Диаграммы состояния

Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия (окончательное состояние). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Однако истинное равновесие достигается редко, наиболее часто системы находятся в метастабильном состоянии (неустойчивом), и под воздействием внешних факторов могут переходить в другие более устойчивые состояния. Метастабильные состояния нередко сообщают сплавам высокие механические и другие свойства.

1.2 Правило фаз

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное состояние сплавов, то есть после того как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (Т⁰ С; Р, МПа) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

С = К - Ф + 2,

где С - число степеней свободы системы (или вариантность);

К - число компонентов, образующих систему;

2 - число внешних факторов (Т и Р);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

При нормальных условиях изменяется только один фактор -Т⁰ С, Р =const, тогда:

С=К - Ф + 1.

Число степеней свободы не может быть меньше нуля, тогда К-Ф+1>0, а Ф<К+1, то есть число фаз в сплаве, не может быть больше чем число компонентов плюс единица. Таким образом, в двойной системе может быть не более трёх фаз.

При С = 0 - существует в равновесии сразу три фазы - имеется нонвариантное равновесие (безвариантное). При таком равновесии сплав может существовать только при условии - постоянная температура и определённый состав всех фаз, находящихся в равновесии. То есть кристаллизация (или превращение) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Если С =1 или 2, то кристаллизация или превращение протекает с течением времени в интервале температур.

При прокладке трубопроводов на заболоченных или обводненных грунтах выполняется балластировка трубопроводов, т.е. закрепление их (трубопроводов) с помощью утяжеляющих грузов или бетонирования. Эта статья рассказывает о самом популярном методе балластировки - применении железобетонных утяжелителей (ЖБУ).

Виды железобетонных утяжелителей: П-образные, кольцевые , поясные, сборно-блочные и заливаемые твердеющие растворы, в том числе системы типа «труба в трубе» с межтрубным цементно-песчаным заполнителем.

Наиболее распространены утяжеляющие ж/б пригрузы типов УБО (охватывающий) и УБК-М (клиновидный). Эти грузы следует применять для балластировки трубопроводов на переходах через болота различных типов и малые водотоки, на выпуклых и вогнутых кривых и прямолинейных участках, прилегающих к ним, на углах поворота в горизонтальной плоскости, на участках выхода трубопровода на поверхность, имеющего положительную температуру. Сюда же относятся и пойменные участки трубопроводов, прилегающие к водным преградам и подверженные паводковым затоплениям. Таким образом, опасность всплытия трубопроводов достаточно реальна. Самый распространённый вид пригрузов – седловидные. Главным недостатком этого груза является то, что, центр тяжести конструкции расположен выше оси трубопровода, а это приводит к тому, что нередко положение равновесия нарушается и пригруз опрокидывается. Кроме того, возможна поломка пригруза в вершине седла, вследствие малого сопротивления бетона изгибу.

Указанные недостатки частично устранены в конструкциях шарнирного пригруза и пригруза типа СУГ, однако устойчивость их недостаточна. Привлекательна своей устойчивостью конструкция пригруза УБО, т. к. центр тяжести конструкции размещается ниже оси трубопровода.

Однако использование железобетонных пригрузов связано с большими капиталовложениями, т. к. расход железобетона очень велик.

В условиях обводнённой и заболоченной местности балластировка трубопро-водов осуществляется одиночными и групповыми железобетонными пригрузами. Опасность всплытия трубопроводов имеет место на обводняемых участках их трассы. К обводняемым относятся участки трассы трубопровода, на которых происходит постоянное или временное превышение уровня грунтовых вод над уровнем дна траншеи и связанное с этим воздействие на трубопровод выталкивающей силы во-ды. Обводнение участков в процессе строительства и эксплуатации может происходить за счёт притока талых и дождевых вод через боковые стенки и дно в открытую траншею или в грунт обратной засыпки, бокового притока поверхностных и грунтовых вод из-за перераспределения стоков, вызванных отрывкой траншеи, оттаивания грунта вокруг трубопровода при транспортировке.

Недостатки применения ЖБУ состоят в их высокой стоимости и недостаточной надёжности для пучинистых грунтов вечной мерзлоты. В системе маги-стральных газопроводов на участке Ямбург – Ныда выявлены сотни всплывших участков газопроводов, забалластированных железобетонными утяжелителями типа УБК, УБО. Общее растепление вечной мерзлоты в первые годы работы га-зопровода привело к массовым всплытиям его участков. Жёсткие связи в системе «трубопровод – закрепляющая конструкция – грунтовое основание» в период пучения промерзающего грунта не выдерживают усилий, возникающих при подъёме трубопровода и разрываются в силу того , что не способны компенсировать вертикальные перемещения трубопровода и перераспределить их  между отдельными закрепляющими устройствами. Кроме того, взаимодействие этих устройств с трубопроводом создаёт значительные локальные нагрузки, повреждающие изоляционное покрытие и вызывающие повышение напряжений изгиба в стенке труб.

Влияние углерода и примесей на свойства стале

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности , а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зёрен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25ºС.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера уменьшает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988ºС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зёрнами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость аи пластичность (и ), а также предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

истые металлы, содержащие 99,99…99,999 % основного металла, как правило, обладают низкой прочностью, и по этой причине их применение в качестве конструкционных материалов крайне ограничено. Гораздо чаще применяют сплавы металлов с металлами и неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы состоят из двух и более компонентов. Сплавы получают сплавлением жидких компонентов или диффузионным спеканием твердых порошков.

В металловедении широко используются понятия система, фаза и структура.

Система – это совокупность большого числа фаз, находящихся в равновесии.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отдельные от других составных частей системы поверхностями раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения отдельных фаз в металлах и сплавах. Различают макроструктуру (т.е. строение металла и сплава, видимое невооруженным взглядом или при увеличении до 30…40 раз) и микроструктуру (наблюдаемую с помощью оптических и электронных микроскопов при большем увеличении).

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, в сплавах могут образовываться 3 вида фаз:

1) Жидкие растворы могут содержать одну или несколько фаз, если они не смешиваются (например: вода и масло, железо и свинец).

2) Твердые растворы – это фазы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов, а атомы другого компонента располагаются внутри решетки, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения (рис. 23а) и твердые растворы внедрения (рис. 23б). Все металлы в той или иной степени растворяются друг в друге (например: в алюминии растворяется до 5 % меди; в меди может раствориться до 39 % цинка – однофазная латунь). Важнейшими для нас твердыми растворами внедрения являются: феррит[30] – твердый раствор углерода в α-Fe и аустенит[31]– твердый раствор углерода в γ-Fe.

3) Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющих большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение A_nB_m, где n и m – простые целые числа. Важнейшим для нас химическим соединением является цементит – карбид железа Fe₃C; он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.

Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механические смесипредставляют собой двух и более фазные структуры, состоящие из перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими для нас механическими смесями являются:перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81 % С и ледебурит– механическая смесьзерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3 % С.

Футеровка труб производится с целью защиты их от коррозии, механических и атмосферных разрушительных факторов, а также воздействия агрессивных химических веществ. Сам процесс футеровки может происходить несколькими способами.

Футеровка труб производится с целью защиты их от коррозии, механических и атмосферных разрушительных факторов, а также воздействия агрессивных химических веществ. Сам процесс футеровки может происходить несколькими способами. Каждый из этих способ отличается рядом достоинствам и недостатков. Поэтому, выбирая подходящий, необходимо учитывать данную конкретную ситуацию и среду, с которой будет контактировать покрытие. Футеровка труб крайне необходима, даже когда речь идет об их дальнейшем взаимодействии с питьевой водой, обдающей депассивирующим действием, относительно поверхности металла.

Некоторым преимуществами отличается способ футеровки труб, где актуально использование вкладышей. Фторопласт наносится на поверхность трубы, посредствам напыления, либо ротационным формированием фторопластов. Кроме того, могут использоваться внутренние вкладыши, устанавливаемые свободно вовнутрь трубы, либо приклеиваемые к ее корпусу.

Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выделений графита. На рис. 21 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями - стабильная диаграмма железо-графит. По диаграмме железо-цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железо-графит - серые чугуны. На диаграмме железо-графит горизонтальные линии E'C'F' и P'S'K' лежат несколько выше, а наклонные линии CD' и E'S' -. несколько левее соответствующих линий диаграммы железо-цементит.

На диаграмме железо-графит линия ACD' - линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD' - графит (первичный). На линии солидуса E'C'F' при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S'E' показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. При понижении температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным. На линии P'S'K' при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S'), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным. После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в большинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.

Теплоизоляционные материалы – это материалы, обладающие низкой теплопроводностью ( до 0,18 Вт/м С) и низкой средней плотностью ( до 600 кг/м³).

К этим материалам относят теплоизоляц мастики, засыпки, штучные теплоизол. материалы, рулонные, в виде плит ( минеральная вата).

Классификация:1. по области применения: - изоляционно – монтажные; изол. – строительные; изол. – отделочные.

2. по структуре- волокнистые- ячеистые- зернистые с открытой или закрытой пористостью.

3. по форме и внешнему виду- рыхлые и сыпучие-рулонные и шнуровые- штучные (сигменты, скорлупы, блоки).

4. по средней плотности (основная классификация) подразделяются на марки:- особо низкой плотности (до 75 кг/м³). - низкой плотности (до 175 кг/ м³) - средней плотности (до 350) - плотные (до 600 кг/ м³)

5. по виду исходного сырья- органические- неоганические-смешанные

6. по жёсткости- мягкие(М)- полужёсткие(ПЖ)- жесткие(Ж) -повышенной жесткости -твердые(Т)

7. по теплопроводности-

- группа А – НИЗКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ<0,06 Вт/м С

- группа Б– СРЕДНЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ<0,06 – 0,115 Вт/м С

- группа В– ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ=0,115 – 0,118 Вт/м С

8. по возгораемости- незгораемые- трудносгораемые- сгораемые

Макроструктура металла (от макро... и лат. stuctura — строение), строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах — темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т. д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т. д.

МИКРОСТРУКТУРА - строение веществ и материалов, видимое в микроскоп при достижимых с его помощью увеличениях. Чаще всего это название относят к строению кристаллич. веществ и, в частности, металлов и металлич. сплавов, в которых строение подчиняется определенным и простым законам (см. Сплавы). Микроструктура металлов и сплавов обнаруягивается при рассмотрении с помощью микроскопа полированной поверхности их в отраженном свете. До травления полированной поверхности металла можно наблюдать лишь встречающиеся в металле неметаллические включения, т. к. все они, не принимая полировки, кажутся в отраженном свете более темными, чем окружающий их металл. 

Стеклоэмаль - это полученная плавлением стекловидно застывшая неорганическая масса, состоящая преимущественно из окислов и нанесенная на металл в один или несколько слоев

Введение в состав эмали различных окислов позволяет изменять свойства эмалевых покрытий в широком диапазоне в соответствии с условиями применения. В основном используются легкоплавкие грунтовочные и покровные эмали для индукционного эмалирования труб, что позволяет снизить расход электроэнергии на индукционное оплавление покрытия (снижение температуры оплавления на 100°С уменьшает расход электроэнергии в среднем на 20-25 %). Достаточно широко применяются покрытия из эмали этиноль. Основой этой эмали служит лак этиноль - готовый к употреблению продукт, имеющий следующую характеристику: содержание сухого вещества (лаковой основы) - 43 %; вязкость по вискозиметру ВЗ-4 - не менее 13 с; массовая доля стабилизатора - 1,5- 2,5 %; продолжительность высыхания пленки лака при 20°С - не более 12 ч. В качестве наполнителя применяют асбест хризотиловый 7-го сорта, содержание свободной влаги в котором не должно превышать 3 %. Если влажность асбеста больше 3 %, то его сушат (при температуре не выше 110°С). Эмаль этиноль (64 % - лак этиноль и 36 % - асбест) готовят перемешиванием компонентов в диспергаторе при температуре не выше 40С.[32]

Процесс разрушения материала сосредоточен в малой окрестности вершины трещины, где весьма высока концентрация напряжений, обусловленная малым радиусом закругления. Напряженное состояние в этой области при различных схемах нагружения на основе методов теории упругости формулы (2.10) можно в общем виде представить следующим образом:

Величина К зависящая от вида нагружения, величины нагрузки и формы трещины, называется коэффициентом интенсивности напряжений(размерность К – сила/длина^3/2). В зависимости от вида нагрузки (см. схемы рис. 2.2) коэффициенты интенсивности напряжений отмечают соответственно индексами I, II или III, т. е. К_I, K_II, K_III, r и θ — полярные координаты с полюсом в вершине трещины; f_ij — некоторая функция угла θ.

Именно это обстоятельство и позволило принять величину К_I за критерий, определяющий начало роста трещины. По Д. Ирвину в линейной механике разрушения: трещина будет распространяться тогда, когда величина коэффициента интенсивности напряжений достигнет критического значения, характерного для данного материала.

Этот подход, получивший название силового, связан с представлениями о том, что разрушение обусловлено превышением напряжениями некоторого предельного значения. Принятие величины К_I за параметр, контролирующий рост трещины предполагает существование его предельного значения К_IС, соответствующего началу не­ко­н­т­рол­и­ру­е­мого роста трещины которое принимается за одну из характеристик материала.

Критерий развития трещин нормального отрыва имеет вид

К_I=K_Iс.(2.17)

Аналогично записывают два других критерия K_IIс и K_IIIс для трещин поперечного и продольного сдвига: К_II=K_IIс, К_III=K_IIIс

К_IС есть мера трещиностойкости материала. Поэтому К_IС называют «вязкостью разрушения при плоском деформированном состоянии». Для материалов с малой вязкостью разрушения допускаются только маленькие трещинки.

Критические значения коэффициентов интенсивности напряжений определяют экспериментально. Методика их определения регламентируется соответствующими стандартами.

Углерод является неметаллическим элементом. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в α-железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.

Аустенит — твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — 2,14%. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

Перлит — механическая смесь феррита и цементиту, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эв-тектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.

Основные положения

Железо — металл серебристобелого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, а технические сорта 99,8—99,9 % Fe.

Температура плавления железа 1539 °С.

Железо известно в двух полиморфных модификациях α и γ. α-железо существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 1). Для интервала температур 1392— 1539 °С   α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Кристаллическая решетка α-железа — объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.

Критическую точку α-γ превращення (рис. 1) при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аг3 (при охлаждении). Критическую точку α-γпревращення железа при 1392 °С обозначают Ас4 (при нагреве) и Аг4 (при охлаждении).

Кристаллическая решетка γ-железа - гранецентрированныи куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910 °С. Плотность железа выше, чем железа, и равна 8,0-8,1 г/см3. При превращении α-γ происходит сжатие. Объемный эффект сжатия составляет примерно 1%.

водных переходов кардинально отличаются от зарубежных. Кроме собственно

нанесения балластного слоя, они подразумевают при необходимости и тепло-

изоляцию трубопровода слоем пенополиуретана (ППУ), что позволяет исполь-

зовать такие трубы не только в обводнённых условиях, но и в

многолетнемерзлых грунтах, исключая их оттаивание.

Трубы для газопровода Ухта – Бованенково теплоизолируются компани-

ей «Современные трубопроводные системы».

Производственный цикл изготовления элементов трубопроводов в ППУ

изоляции включает в себя основные технологические этапы и операции:

– входной контроль поступающего сырья и материалов;

– предварительную обработку стальных труб и фасонных изделий;

– установку центраторов (центрирующих колец) из ПНД и медного про-

вода системы ОДК;

– протаскивание стальной трубы с центраторами в полиэтиленовую обо-

лочку или оцинкованную оболочку;

– установку заливочных заглушек на торцы получаемой конструкции

«труба в трубе» с созданием при этом герметичной полости межтрубного про-

странства для его заполнения пенополиуретаном;

– предварительную термостатическую обработку собранной трубной

конструкции с целью лучшей адгезии слоя изоляции ППУ к стальной трубе и

гидрозащитной полиэтиленовой оболочки или оцинкованной оболочки;

– впрыскивание расчётной дозы компонентов ППУ (полиол и полиизо-

ционат) на заливочной машине высокого давления через отверстие заглушки;

– контроль качества выпускаемой продукции на соответствие требова-

ниям нормативной документации и оформление «паспорта качества» с отраже-

нием замеряемых параметров.

Основные комплектующие для нанесения ППУ изоляции на трубы и фа-

сонные изделия:

– трубы с наружным диаметром от 57 мм до 1220 мм, длиной до 12 м,

соответствующие требованиям ГОСТ 550, ГОСТ 8731, ГОСТ 8733, ГОСТ

10705, ГОСТ 20295, СНиП 2.04.07 и ПБ 03-75, качество которых подтверждено

сертификатами заводов-изготовителей;

22

– стальные отводы, тройники, переходы и другие фасонные изделия

должны соответствовать требованиям ГОСТ 17375, ГОСТ 17376, ГОСТ 17378,

ГОСТ 17380;

– оболочки полиэтиленовые из полиэтилена низкого давления (ПНД)

высокой плотности чёрного цвета должны быть трубных марок не ниже ПЭ-80

по ГОСТ 18599 чёрного цвета (светостабилизированные 2-2,5% сажи).

Входной контроль качества используемого в процессе изготовления

предызолированных труб исходного материала включает приёмку следующих

видов продукции: стальная труба, пенополиуретан, оболочка полиэтиленовая,

оболочка оцинкованная, отводы стальные, переходы стальные, тройники сталь-

ные, термолента, муфта термоусадочная и другие материалы.

На данном этапе производства труб в ППУ изоляции осуществляется

очистка наружной поверхности стальной трубы до третьего класса очистки по-

верхности трубы, включает обезжиривание поверхности стальной трубы тер-

мическим воздействием (отжиг открытым пламенем) от органических

включений, масел и окислов. Механическая очистка стальной трубы от ржав-

чины и окалин делится на щёточную, дробеструйную, дробеметную либо хи-

мическую. Подготовительный этап завершается контролем качества очищенной

поверхности стальной трубы.

На втором этапе стальная труба подаётся на стол напаковки трубных

сборок линии изоляции труб. На стальную трубу надеваются полиэтиленовые

центраторы и медный сигнальный провод для системы ОДК контроля протечек

теплоизоляции на трубопроводе ППУ. Стальная труба с центраторами и прово-

дами продевается в оболочку полиэтиленовую или оболочку оцинкованную

сборной конструкции труба в трубе. Центраторы обеспечивают соосность

стальной трубы и оболочки для равномерного распределения теплоизоляцион-

ного материала пенополиуретана в предызолированной трубе.

Заключительный этап – контроль качества тепловой изоляции стальных

труб ППУ: cнятие фланцев, термостатирование пенополиуретана, проверка

плотности тепловой изоляции и работы системы ОДК (медных проводов), мар-

кировка труб ППУ. Теплоизоляция каждой третьей трубы ППУ подвергается

технологическому вскрытию для проведения лабораторных испытаний тепло-

вой изоляции (пенополиуретана) на основные контролируемые показатели ка-

чества труб в ППУ изоляции – термической стойкости, плотности,

водопоглащению и адгезии (сцепления) с оболочкой полиэтиленовой. Послед-

ний этап после проверки качества труб ППУ – передача готовой теплоизолиро-

ванной трубы на склад.

Характеристики тепловой изоляции трубы ППУ и фасонных изделий:

плотность пенополиуретана не менее 60 кг/м3, прочность при сжатии при 10%-ой

деформации в радиальном направлении не менее 0,3 МПа, водопоглощение при

кипячении в течение 90 минут не более 10% по объёму.

Торцы тепловой изоляции труб и фасонных изделий могут иметь гидро-

изоляционное покрытие. Пенополиуретан в разрезе должен иметь однородную

мелкоячеистую структуру. Пустоты (каверны) размером более 1/3 толщины те-

плоизоляционного слоя не допускаются.

Наиболее подходящими для изготовления протекторов материалами являются магний, алюминий, цинк и их сплавы. 

Наклеп, возврат и рекристаллизация.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

Большая часть работы, затрачиваемая на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии активируется в металле в виде повышенной потенциальной энергии атомов, смещенных из положения равновесия. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. При нагреве в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, обуславливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.

Возврат.

Это повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов старения.

В процессе возврата различают 2 стадии:

1) Отдых. Когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций. Избыточные вакансии и междуузельные атомы поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве. При встрече вакансии и межузельного атома они взаимно поглощаются. В процессе отдыха частично устраняются и дислокации.

2) Полигонизация – дробление кристаллов на субзерна. Для объяснения процесса предложен следующий механизм. При деформации кристалла (например изгиб) возникают дислокации, распределенные беспорядочно.

При нагреве допускающем самодиффузию, избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки, что приводит к образованию в монокристалле – субзерен.

Рекристаллизация.

1) Первичная рекристаллизация.

До t_ПР сохраняется деформированное зерно (1). При t_ПР в деформированном металле образуются и растут зародыши (2) новых зерен с неискаженной решеткой.

При нагреве металла не восстанавливается старое зерно, а появляется новое. Образование новых зерен (3) вместо ориентированной волокнистой структуры (1) называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизацией.

Предел прочности, а особенно предел текучести, резко снижается, а пластичность (б) возрастает.

t_ПР – температурный порог рекристаллизации.

Для чистых металлов t_ПР = 0,4 t_ПЛ.

2) Собирательная рекристаллизация.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен, за счет других (4). Процесс роста новых зерен называют собирательной рекристаллизацией. При этом предел текучести может уменьшаться. При высокой температуре (выше t’) пластичность может уменьшаться, что сопровождается сильным ростом зерна.

3) Вторичная рекристаллизация.

Зерна растущие с большой скоростью, можно рассматривать как зародышевые центры, поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен.

Размер рекристализованного зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы имеющие мелкое зерно обладают повышенной прочностью и пластичностью. В некоторых случаях требуется более крупное зерно. Величина зерна зависит от температуры рекристаллизации отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, размера исходного зерна.

С повышением температуры и продолжительности отжига размер зерна увеличивается.

При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна.