Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ статистики отказов элементов трубопроводных систем 8
1.1. Состояние аварийности на объектах магистрального трубопроводного транспорта 8
1.2. Анализ статистических данных по разрушениям трубопроводных систем. Результаты исследования аварийных трубопроводов 18
1.3. Экспериментальная оценка причины разрушения магистрального газопровода Ростов-на-Дону Майкоп 21
2. Материалы и методы исследования 27
2.1. Материалы и образцы 27
2.2. Методы исследования 27
2.3, Метод акустической эмиссии 27
2.3. 1. Явление акустической эмиссии и информативность ее параметров 27
2.3,2. Акустическая эмиссия при деформационных процессах сталей... ЗЗ
2.3.3. Акустическая эмиссия и процессы разрушения 34
2.3.4. Методика регистрации акустической эмиссии 36
2.4. Методика испытания колец на сплющивание. 37
2.4.1. Определение критических нагрузок 39
2.4.2. Определение размеров упруго-пластических зон 40
2.4.3. Расчет дополнительных внешних силовых факторов 41
2.4.4. Определение напряженно-деформированного состояния 41
2.4.5. Расчет глубины надрезов в боковых сечениях колец 44
3. Оценка состояния и остаточного ресурса элементов трубопроводов 46
3.1, Контроль механических свойств металла сварных соединений магистрального газопровода «Россия- Турция» 46
3.2. Современные методы оценки текущего состояния металла 59
3.2.1. Магнитный снаряд — дефектоскоп для обнаружения продольных трещин в магистральных трубопроводах 59
3.2.2. Применение акустических методов контроля при оценке остаточного ресурса трубопроводов 61
3.3. Методические аспекты оценки остаточного ресурса оборудования потенциально опасных промышленных объектов 64
3.4. Оценка остаточного ресурса элементов трубопроводов 65
3.5. Методика оценки остаточного ресурса сварных трубопроводов... 68
4. Применение метода акустической эмиссии для оценки физико-механических свойств металла элементов трубопроводов 81
4.1. Связь АЭ с деградацией металла в процессе эксплуатации технологических трубопроводов 81
4.1.1. Акустическая эмиссия при одноосном растяоїсении образцов трубных сталей 86
4.11.1L Зависимость энергетических и спектральных параметров АЭот состояния металла трубопроводов 86
4.1.1.2. Связь энергетических и спектральных параметров АЭ с физико-механическими свойствами и структурой трубных сталей 94
4.1.2. Акустическая эмиссия при испытании кольцевых образцов трубных сталей на сплющивание 103
4.1.3. Акустическая эмиссия при испытании образцов трубных сталей на индентирование 112
4.2. Влияние наводороживания на спектральные характеристики АЭ 115
Заключение 123
Библиографический список использованной
Литературы 125
Приложение
- Анализ статистических данных по разрушениям трубопроводных систем. Результаты исследования аварийных трубопроводов
- Метод акустической эмиссии
- Современные методы оценки текущего состояния металла
- Влияние наводороживания на спектральные характеристики АЭ
Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации общая протяженность трубопроводных систем различного назначения приближается к одному миллиону км, из них около 230 тыс. км приходится на долю магистральных трубопроводов. 40 % магистральных трубопроводов отработали более 20 лет и для их промышленной безопасности требуется постоянно увеличивать объемы и качество комплексного диагностирования, материального и финансового обеспечения работ по ремонту и реконструкции объектов.
Согласно статистическим данным о причинах аварий, произошедших за 1992-2000 гг, суммарная аварийность на магистральных трубопроводах, не связанная с внешними физическими воздействиями, превышает 60% общего числа аварий. Т.е. большинство аварий можно было бы предупредить устранением дефектов, ставших очагом разрушения трубопроводов, при своевременном проведении комплекса диагностических работ.
Очевидно, что добиться резкого снижения общей аварийности на трубопроводном транспорте можно только на основе комплексного подхода к данной проблеме, т.е. решая параллельно задачи по обеспечению качественного монтажа, входного контроля, мониторинга текущего состояния и оценки остаточного ресурса трубопроводов. В связи с тем, что значительная доля трубопроводов выработала или приближается к расчетному ресурсу, особое значение приобретают современные методики и методы диагностирования, к которым, в частности, можно отнести метод акустической эмиссии.
Вместе с тем, многие прогрессивные методики диагностики в настоящее время либо не разработаны до уровня внедрения в производство, либо не стандартизованы, что существенно снижает качество диагностических работ в целом.
Цель работы и основные задачи исследования. Повышение надежности и безопасности эксплуатации магистральных и технологических трубопроводов на основе оценки состояния металла.
Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи. L Провести анализ статистики отказов трубопроводов и данных о деградации металла трубопроводов при длительной эксплуатации.
Установить и осуществить необходимый комплекс лабораторных исследований причин разрушения магистральных нефте- газопроводов в зависимости от конкретных условий их эксплуатации.
Разработать методику оценки состояния сварных соединений для наиболее ответственных объектов трубопроводного транспорта.
Разработать методику оценки остаточного ресурса трубопроводов, работающих в условиях циклически изменяющегося давления.
Исследовать влияние условий эксплуатации технологических трубопроводов на спектральные характеристики акустической эмиссии.
Адаптировать метод акустической эмиссии для оценки текущего состояния металла трубопроводов.
Научная новизна
На основании комплексных исследований механических характеристик сварных соединений газопроводов, находящихся в эксплуатации более 30 лет, установлено снижение запаса пластичности металла швов более чем в два раза и долговечности в 5-8 раз.
Установлено, что среди измеряемых параметров акустической эмиссии наиболее чувствительными к деградации металла являются спектральные характеристики сигналов акустической эмиссии.
Деградация металла труб, связанная с влиянием коррозионной среды, перегревом и наводороживанием, приводит к смещению спектра сигналов акустической эмиссии в сторону более высоких частот.
На основе сравнительных испытаний на сплющивание кольцевых образцов с
надрезами и без надреза, либо на вдавливание сферического и конического
инденторов с помощью методики спектрального анализа сигналов
акустической эмиссии можно давать оценку текущего состояния металла
трубопроводов.
На защиту выносятся
Результаты исследования качества сварных соединений магистрального газопровода "Россия - Турция1',
Анализ причины разрушения материала магистрального газопровода на участке Ростов-на-Дону - Майкоп
3- Методика оценки остаточного ресурса сварных трубопроводов, работающих
в условиях циклически изменяющихся напряжение и отработавших
нормативный срок эксплуатации, 4, Зависимости энергетических и спектральных параметров акустической
эмиссии от текущего состояния трубных сталей для различных схем
нагружения.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Предложена методика оценки качества сварных соединений наиболее ответственных объектов, которая реализована при строительстве газопровода "Россия - Турция"
Разработана методика обоснования продления ресурса магистральных трубопроводов, основанная на комплексном исследовании усталостной прочности металла крупных сварных элементов труб.
Разработаны основы спектрального анализа сигналов акустической эмиссии для оценки текущего состояния металла труб.
Апробация
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и совещаниях: научные семинары КРУ РАН 1998-1999 гг.; XVII (Киров, 2004) и XVIII (Тольятти, 2006) Уральская школа металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", П-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур4, М., 2004; Международная научная конференция "Моделирование акустической эмиссии гетерогенных материалов'1, Санкт Петербург, 2004; I (2004) и II (2006) Международная школа "Физическое материаловедение", Тольятти; 4-я Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 2005; XLIV Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Вологда, 2005.
Анализ статистических данных по разрушениям трубопроводных систем. Результаты исследования аварийных трубопроводов
Ниже приведены анализ статистических данных о разрушениях трубопроводов по данным различных источников, а также результаты исследований причин аварий, произошедших за последнее время.
В работе [7] на базе данных по авариям магистральных газ one фтепр оводов, приведенных в статистических отчетах Горгостехнадзора по отказам распределительных газопроводов и проведенных исследований установлено, что независимо от системы легирования, уровня прочности трубных сталей и вида трубопроводной системы во временной зависимости числа отказов (аварий) трубопроводов имеются два временных интервала (рис,
В первом интервале частота разрушений магистральных газопроводов и нефтепроводов колеблется от I до 1% от общего числа анализируемых случаев, при длительности работы от 1 года до 10 лет. При эксплуатации газопроводов в пределах 10-15 лет происходит резкий всплеск числа разрушений — до 32% от общего количества, В последующие годы наблюдается заметное снижение числа разрушений газопроводов- При работе нефтепроводов после 7-Ю лет наблюдается непрерывный рост числа разрушений.
В газовых сетях минимальное число разрушений сохраняется до 25 лет эксплуатации с последующим всплеском отказов. Последний случай, когда временной интервал работы трубопровода увеличивается при сохранении минимальной числа отказов, можно, по-видимому, объяснить различными рабочими параметрами эксплуатации. Магистральные газонефтепроводы работают при рабочем давлении до 7,4 МПа, когда уровень напряжений в стенке достигает 70-80% предела текучести металла (ар=0,7-0,8 ст), в то же время газовые сети эксплуатируются при рабочем давлении не более 1,2 МПа, когда напряженно стенке не превышает 5-10% предела текучести.
На рис.1.1 приведены статистические данные о распределении числа отказов трубопроводов от длительности эксплуатации, которые нашли удовлетворительное подтверждены при испытании образцов из аварийных магистралей, труб аварийного запаса и реальных катушек трубопроводов, вырезанных при ремонте трубопроводов.
Как видно из рис. 1,2,а механические свойства основного металла трубопроводов изменяются неоднозначно в зависимости от продолжительности работы. Прочностные характеристики — предел текучести аГ5 и временноесопротивление ав стали 17ГС практически не изменяются в интервале времени эксплуатации газопровода до 24 лет. Тогда как относительное удлинение б и относительное сужение v/ имеют некоторую тенденцию к снижению с последующим ускоренным уменьшением пластичности материала в диапазоне до 15 лет эксплуатации газопровода.
Рис,1,2- Зависимость механических свойств материалов трубопроводов от продолжительности эксплуатации; af б — магистральные газопроводы; в, г — магистральные нефтепроводы.
При испытании образцов на ударный изгиб наиболее четко проявилась феноменологическая концепция о существовании двух интервалов по временной зависимости механических свойств металла (см- рис. 1.2, б, в, г)- В интервале времени эксплуатации трубопроводов до 7-10 лет ударная вязкость основного металла и сварного шва практически сохраняется на одном уровне. Затем начинает снижаться уровень ударной вязкости и после 20-25 лет и более эксплуатации абсолютные значения данного показателя по многих случаях становятся ниже нормативного. Результаты фрактографических исследований изломов образцов из аварийных трубопроводов свидетельствуют, что длительная эксплуатация приводит металл к его охрупчиванию и сопровождается сменой микромеханизма разрушения с вязкого транскристаллитного (путем зарождения, роста и слияния микропор) на хрупкое интеркристаллитное. Основным механизмом хрупкого разрушения является транскристаллитный скол (по типу а-фазы), который наблюдается на металле труб со сроком эксплуатации более 20 лет.
Аналогичные результаты получены и при испытании металла импортной поставки, так ударная вязкость из металла газопровода 1420x15,7 из стали Х70 эксплуатирующегося в Уренгойском регионе в течение 5 и 9 лет, снизилась при отрицательных температурах испытания соответственно на 16 и 25%. Прочностные и пластические характеристики металла сохраняются на одном уровне.
Совпадение по годам всплеска отказов в магистралях и перелома в зависимостях свойств от времени эксплуатации является не случайным и указывает на смену закономерностей в доминирующем механизме замедленного микроразрушения от вязкого при малых временах к хрупкому при больших.
В данном разделе приведены результаты статистического анализа отказов и результаты комплексных исследований причины разрушения магистрального газопровода на участке Ростов-на-Дону - Майкоп. Предложены рекомендации проведения регламентных работ в процессе эксплуатации магистральных нефтегазопроводов.
В последние годы достаточно широко обсуждаются различные аспекты проблемы аварий техногенного характера на сварных объектах- В связи с этим ставится под сомнение возможность длительной безаварийной эксплуатации магистральных нефте-газопроводов выработавших свой расчетный ресурс. Возникновений отказов, неисправностей или дефектов в таких системах могут приводить к последствиям вплоть до трагических: глобальных катастроф, поражению окружающей среды, человеческим жертвам, большим финансовым и материальным потерям.
Поэтому для предупреждения техногенных катастроф различного характера весьма важной задачей является диагностика и глубокий анализ причин, вызвавших разрушение магистрального трубопровода.
В настоящей статье на основании экспериментальных исследований и статистического анализа отказов дана оценка причины разрушения магистрального газопровода «Ростов-на-Дону-Майкоп» (Краснодарский край, Усть-Лабинского района в 3 км южнее п. Южный).
По магистральному газопроводу «Ростов-Майкоп» Ду800 осуществляется транспорт газа от Березанской КС до потребителей Краснодарского края и республики Адыгея. Проектная пропускная способность газопровода составляет 8?5 млн.м3/сут., при разрешенном рабочем давлении 5,4 МПа. Газопровод смонтирован из труб диаметром 820x9 мм, сталь 19Г, Челябинского трубопрокатного завода, глубина заложения 1,0 м до верхней образующей трубы» изоляция резинобитумная, нормальная. Гидравлическое испытание газопровода проводилось при вводе в эксплуатацию (1964 году),В 2000 году был проведен комплексный электрометрический контроль газопровода, где согласно представленного отчета замечаний по данному участку нет. Защитный потенциал в месте аварии составлял — 0,99В, что соответствует требованию ГОСТ 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите труб от коррозии».
Метод акустической эмиссии
В работе использован широкий набор методов и методик исследования: методы механических испытаний (одноосное растяжение, сплющивание, твердость, микротвердость, ударная вязкость), химического анализа, металлографии, растровой электронной микроскопии, усталостных испытаний, акустической эмиссии. Методике усталостных испытаний будет посвящен специальный раздел в главе 4.
Исследовательская глава 5 полностью выполнена на основе метода акустической эмиссии, поэтому рассмотрим этот метод более подробно.
Хорошо известно, что в определенных условиях материалы могут издавать звук- Например, процесс разрушения практически любых хрупких материалов (дерево, стекло и т.п.) сопровождается треском. Другимклассическим примером излучения звука является наличие характерных щелчков при деформации олова («крик олова»). Однако в подавляющем большинстве случаев акустические сигналы, излучаемые материалом, невозможно обнаружить на слух, поскольку их частотный диапазон лежит в области десятков и даже сотен кГц, а амплитуды смещений - чрезвычайно малы. Поэтому изучение данного явления по-настоящему стало возможным только в 50-х годах, когда был достигнут необходимый уровень развития техники для регистрации слабых колебаний поверхности.
Накопленный к настоящему времени экспериментальный и теоретический материал позволяет сформулировать два основных условия, без которых акустическая эмиссия невозможна: процессы структурной перестройки должны протекать локально и динамично. Это положение занимает центральное место в формулировке понятия «акустическая эмиссия» (АЭ) по ГОСТ 27655-88: акустическая эмиссия - процесс излучения материалом механических волн, вызванных локальной динамической перестройкой внутренней структуры материала [11].
Особый интерес к явлению АЭ во всем мире объясняется тем обстоятельством, что материал излучает звук только тогда, когда «с ним что-то происходит»- Отсюда заманчивая перспектива с помощью регистрации сигналов АЭ судить о структурных преобразованиях, происходящих в материалах, и на этой основе прогнозировать их поведение в будущем, то есть определять остаточный ресурс изделий и конструкций. В связи с этим уже к 1980 г- насчитывалось несколько тысяч работ, посвященных явлению АЭ [12], причем только в России и странах СНГ к настоящему времени опубликовано более двух десятков монографий [13-28], обзоров [29-33] и тематических сборников [34-40],
Все многообразие процессов, при которых происходит акустическая эмиссия, условно можно разделить на шесть групп [41];1. Пластическая деформация (см. раздел 1.3).2, Фазовые превращения ([32-37]).
Кроме того, поскольку техника измерений одна и та же, к акустической эмиссии можно условно отнести акустическое контактное течеискание [25], а также излучение звука при коррозионных процессах [24] и в триботехнике [26-27], хотя в последних двух случаях часть сигналов может быть связана непосредственно с деформационными процессами.
Естественно, что большинство исследований посвящено акустической эмиссии в процессе разрушения. Однако не менее важным является вопрос о связи АЭ с деформационными процессами, поскольку даже в самых хрупких материалах моменту окончательного разрушения всегда предшествует пластическая деформация
Метод АЭ основан на регистрации механических колебаний поверхности материала с помощью высокочувствительных датчиков. Полный обзор технической стороны этого метода можно найти в работах [13-14, 16-17, 22], поэтому здесь рассмотрим только основные моменты.
В настоящее время метод АЭ нашел применение в двух основных направлениях: в качестве метода неразрушающего контроля и в качестве эффективного метода физических исследований.
Успешное применение метода АЭ в первом направлении определяется наличием у него ряда преимуществ в сравнении с другими методами неразрушающего контроля. Основные из этих преимуществ следующие [14]:- высокая чувствительность;- возможность обнаруживать и следить за поведением только развивающихся дефектов, т.е. представляющих наибольшую опасность для конструкций;- возможность контролировать большую площадь объекта неподвижно расположенным датчиком - без сканирования;- относительная простота использования метода в процессе проведения технологической операции и основанная на этом возможность адаптивного управления процессом;- возможность применения для контроля изделий, изготовленных из разнообразных материалов, как однородных, так и неоднородных, в том числе композиционных;- возможность определения координат развивающегося дефекта с большой точностью.
Согласно современным представлениям основным источником АЭ являются процессы, сопровождающиеся изменением дислокационной структуры. Именно благодаря этому обстоятельству метод АЭ широко используется во втором направлении, т.е, для решения задач физики прочности и пластичности.
Если в первом направлении по части стандартизации методики сбора и обработки АЭ-информации достигнуты большие успехи [47-49], то во втором -наблюдается полное отсутствие единообразия: в большинстве случаев исследователи пользуются оригинальной аппаратурой и измеряет свои параметры АЭ. Поэтому остановимся более подробно на том, какую информацию несут наиболее часто используемые параметры акустической эмиссии.
Как и любые другие сигналы, акустико-эмиссионные сигналы характеризуются рядом параметров: амплитудой, длительностью, формой, временем появления и частотным спектром. Поток сигналов, кроме того, можно характеризовать статистическими параметрами - средней частотой событий, спектральной плотностью, амплитудным и временным распределением, корреляционной функцией, средним значением и дисперсией [16]. Каждый из перечисленных параметров связан с физическим процессом, сопровождающим
Современные методы оценки текущего состояния металла
На сегодня наиболее актуальная для газотранспортных предприятий проблема обнаружения и идентификации участков магистральных газопроводов, пораженных стресс-коррозионным разрушением металла труб под напряжением (КРН), по причине которой аварийность магистральных газопроводов достигает 50% от общего количества аварий. Несмотря на многочисленные исследования, проведенные как в России, так и за рубежом, в самом механизме развития процессов КРН до сих пор остается много неясного [73]- Так, например, до сих пор нет объяснений феномену аномального развития процессов КРН на магистральных газопроводах Ду=1400 мм, Рраб=7,5 МПа Красно-турьинского ЛПУ 000 «Тюментрансгаз» в Свердловской обл., где на 6-ниточном участке протяженностью приблизительно 25 км на выходе компрессорной станции за относительно короткий период произошло около 20 аварий. Проблема аварийности на этом участке была решена только после прокладки нового коридора газопроводов параллельно старым ниткам из труб с заводской изоляцией и демонтажа старых газопроводов.
Имеющие длину 5-30 мм и продольную ориентацию вдоль трубы стресс-коррозионные трещины, образуют зоны различных размеров, в которых при определенных обстоятельствах формируются магистральные трещины, ведущие к разрушению газопровода. Такие дефекты пытались обнаружить с помощью внутритрубных ультразвуковых снарядов-дефектоскопов, приспособленных для работы в жидких средах: нефть, нефтепродукты, вода. В целях создания акустического контакта в трубу необходимо закачать столб воды длиной не менее 2 км, ограниченный разделительными поршнями, в середину которого помещается ультразвуковой снаряд-дефектоскоп.
НПО "Спектр" (г. Екатеринбург) и ПО "Спецнефтегаз" (г. Москва) разработали магнитный снаряд-дефектоскоп ДМТП-1400 с поперечным намагничиванием для обнаружения продольных дефектов и стресс-коррозионных трещин. Снаряд-дефектоскоп оснащен 768 датчиками магнитного поля (обычные имеют 256), которые расположены по окружности через 5,7 мм. Это позволило получить высокую чувствительность и разрешающую способность при обнаружении трещин: снаряд-дефектоскоп регистрирует трещины длиной свыше 20 мм и глубиной более 10 % толщины стенки. Одна из его главных достоинств — способность обнаруживать трещины в зоне продольного сварного шва (наиболее потенциально опасные).
Сопоставление результатов обследования, полученных с помощью снарядов-дефектоскопов, с традиционным продольным намагничиванием и поперечным, позволяет идентифицировать дефекты с достаточно высокой точностью- В России создано уникальное внутритрубное диагностическое оборудование, позволяющее отечественным предприятиям значительно дешевле и качественнее решать,
В нефтяной и газовой промышленности стран СНГ эксплуатируются более 200 тыс, км магистральных газопроводов, 65 тыс- км магистральных нефтепроводов, свыше 6 тыс, км промысловых трубопроводов различного назначения [74]. Весь объем добываемой нефти и газа транспортируется по единой развитой системе ыефтегазоснабжения из удаленных районов добычи (Западная Сибирь и Средняя Азия) до основных потребителей европейской части стран СНГ и Западной Европы.
Проведенный на трубопроводах (4000 стыков) диаметром 1420 мм анализ результатов радиографического и ультразвукового контроля, выполненного на объектах объединений «Севертрубопроводстрой», показал распределение дефектов по типам на сварном соединении для поворотной сварки на установке ПАУ-1001 и в трассовых условиях, а также на установке БТС-143 -плоскостные дефекты (непровары, несплавления по кромкам, подрезы), хотя и не являются массовыми, но именно они, как было установлено, представляют наибольшую потенциальную опасность и именно плоскостные дефекты полностью не обнаруживаются радиографическим контролем.
Выполнен также анализ распределения дефектов в наплавленном металле шва и по линии сплавления, показано, что для поворотной сварки на установке ПАУ-1001 и ручной сварки наиболее характерно расположение дефектов в средней части шва. Преимущественно — это шлаковые включения и непровары между проходами сварки.
Для сварки на установке БТС-143 характерно меньшее число дефектов и распределены они равномерно по высоте шва, но именно эти дефекты (преимущественно непровары и несплавления в притуплении между внутренним и наружным проходами сварки и по кромкам разделки шва) пропускаются при радиографическом контроле.
Большое преимущество АЭ-метода неразрушающего контроля заключается в том, что, наряду с высокой чувствительностью, он позволяет контролировать объекты неподвижно расположенными датчиками без сканирования, а также дает возможность контролировать изделия сложной геометрической формы, изготовленные как из однородных, так и неоднородных материалов разной толщины (резервуары и трубопроводы).
Требования и рекомендации по проведению АЭ-контроля объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России, в том числе и резервуаров вертикальных стальных (РВС),- определены в работе [РД 03-131—97)]. Экспериментально определены скорости распространения упругих волн — около 5100 м/с для ПАЭ R151, около 5300 м/с для ПАЭ R61. Эти экспериментальные значения согласуются с теоретической дисперсионной зависимостью для групповой скорости нулевой симметричной моды волны Лэмба (So) [75]. Для толщины листа равной 9 мм, и резонансных частот 150 и 60 кГц параметр (1ісо,мм МГц) будет равен 1,35 и 0,54 соответственно для ПАЭ R151HR6L
АЭ-контроль проводится в целях оценки общего коррозионного состояния металла, определения наиболее прокорродированных участков и мест возможных утечек в соответствии с работой [76]. Для контроля используются ПАЭ RI3 с резонансной частотой 30 кГц и встроенным предварительным усилителем на 40 дБ, которые устанавливаются по периметру резервуара на зачищенную до чистоты Rz40 поверхность стенки через контактную смазку типа «Silicone Compound» и крепятся магнитными прижимами.
Влияние наводороживания на спектральные характеристики АЭ
Одной из наиболее опасных примесей, входящих в состав нефтегазопромысловых сред, является сероводород. В присутствии влаги он способствует активному проникновению водорода вглубь металла, В зависимости от содержания водорода и от напряженного состояния конструкции возможны различные виды повреждений. Наиболее опасным является сульфидное растрескивание под напряжением, когда материал самопроизвольно разрушается.
Учитывая постоянное увеличение объема сред, содержащих сероводород, возникают такие задачи, как оценка состояния действующих трубопроводов, разработка новых материалов с повышенной стойкостью к водородным повреждениям, а также контроль качества и сертификация готовой продукции. При решении этих задач большое значение имеет методика контроля стойкости материала к водородному охрупчиванию и коррозионному растрескиванию.
Изучению влияния наводороживания на АЭ в сталях посвящены работы [97-104]. Отмечается, что характер этого влияния зависит от степени упрочнения стали [97]. В высокопрочных сталях наводороживание вызывает повышение АЭ-активности5 что связывают с образованием микротрещин [98-100], преимущественно на включениях. Для высоковязких сталей влияние водорода заключается в снижении или исчезновении максимума непрерывной АЭ и уменьшении амплитуды дискретных сигналов [97, 101, 102], что, по-видимому, связано с воздействием водорода на процессы пластической деформации. Предполагается также, что одной из причин снижения уровня АЭ может быть изменение акустических характеристик металла, в частности, изменение затухания ультразвуковых колебаний [103]. Степень снижения активности АЭ зависит от структурного состояния стали; она максимальна в закаленных образцах и незначительна после низкого отпуска [104].
Известно, что экспозиция в наводороживающей среде вязких сталей приводит к снижению энергетических характеристик сигналов акустической эмиссии [105-106]. Использование данного эффекта для контроля водородного охрупчивания сталей затруднено, так как энергетичность АЭ в исходном состоянии, как правило, неизвестна.
С другой стороны, охрупчивание, вызывая изменение структуры материала, влияет и на спектральные характеристики АЭ- Масштаб изменения спектральных параметров меньше, чем энергетических, что дает возможность при диагностике обходиться без эталонных образцов.
В настоящей работе исследованы спектральные характеристики сигналов АЭ, возникающих при деформировании исходных и наводороженных образцов стали 30ХМА, широко применяемой для производства насосно-компрессорных труб. Сталь была поставлена Волжским трубным заводом в четырех вариантах, отличавшихся режимами термической обработки. Из труб 073х555мм были вырезаны кольцевые образцы, на которые перед сплющиванием в горизонтальной плоскости наносили боковые надрезы.
Исследования микроструктуры исследуемых образцов показали, что варианты 1-3 обладают структурой отпущенного мартенсита, а у варианта 4 структура феррито-перлитная с зернистыми карбидами и некоторым количеством игольчатых образований.
Согласно результатам механических испытаний, варианты 3 и 4 обладают сравнительно повышенными прочностными и пониженными пластическими свойствами- Также для варианта 4 зафиксировано резкое падение ударной вязкости при пониженных температурах. Можно предположить, что для этих вариантов температура отпуска была недостаточной.
По данным коррозионно-механических испытаний по стойкости к возникновению трещин и по стойкости к их распространению (в осевом направлении) наилучшим является вариант 2.
Наводороживание осуществлялось в стандартном растворе NACE (насыщенный H2S водный раствор, содержащий 5%NaCl и 0,5% СН3СООН, при комнатной температуре и рН=3,0) в течение 1 месяца без нагрузки. Исходные и наводороженные образцы испытывали на сплющивание со скоростью перемещения подвижной траверсы 5 мм/мин и одновременно осуществляли регистрацию акустической эмиссии [107-108], Вязкие свойства образцов оценивали по механической энергии (площадь под кривой нагружения до достижения максимальной силы сжатия).
Следует отметить, что уровень огибающей ЛЭ (рис.4.20) и количество сигналов АЭ, зарегистрированных при испытаниях наводороженных образцов, были в 3-5 раз меньше, чем при испытаниях исходных образцов,
По величине механической энергии образцы можно разделить на две группы: сравнительно пластичные (1 и 2 серия) и хрупкие (3 и 4 серия).
Сигналы АЭ, записанные в процессе сплющивания, были разделены на группы в соответствии с формой их спектра с использованием оригинальной методики кластерного анализа. Установлено, что большинство сигналов (до 80%) имеет сходный спектральный состав, т.е. может быть отнесено к одной группе (рис.4.21).
Связь между степенью хрупкости образца и спектральными характеристиками сигналов АЭ особенно четко прослеживается для исходных образцов. Обнаружено, что в исходном состоянии для сравнительно пластичных образцов (варианты 1 и 2) на кривых спектральной плотности сигналов АЭ присутствуют два равных по высоте пика - в области 200 и 500 кГц, что соответствует резонансным частотам преобразователя АЭ. Для более хрупких образцов (варианты 3 и 4) высота второго (высокочастотного) пика заметно превышает высоту первого.
