Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности условий эксплуатации газопроводов систем распределения и потребления газа 15
1.1 Условия эксплуатации и характер нагружения 15
1.2 Характеристика газопроводных сталей 21
1.3 Дефекты кристаллической решетки металла труб 27
1.4 Статистика отказов и причин их возникновения на объектах трубопроводного транспорта 34
1.5 Выводы 41
2 О замедленном разрушении металла под действием статической нагрузки . 42
2.1 Сущность и условия возникновения замедленного разрушения металла... 42
2.2 Факторы, обуславливающие протекание замедленного разрушения металла 43
2.3 Структурный механизм возникновения напряжений в стали, способствующее ее замедленному разрушению 55
2.4 Выводы 61
3 Исследования склонности к замедленному разрушению металла труб газопроводов 62
3.1 Определение потери пластичности металла труб 62
3.2 Установление временных зависимостей сопротивлению разрушения деформационно-состаренных сталей . 67
3.3 Влияние коррозионной среды на замедленное разрушение 71
3.4 Влияние закалочных структур на процессы замедленного разрушения 75
3.5 Выводы 78
4 Разработка методики расчетного определения времени замедленного разрушения 80
4.1 Исходные положения для разработки методики 80
4.2 Уравнение для определения времени замедленного разрушения де-формационно-состаренных сталей 82
4.3 Результаты расчетных и экспериментальных данных 84
4.4 Выводы 86
Основные выводы и рекомендации 87
Список использованных источников 89
Приложение 96
- Статистика отказов и причин их возникновения на объектах трубопроводного транспорта
- Структурный механизм возникновения напряжений в стали, способствующее ее замедленному разрушению
- Установление временных зависимостей сопротивлению разрушения деформационно-состаренных сталей
- Уравнение для определения времени замедленного разрушения де-формационно-состаренных сталей
Введение к работе
Основным техническим устройством систем газораспределения и газопотребления природного углеводородного газа (метана) являются наружные газопроводы подземного и надземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). С некоторой условностью в работе они названы городскими газопроводами. Газопроводы газораспределительной сети (систем газоснабжения) обеспечивают подачу газа от источника газоснабжения до газопроводов -вводов к потребителям газа.
В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», газораспределительные системы отнесены к потенциально опасным производственным объектам. Проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт выполняются согласно нормативному документу по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве ПБ 12-529-03.
Условия эксплуатации городских газопроводов отличаются от магистральных. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеют место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов, и даже катастрофических аварий. Зачастую городские газопроводы соседствуют с электрифицированными железными дорогами, трамвайными путями, подземными трубопроводами множественного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач и могут пересекаться автомобильными и железнодорожными дорогами. Все это создает интенсивное поле блуждающих токов, колебания грунта, приводящие к коррозионному воздействию и циклическому нагружению. Из года в год растет доля «дряхлых» (эксплуатируемых более 40 лет) газопроводов. Вывести из эксплуатации эти объекты не представляется возможным, а продолжение дальнейшей эксплуатации связано с решением научно-технических задач с учетом изменений комплекса свойств металла за время длительной работы, определяющих качественное функционирование объекта.
5 В настоящее время нормативные документы по безопасности надзорной и
разрешительной деятельности в газовом хозяйстве, в частности, «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» (РД 12-411-01) при определении остаточного срока службы базируются на фактических количественных значениях физико-механических свойств металла и параметров напряженно-деформированного состояния. Для получения таких сведений необходимо установление закономерностей и явлений деградацион-ных изменений состояния, тонкой структуры и комплекса свойств металла, определяющих эксплуатационную надежность и безопасность трубопроводных систем газораспределения и газопотребеления.
Решение этой проблемы требует научного подхода - необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений его механических свойств в процессе длительного нагружения.
Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах называется ползучестью.
Условия эксплуатации городских газопроводов создают все предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения.
Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу не исследованных и представляющих большую актуальность.
Цель работы заключается в оценке влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Об условиях эксплуатации подземных газопроводов и изучение проявления процесса замедленного разрушения.
Исследование влияния усталостных процессов и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб.
Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения.
Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.
Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее, структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанная в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Еко-бори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др.
В диссертации подробно описаны известные по литературным источникам теоретические и экспериментальные сведения:
о факторах, обуславливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;
условиях его протекания под действием статических нагрузок;
структурный механизм (эволюция тонкой структуры металла) при замедленном разрушении;
конечные эффекты замедленного разрушения и их влияние на служебные свойства металлов на развитие дефектов металла длительно эксплуатируемых газопроводов.
Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора, приводящего к замедленному разрушению) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лют-цау В.Г. За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, находившихся в процессе длительной эксплуатации в трассовых условиях. Среди авторов Ямалеев К.М., Гумеров А.Г., Кершенбаум В.Я., Гумеров К.М.
Металл труб магистральных нефтепроводов находится в сложно-напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены опытным путем количест-
7 венные значения - уменьшение относительного удлинения на 18-20%; ударной
вязкости примерно в 2 раза, повышение предела прочности и текучести на 8-
10%, уменьшение отношения предела прочности к пределу текучести указывают
на старение металла труб при длительной эксплуатации.
Изучение тонкой структуры на сталях длительно нагруженных нефтепроводов и газораспределительных сетей показывает единый характер, происходящих изменений, механизмы которых объяснены, базируясь на результаты вышеприведенных исследований, и отражены в выводах работы.
В работах Ямалеева К.М. и Габдюшева Р.И. показано, что при длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 14ХГС, 19Г, 17ГС и Ц21 на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блокировка дислокации примесными атомами, эволюция дислокационной структуры. Все эти процессы приводят к увеличению внутренней энергии металла и уменьшению связи между кристаллическими зернами, а, следовательно, к уменьшению пластичности и увеличению склонности к замедленному разрушению.
Методом измерения величины прогиба образцов установлено, что за период около 30 лет эксплуатации эти стали теряют пластические свойства примерно на 15-20%. Показаны особенности их замедленного разрушения при закалке.
Результаты вышеприведенных исследований использовались в настоящей работе для объяснений причин потерь прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении специальных экспериментов.
Установлены характерные для исследуемого объекта источники и механизмы повреждаемости металла труб.
Исследованиями тонкой структуры металла труб определены виды и особенности микродефектов, эволюция дислокационных структур, которая является предпосылкой для образования усталостных микротрещин. Для эксплуатационных режимов газопроводов микродефекты (вакансия, дислокация и их
8 скопление) имеют определяющие значение. Но более опасными являются границы кристаллических зерен и двойникновение в зернах, способные привести к охрупчиванию и созданию благоприятных условий к протеканию коррозионных процессов.
Следует также отметить, что в трубопроводных сталях, как известно, деформационное старение происходит при наличии дислокации и примесных атомов, даже при низких нагрузках, т.е. когда создаваемое в стенках трубы напряжение ниже даже напряжения усталости. Хотя в трубопроводах давление колеблется в малых пределах, однако, в структурно неоднородных областях (окрестности дефектов, границы кристаллических зерен и т.п.) напряжение достигает значительных величин, что способствует в этих областях протеканию деформационного старения и накопления необратимых микропластических деформаций. Протекание этих процессов приводят к образованию охрупченных областей, где относительно легко зарождаются и распространяются усталостные трещины.
В случае нагружения металла ниже предела усталости, как известно, также происходит образование большого количества подвижных дислокаций. Дальнейшее увеличение числа колебаний вызывает деформационное старение, приводящее к снижению трещиностойкости металла труб. Этот сложный процесс объяснен множеством явлений. Происходят: генерация новых дислокаций и вакансий, увеличивается их плотность; эволюция дислокационной структуры по схеме «сетчатая -> ячеистая —> клубковая»; коагуляция вакансий и образованием пор; фрагментация цементитных пластин; скопление дислокации одного знака, которое приводит к упругому искажению кристалла ct-Fe.
Деформационное старение сопровождается также образованием новых карбидных частиц на полосах скольжения и на границе зерен, которые вызывают охрупчивание металла.
Примесные атомы кремния, углерода, азота и др. скапливаются на границах зерен, в результате чего уменьшается прочность связи между зернами. При дальнейшей эксплуатации в определенной степени происходит наводоражива-
ниє металла труб. Атомы водорода легко диффундируют в деформированную
область у вершины трещины и охрупчивают эту область. Этим самым они ускоряют рост усталостных трещин. Другим влиянием атомов водорода на надежность газопровода является то, что они, проникая в металл трубы, собираются в коллекторах, где, образуя молекулу водорода, создают высокое давление. Это в свою очередь приводит к выпучиванию металла на поверхность трубы, снижая при этом ее прочность.
Водород, соединяясь с атомами углерода, образует метан. Этот процесс уносит часть углерода, чем и объясняется уменьшение углерода в металле газопроводов в процессе длительной эксплуатации. Сказанное является характерным для газопроводов, перекачиваемая среда в которых способствует этому процессу.
Трубопроводы систем газораспределения и газопотребления по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого, процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным нефтепроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения.
Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов по выявлению причин, создающих условия для замедленного разрушения и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.
Ухудшение физического состояния металла исследовали на газопроводах предприятия «Уфагаз» филиала ОАО «Газ-Сервис».
На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС.
10 Экспериментальные исследования по выявлению потери механических
свойств металла проводили на специально сконструированных установках в Институте проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР, г. Уфа), электронную микроскопию образцов выполняли на оборудовании Института проблем сверхпластичности Российской академии наук (г. Уфа).
Образцы изготавливали из металлов труб (катушек), которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий.
Для восстановления исходных свойств металла применяли метод термической обработки образцов в виде отжига при температуре 600С в течение одного часа. Сопоставлением свойств отожженных образцов со свойствами длительно эксплуатированного металла определяли количественное изменение прочностно-пластических свойств в зависимости от продолжительности нагру-жения.
Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным изменениям тонкой структуры металла, обуславливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких в первую очередь отнесли деформационное старение и усталость металла труб.
В конечном счете, эти процессы у длительно эксплуатируемых газопроводов приводят к образованию охрупченных микрообластей, к созданию больших внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребеления.
Методом измерения расхождения берегов концентратора напряжений определяли потерю пластических свойств на образцах из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении, как городских газопроводов, так и магистральных нефтепроводов.
При длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшается, что непре-
менно должно учитываться при оценке промышленной безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с увеличением склонности стали 17ГС к замедленному разрушению.
Потеря пластичности стали при ее работе в подземных трубопроводах газораспределительных систем примерно в 2 раза меньше, чем в магистральных нефтепроводах, что можно объяснить редуцированным давлением транспортируемого газа.
Явление замедленного разрушения связано с временной зависимостью предела прочности. Сопротивление разрушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки. Это явление в основном исследовано на закаленных сталях, алюминиевых и титановых сплавах. Оно совершенно не изучено на деформационно-состаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации.
Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Образцы были изготовлены из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной стали 17ГС. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа. Образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях меньших предела текучести.
При длительной эксплуатации газопроводов происходят динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл деформируется и при изготовлении труб, и во время эксплуатации, деформируются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы деформационного старения, в результате которых образуются охрупченные границы зерен, т.е. создаются условия для замедленного разрушения металла. Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению.
12 Испытывали образцы из тех сталей, что и на замедленное разрушение.
Особенностью решаемой задачи явилось изучение факторов деформационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения.
Коррозионная среда значительно ускоряет процесс замедленного разрушения газопроводных труб, работающих в экстремальных условиях, а также будучи пластически деформированными.
Одним из факторов, вызывающих процесс замедленного разрушения в сталях является образование закалочных структур.
При определенных условиях в металле шва и зоне термического влияния газопроводных сталей, которые в основном состоят из углеродистых и низколегированных сталей, возможно образование мартенсита.
Образцы из углеродистой стали Сталь 20 после закалки испытывали на замедленное разрушение на той же установке рычажного типа.
Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разрушения деформационно-состаренных сталей по сравнению со сталями, имеющих в своем составе закалочные структуры.
Выполненные теоретические экспериментальные исследования позволили разработать методику расчетного определения времени замедленного разрушения применительно к металлу трубопроводов систем газораспределения и газопотребления.
Научная новизна выполненной работы: - установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старения; воздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящие к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающие энергию связи между кристаллическими зернами;
13 - разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного. Практическую ценность работы представляет разработанная методика позволяющая оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению, длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых трубопроводов, в частности газопроводов системы газораспределения и газоснабжения.
Преимущества использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых трубопроводов. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла. Методы определения времени замедленного разрушения с учетом потерь пластичности металла используются для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения - стальных подземных трубопроводов.
Личное участие автора в получении результатов диссертации. Для реализации поставленных цели и задач исследований проделал следующие виды работ:
- самостоятельно выполнил литературный обзор теоретического и экспериментального материала, касающихся явления замедленного разрушения металлов. Установленные на этой основе дислокационные и диффузионные механизмы замедленного разрушения использовал для теоретического обоснования и объяснения результатов экспериментальных исследований;
изучив условия длительной эксплуатации и нагружения трубопроводов систем газораспределения и газопотребления, установил неоспоримость факта проявления процессов замедленного разрушения;
подготовил образцы и провел эксперименты по выявлению влияния усталости и деформационного старения на прочностно-пластические свойства металла труб, а также коррозионной среды и закалочных структур на процесс замедленного разрушения;
разработал методику оценки времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами Республики Башкортостан на 2002-2004 годы, выполняемых Академией наук Республики Башкортостан «Нефтегазовый комплекс Башкортостана», «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии».
Основные научные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались:
на Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2004 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии и химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы -технологии - доходы» (Уфа, 2004 г.);
IV международной научно-технической конференции «Сварка, Контроль, Реновация - 2004» (Уфа, 2004 г.).
Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.
Статистика отказов и причин их возникновения на объектах трубопроводного транспорта
Можно предположить, что в повреждениях под названием «прочие причины» есть доля замедленного разрушения. Как следует из обзора литературы, на магистральных нефтепроводах явление замедленного разрушения считается неоспоримым фактом, и имеются конкретные исследования по определению последствий этого явления.
Приведенные в главе условия эксплуатации трубопроводов газораспределительных организаций свидетельствуют о том, что имеются все предпосылки для развития процессов замедленного разрушения, как и в магистральных нефтепроводах.
Как было отмечено выше, доля длительно эксплуатируемых газопроводов (более 40 лет) из года в год интенсивно возрастает. Деградационные изменения механических свойств при этом являются неоспоримым фактом.
Вывод из эксплуатации этих объектов не реален и не рационален, а продолжение дальнейшей безопасной эксплуатации связано с решением научно-технических задач, связанных с установлением динамики изменения механических свойств металла труб и сварных швов, за время длительной работы в специфических условиях, которыми является система газоснабжения в городах и поселках.
Лишь в последние годы начали появляться незначительные сведения о техническом состоянии магистральных и подземных городских газопроводов [30,62]. Как отмечено в [30], условия работы металла и сварного соединения газопровода специфичны и определяются следующими факторами, влияющими на их сопротивление разрушению: - металл труб практически работает в условиях двухосного напряженного состояния, когда действуют растягивающие компоненты напряжений; - в конструкции и сварных соединениях неизбежно наличие начальных технологических дефектов, развивающихся в процессе эксплуатации и определяющих надежность конструкции; - газопровода аккумулируют большое количество энергии перекачиваемого продукта, что может вызвать протяженные квазихрупкие или хрупкие разрушения, которые происходят в условиях высоких динамических нагрузок, кроме того, в трубопроводах накапливается энергия упругой деформации металла, что также осложняет условия работы металла. На основе сбора и обработки статистических данных по отказам магистрального газопровода «Тасс-Тумус-Якутск» в [30] построена гистограмма количества отказов, связанных с разрушением металла труб за весь период эксплуатации (рис. 1.10). Общую последовательность развития разрушения трубопровода можно представить следующим образом. В результате циклических температурных напряжений и колебания рабочего давления за время эксплуатации трубопровода около дефектов (поры, непровар, шлаковые включения и т.д.) накапливаются повреждения, которые служат зародышем магистральной трещины. В процессе эксплуатации с образованием сквозной трещины-свища происходит хрупкое или квазихрупкое распространение трещины по металлу кольцевого сварного шва с последующим выходом в основной металл. Изломы разрушившихся труб сварных соединений, как правило, имеют хрупкое строение без видимых пластических деформаций с характерным для этого вида шевронным узором. Основным видом разрушения является отрыв, однако существуют и вязкие разрушения основного металла труб с незначительной утяжкой, при этом разрушение происходит в виде сдвига. Типичные для средней полосы России отказы газопроводов, вызванные развитием коррозии, для газопроводов, эксплуатирующихся в условиях Якутии, являются незначительными, что можно объяснить продолжительным периодом действия отрицательных температур. К тому же отрицательные температуры более благоприятны для подавления процессов замедленного разрушения. Ряд разрушений на магистральных газопроводах «первого поколения» показывает на усталостный вид развития трещин по основному металлу. Из-за старения металла труб существенно снижается сопротивляемость сварных соединений и основного металла хрупкому разрушению, происходит необратимое изменение механических свойств и характеристик трещиностой-кости. Данные разрушения впервые показали наличие протяженных усталостных трещин, образованных в результате многолетней эксплуатации, а также деформационное старение металла газопровода. Таким образом, состояние га-зопровода перешло в новую стадию, характеризующуюся старением металла. Следует отметить, что в настоящее время нормативные документы по безопасности надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве учитывающие эти факторы, отсутствуют. Имеется лишь инструкция по ди I агностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01), при определении остаточного ресурса базируются на фактических количественных значениях физико-механических свойствах металла и параметров напряженно-деформированного состояния. Определяющими параметрами для них приняты скорость коррозии, толщина стенки трубы и действующие механические напряжения (инициирующие развитие коррозии), позволяющие рассчитать допустимую толщину стенки. Старение металла - объективный процесс, и изменение свойств во времени присуще любому объекту, В качестве критериев здесь взяты пластичность (отношение предела текучести к временному сопротивлению, стт/ав) и ударная вязкость ан, которые используются для контроля за состоянием металлов в России и за рубежом. Поскольку исследования металла - относительно новая область для специалистов газораспределения, в указанном документе приведены кинетические зависимости и примеры расчета остаточного срока по ним. В период апробации вышеупомянутого документа ОАО «Гипрониигаз» с 2001 по 2002 г. было продиагностировано более 200 км газопроводов в разных регионах России [62]. Обобщенные результаты расчета остаточного срока службы газопроводов ; по четырем критериям РД 12-411-01 (пластичность, ударная вязкость, язвенная и фронтальная коррозия), характеризующим состояние металла, приведены на рис. 1.11. ОАО «Гипрониигаз» проводит практическое диагностирование и непрерывный мониторинг ситуации по накопленным данным. Продление срока службы осуществлялось по наименьшему сроку, определенному по ударной вязкости, - в 75% случаев, пластичности - в 14% случаев, язвенной коррозии -в 8% случаев.
Структурный механизм возникновения напряжений в стали, способствующее ее замедленному разрушению
Глава посвящена исследованиям основных факторов, приводящих к эволюции тонкой структуры металла, обуславливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких в первую очередь относятся процессы усталости и деформационное старение металла труб.
В конечном счете, процессы усталости и деформационного старения у длительно эксплуатируемых газопроводов приводят к образованию охрупчен-ных микрообластей, к созданию больших внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребления.
Имеются множество экспериментальных методов изучения влияния деформационного старения на механические свойства металла, как прямых, так и косвенных. Так, например, в работе [16] для определения степени пластичности металла магистральных нефтепроводов применен метод измерения стрелы прогиба образцов при изгибе. Для определения остаточной пластичности в работе выбрали метод расхождения берегов концентратора напряжений (рис. 3.1). Установка состоит из двух опорных призм, расположенных друг от друга на расстоянии / = 50 мм. На эти призмы ложится испытываемый образец с концентратором напряжений в его верхней части. Сверху на образец давят две призмы, расстояние между которыми составляет L = 120 мм. На призмы действует груз Q, который через рычажную систему и призмы осуществляет изгиб образца. Образцы изготовили из исследуемых металлов труб. Размеры образцов 140x12x8, а размеры концентратора - ширина 7 мм, глубина 4 мм (см. рис. 3.2). Один конец нити с помощью клея БФ-6 заклеен к образцу у одного из берегов, а другой конец слегка задевает край другого берега. С помощью специального держателя Лупа Ли-2-8х устанавливается над берегом, где конец кварцевой нити находится незакрепленным. Когда происходит нагружение образца, края берегов" концентратора расходятся. Измерение расхождения берегов концентратора напряжений производилось с помощью лупы Ли-2-8х (ГОСТ 25706) и кварцевой нити диаметром 0,5 мм. Точность измерения лупой Ли-2-8х после каждого конкретного нагружения составляет 0,1 мм. Метод расхождения берегов концентратора для определения охрупченности металла труб имеет ряд преимуществ. В частности, в отличие от методов прогиба в этом методе образец изгибается в локальной области, т.е. у концентратора напряжений. Следовательно, возникает возможность изучить деформации этих областей. Тогда можно будет сопоставить закономерности расхождения берегов концентратора со степенями охрупченности исследуемых сталей газопроводов. Метод расхождения берегов концентратора напряжений, основанный на изгибе образцов, является более подходящим для исследования охрупчивания сталей, которое происходит при деформационном старении. Кроме того, изгиб относится, по сравнению с методом растяжения, к мягкому нагружению, в нем не происходят перекосы во время нагружения. С помощью метода изгиба, в частности путем измерения расхождения берегов, можно более точно установить охрупченное состояние металла. Исследования проводили на образцах из низколегированной кремнемар ганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении, как городских газопроводов, так и магистарльных трубопроводов. Образцы изготавливали из металлов труб, которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий на предприятии «Уфагаз» ОАО «Газ-Сервис». Для восстановления исходных свойств стали (без этого невозможно оценивать количественное изменение свойств во времени) при проведении экспериментов часть образцов подвергали рекристаллизационному обжигу. Такая термическая обработка эффективно снимает последствия деформационного старения. Отжиг часть образцов при 600С 1 час нужен был для снятия эффекта усталости и деформационного старения. Такой отжиг в большей степени (60-70%) восстанавливает исходное состояние состаренных в результате длительной эксплуатации металла газопроводов. Необходимость такого подхода диктуется тем, что практически невозможно найти этих исследуемых нами сталей, которые почти полвека тому назад были сварены. В результате отжига уменьшается количество дислокации, разрушаются ячеистые и клубковые структуры дислокации. Происходит при отжиге релаксация напряжений, залечивается субмикротрещины, происходит растворение, как показывают экспериментальные результаты, зародыши карбидных частиц и другие изменения, которые приводят металл в пластическое состояние. На это также показывают данные, полученные при испытании образцов на замедленное разрушение. Об этом будет сказано ниже. Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле где Кк и К0 - соответственно конечная и начальная длина расхождения берегов концентратора; Сд - коэффициент деформационного старения (для стали, эксплуатируемой приблизительно 36 лет, его значение в пределах 1,32-1,35). Коэффициент деформационного старения (Сд) для длительно (более 30 лет) эксплуатируемых трубопроводных сталей (типа 17ГС, 14ХНГ и др.) были определены с помощью разработанных в работе [72] методами.
Установление временных зависимостей сопротивлению разрушения деформационно-состаренных сталей
Газопроводы, соприкасаясь с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению. Особенно быстрое разрушение наблюдается у подземных газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает полной электропроводностью. Это делает их коррози-онно-активными электролитами по отношению к эксплуатируемым трубопроводам, что приводит их к электрической коррозии. Поэтому коррозионный фактор является основным при обеспечении эксплуатационной надежности [9].
Действие коррозионного фактора на несущую способность трубопроводов исследовано в многочисленных работах [2, 28, 31, 43, 45].
Особенностью настоящей работы является изучение влияния факторов деформационного старения и коррозионно-активных сред при их совместном действии на интенсивность процессов замедленного разрушения.
В литературных источниках подобные исследования не встречаются. Более того, некоторые авторы [12] замедленным разрушением называют разрушение системы, наступающее с течением времени при статической нагрузке ниже предела прочности без влияния относительно повышенной температуры и активных коррозионных сред.
Для коррозионных исследований специальные образцы (такие же как при испытаниях на определение времени замедленного разрушения) изготовляли из тех же марок сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и 17ГС. Часть образцов от каждой марки стали подвергали также отжигу при 600С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения. В качестве коррозирующей среды был использован классический 3% раствор NaCl. Harpyжение образцов осуществлялось на испытательной установке, имеющей рычажную системы. Особенностью испытания образцов на замедленное разрушение в коррозионной среде заключается в том, что условие нагружения образцов остаются такими же, что и без среды, т.е. на той же установке (см. рис. 3.4). Дополняются лишь капсулы, вырезанные их хирургических перчаток. Эти «пальчики» одеваются на образцы, и нижние концы их туго подвязываются, а сверху наливается раствор. Во время испытания по мере необходимости пополняются капсулы раствором. Параллельно проведенные исследования на воздухе при таких же нагрузках показали следующие результаты: СтЗ разрушилась через605 часов, Ст4 -через 635 часов, Сталь 20 - через 633 часа и 17ГС - через 860 часов. Как видно из полученных данных в среднем время замедленного разрушения образцов в коррозионной среде меньше на 15%, чем на воздухе. Влияние коррозионной среды на процесс замедленного действия объясняется теми же законами, что и коррозия под напряжением трубопроводных сталей [31]. Лишь скажем, что среда ослабевает межзеренную связь, адсорби-руясь по границам кристаллов. В большинстве практических случаев коррозия трубопроводов протекает преимущественно катодным процессом, обусловленным торможением «транспорта» кислорода к металлу. Для грунтовой коррозии металлов характерны следующие особенности: - возникновение и работа макрокоррозионных пар вследствие различия кислородной проницаемости отдельных участков грунта; - большое влияние омического сопротивления грунта в общем коррозионном процессе; - преимущественно язвенный характер коррозионных разрушений. Металлы надземных трубопроводов подвергаются атмосферной корро зии. Основным фактором, определяющим механизм и скорость атмосферной коррозии, является степень увлажненности поверхности корродирующих ме таллов. Межкристаллический характер коррозионного растрескивания, наблюдаемый при его зарождении, во многом определяется состоянием металла на границах зерен, главным образом, определяемым распределением атомов углерода и кремния. В трубопроводных сталях углерод выделяется на границах зерен в растворенном виде или в виде карбидных частиц, в случае превышения его растворимости в феррите или в случае освобождения атомов углерода в результате распада цементита. Совместное влияние коррозионных сред и механических напряжений на коррозионное растрескивание металла труб в настоящее время объясняется действием трех различных механизмов: электрохимическим, сорбционным и адсорбционно-электрохимическим. На коррозионное растрескивание наиболее сильное влияние оказывает состояние поверхности металла трубы и наличие на поверхности концентраторов напряжений типа трещин. Независимо от механизма коррозионного повреждения несомненно, что большое влияние на коррозию оказывает состав коррозионно-активной среды. Скорость растворения (Vp) металла у вершины трещины можно вычислить с помощью уравнения Аррениуса мм/год где А - множитель, имеющий размерность скорости; Q - энергия активации процесса КРН, кал/моль; R - универсальная газовая постоянная, кал/моль-К; Т - абсолютная температура, К. Коррозия под напряжением является длительным процессом. Существует своеобразный инкубационный период разрушения не менее 5 лет, связанный с зарождением и развитием коррозионно-механических трещин [2]. В работе [28] отмечено, что имеется отличие твердости металла, примыкающего к трещинам, от твердости металла вдали от них. Это объясняется локальным охрупчиванием примыкающих к трещинам зон металла при их зарождении и развитии.
Скорость коррозии металла значительно увеличивается при переходе напряжений из упругой области в пластическую. Это объясняется тем, что напряжения, превышающие предел текучести (это структурно неоднородные области), могут способствовать образованию локальных активных участков на поверхности трубы и тем самым, повышать его склонность к коррозионному растрескиванию.
Уравнение для определения времени замедленного разрушения де-формационно-состаренных сталей
Как видно из приведенных данных в таблицах 4.1 и 4.2 времени замедленного разрушения, полученные расчетным путем вполне сопоставимы с данными эксперимента.
Данная методика может быть использована для оценки склонности металла труб к замедленному разрушению длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых трубопроводов, в частности газопроводов системы газораспределения и газоснабжения. Преимущество использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла труб эксплуатируемых трубопроводов.
Для этого необходимо испытывать до разрушения несколько образцов исследуемого металла на разрывной машине и определить значения предела текучести (стт = а0) и истинного напряжения разрушения металла трубы ( тк). Значения постоянных для длительно эксплуатируемых трубопроводных (нефтегазопроводных) сталей известны (п = 2 и А = 1,12-10" ). Подставляя эти значения в формулу (4.4) можно вычислить (оценить) время замедленного разрушения металла трубы испытывающее длительное действие статических нагрузок.
Полученные данные еще раз показывают, что при длительной эксплуатат ции газопроводов происходит в результате усталости и деформационного старения накопление внутренней энергии, которая увеличивает склонности металла труб к замедленному разрушению.
Замедленное разрушение металла труб в длительно эксплуатируемых трубопроводах происходит в результате накопления необходимых микропластических повреждений в структурно неоднородных областях (границы кристаллических зерен, окрестности дефектов и т.п.), где более интенсивно протекают процессы усталости и старения, где происходит накопление внутренней энергии.. Разработанная методика позволяет аналитическо-экспериментальным методом определить время замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов.
Преимущество использования данной методики заключается в том, что, не проводя продолжительные испытания (порядка 20-30 суток), можно оценить время замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов. Для этого необходимо порвать несколько образцов исследуемого металла на разрывной машине и определить зна . чение предела текучести и критического (истинного) напряжения разруг шения металла трубы. Подставляя затем значения этих параметров, п и А, можно вычислить (оценить) время замедленного разрушения металла трубы, находившегося продолжительно под статическими нагрузками. 1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации. Подвергаются длительному воздействию постоянной статической нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают циклические нагружения, могут иметь место локальные концентраторы напряжений, а также закаленные участки зоны термического влияния сварных швов. Условия длительной эксплуатации создают предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения металла труб. 2. При длительной эксплуатации газопроводов происходят существенные структурные изменения, вызванные усталостными явлениями и деформационным старением металла труб, обуславливающие в дальнейшем развития процессов замедленного разрушения. Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет увеличения дислокации и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковой; образования изгибных контуров как результат скопления дислокации одного знака; образования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла. 3. Исследования образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхождения берегов концентратора напряжений показали потерю пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 8-10%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию больших внутренних напряжений. 4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопротивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незначительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении. 5. Коррозионная среда ускоряет процесс замедленного разрушения деформа-ционно-состаренного металла газопроводных труб. Время замедленного разрушения образцов, изготовленных из тех же сталей, в коррозионной среде меньше, чем на воздухе. 6. Обнаружена разница в замедленном разрушении стали, имеющего в составе закалочные структуры. При статических нагрузках, создающих напряжения близких к пределу текучести, разрушение закаленных образцов происходит быстрее, а при низких напряжениях, наоборот, разрушение наступает после длительного времени. Это объясняется быстрым распадом мартенсита, а остаточный аустенит не создает дополнительные внутренние напряжения. 7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального определения времени замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика рекомендуется для прогнозирования возможности безопасного срока дальнейшей эксплуатации газораспределительных сетей, а также для объяснения причин отказов на этих объектах.
