ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу ПОЯРКОВОЙ ЕКАТЕРИНЫ ВАСИЛЬЕВНЫ на тему:
advertisement
ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу ПОЯРКОВОЙ ЕКАТЕРИНЫ ВАСИЛЬЕВНЫ на тему: «ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ ИЕРАРХИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ МАСШТАБОВ», представленную на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.09. Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли) Проблема совершенствования зон сварных соединений в условиях многопараметрического эксплуатационного воздействия существует давно и ей посвящено множество научных исследований. С одной стороны речь идёт о совершенствовании геометрических характеристик зоны сварного шва и введение более совершенных методов расчёта напряжённого состояния материала, а с другой стороны, необходимо более детальное описание поведения самого материала с учётом возникающих новых возможностей, даваемых методами анализа. Тем более что постоянно совершенствуется технология самой сварки. Современное материаловедение оперирует новыми представлениями об иерархии структур материала, которое позволяет разделить явления, протекающие в металле под действием внешней нагрузки на разных масштабных уровнях. Благодаря этому удалось получить принципиально новые возможности не только в описании структуры металла, но и создании новых технологических процессов обеспечивающих металлу возможности выдерживать в течение длительного срока эксплуатации комплексные воздействия, включая и агрессивное воздействие окружающей среду. Представленная к защите диссертационная работа впервые направлена на изучение зон сварного соединения с позиций нового научного направления «Физическая мезомеханика» в рамках новой парадигмы согласованного поведения металла на разных масштабных уровнях. Такой подход необходим прежде всего потому, что сложная композиция зоны сплавления, самого металла и зоны собственного шва воспринимает нагружение и реагирует на него неоднородно по всему сечению, что требует выяснения именно согласованности процессов накопления повреждений в разных зонах, реализуемых на разных масштабах эволюции указанной системы. Таким образом, представленная к защите диссертационная работа является актуальной, впервые рассматривает поведение металла в зоне сварки с современных позиций материаловедения в рамках нового научного направления, опирается на результаты исследований с применением новых методов и средств анализа структуры металла и поэтому является важной не только в научном, но и в практическом плане использования её результатов в нефтегазовой отрасли. 2 ВВЕДЕНИЕ В данном разделе рассмотрены основополагающие подходы в описании поведения металлов, которые далее, более подробно, рассмотрены автором диссертации. Подчёркнуто, что новые представления о процессах самоорганизации в поведении металла, достижении критической плотности дефектов на разных масштабах, а также введение критериев подобия для сложно-композиционных структур позволяют с новых позиций вести оценку способности металла сопротивляться внешнему воздействию длительное время. Дано обоснование представления данной работы по специальности ВАК 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли), сформулирована цель работы, задачи исследования, а также перечислены марки материала, явившиеся объектами исследования. В завершении раздела описана методология исследования, а также научная новизна, практическая значимость и реализация работы. Замечаний по разделу нет Глава 1. «Структурно-масштабные уровни диагностики состояния металлических материалов и конструкций» представляет собой последовательный и систематический обзор современных представлений «Физической мезомеханики», структурной физики и механики металлов, обосновывающей необходимость рассмотрения поведения металлов на разных масштабных уровнях. Уделено особое понимание в иерархии масштабов мезоскопического уровня, на котором протекают основные процессы эволюции и накопления повреждений в металле при внешнем воздействии. Рассмотрен кластерный подход в описании иерархии процессов эволюции в металле, что позволяет локализовать на разных масштабах зоны с накоплением предельного уровня дефектов. Обосновывается необходимость и правомерность использования фрактального и мультифрактального метода анализа эволюции структуры металла, как нелинейного объекта. Подчёркивается необходимость учёта эффектов взаимодействия не только отдельных элементов структуры, но и кластеров, как масштабно значимых в накоплении повреждений, особенно при достижении ими критического уровня на рассматриваемом масштабе эволюции. Автор справедливо отмечает, что проявление масштабной иерархии процессов эволюции делает неопределённым оценку напряжённо-деформированного состояния (НДС) без введения границ самоподобия, которые, в том числе, могут быть связаны со структурными конгломератами, а могут сами создавать границы для характерной размерности масштаба. Самоподобие процессов поведения металла сварного соединения на разных масштабных 3 уровнях позволяет строить модели НДС в пределах границ масштабов по структурным или фазовым элементам структуры. Это новый подход в анализе поведения материала позволяет принципиально иначе решать вопрос о предотвращении аварий конструкций за счёт диагностики состояния металла на том или ином масштабном уровне. Переходы от одного масштаба к другому обусловлены энергетическими состояниями, которые проявляются в соответствие с принципами фрактальной геометрии природы. Именно фрактальный, нелинейный анализ эволюции структуры позволяет перейти к пониманию того факта, что именно в точках перехода, в так называемых областях бифуркации, металл обладает наибольшей информативностью, являясь системой с множеством возможных путей эволюции. Поиск наиболее оптимального пути эволюции с точки зрения длительности работы металла под действием внешней нагрузки и есть сущность многоуровневого подхода к анализу поведения металла, т.к. бифуркационный переход может быть осуществлён по нескольким путям, многие из которых не являются наиболее оптимальными для последующей длительной работы металла в конструкции. Важным аспектом в рассмотрении самоорганизующихся процессов в металле является понимание, что металл является информационной системой, в которой существует самосогласованный порядок смены процессов эволюции. Он может быть нарушен только в результате особых условий внешнего воздействия. Они лишь влияют на выбор системой того или иного пути, который позволяет сохранять устойчивость к внешнему воздействию. Хочется подчеркнуть, что автор работы справедливо указывает на роль кривизны поверхности в накоплении ею повреждений. Главное, что это самостоятельная подсистема металла, которая определяет его ресурс в области больших долговечностей, т.к. большая её часть соответствует стадии зарождения трещин в поверхностном слое. Очень важно, что автор обращает внимание на тот факт, что при введении представления о характерном размере для оценки повреждённости материала авторы используют критерии, в которые входят разно масштабные параметры (определённые для разных масштабов эволюции металла). Поэтому возникает неопределённость не только в оценке поведения системы, но и в значениях характерных размеров для тех или иных масштабов эволюции. Более того, даже для процесса разрушения следует рассматривать не один, а каскад масштабов в соответствие с их иерархией, т.е. существует не один, а два линейных размера, как границы реализуемых процессов разрушения. Это новое понимание процессов эволюции металла при достижении им предельного состояния с переходом к лавинообразному разрушению. Важная часть данного раздела посвящена анализу различных методологических подходов к оценке фрактальной природы эволюции структуры металла и введение в рассмотрение такого параметра, как однородность и упорядоченность структуры. Подчеркнуто, 4 что мультифрактальный анализ неизбежно оказывается наиболее информативным в анализе поведения системы при одновременно протекающих процессах на разных масштабах. Большое внимание в анализе уделено определению критической температуры хрупкости применительно к трубопроводам нефтегазовой промышленности. Замечания по Главе 1 1. Автор подчёркнул, что в металле сварного соединения протекают «структурнофизические и механические процессы» (стр. 32). С позиций «Физической мезомеханики» в металле протекают структурно-фазовые переходы, которые обуславливают не только накопление повреждений на каждом масштабном уровне, но и отвечают за смену масштабов. 2. В данной главе проведён внушительный и тщательный обзор работ по формированию складок и полос скольжения в поверхностном слое на основе работ, выполненных отечественными исследователями. Однако следовало бы указать и на фундаментальные труды в этой области, например, Муграби. Он предложил связь плотности полос скольжения в поверхностном слое с долговечностью материала на основе многочисленных исследований поверхностных слоев на просвечивающем электронном микроскопе. 3. Справедливо подчёркивая необходимость рассмотрения разномасштабной иерархии процессов эволюции в поведении металла при циклическом нагружении, автор работы не указывает на то, для какого масштаба эволюции будет далее строится модель накопления повреждений – макро- (малоцикловая усталость), или мезо- (многоцикловая усталость). Этот вопрос важен с той точки зрения, что на поверхности протекают процессы накопления разной интенсивности и с разной их локализацией для разных масштабных уровней. Глава 2. Комплексная оценка закономерностей поведения предельных характеристик сварных соединений углеродистых сталей в различных структурных состояниях. В данном разделе последовательно проанализированы представления о природе формирования сварного соединения различными технологическим приёмами. Рассмотрены критерии оценки качества сварного соединения, например, по эквивалентному содержанию углерода, предложенному Плуммером, учитывающему детерминированные связи углерода и основных легирующих элементов в составе стали. Рассмотрена мультифрактальная параметризация структур и поверхностей ямочного рельефа излома и подчёркнуты общие закономерности взаимного влияния основного материала в зоне сварного соединения на поведение всей композиции зоны соединения. 5 Проведён анализ качества процесса сварочного производства по среднему числу дефектов на единицу продукта. Использованы марки конструкционных углеродистых сталей 20, Ст.3, низколегированных для сварных конструкций 09Г2С, 09Г2ФБ 83 (класса прочности К56) и 17Г1СУ (класса прочности К52) производства ОАО «Уральская сталь» (г. Новотроицк Оренбургской области), из которых изготавливались образцы однородных и разнородных сварных соединений. Результаты проведенных исследований, включавших в себя локальных микрорентгеноспектральный анализ, показали сложную картину протекания металлургических процессов в сварочной ванне. В зависимости от интенсивности протекания процессов эволюции структуры, включения могут играть роль не только концентраторов напряжения, но и являться сами источниками образования трещин. Различную способность проявлять свою роль в накоплении повреждений около или непосредственно внутри включения следует рассматривать на основе критерия «альфа», который является коэффициентом жёсткости. Далее автор проводит исследование структурно-механических особенностей образования сварных соединений из низколегированных сталей классов прочности Х65 (марок 17Г1СУ, 09Г2С и 09Г2ФБ) и Х75 (марок 10ХСНД и 10Г2ФБЮ). Приводятся подробные сведения о структурном состоянии швов по направлению от центра шва к основному металлу. Подчёркивается наличие строчечности всех исследуемых сталей класса прочности Х65, совпадающей с направлением прокатки листа. Влияние гетерогенности сварных соединений с поперечными мягкими прослойками на механическое поведение исследуемых сталей было оценено на образцах из сварных соединений с вариацией характера структурно-механической неоднородности путем изменения толщины свариваемых полос. Дополнительно проведён анализ химического состава металла шва, способов сварки и разделки кромок. Проведением дюрометрического анализа установлены значения отношения толщины прослойки к толщине листа для каждой группы исследуемых образцов. Показано, что путем варьирования состава стали, способа сварки, разделки кромок и толщины листа сварные соединения могут иметь степень механической неоднородности от 1,2 до 1,4 с мягкими прослойками относительной толщины 0,2 - 1,0. Установлено, что, начиная с отношения толщины прослойки к толщине листа 0.6, происходит резкое снижение пластичности и энергоёмкости зоны сварки. Автором разработана специальная программа для оценки предельных характеристик сварных соединений, используя характеристики термических циклов и термо-кинетические диаграммы для конкретных материалов, определять размеры и параметры структуры различных участков зоны термического влияния сварных соединений, вычислять стандартные 6 механические характеристики указанных участков. Это, безусловно, важное достижение проведённого исследования. На основе оценки напряженно-деформированного состояния механически неоднородных элементов из сталей повышенной прочности определены поля распределения остаточных соединений в сварном соединении, а также распределение коэффициента коэрцитивной силы. Получены обобщённые характеристики для исследованных сталей указанных параметров, что позволяет их использовать для диагностики НДС исследованных сварных соединений. Аналогичный результат получен и для сварных соединений из сталей повышенной прочности. Выводы по разделу 2 полностью отражают содержание работы. Замечания по главе 2. 1. Рассматривая убедительные диаграммы изменения параметров, например, твёрдости, по зоне сварного шва, автор подчёркивает, что при комплексных рабочих нагрузках (температура, давление) из-за наличия остаточных сварочных напряжений, при наличии хрупких структурных прослоек в соединении может произойти преждевременное (аварийное) разрушение сварного соединения. Однако хотелось бы уточнить вид разрушения – длительное статическое (замедленное хрупкое или ползучесть), или речь идёт об усталости, но специфической из-за указанных неоднородностей материала, как по структуре, так и по напряжённому состоянию, а может быть это процесс коррозионного растрескивания? 2. В формулах на стр. 74 написано «Н» применительно к обозначению твёрдости по Бриннелю, тогда как должно быть написано «НВ». 3. В разделе рассмотрен коэффициент относительной жёсткости «альфа», как характеристика способности включения к растрескиванию или к зарождению трещин, как от концентратора напряжения. Однако рецензент не нашёл пояснений, что представляет собой данная характеристика. 4. Смущает терминология автора работы, когда написано – «шов исследуемых сварных соединений наиболее подвержен внезапному разрушению». По-видимому, речь идёт о быстром разрушении при приложении нагрузки, которое может быть реализовано путём формирования фасеток скола, так и при формировании ямочного рельефа. Однако это два разных по энергоёмкости процесса, хотя и представляются во временном масштабе, как быстрые, кратковременные. 5. Отсутствие нумерации формул затрудняет работу над рукописью диссертации. 7 Глава 3. Оценка влияния циклической повреждаемости на эволюцию структурномеханического состояния разнородных сварных соединений на разных масштабных уровнях. В рассматриваемом разделе автор опирается на результаты испытаний конструкционных низкоуглеродистых сталей для сварных конструкций марок 09Г2ФБ (класса прочности К56) и 17Г1СУ (класса прочности К52), как наиболее широко используемые в трубопроводных системах нефтегазовой отрасли. Свойства материала обеспечены по ГОСТ 1-5477 и ТС 13657842-150-2006. Достоверность получаемых результатов достигнута путём использования сварных образцов толщиной, соотносимой с реальными размерами аппаратов, изготовленных согласно ГОСТ 25502-79. Выбранные в качестве объектов испытания образцы были оптимизированы по напряжённому состоянию с помощью программы «ANSIS». Получены распределения эквивалентных напряжений в образцах в зоне сварного шва для относительных долговечностей 0.2, 0.4, 0.6 и 0.8 от долговечности при разрушении. Проведённым анализом эволюции НДС при циклическом нагружении установлена невозможность применения «энергетической» теории прочности, в которой рост запасенной энергии описывается линейным законом до разрушения металла. Процессы накопления повреждений не линейны. Важным выводом из проведённых исследований является установленная связь НДС с кривизной поверхности зоны сварного соединения. Комплексным металлографическим анализом, включавшим рентгеноструктурный анализ, установлено распределение микротвёрдости, степени искажения кристаллической решётки по мере увеличения длительности циклического нагружения. В процессе циклического нагружения в приповерхностных слоях областей основных металлов выявлены структуры, напоминающие вихревые узоры в виде замкнутых и разомкнутых колец и эллипсов на уровне оптической металлографии. С увеличением количества циклов нагружения на микро масштабном уровне происходит накопление микронапряжений в менее прочном металле, что приводит к образованию полос сброса в области, прилегающей к нему. Интересно отметить, что автором получено распределение плотности дислокации по сечению сварного шва, которое, качественно, не меняется с увеличением числа циклов до разрушения. Это очень важно для понимания масштабной иерархии возникающих процессов диссипации энергии. В области малоцикловой усталости задействованы мезо и макро масштабные уровни, когда основную роль играют повороты, а не процессы, связанные с дислокациями. Нужно рассматривать ной масштаб процесса накопления повреждений. 8 Проведён глубокий анализ выявленных закономерностей и высказана мысль, что для корректного описания пластической деформации при циклической повреждаемости сварных соединений необходим учет разориентации структур на основе теории дисклинаций. Т.е. фактически автор указывает на то, что именно повороты кристаллической решётки определяют процессы интенсивного накопления повреждений в области малоцикловой усталости. Выполнен подробный анализ изменения модуля упругости и относительной деформации по мере накопления циклической повреждаемости зоной сварки. Показано, что вдоль шва и в поперечном ему направлении происходит радикальное изменение модуля упругости, что радикально влияет на способность металла сопротивляться процессу накопления повреждений. Чрезвычайно интересен результат оценки полной и удельной работы разрушения по зонам сварки. Выявлено, что в эти характеристики имеют резкий всплеск при относительной долговечности 0.4, а далее снижаются для зоны термического влияния, или продолжают нарастать в металле сварного шва. Это новое понимание того распределения НДС материала по зонам сварного шва, которого не было получено ранее. Не менее важным результатом является проведенный анализ таких характеристик материала, как предел прочности и текучести материала. Совместная деформация разнородных металлов способствует реализации контактного упрочнения «мягких прослоек» - чем больше степень их неоднородности, тем выше эффект контактного упрочнения мягких прослоек. Проанализирована ударная вязкость и показано, что для стали 17Г1СУ с наработкой вязкость убывает, а в остальных исследованных случаях она возрастала. Выполненная синергетическая и кинетическая оценка критериев работоспособности сварных соединений по методике В.А. Скуднова подтвердила, что именно при относительной долговечности 0.4 происходит радикальное изменение в используемых критериях для оценки поведения металла сварного соединения. Интересным является анализ магнитных характеристик поведения сварного шва. На основе этих результатов может быть реализован на практике неразрушающий контроль накопленных повреждений в неразъёмном соединении. Выявлена анизотропия намагниченности по зонам сварного шва и показано, что для каждой из зон есть устойчивая зависимость этой характеристики от наработки. Измерения плотности дислокаций под изломом подтверждают тот факт, что в процессе разрушения под изломом формируется зона пластической деформации, в которой распределение твёрдости (степени искажения решётки), а соответственно и плотности дислокаций, убывает по мере удаления от поверхности разрушения. Выполненными обширными фрактографическими исследованиями морфологии рельефа излома образцов, подвергнутых растяжению после циклического нагружения, установлено 9 следующее. С увеличением числа циклов нагружения происходит постепенная смена механизма разрушения с вязкого, характеризующимся мелко ямочным рельефом, на квазихрупкий, происходящий путем образования фасеток квазискола. Завершает раздел комплексный мультифрактальный анализ параметров рельефа излома после малоцикловой усталости зон сварки на разных масштабных уровнях. На его основе предложено проводить диагностику состояния поверхности зон сварных соединений с целью ранней диагностики накопленных повреждений до достижения предельного состояния перед разрушением. Выводы по разделу 3 отражают полностью результаты выполненных исследований. Замечания по главе 3. 1. К сожалению, автор не совсем точен в определении причины и следствия для оценки природы разрушения трубопровода. Это, увы, часто встречаемое представление и в других работах, заключающееся в том, что автор пишет «одной из причин разрушения, нефтетрубопроводов является малоцикловая усталость». Малоцикловая усталостное разрушение является следствием, а причиной является высокая напряжённость элемента конструкции. Такая напряжённость может быть сознательно заложена конструктором по тем или иным причинам. Вот если разрушение малоцикловое, а заложено низкое напряжённое состояние, тогда нужно искать причину повышения напряжённого состояния. Однако и в этом случае – не малоцикловое разрушение причина. Это следствие повысившейся напряжённости конструкции, которую нужно устранять или сокращать срок эксплуатации. 2. Автор использует терминологию – «разрушающая долговечность». Лучше, как кажется оппоненту, писать – долговечность на момент разрушения, поскольку долговечность не разрушает. 3. На представленных графиках рис. 3.9 показано практически полное сохранение распределения плотности дислокаций при нарастании долговечности. Это очень интересный результат работы. Как кажется оппоненту, это следует связывать с тем, что определяющую роль в накоплении повреждений играет более высокий масштабный уровень. Хотелось бы услышать мнение автора диссертации по этому вопросу. 4. На рис. 3.12 представлена топография изменения твёрдости по циклической наработке образцов. Далее сделан вывод о периодичности изменения твёрдости, что очень важно и является новым результатом. Однако классического графика не приведено, что затрудняет понимание полученного автором результата. 5. Как кажется оппоненту, не совсем точно названа часть работы 3.4 – «Анализ диаграмм растяжения металла характерных зон сварных соединений в процессе циклической 10 повреждаемости». Диаграммы растяжения в процессе циклической повреждаемости не могут быть получены. 6. В табл. 3.2 написано – «Характеристики сопротивления материала сварных соединений». Видимо автор не дописал слово – разрушению. 7. Конечно, созданный атлас фрактограмм для малоциклового разрушения является достижением автора работы. Однако жаль, что в работе не приведены, хотя бы в приложении, основные данные по этой части исследования. Поэтому одного упоминания о существовании такого атласа явно не достаточно для оппонента, чтобы сделать оценку его значимости. Помимо этого, автор приводит важные результаты по мультифрактальному анализу рельефа этих изломов, вводя масштаб – Мезо-I, Мезо – II, Микро уровень. Без вида самого рельефа излома трудно понять различия в получаемой информации, о которых идёт речь. Глава 4. Масштабно-иерархическая соподчиненность уровней структурно- механической неоднородности сварных соединений при термической обработке. Основное внимание в данном разделе диссертационной работы уделено созданию научных основ повышения эксплуатационных свойств сварных соединений посредством управления их неоднородностью на различных масштабных уровнях. Приведены сведения о режимах и последовательности циклической термообработки образцов со сварными швами, оценена твёрдость и удельная энергоёмкость разрушения. Проведена оценка влияния режимов термообработки на параметры, характеризующие состояние сварного соединения на разных масштабных уровнях. Выполнен подробный анализ последовательности протекания процессов эволюции структур по этапам термообработки. Сопоставлены характеристики микротвёрдости в разных направлениях по сварному шву и её дисперсия, которая выбрана в качестве характеристики поведения материала на масштабном уровне Мезо-II. Показано, что после 4 циклов воздействия на материал происходит выравнивание исследуемых характеристик, что определяет наиболее благоприятное состояние зоны сварного шва с точки зрения однородности его НДС. На основе мультифрактальной параметризации впервые выявлена «корреляция динамики изменения параметра скрытой периодичности с характером изменения энергоемкости разрушения субобъемов на всех стадиях термической обработки». Проведено численное моделирование НДС в зонах сварки образцов при разных режимах термообработки. Показано, что качественно распределение поля остаточной намагниченности и поля остаточных напряжений тождественны. 11 Экспериментально доказано, что после термоциклической обработки при разной исходной наработке изделия происходит существенное возрастание остаточного ресурса в зонах сварных соединений. Детальное изучение химической неоднородности в зонах сварного шва и роли длительности нагрева материала. Показано, что после максимальной исследуемой выдержки происходит выравнивание концентрации химических элементов в зоне сплавления со стороны шва. Так, например, после 30-часого отпуска при 700 °C протяженность зоны повышенного содержания углерода увеличивается до 300 мкм и происходит смещение ликвационной прослойки, обогащенной углеродом, в сторону аустенитной стали. Далее, автор проводит мультифрактальный анализ эволюции структур в зоне сварки после длительного температурного воздействия. Впервые показано, что параметр однородности (скрытой периодичности) на основе фрактального анализа отражает повышение уровня внутренней накопленной энергии в анализируемом объеме металла с повышением длительности нагрева, тогда как многочисленные литературные данные подчеркивают нарастание охрупчивания именно в этой зоне. Следовательно, для описания поведения материала установлены новые информативные параметры на основе мультифрактального анализа, позволяющие более полно и достоверно характеризовать поведение металла в сварном соединении. Аналогичное исследование автор работы проводит последовательно на других масштабных уровнях. Полученный положительный эффект от термоциклической обработки относится только к сталям однородных структурных классов, а для сталей разнородных структурных классов термоциклирование не приемлемо. Выводы по разделу 4 отражают полностью результаты выполненных исследований. Замечания по главе 4. 1. В начале раздела автор пишет: «предложить разномасштабные уровни отклика структуры на характер и интенсивность тепловых воздействий при обработке сварных элементов». Как кажется оппоненту, нельзя за материал предложить то, что он реализует сам. Наверное, автор имел в виду, что нужно «выявить разномасштабные уровни» и рассматривать их в качестве характеристики поведения металла. Тем более, что в предыдущих главах подчёркнуто, что металл ведёт себя самоорганизованно, т.е. реализует тот комплекс свойств и процессов эволюции, которые ему присущи. 12 2. Рассматривая масштабные уровни, автор работы указывает, что на масштабе мезо-I речь идёт о «малом нагружении». Такая характеристика имеет неопределённость и не даёт полного представления об интенсивности воздействия и границах самого масштабного уровня. 3. В рамках фрактальной параметризации подчёркивается именно скрытая периодичность, как информативная характеристика состояния сварного шва. Однако, как кажется оппоненту, другая характеристика – параметр однородности, оказывается не менее информативной. На это указано, например, при сопоставлении изменения толщины диффузионных прослоек в граничной области «феррито-перлитная сталь – аустенитная сталь». Фактически, именно неоднородность прослоек приводит к неоднородности в целом. Поэтому следует обратить внимание автора на то, что параметр однородности также следует рассматривать в качестве характеристики состояния сварного шва. Глава 5. Структурно-механический подход к оценке технического состояния высокотемпературного оборудования оболочкового типа Рассматриваемые материалы данного раздела наиболее близки оппоненту по его основной деятельности и потому представляют особый интерес. На разных масштабных уровнях изучены процессы накопления повреждений и идентифицированы источники зарождения и роста трещины в конструкциях нефтехимического оборудования, преимущественно, трубопроводов. Проведён масштабный и скрупулёзный анализ изменения поведения металла, вырезанного из конструкции, по мере нарастания наработки в эксплуатации. Такая обобщающая сведения об эволюции поведения металла выполнена впервые и её результаты несомненно будут основой для дальнейшего развития направления, связанных с повышением надёжности и эффективности эксплуатации элементов конструкций нефтегазовой и нефтехимической промышленности. Выявлено возрастание разброса твёрдости по Виккерсу с возрастанием её максимальной величины до 35 НV при наработке 128 тыс. часов – сталь 12Х18Н10Т. На макромасштабном уровне проявляется овализация трубы, что является макроскопической характеристикой степени структурной и механической деградации свойств материала. На основе проведённых экспериментальных исследований выявлено возрастание коэффициента деформационного старения металла трубопроводов низкого и высокого давления с увеличением длительности эксплуатации. В перлитной стали марки 12Х1МФ пароперегревателей выявлено увеличение твердости при удалении от внутренней поверхности к внешней независимо от наработки при наибольшей её неоднородности особенно на внутренней поверхности при максимальной (исследованной) наработке 240 тыс. часов. 13 Полученные результаты оценок состояния металла подробно проанализированы на основе известных моделей. Показано, что металлу со значительной разнозернистостью присуща выраженная неоднородность локальной пластической деформации, что согласуется с ранее выявленными закономерностями в поведении металла другими авторами. С возрастанием наработки продемонстрировано деградация состояния границ зерен, выраженная в первоначальном формировании мелких пор, а, далее, происходит увеличение их числа и размеров по мере нарастания наработки. Этот результат чрезвычайно важен для оценки последовательности этапов накопления повреждений в металле, что приводит к возникновению в трубопроводах трещин. Это очевидно, для оппонента, основной механизм утраты работоспособности металла в реализуемых условиях эксплуатации, что, скорее всего, присуще процессу утраты длительной прочности. Существование изменений в режимах нагружения конструкций, глобальные смены в нагруженности, связанные с остановкой и запуском систем приводит к, так называемому, повторно-статическому разрушению. «Статическое разрушение», в данном случае, следует понимать, как длительное статическое разрушение по механизму порообразования по границам зёрен, который выявлен и исследован автором данной работы. Именно на этот феномен указывает автор оппонируемой работы и подробно рассматривает с привлечением известных, ранее проведённых исследований по механизму порообразования, чтобы объяснить и обосновать правомерность своей интерпретации полученного результата исследований. Далее, проведён подробный анализ различных зон повреждения и раз рушения трубопроводов, включая такие явления, как разрушения от кратковременного перегрева детали. Например, оценено изменение количества легирующих элементов в карбидной фазе теплоустойчивой стали 12Х1МФ в зависимости от параметра Ларсена-Миллера. Выявлено экспоненциальное нарастание содержания Mo и Cr в карбидах в процессе нарастания срока эксплуатации. Изучен механизм изменения фазового состава металла трубопроводов в периоды длительных нагревов при температурах эксплуатации паропроводов. Он заключается в последовательной сфероидизация перлита с фрагментарным растворением частиц цементита, а, далее, выраженном в постепенном связывании углерода в карбиды преимущественно по границам ферритных зерен. Отмечена закономерность диффузионных процессов перераспределения химических элементов металла, выраженная в том, что в зонах, прилегающих к области крупных карбидов, обнаруживаются участки с минимальным количеством V и Mo в матрице, вплоть до значений, близких к нулю. Последнее радикально влияет на зернограничную прочность металла. Важно подчеркнуть, что на удалении от зоны трещины число и количество карбидов убывает. 14 Продемонстрированы и изучены сложные процессы коррозии и термической усталости металла. Приведено подробное описание закономерностей указанных процессов на основе выполненного комплекса структурных и фрактографических исследований на разных масштабных уровнях. Например, показано принципиальное различие микроструктуры по периметру одного из сечений исследованного разрушенного участка трубы. Структура с тыльной стороны состоит из феррита, перлита и отпущенной промежуточной составляющей бейнитного типа, тогда как с обогреваемой стороны на внешней поверхности наблюдается полный распад перлита с образованием ферритокарбидной структуры 9-10 балла при наработке с начала эксплуатации 19620 часов. Наконец, на основе выполненного комплекса исследований эволюции структуры металла на разных масштабах автор работы рассматривает методологию диагностики состояния металла в эксплуатации с целью своевременного выявления стадии предразрушения. Существенно отметить, что речь идёт об эксплуатации элементов конструкций за пределами расчётного ресурса, заложенного при проектировании на 100 тыс. часов. Основное внимание уделено таким участкам трубопровода, как гибы, где наиболее интенсивно протекают процессы изменения в состоянии металла. Выполненный комплекс изучения структуры металла, его физико-механических характеристик (твёрдости, предела прочности и других) показал, что его повреждаемость зависит от условий эксплуатации, марки стали и ее структурного состояния. У всех гибов величина действительного зерна соответствует баллам от 6 до 9, а структура металла удовлетворяет нормативным требованиям эксплуатации и стандарта СО 153-34.17.470-2003. Рекомендовано ежегодно подвергать их неразрушающему контролю с оценкой скорости ползучести, а установление остаточного ресурса следует сопоставлять с данными металлографического анализа (интенсивность карбидов, пористость, перераспределение химических элементов и т.д.). Предложена методика установления остаточного ресурса для трубопроводов на основе комплексного анализа качества металла на разных масштабных уровнях. Основные принципы разработанной методологии проиллюстрированы рис. 5.29 и 5.30. Выводы по разделу 4 полностью соответствуют содержанию работы. Замечания по главе 5 1. Автор пишет: «Данная деформация, по мнению Г.Дж. Фроста, М. Ф. Эшби для исследуемого типа оборудования, как правило, контролируется…» Видимо, не совсем точно выражена мысль, т.к. вряд ли Фрост и Эшби исследовали материал оборудования, представленный в оппонируемой диссертации. 15 2. На рис. 5.15 автор приводит морфологию рельефа излома трубопровода после наработки в эксплуатации 235 тыс. часов. Показаны участки около внутренней, наружной поверхности и в центральной части. При этом сказано, что «межзеренное разрушение «воплощается» в подповерхностной зоне внутри трубопровода, и сопровождается образованием квазискола при наличии плоских фасеток хрупкого разрушения с вытянутыми ямками вязкого разрушения. Как представляется оппоненту, на фотографиях нет фасеток квазискола. Более того, для оппонента очевидно, что межзёренные трещины, показанные в плоскости шлифа для центральной части трубы на рис.5.16, указывают на механизм ползучести с реализацией процесса порообразования, что как раз и показано на рис.5.15б. Разрушение произошло в тот момент, когда при длительном статическом нагружении и воздействии температуры произошло накопление критической поверхности по границам зёрен, а далее произошло быстрое развитие внутризёренных трещин с формированием ямочного (вязкого) рельефа. 3. Схемы методологического подхода к прогнозированию остаточного ресурса (например, Рис.5.30) следует рассматривать в качестве иллюстрации методологии автора, тогда как на практике, видимо, следует вносить границы разброса к устанавливаемым предельным величинам ресурса. Ведь для металла и отдельных элементов конструкции существует статистика, которая должна быть отражена при рекомендации возможной эксплуатации до достижения предельного ресурса. 4. На рис. 5.32 представлена схема комплексного подхода к прогнозированию ресурса, которая учитывает вмешательство в процесс эксплуатации. Однако оппоненту не вполне ясно, какова роль вмешательства – она может быть положительной (устранение дефекта) и отрицательной (изменение условий работы). Поэтому, возможно, те линии, которые представлены на графике, требуют дополнительного комментария. Заключение Представленная диссертационная работа является научным обобщением многих новых результатов исследования структуры различных металлов, используемых для изготовления трубопроводов нефтегазовой отрасли, полученных непосредственно автором диссертации и представленных в многочисленных работах, опубликованных в отечественной литературе. В ней впервые выявлены и обобщены новые закономерности накопления повреждений в металле по наработке и разработана идеология прогнозирования остаточного ресурса изделий на основе комплекса металлофизических характеристик накопленных в металле повреждений. Проведена систематизация результатов исследования различных видов и механизмов развития разрушения трубопроводов и на их основе сформулированы критерии, по которым на 16 разных масштабных уровнях может быть полностью охарактеризовано состояния структуры металла с накопленными в ней повреждениями при различном сроке эксплуатации. Автор использовал современное исследовательское оборудование, рассмотрел процессы эволюции в поведении металла с позиций современного научного направления «Физическая мезомеханика», что позволило следующее. Впервые продемонстрировать, с одной стороны, необходимость комплексного подхода при оценке состояния структуры металла на разных масштабных уровнях по его наработке в эксплуатации, а, с другой стороны, чётко выделил различные области металла с накопленными повреждениями. В первую очередь речь идёт о рассмотрении поверхности металла, как самостоятельной подсистемы, в которой процесс накопления повреждения принципиально отличается о того, что происходит во внутренних объёмах металла. Это особенно наглядно показано, например, при изучении распределения твёрдости по сечению трубы, распределении карбидов, процесса порообразования по границам зёрен, распределения карбидных фаз. Именно в результате комплексного анализа удалось сформулировать критерии и разработать методику оценки остаточного ресурса конструкций. Работа по своему характеру исследования, использованной идеологии, методам и средствам анализа, а также по полученным результатам соответствует паспорту специальности Специальность 05.16.09. Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли). Выводы по главам и общие выводы по работе отражают полностью её содержание и полученные в ней результаты. Автореферат диссертации в полном объёме отражает содержание диссертации и полученные в ней результаты. Результаты работы следует рекомендовать в учебный процесс ВУЗов по специальностям «Металловедение», «Металлофизика», «Неразрушающие методы контроля», «Безопасная эксплуатация конструкций» и многих других. Сделанные замечания по работе неизбежны не потому, что она несовершенна или не соответствует требованиям ВАК России, а потому, что она очень пересекается по своей тематике с интересами оппонента и потому вызывает к ней, может быть, более высокий интерес, чем этого требует обычное оппонирование диссертации. Считаю, что по глубине научных исследований, масштабу охвата проблемы и её решению, использованию современных методов анализа работа Поярковой Е.В. в полной мере соответствует требованиям п. 9 «Положения о порядке присуждения ученых степеней» ВАК Минобразования и науки РФ, предъявляемым к докторским диссертациям. Представленная работа является научно-квалификационной, в которой изложены научно-обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для науки и экономики страны. Они 17
