WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ЭКСПРЕСС-МЕТОДОВ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ РАБОЧИХ СРЕДАХ ...»

-- [ Страница 2 ] --

В работе [199] доказывается, что склонность материалов к коррозионному растрескиванию определяется не только процессом разрушения пленки, но и высотой ступеньки скольжения. Чем больше высота ступеньки скольжения, тем более склонен сплав к коррозии под напряжением.

В настоящее время коррозионное растрескивание сталей и сплавов обнаружено не только в хлоридсодержащих средах: хлористом магнии, хлористом литии, морской воде и пр., но и в таких, как серная кислота с хлоридами при комнатной температуре [205], растворы роданистых сталей [198], сульфатные растворы при повышенных температурах [299], сложные смеси хлорного железа и хлорной меди [295 и др.].

В результате большого количества электрохимических измерений удалось определить, в каких областях анодной поляризационной кривой протекает коррозионное растрескивание сталей и сплавов. Установлено, что в хлористом магнии [298] и хлористом литии [299] область коррозионного растрескивания сталей находится на границе выхода из пассивного состояния. В растворе роданистого натрия при 90 °С коррозионное растрескивание стали типа 18-8 возможно на границе области с низкой скоростью коррозии и активной области [295].

В серной кислоте с хлоридами при комнатной температуре подверженность коррозионному растрескиванию аустенитной стали типа 304 зависит от содержания в растворе хлор-иона. По данным работы [193], сталь типа 18-8 при температуре 25 °С … 65 °С в зависимости от содержания хлоридов в серной кислоте подвергается различным видам коррозии.

В дальнейшем были выявлены области, где возможно протекание коррозионного растрескивания нержавеющей стали в смеси 5-н. серной кислоты с добавкой 0,5 н. хлористого натрия или калия при комнатной температуре.

В работе [17] найдено соответствие между возможностью развития процесса коррозионного растрескивания и значениями электродных потенциалов. Судя по этим данным, процесс коррозионного растрескивания протекает в районе области активного состояния. При этом коррозионное растрескивание происходит при потенциалах, [31] соответствующих не только активному состоянию, но и границе перехода из области пассивного состояния в область перепассивации. Возможные области коррозионного растрескивания исследованы в работе [13].

Герасимовым В.В. [31] также отмечена возможность появления трещин в растворе 5 н. серной кислоты +0,5 н. хлористого натрия при комнатной температуре вблизи стационарного потенциала (т. е. в начале активной области) и в области выхода из пассивного состояния.

В работе [31] более детально исследованы области коррозионного растрескивания. Показано, что коррозионное растрескивание наблюдается не в активной области, а на границе области с низкой скоростью коррозии (псевдопассивная область) и активной области, и на границе пассивной области и области перепассивации.

Рассмотренные выше работы свидетельствуют, что в каком бы растворе не наблюдалось коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей, необходимым условием для его протекания является наличие активно-пассивного элемента, т. е. когда недеформированный металл растворяется с низкой скоростью, а участки, где произошла пластическая деформация, корродируют со скоростью, отвечающей скорости растворения в активном состоянии.

Роль механохимических процессов в коррозионном растрескивании Впервые механохимический эффект применительно к коррозионному растрескиванию рассмотрен в работе [60]. Сущность механохимического эффекта состоит в заметном ускорении анодного процесса растворения при пластической деформации металлов. Изучение проводили на проволочном образце из стали 18-8 в 42 %-ном водном растворе хлористого магния, кипящем при 154 °С.

Ранее [4] было показано, что анодное растворение прекращается, когда значение потенциала становится ниже –0,15 В. При анодной поляризации 0,0005 А/см2 устанавливается потенциал –0,05 В, а при плотности тока 0,5 А/см2 – потенциал +0,45 В. Характер растворения металла равномерный. При устранении концентрационной поляризации за счет движения раствора вдоль проволоки плотности тока 0,5 А/см2 соответствует потенциал, равный нулю. Если проволоку в неперемешиваемом растворе растягивать со скоростью деформации, равной 10 %/мин, то ее потенциал снижается до 0,27 В. Если проволоку деформировать со скоростью 300 %/мин в движущемся растворе, то плотности тока 0,5 А/см2 соответствует потенциал –0,15 В [4, 8, 106]. На основании этих данных, авторы сделали вывод, что при пластической деформации и перемешивании раствора могут достигаться значения плотности тока, соответствующие скорости распространения трещины при потенциалах, при которых недеформированный металл практически не растворяется.

В работе [17] показано, что концентрационная поляризация не наблюдается в развивающейся трещине. Трещина непрерывно расширяется и засасывает свежие порции раствора, лишь малая доля которого расходуется на растворение небольшой области металла в острие трещины шириной примерно в 100.

В связи с тем, что в работе [13] подвергнут критике метод измерения потенциала, применяемый в работах [119], были проведены новые исследования [299]. При потенциале –0,14 В на образце из нержавеющей стали типа 18-10 измеряли общий катодный ток, который равнялся примерно 1,3 10 4 А/см2. При деформации со скоростью 100 %/мин скорость анодного процесса увеличилась до 0,16 А/см2. Такое повышение скорости анодного процесса при одном и том же потенциале вполне объясняет наблюдаемые высокие скорости распространения трещин.

Показано также, что рассматриваемый эффект имел место на восприимчивых к коррозионному растрескиванию сплавах системы железо-никель с пониженным содержанием никеля, но отсутствовал на стойких к коррозии под напряжением высоконикелевых сплавах.

По мнению авторов [298, 299], объяснение эффекта ускорения анодного процесса при деформации на сталях, склонных к коррозионному растрескиванию, и отсутствие его на никеле и высоконикелевых сплавах, по-видимому, можно получить по данным работы [188]. Авторы этой работы исследовали коррозионное растрескивание стали с 16 % хрома и 20 % никеля в обескислороженном 42 %-ном водном растворе хлористого магния при 146 °С, поддерживая потенциалы сталей постоянными. Сталь 16-20 и сталь с добавкой 1,5 % марганца при потенциале –0,06 В растворялась с образованием питтингов, но не подвергалась коррозионному растрескиванию. Стали, содержащие дополнительно 1,5 % молибдена или 0,5 % титана, разрушались очень быстро.

Электронно-микроскопическое исследование на просвет холоднообработанных образцов сталей, восприимчивых к коррозионному растрескиванию, показало, что дислокации в них располагаются по плоскостям скольжения; такое явление типично при ограниченном скольжении.

У сталей, стойких к коррозии под напряжением, наблюдалось ячеистое расположение скоплений дислокаций [154], характерное для поперечного скольжения. Можно считать, что в материалах, для которых характерно ограниченное скольжение при деформации из-за непрерывного выхода на поверхность дислокационных группировок, очень сильно возрастает число активных анодных участков, необходимых для электрохимического распространения трещины. В материалах, в которых обнаружено поперечное скольжение таких участков, образуется намного меньше из-за взаимодействия дислокаций в плоскостях поперечного скольжения.

Это предположение сделано в работе [299] и в дальнейших исследованиях [181]. В работе [180] также отмечено, что в сталях, стойких к коррозионному растрескиванию, облегчено поперечное скольжение, и они обладают высокой энергией дефектов упаковки.

Принципиальная возможность резкого ускорения анодного процесса на напряженном, подверженном коррозионному растрескиванию магниевом сплаве МА2-1 в растворе NaCl + K2CrO4 показана в работах [199, 213]. При этом установлено, что процесс быстрого образования трещины при коррозии под напряжением сопровождается резким падением поляризуемости (до четырех порядков) в зоне развития трещины. Это обстоятельство свидетельствует о том, что процесс растворения остро локализуется на участке в вершине трещины.

В работе [211] сделана попытка количественно описать влияние напряжения на процессы коррозии с помощью термодинамики необратимых процессов. Деформация металла рассматривается на стадии линейного упрочнения (случаи ограниченного скольжения), когда дислокации выстраиваются и движутся в системе параллельных плоскостей скольжения и когда отсутствует поперечное скольжение.

Из логических и математических построений вытекает следующее.

При одновременном протекании процессов деформации и электрохимической коррозии металла соответствующие феноменологические уравнения имеют вид [197]:

n L11 A L12 ; I L21 L22,

–  –  –

Согласно этим уравнениям, процессы деформации и коррозии не являются взаимно независимыми, а сопряжены между собой.

Коэффициент L11, регулирующий проводимость, определяется как L11 n / A.

Коэффициент L22 зависит от кинетики электрохимической реакции и служит характеристикой поляризуемости электрода L22 I /. Степень взаимного влияния деформации и электрохимической коррозии регулируется перекрестными коэффициентами, которые связаны соотношением Онзагера L12 L21, причем коэффициент L21 количественно выражает явление механохимического эффекта.

Физический смысл коэффициента L21 заключается в изменении химического потенциала металла в результате его пластической деформации, которое связано с ослаблением межатомных связей в местах скопления разрежающих дислокаций.

Таким образом, методы оценки развития коррозионномеханического разрушения можно разделить на следующие: механическая и адсорбционная теории коррозии и растрескивания, водородная теория растрескивания, дислокационные модели коррозии металлов и растрескивания, электрохимическая теория коррозионного растрескивания, пленочная теория коррозионного растрескивания, механохимическая теория растрескивания.

Проведенный анализ наиболее достоверных теорий, описывающих процесс коррозионного растрескивания, показал, что ни одна из рассмотренных теорий не в состоянии дать ему количественную оценку. В этом их основной недостаток.

В общих чертах электрохимическая и пленочная, а в меньшей степени адсорбционная теории объясняют влияние поляризации на процесс коррозионного растрескивания. Но ни одна из этих теорий не в состоянии ответить на вопрос о том, в какой области поляризационной кривой и почему возможно коррозионное растрескивание, какую роль при этом играет электродный потенциал металла.

Влияние пластической деформации, состава металла и его структуры на стойкость материалов к коррозионному растрескиванию с позиции рассмотренных теорий также не полностью объяснимо. Большое значение при изучении этих факторов сыграло исследование изменения дислокационной структуры металла в процессе коррозионного растрескивания. Однако по этому вопросу не было найдено достоверных критериев, благодаря которым можно было оценить стойкость материалов и элементов из них.

Рассмотренные теории только качественно описывают влияние температуры, состава среды и величины pH на стойкость сталей к коррозионному растрескиванию.

Механохимический эффект количественно описывается системой линейных феноменологических уравнений, взаимно связывающих механические процессы образования и передвижения дислокаций с электрохимическими процессами коррозии металла.

Однако до сих пор в литературе недостаточно сведений по расчетным методам оценки характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем, работающих в аномальных рабочих средах (вызывающих температурное и коррозионное охрупчивание и растрескивание).

1.2 Анализ коррозионно-механического разрушения элементов действующих трубопроводов Анализ исследований процессов коррозионно-механического разрушения газопроводов, проведенных в УГНТУ под руководством проф.

И.Г. Абдуллина [1 – 3], позволяет сделать следующие заключения:

- коррозионно-механические разрушения реализуются на опорной части газопровода с внешней его стороны на участках с поврежденной защитой изоляцией;

- на дефектных участкахгазопроводных труб отмечается сетка мелких трещин (КРН), ориентированных вдоль их образующей.

Повреждения, обусловленные КРН, как правило, носят хрупкий характер и путем слияния мелких трещин в магистральную, проходящую по перлитным структурным элементам прокатной феррито-перлитной структуры стали;

- большинство коррозионно-механических разрушений газопроводов наблюдается в пределах двух десятков километров выкидных линий;

- КРН может реализовываться в самых различных грунтах. Между тем, превалирующая роль отводится водной щелочной среде с карбонатбикарбонатными ионами и соединениями углекислых и двууглекислых солей щелочноземельных металлов и др.;

- процессам КРН характерно инкубационное время (в среднем 7,5 года);

- имеет место склонность КРН к сезонным температурно-силовым воздействиям;

отдельные периоды КРН связаны с локализованным механохимическим растворением металла;

- КРН инициируется по границам зерен и носит межкристаллитный характер;

- механохимический процесс при КРН резко интенсифицируется при температурах выше 40 °С в узкой области опасных поляризационных потенциалов (в пределах –0,6…–0,9 В относительно медно-сульфатного электрода сравнения) за счет перехода системы в неустойчивое активнопассивное состояние;

- в окрестности вершины коррозионномеханических трещин в продуктах коррозии отмечаются слабые пассивирующие элементы (магнетита, углекислого железа и др.);

- опасность КРН эксплуатирующихся газопроводов может снижаться периодическим диагностированием, переиспытанием, ремонтом и др.;

- защита труб на стадии проектирования может осуществляться оптимизацией их геометрических параметров, применением более совершенных ингибиторов и др.

Далее рассмотрим некоторые исторические проблемы, связанные с КНР газопроводов с иллюстрацией разрушений.

Впервые, в начале восьмидесятых годов, коррозионное растрескивание под напряжением было обнаружено на газопроводах средней Азии. К сожалению, данное явление в достаточно полной мере не было принято всерьез газотранспортными предприятиями в связи с тем, что магистральные трубопроводы, подверженные КРН, находились в малонаселенной местности, и основные газотранспортные потоки планировалось осуществлять из Западно-Сибирского региона, где температура перекачиваемого газа меньше, чем в Средней Азии и Казахстане [136, 137, 150, 159, 192]. Последнее, по-видимому, связано с тем, что первые отказы газопроводов по этой причине происходили на юге США, где температура стенки трубы была достаточно высокой.

Основной причиной КРН в те годы, по мнению газотранспортных организаций, было низкое качество отечественных труб, изготовленных, в частности, из стали 17Г1С, для которой, однако, наблюдалось и наблюдается наименьшая скорость развития КРН. Частично эти претензии были обоснованы для экспериментальных сталей без ограничения предела прочности (до К100), например, 17Г2СФ и 14Г2САФ, скорости растрескивания которых, приближались к рекордным скоростям (1,5…2 мм/год) растрескивания газопроводных труб в бывшем СССР.

Поэтому были заменены участки газопроводов с такими сталями (газопровод «Парабель – Кузбасс»), что привело к снижению риска КРН. В связи с вышеизложенным, в настоящее время для строительства магистральных трубопроводов [5, 15, 26, 108, 136, 162, 215], на уровне государственного стандарта, допустимо применять стали группы прочности не выше К60.

Кроме того, было зарегистрировано первое КРН на импортной трубе (плато Устюрт, фирма «Маннесманн»). Следует отметить, что наибольшая скорость развития трещины (более 3 мм/год) наблюдалась на трубе фирмы «БергрорХерне» (КС «Комсомольская»). Тогда же принято решение о замене подводного перехода через р. Обь, включая Обскую пойму, изготовленного из стали фирмы «Валлурек», имеющей недопустимое значение сульфидных включений (скорость развития трещины 1,5…2 мм/год).

КРН имело место на прямошовных и спиралешовных трубах диаметром 1020...1420 мм с толщиной стенки 9...18 мм отечественного и импортного производства, имеющих пленочную и импортную резинобитумную изоляцию только в местах ее дефектов и отслоений.

Внешний вид самого протяженного разрушения магистрального газопровода в СССР (около 0,5 км) вследствие КРН приведен на рисунке

1.1. Топография трещин приведена на рисунке 1.2, место локализации очага КРН – на рисунке 1.3, топография – на рисунке 1.4 (первое в мировой практике обнаружение очага КРН по данным электрометрических измерений – середина 80-х годов).

Необходимо подчеркнуть, что коррозионные трещины в газопроводах, в основном, обнаруживались в продольном направлении, где действуют максимальные окружные напряжения [300].

Трещины зарождаются на внешней поверхности трубопровода в пределах 5…7 часов условного циферблата. Они, в основном, развиваются хрупко от внешней поверхности трубы (под углом около 90°) и, как правило, с вязким механическим доломом (под углом около 45°).

Рисунок.1.1 – Разрушение магистрального газопровода (плато Устюрт) Рисунок 1.2 – Топография коррозионных трещин (Западная Сибирь)

–  –  –

Наиболее опасен такой случай КРН для труб с заводской противокоррозионной изоляцией и сварными стыками, изолированными пленочной (не термоусадочными пленками) изоляцией.

Наблюдается также растворение рисок и царапин в очаговой зоне КРН. При этом трещины зарождались в стороне от таких концентраторов напряжения. Блистеринг (образование вздутий металла вследствие воздействия водорода) и расслоение металла по этой же причине в очаге разрушения не наблюдались, что свидетельствует об отсутствии мощных источников водорода, каким является, например, сероводород, взаимодействующий с металлом трубы.

КРН, в основном, развивается в 20-километровой зоне после компрессорной, хотя в ряде случаев трещины могут возникать даже на входе в компрессорную станцию.

В настоящее время существуют несколько терминов, для описания данного явления: коррозионное растрескивание – КР (термин по ГОСТ), ККР (карбонатное коррозионное растрескивание), КРН, стресс-коррозия.

Они являются частичным переводом термина «Stress corrosion cracking in carbonate-bicarbonate solutions», предложенным американскими учеными для идентификации этого явления в 70-е годы.

Механические свойства стали не изменяются, кроме областей, непосредственно примыкающих к поверхности разрушения (рисунок 1.5) [144].

Рисунок 1.5 – Распределение микротвердости стали Х70 вблизи с трещиной КРН

Для описания процесса КРН были предложены и предлагаются механизмы, хорошо зарекомендовавшие для описания известных видов растрескивания.

Однако механизм разрушения металла в кислой и щелочной средах (характерных для КРН «мягких» сталей) отличается кардинальным образом. Поэтому часть исследователей КРН, ранее занимавшихся изучением КРН высокопрочных сталей, а также сталей в кислой среде, включая растрескивание в среде сероводорода, считают, что наблюдаемое растрескивание труб магистральных газопроводов из умеренно упрочненных сталей аналогично растрескиванию высокопрочных сталей в кислых средах.

Однако измерения pH при электродного слоя на границе «металл – грунтовый электролит» показали, что среда всегда имеет щелочную реакцию, даже в кислых грунтах, вследствие эффекта катодной защиты.

Поэтому модели, описывающие КРН в кислых средах, оказались непригодными для объяснения механизма КРН магистральных трубопроводов.

КРН аналогично щелочной хрупкости стали, обнаруженной в начале XX века. Следует отметить, что механизм этого явления в полной мере не объяснен и в XXI веке, хотя были предложны эффективные мероприятия для его предотвращения, полностью исключившие разрушения паровых котлов за счет щелочной хрупкости.

КРН развивается под воздействием 3-х факторов: растягивающих механических напряжений, коррозионной среды и катодной поляризации.

Исключение одного из них не даст возможности протекания растрескивания металла. Наиболее просто этот вопрос может быть решен с помощью определения наиболее опасных участков, удаления потенциальных очагов и переизоляции газопровода. В настоящее время данный подход реализуется на практике.

Как это было описано выше, КРН характеризуется рядом внешних проявлений. Однако в научных исследованиях [2, 3, 6, 10] описываются только основные внешние признаки данного явления, необходимые для идентификации КРН магистральных газопроводов. В ряде случаев специфика региона может оказывать влияние на процесс КРН, и некоторые признаки могут не согласовываться с частью положений этих исследований. Накопленный опыт изучения проявления КРН вносит свои коррективы, которые не умаляют общие закономерности развития растрескивания.

Ранее считалось, что трещины должны располагаться вдоль образующей трубы. Однако опыт авторов опроверг определенное количество устоявшихся положений. Ряд разрушений магистральных газопроводов, произошедших в Западной Сибири («Парабель – Кузбасс»), Пермской области и Республике Башкортостан, показал, что КРН может развиваться и в других зонах (включая и вход магистрального трубопровода в компрессорную станцию). При этом наибольшее количество и глубина трещин максимальны в указанных ранее зонах.

Кроме того, считалось, что КРН не подвержены трубопроводы, перекачивающие жидкости, включая нефтепроводы. Однако результаты изучения инцидентов говорят об обратном. Так, по результатам выборочной шурфовки магистрального нефтепровода (сталь 17Г1С), где были зарегистрированы коррозионные трещины, было выявлено, что участок был в зоне постоянного увлажнения (болото). Уровень защитных потенциалов «труба – земля» находился в регламентированной области.

Однако был обнаружен высокий уровень блуждающих токов, несмотря на удаленность (около 5 км от Транссибирской магистрали). Наблюдалось отслоение пленочной изоляции по нижнему полупериметру (второй и третий квадранты). На поверхности трубы под отслоившейся изоляцией обнаружены катодные отложения белого цвета. Рентгенофазовый анализ показал, что в их составе находились соли угольной кислоты, характерные для очаговых зон разрушения магистральных газопроводов. Наличие признаков интенсивной общей коррозии не обнаружено. При визуальном осмотре поверхности нижнего полупериметра трубы обнаружена сетка параллельно идущих трещин. Трещины ориентированы, в основном, вдоль образующей трубы.

Наружный дефектоскопический контроль был выполнен с применением ультразвуковых и магнитных дефектоскопов. При этом было выявлено, что утонения стенки трубы и расслоений металла не обнаружено. На участках с сохранившейся адгезией покрытия после его удаления трещины не были обнаружены. Глубина выявленных трещин – 6…7 мм. Перечисленные признаки являются характерными для КРН, и поэтому впервые в мировой практике эксплуатации магистральных нефтепроводов данный инцидент был отнесен к КРН металла труб.

Лабораторные исследования подтвердили вышесказанное.

Известные до настоящего времени случаи отказов магистральных газопроводов по причине КРН были вызваны развитием продольных трещин. Однако, как показали проведенные исследования, в ряде случаев разрушения были вызваны развитием поперечных трещин, зарождение и развитие которых инициировалось высокими напряжениями изгиба. Об этом свидетельствует обнаруженный гофр, расположенный на диаметрально противоположной очаговой зоне поверхности трубы. Потеря устойчивости трубы с образованием подобных гофров всегда сопровождается реализацией пластических деформаций и дополнительных напряжений, которые могут достичь до временного сопротивления стали.

В сочетании с коррозионной средой указанный факт может приводить к разрушениям газопровода.

Такие «поперечные» типы КРН в практике эксплуатации магистральных газопроводов являются следствием нарушения строительно-монтажных норм укладки газопровода на аварийном участке, приведших к возникновению высоких продольных растягивающих напряжений на нижней образующей трубы. Этот неизвестный до настоящего времени тип КРН может вызвать разрушение газопровода не только в 20…30-километровой зоне за компрессорной станцией, а и в других местах трассы со сложным рельефом.

Впервые растрескивание вне 20-километровой зоны наблюдалось в системе ООО «Тюменьтрансгаз» и ООО «Пермтрансгаз». Однако в отличие от РБ трещины развивались на ровных участках трассы.

В 1999 г. было проведено комплексное обследование двух ниток «Уренгойского коридора». При этом проведено его специальное электрометрическое обследование в соответствии с патентно-чистой методикой УГНТУ по определению потенциальных очагов растрескивания. Данная методика была создана в результате многолетних фундаментальных исследований электрохимического поведения трубных сталей в условиях КРН, проводимых в УГНТУ. На основании результатов проведенных исследований были отмечены наиболее опасные с точки зрения КРН участки газопровода.

В связи с вышеизложенным, следует отметить опыт исследования КРН газопроводов Украины. Долгое время считалось, что в Европе границей возникновения КРН является Россия – граница между Азией, в которой КРН был зарегистрирован в начале 80-х годов, и Европейской Россией, где КРН зарегистрирован в середине 80-х годов. Иными словами, КРН – это проблема только Северной Америки и Азии, включая Россию, и западнее России КРН не может происходить. Поучителен опыт изучения КРН «Уренгойского коридора» газопроводов на Украине. Растрескивание металла происходило по классическому механизму. Однако разрушившийся участок находился в водной среде (пруд). Эффект возможности развития КРН на участках газопроводов, находящихся в условиях постоянного, а не периодического увлажнения, является новым в практике борьбы с КРН.

Внешний вид таких разрушений в Западносибирском регионе в системе аппаратов воздушного охлаждения (АВО) приведен на рисунках 1.6, 1.7.

–  –  –

Для определения опасных участков КРН ООО «Сургутгазпром»

было проведено электрометрическое обследование трассы в соответствии с патентом России № 2175440. В дополнении проводилась градация степени опасности стресс-коррозионного дефекта по 100-балльной системе, показавшие высокую эффективность.

Кроме того, на газопроводах наблюдаются проявления общей и язвенной коррозии (рисунки 1.6 – 1.8).

Таким образом, в магистральных газопроводах реализуются процессы общей и локализованной механической активации коррозии и водородного охрупчивания металла.

Выводы по главе

1. Существующие в литературе механизмы и теории коррозионномеханического растрескивания позволяют производить лишь качественную оценку характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем.

2. На основании обобщения литературных данных установлено, что в действующих трубопроводах реализуются процессы механической активации общей и локализованной коррозии и охрупчивания металла.

3. В литературе недостаточно сведений по расчетной оценке характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем, работающих в аномальных рабочих средах.

4. Возникает острая необходимость создания комплексной системы защиты основных оболочковых элементов трубопроводных систем, предусматривающей применение более совершенных изоляционных покрытий и технологий их нанесения на коррозионно-опасные поверхности.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК

РАБОЧЕЙ СРЕДЫ И ПРОЧНОСТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ

СИСТЕМ

2.1 Взаимосвязь деформационно-силовых и энергетических характеристик сопротивления статическому разрушению оболочковых элементов ТС Как известно [14, 78, 83, 102, 121, 125, 179, 217, 218, 228], расчеты на прочность и долговечность, прогнозируемый и остаточный ресурс базируются на основных механических свойствах сталей и сплавов (материалов), определяемых на стандартных образцах на основе растяжения до разрушения. При этом стандартные (нормируемые) механические свойства разделяются на силовые (пределы текучести т и прочности в ) и деформационные 5,. Энергетические характеристики, представляющие собой определенное сочетание силовых и деформационных свойств материала, являются ненормируемыми, хотя большинство критериев разрушения достаточно адекватно описываются (или базируются) на энергетических параметрах.

Большую практическую ценность имеют данные по взаимосвязям деформационно-силовых и энергетических параметров, полученных по стандартным испытаниям образцов на осевое растяжение, и оболочковых элементов под действием внутреннего давления до разрушения.

Сказанное предопределило цель и содержание настоящей главы.

В процессе нагружения образцов на растяжение силой Q в металле одновременно реализуются два противодействующих процесса деформационного упрочнения и разупрочнения [102, 224]. Первый процесс деформационного упрочнения связан с ростом напряжений, второй – со снижением поперечного (рабочего) сечения. Эти процессы соответственно характеризуются напряжениями и деформациями. В пределах упругих деформаций отношение продольных напряжений и деформаций представляет собой модуль упругости Е ( Е 2,1 105 МПа для большинства сталей при нормальных условиях испытаний). Для осесимметричных образцов (круглого и квадратного поперечного сечения) поперечные деформации, характеризующие степень снижения площади, равны между собой r ( r, радиальные и тангенсальные деформации). При этом отношение поперечных к продольным деформациям представляет собой коэффициент Пуассона, который для большинства углеродистых и низколегированных сталей имеет постоянное значение, равное 0,3 0,3.

Это показывает, что в упруго-деформированном стержне (прутке) продольная деформация z в 1 / 3,34 раза больше поперечных х у.

При этом предельная упругая деформация т для большинства сталей лежит в пределах от 0,1 % … 1,5 % ( т = 0,0001…0,015), а удельная энергия деформации wу т изменяется от 0 до 25 мДж/м3 (рисунок 2.1):

–  –  –

Около 90 % этой энергии переходит в тепловую энергию Qв 0,9 wв / У ( У 427 ккал механический эквивалент тепла), ккал/см3. Остальная часть энергии (около 10 %) аккумулируется в окрестностях дислокационных скоплений. Заметим, что в пластически деформированном металле плотность дислокаций может достигать до 1012дисл./см3. К этому следует добавить, что при высоких скоростях пластических деформаций температура металла образца при нормальной температуре (20 С) может возрастать до адиабатической температуры tадиаб 20 С Qв / с, где с удельная теплоемкость (при температуре 100 С...300 С с 0,15 );

удельный вес стали 0,0078 кг / см3. К примеру, для стали в 500 МПа

–  –  –

пластический коэффициент Пуассона в в 0,5. Произведение предела прочности и коэффициента деформационного упрочнения представляет собой удельную энергию равномерной деформации wв, девяносто процентов которой превращается в тепловую энергию Qв.

Далее рассмотрим особенности неустойчивого пластического деформирования образцов при статическом растяжении (при i iв ).

Задача о напряженном состоянии в шейке образца, возникшей при растяжении, сложная и полностью не решена. Так как важно знать величины напряжений в момент, предшествующий разрушению, построены приближенные решения, основывающиеся на тех или иных допущениях, подсказанных интуицией и опытными данными. На наш взгляд, при рассмотрении этого вопроса, прежде всего, необходимо выяснить физическую сущность шейкообразования.

Поскольку металл представляет конгломерат различных структурных элементов с соответствующими геометрическими и физикомеханическими характеристиками, то пластическое деформирование должно чередоваться последовательными процессами упрочнения и разупрочнения определенных объемов металла, заключенного в определенную оболочку, например в виде цилиндрического стержня (образца) определенной длины и диаметра.

Ясно, что каждому металлу должны быть свойственны соответствующие степени изменения длины (относительное удлинение ) и диаметра (относительное сужение ) образца. На этапе устойчивого равномерного деформирования параметры в и в являются усредненными показателями относительного удлинения и сужения. На этой стадии деформирования плотность дислокаций (дефектов кристаллической решетки) с ростом пластической деформации i повышается в соответствии со степенным законом [22, 32, 62, 72, 83, 112 – 114, 172, 191, 225]: A im, где A и m константы для данных условий деформации и металла. Отсюда становится ясным физическая сущность степенной закономерности упрочнения сталей. Отметим, что в реальных диаграммах растяжения в области в возможна реализация нескольких участков в образце, в которых происходит локализация деформаций (шейка). Окончательная локализация деформаций с последующим разрушением происходит по тому участку образца, где скорость упрочнения d i / d i будет недостаточной для компенсации степени разупрочнения, обусловленного уменьшением поперечного сечения образца. В любом случае, моменту образования шейки в образце необходимо достижение в металле критической плотности дислокаций.

Ясно, что предварительно деформированный образец до i в n при последующем нагружении до разрушения будет иметь остаточные удлинение ос т и сужение ос т, равные разностям: ос т n и ос т n.

При этом, нами установлено, что ос т 0,1...0,15 ос т. (2.5) Выражение (2.5) может быть использовано для контроля полученных результатов испытаний.

Следует отметить, что предварительная деформация образца, соответствующая полному исчерпанию пластичности, будет разрушаться при напряжениях, близких к истинному сопротивлению разрушению S к по механизму хрупкого разрушения. Несмотря на это, в ряде работ делается попытка интерпретации характера «чашечного» разрушения образцов при растяжении с позиции реализации в шейке образца объемного напряженного состояния (Бриджмен, Зибель и др.). Не адекватны также модели деформирования шейки образца в соответствии с таковыми, реализуемыми в образцах с выточками, например с гиперболоидными (по Нейберу).

–  –  –

При этом присущие для металлов исходные микроповреждения (дислокации и их системы) в процессе нагружения последовательно притупляются, например, как схематично показано на рисунке 2.3, в. При достижении определенной плотности микропор возможна реализация зигзагообразной трещины (рисунок 2.4, а). Такая трещина реализуется в результате последовательного объединения микропор по направлениям, подготовленным предшествующей деформацией по плоскостям разрушения и сдвига. При этом окончательный характер разрушения образцов во многом предопределяется условиями испытаний, как правило, с выраженной чашеобразностью для осесимметричных образцов.

–  –  –

0,75 1,25 1,0 0,5 0,75 0,25

–  –  –

При mвs 5 в прямоугольном образце практически реализуется плоское деформированное состояние. Реализация этого условия, как правило, приводит к возникновению поперечного напряжения в направлении оси х, по которой отсутствует деформация х х 0,5 z.

Такое напряженно-деформированное состояние характерно для тонкостенных труб с приварными днищами и способствует некоторому увеличению средних разрушающих напряжений zв в сравнении с предельной прочностью контактного (круглого или квадратного) образца:

–  –  –

Для прямоугольных образцов степень увеличения прочности (коэффициент механического упрочнения k му ) можно определять по формуле: k му 1,155 0,155 m. Взаимосвязи параметров m mвs и k му mвs показаны на рисунке 2.7. Здесь необходимо отметить, что коэффициент в условиях плоского деформированного состояния зависит от k му

–  –  –

меньше, чем для контактного (осесимметричного) образца, для которого iв n : iв n / 3 0,575 n. Предельные разрушающие условные напряжения

zв с учетом механического упрочнения k му будут равны:

–  –  –

области неустойчивой деформации это условие может не выполняться в связи с изменением соотношения поперечных к продольным деформациям (коэффициента пл ).

n 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

–  –  –

таковыми определенными ранее в условиях устойчивой деформации прямоугольных и осесимметричных образцов.

Локализованную составляющую полного удлинения можно установить из анализа шейкообразования осесимметричных образцов по величине коэффициента k : л 0,12...0,13 k. Следовательно,

–  –  –

Полученные данные по 5 и zв для прямоугольных образцов позволяют рекомендовать следующую закономерность для расчетной оценки удельной энергии деформации w р :

–  –  –

локализованной деформации величина пл может значительно отличаться от общепринятого в теории пластичности значения 0,5.

Базируясь на литературных и собственных экспериментальных результатах, в работе установлены закономерности взаимосвязей прочности, пластичности и энергоемкости компактных и прямоугольных образцов.

Полученные результаты исследования могут быть исходными и базовыми при разработке нормативно-технических материалов по оценке качества и ресурса базовых элементов технических систем в нефтегазовой отрасли.

2.2 Закономерности механической активации диффузионных и коррозионных процессов в металле оболочковых элементов ТС Оценка механической активации процессов диффузии водорода и охрупчивания металла оболочковых элементов Процессы доставки водорода в зону предразрушения металла труб в той или иной степени взаимосвязаны с диффузионными [4, 8, 13, 20, 64, 91, 100, 257], активируемыми, на наш взгляд, механическими напряжениями и деформациями [99, 103, 253].

Известно, что если водород поступает из внешней среды, то его концентрация в ненапряженном металле Со предопределяется давлением

Рн2 в соответствии с законом Сивертса:

–  –  –

Обычно рабочие напряжения р в конструктивных элементах задаются в долях от предела прочности в ( Fн р / в коэффициент использования несущей способности) [267]. На наш взгляд, величина Fн должна устанавливаться в зависимости от соотношения пределов текучести т и прочности в К т в т / в, например: Fн 1/ 4 К т в.

В этом случае коэффициент активации водородного насыщения kн

–  –  –

Зависимость коэффициента активации водородного насыщения от коэффициента повышения предела текучести представлена на рисунке 2.9.

Увеличение исходной прочности приводит к росту коэффициента механической активации степени насыщения металла водородом. При выполнении расчетов kн по формуле (2.16) необходимо учитывать, что с

–  –  –

где Кпв в / в ; в К т в т 375 МПа; т 0,001 Е ( Е 210000 МПа модуль упругости). Эта зависимость отражена на рисунке 2.10. Видно, что расчетные данные близки к экспериментальным данным других авторов [113, 119, 126, 132, 142, 143, 150, 169, 297, 298].

Необходимо отметить, что при положительных температурах коэффициент kt снижает степень механической активации kн. Однако с ростом kt должна увеличиваться величина Со.

В частности, при температурах tэ 200 С коэффициент диффузии

D составляет [111]:

–  –  –

где C и Со равновесные концентрации водорода в пластически деформированном и недеформированном состояниях; i i / в ; i интенсивность пластической деформации; в предельная устойчивая деформация (равномерное сужение или удлинение в ). Анализ формулы (2.20) показывает, что при i 1,0 величина k достигает максимального (экстремального) значения k ехр в. В дальнейшем при i 1 величина коэффициента k интенсивно снижается до 1,0 (рисунок 2.11).

–  –  –

0,75 0,3 0,5 0,5 0,75 0,25 1,0 0 0,25 0,5 0,75

–  –  –

Повышение tэ 100 С приводит к снижению кр до 48 ч.

Наибольший практический интерес представляет оценка степени изменения характеристик работоспособности труб при эксплуатации с учетом водородной повреждаемости металла.

Коррозионно-механические испытания показывают, что в

–  –  –

Максимальная степень снижения пластичности 5 С 1,0 в среднем составляет около 2,72.

Для низколегированных сталей повышенной и средней прочности в 500...750 МПа в области Сн2 0...Сн2кр прочностные характеристики изменяются незначительно. Хотя при малых концентрациях С н возможно

–  –  –

Зависимости т р от 5 при С 1,0 по формулам (2.26) и (2.28) построены на рисунке 2.14 [243].

Несмотря на почти трехкратное снижение относительного удлинения 5 (под воздействием водорода) коэффициент трещиностойкости т р для большинства сталей уменьшается примерно в 1, 7...2 раза.

Таким образом, установлены и описаны основные закономерности изменения деформационных характеристик и трещиностойкости оболочковых элементов ТС из сталей различного структурнопрочностного состояния при воздействии водородсодержащих сред.

Впервые получена аналитическая зависимость, позволяющая производить степень механической активации диффузии водорода и степени охрупчивания оболочковых элементов под действием силовых нагрузок при упругих и пластических деформациях металла.

–  –  –

0,75 0,5 0,25 С 1,0 0 0,05 0,1 0,15 0,2

–  –  –

На основании полученных результатов произведена расчетная оценка основных характеристик работоспособности ОЭ ТС, работающих в сероводородсодержащих средах [257].

Обобщенное кинетическое уравнение разрушения материала в рабочих средах В данной главе предложено уравнение скорости коррозионномеханического разрушения материала, отличающееся от известных тем, что оно учитывает одновременно все явления термомеханической активации деформационных, диффузионных и коррозионных процессов повреждаемости.

Опубликованные по данной проблеме работы, в основном, посвящены исследованиям скорости разрушения напряженного материала в рабочих средах с учетом раздельного влияния деформационных,

–  –  –

ограничивать величиной предела усталости 1 (или о ).

Кинетика механической активации коррозионно-диффузионных процессов может быть описана следующей зависимостью, включающей величину плотности энергии деформации wi :

–  –  –

среднего напряжения cp к девиатору i напряженного состояния; n коэффициент деформационного упрочнения стали, равный равномерному сужению в или удлинению в. Величина коэффициента жесткости напряженного состояния при осевом растяжении равна 1 / 3 1,3. В общем случае плоского напряженного состояния: 1 m / 3 1 m m.

–  –  –

кинетического уравнения (2.30) на примере работы оболочкового элемента при упругом напряженном состоянии и равномерной коррозии [64].Для определения среднеинтегральной скорости коррозии металла в случае плоско напряженного состояния производим интегрирования зависимости

2.30 и получаем:

–  –  –

где Сф С1ф С2 С3 фактическая прибавка на коррозию; С1ф но о k фактическая компенсация коррозионного износа; но прогнозируемый (назначенный) срок эксплуатации (10…12 лет); С2 минусовой допуск;

С3 технологические утончения.

–  –  –

(2.40) где Кп т т / т коэффициент повышения предела текучести металла. В области Кп т 1...5 величина ki изменяется от 1,21 до 2,0 (рисунок 2.15).

Однако в отдельных микроскопических областях металла величина ki может возрастать более, чем на порядок.

Анализ формулы (2.30) показывает, что пластическая деформация способствует дополнительной активации диффузионно-коррозионных процессов, оцениваемых коэффициентом k i.

На рисунке 2.15 показаны расчетные зависимости. Видно, что повышение К п т способствует росту ki и ki и снижению k i.

Таким образом, предложено обобщенное кинетическое уравнение разрушения материалов в рабочих средах, позволяющее оценивать коэффициенты механической активации коррозионных и диффузионных процессов и ресурс оболочковых элементов при термомеханических воздействиях на всех этапах упругого и пластического деформирования.

Установленные закономерности механической активации коррозионно-диффузионных процессов положены в основу разработанных методов расчета на прочность и долговечность оболочковых элементов, работающих под давлением коррозионно-активных рабочих сред.

–  –  –

1. На основании выполненного комплекса экспериментальнотеоретических исследований произведена оценка взаимосвязей силовых, деформационных и энергетических параметров образцов и оболочковых элементов из углеродистых и низколегированных сталей на всех этапах упругопластического деформирования.

2. Предложена и обоснована аналитическая зависимость для оценки пластического коэффициента Пуассона пл. Показано, что в области локализованной деформации величина пл может значительно отличаться от общепринятого в теории пластичности значения 0,5.

3. Установлены и описаны основные закономерности изменения деформационных характеристик и трещиностойкости оболочковых элементов из сталей с различной исходной прочностью при воздействии водородных рабочих сред.

4. Впервые получена аналитическая зависимость, позволяющая производить степень механической активации диффузии водорода и степени охрупчивания и коррозии металла под действием силовых нагрузок при упругих и пластических деформациях.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ОЭ ТС В УСЛОВИЯХ КРАТКОВРЕМЕННОГО

СТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ РАБОЧИХ СРЕДАХ

Неравномерная коррозия в большинстве случаев реализуется в областях с высокой перенапряженностью металла, обусловленной локальными утонениями и утолщениями стенок ОЭ ТС. Как известно, уровень перенапряженности металла оценивается пластическим коэффициентом перенапряженности К. Величина К устанавливается известными подходами и методами механики упругопластического разрушения [62, 63, 147, 151, 176, 216]. Большое значение при оценке ресурса оболочковых элементов имеет величина К, характеризующая уровень локализованных пластических деформаций пл. В инженерных расчетах, величина К может рассчитываться по значению упругого коэффициента концентрации деформаций с использованием известного подхода Нейбера [168].

–  –  –

определяемые линеаризацией i i : n i n C n n i [147, 224]. Важно, что при осевом растяжении iв n, измеряемая простыми геометрическими зависимостями, соответствующими максимальной нагрузке или пределу прочности материала в : iв n. При этом представляется возможным определять интенсивность образца на растяжение iв :

iв С в С n n. (3.1) Необходимо отметить, что между основными характеристиками свойств диаграмм растяжения существуют устойчивые корреляционные взаимосвязи [83, 92, 107, 147, 171, 172, 224], на базе которых представляется возможным на основании простых механических характеристик (предела текучести, прочности и др.) производить оценку сопротивляемости элементов конструкций хрупкому разрушению и трещиностойкости и др.

С использованием уравнения (3.1) возможно определять практически все геометрические, деформационные и силовые параметры различных тонкостенных оболочковых элементов и локализованных утонений в них.

В ИПТЭР проведены подобные исследования. В частности, для участка труб с расслоениями (а) и блистерами (б) [94, 132, 146] (рисунок 3.1).

–  –  –

Рисунок 3.1 – Участок трубы с расслоением (а) и блистерами (б) [132] Произведена оценка процесса деформирования участка трубы с повреждениями, находящегося под давлением (рисунок 3.

2).

–  –  –

С использованием критерия неустойчивости пластических деформаций объяснен механизм образования и разрушения нового газопровода (рисунок 3.4).

–  –  –

3.2 Определение предельного состояния ОЭ ТС с локализованными утолщениями Такой вид концентрации напряжений характерен, например, для сварных соединений с односторонним швом (рисунок 3.5) [161].

В соответствии с нормами и методами расчета на прочность [42] сосудов и аппаратов при оценке их толщины стенок вводится коэффициент прочности сварных швов с (ГОСТ Р 52857-2007 [57]).

Как видно, в ряде случаев односторонние швы имеют достаточно низкие значения с с 0,65 (таблицау 3.1).

Другими словами, для таких соединений эффективный коэффициент концентрации напряжений [146, 161, 167, 178, 194, 216, 219] К эф 1 / с 1 / 0,65 1,54.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 

Похожие работы:

«Марченко Василий Сергеевич Методика оценки чрезвычайного локального загрязнения оксидами азота приземной воздушной среды вблизи автодорог 05.26.02 – безопасность в чрезвычайных ситуациях (транспорт) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: к.х.н., доцент Ложкина Ольга Владимировна Санкт-Петербург Оглавление Введение 1 Аналитический обзор...»

«Кирилов Игорь Вячеславович Военная политика, военно-политические процессы и проблемные аспекты в системе обеспечении военной безопасности в современной России Специальность 23.00.02. – Политические институты, процессы и технологии Диссертация на соискание ученой степени кандидата политических наук Научный руководитель: д.пол.н.,...»

«Топольский Руслан Ахтамович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОСУДАРСТВА НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТРУКТУРНОЙ ПОЛИТИКИ Специальность 08.00.05 Экономика и управление народным хозяйством (экономическая безопасность) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учной степени кандидата экономических наук Научный руководитель:...»

«МАКСИМОВ АФЕТ МАКСИМОВИЧ УГОЛОВНАЯ ПОЛИТИКА В СФЕРЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИВОТНОГО МИРА: КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ОПТИМИЗАЦИИ 12.00.08 – уголовное право и криминология; уголовноисполнительное право Диссертация на соискание учёной степени доктора юридических наук Научный консультант: заслуженный работник высшей школы РФ,...»

«Трунева Виктория Александровна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ВЕЛИЧИН ПОЖАРНОГО РИСКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Специальность...»

«Музалевская Екатерина Николаевна ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МАСЛА СЕМЯН АМАРАНТА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ОСЛОЖНЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ ИЗОНИАЗИДОМ 14.03.06 Фармакология, клиническая фармакология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата фармацевтических наук Научный руководитель: д.м.н., профессор Николаевский Владимир...»

«Добрева Наталья Ивановна АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЯ СИЛИПЛАНТ И РЕГУЛЯТОРА РОСТА ЦИРКОН В СМЕСИ С ПЕСТИЦИДАМИ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ЯЧМЕНЯ Специальности: 06.01.04 агрохимия и 03.02.08 – экология Диссертация на...»

«Сурчина Светлана Игоревна Проблема контроля над оборотом расщепляющихся материалов в мировой политике 23.00.04 Политические проблемы международных отношений, глобального и регионального развития Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»







 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.