Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности коррозионно-механических разру- 9 шений сварных швов нефтегазопроводов
1.1 Причины и виды разрушений нефтепроводов 10
1.2 Факторы приводящий к охрупчиванию трубных сталей 16
1.2.1 Сварные соединение трубопроводов 17
1.3 Малоцикловая коррозионная усталость 21
1.4 Скорость роста трещины 28
1.4.1. Методы выявления усталостных трещин и наблюдения за их развитием. 29
1.4.2 Использование механики разрушения при изучении роста усталостных трещин и способы выражения результатов исследования 31
1.4.3 Связь скорости роста усталостных трещин с параметром интенсивности напряжений 35
1.5 Особенности коррозии сварных соединений 38
1.5.1 Структура зоны термического влияния 41
1.5.2 Распределение электродных потенциалов в сварных соединениях 43
1.5.3 Методы повышения коррозионной стойкости и коррозионно-механической прочности сварных соединений 44
2. Методы исследования 50
2.1 Макро- и микроструктурный анализ 50
2.2 Исследования механических свойств сварных соединений 51
2.2.1 Испытание на микротвердость и твердость 51
2.2.2 Испытание на растяжение 5 2
2.2.3 Испытание на сплющивание сварных соединений 54
2.3 Методики электрохимических исследований 55
2.4. Методика проведения механохимических исследований сварных соединений 58
2.5. Методика проведения малоцикловой коррозионной усталости 61
3. Результаты коррозионно-механических испыта ний сварных соединений 63
3.1 Объекты исследований 63
3.2 Результаты макро- и микроструктурного анализа сварных соединений 64
3.3. Результаты исследований механических свойств сварных соединений 70
3.3.1 Результаты измерения макро- и микротвердости 70
3.3.2 Результаты испытания на растяжение 73
3.3.3 Результаты испытаний на сплющивание 74
3.4 Электрохимические исследование 77
4. Результаты механохимических исследований сварных соединений 79
4.1. Испытания сварных швов на растяжение в коррозионной среде 79
4.2. Испытания на малоцикловую усталость сварных швов труб из стали Х70 82
4.3. Расчет остаточного ресурса объектов нефтегазовой отрасли, эксплуатируемых в условиях воздействия циклических нагрузок 89
Выводы 92
Список литературы 94
- Факторы приводящий к охрупчиванию трубных сталей
- Исследования механических свойств сварных соединений
- Испытания на малоцикловую усталость сварных швов труб из стали Х70
- Расчет остаточного ресурса объектов нефтегазовой отрасли, эксплуатируемых в условиях воздействия циклических нагрузок
Введение к работе
Нефтегазопроводы являются опасными производственными объектами. В процессе их длительной эксплуатации происходит старение металла, коррозия наружной и внутренней поверхности труб и, как следствие, их разрушения с экономическими и экологическими последствиями.
Трубопроводы в силу своего функционального назначения в условиях эксплуатации подвергаются одновременному воздействию статических и повторно-статических (малоцикловых) нагрузок от колебаний давления перекачиваемого продукта, температуры и других силовых воздействий при одновременном воздействии коррозионной среды, приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла.
Фундаментальные и прикладные исследования, проводимые в последние десятилетия в области физико-химической механики материалов, убедительно свидетельствуют о том, что надежность и долговечность трубопроводов в реальных условиях эксплуатации определяются не только качеством металла, но и спецификой самопроизвольных механоэлектрохимических процессов, которые возникают за счет формирования на их поверхности гетерогенности механических и электрохимических свойств металла при Одновременном воздействии агрессивных сред различной степени активности и механических напряжений. Такое сочетание внешних факторов может значительно ускорить механохимические разрушения трубопроводов, дойговеч-ность которых в этом случае определяется механохимической стойкостью их сварных соединений. В наибольшей степени к ним предрасположены участки поверхности труб, имеющие конструктивные элементы в виде концентраторов напряжений, среди которых, в первую очередь, следует выделить свар-ные соединения. Они имеют высокую электрохимическую гстероздкность, связанную с макро- и микроструктурной неоднородностью отдельных зон (металл шва, зона термического влияния и основной металл), неравномерным распределением остаточных напряжений в этих зонах, физической и геометрической концентрацией напряжений, зависящей от формы и размеров шва и
его дефектов. Поэтому, как показывает анализ аварийных разрушений металла труб, очагом зарождения трещин очень часто является сварной шов или зона термического влияния.
В связи с этим обеспечение промышленной безопасности линейной части трубопроводов нефтегазовой отрасли, продление срока их службы во многом определяется проблемой повышения коррозионно-механической прочности сварных соединений и находится в центре внимания эксплуатирующих организаций.
Целью работы является:
Повышение ресурса безопасной эксплуатации сварных соединений нефтегазопроводов за счет рационального выбора сварочных материалов производства России и Китая.
Для достижения поставленной цель в диссертации решались следующие задачи:
Исследование микроструктуры, определение твердости, микротвердости сварных соединений из сталей 10, 20 и 17Г1С.
Исследование коррозионной стойкости зон сварных соединений в 3 % растворе NaCl, выполненных электродами с рутиловым и основным видами покрытий производства России и КНР.
Изучение механохимической коррозии сварных швов при статическом растяжении.
Исследование циклической трещиностойкости и остаточного ресурса металла продольного сварного шва трубы, изготовленной из стали группы прочности Х70.
Методы исследований
Поставленные задачи решались путем проведения экспериментальных исследований физико-механических и электрохимических характеристик металла и определения малоцикловой коррозионно-усталостной долговечности сварных соединений. При этом были использованы стандартные методы определения механических свойств, микротвердости, макро- и микроструктуры
металла, а также оригинальные методики изучения коррозионных и механо-химических свойств сварных соединений.
На защиту выносятся результаты исследований механохимических свойств сварных соединений из стали 20, выполненных ручной электродуговой сваркой электродами производства России и Китая, а также характеристики циклической трещиностойкости сварного шва труб из стали Х70.
Научная новизна:
Исследованы особенности механохимического поведения металла сварных швов, выполненных электродами с рутиловым и основным покрытием производства России и КНР, позволяющие определять их скорость коррозии и ресурс в реальных условиях эксплуатации трубопроводов.
Получена аналитическая зависимость скорости роста усталостной трещины в металле сварного шва от коэффициента интенсивности напряжений, объединяющая стадии ее замедленного и стабильного роста, позволяющая рассчитывать с большей точностью остаточный ресурс оборудования, эксплуатируемого в условиях малоцикловой коррозионной усталости.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Результаты исследований позволяют повысить стойкость сварных соединений нефтегагопроводов в условиях механохимической коррозии и, соответственно, безопасность их эксплуатации.
Апробация работы
Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: III конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2001 г.); VI международной научно-технической конференции (Уфа, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 2002 г.); 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2002 г.); 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2003 г.); II Всероссийской учебно-научно-методической конференции «Реализации государствен-
ных образовательных стандартов при подготовке инженеров - механиков: проблемы и перспективы» (Уфа, 2003 г.); IV конгрессе нефтегазопромыш-ленников России (Уфа, 2003 г.); II Международной научно технической конференции (Уфа, 2004 г.).
Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов и рекомендаций, содержит 103 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 30 рисунков, библиографический список использованной литературы из 104 наименований.
Основное содержание работы
В первой главе на основе работ ИХ. Абдуллина, Э.М. Гутмана, А.Г. Гумерова, А.Г. Гареева, Р.С. Зайнуллина, О.М. Иванцова, О.И. Стеклова, М.Ф. Фокина и др. рассмотрены и проанализированы проблемы надежности и коррозионно-механической прочности сварных соединений трубопроводов, а также вопросы, связанные с аварийными разрушениями линейной части магистральных нефтепроводов.
Во второй главе приведены стандартные и оригинальные методики проведения исследований. К ним относятся методы определения основных механических свойств металлов при испытаниях на растяжение и ударный изгиб; твердости и микротвердости; исследования малоцикловой коррозионной усталости; макро- и микроструктурного анализа; электрохимические и механохимические исследования.
В третьей главе приведены результаты исследований макро- и микроструктуры, механических свойств, макро- и микротвердости сварных соединений, а также определены значения скорости коррозии сварных соединений, выполненных электродами марок УОНИ 13/55(Б), МР-3(Р), Е4303, Е5015.
В четвертой главе приведены результаты: механохимических исследований сварных швов из стали 20, полученных электродами марок УОНИ
13/55(Б), МР-3(Р), Е4303, Е5015; малоцикловой коррозионной усталости металла сварного шва стали Х70; трещиностойкости данного сварного шва и расчета его остаточного ресурса для безопасной эксплуатации нефтегазопроводов.
Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту Худякову Михаилу Александровичу как научному консультанту.
Факторы приводящий к охрупчиванию трубных сталей
В большинстве случаев разрушение металлов труб носит хрупкий характер, который присущ усталостным явлениям и старению металла.
Малоцикловое разрушение труб является весьма чувствительным к концентраторам напряжений, т. е. к дефектам металла (царапины, риски, коррозионные образования и т. д.). В области концентраторов напряжений в металле труб при обычном режиме работы могут возникать напряжения превышающие условный предел текучести. Происходят искажения кристаллической решетки в отдельных зернах. В этих областях протекают необратимые микропластические процессы: генерация новых дислокаций и вакансий, образование микропор, происходит слияние микротрещин - образование макротрещин, которые превращаются в магистральную трещину и приводят к отказу.
Процесс охрупчивания трубных сталей, который протекает в условиях эксплуатации, обусловлен, как правило, деформационным старением. Этот процесс протекает более интенсивно на участках с повышенным напряженным состоянием
Старение малоуглеродистых и низколегированных сталей происходит при повторно статических нагружениях в пластически деформируемых областях (в окрестности дефектов) металла происходит выделение атомов азота и углерода, а затем образование нитридов и карбидов. При дальнейшей деформации металла происходит дробление "сетки " нитридов и карбидов. По мере протекания деформационного старения все больше и больше число атомов азота и углерода перемещается к дислокациям, что способствует ох-рупчиванию стали. В результате происходят повышения прочности и твердости и снижения пластичности металла.
Охрупчивание металла труб в условиях эксплуатации происходит и за счет наводороживания при наличии конденсата с сероводородом внутри трубопровода и в процессе катодных реакций при электрохимической защите /3, 42/. 1.2Л Сварные соединения трубопроводов
Ежегодно при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов в РФ сваривается свыше 1 млн. стыков, или 3,5 тыс. км сварного шва. При изготовлении труб и строительстве трубопроводов применяются сварка под флюсом, ручная электродуговая сварка, в среде защитных газов, порошковой проволокой, а также электроконтактная сварка /9, 49, 61/. Как было сказано ранее, аварии при эксплуатации магистральных трубопроводов из-за разрушения монтажных сварных стыков занимают второе место после аварий, вызванных коррозией.
Несмотря на общий прогресс сварочного дела, еще бывают случаи брака при сварке. В сварных соединениях встречаются дефекты в виде непрова-ров, шлаковых включений, трещин, и др. (рисунок 1.3).
Основные требования, которым должны удовлетворять сварные соединения, следующие /20/: отсутствие внутренних дефектов, трещин, превышающих критическую длину, которая зависит от расчетных характеристик трубопровода (диаметр, рабочее давление) и вязкости материала; металл не должен являться очагом зарождения трещин, трещин типа расслоений и т. д., при наличии допускаемых действующими нормами концентраторов напряжений - непровары, поры, шлаковые включения - металл должен обладать соответствующими характеристиками вязкости.
Монтажный сварной шов является более вероятным источником дефектов, и возникшая трещина легко может достигнуть критической длины, требуемой для начала разрушения.
Для трубопроводов характерны два типа нагружения /18, 19, 30/: статическое (однократное) и малоцикловое (повторно-статическое), обычно число циклов условно принимается 50000-100000. Разрушение при малоцикловом нагружении начинается в зонах концентрации напряжений с образованием усталостных трещин. Усталостное разрушение обычно происходит при пониженных напряжениях по сравнению со статическим
Исследования механических свойств сварных соединений
Определение твердости вдавливанием, является наиболее простым и распространенным видом механических испытаний материалов, заключающееся во вдавливании индентора (шарика, конуса, пирамиды) в испытуемый материал под действием нагрузки, действующей определенное время /13, 72, 75, 87/. Методика испытаний на микротвердость приведена в ГОСТ 9450-60. Индентором служит алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине между противоположными гранями 136. Точность её размеров регламентируется ГОСТ 9377-63. При определении микротвердости используют следующие нагрузки: 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 г. Испытуемая поверхность должна быть, сухой, гладкой, свободной от загрязнений, с радиусом не менее диагонали отпечатка. Измерения микротвердости проводились на приборе ПМТ-3 и нагрузкой 100 г (0,98 Н).
Длительность опускания индентора около 10-15 секунд, а время выдержки под нагрузкой не менее 5 секунд. Измерение диагоналей отпечатка проводили окуляр-микрометром. Числа микротвердости определяли по таблице, в зависимость от величины диагонали отпечатка.
Значение твердости отдельных зон сварных соединений определяли по методу Роквелла по шкале В. В качестве индентора использовался закаленный шарик диаметром 1,58 мм, нагрузка составляла 100 кгс.
Значения твердости по Роквеллу переводились в значения твердости по Бринеллю с использованием переводных таблиц /72/.
Испытание проводят на разрывной машине , соответствующей требованиям - надежное центрирование образца в захватах испытательной машины; - плавность нагружения образца в захватах испытательной машины; - скорость перемещения подвижного захвата не более 0,1 мм/мин до предела текучести, а за пределом текучести - не более 0,4 мм/мин. В результате испытаний снимается кривая растяжения (нагрузка-деформация) и определяются основные механические параметры трубных сталей: предел текучести стали, временное сопротивление, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва. Для испытаний образцов использовалась разрывная машина Р 5. Скорость нагружения образцов составляла 0,1 мм/мин. Испытание сварного соединения на статическое растяжение проводится в соответствии с ГОСТ 6996- 66. При испытании сварного соединения на статическое растяжение определяют: - прочность наиболее слабого участка сварного соединения; - прочность металла шва. - временное сопротивление наиболее слабого участка. Величина h зависит от размеров захватов разрывной машины и в данном случае составляет 40 мм. Утолщение шва должно быть снято механическим способом до уровня основного металла. При удалении утолщения разрешается снимать основной металл по всей поверхности образца на глубину до 15 % от толщины металла или диаметра стержня, но не более 4 мм. Удалении основного металла с поверхности образца производят только с той стороны , с которой снимают утолщение шва или имеется уступ. Строгать утолщение следует поперек шва . Острые кромки плоских плоских образцов должны быть закруглены радиусом не более 1,0 мм путем сглаживания напильником вдоль кромки. Разрешается строгать утолщение вдоль шва с последующим удалением рисок.
Для труб малого диаметра с продольными и поперечными сварными швами проводят испытания на сплющивание в соответствии с ГОСТ 6996 -66.
Для испытания брались образцы длиной равной наружному диаметру трубы с продольными и кольцевыми сварными швами. Сплющивались образцы под прессом с плавно нарастающей сжимающей нагрузкой до появления первой трещины на поверхности или до заданной величины просвета равного 4s (s - толщина стенки образца). Испытание проведены со скоростью не более 15 мм/мин
Испытания на малоцикловую усталость сварных швов труб из стали Х70
Анализ условий эксплуатации и характера разрушений ряда нефтегазовых объектов и, в частности, нефтепроводов показывает, что наряду со статической оборудование испытывает циклически изменяющуюся нагрузку, способную вызвать малоцикловую и малоцикловую коррозионную усталость (МКУ). В реальных условиях, например, применительно к нефтепроводам, их отдельные участки могут испытывать циклические нагружения (приблизительно один цикл в сутки), вызванные технологическими и эксплуатацион ными факторами. За срок службы нефтепровода число циклов нагружения может составить более 10 циклов.
Очагами зарождения усталостных трещин являются дефекты металла (задиры, расслоения, поры, царапины и т.д.), значения напряжений, в которых при нормальной эксплуатации могут превышать предел текучести стали. Степень влияния дефекта оценивается его размерами и радиусом при вершине /10, 82, 83/.
Вклад коррозионной среды в процесс зарождения и развития усталостной трещины определен не в полной мере. Коррозионная среда усугубляет явления повреждаемости и дополнительно сказывается как на долговечности, так и на пределах выносливости. Таким образом, коррозионная среда влияет на процессы инициирования и распространения трещин.
Результаты исследований сварных швов, вырезанных из электросварных труб группы прочности Х70 производства КНР и выполненных по методике, приведенной в разделе 2.5, показали, что склонность их к усталостному разрушению зависит от условий испытания. Наибольшей стойкостью к усталостному разрушению обладают образцы, испытанные на воздухе. Число циклов нагружения до разрушения образцов составило порядка 11800 циклов. Наибольшая скорость усталостного разрушения наблюдалась на образцах испытанных в 3% NaCl, что можно объяснить как расклинивающим действием коррозионной среды, так и проявлением механохимического и хемомеханического эффектов. Обычное снижение усталостной долговечности в коррозионных средах - в (2 - 2,5) раза. В нашем случае максимальная долговечность образцов составила порядка 6000 циклов. Вид коррозионно-усталостной трещины, развивавшейся от v - образного концентратора напряжений, приведен на рисунке 4.2.
По методике, приведенной в главе 2, получена зависимость длины усталостной трещины от числа циклов нагружения, которая показана на рисунке 4.3. Процесс роста усталостной трещины с момента ее зарождения после инкубационного периода до разрушения, наблюдаемый в проведенном эксперименте, разделяется на несколько стадий, различаемых по скорости роста и процессам проходящим в вершине усталостной трещины /39, 62/: I - стадия замедленного роста трещины при скоростях меньше 10"5 5-10" мм/цикл. Эта стадия характеризуется продвижением микротрещины вглубь металла перпендикулярно его внешней поверхности. На этой стадии происходит накопление обратимой повреждаемости в пределах отдельных зерен. В завершении первой стадии происходит изменение направления роста трещины (возможно появление ветвления), при этом скорость роста трещины заметно снижается. Возможна даже приостановка процесса роста трещины. При этом на графике зависимости глубина трещины от числа циклов может появиться горизонтальная ступенька. Процесс приостановки трещины характеризуется незначительной продолжительностью 100-500 циклов. II - стадия стабильного роста трещины при скоростях 10 5 - 5 10"6 v 10"3 мм/цикл протекает по механизму микроотрыва. При этом скорость про движения трещины по одной из ветвей становится более заметной, а дефор мации происходящие в вершине трещины во много раз превышают деформа ции основного металла вдали от нее. Скорость роста трещины заметно воз растает по сравнению с первой стадией. III - стадия ускоренного (нестабильного) роста трещины при скоростях v 10"3 мм/цикл. На этой стадии происходит механический долом - мгновен ный прорыв трещины до нижней образующей образца. Для анализа долговечности металлоконструкций в условиях малоцикловой коррозионной усталости на стадии развития трещин в настоящее время применяются методы механики разрушения, которые позволяют прогнозировать развитие трещины с момента ее зарождения и до стадии ускоренного роста /59/. Прогнозирование развития трещины на стадии ускоренного роста (III стадия) для эксплуатируемого нефтегазового оборудования не представляется возможным, т.к. срок службы конструкции с трещиной на этой стадии определяется всего несколькими сотнями циклов. Для анализа долговечности металлоконструкций в условиях малоцикловой коррозионной усталости на стадии развития трещин в настоящее время применяются методы механики разрушения, которые позволяют прогнозировать развитие трещины с момента ее зарождения и до стадии ускоренного роста. Прогнозирование развития трещины на стадии ускоренного роста (III стадия) для эксплуатируемого нефтегазового оборудования не представляется возможным, т.к. срок службы конструкции с трещиной на этой стадии определяется всего несколькими сотнями циклов.
Для расчета ресурса металлоконструкций, работающих в условиях малоцикловой усталости, в настоящее время используют методики, основанные на интегрировании зависимости
Расчет остаточного ресурса объектов нефтегазовой отрасли, эксплуатируемых в условиях воздействия циклических нагрузок
Проведенный нами статистический анализ показал, что для большинства проведенных экспериментов данная зависимость в большей степени выражается логарифмической функцией чем степенной. Подобные зависимости наблюдаемые ранее, объясняются влиянием коррозионной среды на процессы, происходящие в вершине коррозионно-усталостной трещины в низколегированных трубных сталях.
Скорость роста трещины возрастает только до определенного значения К затем наблюдается ее снижение. Такое поведение в росте трещины в зависимости от интенсивности напряжений влияет на развитие трещины в целом при действии коррозионной среды и условий поляризации.
Для условий проведенного в работе эксперимента была получена логарифмическая зависимость dL/dN от К в виде где р - единичный нормирующий множитель, 1/(МПа-м ). а и b - эмпирические коэффициенты, полученные регрессионным анализом.Условия эксперимента воздух -2Д6Е-08 1,59Е-07 4.3 Расчет остаточного ресурса объектов нефтегазовой отрасли эксплуатируемых в условиях воздействия циклических нагрузок Расчет остаточного ресурса проводился численным интегрированием выражения (4.4) или где Ікр - критическая глубина трещины, определяемая через толщину стенки металлоконструкции (8), как 1,ф = 0,7-8; 1„ач - начальная глубина трещины.
Интегрирование выражения 4.4 проводили с использованием ЭВМ. Интегрированием полученных уравнений определен остаточный ресурс трубопровода, выполненного из стали Х70, для выше перечисленных условий. Полученные графические зависимости количества циклов нагруже-ния от длины трещины и действующих напряжений на воздухе и в 3% NaCl приведены на рисунке 4.6 (а, б). Использование найденной эмпирической зависимости и ее параметров позволяет рассчитать ресурс безопасной эксплуатации нефтегазопроводов из стали Х70, имеющих различные дефекты в сварной шве
1. Выявлено распределение физико-механических свойств (микротвердость) и связанных с ними электрохимических свойств в сварных соединениях, полученных сварочными электродами производства РФ и КНР на сталях 10, 20 и 17Г1С, свидетельствующее о существенной гетерогенности контролируемых показателей по их зонам. 2. Установлено, что с увеличением в сталях содержания углерода и легирующих элементов наблюдается обоснованный с точки зрения механохи-мии металлов и сплавов рост скорости коррозии (сталь 10 - 0,17 мм/год, сталь 20 — 0,25 мм/год и сталь 17Г1С — 0,33 мм/год), связанный с повышением прочности сталей и снижением их термодинамической устойчивости. 3. Наиболее высокую коррозионную стойкость имеют сварные швы, выполненные электродами производства КНР марки Е4303, которая сравнима с коррозионной стойкостью швов, полученных электродами марки МР-3 производства России, что объясняется присутствием в составе покрытия двуокиси титана, соответствующим микролегированием металла шва и установленной в работе более однородной его микроструктурой. 4. Проведенными исследованиями установлено взаимосвязанное изменение растягивающих напряжений и электрохимических показателей в виде величин электродных потенциалов и плотностей анодного тока растворения в условиях одноосного механохимического нагружения в модельной среде 3% NaCl для сварных соединений, полученных различными сварочными материалами. При этом установлено, что по данным механохимических исследований электрод марки Е4303 обеспечивает наибольшую коррозионную стойкость сварного шва по токовому показателю среди сравниваемых сварочных электродов
