Трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) — один из перспективных конструкционных материалов для современных труб. По своим прочностным характеристикам, в зависимости от структуры металлической основы и химического состава чугун с шаровидным графитом не только не уступает, но в ряде случаев превосходит углеродистые и низколегированные стали. К тому же производство труб из ВЧШГ значительно дешевле.
Перед углеродистой сталью ВЧШГ имеет преимущества: меньший удельный вес, более высокий предел текучести и износостойкость, лучшую жидкотекучесть и обрабатываемость. По сравнению с серым чугуном ВЧШГ имеет более высокие пределы прочности, текучести, относительное удлинение, ударную вязкость и антифрикционные свойства. ВЧШГ в среднем в 1,5 раза прочнее обычного серого чугуна, что влечет уменьшение веса деталей на 20–40%. По-этому в промышленно развитых странах и в России им охотно и с большой экономической выгодой заменяют стальные трубы. Область применения ВЧШГ очень велика. Это коленчатые валы автомобилей и тракторов, прокатные валики, зубчатые передачи, детали поршневой группы, штампы, молоты, прессы и т. д.
Трубы из ВЧШГ — это надежный, долговечный и экономичный материал для транспортировки питьевой воды, промышленных и бытовых стоков, а также для решения целого ряда технологических задач.
Эти трубы по ряду параметров являются самыми перспективными:
- эксплуатация трубопроводов — 80 лет;
- наименьшая аварийность по сравнению с трубопроводами из других материалов;
- высокая скорость прокладки и легкость монтажа без сварочных работ;
- низкая коррозия и сохранение высокого качества транспортируемой воды;
- относительное удлинение — не менее 10% — во много раз превосходит показатели для серого чугуна;
- высокая экономическая эффективность за счет низких затрат на прокладку и эксплуатацию чугунных трубопроводов;
- возможность полной утилизации труб после окончания срока их службы.
Многочисленные испытания позволили сделать вывод: трубы из ВЧШГ имеют наряду с расчетными допустимыми нагрузками высокий резерв надежной эксплуатации, что подходит для сложных условий прокладки трубопроводов.
ВЧШГ отличается от серого чугуна тем, что обладает более высокими прочностными свойствами (уВ=420 ПМа, уТ=300 МПа, д=10%).
Существенное влияние на прочностные характеристики ВЧШГ оказывает среднее расстояние между графитовыми включениями. С увеличением расстояния повышается ударная вязкость и немного уменьшается предел прочности при растяжении.
Повышение содержания перлита в чугунах приводит к снижению их пластичности с =15% при 20% до =5% при 60%. Относительное удлинение ферритного чугуна при низком содержании марганца (<0,3%) может достигать =20–25%. При повышении содержания марганца до 0,6% пластичность чугунов снижается вдвое. Эту особенность чугуна необходимо учитывать на практике, так как она позволяет повышать или понижать то или иное механическое свойство путем изменения металлической основы или количества и формы графита. Влияние химических элементов на пластичность чугунов связана с их влиянием на процесс графитизации чугуна и на структуру матрицы.
Влияние кремния связано с его ферритизирующими свойствами, что приводит к увеличению феррита в матрице и, следовательно, к увеличению пластичных свойств чугуна. Однако при дальнейшем увеличении количества кремния в чугуне происходит охрупчивание матрицы, и пластичность резко снижается.
Увеличение количества фосфора и серы тоже приводит к резкому снижению пластичных свойств чугуна с шаровидным графитом. Поэтому обычно содержание фосфора применяют не более 0,1%, количество серы должно быть минимальным.
С увеличением содержания марганца и перлита в ВЧШГ снижается его ударная вязкость. При 0,3% Mn ударная вязкость аН=45 кДж/кв. м, относительное удлинение =25%, а при 0,6% Mn аН=35 кДж/кв. м;д=10%. Например, химический состав труб из ВЧШГ (по испытаниям в 2005 г.) китайского производства, поставляемых в Россию ЗАО «Уральский Стандарт» [4], таков: марганца 0,25%, серы 0,01% и фосфора 0,07%, что подтверждает достаточно высокое качество данных труб.
На прочностные свойства ВЧШГ оказывают влияние параметры микроструктуры (размер графитовых включений, их количество, среднее расстояние между ними). С повышением диаметра включений предел прочности (предел текучести) и ударная вязкость падает для ферритных чугунов в области вязкого разрушения. Это явление связано с тем, что графитовые включения способствуют продвижению вязкого разрушения в чугунах и задерживают хрупкое разрушение. Понижение ударной вязкости с ростом количества включений, а также при увеличении их диаметра объясняется увеличением доли графита и уменьшением доли матрицы на поверхности разрушения.
Особый интерес представляет трещиностойкость ВЧШГ, которой посвящено мало работ [1]. Однако следует отметить, что вопросы трещиностойкости ВЧШГ изучены недостаточно полно, как, например, сталей, что придает работам в этой области новизну и актуальность. На трещиностойкость чугунов с шаровидным графитом оказывает влияние содержание легирующих элементов и микроструктуры. Как известно, увеличение содержания перлита приводит к повышению их прочности и твердости, однако трещиностойкость перлитных чугунов оказалась ниже ферритных. Это связано с тем, что в ферритном чугуне сильная пластическая деформация матрицы может снизить локальную концентрацию напряжений; в перлитном же чугуне даже при небольших нагрузках возможно образование трещин, которые способны привести к разрушению. Увеличение содержания марганца в металлической основе вызывает понижение трещиностойкости, так как при этом снижается пластичность матрицы. Влияние содержания марганца больше, чем выше содержание перлита в чугуне, и незначительно для чугунов с ферритной основой. При содержании перлита более 60% трещиностойкость резко понижается — коэффициент интенсивности напряжений при статическом нагружении К1с равен 40 МПа М. Для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обладающего высокой трещиностойкостью, содержание перлита в чугуне не должно превышать 60%, а содержание марганца — 0,6%. Хорошая корреляция наблюдается между трещиностойкостью чугунов и средним расстоянием между графитовыми включениями. Такую зависимость отмечали другие ученые, использовавшие величину критического раскрытия трещины с.
Значения порогового коэффициента интенсивности напряжений Кth=11,5 МПа Мдостаточно велики для ВЧШГ. Неоднократно отмечалось, что для ВЧШГ эти значения превосходят аналогичные для сталей в 2–3 раза.
Количество графитовых включений при постоянном содержании графита не оказывает влияния на трещиностойкость. Размер включений при постоянном количестве существенно влияет на трещиностойкость, причем при увеличении диаметра включений вязкость разрушения снижается.
Критическое значение J-интеграла при комнатной температуре равно 80–90 Н/мм,а при –100 0С равно 30 Н/мм. Эти значения немного больше, чем Jc=80 Н/мм для широко распространенной низколегированной трубной стали 17ГС [2].
В заключение следует отметить, что коэффициент запаса прочности [3] равен 1,2–3.
Допустимые значения давления для труб, гарантированные заводами-изготовителями, производящими трубы в соответствии с международным стандартом ISO 2531:
- испытательное — до 5 МПа (в зависимости от диаметра труб),
- рабочее — 1,6 МПа (для раструбных труб с обычным типом соединения),
- 2,5 МПа (для раструбных труб со специальными, неразъемными типами соединения),
- 4 МПа (для фланцевых труб).
Применяемые в России трубы из ВЧШГ, в том числе производства Липецкого металлургического завода «Свободный Сокол» (диаметр 100–300 мм) и китайского производства, поставляемые в Россию ЗАО «Уральский Стандарт» (диаметр 400–3 000 мм),соответствуют международным стандартам ISO 2531/ 4179/ 8179.
Выгоду от применения этих труб уже оценили в России, большим спросом они пользуются в Москве и Урало-Сибирском регионе [4]. В МГУП «Мосводоканал» были проведены собственные испытания этих труб, в результате чего им дана положительная оценка.
Литература
1. Косников Г. А. «Характеристики разрушения модифицированного чугуна». В кн. «Контроль качества и меры предупреждения дефектов отливок». — М.: «Металлургия», 1977, с. 13–18.
2. Остсемин А. А. «Метод определения трещиностойкости тонколистовых трубных сталей». // «Проблемы прочности», № 1, 1987, с. 16–20.
3. А. А. Отставнов, А. Д. Алиференков, О. Г. Примин и др. «Оценка напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели системы «грунт — жесткая труба». // «Сантехника», № 6, 2006, с. 18–23.
4. Фатеев И. Б. «Наш стандарт — высокий» // «Водоснабжение и санитарная техника», № 4, 2006, с. 8.
| Автор: А. А. Остсемин Дата: 16.04.2007 Журнал Стройпрофиль 2-1-07 Рубрика: водоснабжение. водоотведение Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |