Введение к работе
Трубопроводы находят широкое применение во всех отраслях современной экономики. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, трубопроводы являются сложными, дорогостоящими и металлоемкими конструкциями. Расход стали на строительство нефтегазопроводов составляет от 2 до 3 млн. тонн в год.
Расчетный срок эксплуатации нефтегазопроводов определяется десятилетиями, однако статистика отказов свидетельствует о том, что проблема предотвращения хрупких, коррозионных и усталостных разрушений остается исключительно актуальной. Каждое аварийное разрушение трубопроводов, кроме больших материальных затрат приводит к загрязнению окружающей феды, так как зона распространения разрушений может простираться на большие расстояния.
Актуальность проблемы. Динамика разрушений нефтегазопроводов свидетельствует о том, что после 12-15 лет эксплуатации начинается устойчивый рост количества отказов. Анализ показал, что существующие нормы и правила расчета на прочность не учитывают всего многообразия конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, в частности, напряженное состояние трубы, повторно-статический характф на-гружения, нагагчия различного рода дефектов, изменение физико-механических свойств матфиала под влиянием длительно действующих темпфатурно-силовых полей и коррозионно-активных фед.
Кроме того, на эксплуатационные свойства металла и сварных соединений трубопроводов большое влияние оказывает их структурно-напряженное состояние, которое в наводороживаюшнх федах способствует накоплению повреждаемости. Нельзя также исключать влияние зфно-фаничных сегрегации примесных и легирующих элементов на когезивную прочность межзфенных фаниц. Так, напримф, существует прямая связь между уровнем углфода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчивания.
Подавляющее болышшство исследований по циклической трещино-стойкости при двухосном напряженном состоянии было выполнено на образцах со сквозными трещинами, хотя известно, что наиболее характерным и опасным дефектом в трубопроводах являются несквозные повфхпостные трещины. Фактически отсутствуют сведения о влияшш напряженного состояния на поведение усталостной трещины при наводоро-живании.
Целью работы явилось: разработка методов и федств оценки длительной прочности и трещиностойкости металла и сварных соединений труб, эксплуатирующихся в наводороживающих федах, а также получение и обобщеіше достовфной информации о механизмах длительной прочности и коррозионно-циклической трещиностойкости.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния сталей и сварных соединений в наводороживающих средах;
установить механизм углерод-водородного взаимодействия в сталях с учетом фактора термодинамической активности углерода;
предложить математическую модель длительной прочности металла трубопроводов на основе континуальной механики разрушения;
- разработать образцы-модели и методику оценки коррозионно-
циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб с уче
том условий эксплуатации.
Методы исследования, применяемые в данной работе включают в себя измерение деформации с течением времени двухкоординатным измерительным прибором; определение термодішамической активности углерода в наводороживающих средах масс-спектрометрическим методом; проведение испытаний на ползучесть и определение изменения запаса пластичности в среде NACE; определение влияния вида напряженного состояния на трещнностойкость образцов-моделей из натурных труб, методом многоточечного электротензометрирования и методом разности электрических потенщіалов; результаты обрабатьшались методами математической статистики.
Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей многократного увеличения деформации сварных соединений сталей в наводороживающих средах и накопления повреждаемости с течением времени вследствие процессов релаксации остаточных сварочных напряжений и ползучести, превращения остаточного аустенита в мартенсит и отпуска мартенсита закалки. Увешпение ползучести при наводороживашш связано с возникновением в неравновесных условиях наводороживания отдельных микрообъемов с высокой локальной концентрацией водорода. Разрядка концентрационных напряжений в этом случае может осуществляться за счет возшікновения легкоподвижных дислокаций, дрейф которых в поле сварочных напряжений является причиной деформации ползучести и уменьшения запаса пластичности. Деформации сварных соединений с нестабильной структурой зависят от степени закалки и количества остаточного аустенита. Если в сварных соединениях после сварки содержится значительное количество остаточного аустенита, то с течением времени вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации происходят в направлении уменьшения усадочного усилия от сварки, при полном превращении аустенита в мартенсит, деформации с течением времени определяются процессами, связанными с распадом пересыщенного твердого раствора и снижения тетрогональности мартенсита. Установлена прямая связь между уровнем углерода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчива-
ния. Водород способствует нарушению термодинамического равновесия между матрицей и карбидными включениями, в результате чего карбиды распадаются и повышают концентрацию углерода на границах зерен. Концентрация углерода ослабляет когезивную прочность границ и способствует снижению сопротивления зарождению и распространению меж-зеренных трещин.
Разработана математическая модель водородной длительной прочности на основе аппарата континуальной механики разрушения, который представляет собой инструмент для описания разрушения вследствие непрерывного накопления повреждений в материале. Даны модели разрушения стали и сварных соединений в среде сероводорода при одноосном и сложном напряженных состояниях.
Разработаны образцы-модели, являющиеся частью реальной трубы и в связи с этим, обладающие ее толщиной, кривизной поверхности, масштабностью, всем комплексом технологической наследственности. Конструкция образцов позволяет при нагружении воспроизводить в их центральной части двухосное напряженное состояние, характерное для трубопроводов под давлением. Разработана методика оценки коррозион-но-циклической трещиностойкости металла и сварных соединенігіі труб, предусматривающая проведение испытаний образцов-моделей с поверхностными дефектами, получены кинетические диаграммы усталостного разрушения и на основе сопоставления скоростей роста трещин рекомендуется материал, обладающий лучшей трещиностойкостью.
Дана качественная и колігчественная оценка циклической трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений в зависимости от напряженного состояния. Экспериментально установлено, что одновременное воздействие двухосного нагружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие.
Практическая ценность работы. Разработаны методики и оборудование, позволяющие оценить влияние напряженно-деформированного состояния сталей и сварных соединений трубопроводов на степень накопления повреждаемости в наводороживающих средах с течением времени.
Предложена математическая модель длительной прочности на основе континуальной механики разрушения, учитывающая процессы диффузии водорода, деформирования цилиндрических образцов на воздухе и в сероводороде и замедленного разрушения под влиянием длительного действия напряжений.
Создана методика оценки цикліпіеской трещиностойкости металла и сварных соединений в наводороживающих средах. В связи с тем, что методика отражает в комплексе влияние неблагоприятных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, становится возможным обосновано подходить к выбору сталей, сварных соединений и режимов термообработки для труб ответственного назначения.
Вышеперечисленные методики, оборудование и технологические решения внедрены на Тенгизском месторождении нефти и газа объединения "Тенгизнефтегаз".
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Обоснование природы многократного увеличения деформации формоизменения сварных соединений в наводороживающих средах с течением времени, вследствие процессов релаксации и ползучести остаточных сварочных напряжений и структурных превращений.
-
Механизм углерод-водородного взаимодействия в коррозионных реакциях. Полученные результаты подтверждают модельные представления о физико-механической природе водородного растрескивания, а также зависимость когезивной прочности границ зерен и состояние межзеренных поверхностей от термодинамической активности углерода.
-
Модель длительной прочности трубных сталей и сварных соединений в наводороживаюшщих средах. На основе теории ползучести получены уравнения остаточного относительного удлинения для одноосного и сложного напряженного состояния.
-
Образцы-модели, обладающие совокупностью конструктивно-технолопіческнми признаками трубы и моделирующие при нагружении характерное для трубопроводов напряженное состояние.
-
Методология повышения достоверности оценки коррозионно-циклической трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений в зависимости от условий эксплуатации.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе одна монография, одно учебное пособие, получено 6 авторских свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 2 кандидатские диссертации. Наиболее важные положения работы докладывались: на 8-м зональном научно-методическом совещании-семинаре по теоретической механике вузов Северо-Кавказского региона (сентябрь 1990 г., г.Владикавказ); на Всесоюзном совещании "Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования" (сентябрь 1991 г., г.Смоленск); на научно-технической конференции "Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Украины" (май 1992 г., г.Черкассы); на научно-техническом семинаре кафедры "Сварка и защита от коррозии" ГАНГ им.И.М.Губкина (июнь 1992 г., г.Москва); на 1-ом Международном конгрессе Всесоюзной ассоциации коррознонистов "Защита-92" (сентябрь 1992 г., г.Москва); на 1-ой Международной конференции 'Экологические проблемы горных территорий" (октябрь 1992 г., г.Владикавказ); на 11-ой Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий" (сентябрь 1995 г., г.Владикавказ); на 11-ом Международном конгрессе "Защита-95" (ноябрь 1995 г., г.Москва).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, содержит 255 страниц машинописного текста, 86 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 205 наименований.