Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University436Technical SciencesТехнические наукиTHE INFLUENCE OF THERMAL CYCLIC TREATMENT ON THE SERVICE DURABILITY OF WELDED ELEMENTS WITH SOFT INTERLAYERВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С МЯГКИМИ ПРОСЛОЙКАМИDinmukhametovaLyudmila SergeevnaДиньмухаметоваЛюдмила Сергеевна
Russian Federation

candidate of technical sciences, head of the laboratories

кандидат технических наук, заведующий лабораториями

info@orsksamgups.ruPoyarkovaEkaterina VasilievnaПоярковаЕкатерина Васильевна
Russian Federation

candidate of technical sciences, Associate Professor, assistant professor of the department «Mechanical Engineering»

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Машиноведение»

sopromosu@rambler.ruOrsk Branch of Samara State University of Railroads, OrskОрский филиал Самарского государственного университета путей сообщения, ОрскOrenburg State University, OrenburgОренбургский государственный университет, Оренбург300620152-136410507202205072022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/436

The authors studied the influence of structural and mechanical heterogeneity of welded joints on bearing capacity characteristics of high-strength steels of K52 (09G2S and 17G1SU brands), K56 (09G2FB), K66 (10HSND) and K70 (10G2FBYU) grades. The authors identified the topography of mechanical heterogeneity of welded elements having soft interlayers in the welded seam area and (or) the near-weld area, the range of thickness ratio of which varies from 0.6 to 0.8. It is proved that the soft interlayers in the welded joints cause the reduction of strength index up to 30%, and the specific fracture work up to 50%. The influence of mechanical heterogeneity on the resistance to breakage in the result of reaction of aggressive corrosive petroleum products was estimated on the example of environmentat tests of welded elements of connection units. The study showed the corrosion velocity increase and the substantial reduction of plasticity index for the soft interlayer metal (near-weld area) in comparison with the base metal during the whole lifetime.

The significant decline of parameters of fracture toughness during the operating time, which is especially intensively manifested during the first three years of operation, was revealed. The authors estimated the influence of thermal cyclic treatment on the mechanical heterogeneity and the indicators of fracture resistance of welded elements. The quantitative assessment of the influence of thermal treatment on the survivability of welded structure elements as the ability to resist destruction in the presence of damages was fulfilled. The analysis of test results for static and cyclic crack resistance allowed to determine the limiting size of damages and residual life of welded elements, as well as to analyze their changes after the thermal treatment. The transformation of the strain-stress state nature during the thermal cyclic treatment is shown.

Исследовано влияние структурно-механической неоднородности сварных соединений на характеристики несущей способности сталей повышенной прочности классов К52 (марок 09Г2С и 17Г1СУ), К56 (09Г2ФБ), К66 (10ХСНД) и К70 (10Г2ФБЮ). Определена топография механической неоднородности сварных элементов при наличии в них мягких прослоек в области шва и (или) околошовной зоны, диапазон относительной толщины которых варьируется от 0,6 до 0,8. Доказано, что мягкие прослойки в сварных соединениях вызывают снижение показателей прочности до 30 %, а удельной работы разрушения до 50 %. На примере натурных испытаний сварных элементов штуцерных узлов оценено влияние механической неоднородности на сопротивление разрушению при воздействии коррозионно-активных нефтепродуктов. Показано повышение скорости коррозии и значительное снижение показателей пластичности для металла мягкой прослойки (околошовной зоны) по сравнению с основным металлом на всем сроке эксплуатации.

Также выявлено существенное снижение показателей вязкости разрушения по мере наработки, которое особенно интенсивно проявлялось в течение первых трех лет эксплуатации. Оценено воздействие термоциклической обработки на механическую неоднородность и показатели сопротивления разрушению сварных элементов. Выполнена количественная оценка влияния термической обработки на живучесть сварных элементов конструкций как способность противостоять разрушению в присутствии повреждений. Анализ результатов испытаний на статическую и циклическую трещиностойкость позволил определить предельные размеры повреждений и остаточный ресурс сварных элементов, а также проанализировать их изменение после термообработки. Показана трансформация характера напряженно-деформированного состояния при проведении термоциклической обработки.

welded jointshigh-strength steelmechanical heterogeneitycorrosionthermal cyclic treatmentсварные соединениястали повышенной прочностимеханическая неоднородностькоррозиятермоциклическая обработкаVinokurov V.A., Kurkin S.A., Nikolaev G.A. Svarnie konstruktsii. Mekhanika razrusheniya i kriterii rabotosposobnosti [Welded structures. Fracture mechanics and performance standards]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1996, 576 p.Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. М.: Машиностроение, 1996. 576 с.Makhutov N.A., Mitrofanov N.V., Barishov S.N. Evaluation of the resistance to breakage and life extension of safe operation of equipment used in Н2S-bearing environment. Materiali V mezhdunar. nauch. konf. “Prochnost i razrushenie materialov i konstruktsiy”. Orenburg, 2008, vol. 2, pp. 5–21.Махутов Н.А., Митрофанов Н.В., Барышов С.Н. Оценка сопротивления разрушению и продление ресурса безопасной эксплуатации оборудования, эксплуатируемого в Н2S-содержащих средах // Прочность и разрушение материалов и конструкций: материалы V междунар. науч. конф. Т. 2. Оренбург, 2008. С. 5–21.Shakhmatov M.V., Shakhmatov D.M. Prochnost mekhanicheski neodnorodnikh svarnikh soedineniy [Strength of mechanically heterogeneous welded joints]. Chelyabinsk, Svarka i Kontrol publ., 2009, 223 p.Шахматов М.В., Шахматов Д.М. Прочность механически неоднородных сварных соединений. Челябинск: Сварка и Контроль, 2009. 223 с.Serensen S.V., Kogaev V.P., Shneyderovich N.M. Nesushchaya sposobnost i raschet detaley mashin na prochnost [Bearing capacity and calculation of machine parts for strength]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1975, 488 p.Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Н.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.Dinmukhametova L.S., Poyarkova E.V. Influence of mechanical heterogeneity on limiting bearing ability of welded connections from steels of the raised durability. Nauchno-tekhnichesky vestnik Povolzhya, 2011, no. 6, pp. 160–163.Диньмухаметова Л.С., Пояркова Е.В. Влияние механической неоднородности на предельную несущую способность сварных соединений из сталей повышенной прочности // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 6. С. 160–163.Shakhmatov D.M., Shakhmatov M.V., Usmanova E.A. Aspects of determining the strength of mechanically heterogeneous welded joints basing on the results of testing of cut samples. Svarka i diagnostika, 2012, no. 2, pp. 9–12.Шахматов Д.М., Шахматов М.В., Усманова Е.А. Особенности определения прочности механически неоднородных сварных соединений по результатам испытания вырезаемых из них образцов // Сварка и диагностика. 2012. № 2. С. 9–12.GOST 6996–66. Welded joints. Methods of determining of mechanical properties. Moscow, Standartinform publ., 2007, 66 p. (In Russian).ГОСТ 6996–66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. М.: Стандартинформ, 2007. 66 с.GOST 14771–76. Arc welding in shielding gas. Welded joints. Basic types, structural elements and dimensions. Moscow, Standartinform publ., 2007, 37 p.ГОСТ 14771–76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Стандартинформ, 2007. 37 с.GOST 25506–85. Calculations and strength tests. Moscow, Standartinform publ., 1986, 66 p.ГОСТ 25506–85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Стандартинформ, 1986. 66 с.Fedyukin V.K., Smagorinsky M.E. Termotsiklicheskaya obrabotka metallov i detaley mashin [Thermal cyclic treatment of metals and machine parts]. Leningrad, Mashinostroenie publ., 1989, 255 p.Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 255 с.Kuzeev I.R., Poyarkova E.V., Dinmukhametova L.S. The evolution of gradient of structural and mechanical conditions of welded connections under thermocyclic influence. Elektronniy nauchniy zhurnal Neftegazovoe delo, 2011, no. 1, pp. 254–267.Кузеев И.Р., Пояркова Е.В., Диньмухаметова Л.С. Эволюция градиентных структурно-механических состояний сварных соединений при термоциклическом воздействии // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2011. № 1. С. 254–267.Makhutov N.A. Konstruktsionnaya prochnost, resurs i tekhnogennaya bezopastoct. Ch. 2. Obosnovanie resursa i bezopasnosti [Structural strength, resource and technogenic safety. Part 2. Resource and safety argumentation]. Novosibirsk, Nauka publ., 2005, 610 p.Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безо-пасность. Ч. 2. Обоснование ресурса и безопасности. Новосибирск: Наука, 2005. 610 с.Makhutov N.A. Konstruktsionnaya prochnost, resurs i tekhnogennaya bezopastoct. Ch. 1. Kriterii prochnosti i resursa [Structural strength, resource and technogenic safety. Part 1. Strength and safety criteria]. Novosibirsk, Nauka publ., 2005, 493 p.Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безо-пасность. Ч. 1. Критерии прочности и ресурса. Новосибирск: Наука, 2005. 493 с.Dinmukhametova L.S., Poyarkova E.V. The application of magnetic methods at the quality control of welded designs made from increased durability steel. Elektronniy nauchniy zhurnal Neftegazovoe delo, 2012, no. 4, pp. 352–360.Диньмухаметова Л.С., Пояркова Е.В. Применение магнитных методов при контроле качества сварных конструкций из сталей повышенной прочности // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2012. № 4. С. 352–360.Morozov E.M., Nikishkov G.P. Metod konechnikh elementov v mekhanike razrusheniya [Finite elements method in fracture mechanics]. Moscow, Nauka publ., 1980, 354 p.Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. 354 с.Ponomarenko D.V., Syukasev G.M. Mekhanizm vozniknoveniya svarochnikh napryazheniy i deformatsiy [Mechanism of origination of welding stresses and deformations]. Moscow, UGTU-UPI publ., 2010, 46 p.Пономаренко Д.В., Сюкасев Г.М. Механизм возникновения сварочных напряжений и деформаций. М.: УГТУ-УПИ, 2010. 46 с.Dinmukhametova L.S., Poyarkova E.V. The application of magnetic methods at the quality control of welded designs made from increased durability steel. Elektronniy nauchniy zhurnal Neftegazovoe delo, 2012, no. 4, pp. 361–369.Dinmukhametova L.S., Poyarkova E.V. The application of magnetic methods at the quality control of welded designs made from increased durability steel // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2012. № 4. С. 361–369.Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu analiza riska opasnikh proizvodstvennikh obyektov [Technical tips for analysis of risk of hazardous industrial facilities]. RD 03-418-01. Moscow, Prombezopasnost publ., 2001, 35 p.Методические указания по проведению анализа риска опасных произ-водственных объектов: РД 03-418-01. М.: Промбезопасность, 2001. 35 с.Steklov O.I. Welded structures resource monitoring and forecast with account of their deterioration and corrosion. Svarochnoe proizvodstvo, 1997, no. 1, pp. 16–22.Стеклов О.И. Мониторинг и прогноз ресурса сварных конструкций с учетом их старения и коррозии // Сварочное производство. 1997. № 1. С. 16–22.Kuzeev I.R., Dinmukhametova L.S., Poyarkova E.V. Forecasting the operation safety of welded designs in the conditions of oilcontaining environments. Elektronniy nauchniy zhurnal Neftegazovoe delo, 2011, no. 6, pp. 254–262.Кузеев И. Р., Диньмухаметова Л.С., Пояркова Е. В. Прогнозирование безопасности эксплуатации сварных конструкций в условиях нефтесодержащих сред // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2011. № 6. С. 254–262.Metodika otsenki potentsialnoy opasnosti i ostatochnogo resursa truboprovodov, imeyushchikh korrozionnie porazheniya i nesploshnosti v svarnikh shvakh i osnovnom metalle, viyavlennie pri vnutritrubnoy defektoskopii [Methods of evaluation of potential hazard and remaining lifetime of pipes having corrosion damages and discontinuity flaws in weld seams and basis metal discovered by smart pigging]. STO 0-13-28-2006. Moscow, VNIIneftemash publ., 2006, 65 p.Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии: СТО 0-13-28-2006. М.: ВНИИнефтемаш, 2006. 65 с.Kurkin S.A., Lavryakov Yu.Yu. Evaluation of working capacity of butt welded joints in case of part-through flaws. Zavodskaya laboratoriya, 1981, no. 4, pp. 66–70.Куркин С.А., Лавряков Ю.Ю. Оценка работоспособности стыковых сварных соединений при наличии несквозных дефектов // Заводская лаборатория. 1981. № 4. С. 66–70.