Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время особое внимание уделяется безопасности и надежности систем магистральных нефтепроводов (МН) в связи с их важностью для экономики страны, большой протяженностью, значительной степенью состаренности металла труб при длительной эксплуатации.
Несмотря на большие достижения в области диагностики с применением таких современных снарядов, как Ультраскан WM, Ультраскан СД, магнитный дефектоскоп MFL и другие, все еще происходит значительное количество аварий на магистральных нефтепроводах. Это объясняется также тем, что имеется множество трубопроводов (технологических, телескопически соединенных, с внутренней подкладкой на сварных швах и т.п.), для которых нельзя применять внутритрубную диагностику. Кроме того, внутритрубные снаряды не могут обнаружить микротрещины, микродефекты, локально охрупченные области, которые также являются концентраторами напряжений, т.е. источниками возникновения трещин, особенно при длительной эксплуатации МН.
Действующие МН находятся в сложнонапряженном состоянии: под циклической, вернее, повторно-статической и статической нагрузками. Известно, что если рабочее давление в трубопроводе порядка 50 атмосфер, то в стенке трубы напряжение доходит до 180…200 МПа, а в структурно-неод-нородных областях (границы зёрен, окрестности дефектов и т.п.) металла труб напряжение доходит до предела текучести и выше. В этих областях более интенсивно протекают процессы усталости и деформационного старения.
Известно, что процессы усталости и деформационного старения металла труб длительно эксплуатируемых МН сопровождаются упрочнением и охрупчиванием структурно-неоднородных областей. Следовательно, эти локальные области являются результатом повторно-статического нагружения металла труб, там концентрируются напряжения. Релаксация этих напряжений, вероятно, и является причиной образования микротрещин. Поэтому установление структурного механизма возникновения микротрещин, влияния их на трещиностойкость металла труб и на уменьшение его сопротивления коррозии является актуальной задачей обеспечения надежности нефтепроводного транспорта.
Цель работы - повышение эффективности методов обеспечения промышленной безопасности длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов.
Основные задачи работы:
разработать методы определения зависимости снижения трещиностойкости и сопротивляемости коррозии металла труб длительно эксплуатируемых МН;
исследовать изменения микроструктуры металла, приводящие к локализации напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
определить степень старения металла выбранных для исследования труб (сталей 17ГС, 19Г, 14ГН) путем определения изменения нерасчетных параметров (Sk, , , КС, Сд и тр) и коэффициента деформационного старения;
исследовать структурную природу образования микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
оценить влияние возникших при эксплуатации МН микротрещин на сопротивляемость трещиностойкости и коррозии металла труб.
Методы решения поставленных задач
Основой для решения поставленных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых: В.К. Бабича, А.Г. Гумерова,
А.П. Гусенькова, В.С. Ивановой, Н.А. Махутова, Р.С. Зайнуллина,
В.Г. Лютцау, К.М. Ямалеева, К.М. Гумерова, А.Х. Коттрелла,
Л.Ф. Коффила, Е. Орована и других. Кроме того, в работе использованы результаты обследования аварийных ситуаций, данные о характере разрушения металла труб. Для исследования изменения тонкой структуры металла труб в процессе длительной эксплуатации МН использованы металлографические, рентгеновские методы. В работе также использованы теоретические методы решения задач о напряженном состоянии локальных, структурно-неоднородных областей металла труб, результаты исследования образцов состаренных труб.
Научная новизна
-
Созданы научно-методические основы снижения аварийности путем определения физического состояния металла (трещиностойкости и сопротивления коррозии).
-
Определены степень распада цементита и количество атомов углерода, зашедших в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки -Fe.
-
Дана оценка состояния металла длительно (30 лет и более) эксплуатированных в условиях трассы труб, изготовленных из сталей 17ГС, 19Г и 14ГН, методами определения нерасчетных параметров (Sk, тр, Сд, , , КС).
-
Обоснован механизм образования дислокационных структур, их эволюции, а также образования и роста зародышей новых карбидных частиц, приводящих к локализации внутренних напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН, релаксация которых приводит к образованию микротрещин как одного из факторов, приводящих к аварийности длительно эксплуатируемых МН.
-
Исследованы структурные механизмы образования и роста микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, а также их влияние на трещиностойкость металла труб и сопротивляемость его коррозии.
На защиту выносятся:
методы определения зависимости снижения трещиностойкости и сопротивляемости коррозии металла труб длительно эксплуатируемых МН;
результаты исследования изменения микроструктуры металла, приводящие к локализации напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
формула определения степени старения металла выбранных для исследования труб (сталей 17ГС, 19Г, 14ГН) в зависимости от изменения нерасчетных параметров (Sk, , , КС, Сд и тр) и коэффициента деформационного старения;
механизм образования микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
зависимость влияния возникших при эксплуатации МН микротрещин на сопротивляемость трещиностойкости и коррозии металла труб.
Практическая ценность результатов работы
Установленные в работе структурные механизмы образования и роста микротрещин позволяют оценить степень снижения трещиностойкости металла труб и его сопротивляемости коррозии, а также более точнее определить остаточный ресурс длительно эксплуатируемых МН с целью предотвращения разрушения металла.
Экспериментальные данные, полученные в работе при исследовании закономерности снижения трещиностойкости металла труб длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, являются научным обоснованием принципов и способов обеспечения промышленной безопасности путем снижения аварийности на нефтепроводном транспорте.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях по проблемам и методам обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта, в том числе на:
семинаре в рамках Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, февраль 2008 г.);
научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, май 2008 г.);
научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, май 2009 г.);
семинаре «Остаточный ресурс нефтегазового оборудования» (Уфа, 2010 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в т.ч.
1 монография и 2 статьи в ведущем рецензируемом научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 126 наименований. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 39 рисунков, 16 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам
ГУП «ИПТЭР» за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.
