Технические науки / 1. Металлургия

К.т.н., Федосеева Е.М.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Неметаллические включения и их минералогия

в сварных соединениях магистральных трубопроводов

К магистральным трубопроводам предъявляются жесткие требования по механическим характеристикам и эксплуатационным свойствам. Изучение влияния неметаллических включений (НВ) на механические и эксплуатационные свойства трубопроводов является актуальным [1]. В сталях и сварных швах присутствуют НВ различного характера и состава; наряду с простыми соединениями встречаются включения сложного характера и комплексного строения, они не имеют когеретной связи с металлом и являются концентраторами напряжений и первичным очагом зарождения сложных дефектов – трещин, вызывающих в процессе эксплуатации разрушение трубопроводов.

Исследования образцов сварных швов соединений магистральных трубопроводов из низколегированной трубной стали Х70 (класс прочности К60) (сварка проведена по технологии РД+МПС (корень: ручная дуговая сварка, электроды LB-52U; заполняющие и облицовочный слои: полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой NR-208S)) показали следующие результаты. При металлографическом изучении НВ определены такие признаки включений, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость. Сопоставление исследуемого включения с эталоном и классификационными таблицами позволило идентифицировать включения на общем уровне. Особое внимание уделено корню шва, т.к. он находиться в более жестких условиях в процессе эксплуатации под действием нагрузок. Установлено, что в корне шва объемная доля включений составляет 0,2699%, в заполняющих слоях – 0,208%, но по количеству включений – в корне больше, что говорит о наличии мелких НВ в большем количестве.

Проведена идентификация неметаллических включений по окраске, форме и расположению. Установлено, что размеры силикатов зависят от содержания кислорода, растворенного в металле, а также от скорости затвердевания. Чем меньше скорость затвердевания, тем большей величины образуются включения силикатов, такие как в середине шва.

Каплеобразную форму имеют включения закиси железа, комплексные оксисульфиды железа, твердые растворы закиси железа с закисью марганца и силикатные стекла, которым всегда присуща правильная шарообразная форма (это менее интенсивный концентратор напряжений) вследствие большой склонности их к переохлаждению, которые наблюдаются как в корне шва, так и заполняющих слоях.

Включения, выделяющиеся в жидком металле, в твердом виде могут иметь кристаллическое строение иногда дендритного характера (например сульфид марганца). При содержании марганца и серы, характерных для промышленных трубных сталей, образуются включения, представляющие собой твердый раствор сульфидов с преобладанием MnS. С увеличением содержания FeS сульфиды приобретают каплеобразную форму, как например, при сварке самозащитной порошковой проволокой.

Размеры сульфидных включений в значительной степени зависят от скорости затвердевания стали. Чем быстрее проходит металл интервал кристаллизации, тем мельче включения сульфидов.

В сварных швах присутствуют и сложные включения типа оксисульфидов, потому как сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные, и сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов. В жидкой стали различные типы включений могут реагировать между собой, образуя сложные включения, как по происхождению, так и по своему составу. Как правило, такие включения имеют сложную форму и как следствие являются интенсивным концентраторами напряжений. Как в корне сварного шва, так и в заполняющих слоях преобладают комплексные включения сложного химического состава на основе кремнезёма, сульфатов, хлоридов и
фторидов (рисунок).

Однако, как показал микрозондовый спектральный анализ, химический состав включений различен. Химический и соответственно минеральный составы этих включений зависят от химического состава металла шва. Сделанные расчёты кристаллохимических формул искусственно образованных соединений (минеральных фаз) – включений корня шва, например, соответствуют по стехометрии: сепиолиту (минерал из класса силикатов, подкласс цепочечных силикатов, группа амфиболов), его кристаллохимическая формула – (Mg_2,792 Fe_0,218Ni_0,015Cr_0,002)_3,027[Si_3,983O₁₁]; для заполняющих слоев: родониту с примесью фтористого соединения, его кристаллохимическая формула без соединения фтора (Mg_2,792Ca_0,717)(Mn_3,100Fe_1,137)_4,237[Si_3,897Al_1,043)_4,940 O₆]; искусственное соединение оксида железа с примесью Mg, Ca, Mn, Ni, Cr, Al [2].

Изменяется загрязненность НВ по объему шва, и, как следствие, свойства металла шва. Выявлено скопление включений в виде цепочек, выделившихся по границам аустенитного зерна (как первичной структуры) при сварке самозащитной проволокой. Однако, балл загрязненности и распределения НВ как в корне шва, так и заполняющих слоях составляет в среднем 2-3 в соответствии с ГОСТ 1778.

Таким образом, металлографические исследования в комплексе с микрозондовым спектральным анализом позволяют дать объемное описание минерологии неметаллических включений, идентифицировать их на более высоком уровне принадлежности и значимости.

Список литературы

1. Роль трубопроводного транспорта в развитии регионов. Под ред. Е.В. Иваницкой. Трубопроводный транспорт, 2009. № 2(14), с. 4-5.

2. Современные методы идентификации неметаллических включений в сварных соединениях трубных сталей. Федосеева Е.М., Игнатов М.Н., Летягин И.Ю., Казымов К.П. Тяжелое машиностроение, 2011. №1, стр. 45-47.