Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния средств и методов оценки состояния и ресурса металла нефтегазопроводов 12
1.1. Методология продления ресурса металла нефтегазопроводов 12
1.2. Напряженно-деформированное состояние металла трубопроводов 19
1.3. Обзор и классификация процессов деградации механических свойств металла
1.3.1. Изменения структуры и свойств при старенирі 22
1.3.2. Механические и физріческие свойства, эволюция дислокационной структуры при усталости 24
1.3.3. Коррозионное растрескивание под напряженріем 28
1.4. Методы оценки состояния металла на образцах 32
1.4.1. Определение механических свойств 32
1.4.2. Металлографический анализ 34
1.4.3. Электронная микроскопия 36
1.4.4. Метод испытания на релаксацию напряжений 37
1.5. Физические неразрушающие методы контроля металла 38
1.5.1. Магнитные методы структурного анализа 38
1.5.2. Методы определения напряжений в металле трубопроводов 40
1.5.3. Опредление твердости и микротвердости 44
1.6. Выводы по главе 1.
Цель и задачи исследования 47
2. Мониторинг разрушений трубопроводов 51
2.1. Анализ разгерметизации при эксплуатации конденсатопроводов 51
2.1.1. Локальная коррозия внутренней поверхности труб 51
2.1.2. Химическое исследование продуктов коррозии 56
2.2. Хрупкие лавинные разрушения конденсатопроводов 58
2.2.1. Исследование линии разрушения 59
2.2.2. Исследование твердострі и остаточных напряжений в аварийном металле 62
2.2.3. Исследование микроструктуры аварийного металла 64
2.3. Анализ хрупких разрушений подземных трубопроводов в условиях напряженно-деформированного состояния 69
2.3.1. Фрактографический анализ очага разрушения 70
2.3.2. Исследованріе химического состава и микроструктуры стали 72
2.4. Анализ хрупких разрушенийй надземных трубопроводов в условиях напряженно-деформированного состояния 77
3. Методология прогнозирования работосопособности металла газоконденсатопроводов в коррозионных условиях 81
3.1. Классификация коррозионных повреждений внутренней поверхности конденсатопроводов 81
3.2. Методы имитирирования коррозионных повреждений в конденсатопроводах на лабораторной модели 84
3.3. Исследование поврежденных труб неразрушающими методами
3.3.1. Исследование твердости 96
3.3.2. Исследование остаточных напряжений 101
3.4. Исследования структуры металла 108
4. Исследование металла неразрушающими методами в условиях статического растяжения 114
4.1. Выбор прибора для измерения твердости 114
4.2. Статистические методы обработки результатов измерения твердости
4.2.1. Случайные величины и законы их распределения 117
4.2.2. Числовые характеристики распределения непрерывных случайных величин... 119
4.2.3. Законы распределения вероятностей чисел твердости 122
4.2.4. Оценка числовых характеристик при малых объемах выборки 125
4.2.5. Оценка числовых характеристик при большом объеме выборки 126
4.2.6. Графическое представление экспериментальных данных
4.3. Методика определения твердости металла в условиях статической растягивающей нагрузки 130
4.4. Выбор фрагментов материала для испытаний
4.4.1. Определение механических свойств материала 136
4.4.2. Металлографический анализ 138
4.5. Анализ ТМН в ходе статического растяжения 140
4.5.1. Испытания на твердость без приложения нагрузки 140
4.5.2. Испытания на твердость под действием нагрузки 144
4.6. Анализ коэрцитивной силы в ходе статического растяжения металла 167
5. Методология и прогнозирование ресурса металла на основе металлофизических методов 174
5.1. Методы экспериментального определения ресурса металла газопроводові74
5.1.1. Методика имитации накопления поврежденности в структуре материала на образцах 174
5.1.2. Методика определения поврежденности и ресурса материала трубопровода... 178
5.2. Исследование состояния металла газопровода стандартными методами. 184
5.2.1. Исследовнаие химического состава и микроструктуры 184
5.2.2. Определение механических свойств металла труб 189
5.3. Исследование тонкой структуры металла 192
5.4. Имитационные испытания материала 199
5.5. Оценка состояния структуры металла физическими методами
5.5.1. Магнитный метод 207
5.5.2. Рентгеноструктурный анализ 210
5.5.3. Определение ТМН 2 5.6. Уточнение параметров имитационных испытаний на фактическом трубном материале 216
5.7. Расчет ресурса материала 220
6. Оценки ресурса металла при стендовых испытаниях 222
6.1. Оценка свойств металла соединительных деталей для трубопроводов на стендах 222
6.1.1. Методика проведения испытаний 223
6.1.2. Результаты исследования физико-химических свойств металла трубного узла. 226
6.1.3. Анализ результатов тензоизмерений 228
6.1.4. Анализ результатов ТМН, полученных в ходе испытаний 233
6.2. Исследование изменения ТМН при стендовых испытаниях новых спиральношовных труб Волжского трубного завода 242
6.2.1. Материал для испытаний 242
6.2.2. Методика испытаний 243
6.2.3. Результаты испытаний 245
6.3. Учет плосконапряженного состояния металла по коэрцитивной силе в условиях стендовых испытаний 257
7. Практика оценки ресурса металла в условиях эксплуатации трубопроводов 264
7.1. Промышленное опробование метода ТМН на компрессорных станциях ООО
«Севергазпром» 264
7.1.1. Выбор объектов и методы исследований 264
7.1.2. Результаты контроля НДС трубопроводов и их анализ 271
7.1.3. Анализ состояния металла трубопроводов по ТМН 274
7.2. Исследования металла надземного газпровода «Ухта-Войвож» 280
7.2.1. Объект и методы обследования 280
7.2.2. Выбор участков обследования 281
7.2.3. Методы оценки напряженного состояния трубопроводов 283
7.2.4. Результаты полевых испытаний 286
7.3. Обоснование ресурса газопровода по состоянию металла 288
- Напряженно-деформированное состояние металла трубопроводов
- Химическое исследование продуктов коррозии
- Методы имитирирования коррозионных повреждений в конденсатопроводах на лабораторной модели
- Статистические методы обработки результатов измерения твердости
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших научно-технических проблем XXI века становится проблема продления ресурса безопасной эксплуатации потенциально опасных высокорисковых объектов. К числу таких систем относятся и объекты нефтяной и газовой промышленности, например магистральные газонефтепродуктопроводы, основная часть которых выработала 50-75 % назначенного ресурса, а некоторые находятся в «запредельном» состоянии (с выработкой 150-200 % ресурса). Уникальным примером таких объектов на севере России может служить система магистральных газопроводов (МГ) ООО «Севергазпром» протяженностью 9,5 тыс. км, построенных в 1970-80 годы из нормализированной стали 17ГС и ее модификаций 17Г1С, 17Г1С-У производства Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ), термоулучшенной стали 14Г2САФ производства ЧТПЗ и стали 17Г2СФ для спиральношовных труб Волжского трубного завода (ВТЗ) и стали контролируемой прокатки (СКП) класса прочности Х60-Х70, произведенной во Франции, Италии, Японии.
Заложенные в проектах и реализованные при строительстве решения по тем временам были революционными и позволяли достигать высоких темпов строительства МГ – более 1000 км в год. Вполне очевидно, что всесторонняя оценка надёжности МГ по их техническому состоянию стала возможна на рубеже 30-летнего периода эксплуатации, в том числе и на основе практического опыта ликвидации аварий. Для труб большого диаметра проявился новый вид разрушений – коррозионное растрескивание под напряжением, стоящее на первом месте причин крупных аварий газопроводов. На газоконденсатопроводах при существующей системе подготовки сырья был отмечен ряд аварий, связанных с коррозией и утечкой газового конденсата. Отмечен некоторый рост аварий, особенно в последнее время, связанных с влиянием напряженно-деформированного состояния газопроводов, ухудшением механических свойств металла и хрупким разрушением.
Рост аварийности на газопроводах определил необходимость одновременного принятия адекватных мер по выявлению повреждений, изучению металла и разработке стратегии продления ресурса и дальнейшей эксплуатации. Для продления ресурса проводятся специальные исследования, которые служат обоснованием надежности и безопасности дальнейшей эксплуатации. Существующие способы оценки остаточного ресурса (ОР) лежат в области механики трещин и разрушения, а в вероятностной постановке задачи – в области теории надежности на основе установления (расчетного или экспериментального) основных характеристик механических свойств материала.
Прогнозирование ОР по критериям механики трещин достаточно хорошо изучено, в т.ч. и для трубопроводов. Между тем, процессы и механизмы структурных изменений за счет накопления поврежденности в условиях старения и усталости металла исследованы недостаточно. Это обусловлено тем, что существующие металлофизические методы, наиболее подходящие для оценки структурных изменений в металле, не адаптированы применительно к трубным сталям. Актуальность работы подчеркивается и тем, что эффективные имитационные модели процессов деформационного старения и усталости металла трубопроводов в достаточной мере не разработаны.
Надежность трубопровода зависит от своевременного выявления повреждений в структуре металла или возможности их прогнозирования. Эта задача решается путем отслеживания физических параметров, контролирующих повреждения, методами неразрушающего контроля (НК) без вырезки образцов. Однако, системные исследования в этой области пока недостаточны, в связи с чем, существующие методы НК не адаптированы к оперативному контролю структурных изменений в металле.
В связи с этим обеспечение надежности при увеличении ресурса газопроводов высокого давления является актуальной ведомственной и государственной задачей.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями.
Данная работа обобщает практический опыт исследований металла трубопроводов ООО «Севергазпром» филиалом ООО «ВНИИГАЗ» – «Севернипигаз» за период 1997-2008 гг.
Цель работы. Повышение ресурса и сохранение эксплуатационной надежности металла при длительных сроках эксплуатации объектов системы магистрального транспорта газа.
В работе исследовались вопросы, связанные со снижением эксплуатационной надежности и исчерпанием ресурса металла ключевых газотранспортных объектов - магистральных газопроводов, технологических газопроводов компрессорных станций, газоконденсатопроводов.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:
-
Обобщить и проанализировать факторы, вызывающие уменьшение ресурса металла газопроводов, дать оценку существующим методам исследования структуры и определения механических свойств металла.
-
Создать систему мониторинга аварийных разрушений на объектах магистрального транспорта газа, разработать исследовательские методики работы с аварийным металлом.
-
Выделить приоритетные факторы повреждаемости газоконденсатопроводов сверхдлительной эксплуатации и разработать методологию прогноза их работоспособности для условий наличия коррозионно-активных сред в транспортируемой продукции.
-
Адаптировать комплекс неразрушающих методов для оценки напряженного состояния и механических свойств металла, работающего в условиях статического нагружения.
-
Разработать и реализовать методологию оценки структурного состояния и прогнозирования ресурса на основе экспериментальных металлофизических методов материаловедения, разработать критерии и расчетную схему ресурса надземных трубопроводов, работающих в условиях деформационного старения и усталости.
-
Разработать и реализовать методологию стендовых полномасштабных испытаний деталей и элементов трубопроводов с имитацией эксплуатационных воздействий и определением ресурса.
-
Создать систему мониторинга состояния металла на объектах магистрального транспорта газа, разработать методики их обследования неразрушающими (дефектоскопическими) методами, обосновать порядок продления ресурса металла.
Научная новизна:
-
Выявлена главная материаловедческая причина, приводящая к увеличению поврежденности металла газопроводов вследствие роста плотности дислокаций, что приводит к ухудшению механических свойств с повышением предела текучести на 10-15% и снижением относительного удлинения в отдельных случаях до 30% по сравнению с аналогичными параметрами металла в исходном состоянии. Количественно плотность дислокаций на единицу площади увеличивается от 108 до 1010 см-2.
-
Разработаны критерии оценки структурного состояния материала. Введена классификация степени старения по параметрам тонкой структуры метода электронной микроскопии (ЭМ) фольг на просвет. Степени старения идентифицируются по наличию дислокационных ячеек, образованию полигональных стенок дислокаций, выделений вторичных фаз.
-
Установлено, что текущая поврежденность структуры материала трубопровода характеризуется величиной текущего предела макроупругости, величинами пределов макроупругости материала в исходном и критическом (разрушенном) состоянии, определяемых по результатам релаксационных испытаний, и находится из выражения Р=||100 %.
-
Получена зависимость накопления повреждений от времени имитационных испытаний для различной степени старения материала Р=(0,052n+0.012)exp[(-0,011n3+0,07n2-0,12n+0,21)t], позволяющая рассчитывать ресурс материала трубопровода по его текущей поврежденности.
-
Установлено соотношение ресурса материала трубопровода, времени эксплуатации, времени до разрушения образца и времени испытания для текущей меры поврежденности при имитационных испытаниях Т=Ткtр/tк.
-
Получены зависимости физических параметров методов НК от величины статической и циклической нагрузки. Установлено, что значение статической нагрузки s может быть определено из выражения DНс=-0,0001s2+Ks+M, , в зависимости от анизотропии коэрцитивной силы DНс, где К и М коэффициенты, зависящие от степени старения n: K= 5,310-3n3+0,023 n2 + 0,02 n + 0,038; M= 0,16 n2 – 0,6 n + 1,13.
Количество циклов до разрушения образца при испытании, может быть определено из выражения Нс^= (0,016 n + 1,98)N + 0,01 n + 7,6 в зависимости от абсолютных значений коэрцитивной силы и степени старения.
-
Установлена линейная тенденция возрастания микронапряжений sвн в металле по параметрам рентгеноструктурного метода с повышением степени старения, описываемая выражением sвн=19,3 n + 18, при R2=0,965.
-
Впервые экспериментально установлено, что в упругой области нагружения образцов стали 17Г1С зависимость напряжений от дисперсии вариационного ряда твердости с малой нагрузкой описывается моделями общего вида: s=КS2 – N, где N и К показатели, зависящие от предела прочности образцов: К=-210-4 sв2+0,232 sв- 66,99; N=10,27 sв- 6409,5.
-
Впервые зафиксировано, что при достижении физического предела текучести, определяемого по началу появления полос скольжения в металле, происходит увеличение дисперсии твердости, измеренной при малой нагрузке, на величину более чем 95%.
-
Впервые экспериментально установлена зависимость среднего коэффициента асимметрии вариационного ряда ТМН от относительного удлинения после разрыва, определяемого при пошаговом одноосном растяжении металла:
= - 0,07d+1,56
Методы исследований. В работе использованы аналитические и экспериментальные металлофизические методы исследования структуры материала на лабораторных, стендовых и натурных объектах.
Основные защищаемые положения:
комплекс методик неразрушающих методов для оценки напряженного состояния, механических свойств и состояния структуры металла, работающего в условиях статического нагружения;
методология оценки структурного состояния и прогнозирования ресурса на основе экспериментальных металлофизических методов материаловедения;
критерии структурного состояния материала, расчетная схема ресурса трубопроводов, работающих в условиях деформационного старения и усталости;
методология стендовых полномасштабных испытаний деталей и элементов трубопроводов с имитацией эксплуатационных воздействий и определением ресурса металла.
Практическая ценность работы.
-
Экспериментально определены свойства металла длительно работающих газопроводов и конденсатопроводов, необходимые для расчета остаточного ресурса и оценок предельного состояния.
-
Разработано 5 ведомственных нормативно – технических документа, согласованных с Ростехнадзором и регламентирующих объем, последовательность и условия проведения работ при продлении ресурса газопроводов.
-
Проведена диагностика состояния металла и продлен срок эксплуатации более 50 объектов транспорта газа ООО «Севергазпром» и других предприятий, включая выявление и замену по нашей рекомендации поврежденных труб на участках подземных магистральных газопроводов Пунга-Ухта-Грязовец, Ухта-Торжок, Пунга-Вуктыл-Ухта 2-16 и 40-60 км Сосногорского ЛПУ МГ, 1103-1140 км Мышкинского ЛПУ МГ, участке 60-108 км конденсатопроводов Вуктыл – СГПЗ. Обоснована возможность продления ресурса металла надземных технологических газопроводов обвязки компрессорных станций КС-15 Нюксенского ЛПУ МГ и КС-16 Юбилейного ЛПУ МГ, распределительных газопроводов Ухта – Войвож, газопроводов газораспределительных станций Сосногорского и Микуньского ЛПУ МГ путем выявления участков с искривлениями оси газопроводов и их исправления за счет ремонта имеющихся и установки дополнительных опор.
-
Расследованы причины аварийных разрушений 7 объектов магистральных газопроводов, конденсатопроводов и газораспределительных станций, выполнена диагностика состояния металла непосредственно на газопроводе после ликвидации аварии и лабораторные исследования металла с более чем 20 аварий.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Решение проблем в транспорте газа» (Ухта, ООО «Газпром трансгаз Ухта», 1998 г.), семинаре-совещании «Повышение уровня надежности эксплуатации магистральных трубопроводов, ГРС и объектов газоснабжения» (Ухта, ООО «Севергазпром», 1999 г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы добычи, подготовки и транспорта нефти и газа» (Ухта, УГТУ, 2000 г.), 5-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003 г.), на Всероссийской конференции «Большая нефть: реалии, перспективы. Нефть и газ Европейского Северо-востока» (УГТУ, г. Ухта, 2003 г.); III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.); 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.); 4-й и 6-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, г. Брянск, 2004 и 2006 гг.); 14-й Международной конференции «Современные средства и методы неразрушающего контроля и технической диагностики» (г. Ялта, 2006 г.); конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ (г. Ухта, 2005, 2006, 2007 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.); Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007) (ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва, 2007 г.), рабочих встречах и научно-технических советах в ООО «ВНИИГАЗ», НК «Коми ТЭК», ООО «ЛУКОЙЛ Коми», ООО «Севергазпром», конференциях и ученых советах филиала ООО «ВНИИГАЗ» – «Севернипигаз» и Ухтинского государственного технического университета.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 13 в изданиях, рекомендованных ВАК по металлургии и металловедению и 16 работ по машиностроению.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, содержит 325 страниц текста, 125 рисунков, 40 таблиц и список литературы из 250 наименований.
Напряженно-деформированное состояние металла трубопроводов
Для проведения вероятностных расчетов используется теория надежности [58,166], основанная на статистических данных по механическим свойствам материалов [95], нагрузкам, воздействиям и дефектоскопическому контролю [153,155].
Различные формы вероятностной поставки задачи оценки ОР можно найти в работах [26,166]. В большинстве случаев они используют математические построения из теории случайных процессов [230].
Изделия и их элементы, воспринимающие эксплуатационные циклические нагрузки, рассматривают как некоторую физическую систему в условиях внешних воздействий. Если изделия подвержены эксплуатационному случайному нагружению с амплитудами напряжений, превышающими предел прочности материала, то все изделия системы разрушатся при первых циклах нагружения, а разрушение будет достоверным состоянием системы (событием) с вероятностью разрушения Р=1.
А когда все амплитуды напряжений будут меньше предела выносливости конструкций, то все элементы системы будут неограниченно долго в работоспособном по прочности состоянии с вероятностью разрушения Р = 0. В этих случаях между структурами материала конструкций будут задействованы только запрограммированные связи, и состояние системы будет предсказуемым. Если же амплитуды напряжений будут больше предела выносливости, но меньше предела прочности, то между структурами материала будут действовать как запрограммированные, так и непредсказуемые связи и разрушение конструкции станет непредсказуемым состоянием (событием) в системе.
В этом случае долговечность изделий (ресурс) можно оценивать только вероятностью их разрушения после определенного числа циклов нагружения. А на распределение долговечности изделий влияют свойства материала конструкции сопротивляться в определенных условиях разрушению, рассеяние формы и размеров опасных сечений изделий и закон нагружения, которые согласно теории информации имеют вполне конкретные неопределенности - информационные энтропии. Здесь информационная энтропия выступает в роли единой универсальной меры неопределенности процессов эволюции и состояния физических систем и является функцией вероятности.
Вероятность Р возникновения аварийных ситуаций, определяющая потенциальную опасность технического объекта, описывается функционалом [266]: P = F{Q,N,T,UXS} (1.1) где Q - экстремальные воздействия в штатных и чрезвычайных ситуациях; N, т -цикличность и длительность воздействий; t - тепловые и другие физические поля; і - размеры дефектов (трещин); f - параметры сопротивления материалов и элементов конструкций воздействиям Q, зависящие от N, т, t.
Важно отметить, что в каждом из направлений вопросы оценки механических свойств материала занимают принципиально важное место. В число стандартных характеристик механических свойств конструкционных материалов входят характеристики прочности (модуль упругости Е, коэффициент Пуассона ц, пределы упругости ау, текучести ат, прочности ав, выносливости а.-i, длительной прочности ат, сопротивление отрыву S0T), а также характеристики пластичности (относительное удлинение 5, относительное сужение v/) и энергоемкости материала при разрушении ар. Указанные харак- . теристики определяются по результатам стандартных испытаний гладких образцов при статическом, циклическом и длительном нагружениях. К числу стандартных относятся также характеристики ударной вязкости: ау - работа разрушения и tK - критическая температура хрупкости. Они устанавливаются по результатам испытаний на ударный изгиб образцов с полукруглыми (U-надрез), острыми (V-надрез) концентраторами напряжений и образцов с усталостными трещинами [25,79,95].
Элементы трубопроводов во время эксплуатации испытывают силовое воздействие от внешних нагрузок, приводящее к возникновению напряженного состояния материала [34,35].
Например, в местах переходов трубопроводов через водные преграды, дороги, в местах образования промывов и провисания трубопроводов, вблизи сочленения трубопроводов с агрегатами перекачивающих станций наиболее интенсивно проявляются изгибные напряжения [193]. Воздействие внешних нагрузок на трубопровод, вызываю щих напряжения в материале труб, совместно с внутренним давлением [179] напрямую влияет на состояние материала.
Известно, что локальные участки трубопроводов с повышенными напряжениями являются предпочтительными для процессов "деградации" функциональных свойств материала за счет деформационного старения [14] и малоцикловой усталости металла [96], которые со временем приводят к критическому состоянию материала и, как следствие, понижению работоспособности труб.
Следовательно, оценка свойств металла трубопроводов необходима как одна из составляющих превентивных мер по борьбе с аварийными разрушениями.
Другими составляющими таких мер являются усиление напряженных участков трубопровода, вырезка участков трубопровода, механическое снятие напряжений путем спрямления изогнутых участков трубопровода.
Требует также изучения влияние зон пластичности, возникающих как при изготовлении, так и при эксплуатации трубопровода на его надежность в условиях напряженного состояния, обусловленного давлением среды внутри трубопровода и внешними сжимающими или растягивающими напряжениями.
В общем, обзор экспериментальных исследований, выполненный применительно к трубным сталям [172], показывает, что с возрастанием длительности эксплуатации изменение механических свойств соответствует следующим тенденциям: - пределы текучести ао,2 и прочности ав вырастают на 5-15%; - предельная пластичность уменьшается на 20-40%; - удельная работа разрушения уменьшается на 10-40%; - ударная вязкость KCV существенно уменьшается - на 20-50%; - температура хрупко-вязкого перехода смещается в область повышенных температур (0...±10С).
Вместе с тем, в работе [197] отмечено, что экспериментальные данные механических испытаний на ударную вязкость (образцы Шарпи и Менаже) и на растяжение, вырезанных из трубопровода со сроком эксплуатации 30 лет, характеризуются большим разбросом. Только статистическая обработка массива данных [230] позволяет установить выше обозначенную тенденцию.
Результаты собственных испытаний образцов на растяжение, вырезанных из различных объектов нефтегазовой инфраструктуры со сроками эксплуатации 15-50 лет, также характеризуются значительным разбросом данных. Сравнение с результатами испытаний образцов из труб, не бывших в эксплуатации (аварийные запасы), и с сертификатными значениями не позволяет установить однозначную закономерность ухудшения стандартных механических свойств металла [129].
В последнее время в число стандартных были включены также характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения) кіс, кс, Kfc, Kth, определяемые при статических, циклических или длительных испытаниях на растяжение, изгиб, внецентренное растяжение стандартизованных образцов с трещинами [266].
В эту же группу характеристик входят параметры твердости Н и микротвердости Нц, определяемые при вдавливании индикаторов различной геометрической формы в исследуемую зону металла [148].
Не стандартизированными пока остаются многие характеристики металлов, получаемые при стандартных испытаниях. Сюда следует отнести параметры m, т(к) и т(х) - соответственно показатели статического, циклического и длительного упрочнений в упругопластической области, равномерное сужение vj/B образцов, предельную пластичность при длительном нагружении vj/T, локальные пластические деформации к в зонах концентрации и трещины, параметры диаграмм вдавливания.
Одним из традиционных показателей перехода от параметров механических свойств материала к оценке ресурса является поврежденность. Фактически текущая поврежденность зависит от скорости накопления повреждений, являющейся величиной, которая зависит от многих факторов. В частности, для магистральных трубопроводов ее можно представить в виде функции [98]:
Химическое исследование продуктов коррозии
Габаритные размеры отверстия в плане на уровне внутренней поверхности составили порядка 12 мм и по мере углубления они уменьшались и на выходе, т.е. на уровне наружной поверхности, оказались равными примерно 2 мм. На остальной части внутренней поверхности образца на фоне равномерной ржавчины выделялись локальные вспучивания. Здесь продукты коррозии легко отделялись от поверхности образца слоями. После удаления продуктов коррозии наждачной бумагой на поверхности трубы стали видны каверны различных размеров от 1-1,5 мм до 10 мм (в плане) с максимальной глубиной до 1 мм. На образующей, проходящей через сквозное отверстие на рас стояниях 40 мм с одной стороны и 50, 100, 125 мм с другой, располагаются повреждения коррозионного происхождения с гладкими переходами стенок ко дну каверн. Процесс разрушения металла, вероятно, начинался с одиночных каверн небольшого диаметра, а затем по мере их роста они сливались в единую каверну. Наибольшие размеры объединенных дефектов достигают 10 мм (в плане) с наибольшей глубиной до 1,1 мм. Здесь же, т.е. вблизи образующей, проходящей через сквозное отверстие, встречаются колонии одиночных каверн размером 2-7 мм с глубиной, доходящей до 1 мм.
Наружная поверхность образца № 2 со следами ржавчины более ровная, чем внутренняя, очагов локального вспучивания не наблюдали. Были обнаружены мелкие неглубокие каверны, а также забоины, царапины незначительных размеров.
На внутренней поверхности образца № 3 были видны в большом количестве мелкие локальные вспучивания, которые выделялись на фоне равномерно распределенных продуктов коррозии. Продукты коррозии в зонах вспучивания слоями отделялись от поверхности образца при слабом механическом воздействии на них. После зачистки поверхности грубой наждачной бумагой на ней стали видны мелкие углубления (каверны) круглой формы с наибольшими размерами при виде сверху до 4 мм, с наибольшей глубиной до 0,3 мм.
Большая часть наружной поверхности образца № 3 равномерно покрыта продуктами коррозии: локальные вспучивания отсутствуют, обнаружена лишь колония повреждений металла коррозионного происхождения, ориентированная по линии наружной поверхности, перпендикулярной продольной оси трубы. Здесь после удаления продуктов коррозии наждачной бумагой были обнаружены как одиночные каверны с размерами в плане до 4 мм, так и слившиеся каверны с наибольшими размерами в плане до 20 мм и наибольшей глубиной до 0,5 мм.
Характер коррозионного повреждения (вид, ориентация) позволяет предположить, что оно могло возникнуть здесь из-за местного дефекта антикоррозионного покрытия. На наружных поверхностях остальных образцов значительных повреждений не обнаружено.
Осмотр внутренних и наружных поверхностей всех рассмотренных образцов, в первую очередь вблизи самых крупных повреждений коррозионного происхождения, с привлечением микроскопа с 30-кратным увеличением не выявил трещиноподобных дефектов. Характер сквозного отверстия, общая картина состояния поверхностей образцов свидетельствует о более активных коррозионных процессах на внутренних поверхностях образцов, то есть на внутренней стороне стенок труб конденсатопровода. Сквозные отверстия в стенках труб начинали возникать на внутренней поверхности и по мере своего развития достигали наружной поверхности труб. Очагами зарождения коррозионных процессов, приведших к появлению недопустимых дефектов, вероятно, стали значительные изъяны внутренней поверхности труб, существенно нарушающие химическую и механическую однородность приповерхностного слоя металла. Это может быть обусловлено, с одной стороны, присутствием крупных неметаллических включений, появившихся на стадии получения металла, с другой стороны, возникновением при прокатке листа для труб таких дефектов, как плен, закаты.
Представленные продукты коррозии, отобранные с внутренней поверхности образцов конденсатопровода, были исследованы визуально и химически.
Осмотр продуктов коррозии через микроскоп с 30-кратным увеличением показал, что они представляют собой смесь кристаллических веществ: -FeOOH (лепидокрит) коричневого цвета; a-FeOOH (гетит) желтого цвета; Fe(Fe02)2 или Fe(OH)3 (магнетит) темно-коричневого цвета. Структура продуктов коррозии рыхлая, спаечность высокая. В структуре также имеется связанная капиллярная вода. При обработке продуктов коррозии соляной кислотой сероводород не выделялся, что говорит об отсутствии сульфидов железа в представленных пробах. Реакция шла согласно уравнениям: FeOOH + 3HCI = FeCI3 + 2Н20 2FeO + Fe203 + 10 HCI = 2FeCI3+ 2FeCI2 + 5H20
Известно, что степень структурно- механической гидратации гидроокиси железа (III), т.е. отношение объема включенной воды к объему твердого вещества, достигает 600-900, а гидроокиси железа (II) - 115. Захваченная вода прочно удерживается в капиллярах геля. Для Fe(OH)3 предельное напряжение сдвига лежит в диапазоне 6-18 мг/см. Критическая величина давления для Fe(OH)3 достигает значения 22 мг/см2, удельная поверхность S0 примерно составляет 220 м2/г (для нейтральной среды). Све-жесформованные аморфные гели имеют высокую пористость и развитую внутреннюю поверхность.
В осадке Fe(OH)3 протекают процессы коагуляции коллоидных частиц и обезвоживание. Конечным итогом протекания их в осадке является полностью обезвоженные структурно кристаллические соединения a-Fe203, Y-Fe203 Р-FeOOH. Гидроокись железа может в осадке перейти в окись гидрооокись FeOOH 2Fe(OH)3 = 2FeOOH + H20 FeOOH обнаружен в виде четырех кристаллических форм, отличающихся друг от друга по структуре и цвету. а-FeOOH- гетит - желтого цвета; "-FeOOH-акагенит -оранжевого цвета; -FeOOH- лепидокрит - коричневого цвета; -FeOOH - названия не имеет.
Гетит и лепидокрит, обнаруженные в исследуемых продуктах коррозии, отобранных со всех образцов, могут образовывать сравнительно плотные пленки с определенными защитными свойствами.
Магнетит черного или темно-коричневого цвета имеет плотность 5,18 г/см3 и представляет собой плотное вещество с хорошей адгезией к металлу, негигроскопичен, практически не растворим в воде.
Обычно, в слое продуктов коррозии степень окисления и степень обводнения закономерно изменяются по нормали к поверхности металла, а именно, к поверхности металла прилегают наименее гидратированные продукты с наибольшим соотношением Fe2+/Fe3+, по мере приближения к внешней границе слоя продуктов коррозии указанное ионное соотношение уменьшается, а степень гидратации увеличивается. Поэтому наиболее характерна картина, когда к металлу прилегает сравнительно плотный слой обезвоженного окисла Fe304 (или Fe(Fe02)2)- С этой точки зрения для описываемого процесса коррозии имеет место тот факт, что в нейтральных электролитах образуются в основном, как сказано выше, нерастворимые продукты коррозии - гидроокиси и окиси. Хотя эти вещества и не образуют беспористых пленок на поверхности металла, они, тем не менее, могут существенно тормозить подвод коррозионно-активной среды. Это, в свою очередь, соответственно снижает скорость коррозии.
Идентичность химического состава исследуемых продуктов коррозии, а также их количественное соотношение говорит о том, что механизм коррозии на всех представленных образцах был одинаков. Коррозионный процесс в данном случае носит электрохимический характер, причем различная интенсивность разрушения металла при этом обуславливается неоднородностью поверхностного слоя металла.
Методы имитирирования коррозионных повреждений в конденсатопроводах на лабораторной модели
В группу 1 (рисунок 3.8, а) выделены 5 труб (19%), на 3 из которых отмечено совпадение профиля изменения твердости - Ш1-52, Ш1-74 и Ш1-102К1. Для данной группы характерно наличие минимума и максимума, которые, как правило, располагаются на 420 и 840 мм (соответственно 3 и 6 часов). Разница между максимальными и минимальными значениями в среднем составляет 20 чисел НВ.
В группу 2 (рисунок 3.9) выделены 12 труб (44%), причем данную группу можно разбить на две подгруппы с симметричным положением минимума относительно продольного шва (на 6 часов) - 7 труб и асимметричным 5 труб. При этом следует отметить, что в группу с симметричным распределением, в основном, относятся трубы из одного штабеля (34, 38, 56, 65, 68), что предполагает то, что трубы были удалены из трубопровода из одного участка. В то время как, в группу с асимметричным распределением попали трубы из другого штабеля (72, 102К2, 109К1, 131, 194), то есть другого участка трассы. Разница между минимумами составляет 20 чисел НВ, а средний диапазон изменения твердости на трубе составляет 15 чисел НВ.
В группу 3 (рисунок 3.8, б) выделены 10 труб (36%). Для группы характерно наличие двух минимумов на 420 и 1260 мм (3 и 9 часов соответственно). Диапазон изменения твердости на трубе составляет 17 чисел НВ. Для труб 2 и 3 группы характерно увеличение твердости в районе продольного сварного шва. Также отметим трубу Ш1-146К2, которая не вошла ни в одну группу, профиль изменения ее твердости по сечения обратный к группе 2, т.е. она имеет один максимум твердости приходящийся на 6 часов (середину листа).
Исследована закономерность распределения твердости и местоположения коррозионных повреждений по контрольному сечению. Отмечено, что для группы 1 характерно наличие большинства дефектов имеющих продольную ориентацию (5 дефектов из 6). Как видно из рисунков 3.8, 3.9 дефекты продольной ориентации приурочены к градиентам твердости, а дефект поперечной ориентации к зоне средних значений. По окружности 4 дефекта сосредоточены в зоне 700-1000 мм от края листа, и два дефекта расположены на краю у продольного сварного шва.
Для группы 3 прослеживается закономерность распределения дефектов поперечной ориентации на градиентах твердости, в то время как дефекты продольной ориентации встречаются как на градиентах, так и на минимальных значениях.
У трубных образцов группы 2 с симметричным расположением минимума отметим равномерное распределение дефектов по окружности без выявления особых зон и характера местоположения. У трубных образцов с асимметричным расположением ми 100 нимума отметим, что все дефекты расположены в середине листа, в зоне 420-980 мм от продольного сварного шва.
Таким образом, по результатам исследований можно сделать следующие выводы: 1. Значения твердости на 12 трубах (45%) больше нормируемых величин, что приводит к снижению пластических свойств металла. Наиболее вероятно, что твердость была повышена при изготовлении сварных труб в результате деформационного наклепа, возникающего при штамповке заготовок, который не был полностью устранен последующей термической обработкой готовых изделий. 2. Значения твердости на 15 трубах (54%) находятся в диапазоне отклонений ±5% от максимального нормируемого параметра. 3. Установлены группы труб с характерным распределением твердости по окружности трубы, выделенные по наличию минимальных зафиксированных числе твердости. 4. Отмечена закономерность нахождения минимумов на расстоянии 420 и 1260 мм (3 и 9 часов соответственно) от продольного сварного шва, то есть края листа (трубной заготовки), из которого сделаны трубы. 5. Предположено, что неравномерность физико-механических свойств по окружности сварных труб, характеризуемая вариацией твердости, может быть одной из предпосылок образования коррозионных гальванических пар (микроэлементов), связанных с упрочнением локальных зон материала при длительной эксплуатации трубопровода под нагрузкой.
Анализ имеющихся данных применения метода коэрцитивной силы Нс показывает [173-175], что коэрцитивная сила на трубах выполненных из стали марки 17ГС в нена-груженном состоянии должна находиться в пределах 3,5-5,0 А/см2. Диапазон изменения среднестатистических значений на обследованных трубах составил 3,92-6,77 А/см2, при среднем значении по всей выборки 5,1 А/см2. Причем на 16 трубах среднее значение более 5,0 А/см2.
Опытным путём установлено, что вплоть до точки размагничивания в конструкционных сталях (с содержанием С до 0,2%), у которых необратимое намагничивание осуществляется смещением границы между доменами, магнитный параметр Нс следующим образом связан со структурными параметрами: Нс =СЦ/р , т.е. с ростом плотности дислокаций (р) Нс увеличивается (здесь р - плотность дислокаций, С - постоянная металла); Н. =—- —, т.е. с ростом внутренних напряжений Нс растёт прямо про Мс Ах порционально ширине междоменной границы b и магнитострикции A,s (здесь Аавн/Ах -рост внутренних напряжений, b - ширина междоменной границы, A,s - магнитострикция, Ms - намагниченность); Нс=Н+кє1/2, т.е. с ростом пластической деформации є Нс возрастает (здесь Н - начальная коэрцитивная сила, є - пластическая деформация металла, к коэффициент). Таким образом, анализируя поведение доменной структуры металла по Нс, можно получить интегральную информацию о накоплении повреждений в металле при экс 102 плуатации и, соответственно, о плотности дислокаций, величине микропластической деформации и росте внутренних (остаточных) напряжений в металле.
В практической диагностике, как правило, контролируют анизотропные материалы, находящиеся под действием сжимающих и растягивающих нагрузок в сложнона-пряжённом состоянием.
Так как величина Нс определяется структурой и векторной суммой напряжений первого, второго и третьего рода, то при магнитном анализе напряжённого состояния металла необходимо учитывать не только абсолютное значение напряжений, но и направление их действия по отношению к расположению силовых линий магнитного поля (по сути - ориентации датчика) в месте контроля.
Напряжения третьего рода определяются тонкой структурой и зависят от состава, типа решетки, наличия включений и плотности дислокаций. Напряжения второго рода формируются при изготовлении труб - формовке (экспандировании), сварке, термообработке и испытании.
Эти напряжения повышают величину коэрцитивной силы по сравнению с исходной и создают в трубе сжимающие или растягивающие напряжения первого рода, которые накладываются на предыдущие и могут в области упругих деформаций как уменьшать, так и увеличивать Нс в зависимости от направления действия последних.
Отобранный трубный материал был исследован методом определения коэрцитивной силы с целью установления наличия остаточных напряжений в коррозионно поврежденных трубах. Для этого использовали измеритель коэрцитивной силы КРМ-Ц-К2М с диапазоном измерения 1...20 А/см и погрешностью измерения не более 5%.
Трубный материал нумеровали по порядку, отмечая направление хода перекачиваемого конденсата. При невозможности определить ход продукта выбирали условное его направление. При невозможности определить положение трубы в трубопроводе принимали за верх (начало отсчета) продольный сварной шов дефектного фрагмента.
Поскольку направление движения продукта нами было выбрано условно, замеры коэрцитивной силы были произведены как по ходу, так и против условного хода конденсата, после чего находилась средняя величина, которая и оценивалась как показатель структурных изменений и является интегральной характеристикой.
На графиках (в виде столбчатых диаграмм) представлены значения коэрцитивной силы, последовательно измеренные вдоль трубы (Нс ), и затем замеры с вращением датчика на 90 Нсх, Нсі , Нс/. Средние величины Нс для каждого места измерений показаны на графиках утолщенной короткой линией.
Статистические методы обработки результатов измерения твердости
Пробы на твердость делали в центре образца (область 2), которую предварительно механически полировали для устранения разброса показаний за счет шероховатости поверхности. Количество измерений - 100.
Средние значения чисел ТМН образцов, рассчитанные для всего массива данных по каждому образцу, не сильно отличаются: 323 - образец №1, 311 - образец №3, 294,5 - образец №4. Лишь среднее по ТМН образца №2 существенно меньше - 222, 5. Интервалы вариации измеренных значений представлены на рисунке 4.16.
Интервалы чисел ТМН по образцам различны: наименьшая вариация наблюдается у образца №4 - 76 единиц, наибольшая - у образца №5 - 159 единиц. Следует заметить, что минимальные измеренные значения микротвердости зависят от свойств материала. В то же время максимальные величины, преимущественно, ограничены 375 единицами ТМН, то есть максимальным пределом измерений прибора УЗИТ-2М. Поэтому средние показатели ТМН для данного прибора не обсуждались.
Тем не менее, зависимость прочностных характеристик материала с ТМН, в частности с величинами интервалов вариации закономерна: с увеличением прочности положение интервалов ТМН на числовой оси смещается в область больших значений, что также свойственно и для минимальных величин (рисунок 4.17). Для выборки данных по каждому образцу построены полигоны распределения случайной величины (рисунок 4.18). Для оценки характеристик статистического ряда использовали математическое ожидание, дисперсию, средне квадратичное отклонение, моду и медиану случайной величины. Для выбора аппроксимирующей функции использовали коэффициент асимметрии и эксцесс рассеяния случайной величины. Для распределений ТМН, представленных на рисунке 4.18, были подсчитаны характеристики статистических рядов по каждому испытанному образцу (таблица 4.3).
При анализе подсчитанных характеристик, прежде всего, имели в виду, что испытанная серия образцов имеет разные показатели пластических свойств. Эталоном являлся образец №1 с относительным удлинением после разрыва 21%, далее образец №2 - 20%, образец №4 - 19%, образец №3 - 18% и образец №5 - 11%.
Выстроенная последовательность образцов по изменению пластических свойств вполне объяснима. Образец №1 не был в эксплуатации и, соответственно, имеет самые высокие показатели пластичности. Образец №2 имеет достаточную пластичность, достигаемую, вероятнее всего, за счет недовыполнения термообработки (нормализации) или отсутствия необходимого количества легирующих компонентов, в силу чего имеет малую прочность.
Последующие образцы не достигли регламентируемого 20% порога по относительному удлинению. Образец №4 с места аварии изначально имел аномально высокую прочность, заложенную при изготовлении трубы, а уменьшение пластичности могло произойти при эксплуатации за сет действия деформационного старения, что и привело к разрушению.
По форме кривых статистических распределений, характеризуемых эксцессом и асимметрией, прослеживается следующая зависимость от степени пластических свойств образцов. Образцы №1 и №2 имеют положительные эксцессы, принимающие значения 0,45 и 0,57, соответственно, а образцы №3-№5 - отрицательные. Это говорит о том, что достаточная пластичность образцов характеризуется распределением более островершинным в сравнении с нормальным, а малая пластичность - наоборот- плосковершинным графиком. Эта закономерность объясняется следующим образом. Номинальная пластичность обусловлена равномерной мелко дисперсной структурой материала, при этом разброс микротвердости невелик, а преимущественная часть выборки группируется вокруг математического ожидания твердости, которое, вероятнее всего контролирует фактическую прочность данного материала. Уменьшение пластичности может быть связано с появлением в структуре неравномерности, то есть структурных составляющих, отличающихся по механическим свойствам, в том числе и по микротвердости. За счет этого на границах субзерен, зерен и т.п. образуется существенный градиент свойств, который приводит к появлению внутренних напряжений и при приложении внешней нагрузки - нарушениям сплошности, которые существенно ограничивают пластичность и ускоряют хрупкое разрушение.
Следовательно, чем больше дисперсия статистического распределения микротвердости, тем меньше пластичность данного материала. По сути, эта величина также характеризует вариацию измеренных значений микротвердости (квадрата отклонения) от их математического ожидания. То есть, чем компактнее распределение микротвердости, тем больше вероятность высоких пластических свойств материала и наоборот.
В ходе ступенчатого нагружения образцов определено, что средние значения чисел ТМН образцов, рассчитанные по выборкам на каждой ступени нагружения, практически не зависят от приложенного усилия для всех трех размеченных областей измерения ТМН (рисунки 4.19 и 4.20). Хотя у образцов № 1, 2 и 4 имеется тенденция увеличения среднего значения с увеличением нагрузки.
Анализ полученных результатов показал, что корреляционной связи между напряженным состоянием металла и средними показаниями измеренной твердости не наблюдается. Однако обращает на себя внимание факт подобия кривых зафиксированных по краям от центра образца (области 1 и 3). Очевидно, что области 1 и 3, симметричные относительно центра образца, находятся в одинаковых условиях нагружения. Следовательно, изменение свойств в данных областях под действием нагрузки будет идентично. Таким образом, измеренные значения носят не случайный характер. Т.е. изменение среднего значения связано в больше степени с внутренними факторами, например, перестройкой внутренней структуры стали, в меньшей - с внешними, такими как систематическая ошибка измерения, погрешность прибора и т.д. Так, коэффициенты корреляции между значениями ТМН первой и третьей областей для различных образцов составляют от 0,91041 до 0,94442, то есть, в данном случае мы наблюдаем практически функциональную связь между показателями. В тоже время, между значениями ТМН 1 и 2 областей или 2 и 3 областей коэффициенты корреляции составляют от минус 0,4825 до +0,5342. Т.е. связь слабая.
В результате установлено, что, во-первых, подтверждена правильность выбора прибора и метода измерения твердости при малых нагрузках (он оказался чувствительным к изменению состояния сплава 17Г1С, в данном случае - к напряженному), о чем свидетельствует не случайное изменение средней твердости в процессе нагружения; во-вторых-данные, полученные в центре образца и по его краям различны, как и напряженное состояние, следовательно, можно сделать вывод о приемлемой разрешающей способности метода.
