Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Механические свойства сплавов Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:  статические, циклические и ударные нагрузки;  низкие и высокие температуры;  контакт с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную проч- ность. Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факто- ров, но и воздействия на него рабочей среды и температуры. Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства ма- териала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.) Температурный диапазон от -269 до 2000оС. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость. Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность мате- риала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество из- готовления детали. Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства. Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:  прочности;  надёжности;  долговечности. Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σв) или предел текучести (σ0,2, σт) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.2.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2.2, 2.3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3). Рис.2.1 Испытание на растяжение Рис.2.2 Измерение твёрдости по Бринеллю При циклических нагрузках: предел выносливости σR (при симметричном круговом изгибе σ-1). Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали. Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций: εупр = σупр/Е, где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы. Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σупр и низкий модуль упругости Е. Рис.2.3 Измерение твёрдости по Роквеллу Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:  удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);  удельной жёсткостью Е/ ρg. Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах. Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации. Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу). Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:  достаточной пластичностью δ, % и ψ, %;  ударной вязкостью КСU (МДж/м2) рис.2.4, рис.2.5 Рис. 2.4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости Рис.2.5 Испытания на ударную вязкость Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:  концентраторы напряжений (надрезы);  понижение температуры;  динамические нагрузки;  увеличение размеров деталей (масштабный фактор). Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость. Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения. Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине: σуmах = σср 2√ l/ r Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и ост- рее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надре- зам. Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К). К = σср √ α π lкр , (МПа х мм1/2 ) где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещи- ны. К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала. Для оценки надёжности материала используют также параметры:  ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м2);  температурный порог хладноломкости Т50 . Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности. Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин). Порог хладноломкости Т50 - характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.2.6). Т50 – обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину. Рис.2.6 Температура Тхл. (Т50) порог хладноломкости Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию посте- пенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий. Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:  развитие процессов усталости;  изнашивание;  ползучести;  коррозии;  радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повре- ждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности матери- ала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения. Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определя- ется сопротивлением материала усталостным разрушениям (цикличе- ской долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойко- стью). Циклическая долговечность характеризует работоспособность мате- риала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его пре- дельными значениями σmaх и σmin в течение периода Т. Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэф- фициентом асимметрии цикла R = σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = (σmaх - σmin) /2; средним напряжением цикла σm = (σmaх + σmin) /2. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей- ствием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образо- ванию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свой- ства противостоять усталости – выносливостью (рис.2.7). Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей: 1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статиче- ской нагрузке; 2. Разрушение начинается на поверхности локально; 3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:  очаг зарождения трещины;  зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.  зону долома. О способности материала работать в условиях циклического нагру- жения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагру- жения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вы- зывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливо- сти σR (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1. Ри.2.7 Испытание на выносливость Кривые усталости позволяют определить следующие критерии вы- носливости:  циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;  циклическую долговечность – число циклов (часов), кото- рое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие корро- зионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, не- металлические включения и др.). Дополнительные критерии выносливости: 1. живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обес- печить безаварийную работу. 2. износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ – про- цесс постепенного разрушения поверхностных слоёв матери- ала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:  начальный, период приработки;  период установившегося (нормального) износа;  период катастрофического износа. Материал, устой- чивый к изнашиванию в одних условиях, может ката- строфически быстро разрушаться в других. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. 3. ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах. Таким образом, работоспособность материала детали в условиях экс- плуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности: 1. критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей; 2. модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость; 3. пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т50, кото- рые оценивают надёжность материала при эксплуатации; 4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала. Методы повышения конструкционной прочности 1. Технологические. 2. Металлургические. 3. Конструкторские. Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными мето- дами основано на ряде структурных факторов:  увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому де- формированию;  создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная осо- бенность этого фактора упрочнения состоит в том, что из- мельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вто- ричной фазы.  образование полей упругих напряжений искажающих кри- сталлическую решётку. Такие поля образуются вблизи то- чечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, глав- ным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения. Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязко- сти и тем самым надёжности. Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочно- сти обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёж- ность материала. Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким от- пуском можно получить при содержании 0,4%С ϬB ~ 2400МПа, при 0,6%С ϬB ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны. Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется ле- гированием и термической обработкой, особенно при использовании высоко- скоростных способов нагрева – индукционного и лазерного. Для повышения циклической прочности и износостойкости важно за- труднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологиче- скими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкат- кой роликами). Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений). Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электроннолучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумноиндукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком. Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочно сти высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирова- ния остаточных напряжений сжатия. Конструкционные стали унивесального применения 5.1. Рессорно-пружинные стали (рис.5.1) а б Рис.5.1 Двухрядная пружинная рессора (а), листовая замкнутая рессора (б) Стали этой группы должны обладать высоким пределом упругости (те- кучести). Для получения высоких упругих характеристик рессорнопружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском (рис.5.2) для получения в структуре троостита (рис.5.3). Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легирован- ные кремнием, хромом и ванадием. Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Рессорнопружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает вы- сокие упругие свойства. Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пла- стичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация. Рис.5.2 Режимы ТО рессорно-пружинных сталей: а) закалка+средний отпуск на троостит; б) изотермическая закалка на нижний бейнит Рис.5.3 Структура троостит Углеродистые стали используются для изготовления пружин неболь- шого сечения, работающих при невысоких напряжениях. Чаще для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких ста- лях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик. Условный предел текучести (σ0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относи- тельное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условно- му пределу текучести, составляет 42–44 МПа. К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезугле- роживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей об- работки, приводящих к снижению предела выносливости (рис.5.4). В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали допол- нительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом. Рис.5.4 Обезуглероженный поверхностный слой рессорной стали в процессе горячей обработки Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изго- товления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявля- ют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезугле- роживанию, приводящему к снижению предела выносливости. Рис.5.5 Усталостное разрушение пружин из сталей с низким пределом выносливости Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Не- достатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения. Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокали- ваемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответ- ственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чув- ствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забо- ины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости. Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескрем- нистые рессорно-пружинные стали. При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых ста- лей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями леги- рующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ва- надий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу. Для повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, ра- ботающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости. Конструкционная пружинная сталь 65Г получила наибольшее распро- странение в производстве упругих частей разных механизмов (рессор, пру- жин и шайб) благодаря дешевизне, повышенной твердости и упругости. Единственным недостатком, ограничивающим ее использование в приборо- строении, является невысокая усталостная прочность (менее 200.000 циклов). Сталь этой марки обладает твердостью в незакаленном виде 25 HRC, после закалки она возрастает до 61 HRC. Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентиро- ванной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшей- ся высоким степеням обжатия (70–90 %). Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас3 с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластин- чатого сорбита. Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2И2А: σв ≥ 1800 МПа; σ0,2 ≥ 1600 МПа; δ ≥ 5 %; ≥ 20 %. Их предел упругости составляет σ0,01=880…1150 МПа, а твердость — 38 48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентрато- рам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние ока- зывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости ста- лей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза. Справочные данные Рекомендуемый режим Марка Механические свойства стали термической обработки Ϭт, Ϭ в, δ,% ψ,% 2 кгс/мм кгс/мм2 ТоС за- Закалочная ТоС откалки среда пуска Не менее 65 840 Масло 480 80 100 10 35 70 830 » 480 85 105 9 30 75 820 » 480 90 110 9 30 85 820 » 480 100 115 8 30 60Г 840 » 480 80 100 8 30 65Г 830 Масло 480 80 100 8 30 70Г 830 » 480 85 105 7 25 55ГС 820 » 480 80 100 8 30 50С2 870 Масло или 460 110 120 6 30 вода 55С2 870 То же 460 120 130 6 30 55С2А 870 »» 460 120 130 6 30 60С2 870 Масло 460 120 130 6 25 60С2А 70С3А 50ХГ 50ХГА 55ХГР 50ХФА 50ХГФА 60С2ХФА 50ХСА 65С2ВА 60С2Н2А 60С2ХА 60СГА 870 860 840 840 830 850 850 850 850 850 880 870 860 » » » » » » » » » » » » » 420 460 440 440 450 520 520 410 520 420 420 420 460 140 160 110 120 125 110 120 170 120 170 160 160 140 Рис.5.6 Навивка пружин и готовая продукция Материалы для газонефтепроводов 160 180 130 130 140 130 130 190 135 190 175 180 160 6 6 7 7 5 8 6 5 6 5 6 5 6 20 25 35 35 30 35 35 20 30 20 20 20 25 Спиральношовные трубы для магистральных газонефтепроводов. Спиральношовные трубы большого диаметра стали использовать при строительстве трубопроводов высокого давления около 40 лет назад. В настоящее время спиральношовные трубы большого диаметра производятся практически во всех развитых странах. Качество их не вызывает сомнения, а также достаточно длительный срок эксплуатации трубопроводов из спираль- ношовных труб позволяет сделать вывод о высоком уровне их надежности на опасных производственных объектах – магистральных нефтегазопроводах. В настоящее время существуют два вида труб большого диаметра: прямошовные и спиральношовные (рис.5.14). Рис.5.14 Прямошовные и спиральношовные трубы Если начало применения прямошовных труб для строительства объек- тов газовой и нефтяной отраслей относится к середине XIX в., то спиральношовные трубы стали применяться как газонефтепроводные только с 60-х гг. прошлого столетия. Это объясняется неудовлетворительным качеством фор- мовки и сварки в то время. Лишь с введением двухсторонней электродуговой сварки под флюсом удалось получить высококачественное сварное соединение спиральношовной трубы, равноценное сварному соединению прямошов- ной. Улучшение технологии прокатки исходной заготовки, усовершенство- вание машин и механизмов, применение эффективных сварочных техноло- гий, а также использование современных методов и средств неразрушающего контроля позволили поднять статус спиральношовной трубы. Спиральношовные трубы не только являются эквивалентной заменой прямошовным, но и дополнительно имеют ряд преимуществ:  не требуется калибровочных процедур (холодное экспандирование или калибровка на вальцах);  механические свойства соответствуют показателям исходного металла, в то время как любое холодное экспандирование приводит к потере механических свойств, прежде всего пластичности и вязкости, поэто- му спиральношовные трубы более надежны;  при проведении гибки спиральношовных труб в полевых условиях, что является общепринятой мировой практикой, нет необходимости контролировать положение сварного шва;ориентация сварного шва и направления прокатки рулона в высшей степени благоприятны относительно главных действующих напряже- ний. Спиральношовные трубы подтвердили высокие эксплуатационные свойства, необходимые для высокопрочных нефтегазопроводов. Использу- ются также стандарты DIN 17172, TS 6047 и российский ГОСТ 20295. Оба завода обладают мощностями для нанесения широкого спектра защитных покрытий на эпоксидной, битумной, бетонной, полиэтиленовой основе в со- ответствии с требованиями нормативной документации и заказчиков (рис.5.15). Производительность каждого завода составляет 200 тыс. т/год. Трубы поставляются длиной от 6 до 24 м, наружные диаметры - от 219 до 3048 мм, толщины стенок - от 4 до 26 мм. Нефтегазопроводные трубы изго- тавливаются из горячекатаной рулонной стали групп прочности В, Х42-Х70 включительно (по API 5L) с использованием двухсторонней электродуговой сварки под флюсом. Рис.5.15 Магистральны трубы с различными защитными покрытиями Современная технология и оборудование позволяют производить высококачественные спиральношовные трубы большого диаметра для мощных газопроводов, трубы для обустройства газовых хранилищ, нефте- и нефте- продуктопроводов, и водопроводов. Более 95 % продукции производится из высокопрочных трубных сталей. Процесс производства спиральношовных включает две стадии:  формовку спиральношовной трубы с наложением технологического шва;  электродуговую сварку под флюсом рабочих швов (внутреннего и наружного) на отдельном сварочном агрегате. Указанной технологии присущи следующие преимущества:  высокая скорость формовки благодаря скоростной технологической сварке (до 12 м/мин);  улучшение геометрии труб (точности формовки) в формующем устройстве путем устранения препятствий со стороны электродуговой сварки под флюсом, которая производится отдельно;  стабильное качество труб за счет комплексной автоматизации техно- логии электродуговой сварки под флюсом и отсутствия влияния про- цесса формовки на сварочный процесс. Завод по изоляции труб, кото- рый обеспечивает высококачественное нанесение покрытий (наружно- го и внутреннего) на спиральношовные трубы в соответствии с требо- ваниями заказчика. Внутреннее покрытие не только гарантирует противокоррозионную защиту, но и снижает сопротивление потоку газа в магистральных газопроводах. Термическая обработка труб осуществляется по режиму:  закалка – нагрев до (920 ± 10) °С и охлаждение со скоростью не менее 70 °С/с;  отпуск – нагрев до (650 ± 20) °С и охлаждение в воде. После улучшающей термообработки (закалка плюс отпуск) микро- структура металла приобретает однородное строение по всему телу трубы. Основной металл, металл шва, зона термического влияния сварки становятся однородными по структуре. При этом устраняются различия в механических характеристиках элементов конструкции трубы, происходит одновременное повышение прочностных и вязкопластических характеристик металла. В процессе нагрева под закалку полностью устраняются внутренние напряже- ния в трубах, связанные с формовкой и сваркой, а напряжение от закалки устраняется последующим отпуском, измельчается зерно в стали, что поло- жительно сказывается на сопротивлении хрупкому разрушению. Улучшаю- щая термообработка позволяет получить более высокий показатель ударной вязкости основного металла и сварного соединения при низких температурах у труб из обычных низколегированных сталей (17Г1С, 17Г1С-У, 13ГС, 13Г1С-У), не прибегая, таким образом, к использованию более дорогостоя- щих сталей при строительстве трубопроводов в северных регионах. Термообработанные трубы обладают существенно более высокими пластиче- скими свойствами и показателями сопротивления ударным нагрузкам. При обсуждении недостатков спиральношовных труб всегда указыва- лось на большую протяженность сварных швов по сравнению с одношовны- ми прямошовными трубами. Однако благоприятное расположение сварных швов к направлению главных напряжений от внутреннего давления, что снижает напряжение в них на 30-40 %, улучшение структуры металла шва и зоны термического влияния при термообработке делают сварные соединения надежными. В практике трубопроводного строительства широко применяют- ся гнутые отводы, получаемые путем холодной гибки и с нагревом токами высокой частоты (рис.5.16). До недавнего времени для их изготовления ис- пользовались только прямошовные трубы. Возможность использования для этих целей спиральношовных труб появилась после проведения комплексных исследований и отработки технологии гнутья как за рубежом, так и в России. Рис.5.16 Гнутые отводы трубопроводов ОАО "ВНИИСТ" проделало большую работу по определению возмож- ности изготовления вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб производства ОАО "Волжский трубный завод". Испытания и исследо- вания гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ в ОАО "Трубодеталь" показали, что при гибки спиральношовных труб с индукцион- ным нагревом полностью выполняются все требования, изложенные в ТУ 102-488-95, и что эти отводы могут применяться при строительстве маги- стральных трубопроводов наряду с отводами, изготовленными из прямошов- ных труб. Полученные положительные результаты производства и испытаний гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ явились осно- ванием для разработки технических условий ТУ 146930-02-01297858-99 на изготовление вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб для нефтепроводов ОАО "АК "Транснефть", а также внесения в Инструкцию по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности PSI- 3132394958-2000 п. 2.1.3 о том, что спиральношовные трубы с заводской изоляцией, сделанные из рулона, допускается использовать для изготовления гнутых отводов и вставок кривых при строительстве магистральных газопро- водов. Анализ мирового опыта применения спиральношовных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов высокого давления показывает, что данный вид труб благодаря непрерывному совершенствованию техноло- гии формовки и сварки, улучшению металлургического качества трубной за- готовки (рулона, листа) соответствует высоким требованиям безопасности, предъявляемым к трубам для магистральных газонефтепроводов. Спираль- ношовные трубы даже с поперечным швом в предельных условиях сложного напряженного состояния удовлетворительно реализуют прочностные и пла- стические свойства как основного металла, так и спирального и поперечного швов и могут применяться для строительства магистральных нефтегазопро- водов. Сравнительные результаты по циклическим и статическим испытаниям прямошовных и спиральношовных труб (производства ВТЗ) показали:  при одинаковых, искусственно нанесенных дефектах сварного шва циклическая долговечность спиральношовной трубы в 2,7 раза выше, чем прямошовной;  статическая трещиностойкость спиральношовной трубы в 1,7 раза вы- ше, чем прямошовной. Таким образом, результаты многолетних аттестационных испытаний газонефтепроводных труб подтверждают, что спиральношовные трубы большого диаметра по работоспособности не уступают, а в ряде случаев и превосходят прямошовные трубы аналогичного сортамента. Марки стали для газонефтепроводов назначают в зависимости от их диаметров и температурных условий строительства (монтажа) и эксплуата- ции. По диаметру газонефтепроводов трубы условно подразделяют на трубы малых - менее 530 мм, средних - 530, 720 и 820 мм и больших диаметров - 1020, 1220 и 1420 мм. В зависимости от минимальных температур строитель- ства и эксплуатации трубы изготовляют в обычном и северном исполнениях. ТУ 1317A214A0147016A02. Трубы для газонефтепроводов хладостойкие и коррозионностойкие: отводы, переходы, тройники, заглушки из коррозионностойких и хладо- стойких марок стали: 20А, 20С, 20ФА, 13ХФА, 09ГСФ и др. Коррозионностойкой называют сталь, обладающую высокой химиче- ской стойкостью в агрессивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуг- леродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большо- го количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение по- лучили хромистые и хромоникелевые стали. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12 %. При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицательным. Сталь 20А Сталь 20А - высококачественная сталь, выплавляется преимущественно в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совер- шенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметалличе- ским включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а, следовательно, улучшение механических свойств. Сталь 20С Сталь 20С - подходит для изготовления труб повышенной стойкости к постоянным высоким температурам.Сталь 20С нашла широкое применение в промышленности за счет по- вышенной жаростойкости, жаропрочности, благодаря которым созданные из нее изделия могут функционировать в условиях агрессивных сред со стабильно высокой температурой в течение продолжительного периода. Сталь 13ХФА Сталь 13ХФА - конструкционная легированная сталь, применяется для изготовления трубных заготовок и труб бесшовных горячедеформированных нефтегазопроводных повышенной коррозионной стойкости и хладостойко- сти, предназначенных для использования в системах, транспортирующих газ, нефтегазопроводов, технологических промысловых трубопроводов, а также в системах поддержания пластового давления в условиях севера при темпера- туре окружающей среды от -60°С до +40°С, температурой транспортируемых сред от +5°С до +40°С и рабочим давлением до 7,4 МПа; бесшовные горяче- деформированные трубы повышенной коррозионной стойкости и хладостой- кости, с наружным диаметром от 89 до 426 мм класса прочности не менее К52. Сталь 20ФА Сталь 20ФА - конструкционная легированная сталь, отличается повы- шенной коррозионной стойкостью и хладостойкостью. Трубы, изготовленные из стали 20ФА, отличаются от нефтегазопровод- ных труб обычного исполнения повышенной хладостойкостью, повышенной стойкостью к общей язвенной коррозии, стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию и образованию водородных трещин. Сталь 09ГСФ Марка 09ГСФ - конструкционная легированная сталь повышенной кор- розионностойкой и хладостойкости. Сплав 09ГСФ используется для изготовления трубных заготовок и труб с высокой коррозионностойкостью и хладостойкостью. Обычно, магистраль- ные трубы 09ГСФ являются трубами общего назначения, их давление при работе может достигать отметки 12,5 МПа, а применяются как правило для транспортировки топлива. Они успешно используются в условиях крайнего севера и могут выдерживать критические отрицательные температурные ко- лебания. Коррозионностойкие высокохромистые стали, легированные никелем, титаном, хромом, ниобием и другими элементами предназначены для работы в средах разной агрессивности. Для слабо агрессивных сред используются стали 08Х13, 12Х13, 20Х13, 25Х13Н2 (рис.5.17). Рис.5.17 Трубы из коррозионностойких высокохромистых сталей ГОСТ 20295-85. Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов (механические свойства табл. 1,2). Таблица 1 Класс прочности К 34 К 38 К 42 К 50 К 52 К 55 К 60 Временное сопротивление разрыву σв, Н/мм2 (кгс/мм2) не менее 333 (34) 372 (38) 412 (42) 485 (50) 510 (52) 539 (55) 588 (60) Предел текучести σ0,2, Н/мм2 (кгс/мм2) Относительное удлинение δ5, % 206 (21) 235 (24) 245 (25) 343 (35) 353 (36) 372 (38) 412 (42) 24 22 21 20 20 20 16 Примечание. Для труб типов 2 и 3 группы прочности от К 50 до К 55 вклю- чительно верхний предел временного сопротивления не должен превышать минимального значения более чем на 118 Н/мм 2 (12 кгс/мм2), для труб типа 2 класса прочности К 60 – более чем на 147 Н/мм2 (15 кгс/мм2) .Таблица 2 Наименование труб Трубы диаметром 219 - 426 мм Не термообработанные трубы диаметром 530 - 820 мм Термически упрочненные трубы типа 2 диаметром 530 - 820 мм Трубы типа 2 класса прочности К 60 диаметром 530-820 мм Ударная вязкость, Дж/см2, не менее KCU KCV при температуре испытания, °С -40 -60 -5 -10 29,4 29,4 39,2 39,2 - - 39,2 39,2 29,4 29,4 Трещины, плены, рванины, расслоения и закаты на поверхности ос- новного металла труб не допускаются (рис.5.18). Рис.5.18 Поверхностные дефекты на металле трубы Материал труб и технические требования к ним - по ГОСТ 8733-74 в ред. 1992г. Примеры обозначений: Труба с наружным диаметром 70мм, толщиной стенки 2,8 мм, длиной, кратной 1250мм, из стали 20, с поставкой по химическому составу (по группе Б) - ГОСТ 8733-74: 70×2,8×1250 ГОСТ8734-75 Труба Б20 ГОСТ8733-74 То же, длиной 6000 мм (мерная длина), из стали 20 с поставкой по ме- ханическим свойствам и химическому составу (по группе В) ГОСТ 8733-74: 70×2,8×6000 ГОСТ8734-75 В20 ГОСТ8733-74 То же, с комбинированными предельными отклонениями для диаметра повышенной точности по ГОСТ 9567-75, по толщине стенки обычной точно- сти: 70×2,8×6000 ГОСТ8734-75 Труба В20 ГОСТ87-74 То же, немерной длины с поставкой без нормирования механических свойств и химического состава, но с указанием величины гидравлического давления (по группе Д) ГОСТ 8733-74: 70×2,8×6000 ГОСТ8734-75 Труба Д20 ГОСТ87-74 Труба То же, из стали 10 с поставкой по механическим свойствам, контроли- руемым на термически обработанных образцах, и по химическому составу (по группе Г) ГОСТ 8733-74: Труба 70×2,8×6000 ГОСТ8734-75 Г20 ГОСТ87-74 Труба с внутренним диаметром 70мм и толщиной стенки 2,5 мм немер- ной длины, из стали марки 40Х, поставкой по группе В по ГОСТ 8733: Труба 70×2,8×6000 ГОСТ8734-75 В40Х ГОСТ87-74 Нормы механических свойств стали для горячедеформируемых труб группы А Марка стали σв, МПа (кгс/мм2) Ст2сп Ст4сп Ст5сп Ст6сп не менее 343(35) 412(42) 490(50) 588(60) σт, МПа (кгс/мм2) δ5, % 216(22) 245(25) 274(28) 304(31) 24 20 17 14 Нормы механических свойств стали для горячедеформируемых труб группы В Марка стали Временное соПредел противление раз- текучести, рыву, МПа МПа 2 (кгс/мм ) (кгс/мм2) 10 353(36) 216(22) 20 412(42) 245(25) 35 510(52) 294(30) 45 588(60) 323(33) 10Г2 421(43) 265(27) 20Х 431(44) 40Х 657(67) 30ХГСА 686(70) 15ХМ 431(44) 225(23) 30ХМА 588(60) 392(40) 12ХН2 539(55) 392(40) Ст4сп 412(42) 245(25) Ст5сп 490(50) 274(28) * При толщине стенки более 10мм. Относительное Твердость удлинение δ5, НВ* % 24 21 17 14 21 16 9 11 21 13 14 20 17 Бесшовные холодно- и теплодеформированные трубы 137 156 187 207 197 269 - Согласно ГОСТ 8733-74 в ред. 1992г. трубы изготовляют из стали ма- рок: 10, 20, 35, 45, 10Г2, 15Х, 20Х, 40Х, 30ХГСА, 15ХМ. В зависимости от показателей качества трубы должны изготовляться следующих групп: Б - с нормированием химического состава, из спокойной стали марок по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 14959-79, ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 19281-89; В - с нормированием механических свойств и химического состава, из стали марок по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 14959-79, ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 1928189; Г - с нормированием механических свойств, контролируемых на тер- мообработанных образцах, и химического состава, из стали марок по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 14959-79, ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 19281-89. Нормы механических свойств должны соответствовать требованиям соответствующих стандартов на сталь; Д - без нормирования механических свойств и химического состава, но с нормированием испытательного гидравлического давления; Е - после специальной термической обработки. Марки стали, режим термической обработки и нормы механических свойств устанавливаются до- кументацией, утвержденной в установленном порядке. Размеры труб соответствуют указанным в ГОСТ 8734-75 и ГОСТ 956775. Примечания: 1. Для труб с соотношением Dн/s, равным или менее 8, из стали марок: 04Х18Н10, 08Х20Н14С2, 10Х17Н13М2Т,08Х18Н12Т, 10Х23Н18, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 08Х17Н15М3Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х22Н6Т допускается снижение временного со- противления разрыву на 19,6Н/мм2 (2кгс/мм2). 2. По требованию потребителя для труб изстали марок: 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н10Т проводят определение предела текучести. 3. Предел текучести для стали 12Х18Н10Т должен быть не менее 216,0 Н/мм2 (22кгс/мм2). 4. Нормы предела текучести для стали 12Х18Н12Т и 08Х18Н10Т уста- навливают по согласованию изготовителя с потребителем. Механические свойства сталей холодно- и теплодеформированных труб по ГОСТ 9941-81 в ред. 2002г. Марка стали σв, Н/мм2(кгс/мм2) δ5, % не менее 08X17Т 372(38) 17 08X13 372(38) 22 12X13 392(40) 22 12X17 441(45) 17 15Х25Т 461(47) 17 04Х18Н10 490(50) 45 08Х20Н14С2 510(52) 35 10Х17Н13М2Т 529(54) 35 08Х18Н12Б 529(54) 37 10Х23Н18 529(54) 35 08Х18Н10 529(54) 37 08Х18Н10Т 549(56) 37 08Х18Н12Т 549(56) 37 08Х17Н15М3Т 549(56) 35 12Х18Н10Т 549(56) 35 12Х18Н12Т 549(56) 35 12Х18Н9 549(56) 37 17Х18Н9 568(58) 35 08Х22Н6Т 588(60) 20 08ХН28МДТ 490(50) 30 Примечание. Предел текучести для труб из стали 12Х18Н10Т должен быть не менее 216МПа (22кгс/мм 2). Нормы предела текучести для труб из- стали марок 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т и 08Х18Н10Т устанавливают по со- гласованию изготовителя с потребителем. Определение предела текучести труб из стали марок 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т и 08Х18Н10Т проводят по требованию потреби- теля. Трубы стальные электросварные Стандарт распространяется на стальные электросварные прямошовные трубы диаметром от 10 до 530 мм из углеродистой и низколегированной ста- ли, применяемые для трубопроводов и конструкций различного назначения. Стандарт не распространяется на стальные трубы, применяемые для изготовления теплоэлектронагревателей. 1. Сортамент. Размеры и предельные отклонения труб должны соот- ветствовать ГОСТ 10704-91. 2. Технические требования. Стальные электросварные трубы изготовляют в соответствии с требованиями настоящего стандарта и по техническим регламентам, утвер- жденным в установленном порядке. В зависимости от показателей качества трубы изготовляют следу- ющих групп: А - с нормированием механических свойств из спокойной, полуспо- койной и кипящей стали марок Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 по ГОСТ 380-94 (катего- рии 4 по ГОСТ 16523-97 категории 1 по ГОСТ 1463789); Б - с нормированием химического состава из спокойной, полуспокой- ной и кипящей стали марок Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 по ГОСТ 380-94 и ГОСТ 14637-89, из спокойной, полуспокойной и кипящей стали марок 08, 10, 15 и 20 по ГОСТ 1050-88 стали 08Ю по ГОСТ 9045-93, из низколегированной ста- ли 22ГЮ (трубы диаметром от 140 до 426мм); В - с нормированием механических свойств и химического состава из спокойной, полуспокойной и кипящей стали марок Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 по ГОСТ 380-94 (категории 4 по ГОСТ 16523-97 и категорий 2-5 по ГОСТ 14637-89 из спокойной, полуспокойной и кипящей стали марок 08, 10, 15, 20 по ГОСТ 1050-88 из стали 08Ю по ГОСТ 9045-93, из низколегированной ста- ли 22ГЮ (трубы диаметром от 140 до 426мм); Д - с нормированием испытательного гидравлического давления. Трубы изготовляют термически обработанными (по всему объему трубы или по сварному соединению), горячередуцированными и без терми- ческой обработки. Вид термической обработки по всему объему трубы выбирает изгото- витель. По соглашению изготовителя с потребителем трубы термически об- рабатывают в защитной атмосфере. Трубы из стали 22ГЮ изготовляют термически обработанными по свар- ному соединению или по всему объему, трубы из стали марки Ст1 - без тер- мической обработки. Механические свойства основного металла термически обработан- ных и горячередуцированных труб из углеродистых сталей должны соответ- ствовать нормам табл.3. Механические свойства термически обработанных труб изстали 22ГЮ устанавливаются по соглашению сторон. Механические свойства основного металла термообработанных и горячередуцированных труб по ГОСТ 10705-80 Марка стали не менее 08Ю 08кп 08, 08пс, 10кп σв, кгс/мм2 σт, кгс/мм2 δ5, % 26 30 32 18 18 20 30 27 25 10, 10пс, 15кп, Ст2сп, Ст2пс, Ст2кп 34 21 24 Марка стали не менее 15, 15пс, 20кп, Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп 20, 20пс, Ст4сп, Ст4пс, Ст4кп σв, кгс/мм2 Таблица 3 σт, δ5, % 2 кгс/мм 38 23 22 42 25 21 Примечание. По требованию потребителя трубы с толщиной стенки 4мм и более из стали марок Ст3сп, 15, 15пс изготовляют с пределом текуче- сти 235Н/мм2 (24кгс/мм2), относительным удлинением 23%; из стали марок Ст4сп, 20, 20пс - с пределом текучести 255Н/мм2 (26кгс/мм2), относительным удлинением 22%. Механические свойства труб диаметром 10 – 152мм по ГОСТ 1070580 Марка стали 08Ю 08пс, 08кп, Ст1пс, Ст1кп Временное сопротивление Предел текуОтносительное при наружном диаметре чести σт, удлинение δ5, %, 2 2 D, мм Н/мм (кгс/мм ) при наружном диаметре D, мм от 10 св. 19 св. 60 от 10 до 60 св. до 19 до 60 до 152 при толщине 60 стенки до более 0,06D 152 0,06D и менее не менее 314(32) 294(30) 264(27) 176(18) 7 16 25 372(38) 314(32) 294(30) 176(18) 6 15 23 08, Cт1cп 10кп, Ст2кп 10пс, Ст2пс 10, Ст2сп 15кп 15пс, 20кп 15,20пс 20 Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст4кп, Ст4пс Ст4сп 22ГЮ 372(38) 314(32) 294(30) 186(19) 6 15 23 372(38) 333(34) 314(32) 176(18) 6 15 23 372(38) 333(34) 314(32) 186(19) 6 15 23 372(38) 333(34) 314(32) 196(20) 6 15 23 441(45) 372(38) 441(45) 372(38) 353(36) 186(19) 353(36) 196(20) 5 5 14 14 21 21 441(45) 441(45) 441(45) 441(45) 441(45) 490(50) 353(36) 353(36) 372(38) 372(38) 372(38) 412(42) 206(21) 216(22) 196(20) 206(21) 216(22) 216(22) 5 5 5 5 5 4 14 14 13 13 13 11 21 21 20 20 20 19 412(42) 225(23) 490(50) 344(35) 4 - 11 - 19 15 372(38) 372(38) 392(40) 392(40) 392(40)" 431(44) 490(50) 431(44) -