Введение к работе
Чктуальность работы,
В последние годы заметно возросла аварийность газопроводов больного диаметра по причине стресс-коррозии - разновидности наружного соррознонного растрескивания металла иод напряжением (КРН). Аварии ю этой причине происходили на газопроводах различных регионов Рос-ми: в Сибири, на Урале, в Европейской части страны: В некоторых регио-іах страны имеются участки с очень высокой аварийностью по причине rrpecc-коррозии. Наружное КРН труб признается серьезной проблемой «зопасности магистральных трубопроводов за рубежом (США, Канада, Австралия, и др.).
Процессы стресс-коррозии на магистральных трубопроводах изучаемся с начала 60-х годов Однако, до сих пор нет полного представления о ірироде и механизмах этого явления, а частота аварий по причине стресс-', горрозии как у нас в стране, так и за рубежом, не сокращается. Важно, что із-за сгресс-коррозни разрушаются газопроводы с небольшим сроком кепдуатачии - от 2 до 9 лет. Наряду с научно-практическим интересом, імеются еще и социальные стороны этой проблемы, ставящие ее в ряд іанболее актуальных, помимо прямого экономического ущерба, аварии іаносят значительный экологический вред и связаны с угрозой челове-іеской жизни. Это приводит компании, занимающиеся транспортом газа н іефти и отвечающие за безопасную эксплуатацию трубопроводов, к необ-одимости разработки и внедрения новейших средств контроля за стресс-оррозией, что невозможно без комплексного научного изучения явления іля понимания его природы и контролирующих факторов Необходимость омплексного изучения згой проблемы настолько воіросла, чго ннвести-іии на ее изучение в последние годы резко повысились. "Гак, в Канаде на зученне наружного КРН в 1996 году было выделено 11,8 млн. долларов, то в 8 раз превышает инвестиции 1986-1993 годов и почти в два раза визе, чем в предыдущий 1995 год
Решение проблемы осложняется тем, что в зависимости or внешних словий эксплуатации наружное КРН проявляется в разных формах, суще-твенно различающихся механизмом разрушения. Следует подчеркнуть, то для российских трубопроводов до сих пор неоднозначно трактуются иповые классификационные признаки и механизмы возникновения и раз-ития стресс-коррозиионных повреждений металла труб. Соответственно, е разработаны принципы классификации типов КРН в зависимости от иешних факторов.
Роль металлургических факторов в этом виде разрушения является рактически неизученной как отечественной, так н зарубежной практи-.
ческой наукой. Имеющиеся немногочисленные публикации, касающиеся металлургической стороны проблемы наружного КРН, носят описательные характер и практически представляют собой констатацию некоторых характеристик металлургического качества стали (чистота, механически* свойства) в аварийных трубах. Систематические исследования этой стороны проблемы КРН не проводились ни в России, ни за рубежом. Не проведена количественная оценка вклада металлургических факторов в зависимости от конкретного вида КРН.
Вышесказанное свидетельствует об актуальности проведения комплексного металлофнзнческого изучения природы и механизма стресс-коррозионных повреждений металла газопроводных труб большого диаметра на отечественных магистральных трубопроводах я необходимое исследования влияния на них металлургических факторов.
Um И .ШЙЧК.нсслсдоаанім,
Цель работы заключалась в:
а) установлений основных классификационных признаков стресс
коррозии на отечественных газопроводных системах;
б) анализе внешних условий среды (состав, рН коррозионной среды
температура, потенциал) с позиций наиболее вероятного электрохимиче
ссого механизма растрескивания;
в) исследовании металла аварийных труб (состав, структура
свойства, способ производства, чистота, морфология трещин, фрактогра
фическне признаки в изломах, эксплуатационное наводороживание) с вы
явлением наиболее характерных признаков того или иного механизма рас
трескивания;
г) экспериментальном подтверждении предполагаемого по п.п. а -1
механизма стресс-коррознонкых дазрушеннй;
д) воспроизведения в лабораторных условиях конкретной формі
КРН, характерного для металла аварийных труб (по электрохимическом
механизму я морфологии растрескивания, характеру наводороживаши
виду излома и другим параметрам);
е) разработке критериев устойчивости и методики коррозконнс
механических испытаний для ранжирования трубных сталей по стойкост
против инициируемого водородом КРН, свойственного, как установлено
дайной работе, для российских трубопроводов;
ж) оценке влияния основных металлургических факторов на спосос
ность трубных сталей сопротивляться КРН; установлений связи стойкост
со способностью стали поглощать водород на стадиях зарождения, суї
критического и критического развития трещины, оценке зффектнвност
взаимодействия поглощенного водорода' с основными структурными ее
стввляющнмн, рассматриваемыми как ловушки водорода;
з) изучении влияния наводороживання на сопротивление критическому (нестабильному) развитию трещины в терминах нелинейной механики разрушения с целью оценки необходимости учета влияния эксплуатационного наводороживання на остаточный ресурс труб со стресс-коррозионными дефектами.
Научная новизна.
Путем комплексного металловедческого мониторинга аварийных груб и лабораторных исследований впервые установлено и экспериментально подтверждено, что
для российских газопроводов типовой формой наружного КРН [стресс-коррозии) является одна из разновидностей инициируемого водородом КРН (H1SCC) - "КРН при низком рН" (low рН SCC), развивающееся s разбавленных грунтовых электролитах с рН 5,2 - 7,5 (ср.6,5) при обычных климатических температурах;
впервые показано, что этот вид разрушения реализуется благодаря іаводороживанию металла во время медленной пластической деформации j вершине трещины (in situ);
впервые установлено реальное распределение поглощаемого во їремя развития стресс-коррозионных трещин "эксплуатационного" водорода и его энергетическое распределение в областях колоний стресс-«зррозионных трешин и в здоровом неповрежденном металле трубы; пока-іано, что здоровый металл аварийных труб не обнаруживает повышенного фовня наводороживання и имеет уровень содержания и фракционное рас-іределение водорода, свойственное металлургическому фону феррито-герлитных трубных сталей;повышенный уровень наводорожнвания, пре-шущественно за счет низкотемпературных форм водорода "деформационных") обнаруживает только узкая область металла, приле-акмцего к поверхности субкритической трещины;
коррозионное растрескивание под напряжением трубных сталей іри низких рН воспроизведено в лабораторных условиях (по электрохими-іескому механизму, морфологии растрескивания, характеру наводорожн->ания и распределения водорода по отношению к излому и энергетнческо-*у распределению по структурным составляющим - ловушкам водорода);
-разработана методика специальных коррозионно-механических ис-гытаний образцов трубных сталей для ранжирования их по стойкости к ггресс-коррозин в условиях эксплуатации;
- впервые показано, что существенное влияние на сопротивление
рубных сталей разрушению в условиях стресс-коррозии оказывают темпе-
іатурно-деформационные условия производства листа для труб большого
іиамегра и технология формовки труб,
- установлено, что эффективность взаимодействия водорода со
структурными составляющими трубных сталей в значительной степени
определяют их устойчивость против стресс-коррозии;
впервые изучено влияние чистоты стали на склонность к "КРН при низком рН" и показано, что сопротивление трубной стали этой форме КРН имеет относительно невысокую чувствительность к чистоте, обусловленную локальным характером протекания основных стресс-коррозионных процессов: деформационного in situ наводорожнвания и охрупчивания;
впервые исследовано распределение остаточных напряжений по периметру трубы и установлена его связь с неоднородностью сопротивления стресс-коррозии. Определены области трубы с повышенным уровнем остаточных напряжений, вызываемых ее формовкой, имеющие пониженную (примерно на 25-40%) долговечность по сравнению с остальным металлом. Эти области могут являться предпочтительными для КРН-разрушення при нарушенной изоляции;
- с использованием критериев нелинейной механики разрушения из
учено влияние времени и способа наводороживання на трещиностойкость
трубных сталей разных поколений. Показано, что наводорожнвание не ока
зывает существенного влияния на сопротивление развитию нестабильного
разрушения, т.е. при расчете остаточного ресурса' труб со стресс-
коррозионными дефектами необходимость учета водородного охрупчива
ния металла труб в процессе эксплуатации отпадает.
Практическая ценность работы.
Результаты работы позволили разработать классификатор типов КРН установить природу и механизм нового ранее неизвестного вида разрушений газопроводных труб большого диаметра наружного "КРН при шоком ргГ, я оценить влияние на него металлургических факторов (способа производства, чистоты стали, остаточных напряжений). Выявлены внешние факторы (среда, потенциал катодной зашиты, характер напруження) и внутренние факторы (остаточные напряжения, чистота стали, режимы термообработки), способствующие более раннему возникновению и развитию этого вида разрушения.
На основании полученных данных разработана методика лабораторных испытаний образцов, позволяющая ранжировать трубные стали по их стойкости г КРН при низком рН. Предложены критерии, по которым можно оценивать их склонность к растрескиванию. Уточнены методики оценки третциностойкостн сталей с предварительным наводороживанисм образцов с трещинами.
На основе проведенных исследовании разработаны рекомендации по идентификации типа КРН в аварийных разрушениях отечественных трубопроводов, разработаны методики испытаний, даны рекомендации по про-
*?
нозированию участков повышенного риска и расчету, остаточного ресурса груб со стресс-коррознонными дефектами, повышению качества сталей и юлговечности трубопроводов.
Реализация результатов работы.
Разработан диагностический мониторинг металла аварийных труб, «снованный на комплексном металлофнзическом исследовании стали, ана-тзе эксплуатационных условий и лабораторных тестах с применением рунтов с места аварий, обеспечивающий идентификацию типа КРН.
Разработанная методика коррозионно-механических испытаний применена для диагностики стресс-коррозии на аварийных участках повышен-юго риска ряда отечественных газопроводов. По результатам исследова-шй выданы экспертные заключения и рекомендации.
Методика оценки опасности стресс-коррозионных разрушений по ве-іичине остаточных напряжений применена при экспертизе металла трубы (арцызского трубного завода, не бывшей в эксплуатации.
Апробация работы.
Основные материалы работы докладывались на Всесоюзных семнна->ах "Внедрение современных методов контроля структуры и свойств ме-аллопродукции" (1986 г., Москва; 1987 г., Киев), на Международной конференции "Защита-95" (Москва), на Международных научно-практических юнференциях по проблеме "Безопасность трубопроводов" в 1995 (Москва) і в 1997 (Углич) годах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, ыводов, списка использованных источников из 146 наименовании, приложений.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 пе-атиых опубликованных трудах.
