Введение к работе
Трубопроводный транспорт является одним из самых экономичных опособов передачи жидких и газообразных продуктов на дальние раостояішя. Несмотря на кажущуюся простоту, оболочковые конструкции, к которым относятся и трубопроводи, испытывают в процессе эксплуатации всю гамму видов кагружения, воздействие всех типов коррозионноактивпнх сред в широком диапазоне положительных и отрицательных (до -60С) температур.
Газон8фтэпроводы представляют собой исключительно металло-ешсиэ конструкции,на изготовление н ремонт которых расходуется 2...3 мян. тонн отали в год. Основной объем представлен сварными конструкциями из сталей фэррито-перлитного класса низкой и средней прочности.
Трубопроводные оиотемы относятся к конструкциям, расчетный срок эксплуатации которых определяется десятилетиями, что предъявляет высокие трабоваїшя к надежности. Каадое аварийное разрушение продуктопрозода, кроме больших материальных затрат,несет за собой экологические катаклизмы.
Актуальность проблеми,. Из динамики разрушения трубопроводных систем нефтегазодобывающего комплекса видно, что после 12... ...15 дет эксплуатации начинается устойчивый роот потока отказов. Причем, более чом в 4 раза увеличилось число разрушений в зоне концентраторов напряжений типа сварной шов. Анализ показал отсутствие дефектов технологии изготовлении сварных швов и коррозион-но-моханических разрушений. В таких случаях можно говорить об "усталости" металла в зоне концентраторов напряжений при данных условиях эксплуатации. Разрыхление металла онизило его трищино-стойкость и создало условия для формирования и развития магиот-ральной трещины.
Возможность регистрировать деградацию материала в локальных объемах в процессе эксплуатации конструкции и связывать с параметрами' сопротивляемости разрушению (особенно для сварных узлов ввиду термодеформационного воздействия процесса сварки на моталл), позволила бы обосновать сроки профилактических осмотров, ремонтов и снизить поток аварийных отказов. Исследованию рассеянного усталостного повреадения посвящено большое количество работ. Трудно назвать накой-^либо физический метод оценки структуры металлов, который бы на обосновывался на изучении усталостного повреждения на стадии зарождения магистральной трещины. Однако нельзя
4 утверждать, -что эти методы дали возможность разработать систему инженерной экспресс-диагностики сварных конструкций, позволяющую надежно прогнозировать на основе измерений характеристик отруктурного состояния металлов степень иочерпания долговечности конструкцией.
Целью работы явилооь: на основе предложенного механизма формирования и развития повреждаемости (малых трещин) для двухфазных систем в поле напряжений П рода, разработать методы и средства диагностики сварных конструкций из феррито-дерлитных ота-лей о учетом условий эксплуатации.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
предложить механистическую модель формирования и развития повревденвосги (малых трещин) в поле напряжений П рода на примера двухфазных сталей}
установить связь мззду физико-ыэхакичесними характеристиками элементов структуры и параметрами разрушения фаррито-пер-литных сталей и их сварных соединений;
установить особенности зарождения и развития разрушения
в плакированных ауотенитными сплавами оболочковых оварных конструкциях из феррнто-перлигных сталей;
- предложить метода и средства диагностики состояния метал
ла конструкций с учетом условий эксплуатации на примере сварных
трубопроводов.
Методы исследования, применяемые в данной работе, включают в себя измерения остаточных сварочных напряжений и деформаций в натурных сварных узлах и образцах методом тензометрирования; определение порогового коэффициента ..интенсивности., напряжений Ktft на модельных образцах методом теневых фигур по Маногіу; повторно-статические и низкочастотные испытания сварных узлов и крупногабаритных образцов с острыми поверхностными концентраторами напряжений при различных отрицательных температурах климатического диапазона (до -60С); статические испытания образцов в среде //АСЕ; замеры микротвердости при различных температурах; методы математико-статиетическото моделирования; результаты обрабатывались методами математической статистики.
Научная новдзвд работы заключается в установлении ведущего механизма протекания локальных упруго-пластичеоких деформаций в двухфазных объемах, т.е. формирования параметров петли пласти-
чсского гистерезиса її влияния на шх разности фиоико-ітехапнчес-ких характеристик элементов деформируемой системы. Процессы локального пластического деформирования в поле напрязеїтй II рода для двухфазных сталой определяет инкубационный период формирования магистральной трещины и характер ее дальнейшего развития — модель объемной схеш формирования и развития повреядешгасти. Разница о фнзико-механичоеких характеристиках слоев металла (Мо) пзред фронтом развивающейся полуоллиптической трещины в поле напряжений I рода контролирует ее коэффициент формы «І20, (гд-е & " глубина, 2С - ширина трещины) и величину коэффициента интенсив-пости папрггеиий (fflffl) d концах палой оси — модель линейной схема развития магистральной трещины. Превышение показателя твер-достп зішзчешгй на 29...32^ над показателями твердости матрицы з образцах типа двойной консольной балки (ДКБ) приводило к сла-гепиэ порогового НИН Kth почти в 4 раза. Повышение твердости на-углеро~енкых слеоз аустенитной наплавки на 70...90% в сварном узле из плакирогагаюй стали 22К + Св08Х19Н10Г2Б толщиной 25iaj (сталь 22К - 2С:."л), при развитии разрушения от поверхностного концентратора напрязений з аустснимем слое, снизало цпиличес-куо долговечность на воздухо почти в 2 раза.
Для феррито-порлитннх сталей и их сварных соединений установлено наличие низкотемпературного интервала хрупкости (Н-ТИХ), характеризуемого резким повышением микротвердости одной из составляющих (перлитной) над другой (ферритиой) обусловленной еа объемным деформированием з этом диапазоне температур из-за опз-реващей низкотемпературной усадки. При прохозденяи этого интервала в сторону снижения или говшения температуры микротр^рдость перлитной составлявшей падает и соотношение мезду твердостями ферритной и перлитной составляющими сохраняется во всем диапазоне климатических температур (до -60С).
Показано, что в Н-ТЙХ сопротивляемость разрусеюш сталей данного, структурного класса и их сварных соединений падает. Для стали 09Г2С критический размер трещины уменьшается почти і 405», скорость подрастания усталостной трещины увеличивается в 2,0... 2,2 раза, для стали Юсп на 7.,.9 и 27...338 соответственно. После прохондения Н-ТИХ в сторону погашения или повышения температур сопротивляемость разрушенив востанавливается и дальнейшв изменения характеристик трещиноетойкости от температуры проходят по известным закономерностям.
Установлено, что при эксплуатации сталей феррито-перлитного класса в водородосодержащих средах и возможности периодически проходить через Н-ТИХ в область положительных температур, меняется механизм разрушения от вязкого и квазихрупкого к хрупкому, т.к. при восгановлении диффузионной подвижности водорода в элементах структуры, объемно деформированных в Н-ТЙХ, реализуется принцип суперпозиций выраженный в увеличении на порядки плотности дислокаций по сравнению с дислокационной плотностью элементарных объемов сталей данного структурного класса не деформированных в Н-ТИХ. Причем, степень перехода от одного механизма разрушения к другому зависит от количества термоциклов. При разрушении на воздухе образцов из стали 20 посла 720 часов видержім в среде /fACE при нагрузке 0,9^ и наложении термоциялировагаш в климатическом диапазоне температур (»I6CtS-50C ) значения 6L_ падали на 30...3Й4, 6Т на 27...36?*, С?5 в 2,4...12,8 раза, Y в 4,0...4,3 раза по сравнению с образцами, выдерганными в среде /fACE без налохения гермоциклирования.
Для феррито-перлитных сталей плакированных аустенитныш спла вами и их сварных соединений показано, что развитие диффузионных процессов в зоне сплавления сталей различных структурних классов увеличивает ширину замкнутой петли пластического гистерезиса для данных объемов Us в поле напряжений I рода при переменном на-груаении, т.е. возрастает пластическая деформация за цикл. Это снижает инкубационный период зарождения разрушения в Me зоны сплавления; падает усилие оцепления слоев; при развитии поверхностной трещины, особенно от концентратора напряжений в плакирующем слое, проявляется аффект "туннелирования", т.е. преимущественного продвижения фронта трещины по Me разделительной зоны.
Практическая ценность работы. Разработаны методики и оборудование, позволяйте оценить работоспособность сварных узлов при различных температурах на воздухе и в коррозионноактивных средах; провести ранЕировку материалов и технологий изготовления конструкций, эксплуатируемых в районах с низкими климатическими температурами, ускорить и повысить их достоверность. Методики и оборудование защищены тремя авторскими свидетельствами. В частности, обоснована замена цельнотянутых труб 0 57мм из стали типа 09Г2С импортной поставки на длиномерше прямошовные трубы 0 57ым из стали Юсп. (длина трубы в катушке 800 метров) для метанолоп-роводов в районах Крайнего Севера.
7 Црадлоглн ко год оцонкя качества било галлов на осново опрэдо-лэнпя уоплпя обрыва слоэв п стопзші развития диффузионных процоо-соз в зоно ошшланяя сгалхзй различного отрукгурного іслаоса. Разработана технология снтюшя остаточных сварочных папрлгэняй в
Ї.ЮНТаЯПНХ СТШШХ Трубопроводов С ТОЛЩИНОЙ 0Т9ШШ бОЛОЭ 36 ММ из
6їя"оїпялов форриго-лорлиию-ауотенатаого класса вьтасто ранее прп-копяомото високого отпуска.
Розульгагы работы полокоїш в основу технологии изготовления агшаратоз о толщиной огенкп до 50 гал из разработанного внсокопроч-ного биметалла І5Г2С^-0аП8НІ0Т (ІШЄЇЇІОТ), обладавшего баявшей даштольной прочноотьэ прл температурах эксплуатации до 450С н позволившого значительно сшиихь металлоемкость конструкций.
Разработан иэтод з оборудование экопросо-даагностшш сварных узлоэ из фэррнто-лорлитных отелей на базо процооса шгороадаалпва-ния. Замор ишфотвардоотн водотся на повархностп конструкции а зонах конструктивних и технологических концентраторов напрягэний разработанпнм порэиоошш гакротвордомэром. Рэгиотрнруогоя раз-пооть иодцу значонпяст обработанного иасовва загаров шщютвор-дооти для кэталла данного объекта о процесса его эксплуатации и эталонного образца из той ао стали. Для эталона форшруется баше даишх, в который включаются характеристики рабогоспособиоотп при различные условиях нагругэния п эксплуатации.
Ешэпэрочисяовшэ иегодикп, оборудование, технологические решения, иэтод п оборудование экспресс-диагностики внедрены, на предприятиях аго:,?,<азіа, суддрома, хтадэпа, пэфтоыапа, на ноФга-гагодобизающих кошшэксах а дала экономический аффект 3200 тно. рубдэй в ценах до IS92 года.
Оотючшто.-ітолртчітоі. птаоспшгэ. т злїїптту.
1. Модель процессов локального пластического дефор?Я!рова-
ГСІ.Ч р поле напряжений II рода для феррято-перяитншг сталей и пх
евзрянх соединений с учетом условий эксплуатации - объеотая схо-
на формирования и развития поврездеиностн.
Модель развития полуэллиптической поверхностной трещи и в поле напряжений I рода для сталей ішеющих выраженный градиент изменений физико-механических характеристик слоев в направлении толщины - линейная схема развития магистральной трещины,
2. Метод экспресс-диагностики сварных конструкций из двух
фазных сталей и теоретическое обоснование использования в качест
ве инструмента диагностирования процесса микровдавливания.
-
Физическое обоснование низкотемпературного интервала хрупкости для феррито-перлитдах сталей в климатическом диапазоне температур (до -60С) и механизма водородной хрупкости сталей данного структурного класса при возможности периодически проходить через Н-ТЮС б область положительных температур при эксплуатации в водородосодеряшцих средах.
-
Методология повышения достоверности оценки коррозионно-механических характеристик материалов н сварных соединений при прогнозировании работоспособности конструкций нефтегазодобывающего комплекса.
-
Модель зарождения и развития коррозионно-ыеханического разрушения в феррито-перлигшк сталях плакированных аустеннтны-u.i коррозиоиносгойкими сплавами и их сварных соединениях.
-
Методика выбора и ранжировки материалов и технологий изготовления сварных конструкций для районов с низкими климатическими температурами.
Дїїробагоія паботн. По теме диссертации опубликовано 62 работ, в том тесло получало 7 авторские свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 4 іандддатокие диссертации. Наиболее вашша аолозюшія работы докладывались: на научно-технических со-шшарах Минэцергосгроя (Мосіша, 1979 г.), ЩИИШаш (Москва, 1980г.; шучно-гелшчоских конвенциях "Повышение качества и эф^октив-нооти сварочного производства на предприятиях г. Москвы" (1982, 1904, 1988 и 1991 гг.); Всесоюзних научно-технических совещаниях "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" (Сумы, 1982 и 1986 гг.); научно-црак-тичэскогл семинаре "Проблема коррозии сплавов и их сварных соединений" (ИЭС, Киев, IS9I г.); Ж региональной научно-технической конференции "Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири" (Новый Уренгой, 1991 г.); на 2-й Международной конференции "Контроль качества трубопроводов" (Москва, 1991 г.); на медпународной деловой встрече пЗурбодиагностика-92" (Ялта, 1992г.); на 1-м конгрессе ВАШ? "Защнта-92" (Москва, сентябрь, 1992 г.); на расширенном семинаре кафедры "Сварка и защита от коррозии" Государственной Академии нефти и газа им. И.М.Губкина" (Москва, 1993 г.).
Структура- и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии, приложения, содержит 227
9 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 12 таблиц, cmr- сок литературы из 274 наименований.