Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий и причин стресс-коррозионного разрушения магистральных трубопроводов 3
Глава 2. Анализ нагрузок и воздействий, способствующих стресс-коррозионному разрушению 26
2.1. Воздействие температуры 26
2.2. Воздействие при перемещениях грунта 27
2.3. Предварительный изгиб трубопровода при сооружении 29
2.4. Внутреннее давление 30
2.5. Классификация линейных участков трассы нефтепроводов в зависимости от интенсивности нагрузок и воздействий 33
2.6. Характерные периоды работы нефтепровода при эксплуатации 39
2.7. Определение амплитуд колебаний рабочего давления в нефтепроводах 44
2.8. Частоты нагружений 49
Глава 3. Кинетика механохимических реакций трубных сталей в коррозионных средах под действием механических напряжений 53
3.1. Механохимическая активность вещества 54
3.2. Кинетика механохимического растворения трубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода 61
3.3. Методика оценки влияния механических напряжений на скорость стресс-коррозии 64
3.4. Моделирование траекторий стресс-коррозионного разрушения оболочки магистрального трубопровода 76
Глава 4. Исследования коррозионного растрескивания трубных сталей поддействием механических напряжеий 87
4.1. Влияние металлургических факторов на стойкость трубных сталей к коррозионному растрескиванию под действием механических напряжений 88
4.1.1. Влияние предела текучести 91
4.1.2. Состав стали 91
4.1.3. Остаточные напряжения 94
4.2.Электрохимическая модель образования питтингов на внутренней по верхности оболочки трубопровода 95
4.3. Оценка влияния механических напряжений на зарождение и развитие трещин в стенке оболочки магистрального трубопровода 104
Глава 5. Исследование макроскопической электрохимической неоднородности (гетерогенности) металла магистральных трубопроводов 110
5.1.Деформационные изменения электродного потенциала стального тру бопровода 110
5.2. Макроэлектрохимическая гетерогенность на контакте двух различно деформированных участков трубопровода 114
5.3. Электрохимическая гетерогенность сварных соединений магистральных трубопроводов 121
5.4. Коррозионная усталость сварных соединений магистральных трубопроводов 130
5.5. Практические меры по защите стальных оболочек магистральных трубопроводов от стресс-коррозии 139
Выводы 152
Список литературы
- Воздействие при перемещениях грунта
- Кинетика механохимического растворения трубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода
- Влияние предела текучести
- Макроэлектрохимическая гетерогенность на контакте двух различно деформированных участков трубопровода
Введение к работе
Под термином «стресс-коррозия» принято подразумевать процесс коррозионного растрескивания трубных сталей под напряжением (КРН), развивающийся как на внешней поверхности подземных магистральных трубопроводов, защищенной изоляционным покрытием, так и на внутренней, не имеющей изоляции.
Появление данного вида разрушения магистральных трубопроводов около 40 лет назад в нашей стране и за рубежом оказалось полной неожиданностью, поскольку растрескиванию подвергались весьма пластичные трубные стали в электролитах, не относящихся к числу коррозионно-активных. Тем не менее, довольно скоро с момента своего появления проблема стресс- коррозии приобрела актуальность и до настоящего времени представляет собой одну из наиболее острых проблем, возникающих при транспортировке природного газа и нефтепродуктов по трубопроводным магистралям большого диаметра.
К настоящему времени накоплен некоторый опыт по борьбе с этим разрушительным процессом, собраны статистические данные по авариям и отказам на магистральных трубопроводах, связанным с КРН. Быстрыми темпами развиваются методы приборной диагностики и применения специальных аппаратных комплексов по выявлению и ранней диагностике стресс- коррозии. Созданы и проходят апробацию зарубежные и отечественные снаряды- дефектоскопы, позволяющие не только обнаруживать места скоплений продольно ориентированных трещин, но и определять их размеры.
Во многом благодаря комплексу мер предупредительного характера в последнее время существенно снизилась аварийность на некоторых участках магистральных газопроводах. Так, совместными усилиями специалистов «Тю-ментрансгаза», ВНИИгаза, ВНИИСТа удалось переломить критическую ситуацию, сложившуюся в районе Краснотуринска. Здесь при проведении реконструкции шестиниточного коридора магистрального газопровода внедрены многие научные разработки и рекомендации, направленные на предотвращение аварий.
Однако, с ростом продолжительности эксплуатации магистральных трубопроводов в нашей стране ситуация с коррозионным разрушением труб под действием механических напряжений с каждым днем усугубляется и становится весьма тревожной. Статистика свидетельствует о том, что интенсивность стресс коррозионных аварий растет. Только на магистральных газопроводах за период 1986-200 г произошло 96 аварийных разрушений, а наибольший рост аварийности наблюдался за последние 5 лет. При этом потери природного газа из-за стресс- коррозии превышают потери по всем остальным причинам [73]. Более того, наблюдается опасная тенденция к дальнейшему расширению географии стресс-коррозионных разрушений. Так, в 1998 году произошло 4 аварии на ПО «Баштрансгаз», где ранее случаи КРН не отмечались.
Это происходит потому, что в значительной степени эффективность практических мер по предотвращению стресс- коррозионных аварий сдерживается из-за отсутствия четких и ясных представлений о механизме и закономерностях развития стресс- коррозионного процесса, а многие факты и случаи растрескивания не находят адекватного научного обоснования в рамках выдвинутых моделей КРН.
В связи с этим вопросы связанные с исследованием влияния напряженно-деформированного состояния на стресс-коррозионные процессы в трубопроводах, находящихся в эксплуатации длительное время становится весьма актуальными.
В настоящей работе проведен анализ условий и причин, нагрузок и воздействий, способствующих стресс-коррозионному разрушению. Приводятся результаты исследований: кинетики механохимического растворениятрубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода; коррозионное растрескивание под лдействием механических напряжений; макроскопическая электрохимическая неоднородность металла трубопроводов.
В заключении проведенной работы приводятся практические меры по защите оболочек магистральных трубопроводов от стресс-коррозии.
Воздействие при перемещениях грунта
Деформации грунта, влияющие на напряженно-деформированное состояние трубопровода, могут быть связаны с его перемещением в результате горных разработок в районе прокладки трубопровода.
При разработке полезных ископаемых в недрах земли образуется свободное пространство, и верхние слои почвы могут перемещаются к центру образовавшейся пустоты. Район земной поверхности (вдольтрассовая территория Урала), подверженный влиянию горных разработок, образует так называемую «мульду сдвижения», представляющую собой участок, в котором происходит оседание земной поверхности. В результате сползания грунта в защемленном трубопроводе возникают значительные изгибные и растягивающие напряжения. Поэтому в конструктивных расчетах напряжения от воздействия этого фактора должны быть определены и в проекте предусмотрены специальные решения, обеспечивающие надежность работы трубопровода в этих условиях.
Деформации грунта, влияющие на прочность трубопровода, могут быть связаны также с колебаниями грунта, возникающими при землетрясениях.
Как известно, в результате сейсмического толчка в грунте создаются и распространяются сейсмические волны. Поэтому подземный трубопровод, представляющий собой единую систему «грунт - труба», вовлекается в колебательный процесс. Сейсмическая волна, имеющая, как правило, большую скорость распространения в, трубопроводе, чем в грунте, достигает по трубопроводу участков, еще не вовлеченных в колебательный процесс. На этих участках трубопровод можно рассматривать как генератор колебаний, а грунт - как демпфирующую подушку. Напряжения в трубопроводе на этих участках меньше, чем на участках, где колебания трубопроводу сообщались грунтом.
Таким образом, следует рассматривать две схемы работы трубопровода в условиях сейсмических колебаний: подземный трубопровод, вовлекаемый в колебательный процесс, при котором напряжения в трубах возникают в результате напряженного состояния грунта, и колеблющийся трубопровод, погруженный в грунтовую среду, препятствующую его колебаниям. Как показал анализ последствий ряда землетрясений, подземные стальные трубопроводы, проложенные вне зон разломов в сейсмически устойчивых грунтах, хорошо переносят землетрясения силой в 7-8 баллов. Поэтому нормы проектирования допускают сейсмические воздействия на подземный трубопровод до 8 баллов включительно. При большей бальности прочность трубопровода проверяют и на основании расчетов выбирают соответствующее конструктивное решение, обеспечивающее надежную его работу.
Воздействие грунта на трубопровод имеет место на оползневых участках. Силовые воздействия оползающих грунтов на трубопроводы подразделяются на два вида. К первому виду относится такое воздействие грунта, при котором направление скольжения массы грунта совпадает с осью трубопровода, прокладываемого на продольных уклонах. А так как трубопровод защемлен в грунте, то на верхнем участке возникают растягивающие напряжения и сжимающие на нижнем. Ко второму виду воздействий относятся такие, при которых направление движения оползневых масс перпендикулярно оси трубопровода или происходит под некоторым углом к ней. Этот вид силового воздействия от грунта наиболее опасен, поскольку в этом случае наряду с продольными напряжениями возникают изгибные.
Если расчетная прочность трубопровода недостаточна, то необходимо выполнить ряд защитных мероприятий. К ним относится устройство подпорных стенок, основание которых должно быть заложено ниже плоскости скольжения оползня, устройство шпунтовых стенок из свай, цементирование оползающего грунта и т. д.
С целью уменьшения объемов земляных работ профиль траншей выполняют близким к профилю земной поверхности. Профиль траншеи определяется условиями укладки трубопровода, т. е. возможностью его изгиба по принятому профилю под действием собственной массы и напряженным состоянием в процессе эксплуатации под воздействием внутреннего давления и температурного перепада.
Обычно предварительный изгиб характеризуется минимальным радиусом упругого изгиба оси трубопровода. Как показали исследования, предварительный упругий изгиб не оказывает влияния на разрушающее давление. Однако с уменьшением радиуса оси трубопровода возрастают не только начальные напряжения, но и напряжения, возникающие от эксплуатационных нагрузок. Изгиб трубопровода может привести к потере продольной устойчивости его или к потере местной устойчивости стенки трубы в сжатой зоне сечения. Поэтому минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода ограничивают из условия деформативности.
Кинетика механохимического растворения трубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода
Применяя закон действия масс (3.4) к гетерогенной химической реакции перехода частиц (ионов металла) через границу фаз деформируемая оболочка трубопровода - окружающая среда и учитывая выражения для активностей иона в металле (3.26) и электролите (3.27), с использованием балансового уравнения для зарядов и условия равновесия получим после несложных преобразований для потока реакции растворения где: J- поток массы; jo - поток обмена; - константа скорости обратной реакции; п - общее число компонентов, участвующих в реакции со стехио-метрическими числами v,-; А - химическое (электрохимическое) сродство ре п акции; А = -]Г v,-//.; 1, 2,..., т- индексы исходных компонентов (принад лежащих первой фазе); т + 1, т + 2, ..., п - индексы продуктов реакции, т. е. компонентов в электролите (вторая фаза), причем v/, v2,..., vm входят в А с отрицательным знаком; а и /3- коэффициенты переноса прямой (анодной) и обратной (катодной) реакций (предполагается, что доля скачка потенциала в каждой фазе одинакова для всех частиц данной фазы, расположенных около межфазной границы); Vi - парциальный мольный объем /-того компонента в твердой фазе; АР - абсолютная величина избыточного давления в твердой фазе.
Двойнослойные эффекты, характеризуемые щ -потенциалом, учтены в виде соответствующих экспоненциальных множителей в величинах к] и в работе [20].
Величина z - VIZI - представляет собой общее количество переноси мого положительного электричества (z/e... равно числу электронов в суммарной электрохимической реакции с единственной стадией переноса заряда), а равновесный скачок потенциала недеформированного металла Лщ определяется из условий равновесия А - О, ./= О (при АР = 0): п A o= 4r-- (3-30) zF
Вообще говоря, равновесный скачок Лщ здесь не является равновесным потенциалом для какого-либо одного компонента, а характеризует состояние системы в целом в смысле отсутствия суммарного переноса массы через границу фаз.
Изменение равновесного потенциала /-того компонента, вызванное деформацией (равное изменению его стандартного потенциала Арст., поскольку деформация электрода не влияет на активность ионов в электролите), определяется по формуле д(А )=л(д ОТ/)=- ф-. (3.31) Учитывая, что для сплава величина v,- (i-l, 2,..., т) представляет собой молярную долю каждого компонента, имеем т trH = VM (3.32) где VM - мольный объем материала электрода.
Если рассматривать простой случай электрохимического растворения чистого металла, то п - 2, т - 1 и тогда формулу (3.28) для тока растворения можно записать: I = zFJ=icmca АРУ ai] fit] eRT ,еЪ _е Ъ АРУ а р- рст /3 р АРУ = k2eRT -Є b -к2се ъ =iaeRT -ік, (3.33) где: іст - стандартный ток обмена; с - концентрация ионов металла в электролите; г) = (р- ро- перенапряжение электрохимической реакции; р- электродный потенциал металла; щ - равновесный электродный потенциал; (рст -стандартный электродный потенциал; А - константа обратной (катодной) реакции;
4 - анодный ток недеформированного электрода (прямая полуреакция); ік - катодный ток (обратная полуреакция).
Отсюда следует, что при растворении металла от механического воздействия зависит только анодный ток, а катодный ток (скорость обратной полуреакции) не зависит, хотя в потенциостатическом режиме (#? - const) деформация влияет на величины сродства а А - ar/zF и J3 A -flrfzF обеих реакций (константа к2 обратной полуреакции определяется разностью стандартных химических потенциалов активированного комплекса и иона в электролите [38], которые от деформации электрода не зависят).
В потенциостатическом режиме анодного процесса деформационное раз-благораживание равновесного потенциала внешне проявляется как увеличение перенапряжения анодной реакции и тока обмена.
Кинетическое уравнение (3.28) распространяется не только на электрохимические реакции, но и на различные виды химических реакций, если вместо а А подставить значение химического сродства и принять j3- 1 (газовая коррозия, коррозия в неэлектролитах, расплавах металлов и др.).
Влияние предела текучести
При проведении исследований выявлено, что трубы с пределом текучести стали от 241 до 483 МПа чувствительны к КРН в средах, близких к нейтральному рН. Исследования стресс-коррозии в средах с высоким рН не обнаружили зависимости между уровнем прочности разрушенных труб и чувствительностью к КРН [84]. Отмечается также, что стали с более высокой прочностью могут быть более чувствительны к КРН. Кроме того, зарубежные исследователи отмечают явление циклического разупрочнения сталей -явления, при котором приложенные циклические напряжения вызывают в стали появление локальной микропластической деформации, которая является причиной возникновения КРН в средах с рН, близким к нейтральным.
Лейс придерживается мнения, что склонность стали к циклическому разупрочнению является функцией микроструктуры стали. При этом немногочисленные исследования наводят на мысль, что бейнитные стали в основном имеют меньшую тенденцию к разупрочнению, чем феррито-перлитные, применяемые для трубопроводов. Но как изменить это положение - неизвестно. Некоторыми исследователями предлагается повысить давление при гидроиспытаниях, однако работа в этом направлении еще не закончена.
До настоящего времени исследований, посвященных связи составов стали и устойчивости к стресс-коррозии в средах, близких к нейтральному рН, не проводилось. Однако проведенные исследования по оценке сопротивления сплавов КРН при высоких рН показали, что добавки в сталь хрома, никеля и молибдена в количествах от 2 до 6 % увеличивают сопротивление КРН при высоких рН. Однако такая сталь будет слишком дорогостоящей.
В настоящее время многие промышленные предприятия России и стран СНГ производят трубы для магистральных трубопроводов не только по отечественным техническим условиям, но и по международному стандарту API 5L. Так, например, продукция Харцызского трубного завода, была сертифицирована по этому стандарту в 1993 г. и представлена в табл. 4.1. Сравнительная характеристика прочностных свойств различных марок стали
Для получения требуемых физико-механических свойств трубных стали проводились исследования комбинации типов сплавов и следующих методов термомеханической обработки: термомеханическую прокатку; термомеханическую прокатку + отпуск; термомеханическую прокатку + заданную холодную деформацию; термомеханическую прокатку + ускоренное охлаждение.
При этом принимались во внимание затраты на элементы сплава, тепловую обработку, технологичность производства, возможность остаточного выпада лигирующих элементов и т.п.
Установлено что легирование и термомеханическая обработка существенно повышают физико-механические свойства трубных сталей. Это хорошо видно из диаграммы растяжения образцов из различных классов стали. Остаточные напряжения
До сих пор нет системных исследований связи внутренних напряжений с КРН в трубопроводах. Паркинс [84] отмечает, что на работающих газопроводах уровень остаточных напряжений может быть, по крайней мере, на 25 % выше предела текучести металла. До сих пор исследователи сомневаются по поводу влияния остаточных напряжений на развитие КРН в средах, близких к нейтральному рН.
Изучение распределения остаточных напряжений по периметру прямо-шовных труб ХТЗ, произведенных в 80-х годах, показало неоднородность распределения их по периметру трубы. В то же время распределение остаточных напряжений по периметру спиральношовных труб Волжского трубного завода равномерное. Различия в распределении напряжений объясняются различиями в технологии формовки труб. Формовку прямошовной трубы ХТЗ осуществляют постепенно в несколько промежуточных стадий деформации. Очевидно, что зависимости от степени деформации каждой стадии отвечает область трубы со своим уровнем внутренних напряжений. Формовку спиральношовной трубы проводят без подгиба кромок. Лабораторные исследования на стойкость к стресс-коррозии образцов, отобранных из разных областей труб (прямошовных и спиральношовных), показали более низкое
Одновременно с этим в работе [86] показано, что в реакции, ответственной за нарушение пассивного состояния трубных сталей, принимают участие от 2,5 до 4,5 галоидных ионов. Внутренняя поверхность трубопровода электрохимически неоднородна. В местах выхода дислокаций энергия атомов на 42 кДж/моль превышает энергию атомов, находящихся в узлах совершенной кристаллической решетки. Отсюда AZducjI = 42 кДж/моль. Следовательно, на рассматриваемых участках внутренней поверхности трубопровода значение потенциала пробоя изменится на Асрдисл .
Макроэлектрохимическая гетерогенность на контакте двух различно деформированных участков трубопровода
Одной из наиболее опасных причин появления макроэлектрохимической неоднородности трубопровода является наличие сварных стыков, в области которых металл не только находится в различном физико-механическом состоянии, но и имеет изменяющийся от точки к точке химический и фазовый состав из-за различия химического состава наплавленного и основного металла, а также вследствие протекания физико-химических и теплофизических процессов в зоне шва при сварке. Поэтому функция U (х) имеет сложный вид для зоны шва и ее можно определить специальными микроэлектрохимическими измерениями. Для экспрессных оценочных исследований можно определить начальные потенциалы путем измерения электродных потенциалов выделенных участков малой площади (величину которой выбирают из соображений разрешающей способности) при изолировании покрытием остальной поверхности.
В первом приближении можно представить функцию U (х) в виде чередующихся прямоугольных «импульсов» так, чтобы область непосредственно шва имела иной начальный потенциал, чем остальная часть трубопровода. Расстояние между поперечными стыками трубопровода (порядка 10 - 12 м) намного превышает ширину зоны стыка (порядка нескольких сантиметров). Следовательно, в области стыка падение потенциала в металле пренебрежимо мало, и металл может считаться почти эквипотенциальным, т. е. R-+Q.
Отсюда видно, что даже при однородном распределении начального потенциала отдельно в пределах шва и основного металла трубопровода распределение поляризующего тока неоднородно и претерпевает разрыв: анодный ток достигает максимума на границе шва и основного металла. Следует отметить, что так называемая ножевая коррозия сварных швов магистральных трубопроводов, как показывают многочисленные наблюдения, локализуется именно в этом месте.
При рассмотрении сварного шва в целом (две границы контакта шва с основным металлом) или при изучении электрохимической гетерогенности, обусловленной несколькими сварными соединениями, расположенными вдоль трубопровода, распределение поляризации получали суперпозицией выражений (5.32) и (5.34), как это было предложено выше.
В качестве примера электрохимической гетерогенности сварного соединения труб на рис. 5.4 приводим распределение локального электродного потенциала поперек сварного шва на поверхности околошовной зоны низколегированной хромоникелевой стали 1X17Н2, сваренной встык электродом марки основного металла на минимальной и максимальной марки основного металла на минимальной и максимальной погонной энергии: 1,76 кДж/см при движении электрода со скоростью 5 м/ч под током 90 An 18,5 кДж/см при 10 м/ч и 300 А соответственно.
Электрохимическая (Аф) и механическая (АН ) гетерогенность поперечного шва труб из низколегированной хромоникелевой стали 1X17Н2 (энергия сварки q/v, кДж/см\ 1,76 (а) и 18,5 (б); цифры в верхней таблице остаточные напряжения второго рода)
Перед измерениями поверхность стали полировалась и травилась для выявления зон термического влияния (з. т. в.) обычным способом, принятым в металлографии.
В интересующую точку з. т. в. наносилась капля электролита (0,1 н. HCL) и с помощью микрокапиллярного щупа высокоомным вольтметром измерялся электродный потенциал.
Напряженное состояние поверхности сварного соединения труб оценивалось путем замера микротвердости прибором ПМТ-3 с нагрузкой на инден-тор Ш. Здесь уместно отметить, что при определении микротвердости и при измерении твердости с использованием малой нагрузки получали отпечатки на сравнительно большом участке поверхности, соответствующие средним значениям твердости, на которые влияет большое число отдельных зерен. Для определения твердости отдельных структурных составляющих приложенную нагрузку уменьшали так, чтобы получаемый отпечаток относился только к исследуемой структурной составляющей. Поэтому при измерении микротвердости прикладывали нагрузку в пределах от 0,002 до 2 Н, а в качестве индентора использовали пирамиду Виккерса. Ее помещали в сверление фронтальной линзы микроскопа; при этом окружающая кольцеобразная часть линзы оставалась свободной, что было вполне достаточно для освещения и передачи изображения.
Нагрузка передавалась с помощью пружинной системы; для получения наибольшей точности измерения давали как можно большую нагрузку. Верхний предел ее определялся прежде всего величиной исследуемой струк-тур-ной составляющей, поскольку она должна в несколько раз превышать размер отпечатка. Это требование, в частности, относится к испытанию твердых частиц в мягкой массе основы, так как в противном случае большие по сравнению с размером твердых частиц отпечатки продавливают их. При измерении твердости тонких поверхностных слоев толщина их должна в 10 раз превышать глубину вдавливания или в полтора раза длину продольной диагонали.
