Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением

Изобретение относится к коррозионным испытаниям, а именно к способам испытания высокопрочных сталей на склонность к коррозионному растрескиванию. Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) заключается в том, что сперва вырезают модельный образец прямоугольной формы, его очищают от загрязнения, обезжиривают и высушивают. Затем на рабочей части модельного образца закрепляют герметичную ячейку с коррозионным раствором и между металлической поверхностью рабочей части упомянутого образца и внутренней поверхностью ячейки с коррозионным раствором помещают пластину из пористого неметаллического материала. Далее перед началом испытания выполняют тарировку модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной возникающих на внешней поверхности образцов напряжений. Затем нагружают модельный образец, задавая начальную нагрузку на него σ₀=σ_т, где σ_т - предел текучести трубной стали. Далее выбирают режим циклического нагружения и проводят ступенчатое статическое нагружение модельного образца, увеличивая напряжения в нем с шагом 30 МПа, не изменяя при этом коэффициент асимметрии по напряжению и частоту циклов. Затем испытания проводят до зарождения трещин и по результатам проведенных экспериментов строят график зависимости величины перемещения захвата (S) испытуемого модельного образца трубной стали от числа циклов (N) нагружения, на котором по изменению наклона (появлению перегиба на прямой S-N) фиксируют момент зарождения трещин. После завершения испытаний освобождают модельный образец от ячейки с коррозионной средой и исследуют поверхность рабочей части образца с применением оптических средств измерения, а сопротивление сталей КРН оценивают по результатам испытания не менее чем на двух образцах. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к коррозионным испытаниям, а именно к способам испытания высокопрочных сталей на склонность к коррозионному растрескиванию.

Известен способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (см. патент РФ №2160894 С1, кл. G01N 17/00, 20.12.2000). В известном способе перед воздействием на образец коррозионной среды на него наносят ободок из коррозионно-стойкого материала для инициирования локального анодного растворения. Затем на испытуемый образец воздействуют коррозионной средой, нагружают и катодно поляризуют образец. Катодную поляризацию образца осуществляют плотностью 40-500 мА/см² в момент активного анодного растворения до разрушения образца.

Известный способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) не учитывает структуру трубных сталей, сформированных в процессе металлургического и трубного передела, а также не обеспечивает реальные условия эксплуатации магистральных газопроводов (МГ), следовательно, результаты исследования, полученные с помощью известного метода, не обладают достаточной достоверностью применительно к трубным сталям.

Наиболее близким к предлагаемому способу испытаний является способ испытаний образцов металлов на коррозионное растрескивание (метод SSRT), который широко распространен при определенных сочетаниях металл-среда при постоянной (медленной) скорости деформации (Паркинс Р.Н. и др. Методы испытания на коррозию под напряжением. Защита металлов, т. IX, №5. - 1973, с. 520-522).

Известный метод позволяет оценить стойкость (склонность) металла к растрескиванию в коррозионной среде, определяя характеристики пластичности образца после разрушения. Реализация метода обеспечивает существенный выигрыш во времени (образец доводится до разрушения в течение нескольких часов), так как время до разрушения образца трубной стали в грунтовом электролите при статической (постоянной) нагрузке может исчисляться годами. К недостаткам известного способа относится его низкая точность, вызванная двумя причинами. Во-первых, использование при испытании с постоянной скоростью деформации малогабаритных (стандартных) образцов не воспроизводит масштабный фактор реальной трубы (ее толщину, кривизну, состояние поверхности), а структура металла и механические свойства образца, как правило, соответствуют структуре и свойствам металла центральной части стенки трубы и, таким образом, не отражают поведение поверхностных слоев металла, подвергающихся воздействию коррозионной среды.

Во-вторых, при оценке стойкости (склонности) к растрескиванию трубных сталей в сильно разбавленных грунтовых электролитах коррозионно-механические трещины появляются в области «шейки» образца непосредственно перед его разрушением. То есть металл подвергается растрескиванию в условиях интенсивной пластической деформации (до 10…15%), что не соответствует наблюдаемым случаям эксплуатационного разрушения металла труб. Тем не менее, появление трещин коррозионного растрескивания при испытаниях образцов методом SSRT позволяет сделать вывод о том, что для сочетания «металл-среда» условием наступления коррозионного растрескивания является непрерывность протекания пластической деформации.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в разработке способа исследования малоуглеродистых низколегированных трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в обеспечении комплексного анализа коррозионно-механических свойств малоуглеродистых низколегированных трубных сталей с высокой степенью достоверности оценки стойкости трубных сталей к КРН, в том числе в зависимости от параметров металлургического качества сталей.

Известно, что склонность к растрескиванию проявляется в строго определенном (для каждого сочетания «металл-среда») диапазоне скоростей пластической деформации, определяемой неравенством

где - скорость пластической деформации; - первая критическая (пороговая) скорость пластической деформации, меньше которой в металле будут превалировать процессы общей коррозии; - вторая критическая (пороговая) скорость пластической деформации, превышение которой будет приводить к пластическому формоизменению образца без трещинообразования (Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов, том II-1, раздел II, Материалы в машиностроении, редактор - составитель Е.И. Мамаева, Москва, Машиностроение, 2010, стр. 638, рис. 7.2.4).

Комплексный анализ коррозионно-механических свойств малоуглеродистых низколегированных трубных сталей включает оценку сопротивления исследуемых трубных сталей с учетом реального химического состава стали, ее загрязненности неметаллическими включениями, прокатной структуры, а также натурной толщины и кривизны трубы в условиях, приближенных к условиям работы нагруженного внутренним давлением газопровода.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Для проведения испытаний из стенки трубы магистрального газопровода вырезают модельный образец прямоугольной формы, представляющий собой фрагмент натурной трубы со скругленными боковыми гранями на внешней поверхности. Перед испытанием модельный образец очищают от загрязнений, обезжиривают и высушивают. Затем на рабочей части модельного образца закрепляют ячейку с коррозионным раствором, изготовленную из химически нейтрального по отношению к коррозионному раствору материала, обеспечивающего подвод к упомянутому образцу коррозионного раствора, в котором при необходимости, растворяют инертный или активный газ. Между металлической поверхностью рабочей части образца и внутренней поверхностью ячейки с коррозионным раствором помещают пластину из пористого неметаллического материала, обеспечивая в процессе испытания постоянное смачивание экспонируемой поверхности модельного образца коррозионным раствором, состав которого соответствует составу разбавленных грунтовых вод. Перед началом испытания выполняют тарировку модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной возникающих на внешней поверхности образцов напряжений, например методом тензометрирования. Испытания модельного образца проводят посредством нагружения, задавая начальную нагрузку на модельный образец из расчета σ₀=σ_т, где σ_т - предел текучести трубной стали. Базовое количество циклов выбирают таким образом, чтобы количество ступеней нагружения образца статическим усилием за время испытания составляло не менее пяти ступеней. Режим циклического нагружения выбирают исходя из условий работы изделия - с синусоидальным циклом и коэффициентом асимметрии по напряжению R_s=0,S при частоте циклов в диапазоне от 0,01 до 1 Гц. Затем проводят ступенчатое статическое нагружение, увеличивая напряжения в образце с шагом 30 МПа, не изменяя при этом коэффициент асимметрии по напряжению и частоту циклов. Испытания проводят до зарождения трещин в образце. По результатам проведенных экспериментов строят график зависимости величины перемещения захвата (S) испытуемого образца трубной стали от числа циклов (N) нагружения, на котором по изменению наклона (появлению перегиба на прямой S-N) фиксируют момент зарождения трещин. После завершения испытаний освобождают образец от ячейки с коррозионной средой и исследуют поверхность рабочей части образца с применением оптических средств измерения, после чего измеряют длину трещин. Сопротивление сталей КРН оценивают по результатам испытания не менее чем на двух образцах.

В основу метода положена модель коррозионно-механического зарождения трещин, согласно которой трещины на поверхности образца возникают в результате протекания в локальных объемах металла непрерывной пластической (микропластической) деформации, интенсифицированной коррозионной средой, в результате чего по исчерпании запаса пластичности в указанных локальных объемах металла возникают трещины. Местами для протекания локализованной пластической деформации являются различного рода дефекты микроструктуры металла, выходящие на поверхность образца. Для поддержания требуемой скорости пластической деформации, оптимальное значение которой находится согласно выражению (1), образец в ходе испытания подвергают ступенчатому статическому нагружению, роль которого сводится к следующему.

При циклическом нагружении за счет протекания в приповерхностных слоях металла пластической (микропластической) деформации происходит наклеп, т.е. упрочнение металла. Вследствие этого при неизменной амплитуде циклической деформации процесс накопления пластических деформаций в приповерхностных слоях металла прекращается или существенно замедляется. Это, в свою очередь, приводит к тому, что скорость пластической деформации становится меньше первой критической (пороговой) скорости пластической деформации и растрескивания не возникает. Чтобы восстановить требуемую скорость пластической деформации увеличивают статическую нагрузку на одну ступень, соответствующую прибавке напряжений на величину, например, 30 МПа. При этом амплитуда циклической составляющей нагрузки остается неизменной. По мере очередного упрочнения металла и снижения скорости пластической деформации (выход ее за пределы неравенства (1)) статическую нагрузку повышают на следующую ступень, т.е. вновь на 30 МПа.

Об упрочнении металла вследствие пластического наклепа судят по прекращению приращения перемещения захвата (прогиба) образца на диаграмме «перемещение захвата - число циклов нагружения».

При проведении испытания важно, чтобы начальная величина статической нагрузки соответствовала напряжениям, создаваемым на поверхности образца, равным пределу текучести стали. При более низких напряжениях процесс накопления пластических деформаций, а следовательно, и исчерпание запаса пластичности стали протекают с низкой интенсивностью, что приводит к многократному увеличению времени испытания. В свою очередь, ступенчатое увеличение статической нагрузки не должно превышать 30 МПа на каждом шаге. В том случае, когда шаг статической нагрузки превышает 30 МПа, темп нарастания общей (объемной) пластической деформации в образце становится несоизмерим со скоростью локальной пластической (микропластической) деформации приповерхностных слоев металла, и, в конечном итоге, приобретаемый образцом прогиб не позволяет продолжать испытание.

В процессе испытания амплитуду циклической нагрузки на образец поддерживают в диапазоне σ_а=(0,2-0,3)σ_т, где σ_т - предел текучести стали. При превышении данного значения амплитуды циклических напряжений процесс коррозионного растрескивания "вырождается" в процесс усталостного разрушения, в котором роль коррозионной среды становится малозначимой, практически не оказывающей влияние на кинетику зарождения трещин. При более низких напряжениях процесс накопления пластических деформаций в металле замедляется, следовательно, возрастает время испытания. Следовательно, в обоих случаях испытание не позволяет оценить стойкость трубной стали коррозионному растрескиванию. Таким образом, для воспроизведения механизма коррозионного растрескивания необходимо поддерживать в образце строго определенную скорость пластической деформации, что достигается комбинацией ступенчатого статического нагружения образца (от предела текучести стали) на строго определенную величину напряжений и циклического нагружения заданной амплитуды циклических напряжений.

Следует отметить, что величина статической нагрузки, соответствующая шагу ступени нагружения (30 МПа), и величина амплитуды циклического нагружения (σ_а) были определены экспериментально путем перебора различных вариантов значений нагрузок и их комбинаций.

Эффект, достигаемый в процессе испытания, - появление на поверхности образца за относительно короткое время "колонии" трещин, идентичных по морфологическим признакам с эксплуатационными, создается за счет применения комбинированного нагружения статическим и циклическим усилием, подбора строго определенных режимов нагружения образца для данного сочетания «металл-коррозионная среда».

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-6. На фиг. 1 представлен график зависимости величины перемещения захвата (S) испытуемого образца трубной стали от числа циклов (N) нагружения для этого образца. На фиг. 2 схематично показан стенд для проведения испытаний образца трубной стали на сопротивление против стресс-коррозии. На фиг. 3 представлен эскиз испытуемого образца фрагмента трубы, вырезанного из стенки трубы магистрального газопровода, с помощью которого проводились испытания трубных сталей. На фиг. 4 схематично представлен эскиз ячейки с коррозионным раствором и схема ее закрепления на поверхности модельного образца. На фиг. 5 показана схема подвода коррозионного раствора к поверхности металла рабочей зоны во время испытаний. На фиг. 6 показана схема перемещения захвата испытательной машины с установленным образцом. В таблице приведены рекомендуемые размеры образцов из труб разного диаметра.

Испытания на стойкость против КРН проводят на стенде, обеспечивающем возможность создания заданного усилия на стальные модельные образцы заданной конфигурации из изделий диаметром от 762 мм до 1420 мм. При этом стенд должен обеспечивать возможность приложения циклической нагрузки к образцу в диапазоне частоты циклов от 0,01 до 1 Гц с усилием в диапазоне от 5 т до 25 т, с точностью задания нагрузки - не менее 0,5% от величины нагружения.

В состав стенда для проведения испытаний (фиг. 2) на сопротивление против стресс-коррозии входят: испытуемый образец - 1; верхняя опора, выполненная в виде нагружающего пуансона - 2; шарнирная опора - 3; нижняя опора - 4; стальная накладка - 5; подвижная траверса - 6; гидропульсатор - 7; силоизмеритель и пульт управления - 8, который предназначен для осуществления функции автоматического контроля перемещения захвата образца не реже одного раза за 10 циклов с тем, чтобы можно было фиксировать момент образования трещин. Кроме того, стенд должен быть дополнительно оснащен вспомогательными устройствами для измерения: рН-метром, термометром, потенциостатом, колбой для подачи электролита, переносным микроскопом с точностью измерения до 0,01 мм.

В ходе проведения испытаний образца (фиг. 3) фрагмента трубы, диаметр которой - D (мм), фиксируют следующие параметры:

L - длину рабочей зоны образца до и после испытания (мм);

h - толщину рабочей зоны образца до и после испытания, (мм);

В - ширина образца, (мм);

N- количество циклов до появления трещин, (ед.);

σ_n - напряжение образования трещин, (МПа);

f - диапазон изменения частоты циклов, (Гц);

R₇ - радиус боковых граней образца;

R_z - параметр шероховатости поверхности;

x - количество трещин в рабочей зоне образца, шт.

Испытания проводят не менее чем на двух образцах одного изделия.

Образец фрагмента трубы для проведения испытаний вырезают из стенки трубы магистрального газопровода перпендикулярно оси с сохранением натурной кривизны и состояния поверхности (дефектов проката, следов атмосферной коррозии и др.). Образец представляет собой симметричный участок изделия, например, прямоугольной формы со скругленными боковыми гранями на внешней поверхности; конкретные размеры образца определяют в зависимости от геометрии изделия. Используемая форма образца позволяет минимизировать влияние контактных напряжений и локализовать процесс растрескивания стали в центральной (рабочей) части образца. Целесообразно осуществлять выбор размеров образцов из труб в соответствии с приведенными в таблице параметрами трубы.

Для точного вычисления деформирующей и испытательной нагрузки размер (диаметр) рабочей части образцов определяют с точностью до 0,1 мм. Перед испытанием образцы тщательно промывают органическим растворителем, например, ацетоном, с помощью тампона. После обезжиривания образцы высушивают при температуре 40-50°С в течение 10-15 минут.

После очистки на рабочую часть образца 1 (см. фиг. 4) закрепляют в зоне приклейки 11 ячейку с коррозионным раствором 9. Поскольку образование и развитие трещин стресс-коррозии в газопроводах протекает в местах проникновения грунтового электролита под изоляцию, при проведении экспериментов было решено моделировать условия, возникающие на поверхности трубы под отслоившимся покрытием. Ячейку с коррозионным раствором 9 изготавливают из химически нейтральных по отношению к коррозионной среде материалов, обеспечивающих возможность подвода коррозионной среды, инертного или агрессивного газа, а также герметичность в процессе испытаний. Размеры (длину и ширину) ячейки с коррозионным раствором не регламентируют, но площадь экспонируемой поверхности образца не должна выходить за пределы его рабочей зоны. В зазор между металлической поверхностью и внутренней поверхностью ячейки с коррозионным раствором помещают пластину 10 толщиной от 3 до 5 мм из пористого или губчатого неметаллического материала, например, фетра или поролона, обеспечивая в процессе испытания постоянное смачивание экспонируемой поверхности образца коррозионным раствором. Объем ячейки с коррозионным раствором должен обеспечивать удельный объем коррозионной среды не менее 30 см³ на 1 см² неизолированной рабочей поверхности образца (СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением», Открытое акционерное общество "Газпром", 2007, стр. 9).

После установки на образец 1 ячейки 9 с коррозионным раствором с помощью баллона 14 с углекислым газом из колбы с коррозионным раствором 13 по переливной трубке 12, снабженной иглой, к ячейке 9 подводят раствор (фиг. 5), моделирующий коррозионно-механическое воздействие на материал труб, например раствор Паркинса NS₄ (0,483 NaHCO₃ + 0,122 KCl + 0,137 CaCl₂ + 0,131 MgSO₄·7H₂O (г/л), с показателем рН=6,8 после барботажа 5% раствором CO₂). Состав такого раствора в наибольшей степени соответствует составу разбавленных грунтовых вод. Выдержку образца с подводом раствора до проведения испытания осуществляют в течение 72 часов.

После выдержки образец 1 и ячейку с коррозионным раствором 9 устанавливают на опоры испытательной машины как показано на фиг. 6.

При испытании (фиг. 6) образец 1 опирают наружной стороной на шарнирные опоры, выполненные в виде роликов 3. На внутреннюю поверхность укладывают стальную накладку 5 толщиной 8 мм и шириной 40 мм, предварительно сформованную под кривизну внутренней поверхности испытуемого образца. Нагружающий пуансон 2 закрепляют в верхнем захвате, а нижнюю опору с испытуемым образцом 1 и роликами, установленными на расстоянии, равном 0,9 от длины образца, опирают на корпус нижнего захвата. Благодаря промежуточной стальной накладке 5, расположенной между образцом и нагружающим пуансоном, удается минимизировать влияние контактных напряжений и обеспечить относительно равномерное распределение напряжений по поверхности образца. Таким образом, обширный участок наружной поверхности образца включается в активное нагружение.

В процессе испытаний производят поднасыщение коррозионного раствора, например, углекислым газом (СО₂) и замер его температуры.

Начальную нагрузку на образец σ₀ задают из расчета σ₀=σ_т, где σ_т напряжение, соответствующее пределу текучести стали. Базовое количество циклов при начальной нагрузке выбирают исходя из условий работы изделия с синусоидальным циклом и коэффициентом асимметрии цикла напряжений R_s=0,8 при частоте циклов в диапазоне от 1 Гц до 0,01 Гц. Посредством комбинированного, например циклического и ступенчатого статического нагружения, увеличивают напряжения в образце на заданную постоянную величину, сохраняя коэффициент асимметрии по напряжению и частоту циклов. Испытания проводят до зарождения трещин.

Перед началом испытаний выполняют тарировку испытуемых модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной возникающих на внешней поверхности образцов напряжений. Для этого целесообразно применять электротензометрический метод определения деформации, при реализации которого тензодатчики наклеивают в рабочей зоне образца по направлению главных напряжений.

При расчете изгибающего момента криволинейность модельных образцов не учитывают, а при расчете напряжений в образце схему нагружения криволинейного образца заменяют расчетом напряжений, создаваемых в прямолинейной балке, подвергнутой 3-точечному изгибу.

Для рабочей части образца (фиг. 3) выполняют расчет напряжений в балочном приближении по формуле:

- где М_мах - максимальный изгибающий момент в центральной части образца, вычисляемый по формуле , , - приведенный момент сопротивления сечения образца,

- где F - приложенное усилие, (Н);

- L - длина образца, (м);

- h - толщина образца, (м);

- ξ - коэффициент уменьшения жесткости сечения образца изгибу вследствие начальной кривизны образца в кольцевом направлении.

Момент зарождения трещин фиксируют по изменению наклона диаграммы «перемещение захвата испытательной машины S - количество циклов (или τ - время) нагружения N» автоматически с шагом 10000 циклов (фиг. 1). Величина напряжения в образце в момент зарождения трещин обозначена как σ_п и характеризует напряжение зарождения трещин, данный параметр также фиксируется при проведении испытаний как дополнительный критерий оценки. Величина S характеризует податливость образца, и ее резкое снижение в процессе испытаний происходит при образовании трещин под действием накапливающихся на поверхности рабочей части образца пластических деформаций. Температуру среды в процессе испытаний выбирают исходя из условий работы изделия. Длительность испытаний определяют временем до момента появления трещин в рабочей части поверхности образца.

После образования "колонии" трещин образцы извлекают из установки, очищают от загрязнений, промывают холодной водой, ацетоном и высушивают. Фиксацию полученных в процессе испытаний трещин осуществляют с применением фотоаппаратуры. Для измерения глубины трещины применяют электропотенциальный метод в соответствии с Методическими указаниями по применению электропотенциального метода измерения глубины трещин в металле энергооборудования РД 34.17.412-88 и акустические методы неразрушающего контроля по ГОСТ 18353 и ГОСТ 20415.

Оценка сопротивления сталей коррозионно-механическим повреждениям учитывает состояние поверхности и кривизну стальных изделий, характер нагружения, уровень создаваемых в образце напряжений, а также натурную толщину и прокатную структуру металла труб, температуру и состав коррозионного раствора, которые обеспечивают поведение образцов при лабораторных испытаниях в соответствии с условиями эксплуатации стальных изделий.

Сопротивление сталей КРН возможно оценивать по главному из критериев или по совокупности следующих критериев:

- время - τ, (ч) или количество циклов - N до появления трещины (группы трещин);

- относительное перемещение захвата испытательной машины, S_отн (%), коррелирующее с величиной накопленной пластической деформации образца в момент зарождения трещины;

- величина пороговых напряжений σ_n (МПа) (сумма статических и циклических напряжений) - напряжения образования трещин;

- плотность трещин ρ (1/см²) - количество трещин, приходящееся на единицу площади рабочей зоны образца.

Более полное понимание изобретения может быть получено со ссылкой на сопроводительные чертежи с помощью конкретного примера его осуществления, приведенного исключительно для иллюстративных целей и не предназначенного для ограничения объема изобретения.

Для проведения исследования из фрагментов труб были изготовлены образцы в соответствии с фиг. 3 в виде карт прямоугольной формы D=762 мм и h=17 мм, изготовленных из стали прочности Х80, центральная часть образца была предварительно зачищена до металлического блеска.

Предварительно для данной стали были определены механические характеристики материала трубы и с помощью испытаний на растяжение стандартных образцов - прочностные характеристики стали: предел прочности σ_в=623,9-639,6 МПА; предел текучести σ_0,2=570,9-575,8; отношение σ_0,2/σ_в=0,90-0,92; относительное удлинение δ₅=19,5-21,0%; относительное сужение ψ=80,8-82,1%.

С помощью закрепленного на поверхности образца экстензометра с измерительной базой 10 мм (DSA 10/10N фирмы «Schenck») была произведена оценка соответствия осевого перемещения захвата и напряжения в образце. Точность показаний экстензометра контролировалась на калибраторе фирмы «Instron».

После зачистки на центральной части образца закрепили ячейку с коррозионным раствором (фиг. 4), приклеивая полиэтиленовую пленку толщиной 200 мкм по контуру зоны и изолируя «рабочую зону» образца, а в зазор между пленкой и поверхностью металла поместили пластину из твердого поролона толщиной 6 мм. Для надежной герметизации образовавшейся полости пленку дополнительно прикрепили к образцу несколькими слоями липкой ленты. Предназначенная для взаимодействия с коррозионной средой площадь «рабочей зоны» составила 30 см². Для проведения исследования дефектов КРН температура не является основополагающим фактором, поэтому эксперимент проводился при комнатной температуре.

Подготовленный образец установили в захваты испытательной машины, как показано на фиг. 6, и начали проводить испытания, нагружая образец статическим усилием для создания на его поверхности начальных напряжений σ₀=570,9-575,8 МПа, равных пределу текучести стали.

Затем приступили к циклическому нагружению образца, обеспечивая следующий режим: задали амплитуду циклической нагрузки на образец - в диапазоне σ_а=0,2σ_т; форму цикла - синусоидальную; коэффициент асимметрии цикла напряжений R_s=0,8; частоту циклов - 0,8 Гц. Слежение за параметрами циклического нагружения осуществлялись с помощью цифровых вольтметров, закрепленных на пульте управления испытательной машины.

Наблюдения за изменением прогиба образца проводились в процессе циклического нагружения (фиг. 1).

При циклическом воздействии величина перемещения захвата (или прогиб) сначала увеличивается, но после 10-12 тыс.циклов величина прогиба стабилизируется на неизменном уровне, т.е. в течение последующих 10 тыс. циклов нагружения прогиб образца не изменяется.

После проведенных 20-22 тыс. циклов ступенчато увеличили статическое усилие на величину, соответствующую росту напряжения в центральной части образца и равную 30 МПа. На данном шаге нагружения вновь первые 10 тыс.циклов отмечалось увеличение прогиба и последующие 10 тыс. циклов - его стабилизация.

Увеличение нагрузки на образец в очередной раз на 30 МПа вновь привело к увеличению прогиба и последующей его стабилизации. Аналогичным образом процесс ступенчатого статического нагружения повторили 9 раз (фиг. 1). На этапе 9 ступени нагружения зафиксирован существенный прирост прогиба в образце при тех же параметрах циклического нагружения. Если зависимость величины перемещения захвата S или прогиба от количества циклов нагружения N в ходе эксперимента до 9-й ступени нагружения носила явно характер линейной зависимости, то в точке "n" (фиг. 1) указанная зависимость отклоняется от линейной, образуя перегиб на графике данной зависимости.

Затем было продолжено циклическое нагружение образца в прежнем режиме в течение 22 тыс. циклов. После выполнения 325 тыс. циклов (см. точку "1" на фиг. 1) испытания были прекращены. С образца была снята нагрузка и поверхность образца ячейки с коррозионной средой была визуально исследована с десятикратным увеличением. На поверхности центральной части образца были зафиксированы трещины параллельной ориентации.

По результатам проведенного испытания для выбранного образца число циклов до зарождения трещин составило 300000, остаточное перемещение захвата, мм: ΔS_стат=-0,26, ΔS_цикл=-0,61, ΔS_сум=-0,87.

Таким образом, предлагаемый способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание позволяет определять сопротивления исследуемых трубных сталей, имеющих различный структурно-фазовый состав, загрязненность неметаллическими включениями, коррозионно-механическим повреждениям в условиях, максимально приближенных к условиям работы нагруженного внутренним давлением газопровода.

Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), заключающийся в том, что:
- для проведения испытаний из стенки трубы магистрального газопровода вырезают модельный образец прямоугольной формы, представляющий собой фрагмент натурной трубы со скругленными боковыми гранями на внешней поверхности;
- перед испытанием модельный образец очищают от загрязнения, обезжиривают и высушивают;
- на рабочей части модельного образца закрепляют герметичную ячейку с коррозионным раствором, изготовленную из химически нейтрального по отношению к коррозионному раствору материала, обеспечивающего подвод к упомянутому образцу коррозионного раствора;
- между металлической поверхностью рабочей части упомянутого образца и внутренней поверхностью ячейки с коррозионным раствором помещают пластину из пористого неметаллического материала, обеспечивая в процессе испытания постоянное смачивание экспонируемой поверхности модельного образца коррозионным раствором, состав которого соответствует составу разбавленных грунтовых вод;
- перед началом испытания выполняют тарировку модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной возникающих на внешней поверхности образцов напряжений;
- нагружают модельный образец, задавая начальную нагрузку на него σ₀=σ_т, где σ_т - предел текучести трубной стали;
- базовое количество циклов выбирают таким образом, чтобы количество ступеней нагружения модельного образца статическим усилием за время испытания составляло не менее пяти ступеней;
- выбирают режим циклического нагружения;
- проводят ступенчатое статическое нагружение модельного образца, увеличивая напряжения в нем с шагом 30 МПа, не изменяя при этом коэффициент асимметрии по напряжению и частоту циклов;
- испытания проводят до зарождения трещин;
- по результатам проведенных экспериментов строят график зависимости величины перемещения захвата (S) испытуемого модельного образца трубной стали от числа циклов (N) нагружения, на котором по изменению наклона (появлению перегиба на прямой S-N) фиксируют момент зарождения трещин;
- после завершения испытаний освобождают модельный образец от ячейки с коррозионной средой и исследуют поверхность рабочей части образца с применением оптических средств измерения;
- сопротивление сталей КРН оценивают по результатам испытания не менее чем на двух образцах.