Контроль качества стальных труб. Механические свойства

Для определения механических свойств металла, из которого изготавливают трубы, проводят испытания на растяжение. Растяжение – это деформация, при которой увеличивается длина тела. Оно происходит под действием силы, приложенной к обоим его концам. Равнодействующие этих сил направлены вдоль оси тела. Для испытания на растяжение из металла изготавливают образцы, форма и размеры которых устанавливаются нормативным документом. Один из видов образцов изображен на рисунке 1.

Рис.1 Образец для испытания на растяжение

Основные геометрические размеры образца перед испытанием – начальная длина образца ℓ₀ и начальная площадь поперечного сечения F₀ = а₀ х в₀.

Рис.2 Разрывная машина

Испытания проводят на разрывных машинах (рис.2). В верхний и нижний захваты закрепляют головки образца. Верхний захват неподвижен. Нижний захват плавно опускается, растягивая образец до тех пор, пока он не разорвется. Машина снабжена устройством для измерения прилагаемого усилия. Показатели прочности определяют по диаграмме растяжения, на которой по горизонтали откладывается удлинение образца в миллиметрах, а по вертикали – усилие, прилагаемое к образцу.

При испытаниях на растяжение определяют:

• предел текучести;

• временное сопротивление;

• относительное удлинение.

Предел текучести определяется в тот момент, когда образец только начинает удлиняться, а временное сопротивление – в момент разрыва образца. Предел текучести σ_т определяется по формуле, приведенной на рисунке 3.

Рис. 3 Предел текучести

Здесь Р_т – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки, кгс, а F_о – начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Временное сопротивление σ_в определяется по формуле на рисунке 4.

Рис. 4 Временное сопротивление

Здесь Р_В – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке перед разрушением образца, кгс, а F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Относительное удлинение характеризует пластичность – способность металла без разрушения изменять форму под действием нагрузки и сохранять измененную форму после снятия нагрузки. По тому, насколько удлинился образец, судят о пластичности металла: чем больше удлинение, тем более пластичен металл. Относительное удлинение δ – отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине. Оно определяется по формуле на рисунке 5.

Рис. 5 Относительное удлинение

Здесь ℓ₁ - длина образца после разрыва, мм, а ℓ₀ - первоначальная длина образца, мм. Относительное удлинение вычисляется в процентах.

Механические свойства металла стальных труб газопроводов принимают по таблице 1.

Таблица 1

Кстати, в старых документах на стальные трубы в качестве единицы измерения использовался кгс/мм² - давление, оказываемое силой в один килограмм, равномерно распределенной по площади в один квадратный миллиметр. 1 кгс/мм² больше 1 МПа почти в 10 раз: 1 кгс/мм² ≈ 9,8 МПа.

Ударная вязкость

Ударная вязкость характеризует способность металла к быстрому поглощению энергии. В этом состоит отличие от испытаний на растяжение, изгиб, сплющивание, где усилие возрастает постепенно.

Ударная вязкость измеряется в Дж/см² или в кДж/м². Ее обозначают KCV, KCU, KCT, где KC – ударная вязкость, а третья буква показывает вид надреза: острый - V, с радиусом закругления - U, трещина - Т (рис.6).

Рис. 6 Виды надрезов при испытаниях на ударную вязкость

Для стальных газопроводов определяют ударную вязкость КСU, проводя испытание по Шарпи. При этом призматический образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятникового копра (рис.7).

Рис.7 Испытания на маятниковом копре

Линия удара находится посередине между опорами и непосредственно напротив надреза. Поглощённая при разламывании образца энергия удара пропорциональна разнице высоты, с которой упал копр, и высоты, до которой он смог подняться по инерции после того, как разломил образец.

Ударная вязкость металла стальных труб для газопроводов c толщиной стенки 5 мм и более, прокладываемых в местностях с расчетной температурой ниже минус 40 °C и более, должна быть не ниже 30 Дж/см².

Такую же ударную вязкость должны иметь трубы для газопроводов независимо от района строительства:

• c давлением свыше 0,6 МПа и при номинальном диаметре более 620 мм;

• прокладываемых в районах сейсмичностью свыше 6 баллов;

• испытывающих вибрационные нагрузки;

• подземных, прокладываемых в иных особых условиях;

• на переходах через естественные преграды и в местах пересечений с железными дорогами и автодорогами категорий I - III и магистральных улиц и дорог.

Технологические испытания

После изготовления на заводе трубы проходят технологические испытания: на загиб, на сплющивание, на раздачу, на бортование, а также гидравлические испытания.

При гидравлических испытаниях внутри трубы, заполненной водой, плавно поднимается давление. Время выдержки под давлением и его величина определяются нормативным документом на трубы. Например, водогазопроводные трубы выдерживают под давлением 5 сек. При этом для обыкновенных и легких труб давление составляет 25 кгс/см², для усиленных – 32 кгс/см². Труба считается выдержавшей испытание, если не было течи, потения или остаточной деформации.

При испытаниях на загиб (рис.8, а) труба плавно изгибается вокруг оправки на 90º.

Рис.8 Испытания на изгиб и сплющивание

Радиус загиба определяется нормативным документом на трубы. Например, при условном проходе до 40 мм водогазопроводные трубы изгибают вокруг оправки радиусом 2,5 D_нар, при условном проходе 50 мм – вокруг оправки радиусом 3,5 D_нар. Образец считается выдержавшим испытание, если после загиба на нем не будет изломов, надрывов, расслоений. Испытания проводятся при любом положении шва.

При испытании на сплющивание (рис.8, б) труба плавно сплющивается между параллельными плоскостями до заданного расстояния Н, которое устанавливается нормативным документом на трубы. Например, для водогазопроводных труб расстояние между сплющивающими плоскостями – 2/3 от наружного диаметра. После сплющивания на трубе не должно быть трещин или надрывов. Испытаниям на загиб и сплющивание подвергаются несколько труб из партии (не менее двух штук).

При испытаниях на раздачу в трубу вставляется конусная оправка, которая упирается в стенки трубы (рис.9).

Рис. 9 Испытания на раздачу

Для испытания применяют оправки с углом конусности 6°, 12°, 30°, 45°, 60°, 90° или 120°. Испытание проводят на прессе или испытательной машине. Под действием определенного усилия оправка вдавливается в трубу, раздвигая ее стенки. При этом происходит увеличение наружного диаметра. Например, электросварные трубы по ГОСТ 10705 с условным проходом до 108 мм испытывают на раздачу на оправке конусностью 30°. Увеличение наружного диаметра должно быть не менее 6%. При отсутствии на наружной и внутренней поверхностях трещин или разрывов с металлическим блеском, видимых без применения увеличительных приспособлений, результаты испытания признаются удовлетворительными.

Неразрушающий контроль сварных швов

Сварные швы электросварных труб по ГОСТ 10705-80 «Трубы стальные электросварные. Технические условия», ГОСТ 10706-76 «Трубы стальные электросварные прямошовные. Технические требования» подвергаются 100 % контролю неразрушающими методами. Сварные швы труб водогазопроводных по ГОСТ 3262-75 «Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия» проверяют неразрушающими методами по требованию потребителя.

Для проведения неразрушающего контроля используют магнитный, ультразвуковой, вихретоковой либо рентгеновский методы. Самый распространенный — ультразвуковой. Выполняется процесс автоматически, при этом дефектоскоп устанавливается в линию стана. При обнаружении дефектов они исправляются, а отремонтированные трубы в дальнейшем проходят гидроиспытание.

В следующей статье расскажем об особенностях подземной прокладки наружных газопроводов.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь