TADEUSZ LAMBER, JÓZEF WOJNAROWSKI, BRONISŁAW HGDERNY Katedra Mechaniki Technicznej

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

S eria : MECHANIKA z . 36 Nr k o l. 233

________1968

TADEUSZ LAMBER, JÓZEF WOJNAROWSKI, BRONISŁAW HGDERNY Katedra M echaniki Technicznej

PRÓBA OCENY ODPORNOŚCI RUR WIERTNICZYCH NA KRUCHE PĘKANIE

S t r e s z c z e n ie . Dla oceny odporności m e ta li na kruche pęka­

n ie s to s u j e s i ę pow szechnie próby dynamicznego z g in a n ia na standardowych próbkach w obniżonych tem peraturach.

Temperaturę, w k tó r ej zachodzi p r z e j ś c ie ze złemu p o ś l i z ­ gowego do kruchego nazywamy tem peraturą krytyczną albo p r z e jś c io w ą . Temperatura p r z e jśc io w a uzyskana w wyniku badań próbek udarnościowych n ie noże b ezp ośred n io sta n o ­ w ić kryterium d la oceny p r z e j ś c ia w s ta n k ru ch ości kon­

s t r u k c j i .

W pracy zastosowano metodę o k r e ś le n ia tem peratury p r z e jś c io w e j rur okładzinowych w oparciu o s ta ty c z n e z g i ­ n an ie C - p ie r ś c le n i z karbem, k tóre w tym przypadku s ą mo­

delem k o n s tr u k c ji.

1 , Temperatura p r z e jśc ic w a m a te r ia łu i k o n str u k c ji

Niezawodność d z ia ła n ia k o n str u k c ji j e s t w dużym s to p n iu związana z j e j sk ło n n o śc ią do p r z e j ś c ia w s t a n kruchy. N ieb ezp ieczeń stw o pojaw ienia s i ę kruchego pękania można zm n iejszyć p r z e z zastosow a­

n ie odpowiedniego tworzywa i w łaściw y dobór cech konstrukcyjnych.

O bniżenie w ła s n o ś c i p la sty c z n y c h s t a l i łatw o można ujaw nić przy spadku tem peratury. Badania mające na c e lu w ykrycie s k ło n n o ś c i do kruchego pękania przeprowadza s i ę w ięc n a j c z ę ś c ie j w n is k ic h tem­

peratu rach. Temperaturę, w k tó r e j zachodzi p r z e j ś c ie s t a l i ze s t a ­ nu p la sty c z n e g o w kruchy nazywa s i ę tem peraturą p r z e jśc io w ą lub krytyczną. J ej w artość może być miarą odporności s t a l i na kruche p ękanie, a zatem i w pewnym s e n s ie miarą "zapasu p la s ty c z n o ś c i" .

8 4 T . L am b er. J . W o j n a r o w s k i, B , H o d er n y

Znajomość jej pozwala rozgraniczyć dwie strefy temperatur: strefę, w której materiał wykazuje skłonność do złomu kruchego oraz strefę, w której otrzymuje się złom poślizgowy. Ostatni zakres temperatur charakteryzuje się dużym zapasem plastyczności, a więc jest najko­

rzystniejszy dla warunków pracy rur okładzinowych.

W przypadku określonej konstrukcji pod pojęciem temperatury przejściowej rozumiemy temperaturę krytyczną, w której następuje zniszczenie konstrukcji w postaci kruchego pęknięcia [i] .

Skłonność konstrukcji do pękania charakteryzujemy za pomocą za­

pasu plastyczności, który jest tym większy im niższa .jest tempera­

tura. Jak wykazują badania doświadczalne zależność zapasu plastycz­

ności od temperatury jest kwadratowa, zaś od innych czynników jak stanu naprężenia, szybkości obciążenia itp. - liniowa. Parametr temperatury góruje zatem nad pozostałymi czynnikami. 0 ile tempe­

raturę przejściową stali określa się na ogół z prób udarności w obniżonych temperaturach (PN-63/K-84C21 ), to sKłonnoće konstrukcji do kruchego pękania powinno się wyznaczać na obiekcie lub na jego modelu. Wynika to z faktu, że temperatura przejściowa konstrukcji jest zależna nie tylko od temperatury przejściowej materiału jako jego właściwości określonej za pomocą znormalizowanej próby udar­

ności lecz w dużym stopniu jest funkcją cech konstrukcyjnych, wśród których istotne znaczenie ma wielkość i kształt badanej kon­

strukcji. Dlatego uzyskane wyniki na próbkach standardowych nie

®ogą być bezpośrednio wykorzystano do oceny skłonności konstrukcji do kruchego pękania.

Zachodzi więc potrzeba badania kształtu i wymiarów konstrukcji (czyli tzw. efektu skali [2]) na skłonność do kruchego pękania.

» pracy niniejszej podjęto próbę okroślenia temperatury przejścio­

wej rur wiertniczych na C-pierścieniach z odpowiednio naciętym karbem [3]. C-pierścień (rys. 1 ) stanowi w tym przypadku model konstrukcji, który umożliwia określenie wpływu efektu skali na temperaturę przejściową.

P ró b a oceny o d p o rn o śc i r u r w ie r tn ic z y c h n a kruche p ę k a n ie 85

Rys. 1. Próbka w kształcie C-pierścienia z soczewkowym karbem

2. Kruche pęknięcia rur okładzinowych

Warunki pracy rur okładzinowych przy badaniach g e o lo g ic z n y c h i eksploatacji złóz naftowych s ą nadzwyczaj c ię ż k i e . Na przewody rurowe działają bowiem zło żo n e o b c ią ż e n ia s ta ty c z n e i dynamiczne oraz geotermiczne, zm ieniające s i ę z g łęb o k o ścią w ie r c e ń .

W określonych warunkach pracy rur w ie r tn ic z y c h w pewnym m iejscu przekroju może w ystąp ić lo k a ln e o d k s z ta łc e n ie p la s ty c z n e , które na ogół n ie jest równoznaczne ze zniszczen iem ru ry . Przy dalszym bowiem wzroście o b c ią że n ia w zrost o d k szta łceń p la sty c z n y c h w tym przekroju może być zahamowany z uwagi na współpracę warstw s ą ­ siednich, które n ie dozna2y j e s z c z e o d k szta łceń p la s ty c z n y c h . Do­

piero pojawienia s i ę o b c ią że n ia g ran iczn ego, któremu odpowiada uplastycznienie c a łe g o p rzekroju ru ry, spowoduje u tr a tę n o śn o śc i konstrukcji. Z tych względów celowym j e s t stoso w an ie s t a l i o wy­

sokiej granicy plastyczności.

N ie z a le ż n ie od teg o w c z a s ie e k s p lo a ta c j i zdarzają s i ę z n is z ­ c z e n ia kolumn w ie r tn ic z y c h w p o s t a c i k u c h e g o p ę k n ię c ia , k tóre zachodzi p rzy braku od k szta łceń p la sty c z n y c h w s e n s ie makroskopo­

wym.

D latego oprócz d ążenia do uzyskania w ysokiej n o śn o śc i konstruk­

c j i niezw yk le ważnym j e s t z a b e z p ie c z en ie j e j przed sk ło n n o śc ią do kruchego p ęk an ia.

Kruche pękanie j e s t zjaw iskiem złożonym. I mimo że znane są c z y n n ik i sp r z y ja ją c e p ojaw ieniu s i ę kruchego p ę k n ię c ia m a teria łu , t o jednak ilo ś c io w e u j ę c ie te g o zja w isk a j e s t trudne.

S to s u je s i ę w ięc t y lk o o k r e ś le n ia częściow o ujmujące warunki, w których za ch od zi proces d e k o h e z ji. Przykładem teg o j e s t o g ó ln ie stosow ana próba u d a rn o ści, k tóra daje in te g r a ln ą charakterystykę sz er e g u różnorodnych stad iów o d k s z ta łc e n ia i p ę k n ię c ia m a teria łu bez u w zględ n ien ia e fe k tu s k a l i . Za kryterium p r z e j ś c ia s t a l i w s ta n kruchy przyjm uje s i ę wtedy o k reślo n y poziom u d a rn o ści. I tak d la s t a l i konstru k cyjn ej u sta lo n o krytyczną w artość udarności U » 1 ,5 - 3 kCto/cm , przy k tó rej w ystępuje n ieb ezp ieczeń stw o kruche­

go pęk an ia.

D la ru r w ie r tn ic z y c h j e s t t o n ie w y sta r c z a ją c e . Zdarzają s i ę bo­

wiem przypadki kruchego pękania ru r w tem peraturze, w k tó r ej sama s t a l jako m a te r ia ł rury p o sia d a u d am ość ok reślon ą za pomocą sta n ­ dardowych próbek, znacznie powyżej w a r to ś c i k r y ty c z n e j. J e s t to spowodowane tym, że rury r e p r ez e n tu ją ju ż konstrukcję i wpływ śr ed n ic y oraz g ru b o ści ś c ia n k i na tem peraturę p rzejścio w ą j e s t i s t o t n y . Ponieważ rury wykonane są ze s t a l i u le p szo n ej c ie p l n i e , wymagania w z a k r e sie u darności powinny być odpowiednio w yższe, p ro p o rcjo n a ln ie do g ra n icy p la s ty c z n o ś c i s t a l i . I s t n i e j e w ięc pro­

blem ustalenia wpływu cech konstrukcyjnych rur okładzinowych oraz własności materiału na przyjęte kryterium kruchości.

W pracy przeanalizowano wpływ grubości ścianki oraz obróbki cieplnej na temperaturę przejściową rur okładzinowych.

86____________________________ T. Lamber, J. Wojnarowski, B. Ho demy

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 8 7

3 . Przyjęcie modelu rury okładzinowej

Określenie temperatury przejściowej bezpośrednio na kolumnach rur okładzinowych jest niemożliwe. Aby badania były zbliżone do warun­

ków pracy obiektu, zamodelowano rurę C-pierścierdem (rys. 1 ), Ictó—

ry swoim kształtem, grubością ścianek i stanem naprężeń wywołanym mimośrodowym zginaniem najlepiej imituje warunki rzeczywiste. Ob­

ciążenie zginające wywołuje w próbkach zmienny stosunek maksymal­

nego naprężenia stycznego X do intensywności naprężeń

6 . ( c c - --n^ C'), od którego zależy charakter złomu. Próba zginania

i & ±

dominuje więc w ocenie tworzenia się złomu kruchego [4], a tym sa­

mym w określeniu temperatury przejściowej.

Zgodnie z teorią Griffitha do zainicjowania kruchego pęknięcia konieczna jest lokalna nieciągłość materiału wywołująca koncentra­

cję naprężeń. Taką nieciągłość tworzą wszelkiego rodzaju defekty istniejące w materiale. Odwzorowanie takich defektów w sensie ma­

kroskopowym najlepiej odtwarza karb soczewkowy przebiegający tyl­

ko do pewnej głębokości próbki [5]. Z tych względów w C-pierście- niach nacinano karb soczewkowy (rys. 1 ), którego wymiary uzależ­

niono od ąrubości ścianki i długości C-pierścienia. Obszar są­

siadujący z krawędzią karbu jest źródłem powstania kruchego pęk­

nięcia i to już przy obciążeniach znacznie mniejszych od granicy plastyczności.

Spiętrzenie naprężeń jest niezbędnym warunkiem na to aby pow­

stała rysa o dostatecznej wielkości przed rozszerzeniem się ob­

szaru plastycznego w makroobjętości ciała.

Nierównomierny rozkład naprężeń i ich koncentracja w dnie kar­

bu soczewkowego już w pierwszej fazie zginania C-pierścienia umo­

żliwia pojawienie się nagłego kruchego pęknięcia.

Naprężenia powstałe na dnie karbu są wyższe od granicy plas­

tyczności materiału i wywołują rozprzestrzenianie się pęknięcia z

p ręd k ością w ięk szą od k rytyczn ej i n ie pozw alają tym samym na p la ­ sty c z n ą makrodefonnację m a te r ia łu w p ła s z c z y ź n ie złomu od stron y karbu.

P roces powstawania złomu może być różn y. Albo pow staje duża i l o ś ć r y s , k tóre za g ę sz c z a ją s i ę w całym obszarze najm niejszego przek roju i łą c z ą s i ę w c z e śn ie j n iż może powstać ry sa o krytycznej w ie lk o ś c i w d n ie karbu, albo t e ż złom pow staje wskutek szybkiego r o z s z e r z e n ia s i ę jed n ej r y s y . Ten o s t a t n i mechanizm powstawania złomu może mieć m ie jsc e zarówno w obszarze s p r ę ż y sto plastycznym , t z n . p o n iż e j g r a n ic y p la s ty c z n o ś c i, jak również powyżej t e j warto­

ś c i [jSj. W t r a k c ie r o z p r z e s tr z e n ia n ia s i ę p ę k n ię c ia r o ś n ie w spół­

czynnik sta n u n ap rężen ia cc p rzy równoczesnym spadku p rędkości r o z p r z e s tr z e n ia n ia s i ę pęknięć p o n iż e j p ręd k o ści k r y ty cz n e j. Część złomu odpowiadająca temu p ę k n ię c iu p osiad a charakter p la s ty c z n y .

4 . M a teria ł 1 sposób przygotowania próbek

M ateria ło n wyjściowym przeznaczonym na próbki b y ły t u l e j e wykona­

ne ze s t a l i 30G2. T u leje t e u lep szon o c i e p l n i e d la u zy sk a n ia trz e c h poziomów g r a n ic y p la s t y c z n o ś c i. Warunki obróbki c ie p ln e j zestawiono w t a b l i c y 1 . Z t u l e i wykonano p i e r ś c i e n ie o śred n icy 0 203,2 i dłu­

g o ś c i 1 0 1 ,6 mm w tr z e c h s e r ia c h o n a stęp u jących grubościach ścian ek 6 ,7 8 mm) 10, 16 mm oraz 1 6 ,3 mu. Z p i e r ś c i e n i w y c ię to seg n en ty o ką­

c i e środkowym 120° oraz n a c ię to karb soczewkowy w p ła s z c z y ź n ie sy ­ m e t r ii C -p ie r ś c ie n ia od str o n y zew nętrznej ( r y s . 1 ) . Odchyłki wyma­

ganych w a r to ś c i w o d n ie s ie n iu do śr ed n ic y i g ru b o ści ś c ia n k i n ie p r zek ra cza ły odpowiednio — 0 ,2 5 i — 0,1 mm.

Przygotowane próbki w k s z t a ł c ie C - p ie r ś c ie n i z karbem w i l o ś c i 90 sz tu k przeznaczono do badań s ta ty c z n e g o z g in a n ia w obniżonych tem peraturach. W ycięte segmenty s łu ż y ł y jako próbki do pomiaru twardości (rys. 2).

66____________________________T. Lamber, J . Wojnarowski, B. Hoderny

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 89

Tablica 1 Zestawienie parametrów obróbki cieplnej próbek ze stali 30G2

Lp.

Oznacze­

nie C-pier- ścieni

Hartowanie Odpuszczanie

tempe­

ratura

°C

czas w min.

ośrodek chłodź.

tempe­

ratura

°C

czas w min.

ośrodek j chłodź« i

1 2 3 4 5 6 7 8

1 1 -f 20 840 40 woda 540-560 60 powietrze 2 21 t 40 840 40 woda 590-610 60 powietrze 3 41 -r 60 840 40 woda 640-660 60 powietrze

Rys. 2. Wycięty se©nent z pierścienia A - powierzchnia przystosowana do pomiaru twardości

90 T. Lamber, J , Wojnarowski, B. Hoderay

Celem przeprowadzenia próby rozciągania, pobrano próbki z tulei w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. Do badań udarności wykonano próbki typu Charpy V (120 sztuk) i Mesnager (40 aztuk). Oś karbu próbek udarnościowych była równoległa do osi walcowania.

5. Sposób i zakreą przeprowadzonych badań

5.1. Próba statycznego rozciągania

W celu określenia własności mechanicznych i plastycznych przepro­

wadzono próbę statycznego rozciągania. Próba ta miała również na celu sprawdzenie, czy zastosowane temperatury odpuszczania zapew­

niły poziomy granicy plastyczności, jakie są wymagane dla poszcze­

gólnych gatunków rur. Szczegółowe -wyniki zestawiono w tablicy 2.

5.2. Próby udarności

Próby udarności miały na celu:

- ustalenie temperatury przejściowej dla stali 30G2j - kontrolę obróbki cieplnej»

- porównanie wyników badań na próbkach typu Charpy V i Mesna­

ger U|

- porównanie temperatury przejściowej materiału i C-pierścieni.

Próby udamościowe przeprowadzono zgodnie z noiraą PN/H-04371 na młocie wahadłowym o zakresach 15 i 30 kto. W każdej temperaturze badania łamano co najmniej 6 próbek. Obniżone temperatury uzyski­

wano podobnie jak przy C-pierścieniach. Udamość stali w funkcji temperatury badania dla temperatuiy odpuszczania 540-5&0°C przed­

stawiono na rysunku 3.

Własnościmechanicznestali30G2

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 91

CM

a)

■§EH

sn *ro

«

^ C\l

*03 E

c a

CD c a

L A

CAa*

CA

O

c a

o

vOco

L AC\J

CD•»

o

CD«•

O O

oCD

VX> vO CD

*k •» •»

CA CA t -

O ) KO KO

SDh

CA CNJ t -

o* •k •k

KO c - KO CM

t - L A L A

c!j M

CA

O

CD

VD

l A

CA•*

¡ A

O•»

L A

O

Ł A

O•k L A

i>i(j

* g i

O Cc

Oco

¡Zł H

+3 m a)3 A fi S 3 o°

® TO

03 ■O

Eh O

CM

O O O

KO V— KO

LA KO KO

1 1 1

O O O

"4- CA

LA I A KO

a- ^CA

92 T. Lamber, J , Wojnarowski, B« Hoderny

ti â

'Vs,

s .

>»

XIO Mes S

P.

3 wo r^io

+»co a xi

>»

« sx S *

o a

•H XI

O o

“•05

«N ^ M (0

P . W

t s 5 SP(9 (3 h

&

«H«0

a

N

►>

*0.O

«o COo*

r%

03 P?

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a l o n c h e p ę k a n i e *3

5.3. Próby zginania C-pierścleni

C-pierścienie poddano próbie statycznego zginania trwającej od 15-30 sekund, na maszynie firmy VEB fferkstoffprufmaschinen o za­

kresie 30000 kG przy nastawieniu 3iłoraierza na 5000 i 15000 kQ.

Padania prowadzono pr-zy różnych temperaturach.

Celem uzyskania obniżonych temperatur C-pierścienie zanurzano w alkoholu znajdującym się w zbiorniku o podwójnych ściankach.

Żądane temperatury badań uzyskiwano poprzez dozowanie stałego dwutlenku węgla, a w zakresie temperatur od -?0°C do -110°C przez wprowadzenie do kąpieli ciekłego azotu. Czas wytrzymywania C-pier- ścieni w kąpieli o określonej temperaturze dla ustalenia się ich stanu termicznego wynosił 15 minut. Temperatury badania poszczegól­

nych pierścieni utrzymywane były z dokładnością — 5°C.

Przykładowe wykresy z przeprowadzonych prób przedstawiono na rysunkach 4, 5 i 6.

5.4. Próby twardości

Badania twardości miały na celu kontrolowanie własności mechanicz­

nych badanego materiału, a zarazem pozwoliły' wykluczyć ewentualne pomyłki wynikłe w czasie obróbki cieplnej. Pomiar twardości prze­

prowadzono metodami Brinella i Rockwolla. średnie twardości oraz względne ich odchyłki standardowe dla poszczególnych serii C-pier- ścieni zestawiono w tablicy 3.

6. Analiza wyników badań

Na podstawie prób udarności wykreślono krzywe przejściowe (rys. 3) badanej stali. Poszczególne punkty krzywych reprezentują średnie arytmetyczne wyników z 6 próbek łamanych w danej temperaturze.

W zasadzie badania udarności przepi-owadzono na próbkach Charpy V z uwagi na lepszą przydatność tej próby do badań w niskich ten-

9 4 T. labber« J . Wojnarowski, B. Hoderny

r\

cöo 3 'Sen

o

o

ó) g S-3

® m fl

i* ,5.

£ 3 oo

'Osn_{J> M} O 'O ®

H h í

H p,

a*

o\

co

VD

LA

fA

CVJ

CO«»

LA

0000

CA t-C\J

O fA

O

<A 8»

LA

(M Ai

O fAAJ

OfA

CO«

VD 0-

CA

O O O

KD T~ 'X)

LA VÖ vX>

¿ CT*

LA LA vx

O

fA

LA IA LA

O

fA

fA

Tablica

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 95

96 T. Lamber, J . ?/o jn a ro w sk i, B. Hoderny

raturach w . Tym niemniej dla porównania przeprowadzono również próby udamości na próbkach Mesnager. Za kryterium przejścia stali vi stan kruchy przyjęto wartość udamości równą 3,0 kQn/cm . Prosta odpowiadająca poziomowi tej udamości w punktach przecięcia z krzy­

wymi przejściowymi wyznacza temperatury przejściowe badanej stali (tabl. 4). Z wykresu (rys. 3) widoczny jest wpływ kształtu karbu na temperaturę przejściową materiału. Krzywa b uzyskana z badan na próbkach Mesnager wyznacza niższą temperaturę przejściową niż analogiczna krzywa uzyskana ra próbkach typu Charpy V. Tłumaczy się to tym, ze ostry karb stwarza lepsze warunki powstawania kru­

chego pękania,

Z uzyskanych wykresów statycznego zginania C-pierścieni w ob­

niżonych teiriperaturaoh wynika, że przejście od złomu poślizgowego do kruchego związane jest ze znacznym zmniejszeniem się ugięcia C-?ierścieni. Np. na rysunku 4 przedstawiony jest wykres ugięcia C-pierścienia, który nie uległ kruchemu pęknięciu.

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 97

Rys. 5. Zmiana siły w funkcji ugięcia C-pierśclenia nr 5» zginane­

go w temperaturze -55°C

Rysunek 5 przedstawia wykres ugięcia C-pierści9nia, w którym powstało kruche pęknięcie, ale dzięki znacznemu zapasowi plastycz­

ności metalu pęknięcie to zostało zatrzymane. Rysunek 6 przedsta­

wia wykres ugięcia C-pierścienia, któiy uległ pęknięciu na dwie części wskutek powstania i rozprzestrzeniania się pęknięcia. Zja­

wisko to jest wynikiem zanikania odkształceń plastycznych z obni­

żeniem temperatury badania i sugeruje, że w ocenie temperatury przejściowej dominującą rolę odgrywa zachowanie się materiału w ob­

szarze odkształceń sprężysto-plastycznych. Jak długo bowiem ist­

nieje pewien zakres złomu poślizgowego, tak długo wydłużenia pla­

styczne osiągają znaczne wartości i są one równe maksymalnemu granicznemu ugięciu, które odpowiada zetknięciu się końców pier­

ścienia. W pewnej temperaturze, przy określonej wartości obciąże­

nia, powstały na dnie karbu stan naprężenia powoduje, że prędkość

rozprzestrzeniania się mikropęknięć przewyższa prędkość odkształ­

cenia plastycznego i w tej fazie powstaje złom kruchy (rys. 7).

90____________________________ T. Łamber, J . Wojnarowski« B. Hodemy

Rys. 6. Ztoiana siły w funkcji ugięcia C-pierścienia nr 3, zginane­

go w temperaturze -86°C

Na wykresie uwidacznia się to nagłym spadkiem obciążenia (rys.

5 i 6). Powoduje to z kolei zatrzymanie swobodnego rozprzestrze­

niania się pęknięcia i dalszy proces powstawania złomu jest wy­

muszony siłą zginającą C-pierścień. W tej fazie powstaje złom po­

ślizgowy', któremu odpowiada znaczne odkształcenie plastyczne. Wy­

nika stąd, że właściwą oceną ciągliwości i własności plastycznych może być tylko ta część ugięcia C-pierścienia, która zachodzi po­

wyżej granicy proporcjonalności, ponieważ uwzględnia ważną cechę materiału związaną z zainicjowaniem i rozprzestrzenianiem się pęk­

nięć. Za miarę tej oceny można przyjąć ugięcie A l (rys. 7), wy-

róba oceny odporności rur w iertn iczych na kruche pękanie 99

Rys. 7 . Zakresy złomu odpowiadające poszczególnym fazom zg in a n ia C -p ie r ś c le n ia

znaczone odcinkiem od g r a n icy p r o p o rcjo n a ln o ści do punktu, w któ­

rym s i ł a o s ią g n ie ponownie w artość odpowiadającą t e j g r a n ic y [3jj8]

Za miarę zapasu p la s ty c z n o ś c i można p rzy ją ć n a stęp u ją ce wyra­

ż e n ie

A l

a = . 100$, (1 )

P Dz g d z ie t

A lp oznacza odcinek obrazujący ugięcie C - pierścieni o śr ed n ic y zew nętrznej Dg (rys. 7),

Z uzyskanych wykresów z g in a n ia C - p ie r ś c ie n i w zakresie obniżo­

nych tem peratur wyznaczono w a r to ś c i a^0 Następnie sporządzono wy­

k resy z a le ż n o ś c i zapasu p la s ty c z n o ś c i od temperatury. Wykresy

przejściowe dla poszczególnych grubości C-pierścieni przedstawiono na rysunkach 8, 9 i 10.

Z wykresów a f(t) można wyznaczyć temperaturę przejściową dla rur, charakteryzującą przejście od złomu, poślizgowego do zło­

mu kruchego. Wartość tej temperatury określono przyjmując za kryte­

rium tę temperaturę, która odpowiada, średniej z maksymalnej i mi­

nimalnej wartości zapasu plastyczności a^. Taki sposób określenia temperatury przejściowej jest konieczny z uwagi na małą liczebność prób. Dla dużej populacji próbnej temperaturę przejściową można wyznaczyć drogą różniczkowania wykresu a * f(T). Ekstremum funk-

d a ^

cji = f(T) określa w sposób ścisły temperatury przejściowe.

Wykreślną konstrukcję przykładowo przedstawiono na rysunku (l1a,b).

Ha wykresach temperatur przejściowyoh rur można wyróżnić górną

_ d

i dolną temperaturę przejściową (rys. 11). Od dolnej temperatury krytycznej w kierunku malejących temperatur powstaje złom wyłącznie kruchy, któremu odpowiada pękanie C-pierścieni na dwie części (rys. 6). W literaturze temperatura ta nazywana jest temperaturą przejściową dla zerowej plastyczności i oznaczana jest przez NDT (nil ductility transition temperaturę).

Zbliżone wyniki do podanej metody Y/yznaozania temperatury przejściowej uzyskuje się z określenia złomu poślizgowego na pod­

stawie wykresu zginania C-pierścieni (rys. 7). Procentową wartość złomu poślizgowego można określić jako stosunek rzędnej odpoyfia- dającej złomowi poślizgowemu do rzędnej odpowiadającej początkowi powstawania złomu kruchego (8ji

Zp « “ P- . 1°05S. (2 )

100___________________________T. Łamber, J . Wojnarowski, B. Hoderny

Z uzyskanej w ten sposób charakterystyki złomu poślizgowego można wyznaczyć temperaturę przejściową posługując się konstrukcją przykładowo przedstawioną na rysunku 12.

Próba oceny odporności rur w ie r tn ic z y c h na kruche pękanie 101

Rys.8.Temperaturaprzejściowa rur o g ■ 6,78mmw funkcjitemperatury badaniai tem­ peraturyodpuszczania

1 0 2 ____________________T. Lamber, J . Wojnarowski, B. Hoderny

Próba oceny odporności rur w ie r tn ic z y c h na kruche pękanie 103

Rys. 10. Temperaturaprzejściowarur o g = 16,6 mmw funkcjitemperaturybadaniai tem­ peraturyodpuszczania

104 T .L am b er, J . Wojnarowski, B« Hoderny

R ys. 1 1 . W ykreślna k o n str u k c ja w yzn aczan ia tem p eratu ry p r z e j ­ ś c io w e j metodą r ó ż n ic z k o w a n ia wykresów a p » f ( ? )

Próba oceny odporności rur w ie r tn ic z y c h na kruche pękanie 105

► p.

N

o8dM06śi/?ori rwo/z %

Rys.12. Sposóbwyznaczaniatemperaturyprzejściowej napodstawiezłomupoślizgowego określonegoz wykresówzginaniaC-pierścieni

1 0 6 T . L am b er, J . W o j n a r o w s k i, B . H o d e r a y

Uzyskane różnymi metodami temperatury przejściowe dla trzech temperatur odpuszczania i dla trzech grubości C-pierścieni zesta­

wiono w tablicy 4.

Rys. 13. Zależność temperatury przejściowej w funkcji gru­

bości ścianki rury i temperatury odpuszczania

Dla zobrazowania wpływu grubości C-pierścieni i temperatury od­

puszczania na temperaturę przejściową sporządzono wykresy, które przedstawione są na rysunku 13. Z wykresów tych widoczny jest du­

ży wpływ grubości ścianki rury na temperaturę przejściową.

Przykładowo: dla temperatury odpuszczania 540-560°C, w C-pier- ścieniach o grubości g « 16,5 mm pojawiły się pęknięcia już w temperaturze otoczenia, podczas gdy dla C-pierścieni o grubości

P r ó b a o c e n y o d p o r n o ś c i r u r w i e r t n i c z y c h n a k r u c h e p ę k a n i e 107

g e 6,78 m cechy te występowały dopiero w temperaturze -40°C. Je­

żeli skłonność do kruchego pękania rur o małej grubości ścianki (g < 7 ram) można określić temperaturę przejściową materiału uzy­

skaną z prób udarności, to dla rur o grubości ścianek g > 7 mm jest to niewystarczające. Dla takich rur temperaturę przejściową należy określać wyłącznie na modelach np. C-pierścieniach.

W miejsce zapasu plastyczności można wprowadzić tak zwany tem­

peraturowy współczynnik plastyczności a^, obliczany z zależności

gdziej

- temperatura pracy konstrukcji w °K, T, - temperatura przejściowa (krytyczna) w °K.

Przyjmując, że w czasie eksploatacji rur temperatura może obniżyć się do -30°C, wyznaczono wartości współczynnika a^ dla temperatu­

ry krytycznej => Wyniki zestawiono w tablicy 5. Dodatnia wartość współczynnika temperaturowego a,j, oznacza, że rury pracu­

jące w danej temperaturze posiadają duży zapas plastyczności, a zatem nie będą wykazywać skłonności do złomu kruchego, co może wy­

stąpić w przypadku ujemnej jego wartości.

Współczynnik ten, podobnie jak temperatura przejściowa, cha­

rakteryzuje skłonności rur okładzinowych do przejścia w stan kru­

chy. W rzeczywistości wielkości i charakteryzują w szer­

szym sensie własności rur, a mianowicie określają ich zapas pla­

styczności, który może być wyczerpany nie tylko obniżeniem tempe­

ratury, lecz prędkością obciążenia, stanem naprężenia, działaniem karbu i innymi czynnikami.

108 T. Lamber, J . Wojnarowski, B. Hoderny

T a b lic a 5 Porównanie tem peratur p rzejściow ych T,

jqp

z temperaturowym w spółczynnikiem p la s ty c z n o ś c i

\ Rodzaj

n. próbki Tenp.N.

odpusz-A.

cz a n ia

°C \

C -p ie r ś c ie ń , D 2 0 3,2 sin

g - 6 ,7 8 ran g m 1 0 ,16 raa g ■ 1 6 ,5 111111

%

°K

a_T Tkp

°K

aT

°K

*T

540 - 560 590 - 610 640 - 660

206.5 1 99.5

188,5"

0 ,15 0 ,1 8 0 ,2 2

2 2 5 ,0 2 1 7 , 0 2 05,5

0 ,0 7 0,11 0 ,1 5

2 4 4 .0 232,5 2 2 5 .0

- 0 ,0 0 4 0 ,0 4 0 ,0 7

7 . W nioski

W wyniku przeprowadzonych badań nasuwają s i ę n astęp u ją ce w nioski»

1 . Dla p ełn eg o o k r e ś le n ia odporności rur okładzinowych na pę­

kanie n a le ż y oprócz g r a n icy p la s t y c z n o ś c i podawać ic h tem peraturę p r z e jśc io w ą .

2 . Wyniki uzyskane z prób u d a r a o śc i n ie s ą m iarodajne d la p e ł ­ n ej oceny odporności rur na o b c ią ż e n ia dynamiczne.

3 . Temperatura p r z e jśc io w a ru r m aleje ze w zrotea g ru b o ści śc ia n e k i można j ą uzyskać na podstaw ie badań na modelu.

4 . O k r e ś le iie tem peratury p r z e jś c io w e j ru r okładzinowych można uzyskać na podstaw ie wykresów z g in a n ia C - p ie r ś c ie n i z karbem. Me­

to d a t a wydaje s i ę n a jb a r d z ie j w łaśoiw a ponieważ u w zględnia e fe k t s k a l i oraz o d k s z ta łc e n ia p la s ty c z n e powyżej g r a n ic y p rop o rcjon al­

n o ś c i, k tó re s ą związane z powstawaniem i propagacją p ę k n ię c ia .

Próba oceny odporności rur w iertn iczych na kruoha pękanie 109

5 . Wyznaczona tem peratura p r z e j ś c ia z prób z g in a n ia C - p ie r ś c ie - n i , może sta n o w ić podstawę do badania ja k o ś c i i k l a s y f i k a c j i rur w ie r tn ic z y c h w z a le ż n o ś c i od warunków e k s p lo a t a c j i.

6 . Przeprow adzenie s e l e k c j i rur w oparciu o próby z g in a n ia C - p ie r ś c ie n i w obniżonych tem peraturach, pozw oli z dużym poziomem u fn o śc i na w ykluczanie ru r, k tó re na sk u tek kruchego p ę k n ię c ia mo­

gą być przyczyną z n is z c z e n ia otworu w ie r tn ic z e g o .

7 . Ze względu na znaczny k o szt przedstaw ionych badań można by­

łob y prowadzić s e le k c j ę rur w ie r tn ic z y c h za pomocą prób u d a m o ś- ciowych pod warunkiem, że krytyczny poziom u d a m o śc i oraz tempera­

tu r ę badania u s t a la ć s i ę b ę d z ie w oparciu o próbę z g in a n ia C -p ie r ­ ś c i e n i .

LITERATURA

[1] Lagasse P.E.: Mesure de l a f r a g i l i t é des aciers par less assa i s de f l e x i o n dynamique, Revue de la Soudure, Nr 2, 1961 r .

[ 2 ] Zakrzewski M.j H ipoteza złomu kruchego, PWN Wrocław 1958 r .

[33 R eçoit o f Task Group on P h y s ic a l P r o p e r tie s API Pipe Manufac­

tu r e r s Subcommittee, Appendix C, 1959 r .

[4] Matwiejew J.M .i Ocenka s k ło n n o s ti k ohrupkomu ro z ru sz e n iju po i s p i t a n i j u obrazcow na w n ie c e n tr ien n o je r o z t i a ż e n i j e . Zawod- sk a ja L aboratoria Nr 4 1967 ( s t r . 7 ) .

[5 ] Irw in G.R.: Trans ASME s e r i a E 1962 nr 4 , s t r . 53.

[6] Nemec J.: Statyczna wytrzymałość wielkich elementów stalowych przy niższyoh temperaturach materiału. Rozprawy Inżynierskie - t. 13, Nr 3 , 1966 r. - str. 4 55 -4 7 3 .

[7] Wolberg J .L .; Piasticzeskaja deformacja pri razruszenii obraz­

cow primieniajemnych dla ocenkŁ chruplcoj procznosti. Zawoskaja Laboratoria Nr 1, 1965 r.

[sj Lamber T.j Wojnarowski J.t Określenie zapasu plastyczności rur okładzinowych metodą Phillipsa. Ref. wstępny-NB-65, 1966 r.

110 T. Lamber, J . WojnarowBki, B. Hoderny

HOntiTKA OlEHKM COIlPOTMBJlEHMii F.yPMJlbl&X TPYE XPyiiKHM PA 3Pyi’ EHHfflvl

P e s b M e

fljiH oueHKM conpoTKBJieHHH ueTaJiJiOB xpynKHM paapymeHHHM npMMe- HHiOTCH B OCHOBKOM M C n t l T a H H H Ha y j a p H U f t H3TJC6 C T a H a a p T H O r O 0 6 - p a 3 u a n p n n o H H x e H K O t i T e M n e p a T y p e . T e M n e p a T y p a , n p v i K O T o p o K n p o - h c x o j h t a e p e x o ^ H3 B H 3 K o r o H 3 J i o u a b x p y n K H i l , H a 3 b i B a e T c a k p h t h - n e c K O f i vir.'A T e M n e p a T y p o i i n e p e x o a a . T e M n e p a T y p a n e p e x o ^ a n o j i y - M e i i H a H b p e s y j i b r a T e u c c j e j ( O B a H n i ! C T a H x a p T h h x o 6 p a 3 U 0 B , He m o - s e T H e n c c p e x c T B e H H O H B J i a T b c a K p n T e p v t e M j y i a o p e h k h n e p e x o j a b X p y n K O e C O C TOHHHe K O H C T p y K U H H .

B pafioTe n p H M e n e a M et o,h o n p e s e a e H H a x p H T H w e c K C f i T e u n e p a x y -

pu CypHJibHHX xpy5, o c H O B a H H u f t Ha C T a T H u e C K O M H3rw6e C - j e o j i e u

c n a s p e 3 0 M , KOTopue hbjihdtch u o ^en b io KO H C T p y K X i MH.

ESTIMATION TEST OP DRILLING TUBES RESISTANCE TO BRITTLE FRACTURES

S u m m a r y

In order to estimate the metals resistance to brittle fractures there has been applied generally a test of dynamic bending by means of standard specimens in lowered temperatures. This tempe­

rature which is a cause of a passage from the skidding scrap to the brittle one has been called a critical or transisiory tempe­

rature.

Transistory temperature resulting from the impact strength test can't be a criterion for the estimation of a structure pas­

sage into the state of fragility. In the paper the method of de­

termining transistory temperature has been applied, depending on static bending of C-rings with a notch, which in this case are the structure models.