3.8. Фрактографический анализ

3.8.1. Фрактографический анализ проводится при аварийном разрушении сосуда для выявления механизмов повреждения, а также в случае обнаружения при осмотре сосуда дефектов в виде трещин неизвестного происхождения. Фрактографические исследования могут применяться при проведении работ в соответствии с подразд. 3.7 для получения дополнительных данных о свойствах металла.

3.8.2. Фрактографический анализ предусматривает получение качественной и количественной информации о строении изломов с помощью визуального их рассмотрения, а также с использованием оптических и электронных микроскопов и других приборов (электронно-фрактологический анализ).

3.8.3. При анализе причин трещинообразования или разрушения фрактографический анализ проводится на макро- и (или) микроуровне. В первом случае при визуальном рассмотрении или при небольших (до 50 крат) увеличениях для получения интегральной картины процесса разрушения (с выделением по виду излома характерных зон, указывающих на характер силового воздействия, ориентацию и макрогеометрию излома, степень пластической деформации, микромеханизм разрушения и цвет излома), во втором случае - с привлечением широкого диапазона увеличений (100 - 50000 крат) в целях получения подробностей рельефа излома в пределах отдельных зерен и субзерен.

3.8.4. Классификацию видов изломов по всей площади поверхности разрушения следует проводить в соответствии с рекомендациями [41].

3.8.5. В целях более достоверного определения причины трещинообразования или разрушения сосуда следует установить очаг зарождения трещины и его связь с природой (причиной) образовавшихся дефектов металла, в том числе со шлаковинами, неметаллическими включениями, непроварами, несплавлениями, коррозионными язвами и механическими повреждениями (вмятины, задиры и т.д.).

3.8.6. При кристаллическом характере поверхности разрушения элемента сосуда очаг зарождения трещины определяется по "шевронному" рисунку (рельефу), а именно по направлению сходимости лучей (ступенек) рельефа, указывающего на направление к очагу зарождения трещины.

3.8.7. Для усталостного излома свойственна относительно плоская, без развитого рельефа поверхность разрушения, не обнаруживающая признаков пластической деформации, а при условии отсутствия смыкания берегов трещины - наличие на поверхности разрушения усталостных бороздок (следов периодической остановки трещины).

3.8.8. В ряде случаев очаг зарождения усталостной трещины выявляется по изменению цвета излома и наличию на поверхности разрушения концентрических (относительно очага зарождения трещины) линий (бороздок), появление которых связано с изменением режима нагружения и состава коррозионной среды.

3.8.9. Электронно-фрактологический анализ изломов, возникших при эксплуатации сосудов, проводится после очистки поверхности разрушения от грязи и продуктов с помощью органических растворителей (ацетон, керосин, толуол, бензин, гексан, гептан и т.п.) и последующей осушки излома с целью удаления влаги.

3.8.10. Выбор оборудования для проведения электронно-фрактографического анализа изломов осуществляют в соответствии с МР 5-81 [42].

3.8.11. При определении технического состояния сосудов, выполненных из материалов, у которых под действием эксплуатационных факторов может происходить изменение исходных свойств, приводящее к их охрупчиванию, проводится оценка вида и величины (степени) охрупчивания материала под воздействием технологических и эксплуатационных факторов.

3.8.12. К технологическим факторам охрупчивания относятся все виды воздействий на стадиях изготовления (вальцовка, подгиб кромок, сварка, термообработка и т.д.), транспортировки и монтажа сосуда.

3.8.13. К эксплуатационным факторам охрупчивания относятся все виды тепловых, механических, коррозионно-механических и коррозионных воздействий в период эксплуатации сосуда, включая технологические и внеплановые остановы.

3.8.14. К числу основных видов охрупчивания, возникающих при эксплуатации конструкций, относятся:

а) тепловая хрупкость, обусловленная сегрегацией вредных примесей типа фосфора и его химических аналогов и выделением карбидов по границам зерен при длительном воздействии повышенных температур (150 - 500 °C);

б) водородная хрупкость, вызванная воздействием водорода и водородосодержащих газовых и жидкостных сред;

в) деформационное старение в зонах конструкции, испытывающих малоцикловую усталость и статическую или циклическую перегрузку в результате накопления при пластической деформации дефектов кристаллической решетки типа дислокаций и последующего закрепления их атомами внедрения типа углерода и азота;

г) сульфидное растрескивание, обусловленное влиянием сульфидсодержащих составляющих в жидкой и газовой средах;

д) коррозионное растрескивание под напряжением, вызванное одновременным воздействием механических нагрузок и электрохимических процессов коррозии;

е) хлоридное растрескивание, связанное с присутствием в жидкой фазе ионов хлора.

3.8.15. В зависимости от конструктивных особенностей сосуда, наличия зон с различными условиями эксплуатации (температура, давление, среда и т.д.), режимов сварки и материального исполнения элементов конструкции степень охрупчивания металла может существенно различаться, что следует учитывать при выборе места отбора проб.

3.8.16. В зависимости от потенциальной опасности, возникающей при разрушении конструкции, возможных механизмов повреждаемости металла, сроков ее эксплуатации и иных важных обстоятельств организация, проводящая диагностирование, совместно с владельцем сосуда согласовывает методику отбора проб металла, предусматривающую вырезку заготовок (макропроб) или спил, срез, сруб малых проб (микропроб), не нарушающих целостность конструкции.

3.8.17. Места вырезки заготовки для изготовления стандартных образцов, ориентация оси концентраторов (надрезов) в этих образцах определяются в зависимости от конструктивных особенностей сосуда, ожидаемых мест максимальной повреждаемости материала и условий возможного ремонта конструкции.

3.8.18. Технология вырезки заготовки для изготовления стандартных образцов определяется по ГОСТ 7268-82 [43] с учетом конструктивных особенностей сосуда и условий максимального облегчения последующих ремонтных работ по восстановлению работоспособности конструкции.

3.8.19. Каждая заготовка должна иметь маркировку с указанием мест отбора проб и направления ориентировки характерного элемента заготовки по отношению к элементу конструкции.

3.8.20. При использовании методики малых проб с толщиной микропроб, не превышающих глубину коррозионных язв, питтинга или толщиной 2,5 - 5% от толщины стенки сосуда, отбор проб проводят механическим (спил, срез, сруб) или физическим (электроискровым и т.д.) способами без применения огневого воздействия на металл. Технология проведения работ должна обеспечить минимальную деформацию металла при отборе проб.

3.8.21. Рекомендуемый размер микропроб от элементов сосуда должен быть не менее 1,2 x 1,5 x 15 мм, а минимальная площадь сечения в ее срединной части - не менее 3 кв. мм.

3.8.22. Каждая микропроба должна иметь сопровождающую записку, указывающую место ее отбора и направление ориентировки длинной стороны микропробы относительно элемента конструкции.

3.8.23. После проведения отбора микропроб металла места отбора подвергаются механической зачистке (с помощью шлифмашинки или другими способами) для устранения концентраторов напряжений.

3.8.24. На каждую конструкцию составляется карта отбора микропроб с указанием места отбора по отношению к сварному соединению: основной металл, металл сварного шва и околошовной зоны и зон сосуда; при этом для двухфазной среды выделяются зоны с исключительно газовой и жидкостной средой и зоной переменного смачивания.

3.8.25. Подготовка проб к исследованию.

3.8.25.1. В целях выявления межзеренной хрупкости, которая свойственна видам хрупкости, указанным в п. 3.8.14, "а", "б", "г", "д", "е" и др., электронно-фрактографический анализ проводится на хрупких кристаллических зонах изломов стандартных образцов (ГОСТ 9454-88 [24]) или микропроб, а также на элементах конструкции в случае их разрушения.

3.8.25.2. При фрактографическом анализе излома стандартных образцов исследованию подлежит поверхность разрушения в пределах "хрупкого квадрата" (кристаллического строения поверхности разрушения центральной части образца).

3.8.25.3. При определении доли межкристаллитного разрушения на микропробах форма их и размеры произвольны в той степени, чтобы хрупкий излом надежно характеризовал состояние материала в исследуемых зонах (элементах) конструкции.

3.8.25.4. В целях ограничения влияния предварительной пластической деформации, возникающей при разрушении, на строение изломов рекомендуется использовать образцы и микропробы с острым V-образным надрезом (ГОСТ 9454-88).

3.8.25.7. При наличии информации о хрупком разрушении конструкции из углеродистых и низколегированных сталей при комнатной и более высоких температурах в целях удобства и экономии хладагента первые испытания ударных образцов и микропроб рекомендуется проводить при комнатной температуре.

3.8.25.8. В целях предотвращения коррозионных повреждений поверхности разрушения отогрев изломов следует производить в ванне с предохраняющей от коррозии жидкостью (ацетоном, толуолом, гексаном и т.п.), а сушку - с помощью фена или вакуумирования.

3.8.25.9. При измерении доли структурных составляющих хрупкого излома просматривают не менее 50 - 100 полей зрения при 1000 - 3000-кратном увеличении в растровом электронном микроскопе и 500 - 600 полей зрения с 3 - 5 реплик (с числом полей зрения в каждой реплике не менее 70) при 4000 - 6000-кратном увеличении в просвечивающем электронном микроскопе.

3.8.25.10. Рабочее увеличение, используемое при электронно-фрактографическом анализе, определяется из условия, чтобы размер поля (кадра) не превышал или был равен наиболее вероятному размеру наименьшего структурного элемента, например фасетки транскристаллитного скола.

3.8.25.11. В каждом из полей зрения (кадра) отмечают превалирующий (+/- 85%) характер разрушения: хрупкий транскристаллитный скол (Х), ямочный (Я), межкристаллитный (М) и смешанные: (М + Я), (М + Х), (Х + Я). Доля межкристаллитной составляющей определяется по формуле:

3.8.25.14. Установление вида межкристаллитного разрушения в сталях, показывающих в структуре продукты сдвигового превращения, проводят по характеристикам структуры хрупкого излома путем измерения фасеток хрупкого межкристаллитного и транскристаллитного сколов разрушения: если средний размер фасетки межкристаллитного разрушения меньше среднего размера фасетки транскристаллитного скола, то имеет место межсубзеренное разрушение, а в иных случаях - межзеренное.

3.8.25.15. Для сосуда, выполненного из разнородных материалов, степень межзеренного охрупчивания определяется для каждой стали.

3.8.25.16. Для сварных конструкций рекомендуется оценку степени охрупчивания стали производить для основного металла, металла сварного шва, для околошовной зоны.

3.8.25.17. Для сосудов с антикоррозионным защитным покрытием, эксплуатируемых при повышенных (выше 150 °C) температурах, допускается проводить отбор проб металла с наружной стороны конструкции. Степень охрупчивания металла со стороны защитного покрытия рассчитывается специализированной организацией с учетом перепада температур по толщине стенки.