Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние экспертизы промышленной безопасности технических устройств опасных производств 14
1.1. Экспертное диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы трубопроводов 15
1.1.1. Порядок проведения технического диагностирования . 21
1.1.2. Анализ повреждений и параметров технического состояния 25
1.1.3. Уточненные расчеты на прочность и определение критериев предельного состояния 27
1.1.4. Определение ресурса и остаточного срока эксплуатации технических устройств 28
1.2. Изменение физико-механических характеристик, процессы охрупчивания в материалах. Эксплуатационные факторы, обуславливающие процессы охрупчивания 40
1.2.1. Деградационные процессы и выявление определяющих параметров технического диагностирования 40
1.2.2. Изменение стандартных механических свойств материалов 42
1.2.2.1. Разупрочнение 47
1.2.2.2. Упрочнение 48
1.2.2.3. Технологические факторы охрупчивания 50
1.2.2.4. Эксплуатационные факторы охрупчивания... 53
1.2.3. Старение трубных сталей 65
1.2.3.1. Влияние различных факторов на кинетику процесса старения 66
1.2.3.2. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей трубопроводов 67
1.3. Оценка механических свойств и структуры металла при проведении технического диагностирования 71
1.3.1. Оценка механических свойств 71
1.3.2. Металлографические исследования 74
1.3.2.1. Исследование макроструктуры металла 76
1.3.2.2. Исследование микроструктуры металла 77
1.3.3. Оценка качества металла методом мультифрактального анализа 79
1.4. Заключение 84
1.5. Постановка задачи 84
2. Характеристика объектов и методов исследования 85
2.1. Основные объекты исследования 85
2.2. Методы исследования 85
2.2.1. Определение твердости методом Роквелла 85
2.2.2. Механические свойства при статическом растяжении.. 86
2.2.3. Определение ударной вязкости 88
2.2.4. Метод мультифрактальной параметризации 89
2.2.5. Методы статистической обработки 94
2.2.6. Методы исследования микроструктуры металла 98
3. Состояние поверхности трубопровода как основной критерий его технического состояния 99
3.1. Термоциклические процессы как причина КРН на магистральных газопроводах 99
3.2. Эффективная глубина поверхностной обработки металла трубопровода для мультифрактального анализа 108
Выводы к главе 3 114
4. Идентификация металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации 115
Выводы к главе 4 122
5. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла 123
5.1. Мульти фрактальная параметризация в оценке уровня напряжений в материале нефтегазопроводов 123
5.2. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла 127
Выводы к главе 5 134
Выводы 135
Список литературы 137
Приложение 153
- Экспертное диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы трубопроводов
- Метод мультифрактальной параметризации
- Термоциклические процессы как причина КРН на магистральных газопроводах
- Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно статье 13 федерального закона №116 «О промышленной безопасности производственных объектов» технические устройства (ТУ), применяемые на ОПО подлежат экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ). Представленная работа выполнена в контексте экспертизы промышленной безопасности технических устройств (ТУ) на ОПО, к которым относятся трубопроводы различного назначения на химических и нефтехимических производствах.
В настоящее время значительная часть трубопроводов химических и нефтехимических производств отработала нормативный ресурс. Их дальнейшая эксплуатация возможна только с разрешения органов Ростехнадзора на основании заключений экспертизы промышленной безопасности.
Нормативные документы по экспертному диагностированию технического состояния и определению остаточного срока безопасной эксплуатации трубопроводов, эксплуатирующихся в химической и нефтехимической отраслях промышленности, предписывают при экспертизе, в зависимости от условий эксплуатации, выполнять механические испытания для установления фактических механических характеристик. Повышенное внимание следует уделять таким характеристикам как ударная вязкость, показатели трещиностойкости, предел макроупругости. Однако на практике выполнение указанных испытаний трудноосуществимы, а в ряде случаев невозможны (процессы в основном непрерывны и остановы кратковременны) и не целесообразны, так как вырезки образцов для испытаний и последующий ремонт наносят вред обследуемому оборудованию (возникают дополнительные напряжения). Поэтому задача поиска информативного способа оценки интересуемых механических свойств металла без разрушения элемента обследуемого трубопровода весьма актуальна.
Учитывая актуальность вопроса очевидна необходимость разработки методики оценки остаточного ресурса трубопроводов, учитывающей изменение состояния металла трубопровода с течением времени при его эксплуатации в различных условиях, без его разрушения.
Реализация такой методики видится в применении и адаптации метода мультифрактальной параметризации (МФП) для установления корреляционной взаимосвязи механических свойств металла с результатами МФ анализа цифровых изображений его микроструктуры.
Целью работы является разработка методики оценки ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов из стали 17Г1С на основе метода мультифрактальной параметризации.
Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:
исследование чувствительности параметров мультифрактального анализа структуры металла к изменениям показателей пластичности (хрупкости) на примере выявления взаимосвязи с критической температурой хрупкости;
адаптация методологии МФП для анализа изображений структур сталей 17Г1С при экспертизе промышленной безопасности оборудования химических производств;
исследование роли поверхности трубопровода в изменении свойств материала трубопровода и выявление эффективной глубины поверхностной обработки при мультифрактальном анализе;
идентификация металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации;
установление взаимосвязи мультифрактальных параметров с величиной действовавших напряжений;
апробация разработанного метода и результатов исследований на примере конкретного трубопровода при оценке его остаточного ресурса безопасной эксплуатации.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые:
- разработана методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов химических производств по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности. На примере действующего трубопровода, выполнен расчет остаточного ресурса по изменению МФ параметров.
создан метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов, с целью выявления факта превышений допускаемых напряжений требованиям промышленной безопасности. Данный метод может использоваться при входном контроле качества поступивших труб. Для этого метода разработано специальное устройство, создающее при испытаниях распределение напряжений известной величины, позволяющее в удобной форме проводить исследования. Подходы, заложенные при создании устройства и метода, позволяют продолжить исследования на других интересуемых материалах;
разработаны методические рекомендации предварительной подготовки изображений структур к МФ анализу, развиты методические подходы по обработке полученных результатов и их адаптации к особенностям структуры и механических свойств материала трубопроводов химических производств;
предложен способ идентификации металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации;
для сталей рассматриваемого класса показана возможность оценки критической температуры хрупкости, как одного из определяющих показателей свойств материала оборудования опасных производств, характеризующих его безопасную эксплуатацию, по МФ параметрам однородности изображений структуры;
выявлена эффективная глубина поверхностной обработки металла трубопровода для проведения мультифрактального анализа;
Практическая ценность состоит в том, что разработанные методика и методические рекомендации обеспечивают возможность при проведении экспертизы промышленной безопасности проводить оценку фактических свойств металла трубопроводов химических (СКИ – синтетического каучука изопренового, изопрена, этилена, олигомеров, стирола и полиэфирных смол и других) и нефтехимических, а также нефтегазовых производств неразрушающим способом, без вырезки образца, исключая потенциальную вероятность снижения безопасности его эксплуатации.
Предложенный метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов позволяет выявлять факт превышения допускаемых напряжений, при его наличии, при эксплуатации трубопроводов на производстве. Полученные результаты служат дополнительными критериями оценки качества металла и позволяют принимать ресурсные решения при экспертизе промышленной безопасности трубопроводов. На данное устройство был получен патент №100256 на полезную модель СО-МФ-1 «Устройство для оценки остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла».
На защиту выносятся:
- методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности;
- метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов;
- полезная модель СО-МФ-1 «Устройство для оценки остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла»;
- методические рекомендации по подготовке образцов к МФ анализу с целью обеспечения объективности результатов МФП при экспертизе промышленной безопасности оборудования опасных производств;
- рекомендации по поверхностной обработке металла трубопровода для МФ анализа структуры;
- рекомендации по возможности применения МФП для оценки параметра критической температуры хрупкости, с целью учета изменений его значений при экспертизе промышленной безопасности трубопроводов.
Личный вклад соискателя в представленных к защите материалах состоит в идее создания уникального устройства, позволяющее создавать при испытаниях градиент остаточных деформаций известной величины, проработке литературных данных по тематике исследований, в проведении исследований, обработки данных, обобщении результатов, подготовке статей, докладов, отчетов. Совместно с канд. техн. наук Анваровым А.Д., доктором техн. наук профессором Булкиным В.А. проводилось обсуждение и обобщение результатов.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации представлены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях:
18-я Всероссийская научно-техническая конференция и выставка «Неразрушающий Контроль и Техническая Диагностика»( Н.Новгород, НГТУ, 2008), Вторая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массобменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, КНИТУ, 2008), Научная сессия КНИТУ по итогам 2011 года (г. Казань, КНИТУ, 2012). Третья Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Идентификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г.Казань, КНИТУ, 2012), XIII Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность. Проблемы и решение». (г.Уфа, ИПТЭР, 2013).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 публикациях, из них – 6 статей, опубликованные в научных журналах, 6 тезисов докладов, 1 патент.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах, содержит 39 рисунков и 10 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (164 наименований).
Экспертное диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы трубопроводов
Приоритетным методом обеспечения ПБ действующего оборудования и трубопроводов является техническая диагностика оборудования (в том числе и экспертная), под которой понимается комплекс работ, направленный на оценку технического состояния и остаточного ресурса оборудования, определения возможности и условий продолжения его безопасной эксплуатации.
Согласно ГОСТ 20911 [11] техническое диагностирование — определение технического состояния (ТС). В данном стандарте разъяснены основные задачи диагностирования (рис. 1.1.)
Техническое диагностирование, которое выполняется по истечении расчётного срока службы ТУ, а также после аварии или обнаруженных повреждений элементов, работающих под давлением, с целью определения возможных параметров и условий дальнейшей эксплуатации называют экспертным техническим диагностированием.
Экспертное техническое диагностирование проводят также при проведении экспертизы ПБ ТУ в случае отсутствия документов (Заключения по результатам экспертного технического диагностирования), подтверждающих возможность продолжения безопасной эксплуатации ТУ и определяющего новый назначенный срок службы.
Техническое состояние объекта (ТС) — состояние ТУ в определенный момент времени, при определенных внешних условиях, которое можно описать значениями параметров, установленных технической документацией, ГОСТ 20911 [11]. Данные параметры называют параметрами технического состояния (ПТС).
Для конкретного трубопровода (в зависимости от условий работы) набор ПТС, описывающих его техническое состояние, определяется в проектной (конструкторской) и/или нормативно-технической документации, которая устанавливает требования к проведению технической диагностики.
Контроль технического состояния — это проверка соответствия значений параметров, характеризующих объект, требованиям технической документации. По результатам данной проверки определяется один из заданных видов технического состояния в определенный момент времени. ГОСТ 20911.
ПТС подготавливаются при проектировании конструкции, появляются при изготовлении и могут быть изменены в процессе эксплуатации. Изменение значений ПТС в процессе эксплуатации связано с наличием внешних воздействий на объект и повреждающих (деградационных) процессов (процессов, приводящих к деградационным отказам из-за старения металла, коррозии и эрозии, усталости и т.д.). Значения ПТС в некоторый момент времени определяют стадию процессов деградации, а стадия деградационных процессов, в свою очередь, - техническое состояние объекта определенной категории потенциальной опасности.
Применительно к трубопроводам в соответствии с ГОСТ 27-002 [12] техническое состояние в зависимости от категории опасности подразделяются на нижеуказанные виды.
Исправное состояние - состояние трубопровода, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации.
Неисправное состояние - состояние трубопровода, при котором он не соответствует, хотя бы одному из требований нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации.
Примером неисправности являются выявленные при проведении маг-нитопорошковой и ультразвуковой дефектоскопии дефекты в сварных соединениях и околошовной зоне, недопустимые согласно действующей, нормативно-технической или конструкторской (проектной) документацией (например, конструктивные непровары в сварном соединении).
Работоспособное состояние - техническое состояние трубопровода, при котором значения всех параметров, характеризующих его способность к работе по назначению во всех режимах и в течение всего времени его работы, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Работоспособный трубопровод, в отличие от исправного, должен удовлетворять лишь тем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, выполнение которых обеспечивает их нормальную дальнейшую эксплуатацию. Работоспособный трубопровод может быть неисправным, например, если его пространственное положение не соответствует нормам и правилам, при этом данное положение трубопровода не препятствует его эксплуатации. При экспертизе промышленной безопасности определение «работоспособный» дается трубопроводам, у которых при проведении технической диагностики выявлены дефекты или эксплуатационные параметры, выходящие за рамки допустимых значений, определенных конструкторской (проектной) и (или) нормативно-технической документацией, но расчетами на прочность подтверждается возможность дальнейшей эксплуатации при заданных условиях.
Неработоспособное состояние —это техническое состояние трубопровода, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Подобное определение дается техническому состоянию трубопровода, если при проведении экспертной технической диагностики обнаружены критичные дефекты, выявлен хотя бы один ПТС, при котором условия прочности трубопровода при заданных условиях эксплуатации не выполняются и т.п.
Критическое состояние — это техническое состояние объекта, дальнейшая эксплуатация которого является опасной для здоровья и жизни людей или может привести к нежелательным экологическим последствиям, к значительному материальному ущербу, в связи с высокой вероятностью его перехода в предельное состояние.
Предельное состояние - это состояние объекта, при котором либо его дальнейшая эксплуатация нецелесообразна или недопустима, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Понятие критического и предельного состояний имеет принципиальное значение при экспертном техническом диагностировании ТУ, оценке его остаточного ресурса.
Следует отметить, что влияние параметров технического состояния на техническое состояние различно. Набор определяющих параметров, которые устанавливаются путем проведения экспертного обследования, зависит от конструктивного исполнения, режима эксплуатации трубопровода, внешних условий и должен быть задан в нормативно-технической документации. В этой документации также устанавливаются требования к экспертному техническому диагностированию.
Трубопровод после приемо-сдаточных испытаний должен находиться в исправном состоянии, которое обеспечивается нормами проектирования, расчетами на прочность и системой качества при монтаже.
Однако зачастую на практике при проведении технической диагностики обнаруживается, что требования, предъявляемые нормативно-технической документацией к качеству нарушены. Кроме того, имеют место отклонения от конструкторской (проектной) документации (по материалам, размерам элементов). Если при этом расчетом на прочность подтверждается работоспособность трубопровода, он находится в работоспособном состоянии, то есть в состоянии нормального функционирования.
Если при техническом диагностировании или освидетельствовании были обнаружены недопустимые дефекты (например, коррозионное растрескивание) или расчет на прочность подтверждает, что выявленный дефект недопустим, то трубопровод находится в неработоспособном состоянии. Де-градационные процессы приводят к изменению технического состояния. Трубопровод, находящийся в исправном состоянии по истечении времени эксплуатации переходит в работоспособное техническое состояние.
При учете эксплуатационных факторов и нормативных коэффициентов запаса прочности при проектировании, использовании «нормативных» технологий изготовления и контроле качества обеспечивается безопасная эксплуатация в течение всего назначенного срока службы с вероятностью отказа практически равной нулю. Такие оценки прочности называют детерминистическими. Правильный учет вероятностной природы определяющих параметров технического состояния позволяет оценить вероятность отказа при принятых (обычно нормативных) коэффициентах запаса. Косвенным показателем наступления предельного состояния служит фактическое значение коэффициента запаса прочности - меньшего, чем нормативный.
Метод мультифрактальной параметризации
Мультифракталы - это геометрические объекты, которые представляют собой объединение фракталов различных размерностей и имеют более нетривиальные свойства, чем непосредственно фракталы.
Мультифрактальная параметризация это более совершенный вид представления теории фракталов. Под фракталами подразумевают структуру, состоящую из частей, которые подобны целому. Теория мультифрактальной параметризации (МФП) возникла вследствие того, что понятия самоподобия и масштабной инвариантности, заложенные в основе теории фракталов, не могут полностью описать сложные реальные природные структуры. Теория МФП позволяет оценивать параметры однородности и упорядоченности, характеризующие меру нарушения самоподобия и отражающие геометрическую неоднородность составляющих изображения.
При мультифрактальная параметризация синергетических структур происходит генерации каким-либо способом (или/и с использованием того или иного распределения) меры. При этом цифровое изображение синергети-ческой структуры разбивается на ячейки строго определённого размера. В соответствии с разработанным алгоритмом расчета мультифрактальных (МФ) характеристик исследование проводится в четыре этапа. На первом этапе проводят предварительную подготовку изображений изучаемых структур. Второй этап заключается в проведении автоматической генерации масштабов для фрактальных регрессионных графиков. На третьем этапе на изучаемом изображении происходит формирование фрактальной меры. На четвертый этап проводят расчет мультифрактальных характеристик. Далее следует проверка этих характеристик на корректность.
Этот алгоритм успешно реализован д.ф-м.н. В.Г. Встовским в программе MFRDrom [6, 7].
Применение подходов мультифрактального формализма при анализе структур материалов, таких как микроструктура, структура изломов и прочее, показал информативность следующих мультифрактальных показателей структуры: Do, Di, D2, Dq, fq, Aq, получаемых в результате мультифрактального анализа.
Do - размерность Хаусдорфа-Безиковича. Характеризует однородный фрактал. Его значение определяется по максимальному значению f(a), что соответствует Dq при q=0; Di - информационная размерность. Характеризует скорость роста количества информации при 1— 0, что соответствует Dq при q=l; D2 - корреляционная размерность. Характеризует вероятность нахождения в одной и той же ячейке покрытия двух точек множества. Она определяется значением Dq при q=2; D200 и D-200- экстремальные значения Dq. Отвечают степени разреженности мультифрактального множества; fq - степень однородности fco fq, q»l. Чем больше fa fq, тем более однородна структура для канонических спектров. Для псевдоспектров наблюдается противоположная зависимость; Aq или Di-Dq - указывает на предел нарушения симметрии при самоорганизации двумерных множеств. Интерпретируется как мера упорядоченности. Алгоритм получения мультифрактальных параметров:
1. Выбирают монохромное изображение, которое представляет собой множество, состоящее из пикселей черного или белого цвета. В зависимости от цвета программа создает двухмерный массив чисел, зависящий от вы бранной схемы генерации меры и состоящий из 0 и 1. 2. Происходит нормализация меры на единицу (1): /л1й = N ,0 ,где {//,о}, 1-1,...До - нормированная на единицу (1) мера носителя. No — число ячеек размером в один пиксель.
3. В соответствии с размером огрубленного разбиения происходит создание дополнительных массивов из сумм нормированных мер.
Размер огрубленного разбиения зависит от размера изображения, а также от выбранной площади покрытия изображения (рис. 2.4.)
Термоциклические процессы как причина КРН на магистральных газопроводах
Влияние стресс-коррозии на безопасность эксплуатации магистральных газопроводов. Анализ причин аварий на магистральных газопроводах, зафиксированных в актах технического расследования, свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине стресс-коррозии (коррозионного растрескивания под напряжением - КРН), при этом на газопроводах диаметром 1220, 1420 мм за последние три года - более половины общего числа отказов. Выход из строя такой конструкции во время ее эксплуатации может приводить к большому материальному ущербу, загрязнению окружающей среды, человеческим жертвам, так как зона распространения разрушения может простираться на расстояния от нескольких сот метров до нескольких километров. Поэтому решение вопроса обеспечения технической и экологической безопасности газопроводов является актуальной задачей.
Наиболее опасным видом коррозионного разрушения является коррозионное растрескивание под напряжением (самопроизвольное разрушение металла в результате одновременного воздействия агрессивной среды и механического напряжения). КРН характерно для магистральных газопроводов большого диаметра с высоким уровнем внутреннего давления.
За 1992-2001 гг. на магистральных трубопроводах было 540 аварий. В 2001 г. доля аварий по причине КРН достигла 41,93% от общего их числа. Разрушение металла труб по причине КРН происходит только на газопроводах диаметром 720-1420 мм. При этом с увеличением диаметра доля аварий газопроводов растет. Аварии газопроводов во многом связны с продолжительностью эксплуатации и инкубационным периодом стресс-коррозионного процесса. Анализ данных показывает, что 5% случаев разрушений произошло на газопроводах, эксплуатируемых 6-8 лет. Основная масса аварий происходит на газопроводах со сроком эксплуатации от 7 до 24 лет.
Признаки стресс коррозии и факторы, влияющие на процесс развития. Несмотря на то, что КРН является одной из главных причин отказов магистральных газопроводов, до настоящего времени не выявлены все факторы, влияющие на этот процесс [133]. Многофакторность причин появления КРН на трубопроводах осложняет задачу установления механизма и закономерностей коррозии трубопроводов под напряжением.
Отказы по причине КРН имели место на газопроводах, проложенных в глинах, суглинках, песках, карбонатных и скальных породах. Причем в ряде случаев отмечалось замедление развития стресс-коррозионных повреждений с увеличением степени минерализации грунта при пересечении трубопроводами сорных участков (отдельные отрезки магистрального газопровода «Средняя Азия-Центр»), по-видимому, в связи с интенсивным коррозионным растворением металла в вершине трещины, сглаживания концентратора напряжений и их релаксации вследствие хемомеханического эффекта. Последнее подтверждается тем, что на таких участках магистральных газопроводов зафиксированы случаи интенсивной общей и язвенной коррозии внешней поверхности труб. С этим же, возможно, связано и то, что у ряда газопроводных систем наименее подвержены КРН их первые очереди (отставание ввода системы катодной защиты от момента начала эксплуатации газопровода).
Аварии, в основном, происходят у склонов холмов, в непосредственной близости к водным потокам, идущим вдоль газопровода или пересекающим его. КРН развивается в местах дефектов пленочного изоляционного покрытия, где имеется доступ грунтового электролита к телу трубы, а защитный эффект системы электрохимической защиты недостаточен. Очаги разрушения располагаются в основном на нижней образующей трубы от 5 до 7 ч. Следует отметить, что стресс-коррозионные дефекты располагаются не по всей длине газопроводов, а лишь в пределах локальных участков ограниченной протяженности. Во всех очагах разрушений имела место химическая и структурная неоднородность металла, повышенная загрязненность неметаллическими включениями, наблюдались метастабильные закалочные структуры, участки с аномально высокой твердостью, перлитные колонии и обезуглероживание, зоны перегрева в сварных швах. Исследования показали, что стресс-коррозии подвергаются, в первую очередь трубы, имеющие первоначальную предрасположенность, заложенную еще при производстве и монтаже [134].
Стресс-коррозия развивается с внешней поверхности трубопровода и представляет собой группы или колонии трещин вблизи очагов разрушений, ориентированных преимущественно вдоль оси трубы. КРН провоцируется локальной коррозией, трещины зарождаются со дна питтингов. Основная линия разрушения в большинстве случаев проходит на расстоянии 200-800 мм от продольного сварного шва. Выявлено, что КРН не имеет прямой зависимости с коррозионной агрессивностью грунтов и наблюдается на трубах как при сильной, так и при слабой активности среды околотрубного пространства.
Проведенный анализ отказов магистральных газопроводов показал, что КРН имело место, как на трубах отечественного производства, изготовленных из сталей марок 14Г2САФ, 15Г2С, 17ГС, 17Г1С, 17Г2СФ, так и на трубах, поставляемых по импорту фирмами Германии, Японии, Франции из сталей групп прочности Х60, Х65, Х70. Отказы возникали на катодно-защищенных магистральных газопроводах, сформированных из прямошов-ных и спиралешовных труб диаметром 1020-1420 мм с толщиной стенки 9-18 мм, имеющих резинобитумную или пленочную изоляцию [135].
Разрушения на внешней поверхности трубы проявляются в виде одиночных трещин или их систем, ориентированных, в основном, вдоль образующей трубы. Очаги КРН в большинстве случаев располагаются вдоль нижней образующей трубы под отслоившейся изоляцией. КРН является длительным процессом. Существует своеобразный инкубационный период разрушения не менее 5-ти лет, связанный с зарождением и развитием коррозионно-механических трещин. В этом проявляется принципиальное отличие отказов магистральных газопроводов вследствие КРН от разрушений, вызванных нарушением норм и правил проведения строительно-монтажных работ. Последние, как правило, вызывают разрушения трубопроводов в более ранние сроки. Анализ статистики отказов отечественных и зарубежных магистральных газопроводов показал, что КРН локализуется вблизи компрессорных станций (в пределах 10-20-ти км по ходу газа), а в ряде случаев в местах поворотов трубопроводов. КРН обычно связывают с высокими величинами температуры и давления на таких участках. На основании данного предположения неоднократно высказывалась мысль о существовании пороговых значений этих величин, ниже которых КРН развиваться не может. Однако изучение статистики отказов показало, что растрескивание протекает и при более низких, чем пороговые, значениях температуры и давления [136].
Объяснение проявления КРН только с помощью предложенного рядом авторов механизма развития скрытых локальных дефектов стали, образовавшихся в результате металлургического производства труб, не подтверждается на практике. Так, в ряде случаев наблюдались коррозионные трещины, зарождающиеся в местах стыковки труб. При этом в очаговой зоне находился металл двух труб и сварного монтажного соединения. Характер развития КРН в этом случае аналогичен наблюдаемому на одной трубе. Трещины «не замечают» наличия сварного соединения. Указанный факт свидетельствует о превалирующем вкладе в процесс КРН факторов эксплуатационного происхождения [137].
Особые условия эксплуатации наружной поверхности. Известно, что стресс- коррозия развивается в основном с внешней стороны [138], что вызывает необходимость детального изучения процессов на наружной поверхности трубопровода.
Как показывает анализ отличительных особенностей, магистральные газопроводы (на тех участках, где обнаруживается стресс-коррозия) имеют большие диаметры и эксплуатируются под большими рабочими давлениями. Это приводит к тому, что механические напряжения в стенке магистрального газопровода значительно выше, чем на всех других трубопроводах. От действия рабочего давления кольцевые (окружные) напряжения больше осевых примерно в два раза. Это объясняет тот факт, что большинство обнаруженных стресс-коррозионных трещин ориентировано в продольном направлении (перпендикулярно большим окружным напряжениям).
Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла
Продолжив исследования данных полученных в предыдущих исследованиях [156-161] и описанных в п.5.1., был проведен расчет действовавших напряжений в образцах с учетом их формы и относительно установленного при испытаниях значения предела прочности для каждого образца. Кроме того, из металла обеих серий дополнительно были изготолены образцы на ударную вязкость KCV и проведены соотвествующие испытания при комнатной температуре (таблица 5.1,).
Установлено, что образцы металла аварийного запаса (1 серия) имеют меньшие значения предела прочности и большие значения ударной вязкости, чем металл трубопровода отработавшего ресурс (2 серия).
Из приведенно выше следует, что металл со временем упрочнился, но стал хрупче. При этом механические свойства вышли за область допустимых значений и увеличилась вероятность хрупкого разрушения. Рассмотрев все варианты исследуемых образцов для состояний от упругой области до нагрузок равных пределу прочности и отложив в координатах однородность -упорядоченность (рис.5.8) замечено, что хорошо различимы два механизма, один из которых характерен для образцов металла аварийного запаса (1 серия) и образцов с трубопровода отработавшего ресурс (2 серия).
Разброс значений в пределах каждой серии объясняется локальной неоднородностью свойств материала.
Рассчитав в программе Ansys значения действовавших в каждой точке образца СО-МФ-1 напряжений в момент его разрыва при испытаниях на статическое растяжение, были установлены корреляционные зависимости между мультифрактальными характеристиками и величинами действовавших в металле напряжений (рис. 5.9, 5.10, 5.11) с высокими значениями величин достоверности аппроксимации для усредненных значений мультифрактальных характеристик (особенно для значений однородности) для каждого образца серии.
Напомним, что образцы металла 2 серии согласно результатам механических испытаний отличаются повышенной хрупкостью.
Таким образом, чтобы обеспечить необходимый уровень безопасной эксплуатации таких трубопроводов, необходимо принимать во внимание охрупченное состояние металла при прочностных расчетах или же полностью исключать из эксплуатации трубопроводы с такими показателями мультифрактальных параметров. В любом случае продолжать эксплуатацию без дополнительной проверки нельзя.
Для апробации метода согласно разработанной методики была проведена оценка ресурса двух трубопроводов:
1. выкидного трубопровода магистральной насосной ветки магистрального нефтепровода «Альметьевск-Куйбышев-1», в месте присоединения трубопровода к коллектору (тест рис.5.8.) по мультифрактальным параметрам его металлографической структуры.
2. трубопровода пропиленового холодильного цикла. Данный трубопровод служит для транспортировки газообразного пропилена. (тест 2 рис.5.8.)
Фрагменты технологических схем трубопроводов представлены в приложении.
В ходе проведения ремонтных работ на данных трубопроводах на участках с выявленными дефектами на наружной поверхности были приготовлены металлографические шлифы с применением полевого оборудования для металлографических исследований и сделаны цифровые снимки структуры основного металла трубопроводов при увеличении 100х.
Данные снимки были обработаны согласно вышеописанным (в предыдущих главах) рекомендациям и подвергнуты мультифрактальной параметризации. Результат параметризации изображения структуры металла 2-го трубопровода представлен на рисунке 5.8. (значение «тест 2») и соответствует нашим представлением о нормальном (недеградированном) состоянии металла.
Результат параметризации изображения структуры металла 1-го трубопровода представлен на рисунке 5.8. (значение «тест») и соответствует нашим представлениям об охрупченном состоянии металла. По нашей рекомендации была произведена вырезка участка для проведения испытаний на ударную вязкость, результаты испытаний (KCV20 22.6 Дж/см2 ) подтвердили предположения об охрупченном состоянии трубы.
Для оценки остаточного ресурса данного участка трубопровода применили рекомендации РД 03-421-01 [165] раздела прогнозирования ресурса сосудов по критерию хрупкого разрушения. Был рассмотрен частный случай методики, согласно которому, если сталь или сварные соединения при рабочих режимах эксплуатации или испытаний имеет ударную вязкость ниже значений, предусмотренных Правилами устройства и безопасной эксплуатации исследуемого технического устройства, необходимо при оценке хрупкой прочности проводить расчет по критерию «течь перед разрушением». Использование критерия «течь перед разрушением» предусматривает выполнение условия, при котором процессу неконтролируемого роста трещины (хрупкому разрушению) предшествует образование сквозного дефекта на стадии ее медленного подрастания, то есть значение критического размера дефекта Ікр больше, чем толщина стенки S элемента сосуда, в котором имеется дефект: Ікр S.
