению и охрупчиванию. Большое значение при этом имеет химический состав стали и, в частности, допустимое содержание углерода, серы и фосфора.

Дата добавления: 2015-07-08