. Экспериментальная оценка работоспособности труб магистральных газопроводов при циклическом нагружении

На правах рукописи

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ

НАГРУЖЕНИИ

Специальность: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Центр испытания и диагностики конструкций» и Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ»

Ведущая организация: »

Защита состоится «31» марта в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.511.001.02 при ВНИИГАЗ» Московская обл., п. Развилка

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ВНИИГАЗ»

Автореферат разослан « » ______________ 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магистральные газопроводы эксплуатиру­ются в сложных природно-климатических условиях и подвергаются переменным во времени и пространстве нагрузкам. Особое значение имеют динамические нагрузки, характерные периоды изменения во времени которых сопоставимы с периодами собственных колебаний газопроводных конструкций. К их числу относятся динамические составляющие ветровой или волновой нагрузок, связанные с пульсациями воздуха или воды, вибрационные нагрузки от вспомогательного оборудования, пульсации давления газа и др.

Часто причиной отказов становятся стресс-коррозионные по­вреждения. Наибольшее число отказов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) зафиксировано на расстоянии до 20 – 25 км от выхода из компрессорной станции, 40 % отказов по причине КРН произошло на 10 км от КС. Это свидетельствует об интенсивном снижении сопротивляемости коррозионно-механическому разрушению этих участков обусловленному, как правило, процессом накопления рассеянной поврежденности при жестком и длительном нестационарном нагружении. Интенсивность развития и непредсказуемость этих процессов снижает достоверность прогноза остаточного ресурса после проведения диагностического обследования и эффективность ремонтно-восстановительных работ.

Поэтому экспериментальная оценка работоспособности труб магистральных газопроводов при переменных циклических нагрузках является актуальной темой исследования.

Цель работы. Экспериментальная оценка влияния условий и параметров циклического нагружения труб магистральных газопроводов на их работоспособность в процессе длительной эксплуатации с применением метода определения поврежденности объекта.

Основные задачи исследования:

·  Установить влияние на интенсивность накопления рассеянной поврежденности трубами магистральных газопроводов длительного циклического нагружения при их эксплуатации.

·  Оценить влияние вида нагружения на долговечность и работоспо­собность магистральных газопроводов при циклическом нагружении на воздухе и в коррозионно-активной среде.

·  Разработать методику диагностирования склонности трубных ста­лей к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) методом определения поврежденности объекта на основе процесса микровдавливания.

Доказано, что ремонт газопровода, выполненного из стали Х70 со стресс-коррозионными поражениями глубиной до 3,0 – 4,0 мм (20 – 25 % от толщины стенки трубы) технически обосновано вести вышлифовкой сетки поверхностных трещин без последующей электродуговой наплавки, так как это дает более стабильное повышение работоспособности стенки трубы. Восстановление геометрии перед выполнением изоляционных работ ведется нанесением металлизированного порошка.

Защищаемые положения.

1.  Экспериментальное обоснование влияния асимметрии цикла нагружения на интенсивность накопления рассеянной поврежденности в трубах, выполненных из стали контролируемой прокатки класса прочности Х70, их склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением и отсутствие такого эффекта в трубах, изготовленных из стали 17Г1С.

2.  Обоснование применения метода определения поврежденности газопровода на основе процесса микровдавливания для регистрации интенсивности накопления рассеянной поврежденности в трубах и установление корреляции между текущим значением коэффициента поврежденности kр и сопротивляемостью коррозионно-механическому разрушению исследованных сталей.

3.  Механизм коррозионно-механического разрушения газопроводных труб из стали Х70 в условиях нестационарного нагружения, заключающийся в смене механизмов разрушения от КРН, реализуемого в поверхностных слоях проката, на усталостное, ускоренное коррозионно-активной средой.

4.  Технология ремонта труб из сталей Х70 со стресс-коррозион­ными поражением вышлифовкой сетки поверхностных трещин на глубину до 20 – 25 % от толщины стенки трубы без последующей электродуговой наплавки. Перед выполнением изоляционных работ восстановление геометрии стенки трубы производится нанесением металлизированного порошка.

Практическая значимость. Разработанная методика оперативной диагностики изменений механических характеристик металла сварных конструкций на различных этапах длительной эксплуатации без разрушения газопроводных конструкций на основе процесса микровдавливания защищена патентом РФ. Разработанная технология ремонта газопроводов с сеткой поверхностных трещин по типу КРН глубиной до 25 % от толщины стенки методом вышлифовки без последующей электродуговой наплавки использована при разработке СТП Газпром трансгаз Югорск по ремонту поверхностных дефектов магистральных газопроводов и применяется в практике эксплуатации. На основе проведенных исследований разработан СТО Газпром «Методика оценки текущих физико-механических характеристик металла газопровода и сварных соединений без остановки эксплуатации на базе процесса микровдавливания».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на :

-  57, 58 и 60 Межвузовских студенческих научных конференциях «Нефть и Газ – 2003, 2004 и 2006», РГУ нефти и газа, г. Москва;

-  6-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», РГУ нефти и газа, Москва, 2005;

-  расширенном научном семинаре кафедры «Сварка и мониторинг НГС» РГУ нефти и газа, 2007;

-  научно-техническом совещании испытания и диагностики конструкций», 2008;

-  расширенном научном семинаре секции Ученого совета НИИ природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ, 2010.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 в журналах, которые входят в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы из 123 наименова­ний. Основное содержание и общие выводы изложены на 149 страницах машинописного текста, содержащих 40 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована акту­альность исследования, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатации магистральных газопроводов большого диаметра, в том числе из сталей контролируемой прокатки, формирующие жесткие режимы нагружения некоторых участков трубопроводов, переводя их в группу потенциально-опасных с точки зрения коррозионно-механического разрушения.

Для участков, примыкающих к головным и дожимным компрессорным станциям, характерен нестационарный режим нагружения с высокой асимметрией цикла (R). Натурные измерения показывают, что наложение на общую амплитуду нагружения высокочастотных гармоник с низкой амплитудой, связанных с нестационарным течением газа на выходе из компрессорной станции, приводит к асимметрии цикла порядка R = 0,8 и более на этих участках. Такой режим нагружение приводит к снижению живучести упрочненных трубных сталей (увеличивается скорость роста усталостной трещины). Это связывается, например, с отсутствием эффекта закрытия трещины. При высоких минимальных напряжениях берега усталостной трещины на протяжении всего цикла нагружения остаются открытыми, увеличивая размах эффективного коэффициента интенсивности напряжений.

Наиболее применяемой сталью для строительства трубопроводов большого диаметра стала высокопрочная сталь класса прочности Х70. Лучшие по сравнению со сталью класса прочности Х60 механические свойства были получены благодаря упрочнению твердого раствора, измельчению зерна, дисперсионному твердению, а также дислокационному, субзеренному и текстурному упрочнению, происходящим в процессе контролируемой прокатки. Однако деформационное упрочнение приводит к образованию межзеренного наклепа и переводит данный тип стали в разряд метастабильных и склонных к деформационному старению.

Опыт эксплуатации трубопроводов из сталей класса прочности Х70 показывает, что разрушения практически не связаны с исчерпанием несу­щей способности металла труб, поскольку при наличии исправной кон­трольной аппаратуры невозможно появление перегрузок по внутреннему давлению. Разрывы труб связаны, в основном, с развитием трещин из кон­центраторов при действующих напряжениях, существенно ниже допус­каемых, определенных на основе статического расчета. Для трубопроводов большого диаметра из сталей контролируемой прокатки данного класса прочности характерны стресс-коррозионные разрушения, происходящие при определенных условиях взаимодействия факторов внешней среды, ус­ловий нагружения и наследственных характеристик материала. На них происходят около 70 % аварий и большая часть из них на удалениикм от высокой стороны компрессорной станции. Одной из возможных причин этого является неучет в базовых расчетах наличия переменной со­ставляющей внутреннего давления.

Вопросами разработки новых трубных сталей, оценкой их коррози­онно-механических характеристик в процессе длительной эксплуатации, диагностикой и прогнозированием ресурса магистральных трубопроводов в разное время занимались как академические институты, например, ИМЕТ им. , так и отраслевые: ЦНИИЧермет им. ­дина, ВНИИСТ и Газпром ВНИИГАЗ. Среди отечественных ученых сле­дует выделить , , Харионовского , диагностике состояния металла магистральных трубопроводов в процессе длительной эксплуатации, возможному измерению сопротивляемости коррозионно-механическому разрушению стенки трубы в условиях нестационарного нагружения применительно к стали нового поколения типа Х70 уделялось недостаточно внимания.

Во второй главе рассмотрены наиболее продуктивные гипотезы и модели формирования и накопления рассеянной поврежденности в кри­сталлических материалах и предложена механистическая модель форми­рования поврежденности в трубных сталях феррито-перлитного класса, за­ключающаяся в том, что в процессе длительной эксплуатации меняется напряженно-деформированное состояние элементов структуры (зерен и границ зерен) в поле напряжений второго рода. Эти изменения связаны с накоплением пластической деформации, разрушением объемов металла, исчерпавших запас пластичности, перераспределение напряжений и кон­тактное упрочнение. При использовании методики на базе процесса мик­ровдавливания на изготовленной поверхности проводится серия замеров микротвердости с фиксированным шагом, и результаты обрабатываются по разработанному алгоритму для определения предложенного коэффици­ента поврежденности kр.

Процесс накопления рассеянной поврежденности в условиях неста­ционарного нагружения связан с реализацией петли пластического гисте­резиса в координатах «напряжение – деформация» и циклической ползуче­стью, что в свою очередь приводит к исчерпанию запаса пластичности в локальных объемах металла, формированию зародышей микротрещин и дальнейшему развитию локальной пластической деформации. Развитие этих процессов во времени и определяет текущий уровень плотности по­вреждений (ΠΣ) в металле конструкций.

Суммарная повреждаемость ΠΣ условно может быть разбита на два уровня:

-  наследственная плотность поврежденности (Π1Н) как функция качества Ме;

-  приобретенная плотность поврежденности (Π1Э), как функция тех­нологии передела Ме, изготовления конструкции и условий ее дальнейшей эксплуатации;

Наследственный уровень поврежденности во многом будет опреде­лять темп нарастания поврежденности в металле конструкции в процессе эксплуатации.

Структурный анализ показывает, что изменения в стенке трубопро­вода при циклическом нагружении появляются в приповерхностных слоях на разных стадиях формирования эксплуатационной поврежденности (Π2Э) и зародыши трещин образуются в пределах отдельных зерен или их час­тей.

Механизм зарождения трещин качественно одинаков как при вязком, так и при хрупком разрушении.

Процесс зарождения и развития разрушения в условиях нестацио­нарного нагружения можно условно разделить на следующие стадии:

-  пластическое деформирование вызывает движение дислокаций и вакансий, приводящее к появлению дефектов несплошности на субмикро­уровне, накопление и рост которых может привести к образованию микро­трещин, микро - и макропор;

-  рост и слияние микротрещин, приводящее к образованию макродефекта; одна из микротрещин, находящаяся в энергетически выгод­ных условиях, пересекает границу одного или нескольких зерен и стано­вится макротрещиной; макротрещина развивается и переходит в магистральную.

Развитие магистральной трещины происходит скачкообразно: раз­рывается перемычка, отделяющая магистральную трещину от микротре­щины, встретившейся на ее пути, и магистральная трещина скачком про­двигается вперед. В зависимости от степени поврежденности материала и условий нагружения указанные скачки могут быть достаточно большими либо малыми и частыми.

Фрактографические исследования поверхности усталостного излома сегментов труб из стали Х70 в состоянии поставки и после 20 лет эксплуа­тации на Уренгойском ГКМ показали, что длительная эксплуатация повы­сила плотность рассеянной поврежденности и изменила характер и меха­низмы усталостного разрушения.

Усталостное разрушение на воздухе металла сегментов труб из стали Х70 аварийного запаса идет по механизму вязкого разрушения с явно вы­раженными усталостными фасетками, а длительная эксплуатация в тече­ние 20 лет привела к значительному накоплению рассеянной напряженно­сти и, как результат, к изменению механизма разрушения с вязкого на пре­имущественно квазихрупкий. В усталостном изломе нет ярко выраженных фасеток вязкого разрушения, поверхность усталостного разрушения пред­ставлена участками скола, окруженными узкими областями вязкого раз­рушения. Фронт усталостной трещины спровоцировал раскрытие уже имеющихся в металле микротрещин.

Известно, что при длительном статическом нагружении и повышен­ном запасе упругой энергии в нагруженной системе даже пластичные ма­териалы становятся склонны к замедленному разрушению, что вызвано локализацией пластической деформации и последующему развитию раз­рушения в наиболее напряженных объемах материала. Воздействие корро­зионной среды в сложившихся условиях вызывает резкую интенсифика­цию процессов замедленного разрушения.

Газопроводы диаметром 1420 мм аккумулируют максимальное коли­чество упругой энергии, находятся под действием сложной схемы неста­ционарного нагружения и при доступе коррозионной среды к поверхности трубы становятся уязвимы к коррозионному растрескиванию под напря­жением. Интенсивность накопления рассеянной поврежденности вносит ве­сомый вклад в переход металла газопровода в состояние склонности к КРН, так как стимулирует протекание процессов анодного растворения и водородной хрупкости. Регистрация плотности накопленной поврежденно­сти поверхностными слоями проката позволяет на ранней стадии оценить склонность металла газопровода к КРН и принять соответствующие меры.

Существующие прямые методы диагностики качества металла не по­зволяют зарегистрировать динамику изменений плотности накопленной поврежденности в процессе длительной эксплуатации, так как ориентиро­ваны на обнаружение дефектов, размеры которых соизмеримы с размерами магистральной трещины. Методы определения изменений физических ха­рактеристик метала конструкций в процессе нагружения не позволяют с инженерной точностью перейти к механическим характеристикам из-за необходимости учета большого количества таких показателей, как условия эксплуатации, конструктивно-технологические и металлургические пара­метры диагностируемой конструкции.

Для трубных сталей с достаточным уровнем вязкопластических свойств процесс формирования магистральной трещины можно предста­вить по схеме:

-  исходная наследственно-технологическая дефектность ωо с размерами R ≤ λо…λ2, где λ2 и λо размеры микроповреждений, соизмери­мые с размерами элемента структуры, и возможные зародыши стабильных и допустимых макродефектов;

-  формирование «слабейшего звена» или «слабейшего агрегата» и появление новых повреждений ω на уровне λ ≤ λо, стабильный рост заро­дышей λ ~ λо;

-  обеспечение в момент времени Т = Т* критической поврежденности ω*, страгивание и спонтанное развитие лидирующей трещины.

На основании всего выше изложенного сформулирован подход, на котором базируется разрабатываемый метод экспресс-диагностирования конструкции в процессе эксплуатации. Диагностируемый объем материала конструкции должен быть необходимым, чтобы отразить воздействие на материал технологии передела и изготовления конструкции, условий эксплуатации и достаточным для формирования в нем магистральной трещины (патент РФ на изобретение № 000 от 01.01.2001 «Способ определения поврежденности объекта»).

Таким необходимым и достаточным объемом для трубных сталей феррито-перлитного класса является элемент структуры, т. е. зерно, а инст­рументом, регистрирующим изменения механических характеристик эле­ментов структуры в процессе эксплуатации, замер микротвердости. Дан­ный метод выбран потому, что относится к «прямому» методу определе­ния механических характеристик, т. к. отражает реакцию материала эле­мента структуры на локальное воздействие (деформацию) алмазной пира­мидки индентора.

Для получения представительной выборки значений микротвердости на диагностируемой поверхности конструкции делается 60 - 70 замеров с фиксированным шагом. Для трубных сталей шаг выбран в диапазоне 0,02-0,03 мм, усилия на индентор 10 – 25 грамм. Перед проведением замеров с поверхности удаляется слой металла толщиной не менее 0,5 мм с после­дующей ручной шлифовкой.

На рисунке 1 приведены гистограммы наполненности выборки зна­чений микротвердости для металла труб Ø1420 х 18,5 мм из стали контро­лируемой прокатки класса прочности Х70 аварийного запаса и после 20 лет эксплуатации, полученные на стандартном микротвердомере ПМТ-3 с усилием на индентор 10 грамм и шагом 0,03 мм.

В качестве количественного критерия для сравнения гистограмм распределения значений микротвердости на поверхности диагностируе­мого объекта, полученных в разные моменты времени эксплуатации, введен коэффициент поврежденности kp, который определяется как отношение:

Рисунок 1 – Гистограммы наполненности выборки значений микротвердости труб Ø1420 х 18,5 мм из стали Х70 в состоянии поставки (I) и после 20 лет эксплуатации на Уренгойском ГКМ (II), полученные на стационарном микротвердомере ПМТ-3; Нµ – значение микротвердости

kp = Кр / К0р, (1)

где; Кр – приведенная частотность гистограммы распределения замеров микротвердости материала в текущий момент эксплуатации; К0р – приве­денная частотность гистограммы распределения замеров микротвердости материала в исходном состоянии. Приведенная частотность подсчитыва­ется по гистограмме как сумма отдельных частотностей с учетом весовых коэффициентов, позволяющих равномерно учесть вклад (значимость) каж­дого интервала:

Кр = å ai fi , (2)

где fi = ni / Ni – частотность отдельного интервала значений микротвердо­сти; N = å ni – общее число замеров; ni – количество результатов в данном интервале значений микротвердости; ai - весовые коэффициенты.

Третья глава посвящена оценке влияния параметров циклического нагружения на коррозионно-механические характеристики трубных сталей Х70, 17Г1С и их сварных соединений.

Для переноса результатов испытаний образцов-свидетелей на реаль­ную конструкцию необходимо соблюдение следующих требований: на­пряженно-деформированное состояние (НДС) рабочей части образца должно соответствовать НДС стенки конструкции; для нагружения об­разца должны быть выбраны наиболее жесткие параметры из тех, которые реализуются в стенке объекта исследований; кроме этого, необходим учет агрессивности среды, если таковая присутствует, и ее влиянием нельзя пренебречь. Температура испытаний в отрицательном диапазоне климати­ческих значений оказывает очень часто определяющее влияние на харак­тер разрушения, особенно если это касается магистральных трубопровод­ных систем. Циклические испытания при отрицательных температурах существенно усложняют процедуру нагружения и вносят дополнительный разброс в результаты.

Однако, практика эксплуатации сварных конструкций при низких климатических температурах показывает, что определение показателей ударной вязкости при фиксированных отрицательных температурах вполне объективно отражает влияние температуры на сопротивляемость металла конструкции зарождению и развитию разрушения.

Для реализации первых двух вышеизложенных требований в каче­стве образцов были выбраны сегменты труб, которые вырезались вдоль образующей. Длина сегмента 450мм, ширина зависит от толщины стенки трубы и должна позволить изготовить рабочую часть образца-свидетеля таким образом, чтобы ширина образца была не менее 6 толщин стенки трубы из которой вырезался образец.

Тензометрирование и использование метода конечных элементов показали, что при одноосном растяжении выше описанного образца в цен­тре его рабочей части, составляющей 1/3 ширины, реализуется двухосное напряженно-деформированное состояние, соответствующее напряженно-деформированному состоянию стенки трубы, нагруженной внутренним давлением. При этом делается допущение, что механические характери­стики стенки трубы одинаковы вдоль и поперек проката.

Циклические испытания проведены на машине ZDM-100Pu (Германия). Перед закреплением образца в захваты машины, его концы выпрямлялись на прессе.

Реальная сварная конструкция всегда имеет поверхностные концен­траторы напряжений, связанные с конструктивно-технологическими осо­бенностями, транспортировкой, монтажом и т. д. Наиболее опасными яв­ляются трещиноподобные концентраторы, так как создают максимальную концентрацию напряжений и при прочих равных условиях являются зоной зарождения магистральной трещины в процессе длительной эксплуатации трубопровода.

Построение кинетических диаграмм усталостного нагружения (КДУР) в координатах: «величина подрастающей усталостной трещины за цикл dа/dN – К, текущее значение концентратора интенсивности напряже­ний (КИН) в вершине развивающейся трещины», является наиболее досто­верным и информативным методом испытания крупномасштабных образ­цов-свидетелей с конструктивными концентраторами напряжений, так как позволяет моделировать реальные условия эксплуатации трубопроводов при создании НДС в рабочей части образца, аналогичного НДС стенки трубопровода, нагруженного внутренним давлением.

Для слежения за динамикой и топографией развития усталостной трещины от поверхностного искусственного трещиноподобного концен­тратора напряжений, нанесенного фрезой толщиной 0,2 мм, глубиной 1,5 мм и протяженностью 20 мм, использовался метод «меток».

Суть метода заключается в следующем. В рабочем режиме нагруже­ния (в нашем случае σmax = 0,9σТ, асимметрия цикла нагружения R = 0,5, частота нагружения 120 циклов/мин) дается 1·104 циклов нагружения. Да­лее, не останавливая нагружение, σmax растяжения за цикл снижается до значений σmах = 0,6σТ, R = 0,5, дается 5·103 циклов нагружения, после чего, σmах поднимается до σmax = 0,9σТ, R = 0,5 и так до разрушения образца. Периодическое изменение максимальных напряжений за цикл ме­няет величину проскока усталостной трещины, сказывается на шерохова­тости усталостного излома и делает видимым контуры трещины на разных стадиях ее развития (рисунок 2).

Рисунок 2 – Поверхность усталостного разрушения при использовании метода меток

Для оценки влияния параметров нагружения на коррозионно-механические характеристики трубных сталей 17Г1С и Х70 из труб аварийного запаса (труба Ø1420 х 18,5 мм из стали Х70 и труба Ø1220 х 12,5 мм из стали 17Г1С) вырезались вдоль образующей сегменты длиной 450 мм, шириной 160 мм для толщины 18,5 мм и 120 мм для толщины 12,5 мм.

Из трубных сегментов изготавливались образцы, имеющие ширину рабочей части 120 мм для толщины 18,5 мм и 80 мм для толщины 12,5 мм. Образцы из каждой трубной стали разбивались на две группы. Одна группа получала предварительное циклическое нагружение при σmах = 0,9σТ, R = 0,6, другая при σmах = 0,9σТ, но при R = 0,8. На образцы наносились по два поверхностных концентратора напряжений на расстоянии 70 мм по оси рабочей части. Параметры образцов приведены выше. На один из двух поверхностных концентраторов напряжений крепилась коррозионная ячейка с 3 % водным раствором NaCl и добавками согласно рекомендации Американской ассоциации коррозионистов для имитации грунтового электролита. Среда имела рН = 7,1, конструкция коррозионной ячейки позволила имитировать эффект подпленочной коррозии. Таким образом, при испытании одного образца удавалось одновременно оценивать сопротивляемость трубной стали циклическому разрушению, как на воздухе, так и в коррозионноактивной среде.

После нанесения поверхностных концентраторов обе группы образ­цов нагружались до разрушения при σmах = 0,9σТ, R = 0,5, метки ставились при σmах = 0,6σТ, R = 0,5. При разрушении образца от одного из поверхност­ных концентраторов напряжений по другому концентратору производили боковые надрезы для уменьшения живого сечения и долом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Разрушение в среде (а) и долом на воздухе образца из трубной стали Х70 (предварительное нагружение при асимметрии цикла R = 0,8)

Проведенные испытания показали, что при предварительном нагружении образцов на базе 5·105 циклов при σmах = 0,9σТ и асимметрии цикла R = 0,6 сформировало коэффициент поврежденности kp в стали Х70 на уровне 2,1 – 2,2 в стали 17Г1С в диапазоне 1,7 – 1,9, а при асимметрии цикла R = 0,8 коэффициент поврежденности kр для стали Х70 достиг значения 3,4-3,7, для стали 17Г1С остался на уровне 1,6 – 1,8.

Усталостное разрушение образцов первой и второй группы из сталей Х70 и 17Г1С так же имело существенное различие. Если образцы из стали 17Г1С первой и второй группы разрушались от поверхностного концен­тратора на воздухе и значения циклической трещиностойкости лежали в диапазоне разброса (рисунок 4), то образцы из стали Х70 при разрушении меняли механизм разрушения в зависимости от асимметрии цикла предварительного нагружения.

Рисунок 4 – Кинематические диаграммы усталостного разрушения трубных сталей Х70 и 17Г1С на воздухе и в коррозионно-активной среде;

○ – сталь 17Г1С на воздухе, предварительное нагружение при R = 0,6; ● – сталь 17Г1С в среде, предварительное нагружение при R = 0,6; – сталь 17Г1С на воздухе, предварительное нагружение при R = 0,8; – сталь 17Г1С в среде, предварительное нагружение при R = 0,8; □ – сталь Х70 на воздухе, предварительное нагружение при R = 0,6; ■ – сталь Х70 в среде, предварительное нагружение при R = 0,6; ◊ – сталь Х70 на воздухе, предварительное нагружение при R = 0,8; ♦ – сталь Х70 в среде, предварительное нагружение при R = 0,8

После предварительного нагружения при R = 0,6 образцы из стали Х70 разрушались на воздухе и глубина усталостной поверхностной трещины в среде, в этот момент, составляла 0,5 – 0,7 от толщины образца, а при R = 0,8 разрушение происходило от поверхностного концентратора в среде. Глубина усталостной трещины на воздухе, определяемая после долома, составляла 0,7 – 0,85 от толщины рабочей части образца.

На механизм усталостного разрушения стали 17Г1С от концентра­тора на воздухе и в среде влияние асимметрии циклов предварительного нагружения не обнаружено. Для стали Х70 повышение асимметрии цикла предварительного нагружения с 0,6 до 0,8 снизило инкубационный период зарождения усталостной трещины от поверхностного концентратора на­пряжений на воздухе при одновременном падении значения Кth (пороговый КИН, при котором в образце с заранее выращенной трещиной начинается ее распространение в условиях циклического нагружения) на 30 – 37 % (рисунок 4). В среде механизм усталостного разрушения, ускоренный коррозией, менялся на КРН при прохождении фронта трещины через поверхностные слои проката, составляющие до 20 % его толщины. Далее происходило некоторое торможение развивающейся трещины и в изломе появились значительные участки анодного растворения.

В четвертой главе рассмотрена возможность диагностирования со­стояния стенки трубопровода на базе процесса микровдавливания и пред­ложены подходы для оценки ее несущей способности с поверхностными концентраторами напряжений типа «стресс-коррозионные поражения».

Анализ разрушения трубной стали Х70 при КРН внешней поверхно­сти трубы показал, что появление сетки трещин фиксированной глубины имеет две стадии. На первом этапе в процессе длительного нестационар­ного нагружения поверхностные слои, составляющие до 20 % от толщины стенки (проката), активно накапливают рассеянную поврежденность и при контакте с грунтовым электролитом в поле высоких растягивающих на­пряжений возможен переход коррозионно-механического разрушения по­верхностных слоев металла от анодного растворения к КРН. На кинетиче­ской диаграмме усталостного разрушения (КДУР) стали Х70 (рисунок 4) этот этап разрушения характеризуется интенсивным подрастанием усталостной трещины.

Второй этап начинается после прохождения слоя металла с повы­шенной накопленной поврежденностью. Развитие вглубь сетки трещин резко тормозится, т. к. в глубинных слоях металла еще не созданы условия для развития КРН. В устье поверхностных трещин начинает активно раз­виваться процесс анодного растворения (рисунок 5), приводящий к размы­ванию и притуплению вершин. На КДУР стали Х70 (рисунок 4) в среде отмечается резкий перелом кривой.

Определение коэффициента поврежденности kр на поверхности тем­плетов, вырезанных из труб стали Х70 с поражением КРН и образцов с предварительным циклическим нагружением при R = 0,8 показало, что при значении kр более 3,8 металл поверхности трубы становится склонным к КРН в грунтовом электролите. Для оценки работоспособности стенки газопровода со стресс-коррозионными поражениями из катушки труб, выполненных из стали Х70 Ø1420 с толщиной стенок 16,7, 17,2 и 18,0 мм, вы-

а

а

б

Рисунок 5 – Топография поверхностных трещин по типу КРН в трубной стали Х70;

а – развитие сетки поверхностных трещин в глубину стенки трубы; б – устье и вершина поверхностной трещины, зародившейся по типу КРН

резались триплеты с сеткой поверхностных трещин по типу КРН. На всех вырезанных триплетах максимальная глубина поверхностных трещин лежала в диапазоне 3,2 – 3,6 мм. К триплетам приваривались пластины под захваты разрывной машины и изготавливались образцы 4 типов для последующих циклических испытаний (рисунок 6, а).

В первой группе были образцы с вставками, имеющими сетку экс­плуатационных поверхностных трещин по типу КРН.

Во второй группе образцов поверхностные трещины вышлифовыва­лись на глубину 4,0 мм.

В третьей группе вставки не имели поверхностных эксплуатацион­ных трещин, но в них наносились два поверхностных надреза фрезой 0,2 мм на глубину 3,5 мм и протяженностью 23 мм. Вставки изготавливались из триплетов, которые вырезались из катушек со стресс-коррозионными поражениями. При циклических испытаниях один из двух поверхностных надрезов находился в коррозионной ячейке со средой, имеющей рН = 7,0.

10 · 104 8 · 104 6 · 104 4 · 104 2 · 104

Рисунок 6 – Крупномасштабный образец со вставками (а) и гистограммы циклической долговечности образцов со вставками из стали Х70 после длительной эксплуатации (б);

I гр. – вставки с поверхностными трещинами по типу КРН; II гр. – вставки с вышлифованными поверхностными трещинами на глубину 4,0 мм; III гр. – вставки с двумя поверхностными надрезами фрезой толщиной 0,2 мм, глубиной 3,5 мм и протяженностью 23 мм; IV гр. – вставки с заваркой вышлифовки РДС электродами ЛБ – 52У Ø 2,6 мм

В четвертой группе образцов поверхностные трещины на вставках вышлифовывались на глубину 4,0 мм, после чего проводили наплавку вы­шлифовки вдоль оси образца штучными электродами ЛБ-52У диаметром 2,6 мм, перекрытие валиков 30 – 40 %. После наплавки усиление шва уда­лялось.

Циклическое нагружение образцов всех четырех групп до разруше­ния вели на машине ЦД-100-ПУ при σmах = 0,9σТ и R = 0,5, частота нагру­жения 120 цикл/мин. Результаты испытаний приведены на рисунке 6,б.

Вышлифовка сетки поверхностных трещин на глубину 20 – 25 % от толщины вставки увеличила их циклическую долговечность на 17 – 25 % при сравнении с образцами, имеющими сетку трещин по типу КРН (рисунок 6,б – II гр.).

Все образцы IV группы (электродуговая наплавка вышлифовки) разрушились по зоне сплавления шва наплавки с металлом вставки. В этом случае количество циклов до разрушения образца зависело от степени накопленной поврежденности металлом вставки после длительной эксплуатации газопровода (значения коэффициента kр). Максимальную долговечность (6,9·104 циклов) показал образец с kр металла вставки на уровне 3,3 (рисунок 6,б – IV гр.).

Проведенные исследования послужили основой для разработки СТО Газпром «Методика оценки текущих физико-механических характеристик металла газопровода и сварных соединений без остановки эксплуатации на базе процесса микровдавливания».

Установлена особенность коррозионно-механического разрушения трубных сталей контролированной прокатки класса прочности Х70, связанная с неоднородностью свойств металла по толщине трубного проката. При определенном уровне накопленной рассеянной поврежденности поверхностными слоями, размер которых составляет 20 – 25 % от толщины стенки трубы, делает их склонными к КРН, а наложение, в этом случае, термодеформационного цикла сварки может привести к ускоренному разрушению стенки трубы по зоне сплавления шва с основным металлом. Это дало основание для разработки технологии ремонта труб из сталей контролируемой прокатки класса прочности Х70 с поверхностной сеткой трещин по типу КРН глубиной до 25 % от толщины трубы без применения электродуговой наплавки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.  Установлено влияние асимметрии циклов нестационарного нагружения на интенсивность накопления рассеянной поврежденности в стенке магистральных газопроводов, выполненных из стали контролируе­мой прокатки класса прочности Х70, приводящее к снижению сопротив­ляемости разрушению. Так, увеличение асимметрии цикла нагружения R с 0,6 до 0,8 при σmax = 0,9σТ приводит к уменьшению на 30 – 37 % значения коэффициента интенсивности напряжений, при котором от поверхностного трещиноподобного концентратора напряжений в крупномасштабном об­разце зарождается усталостная магистральная трещина. У газопроводных труб из стали 17Г1С такого эффекта не обнаружено.

2.  Показано, что введенный коэффициент поврежденности kр, определяемый по результатам замеров микротвердости на диагностируе­мой поверхности трубопровода, корректно отражает процесс накопления рассеянной поврежденности, приводящий к изменениям коррозионно-ме­ханических характеристик металла стенки трубопроводов при длительном нестационарном нагружении. Для трубной стали контролируемой про­катки Х70 установлены пороговые значения коэффициента поврежденно­сти kр при которых металл становится склонным к коррозионному растрес­киванию под напряжением. Для трубной стали 17Г1С также установлена корреляция между показателями коэффициента поврежденности kр и со­противляемостью разрушению.

3.  Установлено, что разрушение газопроводных труб из стали контролируемой прокатки Х70 в коррозионно-активной среде в процессе длительной эксплуатации может протекать по двум ведущим механизмам: питтинговая коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). Развитие разрушения по типу КРН в условиях нестационарного нагружения протекает, главным образом, в поверхностных слоях, составляющих 12 – 20 % от толщины стенки труб из стали Х70, далее по механизму усталостного разрушения от поверхностного трещиноподобного концентратора напряжений, ускоренного коррозионно-активной средой.

4.  Установлено, что у газопроводных труб из стали контролируемой прокатки типа Х70 по толщине стенки существует значительная гетерогенность слоев ме­талла по сопротивляемости коррозионно-механическому воздействию. Самые низкие показатели у поверхностных слоев, составляющих 12 – 20 % от толщины проката, но не более 3,0 – 4,0 мм. Так, при значении коэффициента поврежден­ности kр поверхностных слоев на уровне 3,8 – 4,2 металл становится склонным к коррозионному растрескиванию под напряжением в средах с рН 6,7 – 7,2.

5.  Проведенные сравнительные циклические испытания на растяже­ние крупномасштабных образцов из газопроводных труб со вставками, имеющими эксплуатаци­онные поверхностные трещины по типу КРН глубиной не более 3,2 – 3,5 мм и со вставками с вышлифовкой эксплуатационных трещин на глубину 4,0 мм показали, что вышлифовка повысила циклическую долговечность образцов на 17 – 25 %.

6.  Сетка поверхностных трещин по типу КРН на газопроводных трубах, выполненных из стали Х70, оказывает такое же влияние на циклическую долговечность крупномас­штабных образцов на воздухе и в нейтральной коррозионно-активной среде, как и одиночные трещиноподобные поверхностные концентраторы напряжений (нанесенные фрезой толщиной 0,2 мм) глубиной, соответст­вующей максимальной трещине по типу КРН и расположенной в сетке та­ких же поверхностных трещин.

7.  Электродуговая заварка вышлифовки поверхностных эксплуатационных трещин на вставке крупномасштабных образцов с последующим удалением усиления наплавки не привела к повышению циклической долговечности данных образцов в сравнении с образцами, у которых на вставках имелась сетка поверхностных эксплуатационных трещин по типу КРН. Разрушение наступало по линии сплавления шва с основным металлом вставки, вырезанным из газопроводной трубы после длительной экс­плуатации. Циклическая долговечность таких образцов определялась сте­пенью накопленной поврежденности металлом вставки из стали Х70.

8.  На основе полученных результатов разработан СТО Газпром «Методика оценки текущих физико-механических характеристик металла газопровода и сварных соединений без остановки эксплуатации на базе процесса микровдавливания».

Основные положения диссертации опубликовано в работах:

1.  Зорин влияния вида нагружения на сопротивляе­мость разрушению трубных сталей контролируемой прокатки класса прочности Х70. // Материалы 6-ой Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности». – М.: РГУ нефти и газа им. Губкина. – 2005. – С. 95 – 97.

2.  Зорин параметров нестационарного нагружения на сопротивляемость разрушению трубных сталей // Научно-технический вестник Ивановского государственного энергетического университета - Вып. № 4. – 2006. – С. 90-91.

3.  Зорин параметров нестационарного нагружения на сопротивляемость разрушению трубных сталей. // Тезисы докладов 60-ой Межвузовская студенческая научная конференция «Нефть и Газ – 2006». – М.: РГУ нефти и газа им. Губкина. – 2006. – С. 32.

4.  Патент РФ на изобретение № 000 от 01.01.2001./Способ опре­деления поврежденности объекта.// Авторы: , ,

5.  Зорин , влияющие на коррозионно-механические ха­рактеристики трубных сталей в процессе длительной эксплуатации // На­учно-технический сборник РГУ нефти и газа «Магистральные и промы­словые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация и ре­монт. – Вып.1 – 2008. – С.43 – 47.

6.  , , Зорин диагно­стика состояния металла сварных конструкций (в процессе длительной эксплуатации) // Нефть, газ и бизнес. – 2009. – № 7 – 8. – С.67-73.

7.  , Зорин диагностика на базе процесса микровдавливания механических характеристик сварных соединений в процессе длительной эксплуатации.// Сварка и диагностика. – № 5. – 2009.
– С.14-17.

8.  , Шапшалов влияния темодеформацион­ного цикла сварки на работоспособность соединений, выполненных на трубопроводах из стали контролируемой прокатки после длительной экс­плуатации // Сварочное производство. – №11. – 2009. – С.15-17.

9.  , Самсонов параметров нестационарного нагружения на коррозионное растрескивание под напряжением трубной стали Х70 // Нефть, газ и бизнес. – 2010. – № 1. – С.53-57.

Подписано к печати « » 20 г.

Заказ №

Тираж 100 экз.

уч. – изд. л, ф-т 60х84/16

Отпечатано в ВНИИГАЗ»,

Московская область,

Ленинский р-н, п. Развилка, ВНИИГАЗ»