Оценка склонности к замедленному разрушению объектов систем газораспределения(Автореферат)

На правах рукописи

САНДАКОВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (Нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005

2 Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Бакиев Тагир Ахметович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович; доктор технических наук, профессор Гареев Алексей Габдуллович.

Ведущее предприятие

ОАО «Газ-сервис» филиал «Уфагаз».

Защита состоится 4 марта 2005 года в 16-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета. Автореферат разослан «3» февраля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.М. Закирничная

3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Основным объектом систем газораспределения и газопотребления являются наружные газопроводы подземного и наземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). Эти газораспределительные сети относятся к потенциально опасным производственным объектам. Из года в год доля трубопроводов, длительно работающих (более 40 лет) под действием постоянного давления перекачиваемого газа, интенсивно увеличивается. Заменить их на новые практически нереально, рациональным является дальнейшая безопасная эксплуатация путем полного использования ресурсов несущей способности. Решение этой задачи требует научного подхода – необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений его механических свойств в процессе длительного нагружения. Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах, называется ползучестью. Воздействие внешних нагрузок и условия продолжительной эксплуатации газопроводов создают все условия для протекания процессов замедленного разрушения. Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу неисследованных. С учетом увеличения протяженности старых газопроводов (эксплуатируемых более 40 лет), установление склонности металла труб к замедленному разрушению и влияния этого явления на служебные свойства стали представляет большую актуальность.

4 Цель работы. Оценка влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей. Задачи исследований 1. Изучение условий эксплуатации подземных газопроводов и проявления процесса замедленного разрушения. 2. Исследование влияния процессов усталости и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб. 3. Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения. 4. Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей. Научная новизна 1. Установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старения; воздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящими к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающими энергию связи между кристаллическими зернами. 2. Разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного. Практическая ценность 1. Разработанная методика позволяет оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению и определить его физическое состояние в зависимости от длительности эксплуатации. Преимущества использования данной ме-

5 тодики заключается в том, что, не проводя длительные испытания, можно путем расчета определить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУП «БашНИИнефтемаш». 2. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла, для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения – стальных подземных трубопроводов. Научные результаты включены в программы обучения специалистов НПОУ Инженерный Центр «Техника», г. Уфа. Апробация работы Результаты научных исследований докладывались и обсуждались: − на Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2004 г.); − Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии и химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004 г.); − Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы – технологии – доходы» (Уфа, 2004 г.); − IV международной научно-технической конференции «Сварка, Контроль, Реновация – 2004» (Уфа, 2004 г.). Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.

6 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткая характеристика полученных результатов диссертационной работы, сведения о научной новизне, практической ценности и апробации работы. Отражен личный вклад автора в теоретические и практические разработки. В первой главе приводятся сведения о подземных городских газопроводах как основном объекте систем газопотребления и газораспределения, об условиях их эксплуатации и техническом состоянии, подходах к определению и обеспечению безопасности эксплуатации. Газификация городов России началась в 50-х годах прошлого столетия. По укрупненной оценке примерно 40% фонда городских и поселковых газопроводов имеют возраст около 20 лет («стареющие» газопроводы), около 30% – до 40 лет («ветхие» газопроводы) и лишь 20% газопроводов могут считаться «молодыми». Подземные трубопроводы газораспределительных организаций в процессе эксплуатации подвержены действию постоянной статической нагрузки. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеет место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов и даже аварий. Зачастую газопроводы соседствуют с электрифицированными путями, подземными трубопроводами различного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач, создающими интенсивное поле блуждающих токов, приводящих к коррозионному воздействию на металл. Надземные газопроводы имеют компенсирующие устройства, скользящие опоры, а подземные в городских условиях проходят под автомобильными дорогами и рельсовыми путями. Все это вызывает циклические нагрузки, которые могут привести к деформационному старению и порождать усталостные трещины. В то же время необходимо отметить, что частотность циклических колебаний давления перекачиваемого газа незначительна, внутренняя поверхность труб практически не подвергается коррозионному и эрозионному износу.

7 Существует вероятность наводораживания металла газопроводов. Однако эти вопросы можно отнести с учетом условий эксплуатации газопроводов к совершенно неисследованным. Таким образом, городской газопровод по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным трубопроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.08-87 для строительства систем газоснабжения применяются трубы, изготовленные из углеродистой стали обыкновенного качества, а также из качественной стали и низколегированных, хорошо свариваемых и содержащих не более 0,25% углерода. На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС. К основным примесным элементам относятся Mn, Si, и в незначительном количестве (0,3%) могут присутствовать Cr, Ni и Cu. У этих сталей хорошая свариваемость, они широко применяются в нефтяной отрасли, в частности в нефтехимическом аппаратостроении. Листы из этих сталей поставляются в холоднокатаном и горячекатаном состояниях. У холоднокатаного металла кристаллические зерна текстурованы, вытянуты в направлении прокатки, а у горячекатаного кристаллические зерна имеют равноосный вид. В этих сталях, возможно, присутствуют в небольшом количестве и другие элементы, например S и Р и др. Следует также отметить, что в них присутствуют неметаллические включения (сульфиды, окислы, нитриды) и дефекты технологического, механического и коррозионного происхождения.

8 В целом эти стали имеют высокие пластические свойства и хорошую свариваемость. По сопротивляемости к действию коррозионных сред относятся к мало- и пониженно-стойким. В качестве статистических показателей причин аварийности на объектах трубопроводного транспорта приняты коррозия, внешнее механическое воздействие, брак в изготовлении труб и выполнении строительно-монтажных работ, ошибочные действия персонала. Анализ реестра повреждений длительно эксплуатируемых газопроводов (с 1954 г.) предприятия «Уфагаз» показывает, что отказы имеют преимущественно коррозионное происхождение и составляет около 45% от общего числа повреждений. В некоторых научных работах, посвященных аварийности на объектах трубопроводного транспорта, например, указывается, что усталость и старение металла труб вызывает замедленное разрушение, однако при этом не приводятся количественные данные отказов по этой причине, что можно объяснить лишь неизученностью этих процессов. К настоящему времени доля длительно эксплуатируемых газопроводов (более 40 лет) из года в год интенсивно растет. Деградационные изменения механических свойств при этом являются неоспоримым фактом. Ухудшение физического состояния металла газопроводов в основном оценивается показателями уменьшения отношения предела прочности к пределу текучести, снижением ударной вязкости металла. Однако количественное снижение этих механических свойств не превышает допустимых нормативных значений и не дает возможности оценивать продолжительность дальнейшей безопасной эксплуатации этих объектов, хотя эти изменения свойств несомненно свидетельствуют о протекании структурных изменений в металле труб. Изменению свойств металла, которые в последующем могут привести к замедленному разрушению газопроводов, способствуют множество факторов, действующих в отдельности и в совокупности.

9 Проведенные нами исследования показали, что условия для протекания процессов замедленного разрушения при длительной эксплуатации городских газопроводов имеют место. К числу факторов, приводящих к развитию явления замедленного разрушения в металле, относятся: − деформационное старение; − пластические деформации, которые появляются при изготовлении, строительстве и эксплуатации; − образование структур закалки; − воздействие перекачиваемого продукта и грунта. Применительно к газопроводам это сложное явление относится к числу неизученных и представляет несомненную актуальность. Без этого не представляются возможными установление научнообоснованных норм правильной эксплуатации и продление сроков безопасной эксплуатации. Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов выявления причин, создающих условия для замедленного разрушения, и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа. Вторая глава посвящена описанию сущности замедленного разрушения металла под действием статической нагрузки, условий его возникновения и проявления на исследуемых объектах. Впервые это явление было обнаружено на закаленных сталях и некоторых сплавах. Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанную в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Екобори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др. В диссертации подробно описаны известные по литературным источникам теоретические и экспериментальные сведения:

10 − о факторах, обусловливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах; − об условиях его протекания под действием статических нагрузок; − о структурном механизме (эволюции тонкой структуры металла) при замедленном разрушении; − конечных эффектах замедленного разрушения и их влиянии на служебные свойства металлов. Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора замедленного разрушения) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лютцау В.Г. За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, находившихся в процессе длительной эксплуатации в трассовых условиях. Среди авторов – Ямалеев К.М., Гумеров А.Г., Кершенбаум В.Я., Гумеров К.М. Металл

труб

магистральных

нефтепроводов

находится

в

сложно-

напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены лабораторными методами количественные значения уменьшения относительного удлинения на 18-20%, ударной вязкости примерно в 2 раза, повышения предела прочности и текучести на 8-10%. При этом уменьшается отношение предела прочности к пределу текучести. Все эти факты указывают на старение металла труб при длительной эксплуатации. Изучение изменения тонкой структуры на сталях длительно нагруженных нефтепроводов и газораспределительных сетей показывает единый характер происходящих изменений, механизмы которых объяснены на основании результатов вышеприведенных исследований и отражены в выводах работы. При длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 14ХГС, 19Г, 17ГС и Ц21 показано, что на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блоки-

11 ровка дислокации примесными атомами, эволюция дислокационной структуры. Все эти процессы приводят к увеличению внутренней энергии металла и уменьшению связи между кристаллическими зернами, а следовательно, к уменьшению пластичности и увеличению склонности к замедленному разрушению. Методом измерения величины прогиба образцов установлено, что за период около 30 лет эксплуатации эти стали теряют пластические свойства примерно на 15-20%. Показаны особенности их замедленного разрушения при закалке. Результаты вышеприведенных исследований использовались в настоящей работе для сопоставления и обоснования объяснений причин потерь прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении экспериментов. В третьей главе приведены результаты выполненных экспериментальных исследований по выявлению склонности к замедленному разрушению металла труб подземных газопроводов, длительно находящихся под действием постоянной нагрузки в процессе эксплуатации. Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным изменениям тонкой структуры металла, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких, в первую очередь, отнесли деформационное старение и усталость металла труб. В конечном счете, эти процессы в длительно эксплуатируемых газопроводах приводят к образованию охрупченных микрообластей, созданию дополнительных внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребления. Имеется множество методов изучения деформационного старения как прямых, так и косвенных. Для определения остаточной пластичности в работе выбрали метод расхождения берегов концентратора напряжений (рис. 1). Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле

12

П=

(К к − К о ) ⋅ С д Ко

⋅100% ,

(1)

где К к и К о – соответственно конечная и начальная величина расхождения берегов концентратора;

С д – коэффициент деформационного старения (для стали, эксплуатируемой приблизительно 36 лет, его значение находится в пределах 1,30-1,35). Измерение расхождения берегов концентратора напряжений производилось с помощью лупы Ли-2-8х и кварцевой нити.

Рис. 1. Схема установки для определения расхождения берегов концентратора напряжений Этот метод, основанный на изгибе образцов, является более подходящим для исследования охрупчивания сталей, которое происходит при деформационном старении. Кроме того, изгиб относится, по сравнению с методом растяжения, к мягкому нагружению, в нем не происходят перекосы во время нагружения образцов. С помощью метода изгиба, в частности путем измерения расхождения берегов, можно более точно установить состояние охрупченности металла. Исследования проводили на стандартных образцах прямоугольного сечения размерами 140×12×8 мм из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении как городских газопроводов, так и магистральных нефтепроводов.

13 Во всех экспериментах образцы изготавливали из металлов труб, которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий. Часть образцов подвергалась отжигу при температуре 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения металла. В табл. 1 приведены данные по измерению расхождения берегов концентратора образцов из стали 17ГС под приложенной нагрузке Q. Таблица 1 Время эксплуатации, лет

19

29

36 29 + отжиг

К о , мм К оизм

7,08 7,09 7,07 7,05 7,03 7,07 6,8 7,0 6,9 7,10 7,15 7,05

ср Ко

7,08

7,05

6,9

7,10

К о , мм

К кизм

7,8 7,6 7,7 7,7 7,5 7,3 7,3 7,2 7,1 9,10 9,11 9,09

ср

ср

ср Кк

Кк − Ко

7,70

0,62

7,50

0,45

Q, Н

1254,4 7,10

0,20

9,10

2,00

Как видно из полученных данных, с увеличением времени эксплуатации расхождение берегов уменьшается, что указывает на деформационную состаренность исследованной стали марки 17ГС, на ее охрупченность в микрообластях. Проведенная оценка потери пластичности стали 17ГС на основе полученных данных за 36 лет эксплуатации составляет 8-10%. Это, несомненно, связано как с блокировкой дислокации примесными атомами, так и торможением дислокации границами зерен. Эти процессы приводят к уменьшению движения дислокации, т.е. потере пластичности стали 17ГС. Таким образом, при длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшает-

14 ся, что непременно должно учитываться при оценке промышленной безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с концентрацией напряжений, т.е. с увеличением склонности стали 17ГС к замедленному разрушению. Потеря пластичности стали при ее работе в подземных трубопроводах газораспределительных систем примерно в 2 раза меньше, чем в магистральных нефтепроводах, что можно объяснить редуцированным давлением транспортируемого газа. В работе установлена временная зависимость прочности стали от нагрузки при замедленном разрушении трубопроводных сталей. Сопротивление разрушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки. Это явление в основном было исследовано на закаленных сталях, алюминиевых и титановых сплавах. Оно совершенно не изучено на деформационносостаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации. Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Нестандартные образцы размерами в рабочей части 60×6×3 мм были изготовлены из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной стали 17ГС. Чтобы изучить характер деформации в результате длительного нагружения на одной партии образцов было просверлено отверстие диаметром 1,3 мм. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа (рис. 2). На установке испытывали одновременно два образца совершенно в одинаковых условиях. Это позволило попарно испытать деформационносостаренный и отожженный, с целью их сопоставления. Часть образцов отжигали при температуре 600°С в течение 1 часа и охлаждали вместе с печью с целью снятия эффекта старения. До проведения экспериментов по определению времени замедленного разрушения образцы подвергались испытанию на разрывной машине «Инстрон» с целью установления пределов текучести и прочности материала.

15

Рис. 2. Схема установки для испытания образцов на замедленное разрушение: 1, 2 – образцы; 3 – держатель; 4 – стойка; 5 – рычаг; 6 – основание; 7 – груз; 8 - измерительная линейка

В табл. 2 приведены значения времени замедленного разрушения образцов. Таблица 2 Марка стали

Ст3 Сталь 20 Ст4

17ГС

Продолжительность эксплуатации, лет

Предел текучести, σт, МПа

Напряжение испытания, σи, МПа

Время разрушения, час

42+отжиг 42 42 41+отжиг 41 41 42+отжиг 42 42 36+отжиг 36 36 36

248 257 257 259 268 268 260 269 269 355 366 366 366

248 (0,95-1,00)⋅σт (0,90-0,95)⋅σт 259 (0,95-1,00)⋅σт (0,90-0,95)⋅σт 260 (0,95-1,00)⋅σт (0,90-0,95)⋅σт 355 (0,95-1,00)⋅σт (0,90-0,95)⋅σт (0,80-0,85)⋅σт

305 605 307 633 309 635 410 628 700

16 Как видно из полученных данных, образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях даже меньших предела текучести. Фрактографическое исследование изломов показывает, что кромка разрыва образуется под прямым углом к оси образца, сам излом зернистый, кристаллический. Волокнистая часть излома незначительна. У неразрушенных образцов произошло изменение круглого отверстия в эллипс с соотношением осей 1:2. Эти факты указывают на наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшение энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении сталей. Следовательно, при длительной эксплуатации газопроводов происходит динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл был деформирован еще при изготовлении труб, и во время эксплуатации деформируются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы деформационного старения, в результате которых образуются охрупченные границы зерен из-за образования зародышей карбидных частиц, а также из-за скопления атомов Si по границам зерен, т.е. создаются условия для замедленного разрушения металла. Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь – подземные с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению. Особенно быстрое разрушение наблюдается у подземных газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает полной электропроводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по отношению к эксплуатируемым трубопроводам, что приводит к их электрохимической коррозии.

17 Особенностью решаемой задачи является изучение влияния факторов деформационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения. Специальные образцы изготавливали из тех же сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и 17ГС для коррозионного исследования. Часть образцов от каждой стали также подвергали отжигу при 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения. В качестве коррозионно-активной среды был использован 3% раствор NaCl. Нагружение образцов осуществлялось на испытательной установке, имеющей рычажную систему. В табл. 3 приведены значения времени замедленного разрушения образцов в коррозионной среде. Таблица 3 Сталь

Ст3 Ст4 Сталь 20 17ГС

Продолжительность эксплуатации, лет

Предел текучести, σт, МПа

Напряжение испытания, σи, МПа

Время разрушения, час

42+отжиг 42 42+отжиг 42 41+отжиг 41 36+отжиг 36

248 257 260 269 259 268 355 366

248 (0,90-0,95)⋅σт 260 (0,90-0,95)⋅σт 259 (0,90-0,95)⋅σт 355 (0,90-0,95)⋅σт

544 540 538 700

Параллельно проведенные исследования на воздухе при таких же нагрузках показали следующие результаты: Ст3 разрушилась через 605 часов, Ст4 – через 635 часов, Сталь 20 – через 633 часа, и 17ГС – через 860 часов. Как видно из полученных данных, в среднем время замедленного разрушения образцов в коррозионной среде меньше на 15%, чем на воздухе. Следовательно, коррозионная среда во всех исследованных случаях значительно ускоряет процесс замедленного разрушения металла газопроводных труб.

18 Использованные в настоящей работе экспериментальные методы определения времени разрушения образцов могут быть применены для определения сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения длительно эксплуатируемых подземных стальных газопроводов. Одним из факторов, вызывающих процесс замедленного разрушения в сталях, является образование закалочных структур. При определенных условиях в металле шва и зоне термического влияния газопроводных сталей, которые в основном состоят из углеродистых и низколегированных сталей, возможно образование мартенсита. Образцы из углеродистой стали 20 после закалки испытывали на замедленное разрушение на той же установке рычажного типа (см. рис. 2). Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разрушения деформационно-состаренных сталей по сравнению со сталями, имеющими в своем составе закалочные структуры. Полученные экспериментальные данные показывают, что у состаренных сталей, в результате длительной эксплуатации разница между временами разрушения при напряжениях 0,95σт-1,00σт и 0,90σт незначительна. Например, для Стали 20 она составляет в среднем 300-600 часов, соответственно, а для образцов этой же стали, имеющих структуру закалки она составляет порядка 290 и 800 часов. Это объясняется тем, что в результате закалки образуются мартенсит и остаточный аустенит, которые создают дополнительные напряжения. Однако при внешних статических нагрузках, соответствующих напряжениям, равным 0,95σт, разрушение закаленных образцов происходит быстрее за счет наличия мартенсита. При напряжениях 0,90σт, наоборот, разрушение наступает позже, чем у деформационно-состаренных образцов. Это объясняется тем, что мартенсит при напряжениях, близких к σт, быстро распадается даже при комнатной температуре, значит, остаются напряжения, создаваемые только остаточным аустенитом. Из-за этого уменьшается склонность стали к замедленному разрушению. Поэтому процесс разрушения образцов происходит в течение более

19 длительного времени, чем у образцов, изготовленных из деформационносостаренных сталей. Четвертая глава посвящена разработке методики расчетного определения времени замедленного разрушения металла газопроводов, находившихся под действием эксплуатационных нагрузок в течение длительного времени. В основу методики положено уравнение (2) для определения времени τ, за которое напряжение релаксирует от начального значения σо до конечного σк τ=

 1 1 1   , − (n − 1)AE  σon −1 σкn −1 

(2)

где Е – модуль упругости материала; n и А – постоянные величины. С целью учета эффектов деформационного старения и усталостных процессов нами в числитель уравнения (2) введен коэффициент Сд.у, тогда с учетом сказанного уравнение (4.3) примет вид τ=

 1 1   . − (n − 1)A ⋅ E  σon −1 σкn −1  С д.у

(3)

Коэффициент n характеризует пластические свойства материала и зависит от соотношения значений начального σо и конечного σк напряжений. Для углеродистых и низколегированных сталей значение n колеблется в пределах от 2 до 3.  σ  С д.у = С д 1 − т  ,  σв 

(4)

где Сд – коэффициент деформационного старения. Его величина зависит от длительности эксплуатации конструкции и растет во времени. Отношение предела текучести к пределу прочности σт⁄σв характеризует упрочнение (охрупчивание) металла. При длительном нагружении σт растет быстрее, чем σв.

20 Значения коэффициента деформационного старения и динамика изменения σт⁄σв для трубных сталей содержатся в ранее проведенных работах. Используя их, по формуле (4) рассчитывается коэффициент Сд.у. По известным n и Сд.у, экспериментально определив время замедленного разрушения на образцах, вычисляется значение постоянной А. Расчеты проводили для газопроводной стали марки 17ГС. Образцы были изготовлены из труб, которые эксплуатировались в условия городской черты г. Уфы на протяжении 36 лет. За это время предел текучести увеличился с 355 до 366 МПа. При расчетах для этой стали приняты: n = 2; модуль упругости Е = 2⋅105 МПа, Сд.у = 0,1. Время наступления разрушения образцов при начальном значении напряжения σо = σт составило 466 часов, а истинные напряжения, соответствующие моменту разрушения образцов – σк = 582 МПа. Из уравнения (3): А=

 1 1   . − (n − 1)τ ⋅ E  σon −1 σкn −1  С д.у

(5)

Подставив значения членов этого уравнения, получим А=

1   1 − = 1,12 ⋅ 10 −12 .  5 366 582   (2 − 1)466 ⋅ 2 ⋅10  0,1

По формуле (3) рассчитывали время разрушения образцов для трех значений напряжений σ01 = σт; σ02 = 0,9⋅σт и σ0,3 = 0,8⋅σт. Напряжение, соответствующее моменту разрушения образцов (σк), определяли исходя из экспериментальных данных, замеряя истинную площадь сечения образцов после разрыва (Sк) и нагрузку (Р), соответствующую моменту потери пластической устойчи Р   . вости образца  σ к = S  к

Используя значения вышеприведенных параметров и данных, полученных из экспериментов, вычислили для данной стали расчетные значения времени замедленного разрушения (табл. 4).

21 Таблица 4 Сталь

Продолжительность эксплуатации, лет

17ГС

36 36 36

σо, МПа

σ, МПа

σт = 366 0,9⋅σт = 329,4 0,8⋅σт = 292,8

σк, МПа

Время разрушения, τ, час

582 582 582

446 587 756

Для подтверждения расчетных значений дополнительно проводили длительные эксперименты по определению времени замедленного разрушения образцов из стали 17ГС (полученные значения представлены в табл. 2). Как видно из приведенных в табл. 4 данных, значения времени замедленного разрушения, полученные расчетным путем, вполне сопоставимы с данными эксперимента. Данная методика может быть использована для ускоренной оценки склонности металла труб к замедленному разрушению длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых газопроводов системы газораспределения и газоснабжения. Преимущество использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла труб эксплуатируемых трубопроводов. Для этого необходимо довести до разрыва образцы исследуемого металла и определить значения предела текучести и истинного напряжения. Значения постоянных для длительно эксплуатируемых трубопроводных (нефтегазопроводных) сталей известны (n = 2 и А = 1,12⋅10-12). Подставляя эти значения в формулу (3), можно вычислить (оценить) время замедленного разрушения металла трубы под действием статических нагрузок, имеющих место в реальных условиях эксплуатации. Полученные данные еще раз показывают, что при длительной эксплуатации газопроводов в результате усталости и деформационного старения на границах кристаллических зерен, окрестностях дефектов происходят накопление микропластических повреждений и увеличение внутренней энергии. Создаются условия к повышению склонности металла труб к замедленному разрушению.

22 Основные выводы и рекомендации 1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации, подвергаются длительному воздействию постоянной статической нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают циклические нагружения; могут иметь место локальные концентраторы напряжений, а также закаленные участки зоны термического влияния сварных швов. Условия длительной эксплуатации создают предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения металла труб. 2. При длительной эксплуатации газопроводов происходят существенные структурные изменения, вызванные усталостными явлениями и деформационным старением металла труб, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет генерации дислокаций и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковой, образования изгибных контуров как результата скопления дислокации одного знака, образования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла. 3. При исследовании образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхождения берегов концентратора напряжений обнаружена потеря пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 8-10%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию больших внутренних напряжений. 4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопротивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незначительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении.

23 5. Коррозионная среда ускоряет процесс замедленного разрушения деформационно-состаренного металла газопроводных труб. Время замедленного разрушения образцов, изготовленных из тех же сталей, в коррозионной среде меньше, чем на воздухе. 6. Обнаружена разница в замедленном разрушении стали, имеющей в составе закалочные структуры. При статических нагрузках, создающих напряжения, близкие к пределу текучести, разрушение закаленных образцов происходит быстрее, а при низких напряжениях, наоборот, разрушение наступает после длительного времени. Это объясняется быстрым распадом мартенсита, а остаточный аустенит не создает дополнительные внутренние напряжения. 7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального определения времени замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика рекомендуется для прогнозирования возможности безопасного срока дальнейшей эксплуатации газораспределительных сетей, а также для объяснения причин отказов на этих объектах. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. Сандаков В.А. Остаточная пластичность металла как критерий оценки эксплуатационной безопасности конструкций // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья: Материалы научно-практической конференции. – Уфа: Транстэк, 2004. – С. 17-19. 2. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. К обеспечению промышленной безопасности объектов газоснабжения с учетом замедленного разрушения стали // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного

транспорта

углеводородного

сырья:

Материалы

практической конференции. – Уфа: Транстэк, 2004. – С. 20-23.

научно-

24 3. Сандаков В.А. Влияние коррозионной среды на замедленное разрушение городских газопроводов // Реновация: отходы – технологии – доходы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа, 2004. – С. 208-210. 4. Сандаков В.А., Бакиев Т.А. Обеспечение безопасной эксплуатации городских газопроводов с учетом замедленного разрушения стали // Реновация: отходы – технологии – доходы: Материалы Всероссийской научнопрактической конференции. – Уфа, 2004. – С. 210-213. 5. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Методика расчета замедленного разрушения металла труб систем газоснабжения //Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа: Гилем, 2004. – С. 312-314. 6. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Некоторые особенности замедленного разрушения газопроводных сталей //Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа: Гилем, 2004. – С. 315-316. 7. Юнкин А.И., Сандаков В.А. Замедленное разрушение // Бергколлегия. – 2004. – №3. – С. 24-25. 8. Юнкин А.И., Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Оценка механических свойств металла длительно эксплуатируемых трубопроводов системы газоснабжения // Безопасность труда в промышленности. – 2004. – №9. – С. 15-16.