Дефекты стальных труб и сварных соединений

Наиболее общей является классификация дефектов по геометрическим размерам:

- макродефекты – дефекты, размеры которых позволяют выявлять их различными методами неразрушающего контроля большинством дефектоскопов. Макродефекты, в свою очередь, можно также подразделять на крупные, средние и мелкие;

- микродефекты - дефекты, размеры которых соизмеримы с размерами зерен металла и не позволяют обнаруживать их современными средствами технической дефектоскопии. Микродефекты металлов являются предметом исследований физики твердого тела и металловедения; при диагностировании инженерных конструкций и сооружений они, как правило, не рассматриваются.

По влиянию на напряженно-деформированное состояние конструкции дефекты подразделяют на два класса:

- классические дефекты - дефекты, имеющие конечный (ненулевой) радиус закругления в вершине. Основным параметром, характеризующим уровень концентрации напряжений таких дефектов, является теоретический коэффициент концентрации напряжений;

- трещиноподобные дефекты - дефекты, имеющие острую вершину (с практически нулевым радиусом). Основным параметром, характеризующим уровень концентрации напряжений таких дефектов, является коэффициент интенсивности напряжений.

Для металлических промышленных конструкций наибольшее распространение имеет подразделение дефектов на группы в зависимости от происхождения и причин их образования, точнее в зависимости от этапов изготовления конструкции:

- металлургические,

- строительные,

- технологические

- эксплуатационные.

С точки зрения необходимости применения различных методов неразрушающего контроля дефекты конструкций подразделяют на:

- поверхностные или явные (выявляемые визуальным осмотром);

- внутренние или скрытые (выявляемые физическими методами).

Все дефекты, выявленные при дефектоскопии основного металла и сварных соединений физическими методами, по своим геометрическим параметрам подразделяются на плоскостные и объемные.

С точки зрения ремонтопригодности выявляемые при обследовании трубопроводов и других конструкций дефекты подразделяются на:

- исправимые - устранение которых технически возможно и экономически целесообразно;

- неисправимые - устранение которых связано со значительными затратами или невозможно.

Наиболее типичные для стальных трубопроводов дефекты, повреждения и несовершенства конструкции, выявляемые при диагностировании, по характеру их появления могут быть подразделены на две основные группы:

- технологические - дефекты, возникающие в результате строительно-монтажных и ремонтных работ;

- эксплуатационные - дефекты, возникающие в процессе эксплуатации после некоторой наработки.

Технологические дефекты металлических конструкций являются концентраторами напряжений и при длительной эксплуатации могут переходить в трещины и благоприятствовать усилению коррозии стенки трубопроводов. Основные виды технологических дефектов:

Вырывы и оплавления - локальные углубления в основном металле стенки, образуются при когезионном отрыве материала стенки, при удалении с помощью газовой резки различных монтажных приспособлений, также могут быть результатом механических повреждений. Вырывы и оплавления уменьшают расчетное сечение и создают дополнительную концентрацию напряжений в основном металле стенки.

Закаты и расслоения - дефекты металлургического происхождения, образуются при изготовлении листового проката и труб. Представляют собой узкую полость значительной площади, расположенную вдоль слоев проката листов стенки с выходом или без выхода на поверхность металла. Уменьшают площадь расчетного сечения и создают дополнительные напряжения в основном металле стенки, могут являться очагами образования трещин.

Подрезы - узкие углубления (канавки) в основном металле вдоль края зоны сплавления сварного шва. Образуются при большой силе сварочного тока и длинной дуге, так как в этом случае увеличивается ширина шва, и сильнее оплавляются кромки основного металла. Подрезы ослабляют сечение стенки и создают значительный уровень концентрации напряжений.

Вмятины и выпучины - местные упругопластические деформации стенки различной величины и формы соответственно внутрь или наружу, имеющие плавное сопряжение поверхностей. Основными причинами образования вмятин (выпучин) являются механические повреждения, воздействие непроектного внутреннего давления, неправильное выполнение сварочных ремонтных работ. Характеризуются площадью и глубиной. В районах вмятин или выпучин под действием знакопеременных нагрузок в процессе эксплуатации трубопровода могут появиться усталостные трещины.

Незаверенные кратеры - образуются при резком обрыве дуги в конце сварки. Эти дефекты уменьшают площадь несущего сечения шва и могут являться очагами образования трещин.

Газовые поры - поверхностные и внутренние поры возникают вследствие попадания в металл шва атмосферных газов и газов, образовавшихся при сварке (водород, азот, углекислый газ и др.). Образуются в сварных швах вследствие быстрого затвердевания газонасыщенного металла сварочной ванны. Как правило, поры наблюдаются при повышенном содержании в основном металле углерода, при наличии ржавчины, масла и краски на кромках основного металла и сварочной проволоки, при использовании отсыревшего флюса, при наличии вредных примесей в защитных газах, при чрезмерной скорости сварки и неправильном выборе сварочной проволоки. Поры в сварном шве могут быть распределены в виде одиночных включении, в виде отдельных групп или в виде цепочки вдоль линии шва. Иногда могут образовываться сквозные поры (свищи). Степень пористости шва и размер отдельных пор, прежде всего, зависят оттого, как долго сварочная ванна находилась в жидком состоянии. Газовые поры ослабляют сечение шва, уменьшают его прочность и пластичность, являются зонами концентрации напряжений.

Неметаллические включения - шлаки, оксиды, сульфиды и нитриды, не успевшие всплыть на поверхность сварочной ванны в процессе сварки и оставшиеся в металле шва. Являются результатом некачественной очистки кромок и сварочной проволоки от ржавчины и грязи, а при многослойной сварке также и неполного удаления шлака с предыдущих слоев. Шлаковые включения могут возникать при сварке длинной дугой, неправильном наклоне электрода, недостаточной силе сварочного тока или мощности газовой горелки, а также при завышенной скорости сварки. Неметаллические включения различаются по форме (от сферической до игольчатой) и по размерам (от микроскопических до нескольких сантиметров). Они могут быть расположены в корне шва, между отдельными слоями многослойных швов, внутри наплавленного металла. Неметаллические включения, так же как и газовые поры, ослабляют сечение шва, уменьшают его прочность и пластичность, являются зонами концентрации напряжений. Если неметаллические включения присутствуют в металле шва в виде скоплений, то они могут в значительной мере понизить значение предела выносливости и статическую вязкость разрушения (трещиностойкость).

Непровары - местные несплавлепия свариваемых кромок основного и наплавленного металла, а также отдельных слоев шва при многослойной сварке. Причинами появления непроваров являются: плохая очистка свариваемого металла от окалины, ржавчины и грязи; малый зазор в стыке; излишнее притупление и малый угол скоса разделки кромок; недостаточная сила сварочного тока; большая скорость сварки; смещения электрода в сторону от оси шва. Непровары также могут возникнуть в результате вынужденных перерывов в процессе сварки. Непровары снижают статическую и усталостную прочность шва, затормаживают развитие пластической деформации металла, повышают его склонность к хрупкому разрушению.

Прожоги - проплавлепие основного или наплавленного металла с возможным образованием сквозных отверстий. Возникают из-за неправильной сборки деталей под сварку (недостаточного притупления кромок, большого зазора), большой силы сварочного тока при невысоких скоростях сварки. Наиболее часто прожоги образуются при сварке тонкостенных труб и при выполнении первого прохода многослойного шва.

Раковины - углубления на наружной пли внутренней поверхности листов металла. Раковины металлургического происхождения образуются при нарушениях технологии выплавки или разливки стали, когда в слитках образуются усадочные раковины и подкорковые пузыри с окисленной внутренней поверхностью, которые не завариваются при последующей прокатке таких слитков. Раковины также возникают при напластовании материала в форме небольших или крупных образований, частично прилипших к основному металлу заготовок проката, которые при последующей горячей деформации отделяются в виде напусков. К образованию раковин могут привести также дефекты, возникающие при холодной деформации листов (риски, трещины).

Наплывы - натекание жидкого наплавленного металла па непрогретые поверхности кромок основного металла или ранее выполненного валика без сплавления с ними. Наплывы (натеки) могут быть местными (в виде отдельных застывших капель металла) или протяженными вдоль шва. Образуются чаще всего при ручной сварке неповоротных стыков, их возникновению способствуют большая сила сварочного тока, длинная дуга, неправильное положение электрода. В местах наплывов часто обнаруживаются непровары, трещины и другие дефекты.

Нарушения установленных размеров и формы шва - неполномерность ширины и высоты шва, чрезмерное усиление и резкие переходы от основного металла к наплавленному металлу шва, грубая чешуйчатость.

Трещины - наружные и внутренние трещины в сварном шве и зоне сплавления с основным металлом образуются вследствие напряжений, возникающих в металле шва от его неравномерного нагрева, охлаждения и усадки. Технологический характер образования имеют так называемые «горячие» и «холодные» трещины.

«Горячие» трещины - возникают в процессе кристаллизации металла шва при температуре 1100 – 1300 °С. Появление «горячих» трещин связано с наличием полужидких прослоек между кристаллами наплавленного металла шва в конце его затвердевания и действием в нем растягивающих усадочных напряжений. Образованию «горячих» трещин способствует повышенное содержание в металле шва углерода, кремния, никеля и водорода. Особенностью «горячих» трещин является то, что они расположены внутри сварного шва и выявить их достаточно трудно.

«Холодные» трещины - могут возникать как сразу после остывания сварного шва, так и через длительное время. В легированных сталях такие трещины образуются при значениях температуры металла 100 – 300 °С, а в углеродистых сталях - при нормальных (< 100 °С) температурах. Основная причина образования «холодных» трещин - это значительные напряжения, возникающие в зоне сварки при распаде твердого раствора и скоплении под большим давлением молекулярного водорода в пустотах, имеющихся
в металле шва. «Холодные» трещины обычно выходят на поверхность шва и хорошо заметны.

Дефекты микроструктуры сварного соединения и околошовной зоны – микропоры, микротрещины, нитридные, кислородные и другие неметаллические включения, крупнозернистость, участки перегрева и пережога. Образуются в первую очередь вследствие значительной окислительной среды и неравномерного нагрева и охлаждения металла шва (большая длина дуги, неправильно подобранная скорость сварки, увеличение толщины слоя наплавленного металла). Наиболее опасными дефектами микроструктуры сварного шва являются перегрев и пережог.

Перегрев - участок металла шва имеет крупнозернистое строение, в результате уменьшается поверхность сцепления зерен металла и снижается сопротивляемость ударным нагрузкам и трещиностойкость металла.

Пережог - в структуре металла шва имеется много зерен с окисленной поверхностью и очень низким взаимным сцеплением. Такой металл весьма хрупок и не поддается исправлению. Причиной образования пережога является высокая температура сварки и плохая изоляция сварочной ванны от кислорода воздуха.

К эксплуатационным дефектам относятся, прежде всего, коррозионные повреждения и усталостные трещины. В трубопроводах встречаются все виды коррозии: точечная, язвенная, сплошная. Глубина повреждений варьируется от 0,5 мм до сквозных отверстий. Наиболее опасными эксплуатационными дефектами являются «холодные» и усталостные трещины. В большинстве случаев трещины возникают в сварных соединениях с выходом или без выхода на основной металл.

Также часто образование трещин в металле стенки трубопроводов происходит в дефектных зонах концентрации напряжений и на границах вмятин.

Трещины являются самым опасным дефектом, их наличие в трубах любых размеров и направлений не допускается.

Классификация обнаруженных дефектов производится по действующей нормативно-технической документации по СНиП 11-23-81 и РД 34.10.130-96.

Вопросам надежности и определения остаточного ресурса трубопроводов посвятили работы многие ученые как в России, так и за рубежом. Но на сегодняшний день решены еще не все задачи в этом направлении. Ведутся исследования по трещиностойкости, коррозии, коррозионному растрескиванию труб, по повышению надежности эксплуатации трубопроводов и т. д.