ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СВАРНЫХ СТЫКОВЫХ ...ogbus.ru/files/ogbus/authors/Rodionov/Rodionov_2.pdf · 2013-12-18 · ИЗГОТОВЛЕННЫХ

УДК 678.742.2 - 462:678.029.43

ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИСВАРНЫХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГАЗОПРОВОДОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ПЭ 80

Родионов А.К. 1, Бабенко Ф.И.Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск, Россия

e-mail: 1 [email protected]

Аннотация. В работе приводятся результаты испытаний образцов сварных стыковых соединений (ССС) полиэтиленовых труб ПЭ80 с надрезами, выполненными в зоне сплавления. Расчетно-экспериментальным путем, с позиции механики разрушения, определены значения показателей трещиностойкости материала: предел трещино-стойкости, работа разрушения и условный предел трещиностойкости модельных об-разцов с фиксированным надрезом, которые предлагается использовать для оценки качества ССС полиэтиленовых труб.

Ключевые слова: полиэтиленовая труба, сварное стыковое соединение, условия сварки, трещиностойкость, поверхность разрушения, условия распространения трещины

Введение

Согласно действующим нормативным документам (СНиП 42-01-2002 «Га-зораспределительные системы», СП 42-103-2003 «Проектирование и строитель-ство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газо-проводов») основным экспресс-методом контроля качества сварного стыкового соединения (ССС) является испытание образца-лопатки со сварным швом на осе-вое растяжение. Критерием определения качества соединения является характер разрушения образца: недопустим хрупкий разрыв по плоскости сварки, при этом не менее 80 % образцов должны разрушится по основному материалу (линия раз-рыва не пересекает плоскость сварки). В практике контроля качества ССС такое разрушение называют пластическим. Разрушения хрупкого характера в плоскости сварки свидетельствуют лишь о грубых нарушениях технологии сварки. Следова-тельно, получаемые результаты испытаний не характеризуют материал с позиции свариваемости [1]. Таким образом, действующую методику определения качества сварного соединения следует признать малоинформативной с точки зрения ее ис-пользования при корректировки технологических режимов проведения сварочных работ, в частности, при температурах сварки ниже нормативных (-15 °С).

В настоящее время в ряде работ [2, 3], направленных на совершенствова-ние экспресс-методов механических испытаний образцов ССС полиэтиленовых труб, наметился подход к решению проблемы с позиции механики разрушения. Одно из существенных преимуществ этого подхода – наличие надреза в испыты-

_____________________________________________________________________________ Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 5 http://www.ogbus.ru

435

mailto:[email protected]

ваемом образце и, следовательно, возможность получения количественной инфор-мации о показателях прочности и трещиностойкости модельного образца ССС, в заведомо определенном месте ССС, включая плоскость сварки. В выше процити-рованных исследованиях авторами установлена существенная разница в значени-ях таких показателей, как критическое раскрытие трещины [2] и ударная вязкость [3] модельных образцов ССС с надрезами в зонах основного материала и в плос-кости сварки. При этом отсутствует сравнение указанных показателей для различ-ных режимов производства сварочных работ.

В связи с этим, авторами развивается методика оценки качества ССС, осно-ванная на испытаниях модельных образцов с острым надрезом в зонах сплавления и основного материала, с целью сравнительного определения характеристик тре-щиностойкости ССС образцов, полученных в различных режимах производства сварочных работ [4 - 6]. Результаты интерпретируются с позиции механики разру-шения.

Объекты и методы испытаний

Объектами исследований являлись образцы ССС трубного полиэтилена марки ПЭ80 (SDR 11, ø110), созданные в условиях, предусмотренных норматив-но-технической документацией (НТД, далее по тексту – режим Н) и выполненные с отклонением от технического регламента производства сварочных работ – (режим Т): изменена температура нагревателя (+160 °С, вместо +220 °С по НТД).

Учитывая релаксацию остаточных напряжений, создаваемых в полимер-ном материале термическим циклом сварки [7], испытания проводились после 48 и 1440 часов кондиционирования образцов по ГОСТ 12423-66.

В экспериментах на трещиностойкость использовались модельные образцы в форме полосок (9 х 26 х 120 мм) с краевым односторонним надрезом, вырезан-ные из тела (основной материал) и ССС трубы. Сварное стыковое соединение со снятым гратом находилось в средней части рабочей зоны полоски. Надрезы глу-биной 9,1 мм наносили ножовочным полотном и заостряли лезвием бритвы, сог-ласно методике [8].

Кратковременные испытания на растяжение проводились при температуре Tисп = +23 °С и скорости движения траверсы машины Vисп =500 мм/мин.

Измерения на поверхностях изломов образцов производились непосред-ственно катетометром (КМ-6) и по микрофотографическим изображениям по-верхностей изломов образцов.


436

Расчетно-экспериментальная оценка показателей трещиностойкостии обсуждение результатов

В качестве показателей трещиностойкости ССС и материала трубы исполь-зовали:

1. Предел трещиностойкости модельных образцов с фиксированным надре-зом IC (l0), где l0 = 9,1 мм, определяли по соотношению [9, 10]:

I C=σ √πl⋅ξ ( l /b ) , (1)где σ – разрушающее напряжение образца с надрезом, l – длина (глубина) надреза, b – полуширина образца, ξ(l/b) – табулированная функция.

2. Работу разрушения (работу внешних сил) – А определяли, согласно [11], «планиметрированием диаграмм «нагрузка-перемещение точек приложения наг-рузки» до условной точки начала разрушения», в нашем случае – до точки макси-мальной нагрузки на диаграмме, см. рис. 1, заштрихованная часть диаграммы. Вычисления величины А производили двумя способами: линейным приближени-ем – Алин и численным интегрированием площади участка диаграммы – Аинт:

A лин=F max ∙ S (F max)/2 ; Aинт= ∫0

S ( Pmax )

F (S )dS . (2)

На рис. 1, 2 приведены типичные диаграмма «нагрузка-перемещение» в ис-пытаниях на растяжение модельных образцов основного материала трубы и фото-графия поверхности его излома (на примере образца № 1836, нумерация образца в базе данных «БД»).

Рис. 1. Типичная диаграмма

«нагрузка-перемещение» в испытаниях на рас-тяжение модельного образца

(№ 1836) основного материала трубы

Рис. 2. Типичная фотографияповерхности излома модельного

образца (№ 1836) основногоматериала трубы

В табл. 1 представлены расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости.


437

Таблица 1. Расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости

№ 1834 1835 1836IC 4,08 4,12 4,08

IC ср 4,09±0,03Aлин 6,67 7,79 6,87

Aлин ср 7,11±0,68Aинт 8,88 10,89 9,35

Aинт ср 9,71±1,19Примечания: 1. индекс «ср» обозначает среднее значение указанной величины; 2. нумерация образца в базе данных «БД».

Приведенные результаты показывают, что процесс распространения тре-щины, разрушающей модельный образец исходного материала трубы, протекает устойчиво, что подтверждается диаграммой «нагрузка-перемещение» (рис. 1) и фотографией поверхности излома (рис. 2).

Перейдем к результатам, полученным на модельных образцах ССС (сва-ренные в режимах Н и Т), испытанных после двух сроков (48 и 1440 часов) пред-варительного кондиционирования.

На рис. 3 и 4 представлены диаграммы «нагрузка-перемещение» в испыта-ниях на растяжение модельных образцов ССС (образцы, кондиционированные в течение 48 ч.) и фотографии их поверхностей изломов.

В табл. 2, 3 представлены расчетно-экспериментальные значения показа-телей трещиностойкости модельных образцов ССС, сваренных в режимах Н и Т, соответственно.

Приведенные результаты показывают (рис. 3, 4), что процесс распростра-нения трещины, разрушающей модельный образец ССС протекает либо устойчи-во (образцы №№ 1956, 1959, 1961) либо неустойчиво (образцы №№ 1957, 1958, 1960), что подтверждается диаграммами «нагрузка-перемещение» и фотография-ми поверхностей излома.

На рис. 5 и 6 представлены диаграммы «нагрузка-перемещение» в испыта-ниях на растяжение модельных образцов ССС (образцы, кондиционированные в течение 1440 ч.) и фотографии их поверхностей изломов.

Приведенные данные показывают, что процесс распространения трещины, разрушающей модельный образец CCC, протекает неустойчиво для всех испытан-ных образцов.

На фотографиях излома модельных образцов, четко различимы две обла-сти, которые традиционно интерпретируются как области медленного (Δl) и быстрого распространения трещины [9, 10].


438

а) б)

Образец № 1959 Образец № 1956



Рис. 3. Диаграммы «нагрузка-перемещение» в испытаниях на растяжениемодельных образцов ССС кондиционированных в течении 48 ч:

а) режим сварки Н; б) режим сварки Т


439

а) б)




Рис. 4. Фотографии поверхностей изломов модельных образцов ССС,кондиционированных в течении 48 ч:



440

Таблица 2. Расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости модельных образцов ССС (режим Н), кондиционированных в течении 48 ч

№ 1959 1960 1961IC 3,52 3,56 3,73

IC ср 3,60±0,13Aлин 4,53 4,48 5,84

Aлин ср 4,95±0,87Aинт 6,35 5,66 8,05

Aинт ср 6,69±1,39

Таблица 3. Расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости модельных образцов ССС (режим Т) кондиционированных в течении 48 ч.

№ 1956 1957 1958IC 3,39 3,39 2,93

IC ср 3,24±0,30Aлин 4,15 4,09 2,90

Aлин ср 3,71±0,79Aинт 5,12 5,09 3,43

Aинт ср 4,55±1,10

3. В связи с этим (см. табл. 4, 5), мы предлагаем использовать новый (наря-ду с использованными ранее IC(l0) и А) показатель трещиностойкости – условный предел трещиностойкости (Icy). Он рассчитывается с учетом увеличения длины исходного надреза на величину линейного размера зоны медленного подрастания трещины Δl:

I cy=I c(l 0+Δ l ) . (3)При этом Δl измеряли катетометром непосредственно на поверхности

излома образца.Предложение основано на гипотезе перехода процесса распространения

трещины в стадию неустойчивого роста на границе очертания указанной зоны на поверхности разрушения модельного образца. На диаграмме «нагрузка-перемеще-ние» этот момент соответствует достижению максимальной нагрузки.


441

а) б)




Рис. 5. Диаграммы «нагрузка-перемещение» в испытаниях на растяжениемодельных образцов ССС, кондиционированных в течении 1440 ч:



442

а) б)




Рис. 6. Фотографии поверхностей изломов модельных образцов ССС,кондиционированных в течении 1440 ч:



443

Таблица 4. Расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости модельных образцов ССС (режим Н), кондиционированных в течении 1440 ч

№ 1915 1916 1917IC 3,46 3,67 3,52

IC ср 3,55±0,12Δl 7,62 8,38 8,03Icy 12,08 14,92 13,29

Icy ср 13,43±1,61Aлин 4,35 4,95 4,57

Aлин ср 4,62±0,34Aинт 5,69 6,52 5,82

Aинт ср 6,01±0,51

Таблица 5. Расчетно-экспериментальные значения показателей трещиностойкости модельных образцов ССС (режим Т), кондиционированных в течении 1440 ч

№ 1840 1841 1842IC 3,45 3,53 3,10

IC ср 3,36±0,26Δl 5,12 5,55 7,55Icy 7,64 8,56 10,63

Icy ср 8,94±1,73Aлин 4,48 4,64 3,41

Aлин ср 4,18±0,76Aинт 5,58 5,94 4,18

Aинт ср 5,23±1,05

Таким образом, сравнительный анализ результатов испытаний на трещино-стойкость при растяжении модельных образцов основного материала и материала зоны сплавления ССС (выполненных в режимах Н и Т) труб из ПЭ80 в условиях: Tисп = +23 °С, Vисп = 500 мм/мин, показывает:

– смену режимов распространения разрушающей образец трещины от ус-тойчивого (основной материал) к неустойчивому (ССС). При этом существенную роль играет время релаксации (кондиционирования) образцов ССС. Учитывая отмеченный выше процесс релаксации остаточных напряжений, создаваемых в материале термическим циклом сварки [7], можно полагать, что причиной наблю-даемого поведения является присутствие в образцах ССС релаксирующего оста-точного напряжения растяжения. Это приводит к изменению напряженно-дефор-мированного состояния (НДС) в вершине надреза от состояния, преимущественно плоско напряженого (ПНС), в образцах основного материала, к плоско-дефор-


444

мированному, в образцах ССС, что и обуславливает переход к неустойчивому режиму распространения разрушающей трещины;

– для значений показателей трещиностойкости (IC(l0), А, Icy) выполняется неравенство:

П (основного материала)>П ( режим Н )>П ( режим Т ) ,где П – один из трех предложенных показателей.

Следовательно, значения предлагаемых показателей могут быть использо-ваны для количественной оценки качества ССС.

Заключение

Учитывая недостаточную информативность существующих экспресс-мето-дов по оценке качества ССС, предлагается дополнить обязательный перечень ме-тодов испытаний (согласно СП 42-103-2003), экспресс-методом испытаний мо-дельных образцов на трещиностойкость. При этом критерием определения качест-ва ССС предлагается использовать показатели трещиностойкости: предел трещи-ностойкости, работу разрушения и условный предел трещиностойкости модель-ных образцов с фиксированным надрезом.

Литература

1. Кимельблат В.И., Волков В.И., Глухов В.В. Оптимизация технологии контактной сварки встык. Учет свойств полимеров // Полимерные трубы. 2010. № 2. С. 32 - 36.

2. Musat L, Carbunaru T., Argesanu V., Tunea D. Study on residual stress and fracture characteristic of welded high-density polyethylene pipe // Annals of the Oradeo university. Fascicle of Management and Technological Engineering. Vol. XIV(IV), 2005, pp. 671-678. URL: http://imtuoradea.ro/auo.fmte/files-2005/TCM_files/Laurentiu%20Musat%202.pdf (дата обращения: 29.10.2012).

3. Leskovics K., Kollar M., Barczy P. A study of structure and mechanical prop-erties of welded joints in polyethylene pipes // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 419. Issue 1-2. PP. 138-143. DOI: 10.1016/j.msea.2005.12.019

4. Бабенко Ф.И., Коваленко Н.А., Родионов А.К., Сухов А.А. Долговеч-ность сварных стыковых соединений полиэтиленовых труб // Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных конденсированных сред. Т. 1: Поли-меры, полимерные композиционные материалы: Труды 2-й межд. научно-технич. конф. / Под ред. О.В. Старцева. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2001. С. 263 - 266.

5. Бабенко Ф.И., Родионов А.К. Оценка надежности сварного стыкового соединения полиэтиленовых труб с позиции механики разрушения // Материалы, технологии, инструменты. 2009. Том 14. № 4. С. 5 - 8.


445

http://imtuoradea.ro/auo.fmte/files-2005/TCM_files/Laurentiu%20Musat%202.pdf





















6. Родионов А.К., Бабенко Ф.И. Оценка качества сварных стыковых соеди-нений полиэтиленовых труб // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2010. № 2. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Rodionov/Rodionov_1.pdf (дата обращения: 30.08.2012).

7. Зайцев К.И., Мацюк Л.Н., Богдашевский А.В. и др. Сварка полимерных материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1988. 312 с.

8. ASTM D 5045-99 (2007). Standard test methods for plane-strain fracture toughness and strain energy release rate of plastic materials.

9. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.10. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разруше-

ния. М.: Наука, 1974. 416 с.11. Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Ме-

тоды механических испытаний композиционных материалов с полимерной матри-цей. Определение характеристик трещиностойкости полимерных композицион-ных материалов при статическом нагружении. Львов: изд. ФМИ, 1984. 78 с.


446

http://www.ogbus.ru/authors/Rodionov/Rodionov_1.pdf

http://www.ogbus.ru/autors/Rodionov/Rodionov_1.pdf.%20(

UDC 678.742.2 - 462:678.029.43

ESTIMATION OF CRACK RESISTANCEOF BUTT WELDING JOINTS OF GAS PIPES FROM PE80

A.K Rodionov 1, F.I. Babenko Institute of problems of oil and gas

Siberian Branch of the Russian Academy of Science,Yakutsk, Russiae-mail: 1 [email protected]

Abstract. In paper tests of samples butt welding joints (BWJ) polyethylene pipes PE80 with the cuts executed in a welding zone are resulted. Settlement-experimental by, from view points of fracture mechanics, values of parameters crack resistance a material are certain: a ultimate crack resistance, work of fracture and a conditional ultimate crack resistance of mod-eling samples with the fixed cut, which are offered to be used for an estimation of quality BWJ of polyethylene pipes.

Keywords: polyethylene pipe, butt welding joint, conditions of welding, crack resistance,

surface of fracture, conditions of crack’s propagation

References

1. Kimel'blat V.I., Volkov V.I., Glukhov V.V. Optimizatsiya tekhnologii kontaktnoi svarki vstyk. Uchet svoistv polimerov (Butt welding technology optimiza-tion. With due regard for properties of polymers), Polimernye truby, 2010, Issue 2, pp. 32 - 36.

2. Musat L, Carbunaru T., Argesanu V., Tunea D. Study on residual stress and fracture characteristic of welded high-density polyethylene pipe, Annals of the Oradeo university. Fascicle of Management and Technological Engineering. Vol. XIV (IV), 2005, pp. 671-678. URL: http://imtuoradea.ro/auo.fmte/files-2005/TCM_files/Laurentiu%20Musat%202.pdf (дата обращения: 29.10.2012).

3. Leskovics K., Kollar M., Barczy P. A study of structure and mechanical prop-erties of welded joints in polyethylene pipes, Materials Science and Engineering: A, 2006, Vol. 419, Issue 1-2, pp. 138-143. DOI: 10.1016/j.msea.2005.12.019

4. Babenko F.I., Kovalenko N.A., Rodionov A.K., Sukhov A.A. Dolgovechnost' svarnykh stykovykh soedinenii polietilenovykh trub (Durability of welded butt joints of polyethylene pipes) in Proceedings of II intern. sci.-tech. conf. “Eksperimental'nye met-ody v fizike strukturno neodnorodnykh kondensirovannykh sred (Experimental methods in physics of structurally heterogeneous condensed matter)”. Vol. 1. Polimery, polimer-nye kompozitsionnye materialy (Polymers, polymer composites). Barnaul, AGU, 2001. PP. 263 - 266.

5. Babenko F.I., Rodionov A.K. Otsenka nadezhnosti svarnogo stykovogo soedineniya polietilenovykh trub s pozitsii mekhaniki razrusheniya (Reliability evalu-ation of the welded butt joint of polyethylene pipes from fracture mechanics position)























Materialy, tekhnologii, instrumenty - Materials, technologies, tools, 2009, Vol. 14, Issue 4, pp. 5 - 8.

6. Rodionov A.K., Babenko F.I. Otsenka kachestva svarnykh stykovykh soedinenii polietilenovykh trub (Evaluation of quality of butt welded joints in polyethyl-ene pipes), Electronic scientific journal "Neftegazovoe delo - Oil and Gas Business", 2010, Issue 2. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Rodionov/Rodionov_1.pdf

7. Zaitsev K.I., Matsyuk L.N., Bogdashevskii A.V. et al. Svarka polimernykh materialov: Spravochnik (Welding of polymer materials. Handbook). Moscow, Mashi-nostroenie, 1988. 312 p.

8. ASTM D 5045-99 (2007). Standard test methods for plane-strain fracture toughness and strain energy release rate of plastic materials.

9. Cherepanov G.P. Mekhanika khrupkogo razrusheniya (Mechanics of brittle fracture). Moscow, Nauka, 1974. 640 p.

10. Parton V.Z., Morozov E.M. Mekhanika uprugoplasticheskogo razrusheniya (Mechanics of elastoplastic fracture). Moscow, Nauka, 1974. 416 p.

11. Metodicheskie rekomendatsii. Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytanii kompozitsionnykh materialov s polimernoi matritsei. Opre-delenie kharakteristik treshchinostoikosti polimernykh kompozitsionnykh materialov pri staticheskom nagruzhenii (Guidelines. Calculations and tests on strength. The methods of mechanical testing of composite materials with polymeric matrix. Determination of crack resistance of polymer composite materials under static loading). L'vov, FMI, 1984. 78 p.


http://www.ogbus.ru/authors/Rodionov/Rodionov_1.pdf

ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СВАРНЫХ СТЫКОВЫХ ...ogbus.ru/files/ogbus/authors/Rodionov/Rodionov_2.pdf · 2013-12-18 · ИЗГОТОВЛЕННЫХ

Documents