ISSN 2304-6600 (Online)
ISSN 1997-0935 (Print)



Инженерные системы в строительстве 

Исследование влияния высокочастотного циклического нагружения на структуру и свойства сварных соединений технологических трубопроводов

  • Гридасова Екатерина Александровна - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ)
  • Середа Мария Андреевна - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ)
  • Закиров угли Шохрух Шурхатджон - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ)
DOI: 10.22227/1997-0935.2021.1.75-90
Страницы: 75-90
Введение. Эксплуатация трубопроводных систем сопровождается рядом условий, которые приводят к резкому снижению их долговечности, а именно благодаря возникновению переменных низкочастотных и высокочастотных нагрузок, свойственных технологическому трубопроводу из-за динамического режима работы, обусловленного наличием компрессорных установок, происходит усталостное разрушение, приводящее к отказу трубопровода. На этапе монтажа участки технологических трубопроводов соединяют между собой путем создания сварного соединения. Протекание термического цикла сварки зачастую негативно влияет на свойства материала в условиях усталостного нагружения. Представляет интерес исследование сварных соединений трубопроводной стали под действием вибраций высоких частот, определение влияния дефектности сварного шва на характеристики долговечности. Материалы и методы. Выбрана трубопроводная низкоуглеродистая сталь СТ20. Использованы радиографический метод контроля, оптическая металлография, микротвердость структурных фаз и метод усталостных высокочастотных испытаний. Результаты. Представлены результаты и выводы о влиянии дефектов сварных соединений на характеристики долговечности сварных образцов из трубопроводной стали при высокочастотных усталостных испытаниях, проанализированы структурные изменения в сварном соединении методами оптической металлографии и микротвердости. Посредством радиографического контроля определены дефекты сварного шва, их размеры. Приведен сравнительный анализ пределов выносливости основного металла (ОМ) модельного материала и его сварного соединения с выявленными дефектами и без дефектов сварного шва. Установлены главные причины разрушения сварных соединений под действием вибраций высоких частот. Выводы. Обобщая полученные результаты, можно утверждать, что высокочастотные вибрации оказывают негативное влияние на ОМ технологического трубопровода и на сварные соединения из него. Местом разрушения является именно сварной шов, а активаторами процесса разрушения — наличие дефектов, причем влияние на усталостные характеристики оказывают не размер и типология дефекта, а его наличие. Характеристики долговечности при высоких частотах нагружения сварного соединения в гигацикловой области на 67 % ниже по сравнению с ОМ.
  • технологические трубопроводы;
  • высокочастотные вибрации;
  • сварные соединения;
  • усталостная прочность;
  • дефекты сварных соединений;
  • оптическая металлография;
  • микротвердость;
Литература
  1. Жариков В.В., Крисанов А.Е., Меринов С.В., Шумкин А.А. Экспертно-диагностическое обследование и продление срока службы технологических трубопроводов компрессорной станции // Международный научный институт «Educatio». 2015. № 11 (18). С. 40–43.
  2. Chapetti M., Jaureguizahar L. Estimating the fatigue behaviour of welded joints // Procedia Engineering. 2011. Vol. 10. Pp. 959–964. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.158
  3. Коргин А.В., Одесский П.Д., Ермаков В.А., Зейд Килани Л.З., Романец В.А., Королева Е.А. Прочность алюминиевых сплавов для мостостроения // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 8. С. 10–19. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-8-10-19
  4. Баширов И.В. Оценка ресурса элементов трубопроводной обвязки насосно-компрессорных агрегатов с учетом вибрационного воздействия. Уфа : Изд-во УГНТУ, 2012. 24 с.
  5. Заец А.Ф. Разработка методов оценки работоспособности трубопроводов компрессорных станций при наличии дефектов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М. : Всероссийский НИИ природных газов, 1998. 18 с.
  6. Wang Q., Berard J., Dubarre A., Baudry G., Rathery S., Bathias C. Gigacycle fatigue of ferrous alloys // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 1999. Vol. 22. Issue 8. Pp. 667–672. DOI: 10.1046/j.1460-2695.1999.00185.x
  7. Хуснутдинова И.Г., Баширов М.Г. Оценка технического состояния и ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов на основе электромагнитно-акустического эффекта // Нефтегазовое дело. 2019. № 1. С. 144–162. DOI: 10.17122/ogbus-2019-1-144-162
  8. Chai G. The formation of subsurface non-defect fatigue crack origins // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. Issue 11. Pp. 1533–1539. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2005.06.060
  9. He C., Liu Y.J., Wang Q.Y. Very high cycle fatigue properties of welded joints under high frequency loading // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 647. Pp. 817–821. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.647.817
  10. D’Ambros H.C.M., Silva T.D.D.A., Mesquita E.F.T., Barros R.F. Damages in weld joint of water elevated reservoir steel structures // Procedia Structural Integrity. 2018. Vol. 11. Pp. 114–121. DOI: 10.1016/j.prostr.2018.11.016
  11. Bayraktar E., Garcias I., Bathias C. Failure mechanisms of automotive metallic alloys in very high cycle fatigue range // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. Issue 11. Pp. 1590–1602. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2005.09.019
  12. Lawrence F.V., Ho N.J., Mazumdar P.K. Predicting the fatigue resistance of welds // Annual Review of Materials Science. 1981. Vol. 11. Issue 1. Pp. 401–425. DOI: 10.1146/annurev.ms.11.080181.002153
  13. Miao J., Pollock T.M., Jones J.W. Crystallographic fatigue crack initiation in nickel-based superalloy René 88DT at elevated temperature // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. Issue 20. Pp. 5964–5974. DOI: 10.1016/J.ACTAMAT.2009.08.022
  14. Mikulski Z., Lassen T. Fatigue crack initiation and subsequent crack growth in fillet welded steel joints // International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 120. Pp. 303–318. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.11.014
  15. Miller K.J., O’Donnell W.J. The fatigue limit and its elimination // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 1999. Vol. 22. Issue 7. Pp. 545–557. DOI: 10.1046/j.1460-2695.1999.00204.x
  16. Zhu M.-L., Xuan F.-Z., Du Y.-N., Tu S.-T. Very high cycle fatigue behavior of a low strength welded joint at moderate temperature // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 40. Pp. 74–83. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.01.014
  17. Murakami Y., Yokoyama N.N., Nagata J. Mechanism of fatigue failure in ultralong life regime // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2002. Vol. 25. Issue 8–9. Pp. 735–746. DOI: 10.1046/j.1460-2695.2002.00576.x
  18. Nie Y., Fu W., Hui W.J., Dong H., Weng Y.Q. Very high cycle fatigue behaviour of 2000-MPa ultra-high-strength spring steel with bainite-martensite duplex microstructure // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2009. Vol. 32. Issue 3. Pp. 189–196. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2008.01319.x
  19. Teng T.L., Fung C.P., Chang P.H. Effect of weld geometry and residual stresses on fatigue in butt-welded joints // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2002. Vol. 79. Issue 7. Pp. 467–482. DOI: 10.1016/s0308-0161(02)00060-1
  20. Tridello A., Paolino D., Chiandussi G., Rossetto M. VHCF strength decrement in large H13 steel specimens subjected to ESR process // Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. Pp. 1117–1124. DOI: 10.1016/j.prostr.2016.06.143
  21. Zachwieja J. Stress analysis of vibrating pipelines // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 17. Pp. 1–11. DOI: 10.1063/1.4977691
  22. Guo S., Wang R., Chen H., Xuan F. A comparative study on the cyclic plasticity and fatigue failure behavior of different subzones in CrNiMoV steel welded joint // International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 150. Pp. 66–78. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2018.10.026
  23. He C., Liu Y., Dong J., Wang Q., Wagner D., Bathias C. Fatigue crack initiation behaviors throughout friction stir welded joints in AA7075-T6 in ultrasonic fatigue // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 81. Pp. 171–178. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.07.012
  24. He C., Huang C., Liu Y., Wang Q. Fatigue damage evaluation of low-alloy steel welded joints in fusion zone and heat affected zone based on frequency response changes in gigacycle fatigue // International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 61. Pp. 297–303. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.10.018
  25. He C., Liu Y., Fang D., Wang Q. Very high cycle fatigue behavior of bridge steel welded joint // Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2012. Vol. 2. Issue 3. P. 031010. DOI: https://doi.org/10.1063/2.1203110
  26. He C., Huang C., Liu Y., Wang Q. Fatigue damage evaluation of low-alloy steel welded joints in fusion zone and heat affected zone based on frequency response changes in gigacycle fatigue // International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 61. Pp. 297–303. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.10.018
  27. Панкратьев С.А. Оценка ресурса прочности трубопроводных систем, подверженных вынужденным колебаниям на резонансной частоте : автореф. дис. … канд. техн. наук. Уфа : Изд-во УГНТУ, 2009. 23 с.
  28. Садртдинов Р.А. Влияние длительной эксплуатации на напряженное состояние технологических трубопроводов обвязок компрессорных станций : автореф. дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург : Изд-во ИФМ УрО РАН, 2008. C. 24.
  29. He C., Liu Y., Tian R., Wang Q. Gigacycle fatigue behaviors in fusion zone and heat affected zone of Q345 LA steel welded joints // 13th Intern. conf. on Fracture, June 16–21, Beijing, China. 2013. Pp. 2658–2667.
  30. Zhu X., Shyam A., Jones J., Mayer H., Lasecki J., Allison J. Effect of microstructure and temperature on fatigue behavior of E319-T7 cast aluminum alloy in very long life cycles // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. Pp. 1566–1571. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2005.04.016
СКАЧАТЬ (RUS)