Содержание к диссертации
Введение
1. Дефектность металла трубопроводов и проблемы их эксплуатации 7
1.1. Анализ основных причин отказов трубопроводов 7
1.2. Оценка дефектности металла трубопроводов ОНГКМ 16
1.3. Определение дефектов металла трубопроводов методами внутритрубной дефектоскопии
2. Материалы и методики исследования 28
2.1. Материалы труб, применяемых на ОНГКМ 28
2.2. Методика оценки адекватности результатов ВТД фактической дефектности металла труб 41
2.3. Оборудование и методика натурных испытаний труб 47
Выводы по главе 2 57
3. Идентификация дефектов металла трубопроводов по данным диагностического контроля 58
3.1. Идентификация металлургических дефектов металла трубопроводов 58
3.1.1. Металлургические дефекты 59
3.1.2. Дефекты геометрии труб 67
3.1.3. Дефекты сварных швов 71
3.2. Идентификация эксплуатационных дефектов металла трубопроводов
3.3. Основные отличительные признаки дефектов 80
3.3.1. Отличие неметаллических включений от металлургических расслоений 85
3.3.2. Отличие металлургических расслоений от водородных расслоений.. 88
3.3.3. Отличие расслоений с выходом на поверхность от вмятин 100
3.4. Развитие эксплуатационных расслоений 102
Выводы по главе 3 106
4. Определение работоспособности труб, содержащих дефекты, и оценка их остаточного ресурса 107
4.1. Испытания труб, содержащих металлургические расслоения 107
4.2. Испытания труб, содержащих водородные расслоения 110
4.3. Испытания труб, содержащих дефекты кольцевых швов 113
4.4. Оценка потенциальной опасности дефектов основного металла труб... 122
4.5. Модели приведения дефектов несплошности металла труб к поверхностным дефектам
4.6. Определение потенциальной опасности дефектов сварных соединений 134
4.7. Вероятностная оценка остаточного ресурса трубопровода с поверхностными дефектами 138
4.8. Экономическая эффективность проведенных исследований 148
Выводы по главе 4 154
Общие выводы 155
Список использованных источников 157
- Оценка дефектности металла трубопроводов ОНГКМ
- Методика оценки адекватности результатов ВТД фактической дефектности металла труб
- Идентификация эксплуатационных дефектов металла трубопроводов
- Испытания труб, содержащих водородные расслоения
Введение к работе
Актуальность работы. Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла труб и делает ее неотъемлемой частью эксплуатационного процесса. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются строгим соблюдением установленной технологии, в то время как для трубопроводов, выработавших нормативный срок эксплуатации, вопрос о замене выявленных дефектных участков, с которыми они проработали продолжительный период, остается актуальным.
Теория оценки работоспособности металла труб связана с именами ведущих ученых: Басиева К.Д., Ботвиной Л.Р., Головина СВ., Горицкого В.Н., Гумерова А.Г., Зикеева В.Н., Иванцова О.М., Кантора М.М., Макарова Г.И., Павловского Б.Р., Смирнова М.А., Хариановского В.В., Хромченко Ф.А., Чабуркина В.Д., Черняева К.В. и др. Особенности эксплуатации и обеспечения надежности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Гафарова Н.А., Генделя Г.Л., Иванова СИ., Кушнаренко В.М., Макаренко В.Д., Мирочника В.Л., Митрофанова А.В., Перунова Б.В., Сергеевой Т.К., Стеклова О.И., Шрейдера А.В. и др. Одним из условий обеспечения эффективности диагностического обслуживания является наличие нормативных документов (НД), имеющих юридическую силу и регламентирующих нормы дефектности металла и методы оценки потенциальной опасности дефектов трубопроводов.
С применением современных средств внутритрубной дефектоскопии (ВТД) количество выявляемых дефектов металла трубопроводов исчисляется тысячами, больше половины из которых превышает требования действующих НД. Существующие методики оценки степени опасности дефектов основаны, как правило, на линейной механике разрушения, учитывающей трещиноподобные дефекты. С их помощью по максимальным значениям геометрических параметров можно предварительно оценить разрушающее давление и коэффициент запаса одиночного дефекта. Для расслоений, коррозионных дефектов и дефектов сварных швов, составляющих более 50% выявленных ВТД дефектов, применение этих методов оценки может привести к перебраковке дефектных участков трубопровода. Результаты прочностных расчетов согласно действующим НД не только не учитывают природу
образования дефектов, но и применимы только для дефектов поверхности. Для принятия решений о мероприятиях по обеспечению работоспособности и оценки остаточного ресурса трубопроводов необходима дополнительная информация о дефектах, т.е. их идентификация - определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и уточнение их геометрических параметров.
Идентификация дефектов проводится как при компьютерном анализе, так и при дополнительном диагностическом контроле в шурфах. Дополнительный диагностический контроль является самым информативным, однако, учитывая значительное количество дефектов, выявленных по результатам ВТД, этот метод эффективнее применять для подтверждения потенциальной опасности тех дефектов, которые реально оказывают влияние на эксплуатационные свойства металла трубопровода. Основное количество выявленных дефектов необходимо идентифицировать при компьютерном анализе, поскольку обследование большого количества дефектов в шурфах экономически не целесообразно. В связи с этим, разработка однозначных признаков для идентификации выявленных дефектов металла труб, методик оценки их потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов является актуальной проблемой для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.
Цель работы - идентификация металлургических, технологических и эксплуатационных дефектов металла трубопроводов, определение их потенциальной опасности и прогнозирование работоспособности металла трубопроводов сероводородсодержащих месторождений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) анализ дефектности металла труб и разработка методики
идентификации дефектов, позволяющей различать металлургические,
технологические и эксплуатационные дефекты;
2) разработка оборудования и методики стендовых испытаний труб,
содержащих дефекты основного металла и сварных соединений;
3) проведение испытаний труб, содержащих металлургические,
технологические и эксплуатационные дефекты, для оценки работоспособности
металла трубопроводов;
4) разработка нормативного документа по оценке потенциальной
опасности дефектов металла труб и остаточного ресурса участков
6 трубопроводов, имеющих дефекты.
Научная новизна:
1) разработана методика идентификации дефектов металла
трубопроводов, заключающаяся в определении характерных признаков
металлургических и эксплуатационных дефектов;
2) установлено, что в процессе эксплуатации стальных труб в течение 25
лет в сероводородсодержащеи среде основной металл сохраняет исходную
феррито - перлитную структуру, однако увеличивается по экспоненциальному
закону количество водородных расслоений, образующихся в области
металлургических дефектов, а в области технологических дефектов сварных
соединений возникают трещины;
3) предложена методика оценки потенциальной опасности дефектов
металла трубопроводов, позволяющая определять остаточный ресурс
дефектных участков трубопроводов, обосновывать объемы и сроки проведения
ремонта для обеспечения необходимого уровня работоспособности металла
трубопроводов.
Практическая значимость работы:
создан стенд и обоснованы режимы стендовых испытаний для оценки работоспособности металла дефектных труб;
основные положения разработанных методик включены в стандарт СТО 0-13-28-2006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии».
Общий экономический эффект от реализации основных положений методики оценки потенциальной опасности дефектных участков трубопроводов и обоснования объемов проведения ремонта при обеспечении безопасной эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, составил более 7 миллионов рублей за 2007 год.
Автор благодарит коллектив ООО «Газпром добыча Оренбург» за помощь в проведении испытаний труб, предоставление необходимой информации и ценные советы при подготовке и обсуждении данной работы.
Оценка дефектности металла трубопроводов ОНГКМ
На первоначальном этапе эксплуатации трубопроводов ОНГКМ с 1974 по 1985 годы оценка коррозионного состояния металла труб проводилась с применением различных средств и методов контроля [9, 58, 59]. Аналогичные методы контроля коррозионных процессов применяли на промыслах США, Канады, Франции [101, 103, 109, ПО].
Контроль коррозии по образцам-свидетелям согласно регламенту предусматривался ежегодно. Плоские образцы-свидетели имели те же качественные характеристики, что и металл трубопровода. Образцы на длительный срок устанавливали на начальных и конечных участках трубопроводов с тем, чтобы они не мешали прохождению поршней при ингибировании. Извлеченные через год образцы исследовали и оценивали интенсивность коррозионных процессов, происходящих в трубопроводах, путем измерений потерь веса.
Основными недостатками метода контроля с исследованием образцов-свидетелей являются, во-первых, низкая сходимость результатов и, во-вторых, существенные отличия в условиях, в которых находятся образец-свидетель и поверхность трубопровода, в частности, по доступу среды к поверхности, газо-и гидродинамическим характеристикам потоков, температурному режиму и др. Однако для сравнительной оценки качества противокоррозионных мероприятий и сравнительных выводов, базирующихся на больших статистических массивах измерений, этот метод контроля является эффективным.
Наряду с весовым методом оценки скорости коррозии в трубопроводах с помощью образцов-свидетелей, применялся метод измерения электросопротивления с помощью зондов коррозиметра СК-3. Работа датчика коррозии основывается на том, что электропроводность большинства металлов очень велика, тогда как проводимость металлоидов (продуктов коррозии) по сравнению с ним незначительна, т.е. при коррозии происходит увеличение электрического сопротивления чувствительного элемента датчика. Опыт использования коррозиметров СК-3 показал, что они завышают значение скорости коррозии.
Кроме приведенных методов определения скорости коррозии, периодически велся контроль за коррозией по содержанию ионов железа в жидких средах. Результаты анализов по содержанию ионов железа сравнивались с результатами скорости коррозии по образцам-свидетелям и зондам коррозиметра.
Проводились работы по периодической регистрации водородных потоков через стенку трубы. Количество продиффундировавшего через металл водорода фиксировали с помощью водородных зондов. Величина потока диффузионно-подвижного водорода, проходящего через стенку труб, контактирующих с наводороживающими средами, определяет степень активности коррозионных сред (скорость электрохимических процессов, вероятность сероводородного растрескивания и водородного растрескивания) и эффективность противокоррозионных мер. Поток водорода периодически измерялся с помощью накладных электрохимических регистраторов [58]. Контролю подвергались участки трубопроводов в наиболее коррозионно-опасных местах: выходы из низин на линейных участках, узлы запуска и приема поршней, перемычки и отводы, тупиковые участки. Контроль осуществлялся по всему периметру труб, при этом в области установки электрохимического датчика диаметром 200 мм не должно быть несплошностей типа расслоений, регистрируемых ультразвуковыми приборами, место установки датчика покрывалось палладием. По величине водородного потока состояние контролируемого участка оценивали как нормальное, если сигнал был меньше 2,5 мкА.
С повышением влажности транспортируемого газа возросла вероятность агрессивного проявления сероводородсодержащего газа в виде повышения наводороживания и коррозионного растрескивания металла. Поэтому в 1983 — 1985 годах появилась необходимость в более оперативном контроле коррозионных проявлений. Контролируемые участки выбирались в потенциально опасных местах, определяемых с учетом данных об условиях эксплуатации трубопроводов, противокоррозионной защиты и рельефа трассы [9, Ю].
Проведение этих работ позволило выявить большое количество незначительных и существенных коррозионных повреждений металла трубопроводов в местах, подвергавшихся контролю. На основании результатов контроля некоторые поврежденные участки трубопроводов были заменены.
Выборочный контроль трубопроводов в шурфах проводился ультразвуковой дефектоскопией и толщинометрией [19, 21, 22, 99]. Эти работы позволили выявить коррозионные повреждения металла стенок трубопроводов в местах, подвергавшихся контролю. Однако, как показала практика, наиболее полную информацию о состоянии металлических конструкций можно получить при исследовании натурных элементов и образцов, вырезанных при проведении ремонта или остановках трубопроводов. Согласно Регламенту периодическая вырезка катушек с целью установления структурных изменений металла и определения механических свойств проводилась через каждые 5 лет эксплуатации трубопровода.
До 90-х годов увеличение объемов диагностических работ (комплексное электрометрическое обследование, выборочные наружные обследования и др.) и привлечение специализированных организаций позволило решить вопрос безопасной эксплуатации за счет проведения капитального ремонта со сплошной заменой участков трубопроводов.
Методика оценки адекватности результатов ВТД фактической дефектности металла труб
Одной из основных проблем идентификации дефектов по данным ВТД является адекватность их фактической дефектности металла труб. Оценка достоверности методов выявления дефектов ведется в ООО «ГДО» с 1991 года (с начала применения ВТД).
Перед первыми пусками внутритрубных дефектоскопов проводили стендовые испытания на тестовом трубопроводе ОНГКМ [34, 79, 97]. Прогон снаряда проведен дважды в противоположных направлениях, что позволило проверить сходимость результатов. На тестовом трубопроводе нанесены 29 дефектов: из них 6 наружных и 23 внутренних. В кольцевом шве выполнены дефекты различной глубины, в металле содержались расслоения, канавки и накладки. Искусственные дефекты типа канавки имели ширину 15 мм. Испытания проводились со скоростями до 1м/с.
Установлено: все дефекты в трубах надежно выявляются во всех режимах испытаний, непровары в сварных швах выявляются и могут измеряться только при малых скоростях движения снаряда. Для канавок точность определения глубины дефектов составляет ±0,2 мм. Дефекты наружной поверхности могут обнаруживаться как по зоне рассеяния, так и по наличию эхо-сигнала над центром. В этом случае возможно определение глубины с точностью ±0,3 мм [34].
Работа по сравнению результатов ВТД и наружного контроля в шурфах проводится постоянно. Однако при наружном контроле дефектов под ремонт, как правило, подтверждается наличие дефекта с максимальным параметром в нескольких точках, а полное описание и измерение дефектов, особенно протяженных, затруднительно. Поэтому для оценки адекватности результатов ВТД и фактических параметров дефектов, дополнительно к наружным обследованиям (НО), проведено исследование по следующей методике. 1. Из общей базы данных проводили сортировку дефектов для выявления наиболее характерных для каждого трубопровода. Затем формировали список дефектов с параметрами по типам. 2. На трубопроводах намечали характерные типы дефектов для наружного контроля. При выборе дефектов отбирали участки с минимальными, максимальными и средними параметрами. 3. Проводили разбивку дефектных участков на трассе трубопроводов и наружное обследование методами неразрушающего контроля с составлением актов. Для внутренних дефектов типа несплошности и каверны на внутренней поверхности, на дефектном участке наносилась сетка для ультразвукового контроля с шагом 20 мм (рисунок 2.9). 4. Результаты наружного контроля заносили в базу данных и подготавливали для статистической обработки. 5. Частотную гистограмму нормального распределения строили с применением пакета обработки и анализа информации «Statistica».
В 2006 году было обследовано в шурфах 28 участков с дефектами типа «потеря металла». Из них 87% совпадают с заявленными параметрами (глубина дефекта) в пределах 10% -ой погрешности (рисунок 2.10).
Математическая обработка полученных результатов с использованием нормального закона распределения случайных величин позволила установить, что значения попадают в ±10% интервал с вероятностью 0,95, за исключением единичного выброса (рисунок 2.10). На этом участке обнаружена подварка дефекта, а такие участки всегда вызывают сложности при интерпретации. Анализ адекватности результатов ВТД фактической дефектности металла труб показал, что дефекты типа «потеря металла» (утонение стенки трубы) надежно обнаруживаются и классифицируются методами магнитной диагностики.
Несколько иначе обстоят дела при оценке адекватности дефектов сварных соединений по данным ВТД. По результатам пропуска магнитного дефектоскопа интерпретируются два основных типа дефектов сварных швов: «несплошность плоскостного типа» и «аномалия поперечного шва». «Несплошность плоскостного типа», как правило, указывает на непровар в сварном соединении, а «аномалии кольцевого шва» - на смещение кромок или разнотолщинность труб. Возможен вариант, когда вид дефекта не определен. На рисунке 2.12 представлены результаты подтверждения дефектов в шурфах, по данным ВТД.
При анализе данных магнитного дефектоскопа и данных наружного обследования рассмотрено 48 дефектов кольцевых стыков типа «аномалия сварного шва». После наружного обследования выяснилось, что 75% аномальных стыков имеют смешение кромок или разнотолщинность стыкуемых труб. В большинстве случаев, когда дефект сварного шва при наружном обследовании не обнаружен, аномалия возникает из-за смещения кромок стыкуемых труб. Главной трудностью в интерпретации дефекта по данным магнитного снаряда является наложение возмущений магнитного потока из-за дефекта сварки и смещения кромок шва. Наличие смещения кромок не препятствует обнаружению значительных дефектов сварки. Однако при измерении этих дефектов происходит искажение данных из-за трудностей в разделении зон возмущения магнитного потока от несплошности в сварном шве и уменьшения «сечения» шва из-за смещения кромок. Поэтому при интерпретации данных ВТД применяется принцип максимальной безопасности трубопровода, заключающийся в отнесении дефекта, в случае его неоднозначности в интерпретации, к более опасному типу. Подтверждение наличия дефектов несплошности сварных соединений по результатам наружного контроля составляет не менее 86 %.
В настоящее время применение современных дефектоскопов позволяет получать данные, адекватные фактическим размерам основных типов дефектов. Для оценки степени потенциальной опасности и обоснованной отбраковки дефектов, выявленных при проведении диагностических работ, в ООО «ГДО» разработан и смонтирован специальный стенд (рисунок 2.13). Стенд предназначен для проведения гидравлических испытаний труб, сосудов, фонтанной арматуры и деталей трубопроводов на циклические и статические нагрузки, с целью определения предельных характеристик металла испытываемых объектов. Гидравлическая установка для создания необходимых параметров при проведении гидравлических испытаний труб представляет собой определенным образом взаимодействующие кинематическую, гидравлическую и электрическую схемы. Рабочей средой является вода. Максимально возможное давление, создаваемое насосом, Р = 50 МПа, производительность постоянна и равна Q = 22,5 дм /мин. Применяется трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 11 кВт и частотой вращения 1460 об/мин. Масса -93 кг. Передаточное число ременной передачи равно 4.
Идентификация эксплуатационных дефектов металла трубопроводов
Дефекты, которые образовались в процессе эксплуатации трубопроводов, являются эксплуатационным дефектам. К ним относятся коррозионные повреждения на внутренней и наружной поверхностях трубопровода, плотные отложения. Для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, кроме язвенной коррозии, характерны водородные расслоения и сероводородное растрескивание.
Водородные расслоения. Вздутие на трубопроводах, транспортирующих сероводородсодержащие среды, является результатом раскрытия водородных расслоений в стенке трубопровода (рисунок 3.17). Этот тип дефекта является наиболее потенциально опасным, практически не поддается прогнозированию и оказывает существенное влияние на прочностные свойства участка трубопровода. Дефекты этого типа не допускаются к эксплуатации при любых размерах.
Одним из характерных признаков водородного расслоения является его раскрытие, а также отношение его длины к величине раскрытия. Результаты металлографических исследований дефектных участков трубопроводов показали, что величина этого отношения для водородного расслоения находится в пределах 3-15 для микрорасслоений и 5-60 для макрорасслоений (рисунки 3.18 - 3.21), тогда как для неметаллических включений это отношение достигает величин 40-300 (за величину "раскрытия" неметаллических включений принята толщина его слоя), а его длина достигает 200 мм и более (рисунки 3.2, 3.3, 3.22). При этом протяженные водородные расслоения (длиной более 200 мм) имеют, как правило, величину раскрытия более 1 мм и могут приводить к разрушению стенки трубы над его центром. Вместе с тем необходимо учитывать, что зарождение и развитие водородного расслоения связано с поступлением в металл водорода, возникающего в результате электрохимической реакции поверхности металла с наводороживающей средой. Это, как правило, сопровождается утонением стенки трубы.
Потеря металла - коррозия - дефект в виде утонения стенки трубы вследствие коррозии металла. Оба метода ВТД определяют достаточно точно геометрические параметры коррозионных повреждений металла, поэтому наружному обследованию подлежат те участки, которые превышают допустимые параметры и расчетные значения по результатам ВТД. Коррозионные дефекты выявляются магнитной ультразвуковой ВТД. При этом питтинговая коррозия лучше выявляется магнитным методом, а общая коррозия - ультразвуковым.
Кроме однозначно выявляемых металлургических и эксплуатационных, обнаруживаются дефекты, характерные для труб различных поставок и транспортирующих различные среды. Такие дефекты, как правило, описываются стандартными терминами, что в ряде случаев ведет к перебраковке, либо к недобраковке дефектов.
При интерпретации данных внутритрубной дефектоскопии дефекты однозначно идентифицируются в том случае, если каждый из них имеет явно выраженные признаки своего типа и нет наложений посторонних сигналов. На практике дефекты имеют сложные формы, часто наблюдаются схожие признаки, а в области сварных швов возникают потери сигнала, которые значительно снижают информативность, вследствие чего при интерпретации данных внутритрубной дефектоскопии существует проблема однозначного толкования дефекта.
Например, изображение водородного расслоения на сканах практически совпадает с изображением вмятины, и ошибка в определении типа дефекта может привести к аварийной ситуации на трубопроводе.
Возникают сложности и в определении степени опасности дефектов включение/расслоение. Строительные нормы отбраковывают расслоения более 120 мм и расслоения, примыкающие к сварным швам, что составляет до 90% выявленных внутренних дефектов.
Обследовать такое количество дефектов не представляется возможным. В то же время, исследования вырезанных участков с расслоениями показывают, что в большинстве случаев это плотные неметаллические включения, которые могут эксплуатироваться без каких - либо ограничений.
Большинство норм на внутренние дефекты, которые в случае проката обычно идентифицируют как расслоения, разработаны производителями металла. Такими нормативами являются отечественный ГОСТ 22727-88 "Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля"; американские нормы ASTM SA 435, SA 578 для проката, применяемого для сосудов давления; нормы государственного французского стандарта NFA 04.305; а также многочисленные специальные технические решения, которые можно встретить на отечественных технологических заводах. Например, «Временные нормы оценки качества листовой стали, предназначенной для изготовления труб большого диаметра на рабочее давление 7,5 МПа, по результатам УЗК».
Анализ вышеприведенных норм показывает, что они имеют достаточно большой разброс как в плане понятий, способов измерений, так и в плане критериев и допустимых расслоений. Само понятие расслоений, методы установления их границ, правила объединения и т.д. изменяются от стандарта к стандарту.
Одним из критериев распознавания включения и расслоения является пропадание донного сигнала. Однако, при прямом измерении толщины стенки датчиком внутритрубного снаряда, сигнал фиксируется только от первой отраженной несплошности. Если точечные несплошности расположены друг под другом (рассредоточены по толщине), то появляется эффект пропадания донного сигнала, что является признаком расслоения. Для примера рассмотрены 3 образца, которые выбрали на трубопроводах, сооруженных из труб импортных поставок и транспортирующих сероводородсодержащие среды более 15 лет. Контроль дефектности металла труб проводили с помощью ультразвукового дефектоскопа USN-2 фирмы "Krautkramer". При наружном ультразвуковом контроле обнаружены "точечные" дефекты площадью 1-2 см2 преимущественно в центральных горизонтах листов, из которых были изготовлены трубы. Плотность дефектов не превышала 1-3 на дм . Анализ макроструктуры и микроструктуры металла исследованных образцов установил следующее: - металл трубы 0720 мм образец № 1 имеет однородную структуру с ярко выраженной ликвационной полосой с малозначительным (10%) смещением относительно центрального слоя толщины стенки трубы, соответствующего осевой зоне слитка, из которого изготовлена труба (центрального слоя листа). Макроскопических дефектов типа трещин не обнаружено (рисунок 3.22, а, г); - металл трубы 0 720 мм образец № 2 имеет развитую ликвационную неоднородность, рассредоточенную в центральной зоне листа. Ширина зоны с выраженной ликвационной неоднородностью составляет 30-40% от толщины стенки трубы. Макроскопических дефектов типа трещин не наблюдается. Дефекты типа расслоений длиной до 2-3 мм и раскрытием до 0,05 мм ориентированы преимущественно параллельно плоскости листа, из которого изготовлена труба. Сосредоточены расслоения преимущественно в ликвационных полосах, а также некоторое их количество наблюдается между внутренней поверхностью и нижней границей ликвационной зоны (рисунок 3.22, б, д); - металл трубы 720 мм образец № 3 имеет однородную структуру. Сплошная ликвационная зона отсутствует. Наблюдаются только тонкие слабо выраженные участки зональной ликвации в центральном слое листа, имеющие дискретный характер. Макроскопических дефектов типа трещин не обнаружено (рисунок 3.22, в, е).
Испытания труб, содержащих водородные расслоения
Испытание труб 01020x14 мм с дефектами кольцевых швов. Материал трубы - сталь типа стали 20 по TU-28-HC-76. При обследовании кольцевого сварного шва трубы №7 (таблица 4.1) обнаружены дефекты с наибольшими геометрическими размерами: непровар длиной 370 мм и максимальной глубиной 6,5 мм. Данная труба с непроваром выдержала все циклические нагрузки, поэтому ее нагружали подъемом давления до разрушения. При давлении 16,0 МПа произошла разгерметизация трубы с образованием на кольцевом сварном шве трещины длиной 112,0 мм вдоль кольцевого сварного шва трубы (рисунок 4.7).
Причиной разрушения трубы по кольцевому сварному шву от внутреннего давления является непровар с остаточной толщиной стенки металла менее 50%. Остаточная минимальная толщина металла в области непровара составила 6,1 мм на длине более 370 мм.
При обследовании кольцевого сварного шва трубы №8 (таблица 4.1) обнаружены дефекты с наибольшими геометрическими размерами: непровар длиной 530 мм и максимальной глубиной 5,2 мм.
При обследовании кольцевого сварного шва трубы № 9 (таблица 4.1) обнаружены дефекты с наибольшими геометрическими размерами: непровар длиной 300 мм и максимальной глубиной 6,0 мм, провисы до 3 мм в количестве 9 штук.
Труба выдержала циклические нагрузки до величины давления 1,75 Рн. Однако на втором цикле нагружения до величины давления 1,75 Рн со сбросом давления до 0,1Рц (0,9 - 15,4 МПа) произошла разгерметизация трубы с образованием трещины длиной 18,0 мм вдоль оси трубы и очагом разрушения на кольцевом сварном шве (рисунок 4.9, а). Труба выдержала циклические нагрузки до величины давления 1,75 Рн-Однако на первом цикле нагружения до величины давления 1,75 РЦ СО сбросом давления до 0,1 Рц (0,9 - 15,4 МПа) произошла разгерметизация трубы с образованием очага разрушения на кольцевом сварном шве, трещина длиной 24 мм (рисунок 4.9, б).
Проведенные гидравлические испытания труб позволили выявить характеристики и параметры разрушения. Разрушение при гидравлических испытаниях труб происходило при давлениях 15,4-16,5 МПа с очагами разрушения в кольцевых сварных швах при напряжениях, соответствующих величине предела прочности по сертификату на трубы. Испытуемые трубы разрушились при давлениях в 1,75- -1,88 раза превышающем нормативное рабочее давление - 8,8 МПа и в 2,8- -3 раза превышающем проектное давление -5,5 МПа.
Результаты проведенных гидравлических испытаний показали, что кольцевые сварные швы, содержащие недопустимые дефекты [11, 12], выдерживают малоцикловые нагрузки при давлении от 0,1 Ри до Рн. Диаметр труб после разрушения увеличивался на 3(Н85 мм. При циклических нагрузках образования усталостных трещин в сварных швах не наблюдалось. Кольцевые сварные швы с дефектами являются концентраторами напряжений, особенно при резких изменениях толщины металла. Разрушение одной из труб произошло вдоль образующей трубы на кольцевом сварном шве по переходу от основного металла стенки трубы к приваренному металлическому подкладному кольцу. Резкий переход металла на участке сварного шва с облицовкой к месту ее отсутствия вызвал повышение напряжений по результатам тензометрирования на -24%.
Разрушение труб по кольцевым сварным швам от внутреннего давления происходит при наличии непроваров с остаточной толщиной стенки металла менее 50%. Главные напряжения о-, и а2 в контролируемых точках определяли с использованием формул (2.5, 2.6) для плоского напряженного состояния при регистрации деформаций. Сопоставим теоретические результаты расчета размеров дефекта с результатами гидравлических испытаний труб 01020x14 мм, имеющих дефект в кольцевом сварном соединении — непровар 370x6,5 мм. После выполнения программы циклических нагружений, разрушение испытуемой трубы произошло при внутреннем давлении 16 МПа. Согласно формулам (4.5 - 4.7), на рисунке 4.13 приведен график размеров дефектов, способных вызывать разрушение трубы при 15-16 МПа от окружных напряжений.
На область графика нанесены дефекты с размерами, определенными по результатам УЗК. Дефекты находятся ниже графика (рисунок 4.13). То есть труба с данными дефектами не должна была бы разрушиться при давлениях 15-16 МПа.
Дефекты также находятся ниже графика (рисунок 4.14), т.е. трубы с данными дефектами не должны разрушаться при давлениях 15-16 МПа. Это отличие также связано с неточностью определения истинных размеров дефектов при УЗК, которую в данной работе предлагается учитывать с помощью коэффициента повышения запаса прочности сварного шва: кс — приняли в пределах 1,5 -2,0 в зависимости от точности определения размеров дефекта.
С учетом вышеизложенного, определение допустимого рабочего давления участка трубопровода с дефектом в кольцевом сварном соединении предлагается проводить по формуле:
