EVALUATION OF STRUCTURAL PARAMETERS OF CARBON STEEL BY ULTRASONIC METHOD

Самигуллин Г.Х.¹, Самигуллина Л.Г.²

¹Кандидат технических наук, ²Магистрант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

Аннотация

В статье рассмотрены особенности применения ультразвуковой методики оценки структурных параметров сталей марок 20 и 09Г2С, исследовано изменение амплитуды ультразвукового сигнала при изменении средней площади зерна образцов рассматриваемых сталей. Ключевые слова: ультразвуковой контроль, диагностика, оценка структуры стали.  

Samigullin G.H.¹, Samigullina L.G.²

¹Candidate of Technical Sciences, ²Undergraduate, National mineral resources university (Mining University)

EVALUATION OF STRUCTURAL PARAMETERS OF CARBON STEEL BY ULTRASONIC METHOD

Abstract

The article considers the features of application of ultrasonic testing for assessing the structural parameters of steel 20 and 09G2S, investigation the variation of the amplitude of the ultrasonic signal when changing the average area of the grain samples examined steels. Keywords: ultrasonic inspection, diagnosis, evaluation of steel structure.   Актуальность проблемы

На предприятиях нефтегазового комплекса при проведении технического диагностирования оборудования зачастую возникает необходимость оценки структурных параметров стали для изучения влияния эксплуатационного режима на деградацию физико-механических свойств металла. Проведение вырезки образцов не всегда представляется возможным по целому ряду причин. Альтернативный метод реплик также требует значительных трудовых затрат, применения химикатов и соответствующих условий припроведении исследований. В силу этих причин ультразвуковой метод определения структурных параметров может быть использован в качестве экспресс-метода при диагностировании технических устройств и трубопроводов, изготовленных из углеродистых сталей, эксплуатационные свойства которых в процессе эксплуатации подверглись значительным изменениям.

Отработка методики ультразвукового контроля структурных параметров сталей проводилась на модельных образцах широко используемых в настоящее время сталей марок 20 ГОСТ 1050-88 [1] и 09Г2С ГОСТ 19281-89 [2]. Для имитации изменений в свойствах материала выполнялась термообработка образцов при различных режимах.

При обосновании ультразвуковой методики экспресс-оценки структурных параметров были выполнены следующие этапы:

- подготовка и проведение термической обработки стальных образцов;

- оценка размеров зерен для стали 20 и стали 09Г2С;

- определение зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от средней площади зерна;

- разработка рекомендаций по применению ультразвукового метода для оценки изменений эксплуатационныхсвойств сталей.

Стальные образцы указанных марок сталей вырезались из листов в состоянии заводской поставки. Нагрев образцов производился в муфельной настольной электропечи марки ЭП-6/12 [3].

Режимы термической обработки образцов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Параметры термической обработки образцов

Поверхность образцов, полученных в ходе термической обработки, обрабатывалась в соответствии со стандартной методикой [4]. Для оценки средней площади зерен металла использовались: микроскоп МЕТАМ РВ-21 с блоком обработки информации и программа SIAMS 600 [5]. Для определения коэффициента затухания поперечных ультразвуковых волн использовался дефектоскоп УД2-70. Образцы прозвучивались преобразователями с частотами 2,5 и 5 ПЭП, при различных углах ввода сигнала (см. табл.2).

Таблица 2 – Технические характеристики преобразователей

Примеры микроструктуры образцов стали 20 при различных режимах термообработки представлена на рисунке 1, стали 09Г2С – на рисунке 2.

Рис. 1 – Микроструктура образцов стали 20

Рис. 2 – Микроструктура образцов стали 09Г2С

После обработки изображений поверхности образцов с помощью программы SIAMS 600 определялась зависимость амплитуды эхо-сигнала от средней площади зерна с использованием датчиков с частотами 2,5 и 5 ПЭП, при различных углах ввода ультразвукового сигнала.

Результаты сведены в таблицы 3 и 4 соответственно.

Таблица 3 – Зависимость амплитуды ультразвукового сигнала от площади зерна стали 20

Таблица 4 – Зависимость амплитуды ультразвукового сигнала от площади зерна стали 09Г2С при температуре выдержки 950ºС

По полученным результатам были построены графики зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от площади зерна для сталей 20 и 09Г2С. На рисунках 3, 4 представлены графики зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от средней площади зерна термообработанных образцов.

По характеру изменения графиков зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от площади зерна для стали 20 можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальным является использование преобразователя П121-5-70 с углом ввода 70° и эффективной частотой равной 5 МГц, так как в этом случае обеспечивается максимальная разность амплитуд.

Рис. 3 – График зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от средней площади зерна для стали 20:

Ряд 1 – П111-5.0-К6-003; ряд 2 – П121-5-65; ряд 3 – П121-5-70

Рис. 4 – График зависимости амплитуды ультразуковогосигнала от средней площади зерна для стали 09Г2С:

Ряд 1 – П111-2,5К12; ряд 2 – П121-2,5-50; ряд 3 – П121-2,5-65;

ряд 4 – П111-5.0-К6-003;ряд 5 – П121-5-65; ряд 6 – П121-5-70

Анализ графиков изменения амплитуды ультразвукового сигнала от площади зерна для стали 09Г2С позволяет установить, что наиболее оптимальным является использование датчика П121-5-70 с углом ввода 70° и эффективной частотой равной 5 МГц. Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы. 1) Применение метода измерений амплитуды отраженного ультразвукового сигнала позволяет выявить изменения в структурных параметрах углеродистых сталей; 2) Для исследованных образцов стали 20 и 09Г2С при увеличении средней площади зерна образцов увеличивается амплитуда ультразвукового сигнала; 3) Для ультразвуковой экспресс-оценки структурных изменений в углеродистых сталях оптимальным является использование датчика П121-5-70 с углом ввода 70° и эффективной частотой 5 МГц. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов диагностирования технического состояния нефтегазового оборудования, трубопроводов и металлоконструкций с применением средств ультразвуковой дефектоскопии.

Литература

1. ГОСТ 1050-88 Сталь качественная и высококачественная. Издательство стандартов. – М. – 1996. – 46 с.
2. ГОСТ 19281-89 Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия: Издательство стандартов. – М. – 1989. – 12 с.
3. Термотест [Электронный ресурс] URL: http://termotest.narod.ru/6.html (дата обращения 01.09.2015).
4. Геллер Ю.А, Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. – М.: Металлургия, 1989.
5. SIAMS: Продукты [Электронный ресурс] URL: http://www.siams.com/products.htm (дата обращения 01.09.2015).

References

1. GOST 1050-88 Stal' kachestvennaja i vysokokachestvennaja. Izdatel'stvo standartov. – M. – 1996. – 46 s.
2. GOST 19281-89 Prokat iz stali povyshennoj prochnosti. Obshhie tehnicheskie uslovija: Izdatel'stvo standartov. – M. – 1989. – 12 s.
3. Termotest [Jelektronnyj resurs] URL: http://termotest.narod.ru/6.html (data obrashhenija 01.09.2015).
4. Geller Ju.A, Rahshtadt A.G. Materialovedenie. Metody analiza, laboratornye raboty i zadachi. – M.: Metallurgija, 1989.
5. SIAMS: Produkty [Jelektronnyj resurs] URL: http://www.siams.com/products.htm (data obrashhenija 01.09.2015).