Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ методов диагностирования крн подземных газопроводов 8
1.1. Анализ влияющих факторов, вызывающих КРН 8
1.1.1. Сущность коррозионного растрескивания под напряжением 8
1.1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния газопровода на КРН 9
1.1.3. Чувствительность КРН к температуре 16
1.1.4. Анализ влияния грунтов на КРН 17
1.1.5. Коррозионная среда и электрохимические условия 18
1.1.6. Связь проявлений КРН со сварными швами труб 20
1.1.7. Влияние состояния структуры трубных сталей на их стойкость к КРН 21
1.2. Классификация механизмов КРН в зависимости от параметров внешней среды 23
1.2.1. КРН газопроводов, инициируемое водородом 25
1.2.2. Коррозионное растрескивание 28
1.3. Обзор известных методик диагностирования КРН 31
1.3.1. Анализ методов оценки изменений механических и физических свойств материала труб при КРН 31
1.3.2. Анализ достоверности дефектоскопических методов диагностики КРН 36
1.3.3. Анализ системного подхода по мониторингу процессов КРН на линейной части МГ 44
1.4. Постановка цели и задач исследования 49
2. Исследование влияющих на крн факторов при аварийных разрушениях газопроводов 52
2.1. Анализ общей статистики аварий по механизму КРН на МГ ООО «Газпром Трансгаз Ухта» 52
2.2. Методы исследования влияющих факторов аварийных разрушений по причине КРН 59
2.3. Анализ характерных признаков разрушенных по причине КРН труб и марок сталей 63
2.4. Анализ влияния типа грунтов и уровня грунтовых вод места аварийных разрушений газопроводов по причине КРН 68
2.5. Анализ влияния напряженно-деформированного состояния на аварийность по причине КРН 74
2.6. Исследование характерных дефектов полимерных покрытий, приводящих к КРН 84
3. Разработка методики комплексного диагностирования и прогнозирования КРН на участках газопроводов 101
3.1. Диагностирование состояния металла труб газопроводов при КРН по твердости с малой нагрузкой и коэрцитивной силе 101
3.2. Исследование изменений свойств металла с фактическими трещинами КРН по твердости 106
3.3. Исследование твердости на аварийно-разрушенных трубах по причине КРН 117
3.4. Исследование магнитных свойств на аварийно-разрушенных трубах по причине КРН 123
3.5. Методика электрохимического диагностирования грунтов по трассе газопроводов 131
3.6. Разработка методики комплексного диагностирования и мониторинга участков газопроводов для прогнозирования КРН 139
3.6.1. Цель и задачи системы мониторинга стресс-коррозионных процессов на магистральном газопроводе 139
3.6.2. Организация и выполнение системы мониторинга стресс-коррозионных процессов 140
3.6.3. Методика определения перечня потенциально опасных участков коррозионного растрескивания под напряжением 142
3.6.4. Порядок и состав работ комплексного обследования и приборной диагностики потенциально опасных участков 149
3.6.5. Методика ранжирования грунта и грунтовых вод в отношении вероятности КРН 150
3.6.6. Методика выполнения мониторинга напряжений в металле труб 153
4. Разработка методик моделирования крн и аттестации средств и методов диагностирования дефектов крн газопроводов 156
4.1. Методика изготовления образцов с имитаторами дефектов КРН 156
4.2. Диагностирование изменения свойств металла образцов при моделировании трещин КРН 167
4.3. Методика диагностирования роста трещины КРН при ее имитационном изготовлении 171
4.4. Методика изготовления и номенклатура стандартных образцов с имитаторами трещин КРН 175
4.5. Порядок настройки и аттестации средств и методов диагностики дефектов КРН 177
Заключение 186
Список использованных источников 188
- Классификация механизмов КРН в зависимости от параметров внешней среды
- Методы исследования влияющих факторов аварийных разрушений по причине КРН
- Исследование изменений свойств металла с фактическими трещинами КРН по твердости
- Диагностирование изменения свойств металла образцов при моделировании трещин КРН
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение надежной и безопасной работы магистральных газопроводов (МГ) и предотвращение их разрушения по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) достигается за счет реализации комплекса мероприятий, важнейшим из которых является своевременное выявление дефектов методами диагностирования и мониторинга стресс-коррозионных процессов.
Наиболее точным методом диагностирования дефектов КРН на протяженных участках МГ без их откапывания является внутритрубная дефектоскопия (ВТД). Однако, в ряде случаев дефекты КРН не выявляются ВТД, что обусловлено структурными особенностями таких дефектов, препятствующими их обнаружению. В частности, трудно выявляются скопления коротких продольных трещин с малым раскрытием кромок, что снижает интенсивность магнитных полей рассеяния над дефектом и, соответственно, возможность их регистрации. Известно, что реальный пороговый уровень обнаружения подобных дефектов методами ВТД составляет 14-20 % от толщины стенки трубы.
Это означает, что в условиях нестабильного роста трещин КРН необходимо в первую очередь выявить очаги их зарождения глубиной до 20 % от толщины стенки трубы и не допустить развития трещин на закритическую глубину более 40-50 %, которая приводит к аварийным ситуациям.
К основным факторам, которые влияют на развитие стресс-коррозионных дефектов в трубах МГ, относятся: нарушения изоляции в виде сдвига, отслаиваний, локально неэффективная катодная защита, коррозионная активность грунтов, вариация внутреннего давления газа, знакопеременные напряжения от сезонных деформаций почв, определенные категории и марки сталей труб. Эти факторы требуют контроля и учета при организации мониторинга процессов КРН на МГ. Существуют различные методики прогнозирования и трассового диагностирования процессов КРН, авторы которых делают акцент на одном - двух влияющих факторах, например, водотоках, переменном уровне грунтовых вод и т.д. Однако методов их количественных оценок не разработано, а другие влияющие факторы не рассматриваются.
Поэтому разработка методов оценки работоспособности газопроводов, подверженных КРН, является актуальной задачей.
Цель работы: Разработка методов оценки работоспособности, комплексного диагностирования, мониторинга и прогнозирования стресс-коррозионного состояния газопроводов, подверженных КРН.
Задачи исследования:
- обобщить и проанализировать факторы, вызывающие развитие стресс-коррозионных процессов на газопроводах и существующие методы диагностирования КРН;
- разработать систему идентификации и классификации влияющих факторов при аварийных разрушениях по причине КРН и их количественные оценки;
- разработать критерии оценки состояния металла труб и ранжирования их поврежденности при КРН с использованием комплекса неразрушающих методов;
- разработать методику и критерии ранжирования грунтов по трассе газопроводов по их влиянию на процессы КРН;
- разработать методику имитационного воспроизведения трещин, подобных КРН, номенклатуру стандартных образцов с заданными размерами имитаторов КРН и методику их контрольных оценок при изготовлении;
- разработать методику комплексного диагностирования и мониторинга стресс-коррозионных факторов, позволяющую ранжировать участки газопроводов по вероятности возникновения КРН.
Научная новизна:
Разработана комплексная методика и критерии ранжирования стресс-коррозионных условий газопроводов и диагностический алгоритм ее реализации, основанный на анализе номенклатуры эксплуатирующихся труб по маркам сталей, диагностировании электрохимических характеристик грунтов по увеличению угловых коэффициентов анодной ba от 0,05 до 0,1, катодной bк от 0,1-0,12 до 0,2-0,35 поляризационной кривой, потенциала коррозии (н.в.э.) от минус 0,44 В до 0,5-0,6 В, состояния металла труб и дефектов изоляционных покрытий, характерных для КРН.
Экспериментально обоснована методика воспроизведения трещин КРН, основанная на выборе металла из труб преимущественно с термическим упрочнением, имеющих поверхностные коррозионные повреждения, сформированные в гофрах полимерных лент, что дает эффект повышения чувствительности к концентрации напряжений и снижения трещиностойкости не менее чем на 25%.
Экспериментально на образцах установлены параметры режима циклического растяжения-изгиба с асимметрией цикла R 0,5-0,85 при max = 0,850,2, с концентрацией напряжений во внешней поверхности образца, имеющего кривизну трубы, и нестационарного электрохимического воздействия со сменой полярности и амплитудой до 5 В, при которых в образцах из сталей 14Г2САФ, Х-70 с поверхностным изменением свойств, с вероятностью 0,75 происходит образование трещин КРН;
Экспериментально на образцах из аварийно-разрушенных и содержащих дефекты КРН труб получены критерии накопленной поврежденности металла труб при КРН на основе статистического анализа многократных определений твердости по превышению дисперсии более 50 НВ2, и анизотропии коэрцитивной силы более 1,1, позволяющие установить наличие и уровень ухудшения свойств металла труб, способствующих развитию КРН.
Защищаемые положения:
- методика оценки стресс-коррозионного состояния, ранжирования и комплексного диагностирования участков газопроводов, позволяющая обосновать перечень участков для первоочередного ремонта;
- методика экспериментального воспроизведения трещин КРН на образцах из труб, позволяющая изготовить имитаторы реальных дефектов заданных размеров;
- обоснование критериев диагностирования состояния металла труб комплексом неразрушающих методов, позволяющих провести отбраковку труб и ранжировать их поврежденность при КРН;
- методика и критерии ранжирования грунтов по трассе газопроводов, позволяющие повысить достоверность оценки процессов КРН;
Практическая ценность работы заключается в разработке стандартов (Рекомендаций) ОАО «Газпром»: «Руководство по организации системы мониторинга стресс-коррозионных процессов на трассах действующих и проектируемых магистральных газопроводов», «Методические указания по отработке и аттестации средств и методов характерных дефектов газопроводов», «Инструкция по обследованию и определению стресс-коррозионного (технического) состояния технологических перемычек и участков магистральных газопроводов между охранными кранами».
Разработанные стандарты внедрены при проведении диагностирования МГ Пунга-Ухта-Грязовец, Ухта-Торжок, Пунга-Вуктыл-Ухта общества «Газпром трансгаз Ухта. В результате выявлены участки трубопроводов, требующие проведения комплексного ремонта, включая отбраковку и замену поврежденных КРН труб.
По результатам промышленного внедрения работ по диагностированию газопроводов общества «Севергазпром» в 2003-2007 гг. получен экономический эффект порядка 30 млн. руб., обусловленный снижением материальных затрат на диагностирование поврежденных КРН участков газопроводов за счет применения оптимизированной технологии диагностирования, позволяющей сократить объемы шурфования и выбраковки труб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.);
- Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.);
- Третьей международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.;
- Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009), г. Москва, 2009 г.;
- Международной конференции «Еврокорр-2010», г. Москва, 2010 г.;
- Международной конференции EPMI-2010, г. Ухта.
- Конференциях ВНИИГАЗ и его филиала Севернипигаз, семинарах и деловых встречах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 2004-2008 г.г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 5 - в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 199 страниц текста, 89 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 150 наименований.
Классификация механизмов КРН в зависимости от параметров внешней среды
За последние 30 лет КРН (SCC), развивающееся с внешней стороны трубопроводов высокого давления, зарегистрировано во многих странах: США [170], Австралии [150], Канаде [171, 172]. В России первые публикации о внешнем КРН труб, имеющем коррозионно-усталостную природу, появились в конце 1970-х годов [11]. Первыми в 1960 - 80-х годах были зарегистрированы разрушения интеркристаллитного (ИК) типа КРН (анодный механизма разрушения). Благодаря интенсивным исследованиям, механизм этой формы КРН трубных сталей изучен достаточно полно и не вызывает дискуссий. Транскристаллитная (ТК) форма КРН зарегистрирована при авариях магистральных газопроводов сравнительно недавно (1980 - 90-е годы). Она изучена недостаточно и в отечественных публикациях редко выделяется как самостоятельная форма [18, 114]. Ввиду проблемности рассматриваемого вида разрушения труб как в отечественной, так и в зарубежной научно-технической литературе последних лет [10, 77, 127, 156] наблюдается стремление авторов к терминологическому выделению из общего круга КРН явления растрескивания катодно защищаемых труб с нарушенной изоляцией. Используются следующие термины: КРН (SCC), стресс-коррозия, карбонатное КРН (SCC in carbonate solution), КРН при высоком рН (high рН - SCC), интеркристаллитное КРН (intergranular stress corrosion cracking), транскристаллитное КРН (transgranular stress corrosion cracking), КРН при низком рН (low рН stress corrosion cracking), КРН при рН близком к нейтральному (near neutral stress corrosion cracking), инициируемое водородом КРН (hidrogen induced stress corrosion cracking). Как правило, принятая терминология может быть сведена к двум разновидностям растрескивания с альтернативными механизмами развития, определяющими приоритетным признак среды грунтового электролита [10, 75]: 1. Карбонатное КРН (SCC in Carbonate Solution), коррозионное растрескивание при высоком рН (high рН SCC), интеркристальное КРН (Intergranular stress corrosion cracking IGSCC). Другое название - «классическое» коррозионное растрескивание под напряжением.
Идентифицировано в начале 60-х в США. На сегодняшний день можно считать классическое КРН хорошо изученным. Характеризуется следующими признаками: - механизмом активного локального анодного растворения металла в вершине трещины; - концентрированными карбонат-бикарбонатными электролитами; - щелочной реакцией электролита, рН в пределах 8,5 н-11, либо 9 -М2; - узким пределом потенциала коррозии в присутствии карбоната и бикарбоната, меняющимся от минус 600 до минус 790 мВ; - повышенной температурой 40 -ь 90 С, скорость роста трещины уменьшается экспоненциально при снижении температуры по закону Аррениуса; - отсутствием коррозии на внешней стенке трубы; - отслоившейся изоляцией; - малым раскрытием «берегов» трещины, отделенных тонкой пленкой магнетита. 2. КРН при низком рН (low рН stress corrosion cracking), КРН при рН близком к ней тральному (near neutral stress corrosion cracking), инициируемое водородом КРН (hydrogen induced stress corrosion cracking), транскристалитное КРН (trans granular stress corrosion cracking). Другое название - «неклассическое» коррозионное растрескивание под напря жением. Идентифицировано в начале 80-х в Канаде. Характеризуется следующими ос новными признаками: - механизмом, связанным с водородным охрупчиванием; - разбавленными («слабыми») бикарбонатными (с С02) растворами; - слабокислой нейтральной реакцией электролита, рН в пределах 5,6 ч- 7,5, либо 6,0-г 8,5; - «катодным» смещением потенциала в область «перезащиты»; - отсутствием очевидной связи с температурой трубы, обычными климатическими условиями, плюс 7 ... 30 С; - «более развитой» коррозией (питтинги, язвы); - «более широким» раскрытием «берегов» трещины, растворяющихся при продвижении вершины трещины; - «разделенным» положением трещин колонии в пространстве. Считается, что для России наиболее близок «неклассический» тип коррозионного растрескивания под напряжением Механизм повреждаемости при КРН может быть различным в зависимости от природы "металл-среда", а также уровня напряжений.
С позиции того, какая частная электрохимическая реакция, анодная или катодная, контролирует общий процесс КРН-разрушения, различают два альтернативных механизма: активное анодное растворение (активный путь коррозии или active parth corrosion, АРС) или водородное охрупчивание (hydrogen embrittlement, НЕ) [112]. 1.2.1. КРН газопроводов, инициируемое водородом Говоря о водородном охрупчивании (ВО) как механизме стресс-коррозии, имеют в виду коррозионное растрескивание металла, инициируемое водородом (hydrogen induced corrosion cracking, HISCC). Указанный механизм включает в себя целый комплекс аналогичных механизмов, основанных на поглощении водорода и приводящих к локальному снижению прочности материала на разрыв (присутствие водорода способствует возникновению хрупкого разрушения за счет деформации скола, межзеренного разделения, пластических деформаций с высокой степенью локализации, образования фаз, вызывающих охрупчивание, например гидридного водорода и пр.).
Механизм инициируемого водородом КРН (HISCC) предполагает разряд ионов водорода на поверхности стали в результате катодной реакции. Затем в суммарном коррозионном процессе, следует проникновение и транспорт (диффузионный или дислокационный) атомарного водорода в области с повышенной концентрацией напряжений (т.е. к вершине трещины) и облегченное продвижение трещины в результате обусловленного водородом снижения пластичности наводороженного металла. Микромеханизм собственно водородной хрупкости, реализуемый в КРН данного вида, зависит от структуры и свойств металла, условий нагружения и наводороживающей способности среды.
Методы исследования влияющих факторов аварийных разрушений по причине КРН
Следует учитывать, что стресс - коррозионные процессы, развивающиеся в магистральных газотранспортных системах (ГТС), характеризуются сложными и многообразными взаимосвязями и формами проявления. Изучение воздействующих факторов этих процессов отдельно друг от друга делает невозможным выявление зависимостей взаимодействия этих факторов, достоверную оценку и прогноз их развития. Это требует организации наблюдения и измерений качественно разнородных по физической природе признаков и параметров, характеризующих наблюдаемое состояние магистральных газопроводов (МГ), что предопределяет необходимость комплексного применения как в методическом, так и в технологическом аспекте широкого круга диагностических методов.
Для определения механизмов процессов КРН необходим анализ наличия в совокупности основных, способствующих развитию стресс - коррозионных дефектов факторов и их оценочных величин (таблица 2.1).
К основным факторам, которые влияют на развитие стресс - коррозионных дефектов в трубах МГ относятся: нарушения изоляции в виде сдвига, отслаиваний, локально неэффективная катодная защита, коррозионная активность грунтов, вариация внутреннего давления газа, знакопеременные напряжения от сезонных деформаций почв, определенные категории и марки сталей труб.
Данные факторы изучались непосредственно на месте аварийного разрушения МГ. Схема проведения исследований представлена на рисунке 2.9. Комплекс проводимых исследований включал в себя диагностирование состояния покрытия, определение защитного потенциала, обследование кромки разрыва и разрушенных фрагментов, отбор проб грунтов и образцов металла. Затем проводились лабораторные исследования с выдачей заключений по причинам аварийных разрушений.
В лабораторных условиях определялся химический состав сталей и грунтов, проводился приборный дефектоскопический контроль образцов металла, металлографические исследования, фрактография, механические испытания на растяжение и ударный изгиб.
Химический состав сталей определялся непосредственно на металле, отобранном от аварийных труб, в десяти точках на каждом темплете методом оптико - эмиссионной спектроскопии на приборе «ARC МЕТ 930» в соответствии с ГОСТ 18895. Фрагменты металла, отобранные от аварийных труб, исследовали визуально с помощью бинокулярной лупы при увеличениях от 10 до 40. Затем при увеличениях от 25 до 50 на микроскопе «МБП - 3» изучали профиль изломов и топографию трещин в аварийных трубах и лабораторных образцах после испытаний.
Исследование микроструктуры проводили на микроскопе «Метам РВ - 21» при увеличениях от 30 до 600. Степень загрязненности неметаллическими включениями определяли по ГОСТ 1778: балльную оценку осуществляли методом «Ш-4» по наиболее загрязненному месту шлифа при 100 - кратном увеличении. Подсчет объемного процента количества включений и распределение их по размерам выполняли методом «П» при увеличении 520, просматривая по 100 полей зрения. Выявление структуры проводили в 2-4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте с последующим многократным полированием и травлением. Размер действительного зерна металла определяли по ГОСТ 5639, полосчатость оценивали по шкале 3 ГОСТ 5640.
Определение твердости металла разрушенных труб проводили в лабораторных условиях по методу Бринелля механическим прибором ТБП-5013 и ультразвуковым измерителем твердости УЗИТ-2М, предварительно проверенных на эталонах твердости. Диаметр шарика 5 мм. Измерения проводили на образцах, зачищенных шлифовальной шкуркой до Rz=40. Твердость измеряли вдоль кромки разрыва и по основному металлу на удалении от нее с наружной и внутренней стороны образца.
Для определения характеристик механических свойств трубных сталей проводили испытания плоских полнотолщинных образцов на растяжение по ГОСТ 1497 и испытания на ударный изгиб по ГОСТ 9454.
Для каждой группы сталей было испытано не менее десяти образцов. Образцы для испытаний на растяжение вырезали поперек направления прокатки, т.е. в направлении максимальных растягивающих напряжений. Принцип вырезки связан с анизотропией свойств трубной стали в осевом и окружном направлениях, заложенной при формировании трубы из листа в ходе изготовления, а также исходя из возможной дефектности структуры металла. Образцы проверялись на отсутствие визуально видимых или обнаруженных методами неразрушающего контроля трещиноподобных дефектов, но в тоже время из области, приближенной к очагу разрушения. Испытания на растяжение проводили на испытательной машине МР-100 при стандартной скорости нагружения. Усилие при разрыве до Ют.
Исследование изменений свойств металла с фактическими трещинами КРН по твердости
Образование дефектов КРН, как показано в обзорной части настоящей работы, сопровождается изменением свойств металла труб. Поэтому в настоящем разделе выполнены сравнительные исследования металла непосредственно примыкающего к области дефекта КРН и металла этой же трубы, расположенного на некотором удалении от дефекта. Исследовался металл как с аварийных труб, разрушенных по причине КРН, так и металл, отобранный из дефектных труб, удаленных из МГ по данным ВТД. Последние образцы более предпочтительны, так как они не подвергались критическому термическому и ударному механическому воздействию при разрушении очага аварии. Рассмотрим три фрагмента металла, вырезанные из труб МГ Пунга-Ухта-Грязовец диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,8 мм из стали марки X 70. Фрагменты содержали дефекты КРН и вырезаны по данным пропуска ВТД 2000 г.: - фрагменты №1 и №2 из дефектной трубы № 126 участка 14,24 км (рисунок 3.4); - фрагмент №3 из дефектной трубы № 168 участка 16,4 км (рисунки 3.5-3.7).
Измерение твёрдости выполнялось на шести подготовленных участках наружной поверхности каждого исследуемого образца. Три участка измерений располагались в бездефектной зоне металла (фоновые значения твердости), три участка на поврежденной КРН зоне металла. Перед проведением измерений на контролируемых участках поверхность металла механически зачищалась до шероховатости Ra =1,25.
На бездефектных участках (фоновых) получено по 10-11 точек контрольных значений твердости, в дефектной зоне КРН по 30-40 значений. Особенностью проведенных измерений является то, что контроль выполнялся дискретно, с пошаговым перемещением датчика на 2-3 мм, перпендикулярно пересекая зоны трещин. Местоположение участков контроля твердости показано на рисунках 3.4, 3.5, распределения твердости даны на рисунках 3.8-3.10. Распределения твердости показаны в виде двух графиков. Первый вид - распределения твердости вдоль линии сканирования (по координате перемещения датчика). Второй вид зависимости - статистические распределения твердости (гистограммы), по оси абсцисс - интервалы значений твердости, по оси ординат - количество значений твердости в каждом интервале.
Анализ распределений твердости показывает следующее: - в бездефектных зонах металла значения твердости более стабильны, чем на поврежденных участках в зоне трещины КРН; - в зонах с трещинами КРН отмечены локальные участки, как повышенной, так и пониженной твердости. Максимальное значение твердости, как правило, зарегистрированы непосредственно у трещины и до 37 % превышают средние величины. Максимальные значения твердости в бездефектных зонах выше средних значений не более чем на 7,8 - средние значения твердости в исследуемых сечениях не имеют существенных от личий ни в бездефектных зонах, ни в зонах с трещинами КРН.
С помощью программы для статистической обработки данных Microsoft Excel для персонального компьютера рассчитывали статистические показатели для каждой выборки значений (гистограммы) твердости: среднее значение твердости, среднеквадратичное отклонение, выборочную дисперсию, медиану, коэффициент асимметрии, эксцесс рассеяния случайной величины. Результаты расчета представлены в таблице 3.1.
Анализ статистических характеристик подтверждает, что в бездефектных зонах твердость более стабильна в сравнении с зонами трещин КРН.
Диагностирование изменения свойств металла образцов при моделировании трещин КРН
Для определения влияния типа коррозионно-активной среды на изменение механических характеристик стали, были проведены измерения твердости образцов до, и после проведения имитационных испытаний. Суть эксперимента заключалась в том, что стальные образцы помещались в коррозионно-активные среды и выдерживались в них 14 дней. Один образец подвергался выдержке в емкости с открытой поверхностью коррозионно-активной среды, контактирующей с воздухом, другой - помещали в изолированную от доступа воздуха емкость. Тем самым, имитировали различные условия по окисляющему фактору коррозионного процесса. Определение твердости проводили по методу Бринелля механическим измерителем твердости ТПБ-5013 согласно ГОСТ 9012-72. Предварительно прибор проверен на эталонах твердости. Диаметр шарика 5 мм, испытательная нагрузка 750 кг. Определение твердости проводили на образцах из трех марок трубных сталей - 17ГС, 17Г1С и 17Г1С-У. Результаты определения твердости в виде гистограмм представлены на рисунках 4.9-4.11 Анализ результатов показал, что в целом твердость на всех образцах из трех групп трубных сталей до испытаний находится в диапазоне от 156-197НВ, что является допустимым для нормализованных сталей. После экспозиции в коррозионных средах диапазон твердости сместился в сторону некоторого упрочнения 158-238 НВ при сохранении минимального значения на прежнем уровне.
После проведения коррозионно-механических испытаний было зафиксировано повышение твердости на образцах, находящихся в кислых средах (рН 1,9): в условиях свободной аэрации коррозионного раствора до 219 НВ, в изолированных условиях - до 238 НВ. Повышение твердости указывает на упрочнение структуры, что существенно снижает трещиностойкость сталей. Однако, с другой стороны скорость анодного растворения в кислых средах достаточно высока, и процесс растворения не успевает локализоваться в вершине трещины, а начинает протекать по всей поверхности. В щелочной среде рН 12,5 твердость, напротив, несколько уменьшилась, на одном из образцов стали 17Г1С заметно (см. рисунок 4.10, а). Снижение показателей твердости также может быть связано с начавшимися коррозионными процессами анодного растворения стали.
В нейтральной среде, а такие среды наиболее часто характеризуют грунтовые воды, твердость несколько повысилась. Однако такое повышение твердости при малой скорости и длительности коррозионных процессов является оптимальным для изменения свойств металла, локализации анодного растворения и развития трещин КРН.
В ходе моделирования трещины применяли методы контрольных измерений глубины трещины непосредственно в ходе ее моделирования [122]. В качестве эталонного метода слежения за размерами трещин в процессе их роста применяли метод оптической металлографии с использованием микроскопа. Преимуществом метода является его прямой характер, однако метод сложен в реализации, так как требует применения стационарного оптического оборудования и не позволяет проводить непрерывный контроль развития трещин, так как для измерения требуется изъять образец из устройства, и каждый раз для проведения контроля готовить поверхность шлифа (рисунок 4.12). Поэтому изменение глубины и формы фронта трещины в процессе лабораторного изготовления не поддается визуальному контролю, а соотношение ее главных полуосей зависит от ряда факторов, основными среди которых являются напряженно-деформированное состояние, геометрические размеры образца и состояние структуры перед фронтом трещины.
Первые два фактора поддаются учету и воспроизведению с определенной погрешностью, третий фактор в реальных материалах практически не подконтролен. Так как процесс роста трещины, как правило, случаен, нестабилен, увеличение ее размеров происходит скачкообразно, то для слежения за этими процессами использовали ультразвуковой метод неразрушающего контроля, позволяющий проводить непрерывный мониторинг. Для контроля использовали ультразвуковой дефектоскоп «Эксперт А1214» и набор наклонных совмещенных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).
ПЭП устанавливали на поверхность образца, противоположную поверхности, на которую крепили электролитическую ванну и с которой происходил рост трещины.
Контроль выполняли с подключением ПЭП по двум схемам (рисунок 4.13): - стандартной совмещенной схеме, используя эхо-метод (один ПЭП); - раздельной схеме, используя зеркальный эхо-метод (два ПЭП).
По раздельной схеме два ПЭП относительно друг друга позиционировали по максимуму отраженного сигнала. По совмещенной схеме положение одного ПЭП настраивали таким образом, чтобы его акустическая ось совпадала с проекцией трещины на поверхность образца, соответственно при такой настройке отраженный от трещины эхо-сигнал также имеет максимальную амплитуду.
При использовании совмещенной схемы эхо-сигнал увеличивался с ростом размеров трещины, а при раздельной схеме - уменьшался за счет перекрытия кромками растущей трещины ультразвукового пучка ПЭП.
