Работоспособность длительно эксплуатируемых газопроводов системы газоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 652.589:616-036.8:621.532.3

Работоспособность длительно эксплуатируемых газопроводов системы газоснабжения

Специальности 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Сандаков Виктор Александрович

Уфа 2009

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный консультант доктор технических наук, профессор Бакиев Ахмет Вахитович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович

доктор технических наук, профессор Березин Всеволод Леонидович

доктор технических наук, профессор Мустафин Фаниль Мухаметович

Ведущее предприятие - ОАО «Газ-Сервис», г. Уфа

Защита диссертации состоится _______2009 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан ____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Л.П. Худякова

газопровод ресурс сталь деградация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Газоснабжение, как и электро-, водоснабжение, является весьма необходимым атрибутом современной цивилизации.

Основной технической системой газоснабжения являются трубопроводные сети газораспределения и газопотребления. Далее в тексте автореферата под термином «газопроводы» подразумеваются трубопроводы подземного и надземного исполнений газораспределительных организаций. К настоящему времени их протяженность превышает 850 тысяч километров, что в 4 раза больше протяженности магистральных газо-, нефте- и нефтепродуктопроводов вместе взятых.

По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям: промышленным предприятиям, тепловым электростанциям, населению страны для обеспечения бытовым газом.

Распределение и потребление природного газа осуществляются с помощью городских, сельских и межпоселковых газопроводов. Условия эксплуатации, характер нагружения этих газопроводов существенно отличаются от магистральных.

Газификация городов России началась в 50-ых годах прошлого столетия, и к 2010 году протяженность газопроводов, отработавших 40 и более лет, приблизится к 22 тыс. километров.

Единовременный вывод из эксплуатации таких газопроводов и замена их на новые не реальны и не рациональны. Поэтому продление жизненного цикла «старых» трубопроводов, используя остаточный запас эксплуатационной и функциональной работоспособности, приобретает исключительно важное практическое значение. Работоспособность газопровода определяется состоянием, при котором в данный момент времени его эксплуатационные параметры (назначения и надежности) находятся в пределах, установленных технической документацией.

В неработоспособное состояние газопроводы могут перейти вследствие отказов, а предельное состояние наступает тогда, когда они не удовлетворяют эксплуатационным требованиям.

Причинами отказов являются в основном коррозионный износ и имеющиеся на стенках трубопроводов локальные дефекты различного происхождения, снижающие несущую способность трубопроводов, а также старение (ухудшение физического состояния) металла труб в процессе долговременного воздействия эксплуатационных нагрузок.

Перечисленные причины отказов, кроме последней, относятся к числу хорошо изученных. Разработаны методы обнаружения локальных дефектов и технологии восстановительного ремонта.

Раскрытие процессов и механизмов деградации свойств металла длительно эксплуатируемых газопроводов входит в число актуальных задач оценки работоспособности газопроводов и перехода их в неработоспособное состояние.

Выход из работоспособного состояния объектов систем газоснабжения может произойти также из-за воздействия природных факторов, например наведенных на газопровод токов от удара молнии. Появляется необходимость предотвращения подобных повреждений.

Совокупность перечисленных задач составляет предмет исследований решаемой проблемы по определению работоспособности длительно эксплуатируемых газопроводов системы газоснабжения.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в изучении закономерностей старения металла долговременно эксплуатировавшихся магистральных нефте- и газопроводов. Тем не менее, эта проблема приобретает все большее значение в связи с рядом научных и инженерных проблем.

На сегодняшний день можно считать общепризнанной концепцию о том, что процесс старения металла происходит, и это явление надо учитывать при определении безопасного ресурса эксплуатации трубопроводов. Эта точка зрения в восьмидесятых годах прошлого столетия была высказана учеными ВНИИСПТнефть (ныне ГУП «ИПТЭР», г. Уфа). В результате дальнейших исследований было установлено, что при длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов под действием циклических и статических нагрузок в металле происходят структурные изменения, сопровождающиеся упрочнением и охрупчиванием окрестностей локальных дефектов, структурно-неоднородных областей.

Применительно к системе газоснабжения, относящейся к опасным производственным объектам, подобные исследования практически отсутствуют. Поэтому проблема оценки работоспособного состояния технических систем газоснабжения и определения безопасных сроков их эксплуатации является весьма актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами Академии наук Республики Башкортостан:

- «Нефтегазовый комплекс и экология Республики Башкортостан» (2005-2007 гг.);

- «Интенсификация нефтегазоизвлечения трудноизвлекаемых запасов углеводородов, разработка и внедрение обновленных технологий и технических средств в нефтегазовых отраслях» (2006-2008 гг.);

- «Инновационные технологии, используемые при проведении геолого-разведочных работ, добыче, переработке полезных ископаемых в Республике Башкортостан» (2008-2010 гг.).

Цель работы установление безопасного ресурса длительно эксплуатируемых газопроводов и оценка их перехода в неработоспособное состояние.

Основные задачи работы:

· оценка деградации механических свойств углеродистых и низколегированных газопроводных сталей в процессе длительной эксплуатации;

· исследование изменений физического состояния (тонкой структуры) металла и определение причин и процессов, обусловливающих их;

· изучение структурной природы образования дополнительных напряжений и их влияния на строение границ между зернами различных фаз;

· разработка методики определения остаточного ресурса газопроводов с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла;

· разработка технического устройства для обеспечения взрыво- и пожарной безопасности объектов систем газоснабжения.

Методы решения поставленных задач

Для оценки изменения механических свойств металла наряду со стандартными использовались специальные более чувствительные методы испытаний, такие как расхождение берегов концентратора напряжений, длительные испытания образцов на установке рычажного типа. Несущую способность образцов определяли с помощью измерения истинного напряжения, соответствующего моменту разрушения, как структурно чувствительного параметра прочности.

Для определения изменений тонкой структуры металла применялись методы рентгеноструктурного анализа (метод прецизионных определений параметра решетки, методы определения напряжений по уширениям и смещениям интерференционных линий), методы электронной микроскопии, в том числе идентификации вновь образуемых фаз, методы фрактографии для изучения дефектов, трещин и изломов. Нами разработан специальный рентгеноструктурный метод для определения количества распавшегося цементита. 3D, «объемные», параметры деформационных рельефов определяли лазерным сканирующим микроскопом «LSM-5-Exciter».

Причины деградации физического состояния металла объяснены, основываясь на современных представлениях о структурном механизме деформационного старения, дислокациях и пластическом течении в кристаллах.

Научная новизна

1. Впервые установлено, что при длительной эксплуатации газопроводов деградация механических свойств металла связана со стадийным характером изменения его тонкой структуры. Вначале протекают процессы усталости и деформационного старения, приводящие к замедленному разрушению (постепенному снижению прочности при нормальных температурах). Происходят генерация дислокаций, образование линий и полос скольжения, распад цементита, уход атомов углерода в тетраэдрические пустоты объемно-центрированных кубических (ОЦК) решеток феррита, образование и рост зародышей новых карбидных частиц.

2. Показано, что замедленное разрушение металла труб происходит в результате ослабления сил межзеренных связей. Эволюция дислокационной структуры от сетчатой до клубковой, увеличение плотности дислокаций, скопление дислокаций одного знака приводят к деформации кристаллов и возникновению дополнительных напряжений в кристаллах. Скопление примесных атомов, образование зародышей новых карбидных фаз сопровождаются упрочнением границ зерен и окрестностей дефектов.

3. Обосновано снижение сопротивляемости деформационно-состаренных металлов труб газопроводов хрупкому разрушению и коррозии в результате локализации напряжений, обусловленных превращениями тонких структур, образованием охрупченных областей. Получена формула для определения интегрального коэффициента старения, характеризующего охрупчивание металла труб.

4. Установлены аналитические зависимости связи электрических параметров изолирующего сгона с его геометрическими размерами и диэлектрическими свойствами изоляционного материала.

Достоверность полученных результатов

Результаты исследования тонкой структуры и деградации механических свойств металла труб были получены на основе обширного экспериментального изучения образцов из углеродистых и низколегированных газопроводных сталей, прослуживших различные сроки.

Металлографические исследования проводились на всех структурных уровнях (макро-, мезо- и микро-) различными методами (цифровая макросъемка, оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, электронно-микроскопические, лазерно-сканирующие и энергодисперсионные исследования) в лабораториях ГУП «ИПТЭР» и Института проблем сверхпластичности металлов РАН.

Теоретические обобщения выполнены на основе полученных экспериментальных данных и использования известных положений ранее проведенных фундаментальных исследований.

Они хорошо согласуются с данными, полученными для магистральных нефтепроводов.

На защиту выносятся:

1. методики определения основных параметров, которые характеризуют деградацию механических свойств металла труб в зависимости от времени эксплуатации;

2. результаты исследования процессов усталости и деформационного старения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов;

3. результаты исследования замедленного разрушения металла деформационно-состаренных труб и роли межфазных границ в этих процессах;

4. структурная природа снижения истинного напряжения металла труб при длительной эксплуатации газопроводов, характеризующего ухудшение их реального физического состояния;

5. роль локализации напряжений, обусловленной превращениями тонкой структуры, в снижении способности металла труб сопротивляться хрупкому разрушению и коррозии;

6. методика определения остаточного ресурса газопроводов (сроков последующей безопасной эксплуатации);

7. зависимости электрических параметров изолирующего сгона от геометрических размеров его конструктивных элементов и диэлектрических свойств полимерных материалов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Установлены закономерности деградации механических свойств металла труб, подверженных длительному воздействию эксплуатационных нагрузок, которые использованы для расчетного прогнозирования безопасного ресурса работоспособности газопроводов.

2. Разработана методика определения количества распавшегося цементита в металле труб газопроводов для разных периодов эксплуатации. Установлены основные структурные изменения, уменьшающие трещиностойкость металла труб и его сопротивляемость коррозии.

3. Разработана методика определения остаточного ресурса газопроводов (времени последующей безопасной эксплуатации) с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла труб. Выполненные по этой методике расчеты показывают, что даже после длительной эксплуатации остается еще определенный безопасный ресурс работоспособности трубопроводов системы газоснабжения.

4. Изолирующий сгон, при установке которого на газопроводах обеспечивается защита объектов газоснабжения от прямых ударов молнии, ограничиваются блуждающие токи до безопасных значений, внедрен в ОАО «Газ-Сервис» (Республика Башкортостан). Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУП «БашНИИнефтемаш».

5. Результаты исследований положены в основу опубликованных монографий, использованы при разработке обучающихся программ, учебно-методических и нормативных материалов по обеспечению промышленной безопасности, используются в Инженерном центре «Техника» при подготовке руководителей предприятий и специалистов в области промышленной безопасности.

Апробация работы

Результаты научных исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на:

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» в рамках Международной специализированной выставки «Нефть. Газ. Технологии-2004» (Уфа, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (Уфа, 2004 г.);

- IV и V международных научно-технических конференциях «Сварка. Контроль. Реновация» (Уфа, 2004, 2005 гг.);

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2007 г.);

- международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008 г.);

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2008» (Уфа, 2008 г.).

Диссертационная работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании секции «Безопасность нефтегазохимического оборудования и трубопроводов» Ученого совета ГУП «ИПТЭР», протокол № 4 от 6 мая 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 50 научных трудах, в том числе в 7 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 13 монографиях и отдельных изданиях.

Личный вклад автора

Обосновал актуальность диссертационной работы, сформулировал задачи исследований. Автору принадлежат решение задач данной работы, обобщение результатов исследований, определение научной новизны и практической значимости. Руководил всеми этапами выполнения экспериментов, участвовал в их проведении и внедрении результатов в практику.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 107 наименований, и 4 приложений. Изложена на 241 странице машинописного текста, содержит 65 рисунков, 31 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна, практическая значимость. Определены защищаемые положения, отражен личный вклад автора в получение основных результатов.

В первой главе приведены сведения, связанные с особенностями газопроводов системы газоснабжения и работоспособностью длительно эксплуатируемых трубопроводов. С этой целью проведен анализ технического состояния трубопроводов, результатов их обследования и ранее проведенных исследований.

Описаны назначения газопроводов, их протяженность и разновидности, диапазон применяемых диаметров и толщин стенок труб.

Показана сложность условий эксплуатации газопроводов, проложенных в черте городов, обусловленная тем, что они соседствуют с электрифицированными железными дорогами, подземными коммуникациями различного назначения, могут пересекаться автомобильными и железными дорогами. Все это создает интенсивное поле блуждающих токов и колебания грунта, вызывающие циклическое нагружение. Имеют место повреждения объектов системы газоснабжения наведенными на газопровод токами от удара молнии.

Теоретические основы решения проблемы работоспособности и обеспечения безопасности эксплуатации магистрального трубопроводного транспорта отражены в трудах В.Л. Березина, О.И. Иванцова, О.И. Стеклова, Н.А. Махутова, Е.Н. Морозова, А.Г. Гумерова, А.В. Бакиева, Л.А. Ефименко, Р.С. Зайнуллина, Р.С. Гумерова, Г.П. Карзова, В.В. Харионовского и др. В них, в основном, рассматриваются локальные дефекты технологического, конструктивного и эксплуатационного происхождений: концентраторы напряжений; геометрические, механические и структурные неоднородности; коррозионные повреждения; трещины и несплошности различных видов. Методы оценки сроков последующей безопасной эксплуатации труб разработаны на базе всестороннего анализа напряженного состояния с учетом дефектов материала и сварных соединений, изменения конфигурации конструктивных элементов и свойств металла. Предложенные методы базируются на современных достижениях механики разрушения, механохимии металлов и на экспериментальных исследованиях.

Применительно к трубопроводным системам газоснабжения подобные исследования выполнены в работах А.С. Надршина и И.Г. Зубаилова. Показана динамика изменений со временем эксплуатации прочностно-пластических свойств и ударной вязкости основного металла и сварных соединений.

Естественно, разрушение наступает прежде всего на участках с локальными дефектами. Возможность их обнаружения при диагностировании и разработанные технологии ремонта позволяют продлить жизненный цикл, поддерживать работоспособное состояние трубопроводов, сроки службы которых превышают первоначально установленные (проектные).

При достижении объектом предельного состояния происходят исчерпание остаточного ресурса, переход его в неработоспособное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация не допустима. Применительно к трубопроводам этот момент определяется снижением механических свойств бездефектного тела трубы до уровня потери несущей способности.

Определенные успехи в раскрытии закономерностей деградации механических свойств металла магистральных нефтепроводов, подверженных действию различных долговременных постоянных нагрузок, достигнуты учеными ГУП «ИПТЭР» (К.М. Ямалеев, К.М. Гумеров) и других научных организаций.

Для трубопроводов системы газоснабжения подобные исследования практически отсутствуют, а без их проведения не представляются возможными установление безопасных сроков эксплуатации и расчетное прогнозирование остаточного ресурса.

Вторая глава посвящена оценке деградации механических свойств металла при длительной эксплуатации газопроводов.

Сложные условия эксплуатации, наличие локальных концентраторов напряжений и закаленных участков в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных швов создают предпосылки для ускорения деградационных изменений свойств металла. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности и несущей способности) становится первоочередной задачей.

Предварительно был выполнен анализ особенностей газопроводных сталей и условий их эксплуатации. При этом основное внимание было уделено тем сталям, трубопроводы из которых эксплуатируются 30…40 и более лет. Это углеродистые и низколегированные стали марок Ст3, Сталь 20, 17ГС, 14ГН и др.

Образцы изготавливались из неповрежденной стенки и дефектных участков металла трубы.

В экспериментах с целью снятия эффекта старения (имитации исходного состояния металла) проводили рекристаллизационный отжиг образцов при температуре 650 ^оС в течение 1 часа. Затем сравнивали свойства отожженного и состаренного образцов.

Динамику изменения объемных долей фаз, их размеров, микротвердости и показателей прочности и пластичности изучали на образцах, вырезанных из труб (Сталь 20), бывших в эксплуатации 22 года и 50 лет.

Изучение микроструктуры проводили с помощью TV-микроскопа «Axioverf-100A», измерение микротвердости по Виккерсу на прецизионной приставке «МНТ-10». Цифровая обработка выполнялась с помощью программного пакета анализа изображений «KS-300».

В процессе эксплуатации (от 22 до 50 лет) в металле труб доля перлита увеличилась на 9 %, соответственно на эту величину уменьшилась доля феррита, происходит заметное уменьшение размеров зерна феррита. В образцах после 50 лет эксплуатации произошло слияние зерен перлита, границы между ними четко не просматриваются. Наибольшее повышение микротвердости наблюдается на межфазной границе перлит - феррит.

Динамика изменения деформационного рельефа наглядно просматривается на снимках, выполненных лазерным сканирующим микроскопом «LSM-5-Exciter», в трехмерном изображении (рисунок 1).

а б

Рисунок 1 - Локальный профиль деформационного рельефа образцов, эксплуатировавшихся в течение 50 лет а) отожженный; б) состаренный

Исследования с помощью лазерного сканирующего микроскопа показали увеличение в процессе длительной эксплуатации основных параметров 3-мерного деформационного рельефа:

- средней высоты деформационного рельефа поверхности в пределах 30 %;

- относительного изменения площади деформационного рельефа поверхности до 1,9 раза;

- объема деформационного рельефа поверхности до 2,9 раза.

Лазерная сканирующая микроскопия показала, что для отожженных и неотожженных образцов разница в деформационном рельефе составляет порядка 74 мкм. Это может быть связано со сменой комбинированного характера разрушений в основном от локального хрупкопластичного к интегральному хрупкому по перлитным колониям.

Потерю пластичности металла определяли методом расхождения берегов концентратора напряжений, обладающим высокой чувствительностью.

Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле

, (1)

где К_к и К_о соответственно конечная и начальная величины расхождения берегов концентратора;

С_д коэффициент деформационного старения для стали 17 ГС, эксплуатируемой 30…46 лет; его значение находится в пределах 1,32…1,35.

Этот метод, основанный на изгибе образцов, позволяет более точно определять состояние охрупченности металла.

Исследования проводили на образцах прямоугольного сечения размерами 140x12x8 мм из низколегированной стали марки 17ГС при нагрузке Q = 1254,4 H.

Данные измерений (таблица 1) показывают, что с увеличением времени эксплуатации расхождение берегов концентратора напряжений уменьшается. За период эксплуатации 30…46 лет потеря пластичности металла составляет 8…10 %.



Таблица 1 Значения расхождения берегов концентратора в зависимости от срока эксплуатации газопровода (сталь 17 ГС)

Время эксплуатации, лет	Ко, мм	Кк, мм	-	П, %
30	7,05 7,03 7,07	7,05	7,70 7,50 7,30	7,50	0,45	8,43
46	6,50 6,80 6,20	6,50	6,81 6,79 6,77	6,79	0,29	6,02
46 + отжиг	7,14 7,12 7,10	7,12	8,50 8,20	8,30	1,18	16,57

С целью обнаружения снижения показателей прочности металла труб газопроводов были проведены длительные испытания образцов на специально сконструированной установке рычажного типа. Испытывали одновременно попарно два образца состаренный и отожженный - в совершенно одинаковых условиях, что позволило корректно сопоставлять значения времени до их разрушения (таблица 2).

Таблица 2 - Данные о времени до разрушения образцов на воздухе

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Предел текучести т, МПа	Напряжение испытания и, МПа	Время до разрушения, ч
17ГС	Отжиг при 650 оС, 1 ч 46 46	355 366 366	355 0,95т = 348 0,90т = 320	- 408 740
Ст 3	Отжиг при 650 оС, 1 ч 48 48	248 257 257	248 0,95т = 244 0,90т = 230	- 305 605
Сталь 20	Отжиг при 650 оС, 1 ч 40 40	259 268 268	259 0,95т = 254 0,90т = 241	- 307 633
14ГН	Отжиг при 650 оС, 1 ч 42 42	260 269 269	260 0,95т = 255 0,90т = 242	- 309 635



Образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести, сколь угодно долго, находясь под нагрузкой, а деформационно-состаренные разрушались при напряжениях, меньших предела текучести.

На основе обобщения результатов испытаний механических свойств металла газопроводов установлено, что в процессе длительной эксплуатации происходит повышение пределов прочности и текучести. Снижаются относительные удлинения и сужения, значения истинных напряжений и показатели ударной вязкости.

Фрактографическое исследование изломов показывает, что кромка разрыва образуется под прямым углом к оси образца, сам излом зернистый, кристаллический. Волокнистая часть излома незначительна.

Газопроводы подземные, соприкасаясь с грунтом, или надземные - с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному повреждению. Особенно быстро этот процесс протекает в подземных газопроводах, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Исследовано влияние длительного нагружения и коррозионной среды на процессы разрушения при их совместном действии.

Специальные образцы для исследования изготавливали из тех же сталей Ст3, 14ГН, Сталь 20 и 17ГС. В качестве коррозионно-активной среды был использован 3 %-ный раствор NaCl. Нагружение образцов осуществлялось на испытательной установке рычажного типа.

В таблице 3 приведены значения времени до разрушения образцов в коррозионной среде.



Таблица 3 - Значения времени до разрушения образцов в коррозионной среде

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Предел текучести т, МПа	Напряжение испытания и, МПа	Время до разрушения, ч
Ст3	48 + отжиг 48	248 257	248 (0,90…0,95)т	- 544
14ГН	42 + отжиг 42	260 269	260 (0,90…0,95) т	- 540
Сталь 20	40 + отжиг 40	259 268	259 (0,90…0,95) т	- 538
17ГС	46 + отжиг 46	355 366	355 (0,90…0,95) т	- 700

Параллельно проведенные на воздухе исследования при таких же нагрузках показали следующие результаты. Образцы из стали Ст3 разрушились через 605 часов, 14ГН через 635 часов, Стали 20 через 633 часа и 17ГС через 740 часов. Как видно из полученных данных, в среднем время до разрушения образцов в коррозионной среде на 15 % меньше, чем на воздухе.

Следовательно, коррозионная среда во всех исследованных случаях значительно ускоряет процесс разрушения металла газопроводных труб.

Снижение сопротивляемости металла труб усталости за счет концентрации напряжения (К) оценивалось через отношение предела усталости образца без концентрации к пределу усталости образца с концентрацией напряжений.

Показано, что коэффициент чувствительности q к надрезу определяется формулой

, (2)



где ? теоретический коэффициент концентрации напряжений, определяемый отношением максимальных напряжений к номинальным; для исследованных газопроводных сталей составляет от 0 до 1. Когда К = , то q = 1, и металл трубы максимально чувствителен к трещиноподобным дефектам.

Установлено, что параметр q зависит от напряженного состояния металла труб. Максимальное напряжение имеет место в вершине дефекта, где = 3,0…3,5.

Например, для стали 14ГН К = 1,75, тогда коэффициент чувствительности к трещиноподобным дефектам для данной стали будет:

.

Суммарное напряжение на стенке трубы складывается из алгебраической суммы остаточного напряжения, напряжений от давления и осевых усилий, а также напряжений, создаваемых при структурных превращениях.

Установлено, что для образцов из стали 17ГС при наличии концентрации К = 2 число циклов N_f 25000, при К = 4 N_f 9000 циклов, а при К = 8 всего 1600 циклов.

При расчете упругопластических деформаций для максимальной нагруженности используется интерполяционная зависимость Нейбера:

(3)

где К коэффициент концентрации напряжений;

К коэффициент концентрации деформаций.

Сварные соединения, как показывают экспериментальные данные, являются структурно-неоднородной областью трубы. Это объясняется особенностью условий кристаллизации сварной ванны и образованием зоны термического влияния.

Неметаллические включения являются не только концентраторами напряжений, но и снижают прочностные свойства металла труб газопроводов. Например, полученные экспериментальные данные показывают, что присутствие в стали 17ГС порядка 0,03 % сульфидов снижает ее ударную вязкость примерно в 1,5 раза.

Результаты проведенных исследований однозначно подтверждают факт снижения механических свойств металла труб газопроводов, испытывающих долговременное действие постоянных нагрузок. Дефекты различного происхождения ускоряют протекание этих процессов.

В третьей главе приводятся результаты исследований причин и механизмов протекающих процессов, обусловливающих деградацию служебных свойств металла труб газопроводов.

Определение реального физического состояния длительно нагруженного металла возможно лишь на основе изучения тонкоструктурных изменений и использования чувствительных к этим изменениям методов испытаний.

Методами металлографии, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа были исследованы изменения тонкой структуры металла труб газопроводов в зависимости от срока и условий эксплуатации. Для решения поставленных задач были разработаны установки для циклического и статического нагружений образцов. Разработана методика рентгеноструктурного определения количества вновь образовавшихся карбидных фаз, что позволило изучить процесс распада цементита. Для этого был применен рентгеновский дифрактометр ДРОН-УМ-1. Съемка дифракционных линий (рисунок 2) фазы Fe₃С производилась с образца в течение 40…100 секунд после каждого поворота образца на 0,1^о. Такая методика была применена из-за малого содержания вновь образовавшейся цементитной фазы.

С увеличением времени эксплуатации интенсивность дифракционных линий уменьшается, что указывает на уменьшение количества цементита в металле труб в процессе длительной эксплуатации газопроводов.

Рисунок 2 - Дифрактограммы (Сталь 20)

i₁ отожженное состояние металла трубы;

i₂ после 20 лет эксплуатации;

i₃ после 40 лет эксплуатации

Для съемки специально были приготовлены образцы, применялось С_оК-излучение. Полученные данные сопоставлялись с данными отожженных образцов из Стали 20 (таблица 4).

Таблица 4 - Количество распавшегося цементита в металле труб

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Fe3С, %
Сталь 20	Отжиг при 650 оС, 1 ч 20 50	100 18…20 22…24



С увеличением времени эксплуатации труб растет и количество распавшегося цементита в стали.

Было установлено, что при распаде цементита происходит «освобождение» атомов углерода, часть которых уходит в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки феррита, что приводит к искажению и увеличению её параметра.

Возникновение и рост зародышей новых карбидных фаз изучались методами электронной микроскопии (рисунок 3, а) и с помощью оптического микроскопа (рисунок 3, б).

а б

Рисунок 3 - Микроструктуры Стали 20 (а), х 20000, и стали 14ГН (б), х 800 Стрелками показаны зародыши карбидных частиц на границе зерна (а) и на полосах скольжения (б)

Результаты исследований диффузионно-дислокационных процессов электронно-микроскопическими методами и анализа ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований сталей и сплавов, особенно металла труб магистральных нефтепроводов, позволили установить стадийный характер эволюции тонкоструктурных изменений в металле труб газопровода (рисунок 4). Несущую способность металла оценивали параметром истинного напряжения (S_K). В начале стадии I под действием циклических нагрузок происходят усталостные процессы, затем на стадии II происходит деформационное старение. Последствия усталостных процессов и деформационного старения порождают в дальнейшем (стадия III) протекание процессов замедленного разрушения, представляющего собой постепенное снижение прочности металла под действием долговременной постоянной нагрузки при нормальных температурах.

Рисунок 4 Стадийный характер структурных изменений, обусловленных процессами усталости I, деформационного старения II и замедленного разрушения III (сталь 17ГС)

Снижение прочности металла длительно эксплуатируемых труб обусловлено ослаблением сил связи между кристаллическими зернами и локализацией напряжений в структурно-неоднородных областях.

Увеличение пределов прочности (_в) и текучести (_т) связано с упрочнением и охрупчиванием металла труб.

В работе установлено, что значение S_к, которое является прочностной характеристикой металла труб, в отличие от _в и _т снижается по мере увеличения времени эксплуатации. Поэтому при изучении снижения прочностных свойств металла принят параметр истинного напряжения.



Усталостный фактор снижения значения параметра S_к

Циклическое нагружение образцов производилось как по способу «консольный изгиб», так и по способу «чистый изгиб». После первой сотни циклов нагружения на полированной поверхности образцов появились одинарные линии скольжения. С увеличением числа циклов плотность дислокаций возросла до 10¹¹ см^-2, т.е. увеличение составило примерно 100 раз по сравнению с плотностью дислокаций в отожженных сталях (~ 10⁹), что согласуется с литературными данными.

Качественная картина увеличения накопленной плотности дислокаций в образцах, вырезанных из длительно эксплуатировавшихся труб, приведена на рисунке 5.

а б

Рисунок 5 - Электронно-микроскопические снимки Стали 20, х 20000. Стрелками показаны дислокационные структуры а - сетчатая структура (отожженное состояние стали); б - клубковая структура (50 лет эксплуатации)

Для количественной оценки динамики изменения накопленной плотности дислокаций в процессе длительной эксплуатации впервые применили разработанную оригинальную методику с использованием возможностей компьютерной системы анализа снимков, полученных на просвечивающем электронном микроскопе. Преимущество данной методики заключается в возможности более статистически точной количественной оценки накопленной плотности дислокаций в структурах с повышенной плотностью, где затруднены наблюдение и подсчет отдельных дислокаций. Также есть возможность определения количества дислокаций в сложной клубковой структуре. В нашем случае измерения объемной доли и эквивалентных диаметров дислокаций в образцах, эксплуатировавшихся в течение 50 лет, было получено возрастание плотности накопленных дислокаций примерно в 4 раза по сравнению с отожженными и определено среднее количество (~ 7 дислокаций) в одном типичном клубке.

В ходе эксплуатации происходит эволюция дислокационной структуры по схеме: сетчатая ячеистая клубковая полосовая. На стадии полосовой структуры, как правило, образуются микротрещины.

Следовательно, снижение значения истинного напряжения, которое происходит в начальном периоде эксплуатации (10…15 лет), несомненно, связано преимущественно с генерацией и количественным ростом плотности дислокаций в металле труб, а также с образованием сети микротрещин в структурно-неоднородных областях.

Деформационное старение как фактор, влияющий на истинное напряжение металла труб

Структурные исследования металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов показывают, что кульминационный период деформационного старения проявляется через 25…35 лет эксплуатации. После 20 лет эксплуатации начинает образовываться ячеистая дислокационная структура, которая уже является барьером для движущихся дислокаций. Следовательно, блокировка дислокаций своими структурными скоплениями и примесными атомами создает локальные напряженные области в металле. Скопление дислокаций одного знака приводит к деформации кристалла (изгибные контуры). В таблице 5 показан рост плотности дислокаций в газопроводных сталях (17ГС и Ст3) в процессе эксплуатации, определенной по формуле = /вl (здесь угол изгиба кристалла; в - вектор Бюргерса; l длина участка, на котором кристалл изогнут на угол ). Там же приведены данные для исследуемой Стали 20, полученные по новой методике.

Таблица 5 - Изменение плотности дислокаций в зависимости от срока эксплуатации

Марка стали	Срок эксплуатации, лет	Структурные составляющие	Плотность дислокаций до и после отжига, х108, см-2	Изменение, количество раз
17ГС	36	феррит	20 и 8	2,5
Сталь 20	50	феррит	28 и 7	4,0
Ст3	40	феррит	40 и 8	5,0

Скопления карбидообразующих элементов (Мn, Сr, С) на границах кристаллических зерен и на полосах скольжения способствуют образованию в этих областях, как было отмечено выше, зародышей новой фазы.

Увеличение количества дислокаций, эволюция дислокационной структуры от сетчатой до клубковой и образование зародышей новых карбидных фаз, флуктуация примесных атомов в конечном итоге приводят к образованию охрупченных областей в структурно-неоднородных областях металла труб газопроводов.

Испытанием образцов на усталость и расчетом напряжений в структурных составляющих перлите и феррите были определены коэффициенты деформационного старения металла труб исследованных газопроводов (таблица 6). Как видно из полученных данных, с увеличением времени эксплуатации газопроводов степень деформационного старения растет. Следовательно, деформационное старение дополнительно снижает значения истинного напряжения S_к, создавая охрупченные области. Это связано с уменьшением вязкости металла труб газопроводов, т.е. снижением способности трубопроводных сталей сопротивляться развитию микротрещин.



Таблица 6 - Значения коэффициентов деформационного старения газопроводных сталей

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Сд
17ГС	Отжиг при 650 оС, 1 ч 46	1,00 1,35
Ст3	Отжиг при 650 оС, 1 ч 48	1,00 1,33
14ГН	Отжиг при 650 оС, 1 ч 42	1,00 1,31
Сталь 20	Отжиг при 650 оС, 1 ч 40	1,00 1,30

Уменьшение значения S_к, связанное с замедленным разрушением металла труб

Замедленное разрушение металлов проявляется в снижении их прочности под действием статической нагрузки при нормальных температурах.

Далее с этих позиций объясняются снижение прочности и уменьшение времени до разрушения образцов при длительных испытаниях (таблицы 2, 3).

Хрупкое разрушение деформационно-состаренных труб, как показывает фрактографический анализ, происходит, как правило, по границам зерен.

Для полноты исследования были взяты образцы из стали 17ГС после закалки и после пластической деформации. Полученные результаты показывают, что при длительной, относительно небольшой, постоянной нагрузке происходит, в основном, разрушение образцов из деформационно-состаренной стали 17ГС. При большой же нагрузке (_и = 0,98_т) преимущественно разрушаются закаленные образцы.

На снижение параметра S_к на более поздней стадии эксплуатации (~ 40 лет и более), как показывают данные, полученные при изучении замедленного разрушения, влияют ослабление сил связи между зернами и локализация напряжений в этих областях. На охрупчиваемость границ кристаллических зерен указывает также характер излома разрушенных образцов. Излом этих образцов имеет кристаллическое строение.

Атомы кремния в процессе деформационного старения накапливаются по границам зерен, что также способствует охрупчиванию межзеренных границ. Увеличение количества атомов кремния изменяет морфологию дендридов, т.е. меняет структуру границы зерна. Ликвация, которую создает кремний, зависит от содержания атомов углерода. Атомы Si не стабилизируют карбидную фазу, они способствуют образованию «грубых» выделений Fe₃C на границах зерен, тем самым уменьшая когерентность, т.е. силу связи между зернами, и увеличивая хрупкость.

В четвертой главе рассматривается структурная природа возникновения внутренних напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых газопроводов.

Одним из весьма важных факторов, влияющих на прочность металлов труб, является наличие «скрытых», или «остаточных», внутренних напряжений. Возникновение внутренних напряжений также может произойти при структурных изменениях, изучение которых для деформационно-состаренных газопроводных сталей является весьма актуальным.

Препятствия, встречаемые дислокацией при ее движении в металле, делятся на два типа: барьеры ближнего и барьеры дальнего действий. Следовательно, дислокациям препятствует суммарное напряжение = _G + _S.

Дальнодействующее напряжение _G обусловлено упругим взаимодействием дислокаций. Напряжение _S связано с атомными перестройками в ядре дислокации при преодолении барьеров ближнего действия. Поле напряжений различной величины также создается при блокировке дислокации примесными атомами.

Наиболее важным этапом развития усталости металла является зарождение трещин, которое происходит в условиях локализации напряжений и пластической деформации в структурно-неоднородных областях металла трубы газопроводов.

Граница зерна является препятствием движению дислокаций, что порождает дополнительное упрочнение металла трубы (появление участков с концентрированным напряжением). Следует отметить, что зарождение усталостных трещин в металле труб будет происходить тогда, когда накопленная микропластическая деформация достигнет критической величины в результате роста напряжений.

Напряжения, создаваемые изгибными деформационными контурами в металле труб

Электронно-микроскопические исследования газопроводных сталей показывают, что уже в начальном периоде (~ 10 лет) их эксплуатации начинают проявляться экстинкционные (деформационные) контуры. Появление изгибных контуров в металле труб связано с накоплением избыточной плотности дислокаций одного знака ().

Размеры контуров, их взаимное расположение, расстояния между ними являются важными характеристиками при определении дальнодействующих напряжений.

Связь дальнодействующих напряжений с избыточной плотностью дислокаций выражается формулой

, (4)

где К = ; h толщина фольги; L ширина контура; G модуль сдвига; коэффициент Пуассона, = 0,3. Дальнодействующие напряжения определяются формулой



, (5)

где Е - модуль Юнга.

Полученные данные для стали 17ГС приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Значения ширины изгибных контуров и дальнодействующих микронапряжений в стали 17ГС

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	L,	, МПа	д,МПа
		в перлите	в феррите	в перлите	в феррите
17ГС	Отжиг при 650 оС, 1 ч 30 46	7800 7010 6520	7000 6300 5500	133 199 202	144 172 203	136 221 272

Как видно из полученных данных, ширина изгибных контуров с увеличением времени эксплуатации уменьшается, а значения дальнодействующих напряжений растут. Со временем эксплуатации увеличивается и плотность (количество) изгибных контуров.

Напряжения, создаваемые при росте зародышей новой карбидной фазы

Напряжения в металле труб газопроводов также создаются в локальных структурно-неоднородных областях в результате образования и роста зародышей новых карбидных фаз (рисунок 3).

Применяя формулу Оравана (, здесь расстояние между частицами новой фазы) и экспериментально измеряя величину , определяли возникшее напряжение . За 30 лет эксплуатации газопровода расстояние между частицами уменьшается примерно в 1,5 раза. Зная, что для газопроводных сталей G 7700 кгс/см, а см, = 10^-5…10^-4 см, получаем:

22 кгс/см².

Расчеты, проведенные для стали 17ГС после 46 лет эксплуатации, дали следующие результаты: 1,5_н 33 кгс/см².

Напряжения, возникающие в металле труб при деформации

При деформационном старении, как было отмечено, происходит заход атомов углерода в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки феррита, что, несомненно, приводит к упругому искажению кристаллической ячейки металла.

Проведен расчет упругих напряжений в образцах при циклических нагружениях по формуле

, (6)

где f - амплитуда деформации; длина рабочей части образца; толщина образца.

Однако, при переходе из упругой области в пластическое состояние напряжения перестают линейно изменяться по толщине образца.

В пластически деформированных областях (а в металле труб это структурно-неоднородные области) напряжения будут изменяться в соответствии с функцией, описывающей диаграмму растяжения металла. При этом напряжения на крайних волокнах (то же самое, что и в структурно-неоднородных областях стенки трубы) будут равны



, (7)

где r - радиус кривизны образца; С - коэффициент прочности; n коэффициент деформационного упрочнения.

С учетом эту формулу можно преобразовать к виду

. (8)

Или при f r можно записать:

. (9)

Значения коэффициентов прочности (С) и деформационного упрочнения (n), рассчитанные по методике Н.А. Махутова, приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Значения коэффициентов прочности и деформационного упрочнения газопроводных сталей

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Коэффициенты
		n	С, МПа
17ГС	Отжиг при 650 оС, 1 ч 30 46	0,182 0,165 0,148	750 865 856
14ГН	Отжиг при 650 оС, 1 ч 20 42	0,220 0,187 0,151	1000 868 809

Согласно Н.Н. Давиденкову, в металле могут возникнуть три рода искажений кристаллической структуры, которым соответствуют внутренние напряжения 1, 2 и 3 родов. Эти искажения различаются масштабом объемов, которые они охватывают. Искажения 1-ого рода охватывают весь объем трубы, т.е. монотонно распространяются на большое число кристаллов. Этот процесс, как правило, связан с усталостным явлением и сопровождается, как показывают результаты экспериментальных исследований, изменением межплоскостных расстояний d на d. Рентгенографически этот род искажения обнаруживается смещением дифракционных линий, определяемым по изменению угла отражения .

Искажения 2-ого рода и связанные с ними напряжения возникают в результате упругих искажений, неоднородно распределенных между блоками и зернами или даже между отдельными локальными охрупченными областями. Рентгенографически этот род искажения нами изучался по размытию дифракционных линий. Этот вид рассеяния рентгеновских лучей наблюдается тогда, когда в металле труб происходит образование зародышей новых карбидных фаз, которые искажают структуру межзеренных границ и полос скольжения.

Искажения 3-его рода охватывают объем нескольких элементарных ячеек. Этим искажениям соответствует смещение атомов. Например, это происходит при заходе атомов углерода в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки. Рентгенографически этот род искажения изучали по ослаблению интенсивности дифракционных линий высших порядков. На практике обычно наблюдается сочетание искажений 2-ого и 3-его родов.

Напряжения в сварных соединениях

В таблице 9 приведены суммарные значения искажений структуры сварного шва, зоны термического влияния и основного металла труб газопроводов, определенные с помощью метода рентгеноструктурного анализа.



Таблица 9 - Значения искажений структуры в сварных соединениях труб

Марка стали	Продолжительность эксплуатации, лет	Участки сварного соединения (d/d10-5)
		св. шов	ЗТВ	осн. металл
17ГС	Отжиг при 650 оС, 1 ч 30 46	43,3 50,9 60,2	49,8 53,0 61,0	48,5 52,8 59,1
14ГН	Отжиг при 650 оС, 1 ч 20 42	49,0 51,5 54,5	52,0 52,9 56,0	50,0 51,5 54,0

Роль локально напряженных областей в образовании коррозионных очагов

Металл труб газопроводов находится в контакте с коррозионной средой. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает хорошей электропроводностью. Газопроводы системы газоснабжения практически всегда находятся под действием блуждающих электрических токов. В рамках данной работы рассмотрены лишь те вопросы коррозии, которые связаны с изменением тонкой структуры металла. Расчет скорости коррозии проводили по формуле V_к = V_о ехр (здесь молярный объем металла, = 7 см³/моль; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 ; Т 300 ^оС; напряжение). Расчеты были выполнены для напряжений от 100 до 500 МПа.

Как показывают эксперименты, на полированной протравленной поверхности образцов деформационно-состаренных труб, помещенных в коррозионную среду (3 %-ный раствор NaCl), коррозия начинается в локально напряженных областях металла труб, образованных в процессе длительной эксплуатации.



Таблица 10 - Зависимость скорости коррозии от напряжения в металле труб

Марка стали	, МПа	Vк / Vо	Vк (при Vо = 0,4), мм/год
Ст3	100 200 300 400 500	1,328 1,764 2,346 3,117 4,141	0,5 0,7 0,9 1,2 1,6

Пятая глава диссертации посвящена методам определения остаточного ресурса длительно эксплуатируемых газопроводов.

Следует отметить, что из-за особенностей выполняемых задач, местонахождения и условий эксплуатации газопроводы системы газоснабжения требуют индивидуального подхода при определении реального физического состояния металла труб и расчете их остаточного ресурса. Особенно это относится к длительно (30…40 лет и более) эксплуатируемым газопроводам.

Методами статического растяжения и циклического нагружения образцов, вырезанных из газопроводов, эксплуатировавшихся разные сроки, определяли механические характеристики металла.

Вначале специально изготовленные образцы подвергаются испытанию на усталость металла методом циклического (консольного или чистого изгиба) нагружения. При этом частота колебания нагрузки не должна быть более 40…50 цикл/мин (малоцикловая область нагружения образцов), а амплитуда подбирается исходя из максимального напряжения, которое может возникнуть в реальных условиях эксплуатации. Нагружение образцов производилось до их разрушения. Полученные данные для состаренных и отожженных образцов сопоставлялись между собой.

Дальнейший этап работы был посвящен методам определения остаточного ресурса газопроводов.

Стандартными методами статического растяжения определяли предел прочности металла трубы, бывшей в эксплуатации, и предел прочности _в металла в исходном (отожженном) состоянии.

Степень состаренности металла С_с определяется отношением коэффициента упрочнения К_у к коэффициенту деформационного старения С_д:

. (10)

Коэффициент упрочнения К_у определяют по формуле

. (11)

Для определения коэффициента С_с использовали результаты испытаний образцов циклическим нагружением. Его значение определяли с помощью формулы

, (12)

где N_и количество циклов к моменту разрушения исходного (отожженного) образца; n количество циклов, которое металл «набирает» при эксплуатации; N_c количество циклов к моменту разрушения образца состаренного металла.

...